Введение к работе
Актуальность работы. Значительное место в технологии производства химических волокон и нитей занимает стадия промывки. Актуальность разработки научно-обоснованной технологии промывки различных видов волокон обуславливается тем, что именно от этого "узкого места" во многом зависит качество, потребительские свойства получаемых волокон. Вместе с тем процессы промывки химических волокон, возможности интенсификации этой стадии до настоящего времени остаются наименее изученными.
К химическим волокнам в сфере их технического использования для решения некоторых уникальных задач предъявляются исключительно высокие требования по химической чистоте и равномерности. Это относится, в частности, и к полиакрилонитрильным волокнам, предназначенным для производства высокопрочных углеродных волокон, которые позволяют осуществить качественный скачок в ряде передовых отраслей техники, в саыолето- и ракетостроении, химическом машиностроении, изготовлении спортинвентаря и т.д.
Требования к содержанию примесей в углеродных волокнах особенно высоки. Наличие примесей в исходных ПАН-волокнах влияет на термоокислительную устойчивость углеродного волокна, одну из важных его характеристик, которая значительно снижается в зависимости от содержания некоторых металлов. Установлено, что присутствие ионов натрия в исходных ПАН-волокнах в количестве 0,20-0,25% (масс.) приводит к получению углеродных волокон с невысокой термоокислительной устойчивостью 440-5бОС, в то время как содержание ионов натрия в импортных образцах ПАН-волокон составляет менее 0,05% (масс), а термостойкость образцов углеродных волокон при этом может достигать 700С и даже выше (например, волокно Бесфайт, Япония - 580-795С).
Особенно актуально снижение или полное удаление ионов натрия из ПАН-волокна, сформованного водно-роданидным способом, который наиболее распространен в нашей стране. Ионы натрия при этом способе содержатся, практически, во всех технологических растворах, а в состав полимера входят звенья итаконовой кислоты, карбоксильные группы которой сорбируют и удерживают натрий в виде солеобразного соединения.
В связи с этим представляет интерес изыскать пути интенсификации процесса промывки ПАН-волокон с целью получения
- 4 -волокна с низким содержанием ионов натрия, что позволит значительно повысить термоокислительную устойчивость углеродного волокна.
Цель и задачи исследования. Основной целью данной работы являлась разработка способа удаления ионов натрия из ПАН-волокна, сформованного по водно-роданидному способу, получение ШШ-волокна с содержанием ионов натрия менее 0,05 (масс.) и применение его в качестве исходного сырья для производства углеродных волокон. Помимо основного требования - достижение низкого содержания натрия в ПАН-волокне - поставленная цель должна учитывать возможность осуществления способа на действующем агрегате без значительной его реконструкции. Поскольку в работе представлялось наиболее оптимальным достижение основной цели работы на стадии промывки, которая является диффузионным процессом, то в научном плане ставилась задача исследования кинетики диффузионных процессов и обоснование возможности осуществления поставленной цели в оптимальных, теоретически обоснованных параметрах.
Научная новизна работы:
разработан совмещенный способ кислотной обработки и промывки ПАН-жгутов с целью удаления ионов натрия из волокна, формуемого водно-роданидным способом. Способ обеспечивает получение ПАН-жгутов с содержанием ионов натрия менее 0,05 (масс). Способ заключается в кратковременном контакте в течение 0,1-0,5 с ПАН-нитей с раствором серной кислоты (кисловки) повышенной концентрации (20-30 г/л) при температуре 18-20С с дальнейшим совмещением кислотной обработки с промывкой при повышенной температуре 50-бОС;
в установлении распределения концентраций серной кислоты и температуры в волокне, что позволило дать количественное обоснование возможности совмещения операций кисловки и промывки;
в разработке методов и определении усредненных эффективных коэффициентов диффузии серной кислоты и роданида натрия при кислотной обработке и промывке ПАН-жгутов.
Практическое значение и использование результатов работы.
На основании проведенных исследований установлены технологические параметры по интенсификации промывки ПАН-жгутов на промышленных агрегатах ЛП-24-ПАН, позволяющие снизить содержа-
- 5 -ние ионов натрия в волокне в 8-Ю раз. Рекомендованные технологические параметры были использованы при наработке опытной партии ПАН-жгутов с содержанием 0,03% (ыасс.) ионов натрия.
Апробация работы. Разработанный способ совмещенной кислотной обработки с промывкой апробирован вначале на опытной лабораторной установке ЛУ-ПАН-І, а затем в условиях производства Саратовского ПО "Нитрон" на действующем агрегате ЛП-24--ПАН. При этом полученные ПАН-жгуты содержали 0,03% (масс.) натрия. По физико-механическим свойствам партия не отличалась от ПАН-жгутов, получаемых по обычной технологии без кислотной обработки. ПАН-нити (жгуты) с низким содержанием натрия были переработаны в углеродное волокно в условиях опытного завода НПО "Химволокно". Температурный интервал интенсивного разложения полученных углеродных волокон составил 540-715С, что на 65-Ю0С выше термостойкости углеродных волокон, получаемых ранее в нашей стране.
Публикации. Результаты работы докладывались на научно-технической конференции "Углеродные волокнистые материалы" (ЛенНИИ "Химволокно", 1990 г.) и на 2-ой Межотраслевой научно-технической конференции по углеродным волокнам (Мытищи,1990г.), где получили положительную оценку. Основные положения проведенных исследований изложены в 4-х публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической и экспериментальной частей, заключения и выводов. Основной текст диссертации изложен на 148 страницах машинописного текста, включает 9 таблиц, 30 рисунков и список литературы, состоящий из 157 наименований. В приложении к работе даются акты об использовании результатов работы.
