Отделочные операции для волокон, полученных сухим способом, аналогичны операциям для волокон, полученных мокрым способом.

Сформованное сухим способом невытянутое волокно отличается от волокон, полученных мокрым способом, отсутствием крупных пустот и пор, малым количеством мелких пор и гантелевидным поперечным срезом [4].

Таким образом, формование ПАН волокон сопровождается сложными физико-химическими и физическими процессами, зависящими от свойств прядильного раствора, геометрических характеристик фильер, условий формования и т.д. Анализ методов получения ПАН волокон свидетельствует о перспективности диметилформамидного способа по мокрому формованию.

Следует отметить, что при диметилформамидном способе процесс регенерации отработанных ванн достаточно прост, по сравнению с солевым способом, и заключается в испарении избытка воды и последующей перегонке растворителя. В этом случае все примеси остаются в кубовом остатке. Для уменьшения гидролиза диметилформамида его перегонку проводят под вакуумом при 90 - 100°С.

1.5. Совершенствование технологии ПАН жгутика с целью получения высокопрочных, высокомодульных углеродных волокон

Качество углеродных волокон (УВ) во многом определяется свойствами исходного ПАН волокна, в частно­сти его дефектность, степень ориентации и структура микрофибрилл.

Среди большого числа дефектов, присущих ПАН волокнам, сформованным по мокрому способу, выделяются два наиболее сильно влияющих на качество УВ: порис­тость и неравномерность по диаметру элементарных нитей (филаментов). Отрицательное влияние пористос­ти на качество УВ проявляется двояким образом. Во-пер­вых, поскольку в структуре УВ сохраняются особеннос­ти структуры исходного ПАН волокна, то сохраняется и пористость, вызывая неравномерность внутренних на­пряжений УВ, его хрупкость. Вторым отрицательным механизмом влияния пористости является снижение тер­мостойкости ПАН волокна, т.е. меньшее значение мак­симально достижимой предельной температуры терми­ческого разложения полимера. Поры служат зародышами, или центрами начала термолиза ПАН волокна и не позволяют при быстром нагреве достичь без интенсив­ного разложения температуры 500-550°С, необходимой для мезофазной перестройки структуры окисленного волокна в процессе карбонизации [12,13].

Возникновение пор в ПАН волокне предопределе­но самой природой мокрого способа формования, при котором объем растворителя в исходном прядильном растворе составляет 72-84%. При коагуляции образует­ся полимерный каркас, занимающий объем, примерно равный объему исходного прядильного раствора, так как диаметр скоагулировавшего волокна практически оста­ется таким же, как диаметр жидкой струи. Количество и размеры пор определяются структурой образовавшегося каркаса и условиями его поперечной и продольной усадки во время пластификационного вытягивания, про­мывки и сушки волокна. Структура каркаса определяет­ся условиями осаждения (коагуляции). Высокое содер­жание осадителя, чаще всего воды, в осадительной ванне приводит к быстрой коагуляции и образованию жест­кого каркаса с большим размером пор. Свежесформованное волокно обладает неудовлетворительной способ­ностью к ориентационному вытягиванию. Все это отри­цательно влияет на качество конечного углеродного во­локна. При снижении содержания осадителя пористость ПАН волокна уменьшается [14], что приводит к получе­нию УВ с повышенной прочностью и эластичностью. Однако снижение содержания осадителя ниже некото­рого предела вновь сопровождается повышением пори­стости и снижением качества УВ. Это явление, по-види­мому, связано с изменением механизма фазового распа­да прядильного раствора. При достаточно высоком со­держании осадителя прядильный раствор распадается на твердую полимерную фазу (каркас) и низкомолекулярную жидкую фазу (смесь растворителя и осадителя). Снижение концентрации осадителя ниже определенно­го предела сопровождается распадом прядильного ра­створа на две жидкие фазы - полимерную и низкомоле­кулярную. Капли жидкой полимерной фазы становятся источником повышенной пористости.

Условия последующих обработок свежесформованного ПАН волокна также эффективно влияют на его по­ристость и качество получаемого из него УВ. Особенно существенным оказалось влияние условий пластифика-ционной вытяжки [15]. Ее осуществление в среде насы­щенного пара повышает пористость ПАН волокна на 15-20% по сравнению с жидкостной пластификационной обработкой; соответственно прочность УВ на разрыв снижается на 5-10%.

Повышение температуры сушки от 80 до 140°С при­водит к снижению пористости ПАН волокна с 48 до 29 усл. ед. Повторное смачивание волокна и сушка позволя­ют снизить пористость до 20 усл. ед. [14]. Дополнительно­го снижения пористости до 10-15 усл. ед. можно достичь при термофиксации ПАН волокна при 140-180°С.

Другой вид дефектности ПАН волокна, неблагоприятно сказывающийся на свойствах конечного УВ - это неравномерность филаментов по диаметру. Ее обычно характеризуют коэффициентом вариации линейной плотности филаментов. Наилучший результат достигается при Ку = 3-5%. Совершенно недопустимо использовать ПАН жгутик с Kу > (8-10)%. Высокое значение Kу озна­чает присутствие в ПАН жгутике большого количества филаментов с повышенным диаметром 18-20 мкм, т.е. ~0.3 текс, которые с трудом перерабатываются по технологии, рассчитанной на применение филаментов линейной плотностью 0,1 текс.

Высокая неравномерность ПАН нитей по диаметру филаментов обусловлена явлением деформационного резонанса формующихся струй, который заключается в пульсации диаметра струй вследствие периодического обрыва их внешнего слоя расширенной части струи, так называемой луковицы, и релаксации оборванных слоев с образованием утолщения по обе стороны от точки обрыва. Подавление деформационного резонанса возмож­но за счет изменения условий истечения прядильного раствора или осаждения формующихся волокон. Во всех случаях необходимо стремиться к минимальной дефор­мации луковицы. Это может достигаться за счет умень­шения самой луковицы путем увеличения диаметра отверстий фильеры или отношения длины капилляров отверстий к их диаметру, снижения вязкости или скорости истечения прядильного раствора. Уменьшение диаметра луковицы приводит к снижению фактической фильерной вытяжки и соответственно к уменьшению вероятности обрыва наиболее напряженных внешних слоев луковицы. Снижение деформации луковицы достигается также повышением или понижением концентрации осадителя в осадительной ванне. При повышении концентрации осадителя отверждение струи происходит непосредственно у поверхности фильеры. Поэтому рас­ширение струи в виде луковицы не реализуется. В этом случае формуются жгутики с высокой равномерностью по диаметру филаментов. Однако они, как правило, име­ют низкие показатели из-за высокой жесткости условий осаждения [12].

При снижении концентрации осадителя на струях появляются утолщения. В этом случае формование сле­дует проводить при такой концентрации осадителя, при которой расширение реализуется полностью, чтобы из­бежать деформации и обрыва поверхностных слоев лу­ковицы, т.е. появления эффекта деформационного резо­нанса.