Surove žice na osnovi PAN je treba predhodno oksidirati, karbonizirati pri nizki temperaturi in karbonizirati pri visoki temperaturi, da se tvorijoogljikova vlakna, nato pa grafitizirajo, da nastanejo grafitna vlakna. Temperatura doseže od 200 ℃ do 2000-3000 ℃, pri čemer potekajo različne reakcije in tvorijo različne strukture, ki imajo posledično različne lastnosti.
1. Faza pirolize:Predoksidacija v nizkotemperaturnem delu, nizkotemperaturna karbonizacija v visokotemperaturnem delu
Predoksidacijska arilacija traja skoraj 100 minut in se giblje med 200 in 300 °C. Namen te reakcije je termoplastična PAN linearna makromolekularna veriga pretvoriti v neplastično, toplotno odporno trapezoidno strukturo. Glavna reakcija makromolekularne verige je ciklizacija in medmolekularno zamreženje, ki ju spremlja piroliza in sproščanje številnih majhnih molekul. Arilacijski indeks je običajno 40–60 %.
Nizkotemperaturna temperatura karbonizacijeje običajno 300-800 ℃, predvsem reakcija termičnega krekinga, večinoma z uporabo visokotemperaturnega električnega segrevanja žice v peči, pri čemer nastaja velika količina izpušnih plinov in katrana.
Značilnosti: Barva predoksidiranih vlaken postane temnejša, običajno črna, vendar še vedno ohrani morfologijo vlaken, notranja struktura je doživela določeno stopnjo kemičnih sprememb, nastale so številne funkcionalne skupine, ki vsebujejo kisik, in zamrežena struktura, kar je postavilo temelje za kasnejšo karbonizacijo.
2. Stopnja karbonizacije (pri visoki temperaturi), je predoksidacija predhodnika v inertni atmosferi pri razgradnji pri visoki temperaturi, pri kateri se poleg ogljikovih heteroatomov (kot so kisik, vodik, dušik itd.) odstranijo tudi heteroatomi ogljika, kar povzroči postopno karbonizacijo, ki tvori amorfni ogljik ali mikrokristalno ogljikovo strukturo. Ta postopek je ključni korak pri nastanku ogljikovega ogrodja. Temperatura je običajno med 1000 in 1800 ℃, predvsem gre za toplotno kondenzacijsko reakcijo, večina grafitnih grelnikov pa se uporablja za ogrevanje.
Značilnosti: Glavna sestavina karboniziranega materiala je ogljik, struktura je večinoma amorfni ogljik ali kaotična grafitna struktura, njegova električna prevodnost in mehanske lastnosti pa se v primerjavi s produktom pred oksidacijo znatno povečajo.
3. Grafitizacijaje nadaljnja toplotna obdelava produktov karbonizacije pri višjih temperaturah, ki spodbuja strukturo amorfnega ogljika ali mikrokristalnega ogljika v bolj urejeno kristalno strukturo grafita. Pod vplivom visoke temperature se atomi ogljika prerazporedijo v heksagonalno mrežasto plastno strukturo z visoko stopnjo orientacije, s čimer se znatno izboljša električna in toplotna prevodnost ter mehanska trdnost materiala.
Značilnosti: Grafitiziran izdelek ima visoko kristalno grafitno strukturo, ki zagotavlja odlično električno in toplotno prevodnost ter visoko specifično trdnost in specifični modul. Na primer, visokomodulniogljikova vlaknaso pridobljeni z visoko stopnjo grafitizacije.
Specifični koraki in zahteve glede opreme za predoksidacijo, karbonizacijo in grafitizacijo:
Predoksidacija: izvaja se na zraku pri nadzorovani temperaturi 200–300 °C. Za zmanjšanje krčenja vlaken je potrebna napetost.
Karbonizacija: izvaja se v inertni atmosferi s postopnim naraščanjem temperature na 1000-2000 °C.
Grafitizacija: izvaja se pri višjih temperaturah (2000–3000 °C), običajno v vakuumu ali inertni atmosferi.
Čas objave: 22. maj 2025
