Модификация ускоренной термостабилизации полиакрилонитрильных волокон созданием градиента концентрации кислорода при получении углеродного волокна

Objectives. The work set out to modify the technology of accelerated thermal stabilization of polyacrylonitrile (PAN) fibers used in the production of high-strength carbon fibers by reducing the formation of a heterophase core–shell structure to create an oxygen concentration gradient in heat treatment furnaces while maintaining a total thermal stabilization time of 30 min. The optimized process conditions led to milder thermal stabilization conditions, reducing both the final heat treatment temperature and the temperature difference between the thermal stabilization zones while simultaneously maintaining the target volume density parameter with respect to the previously developed accelerated thermal stabilization technology.Methods. The thermal stabilization study of an industrially produced 12S precursor under different conditions on an experimental carbon fiber production line included measurement of bulk density, analysis of the thermal effects of the oxidation reaction by differential scanning calorimetry (DSC), and a study of micrographs of the resulting samples.Results. The optimum process of thermal stabilization of PAN fiber was determined in four stabilization zones using selected compositions. The formation of the core–shell structure is significantly reduced when the target volume density and DSC thermal oxidation reaction effect of the stabilized polymer fiber are achieved in a given time (30 min).Conclusions. The resulting technology regime is promising for the production of high strength (4.5 GPa, 4.9 GPa) PAN fibers at a reduced cost. While maintaining the total thermal stabilization time of PAN at the level of 30 min, which is three times less than the industrial processes used, it was possible to reduce the formation of a heterophase structure, as well as lowering the final processing temperature and reducing the temperature difference between the stabilization zones. This is promising in terms of a positive effect on the stability and safety of the industrial process, as well as ensuring the quality of the obtained products.Цели. Модифицировать технологию ускоренной термостабилизации полиакрилонитрильного (ПАН) волокна при производстве высокопрочных углеродных волокон, при помощи которой удастся уменьшить образование гетерофазной структуры «ядро–оболочка» путем создания градиента концентрации кислорода в печах термообработки при сохранении общего времени термостабилизации ПАН (30 мин); оптимизировать процесс на основании предлагаемого режима с целью получения более мягких условий термостабилизации: снижения конечной температуры термообработки и разницы температур между зонами термостабилизации при сохранении целевого параметра объемной плотности (относительно ранее разработанной технологии ускоренной термостабилизации).Методы. Термостабилизация промышленно выпускаемого прекурсора марки 12S в различных условиях на опытной линии получения углеродных волокон, последующее измерение объемной плотности, анализ тепловых эффектов реакции окисления методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и изучение микрофотографий шлифов получаемых образцов.Результаты. Определен оптимальный процесс термостабилизации ПАН волокна в 4 зонах стабилизации с использованием подобранных составов, при котором существенно снижается образование структуры «ядро–оболочка» при достижении целевой объемной плотности и теплового эффекта реакции окисления ДСК стабилизируемого полимерного волокна за установленное время (30 мин).Выводы. Полученный технологический режим является перспективным для получения высокопрочных (4.5 ГПа, 4.9 ГПа) ПАН волокон со сниженной себестоимостью. При сохранении общего времени термостабилизации ПАН на уровне 30 мин, что в 3 раза меньше используемых промышленных процессов, удалось снизить образование гетерофазной структуры, уменьшить конечную температуру обработки и снизить перепад температур между зонами стабилизации, что должно положительно сказаться на стабильности и безопасности ведения промышленного процесса и качестве получаемой продукции