Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 11
1.1 Свойства ГЦ-волокон как сырья для получения углеродных волокон 11
1.2 Термическое превращение ГЦ-волокон в углеродное волокно 25
1.3. Применение химических соединений в процессе пиролиза ГЦ-волокон 37
1.4 Температурно-временной фактор карбонизации ГЦ-волокон 42
1.5 Графитация карбонизованных волокон 44
2. Разработка методики экспериментального исследования процесса получения углеродной ткани 49
2.1. Выбор объектов и методов исследования 49
2.2 Разработка методики тестирования ГЦ-ткани в лабораторных условиях получения УВ 51
2.3 Определение оптимальной текстильной структуры исходной ГЦ-ткани 57
2.4. Экспериментальная оценка ГЦ-волокон различных периодов производства как исходного сырья для получения углеродных волокон 59
3 Разработка катализатора карбонизации ГЦ-волокна 65
3.1 Теоретические положения, принятые при разработке каталитических реакций пиролиза ГЦ-волокна 65
3.2 Отработка состава катализатора карбонизации ГЦ-ткани 66
3.2.1 Исследование возможности использования стандартного катализатора карбонизации 66
3.2.2 Модифицирование стандартного катализатора 68
3.2.3 Исследование условий влажностной и термической обработки исходного ГЦ-волокна 77
3.2.4 Влияние ТВО на процесс получения и свойства графитированной ткани . 92
3.2.5 Исследование влияния температуры карбонизации образцов ГЦ-ткани, обработанных модифицированным базовым раствором катализатора 105
3.2.6 Эффективный механизм превращений структуры ГЦ-волокна при ТВО 108
3.3 Рабочая гипотеза разработки графитированной ткани 112
3.4. Экспериментальное обоснование выбора компонентов состава «малозольного» катализатора 113
3.4.1. Модификация стандартного катализатора для получения карбонизвоанной ткани типа УТМ-8 119
3.4.1.2 Сопоставительный анализ данных ДТА ткани с катализаторами (Б+ДАФ иХА+ДАФ) 129
3.4.2 Отработка количественного соотношения компонентов состава «малозольного» катализатора 133
3.4.3 Отработка технологических параметров операций отделки исходной ГЦ-ткани и синтеза катализатора
3.4.3.1 Исследование процесса карбонизации методом ЭПР 135
3.4.3.2 Исследование процесса нанесения катализатора
4. Исследование влияния параметров высокотемпературной обработки карбонизованной ткани на свойства углеродной ткани 169
5. Разработка технологического оборудования карбонизации ГЦ-ткани
5.1 Исследование непрерывного процесса карбонизации методом ДТГ 184
5.2 Лабораторная модельная печь туннельного типа 189
5.3. Опытная установка ускоренной карбонизации 190
6. Технологический процесс изготовления графитированной ткани из ГЦ-волокна 195
7. Исследование свойств опытной графитированной ткани 202
7.1 Практическая реализация основных положений и результатов диссертации 210
Заключение 214
Список литературы 215
- Термическое превращение ГЦ-волокон в углеродное волокно
- Определение оптимальной текстильной структуры исходной ГЦ-ткани
- Влияние ТВО на процесс получения и свойства графитированной ткани
- Лабораторная модельная печь туннельного типа
Термическое превращение ГЦ-волокон в углеродное волокно
Химические аспекты и основные физико-химические закономерности производства ГЦ-нитей по вискозной технологии исследованы давно. Впервые в мире выпуск ГЦ-волокон начался в 1905 году в Ковентри (Великобритания). Производство ГЦ-волокон в России началось в 1909 году в Мытищах. [1].
Объем производства вискозных технических нитей - кордных нитей для армирования автомобильных шин в Советском Союзе вплоть до перестроечного периода не был ограничен. Снижение производства вискозных технических нитей вызвано их заменой в резинотехнических изделиях и других областях синтетическими нитями: полиэфирными, полиамидными и др. Во время перестройки производство технических вискозных нитей в России вообще прекратилось.
Однако в настоящее время в производстве волокон проявляются новые тенденции. Сырьём для производства синтетических волокон являются нефтепродукты - невосполняемое сырьё. Специалисты просчитывают конечные сроки пользования этим энергетическим ископаемым, которые не так уже и далеки. Поэтому на целлюлозу - исключительно быстро восстанавливающееся растительное сырьё в производстве различных волокон - вновь обращено самое пристальное внимание.
В период перестройки экономики в России публикаций в области разработки и производства вискозных волокон практически нет [1]. То же еще в большей мере относится к публикациям в области разработки и производства углеродных волокон (УВ) из вискозных технических нитей. Начиная с последней четверти XX века, комплексный анализ технологий и других факторов, определяющих состояние производства вискозных волокон, в российской литературе не делался. Сложилось даже неверное мнение о малой перспективности вискозного производства в связи с развитием синтетических волокон. Однако в производстве вискозных волокон наблюдается постоянный рост выпуска, который на 7-11 % превышает темп увеличения выпуска большинства синтетических волокон. Этот рост происходит в основном за счет развития производства штапельных вискозных волокон, и на фоне этого подъема ситуация с производством технических нитей имеет ту же положительную тенденцию возрастания. Некоторое количество вискозных технических нитей производится для отдельных резинотехнических материалов и изделий, а также в качестве прекурсора углеродных нитей [1]. Если рассматривать необходимый объем производства вискозных нитей в качестве прекурсора углеродных волокнистых материалов, то он настолько мал по сравнению с масштабами существовавших ранее производств, что это обстоятельство представляет существенное объективное препятствие для организации выпуска на существующих целлюлозных комбинатах нитей стабильного качества. В таком же положении по объему необходимого вискозного волокна для производства УВ находятся зарубежные производители [2], которые продолжают использовать вискозные технические ткани и нити для переработки в углеродные ткани. Существенное отличие от отечественной ситуации в том, что производство графитированных тканей из вискозных волокон за рубежом не прекращалось.
В настоящее время в России производство вискозной технической нити еще не возобновлено, и потребности промышленности и спецтехники вынужденно удовлетворяются за счет импорта углеродных волокнистых материалов из вискозы. На российском рынке в настоящее время предлагаются углеродные волокнистые материалы из Японии, Белоруссии; вискозные нити - из Белоруссии, Венгрии, Индии. Возможно появление и других участников рынка.
Очевидно, что вискозные нити различных поставщиков сильно различаются по структуре и свойствам, особенно - по структурно-чувствительным свойствам, не нормируемым сертификатами качества, но которые непосредственно влияют на ход процесса термохимического превращения вискозного волокна и прочность получаемого УВ. Ниже рассмотрены основные структурные характеристики ГЦ-волокон, имеющие решающее значение для разработки технологии получения прочного УВ и тканей. ГЦ-волокна - это химические волокна, вырабатываемые из природного продукта целлюлозы - волокнистой части растительных тканей, придающей им связность и форму [3].
Целлюлоза представляет собой линейный полимер, который по своему химическому строению относится к гетерогенным алифатическим жёсткоцепным полимерам. Главная цепь макромолекулы состоит из отдельных ангидроглюкоз-ных (глюкопираназных) звеньев, соединённых в положениях 1-4р-глюкозидными связями. В структуре целлюлозы имеется следующее повторяющееся звено: Г НО CHjOH CMjOH н он " где п составляет величину от нескольких сотен до 3000. Молекулярный вес целлюлозы трудно определить, так как вискозиметрические и осмометрические измерения не всегда возможны потому, что лишь небольшое число веществ растворяет целлюлозу. Природные целлюлозные волокна не растворимы в обычных растворителях и разлагаются при нагревании до достижения точки плавления, их невозможно формовать для получения изделий. Разработаны методы, основанные на химическом превращении целлюлозы в растворимые продукты, из которых целлюлоза регенерируется в желаемой форме. Одной из таких форм являются гидрат целлюлозные волокна, полученные по вискозному методу.
В химических реакциях целлюлозы участвуют свободные гидроксильные группы и глюкозидные связи.
Наблюдаемый в последние годы подъём выпуска ГЦ-волокон основан на развитии как традиционных видов волокон и технологий их получения, так и новых тенденций [1]. Разработчики ГЦ-волокон важнейшую роль в создании новых высокопроизводительных процессов отводят повышению уровня стабильности формования ГЦ-волокон: обеспечению равномерности условий формования всех филаментов в жгуте (нити), устранению посторонних включений в вискозе и растворах целлюлозы, исключению выделения пузырьков газовой фазы и др.
Определение оптимальной текстильной структуры исходной ГЦ-ткани
Технические требования, предъявляемые к ГЦ-ткани с позиции переработки её в углеродную ткань, существенно отличаются от требования к этой ткани прямого технического назначения. Специальные требования к вискозной ГЦ-ткани как сырью для получения углеродной ткани, помимо требований к структурно-чувствительным свойствам, сводятся к двум положениям: нити основы и утка не должны обладать чрезмерно большой круткой, а количество их в основе и в утке не должно превышать некоторой оптимальной величины. Это связано с уменьшением линейных и объемных размеров ГЦ-волокон при их термических и физических превращениях в УВ. Увеличение крутки нитей и их количества в основе и утке ГЦ-ткани в результате усадок приводит к чрезмерному уплотнению углеродной ткани так, что она утрачивает практическую ценность из-за низкой прочности и высокой хрупкости.
При разработке строения исходной ткани учитывают эксплуатационные свойства конкретной текстильной структуры, исходя из требований к разрабатываемой углеродной ткани. Для проведения экспериментов изготавливали несколько опытных образцов тканей, различающихся по плотности нитей по основе и утку, которые подвергали превращению в углеродные образцы ткани и испытанию для определения прочности при разрыве. По результатам испытания вносили необходимые коррективы в разрабатываемую структуру исходной ГЦ-ткани и процесс повторяли.
Рассматривая ткани разных видов переплетений, используемые в качестве армирующих наполнителей прочных композиционных материалов, учитывали, что структуры саржевого и атласного переплетений, по сравнению с полотняным, легче растягиваются, более эластичны, имеют ровную поверхность. Но наиболее прочными являются ткани полотняного переплетения.
В соответствии с требованиями повышения прочности композита при изготовлении препрега и композита на его основе целесообразно использовать ткань полотняного переплетения, но для изделий сложной конфигурации более качественная выкладка заготовок может быть осуществлена при использовании препре-га с тканым наполнителем саржевого и сатинового переплетения. Поэтому ткани с оптимальным переплетением для конкретного изделия следует выбирать с учётом плотности, толщины, массы погонного метра, прочности на разрыв и удлинение, растяжимости и других специфических характеристик.
Исходя из относительной простоты ткачества и повышенной прочности в качестве исходного сырья в настоящей работе использована ГЦ-ткань полотняного переплетения.
Экспериментально установлено, что плотность текстильной структуры (количество нитей в основе и утке в полоске образца шириной 100 мм) оказывает прямое влияние на прочность, усадку и подвижность ткани при обработке на операциях релаксационной подготовки, пропитки, сушки, карбонизации и графита-ции. Было определено, что плотность переплетения не должна превышать 100 нитей /100 мм, а крутка нитей - 100 кручений /1м длины.
Образцы размером 200x60 мм вырезали из экспериментальных кусков ГЦ-тканей. По основе и утку из вырезанных образов вынимали по 2 - нити, чтобы предотвратить осыпание нитей из образцов на операциях обработки. С этой же целью кромки образцов обшивали ГЦ-нитью. После карбонизации обшивочные нити снимали, из образцов вынимали 10-20 нитей основы, которые испытывали для определения предела прочности при разрыве, что характеризовало прочность образцов ГЦ-ткани в зависимости от текстильной плотности экспериментальных кусков исходной ГЦ-ткани. Результаты экспериментов представлены в таблице 2.1. По данным таблицы 2.1 ГЦ-ткань с текстильной плотностью 80 нитей/100 мм по основе и 60 нитей /100 мм по утку имеет лучшие показатели прочности.
Экспериментальная оценка ГЦ-волокон различных периодов производства как исходного сырья для получения углеродных волокон
Сопоставительные исследования процессов превращения ГЦ-волокон разных периодов производства были проведены с целью выявления различия их структурно-чувствительных свойств и оценки пригодности волокон современного производства в качестве исходного сырья для получения графитированной ткани. Исследования проводили методом дифференциального термического анализа (ДТА) и последующего сопоставительного анализа дериватографических кривых.
Использовали волокна Светлогорского завода разных периодов производства. Волокна раннего производства изготавливались из белёной целлюлозы хвойных пород древесины Байкальского целлюлозного комбината (В1), а волокна, производимые в настоящее время - из бразильской целлюлозы (В2), но изготавливаемые по тому же технологическому регламенту с коррекцией отдельных параметров. Результаты экспериментов представлены на термограммах рисунок 2.3 По данным рисунка 2.3 (позиция 1) закономерности изменения скоростей потери массы в зависимости от температуры нагрева у обоих образцов волокон очень близки. Ход пиролиза характеризуется двумя основными областями потери массы:
Образец сурового волокна, взятый для ДТА-анализа, имеет равновесную влажность, величина которой зависит от свойств волокна, характера взаимодействия влаги с поверхностью целлюлозы волокна и параметров окружающей среды. На первой стадии происходит сушка волокон, о чём свидетельствуют первые термоэффекты на кривых ДТГ обоих образцов. При сушке ГЦ-волокна в среде гелия температура волокна на первой стадии обычно не превышает 70 С, которая и наблюдается у волокна текущего производства.
Тот факт, что температура первого эффекта у волокна В1 на 10С ниже температуры первого эффекта волокна В2, может быть отнесён на счёт большей степени аморфности и соответственно меньшей прочности связи влаги с поверхностью преимущественно аморфных областей волокон, которые менее упорядочены, чем аморфные области волокон В2.
Несовпадение температурных интервалов пиролиза указывает на существующее различие морфологических особенностей сравниваемых ГЦ-волокон. Возможно, что кристаллитные элементы структуры волокна В2 обладают большей упорядоченностью, чем упорядочены кристаллиты волокна В1. Поэтому интенсивный пиролиз структурных элементов волокна В2 наступает при более высокой температуре (350С), чем пиролиз кристаллитных элементов структуры волокон В1 (340 С). Процесс пиролиза волокон В2протекает в более узком температурном интервале (от 190С до 440С) по сравнению с температурным интервалом (от 200С до 530С) процесса пиролиза волокна В1. По-видимому, структура исходного волокна В2 включает меньший набор вариантов структурных элементов, чем структура исходного волокна В1.
При тепловлажностной обработке (ТВО) у сравниваемых образцов волокон по-разному протекают полиморфные процессы самоструктурирования, о чём можно судить по данным рисунка 2.3 позиция 2. Можно предположить, что строение кристаллитных и фибрилярных фаз исходных (суровых) волокон современного производства более упорядочено, чем строение подобных структурных участков в суровых волокнах прошлого периода, и процесс их структурной перестройки при ТВО протекает труднее. Для ГЦ-волокон вообще свойственно, что повышение упорядоченности при протекании морфологических процессов тем больше, чем ниже исходная степень упорядоченности [6]. Поэтому в результате ТВО у волокон В2 формируется менее упорядоченная структура, содержащая большее количество вариантов морфологических единиц, чем их содержится в структуре волокна В1. Всилу указанных особенностей структуры, сформировавшейся в результате ТВО, для начала пиролиза волокна В2температураниже (170С), а температурный интервал основного пиролиза значительно шире (на 50С), чем у волокна В1. Тот факт, что завершается основной пиролиз при температуре на 30С выше, косвенно указывает на наличие в структуре волокна В2 более структурированных (по сравнению с подобными структурными элементами волокон В1) кристаллитных фракций.
Влияние ТВО на процесс получения и свойства графитированной ткани
Ранее ткань УТМ-8 производилась из Тверского волокна с использованием стандартного катализатора состава (Б+ДАФ) по технологической схеме: пропитка исходной ГЦ-ткани в комплексном 17 % -ном водном растворе указанных компонентов в соотношении 3:2 масс, частей при 20 С, затем сушка при 100 С в вентилируемой камере, затем карбонизация при нагреве непрерывным способом до (800+50) С со скоростью нагрева до 350 С 3 С/мин.
При использовании Светлогорского и индийского волокна со стандартным катализатором и при нагревании по стандартному режиму до 800 С получаемая карбонизованная ткань не соответствовала требованиям к ткани УТМ-8 по прочности. Требования к ткани УТМ-8 по зольности и стабильности зольных включений при нагревании привели к необходимости использовать стандартный катализатор с бурой в составе в качестве главного компонента. Методический подход к решению поставленной задачи включал ТВО ГЦ-волокна для релаксации напряжённо-деформированного состояния и отработку состава зольного катализатора на основе буры, обеспечивающего в процессе катализа карбонизацию мелкокри-сталлитного волокна, соответствующего по прочности техническим требованиям на ткань УТМ-8.
В экспериментах, описанных выше, модификация стандартного катализатора для получения прочного графитированного волокна на базе новой светлогорской нити, не привела к положительному результату. Более того, был сделан вывод о негативном влиянии зольности на формирование прочности УВ при графи-тации. Однако в этих экспериментах было замечено, что при использовании модифицированного стандартного катализатора в карбонизации до 800 С получаемые карбонизованные образцы волокон обладают приемлемой прочностью.
Результаты этих экспериментов были использованы при отработке технологической схемы изготовления карбонзованной ткани типа УТМ-8.
В ходе отработки лучшие результаты показал стандартный катализатор (Б+ДАФ), в 17%-ный водный раствор которого вводили хлористый аммоний в количестве 10 г/л раствора и хлористый натрий - 20 г/л. Эти результаты были получены для ГЦ-ткани, прошедшей ТВО в кипящем 10%-ном водном растворе тиосульфата натрия в течение 30 минут, высушенной при 100 С, а затем пропитанной в 17%-ном растворе (Б+ДАФ) с добавками ХА и ХН при комнатной температуре. Пропитанную ткань сушили при 100 С и карбонизовали до 850 С. В таблице 3.11 представлены данные ТГА карбонизации Светлогорского волокна с модифицированным стандартным катализатором. Установлено снижение температуры максимальной скорости потери массы с 260 С, когда термообработку проводили с использованием немодифицированного стандартного катализатора, до 210 С при карбонизации с модифицированным катализатором. Снижение температуры максимальной потери массы на 50 С - очень значимый фактор пиролиза, указывающий на существенное изменение механизма термодеструкции волокнистой целлюлозы мелкокристаллитной структуры. По данным таблицы 3.11, бура как компонент стандартного катализатора повышает температуру, как начала пиролиза, так и температуру установившегося процесса деструкции волокнистой целлюлозы с максимальной скоростью потери массы. Следовательно, даже небольшие добавки хлористого аммония и хлористого натрия способствуют протеканию реакций деструкции макромолекул при существенно более низких температурах, что приводит к формированию карбонизованного волокна с более упорядоченной структурой.
На такой характер структурирования указывает уменьшение потери массы с увеличением температуры с 210 С до 415 С при карбонизации ткани, подвергнутой ТВО и сушке перед пропиткой в растворе стандартного катализатора по сравнению с карбонизованной тканью, не прошедшей ТВО. Это может объясняться самоструктурированием волокна при ТВО, в результате чего уменьшается температурный интервал его пиролиза. Упорядочение структуры за счёт релаксации и самоструктурирования при ТВО и введения синергистов в состав катализатора позволило получить углеродную ткань аналог УТМ-8 с высокой прочностью (2500 гс/нить) с зольностью до 30%.
Следует отметить, что при нагревании полученного волокна до 2400 С образцы полностью утрачивали прочность. Результаты отработки технологической схемы получения аналога карбонизованной ткани УТМ-8 подтвердили вывод о селективности действия многокомпонентных катализаторов и негативном влиянии на формирование прочности графитированных волокон побочных продуктов разложения катализатора. Установлено, что для бор-содержащих компонентов катализатора характерно присутствие продуктов их разложения в реагирующей углеродисто-волокнистой системе и в конечном графитированном волокне.
Сопоставляя ход разложения компонентов катализаторов, их смесей, ГЦ-волокна без катализаторов и с катализаторами (таблица 3.11, рисунки 3.23 - 3.28) видим, что пиролиз ХА, ДАФ, Б, (ХА-ДАФ), (Б+ДАФ) с заметной убылью массы происходит практически в те же интервалы температур, что и пиролиз ГЦ-волокна без катализатора. В присутствии (ХА+ДАФ) карбонизация в аморфной области ГЦ-волокна начинается при температуре ниже, чем начинает разлагаться катализатор. Полученные данные РФА подтверждают явление неодновременного по температуре и времени начала пиролиза кристаллитных и аморфных элементов структуры ГЦ-волокна. Аморфные области переходят в форму Ц-П, начиная с 180 С. Форма Ц-І, доля которой уменьшается с увеличением температуры, и вновь образовавшаяся форма Ц-П сохраняются в пиролизующемся волокне вплоть до 227 С, когда ГЦ интенсивно разлагается. При 280 С и 320 С структурные формы Ц-І и Ц-П в карбонизованных волокнах не обнаруживаются, но появляются рефлексы кристаллитных образований неорганических соединений. Волокна имеют углеродистую структуру.
Лабораторная модельная печь туннельного типа
Задача создания непрерывного технологического процесса была поставлена при определении целей диссертационной работы.
ГЦ-ткань, подлежащая карбонизации в производственных условиях, представляет собой полотно шириной 1000 мм, толщиной 0,5-0,7 мм и плотностью 0,5-0,6 кг/м . На стадии карбонизации из ГЦ-ткани выделяются газообразные побочные продукты пиролиза. Учитывая скорость транспортирования до 10 м/час и выход углеродного остатка до 50%,объём выделяющихся газообразных продуктов пиролизаЗ кг/час- достаточно большой и они являются одним из наиболее значимых технологических факторов непрерывного процесса карбонизации ткани.
Это связано с тем, что на этапе низкотемпературной карбонизации происходят глубокие термопревращения целлюлозы и образуются промежуточные продукты в газообразной, жидкой и твёрдой фазах, часть которых в определённом температурном интервале превращается в углерод волокнистой формы. Процесс пиролиза ГЦ-волокна сопровождается выделением большого количества газообразных, жидких и образованием твёрдых веществ, он является диффузионным процессом [18,100]. Следовательно, термическая диссоциация макромолекул волокнистой гидратцеллюлозы протекает в диффузионной области и лимитируется диффузией газообразных продуктов и активных частиц (активных радикалов и т.п.). Движущей силой диффузии является разность химических потенциалов внутри и на поверхности разлагающихся частиц [106]. Зависимость скорости процесса карбонизации от давления определяет перенос вещества. При этом лимитирующей стадией суммарного процесса является диффузия продуктов пиролиза через объём вещества-продукта.
Кроме того, летучие продукты в результате вторичного взаимодействия с ГЦ-волокном отрицательно влияют на процесс карбонизации и прочность получаемых карбонизованных и графитированных волокон, что отмечалось в нашем эксперименте и в большинстве описанных в технической литературе случаев.
Если газообразные продукты принимают участие в прямой или обратной реакции или взаимодействуют хотя бы с одним из образующихся продуктов, то их состав и давление над термически разлагающимся твёрдым веществом оказывают большое влияние на скорость процесса в целом и отражаются на скорости реакции его термического разложения [100,107]. Кроме того, изменение давления и состава летучих над карбонизуемым материалом влияет на условия теплопередачи между материалом и окружающей средой. Так как термическое разложение целлюлозы сопровождается как экзо-, так и эндоэффектами , то изменение условий теплопередачи между материалом и средой должно изменить скорость реакции [100].
При карбонизации непрерывным способом побочные летучие продукты пиролиза ГЦ-волокна заполняют весь объём реакционной камеры установки. Температура в зонах нагрева увеличивается в направлении транспортирования карбони-зуемой ткани. Летучие продукты, выделяющиеся из разных температурных зон, смешиваются и имеют возможность химически взаимодействовать с карбонизуе-мой тканью на всём протяжении процесса, когда транспортируемая ткань (единичный участок ткани) находится в реакционной зоне. При таких условиях карбонизации реакционная система стремится к термодинамическому равновесию.
На основании результатов анализа литературных источников и проведённых в рамках настоящей работы исследований можно представить следующий эффективный механизм карбонизации ГЦ-ткани непрерывным методом.
При транспортировании «непрерывной ленты» ткани через камеру карбонизации технологической установки из её участков, при прохождении разных зон нагрева, выделяются летучие продукты, имеющие разные температуры и качественный состав. Летучие находятся в турбулентном движении, смешиваясь между собой. Смесь летучих контактирует с участками карбонизуемой ткани в разных зонах нагрева. Активность реакции химического взаимодействия зависит от температур зон нагрева. В результате изменяется механизм пиролиза ГЦ-волокна и теплообмен реакционной системы с окружающей средой. Реакции взаимодействия летучих с карбонизуемой тканью протекают с выделением тепла. Происходит нерегулируемый саморазогрев системы, реакции пиролиза ускоряются, количество летучих в камере карбонзации увеличивается, давление их повышается, процесс пиролиза ещё более ускоряется.
Для предотвращения такого развития и протекания процесса карбонизации на практике обычно снижают скорость нагрева ткани, уменьшая скорость её транспортирования через камеру карбонизации, и в результате падает производительность изготовления углеродной ткани.
Для решения проблем, связанных с газодинамикой летучих продуктов пиролиза в камере карбонизации были проведены эксперименты, в которых изменяли условия карбонизации так, чтобы уменьшить количество летучих продуктов в объёме реакционной камеры, снизить их давление и предотвратить нерегулируемое взаимодействие их смеси с карбонизуемой тканью в разных температурных зонах, но не за счёт уменьшения скорости нагрева. Было принято воздействовать на реагирующую систему таким образом, чтобы, в соответствие с принципом Ле-Шателье, нарушить её равновесие и перевести в такое состояние, при котором эффект внешнего воздействия ослабевает. В случае карбонизации ткани непрерывным способом при таком воздействии в реагирующей системе скорость реакции термодеструкции волокнистой ГЦ-целлюлозы должна возрасти, чтобы количество летучих и их давление в камере карбонизации увеличивались до уровня значений, характерных для реагирующей системы до регулирующих воздействий на неё. Однако изменения условий процесса карбонизации должны быть проведены таким образом, чтобы препятствовать восполнению количества летучих продуктов и возрастанию их давления при повышении скорости нагрева при карбонизации ткани.
Для обеспечения такого рода воздействия на реакционную систему карбонизации ГЦ-ткани нами были осуществлены конструктивные изменения камеры карбонизации. Она по высоте была разделена на два объёма: объём собственно реакционной камеры и объём для эвакуации летучих продуктов из камеры карбонизации - объём газоотвода.
Объём реакционной камеры был значительно уменьшен до 5-7 миллиметрового зазора между верхней и нижней её стенками, в котором должно проводиться транспортирование карбонизуемой ткани. При этом верхняя стенка реакционной камеры была выполнена в виде перфорированного экрана.
Объём газоотвода, напротив, был существенно увеличен для облегчения эвакуации летучих продуктов из камеры карбонизации. Объёмы зон нагрева реакционной камеры газодинамически изолированы друг от друга завесами из углеродной ткани.
Похожие диссертации на Разработка и исследование технологического процесса получения углеродных тканей из гидратцеллюлозных волокон
