Surové drôty na báze PAN musia byť predoxidované, nízkoteplotne karbonizované a vysokoteplotne karbonizované, aby sa vytvoriliuhlíkové vlákna, a potom grafitizujú za vzniku grafitových vlákien. Teplota dosahuje od 200 ℃ do 2000-3000 ℃, čo vykonáva rôzne reakcie a vytvára rôzne štruktúry, ktoré majú následne rôzne vlastnosti.
1. Fáza pyrolýzy:Predoxidácia v nízkoteplotnej časti, nízkoteplotná karbonizácia vo vysokoteplotnej časti
Predoxidačná arylácia prebieha počas približne 100 minút pri teplote 200 – 300 ℃. Účelom je termoplastická premena lineárneho makromolekulárneho reťazca PAN na neplastickú tepelne odolnú lichobežníkovú štruktúru. Hlavnou reakciou makromolekulárneho reťazca je cyklizácia a intermolekulárne zosieťovanie, sprevádzané pyrolýzou a uvoľňovaním mnohých malých molekúl. Arylačný index je zvyčajne 40 – 60 %.
Nízkoteplotná teplota karbonizácieje vo všeobecnosti 300-800 ℃, prevažne tepelná krakovacia reakcia, väčšinou s použitím vysokoteplotného ohrevu drôtu elektrickej pece, pričom v tomto štádiu vzniká veľké množstvo výfukových plynov a dechtu.
Charakteristika: Farba predoxidovaného vlákna stmavne, zvyčajne sčernie, ale stále si zachováva morfológiu vlákna, vnútorná štruktúra prešla určitým stupňom chemických zmien, tvorilo sa množstvo funkčných skupín obsahujúcich kyslík a zosieťovaná štruktúra, čím sa položil základ pre následnú karbonizáciu.
2. Fáza (vysokoteplotnej) karbonizácie, je predoxidácia prekurzora v inertnej atmosfére pri rozklade pri vysokej teplote, pričom sa okrem heteroatómov uhlíka (ako je kyslík, vodík, dusík atď.) odstraňujú aj heteroatómy uhlíka, čím sa postupne karbonizuje a tvorí sa amorfný uhlík alebo mikrokryštalická uhlíková štruktúra. Tento proces je kľúčovým krokom pri tvorbe uhlíkovej kostry. Teplota sa vo všeobecnosti pohybuje medzi 1000 – 1800 ℃, prevažne ide o tepelnú kondenzačnú reakciu, na ktorú sa používa väčšina grafitových ohrievačov.
Charakteristika: Hlavnou zložkou karbonizovaného materiálu je uhlík, štruktúra je prevažne amorfný uhlík alebo chaotická grafitová štruktúra, jeho elektrická vodivosť a mechanické vlastnosti sa v porovnaní s produktom pred oxidáciou výrazne zvyšujú.
3. Grafitizáciaje ďalšie tepelné spracovanie produktov karbonizácie pri vyšších teplotách, ktoré podporuje zmenu štruktúry amorfného uhlíka alebo mikrokryštalického uhlíka na usporiadanejšiu kryštalickú štruktúru grafitu. Pôsobením vysokej teploty sa atómy uhlíka preskupujú a vytvárajú hexagonálnu mriežkovú vrstvu s vysokým stupňom orientácie, čím sa výrazne zlepšuje elektrická a tepelná vodivosť a mechanická pevnosť materiálu.
Charakteristika: Grafitizovaný produkt má vysoko kryštalickú grafitovú štruktúru, ktorá poskytuje vynikajúcu elektrickú a tepelnú vodivosť, ako aj vysokú špecifickú pevnosť a špecifický modul. Napríklad vysokomodulovýuhlíkové vláknasa získavajú vysokým stupňom grafitizácie.
Špecifické kroky a požiadavky na vybavenie pre predoxidáciu, karbonizáciu a grafitizáciu:
Predoxidácia: vykonáva sa na vzduchu pri kontrolovanej teplote 200 – 300 °C. Na zníženie zmršťovania vlákien je potrebné použiť napätie.
Karbonizácia: vykonáva sa v inertnej atmosfére s postupným zvyšovaním teploty na 1000 – 2000 °C.
Grafitizácia: vykonáva sa pri vyšších teplotách (2000 – 3000 °C), zvyčajne vo vákuu alebo v inertnej atmosfére.
Čas uverejnenia: 22. mája 2025
