К основным условиям проведения стадии карбонизации относятся:
— добавки и катализаторы карбонизации;
— среда;
— температурно-временные режимы;
— степень натяжения.
Вещества, вводимые в реакционную систему в процессе карбонизации, подразделяют на две группы: катализаторы и добавки, позволяющие модифицировать УВ.
Антипирены, неорганические соли, неорганические кислоты и основания Льюиса ( пентахлорид фосфора, 3-бромид фосфора, хлорид аммония, бромид аммония, фосфорный ангидрид и хлороводород и др.) являются катализаторами дегидратации. Поэтому в их присутствии в низкотемпературной области процесс протекает глубоко, при этом увеличивается выход летучих продуктов и понижается выход смол и левоглюкозана. Эти катализаторы можно наносить либо на гидратцеллюлозное волокно, либо вводить в среду реакции в виде газообразных соединений, или в виде продуктов, распадающихся с образованием летучих соединений. Катализаторы позволяют повысить выход углерода, улучшить свойства углеграфитового волокна и уменьшить продолжительность реакции.
Специфическое действие кислот и оснований Льюиса состоит в том, что под их воздействием активно протекает процесс дегидратации целлюлозы и подавляются другие реакции, приводящие к понижению выхода углерода. Помимо этого они образуют защитную газовую среду, препятствующую воспламенению материала. Использование неорганических солей в качестве катализаторов карбонизации приводит к снижению температуры разложения на 100 °С
На процесс термоокислительной деструкции целлюлозы существенным образом влияет не только тип катализатора, но и его концентрация. С увеличением концентрации снижается скорость термодеструкции целлюлозы, повышается температура сгорания.
Кремнийорганические добавки не оказывают влияние на химические превращения целлюлозы (или влияют незначительно). Пиролиз целлюлозы в присутствии кремнийорганических добавок приводит к упорядочению структуры волокна при температуре деструкции. Использование этих добавок позволяет поднять уровень прочности получаемого углеродного волокна за счет процессов ориентационного вытягивания переходных структур при этих температурах.
Для изменения теплофизических, электрофизических и других свойств углеродного волокна в систему вводят тугоплавкие и термостойкие соединения ( соли и оксиды гафния, бора, свинца, магния, кадмия и др.).
Среда. Следует различать нейтральные среды и среды, активно участвующие в реакциях, играющие роль катализатора.
При выборе среды следует учитывать экономические факторы, влияние среды на технологию процесса и свойства готового продукта. В качестве среды можно использовать вакуум, азот, аргон и другие инертные газы. Инертная среда предотвращает интенсивное образование продуктов распада и снижение выхода углерода. Применение вакуума нецелесообразно, так как его использование технически сложно и экономически неоправданно. Кроме того, в условиях вакуума повышается выход смолообразных продуктов. Азот или аргон позволяют создать нейтральную атмосферу, при этом с экономической точки зрения предпочтение отдается азоту.
Одним из критериев оценки применяемости инертных газов служит содержание 02. Инертные газы в процессе реакции защищают целлюлозу от воздействия кислорода воздуха, и вместе с этими газами отводятся продукты распада целлюлозы.
Благоприятные условия создаются при применении угольной засыпки, частично поглощающей продукты распада и улучшающей условия теплообмена. В качестве угольной засыпки могут быть использованы активированный уголь, кокс и графит.
В качестве среды может применяться водяной пар или пар в смеси с инертным газом. К пару могут добавляться летучие кислоты: СН3СООН, HCI, муравьиная кислота , которые нейтрализуют щелочные продукты распада.
Температурно-временные режимы. С повышением скорости нагревания возрастает интенсивность потери массы, замедляется выделение газообразных продуктов, то есть полимер становится как бы более термостойким и лучше сохраняется его структура. При медленном повышении температуры больше выход кокса и газообразных продуктов, меньше выход смол.
Поэтому более благоприятные условия осуществляются при медленном подъеме температуры, что обусловлено большим влиянием конденсационных процессов по сравнению с деструкцией.
Степень натяжения. При карбонизации в свободном состоянии происходит усадка волокна в продольном направлении на 20-40 %. Из-за усадки происходит разориентация структуры волокна.
Поэтому стадия карбонизации проводится под натяжением, что увеличивает степень ориентации, легче происходит перестройка графитовой структуры, она становится более податливой, повышаются физико-механические свойства графитизированных моноволокон.
Методы карбонизации пива праймером: сахаром, фруктозой, декстрозой и т.д.
