Версия для печати

Проводимость углеволокна удалось увеличить в 7 раз

Электропроводящие углеродные волокна находят широкое применение для изготовления электродов электрохимических источников тока и электролизеров, нагревательных элементов, материалов для электромагнитной защиты, датчиков. Поэтому изучение электрофизических свойств углеродного волокна – актуальная задача, которую решают ученые Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук (ИБХФ РАН).

Важно отметить, что исследование ИБХФ РАН посвящено изучению свойств так называемых пековых углеродных волокон, что особенно актуально в свете сложной ситуации с производством углеродных волокнистых материалов (УВМ) в России.

Известно, что основные объемы УВМ производят Япония, США и Германия. Количество производимого углеродного волокна в России составляет менее 1% от его мирового производства (около 400 т), и в настоящее время в стране наблюдается дефицит этой продукции, который покрывается импортом.

Основные виды сырья для производства УВМ – это полиакрилонитрил (ПАН), гидратцеллюлоза и пек (от голл. pek – смола) из продуктов переработки каменного угля и нефти. Использование пеков в качестве сырья при производстве УВМ дает большие преимущества благодаря их низкой стоимости, высокому содержанию в них углерода и, как следствие, большому выходу конечного продукта. В мировой практике доля пекового сырья в производстве УВМ составляет 30%.

Однако в России пековое волокно производится лишь очень небольшими опытными партиями, при том что в стране имеются хорошие предпосылки для создания промышленных производств пековых углеродных волокон, а именно, огромные сырьевые ресурсы, производственные мощности нефтехимических предприятий, большой научный потенциал. Но важно не просто наладить производство, а научиться получать материалы с нужными свойствами. Исследования электрофизических характеристик пековых УВМ, которые проводит ИБХФ РАН, позволило получить необходимые данные для разработки соответствующих технологий.

Модификация свойств УВМ на основе пека может быть достигнута путем введения добавок в волокно. В исследовании ИБХФ РАН для этого использовался процесс бромирования в газовой фазе.

Бромирование пековых моноволокон проводилось в течение 2–144 ч при комнатной температуре в стеклянном сосуде, наполненном газообразным бромом. Диаметр исходных волокон составлял 8–10 мкм. После удаления избыточного брома в течение 3 суток в вытяжном шкафу, образцы выдерживали под вакуумом также в течение 3 суток. В результате бромирования в течение первых 30 ч произошло уменьшение электрического сопротивления в 7 раз: с 1,19 до 0,17 мОм·см.

Ученые ИБХФ РАН выяснили, что снижение сопротивления связано с уменьшением количества дефектов на поверхности волокна благодаря воздействию газообразного брома. Однако при времени обработки более 96 ч бром начинает разрушать саму графитоподобную структуру волокна, интенсивно вступая в химическую связь с атомами углерода графитовой сетки. В результате этого наблюдается некоторый рост электрического сопротивления волокна (с 0,17 до 0,35 мОм·см). Поэтому дальнейшее бромирование является нецелесообразным, так как оно может привести к полному разрушению графитоподобной структуры волокна и, соответственно, к значительному увеличению электрического сопротивления.

Результаты исследований, проведенных в ИБХФ РАН, показали эффективность применения газообразного брома для модификации поверхности пекового углеродного волокна, которая приводит к снижению его электрического сопротивления в 7 раз. Эти выводы будут полезны для понимания процесса бромирования и при решении задач получения углеродных волокон, обладающих высокой проводимостью. Хорошая временная и термическая стабильность свойств бромированных волокон, довольно высокая электрическая проводимость и относительная простота их получения делают эти волокна привлекательными для практического использования.

Подробнее смотри в статье «Углеродные волокна на основе пека: состояние производства и модификация свойств», И.В. Клименко, «Химическая физика», 2022, T. 41, № 2, стр. 70-77.

Редакция сайта РАН