Los alambres crudos a base de PAN deben ser preoxidados, carbonizados a baja temperatura y carbonizados a alta temperatura para formarfibras de carbonoy luego se grafitiza para obtener fibras de grafito. La temperatura oscila entre 200 °C y 2000-3000 °C, lo que desencadena diferentes reacciones y la formación de distintas estructuras, que a su vez presentan propiedades diferentes.
1. Etapa de pirólisis:Preoxidación en la parte de baja temperatura, carbonización a baja temperatura en la parte de alta temperatura
Se lleva a cabo una arilación por preoxidación, con una duración aproximada de 100 minutos y una temperatura de 200-300 °C. El objetivo es transformar la cadena macromolecular lineal termoplástica del PAN en una estructura trapezoidal no plástica y resistente al calor. La reacción principal consiste en la ciclación de la cadena macromolecular y la reticulación intermolecular, acompañada de una reacción de pirólisis y la liberación de numerosas moléculas pequeñas. El grado de arilación suele ser del 40-60 %.
Temperatura de carbonización a baja temperaturaGeneralmente es de 300-800 ℃, principalmente reacción de craqueo térmico, utilizando mayormente calentamiento por alambre de horno eléctrico de alta temperatura, etapa que produce una gran cantidad de gases de escape y alquitrán.
Características: El color de la fibra preoxidada se oscurecerá, generalmente hasta volverse negro, pero aún conservará la morfología de la fibra; la estructura interna habrá sufrido cierto grado de cambios químicos, formándose una serie de grupos funcionales que contienen oxígeno y una estructura de reticulación, sentando las bases para la carbonización posterior.
2. Etapa de carbonización (a alta temperatura)La preoxidación del precursor en atmósfera inerte a alta temperatura provoca su descomposición, eliminando además del carbono heteroátomos (como oxígeno, hidrógeno y nitrógeno), lo que conduce a la carbonización gradual y la formación de una estructura de carbono amorfo o microcristalino. Este proceso es un paso clave en la formación del esqueleto de carbono. La temperatura suele oscilar entre 1000 y 1800 °C, y se basa principalmente en una reacción de condensación térmica. La mayoría de los calentadores de grafito se utilizan para el calentamiento.
Características: El componente principal del material carbonizado es el carbono, la estructura es mayoritariamente carbono amorfo o estructura de grafito caótica, su conductividad eléctrica y sus propiedades mecánicas aumentan significativamente en comparación con el producto de preoxidación.
3. GrafitizaciónConsiste en un tratamiento térmico adicional de los productos de carbonización a temperaturas elevadas para promover la transformación de la estructura del carbono amorfo o microcristalino en una estructura cristalina de grafito más ordenada. Mediante la acción de la alta temperatura, los átomos de carbono se reordenan para formar una estructura laminar hexagonal con un alto grado de orientación, lo que mejora significativamente la conductividad eléctrica y térmica, así como la resistencia mecánica del material.
Características: El producto grafitizado presenta una estructura de grafito altamente cristalina, que proporciona una excelente conductividad eléctrica y térmica, así como una elevada resistencia y módulo específicos. Por ejemplo, un módulo altofibras de carbonose obtienen mediante un alto grado de grafitización.
Pasos específicos y requisitos de equipo para la preoxidación, carbonización y grafitización:
Preoxidación: se lleva a cabo al aire a una temperatura controlada de 200-300 °C. Es necesario aplicar tensión para reducir la contracción de la fibra.
Carbonización: se lleva a cabo en atmósfera inerte con un aumento gradual de la temperatura hasta 1000-2000 °C.
Grafitización: se lleva a cabo a temperaturas más altas (2000-3000 °C), generalmente en vacío o en atmósfera inerte.
Fecha de publicación: 22 de mayo de 2025
