一種碳纖維絲碳化工藝及所使用的預熱設備的製作方法

2023-06-18 13:08:01

專利名稱：一種碳纖維絲碳化工藝及所使用的預熱設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及碳纖維絲的加工領域，特別涉及的是一種用於提高碳纖維絲碳化製備 效率的碳纖維絲碳化工藝及所使用的預熱設備。
背景技術：
碳纖維是由有機纖維經碳化與石墨化處理而得到的微晶石墨材料，其微觀結構類 似人造石墨，即亂層石墨結構。碳纖維作為一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的 1/4，碳纖維樹脂複合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7 9倍，抗拉彈性模量 為23000 43000Mpa亦高於鋼。由於材料的比強度愈高，則構件自重愈小，比模量愈高，則 構件的剛度愈大，從這個意義上已預示了碳纖維在工程的廣闊應用前景，綜觀多種新興的 複合材料(如高分子複合材料、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料)的優異性能，不少人預 料，人類在材料應用上正從鋼鐵時代進入到一個複合材料廣泛應用的時代。碳纖維在使用 時，其軸向強度和模量高，無蠕變，耐疲勞性好，比熱及導電性介於非金屬和金屬之間，熱膨 脹係數小，耐腐蝕性好，纖維的密度低，X射線透過性好。但其耐衝擊性較差，容易損傷，在 強酸作用下發生氧化，與金屬複合時會發生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現象。目前，在碳纖維的碳化過程中，往往是將製取碳纖維絲用的原絲，先送入高溫氧化 爐中轉化為耐熱的梯型結構後，再送入預碳化爐中進行碳化。由於高溫氧化爐與預碳化爐 屬於兩臺設備，之間留有一段暴露空間。這樣碳纖維絲碳化工藝的過程就會存在一個問題， 那便是由於碳化爐在高溫環境下使用時容易產生大量的廢氣，而原絲在高溫氧化爐中被氧 化完後在進入預碳化爐前，由於缺乏必要的加熱保溫措施，以至於會在一定時間內暴露在 空氣中，使得原本極熱的原絲溫度會被降至較低的範圍內，這樣原絲在進入預碳化爐後，由 於原絲過冷而預碳化爐過熱，以至於預碳化爐中所產生的廢氣，會吸附在原絲的表面，從而 形成一層影響原絲碳化質量的物質，如油垢等。且在這步預碳化的工序中，倘若進入預碳化 爐的原絲溫度越低，便越容易出現此情形，這對於原絲燒成後的質量影響相當大。雖然目前 許多碳纖維加工生產工藝，但是為了減少生產成本，減少了對原絲進行預熱的這一工序，以 至於嚴重影響產品本身的質量。

發明內容
本發明所要解決的技術問題之一在於針對現有技術的不足而提供一種碳纖維絲 碳化工藝，以解決現有碳纖維在進行碳化製備時，整個碳化工藝中所存在的諸多不足之處。本發明所要解決的技術問題之二是提供一種用以對碳纖維絲進入預碳化爐前進 行預熱的預熱設備。為了實現上述目的，本發明是通過如下的技術方案來實現碳纖維絲碳化工藝，包括氧化步驟和預碳化步驟，其特徵在於，在氧化步驟和預碳 化步驟之間增加一預熱步驟。所述預熱步驟地預熱溫度為100-200°C。
本發明第二方面的預熱裝置，由兩個半殼體構成，在兩個半殼體之間設置有一碳 纖維預熱通道，碳纖維預熱通道的兩端具有進絲口和出絲口，其中碳纖維預熱通道的進絲 口與高溫氧化爐的出絲口對接，碳纖維預熱通道的出絲口與預碳化爐的進絲口對接；兩個 半殼體的一側通過鉸鏈連接，另一側設置有把手；在兩個半殼體內設置電加熱器和保溫層。本發明結構簡單、使用方便，使原絲藉由在送入預炭化爐前的預加熱，可以有效解 決冷熱空氣接觸時，廢氣容易附著於原絲表面的問題，從而減少因附著廢氣而導致的碳纖 維產品質量下降的情況發生，也可以間接的提升了產品質量，增加了產品市場競爭力。


下面結合附圖和具體實施方式
來詳細說明本發明；圖1為本發明碳纖維絲碳化工藝的流程圖。圖2為本發明預熱裝置的俯視圖。圖3為圖2中A-A位置的剖視圖。圖4為圖2中B-B位置的剖視圖。
具體實施例方式為使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體實施方式
，進一步闡述本發明。本發明的碳纖維絲碳化工藝，主要用於解決現有的碳纖維在碳化製備時，往往由 於高溫氧化爐與預碳化爐之間的傳輸距離較長，以至於原絲冷卻到較低溫度後，會與預碳 化爐中的熱廢氣相接觸，將這些廢氣吸附到其表面上，從而導致碳纖維的質量下降的問題。 為此，在現有的碳纖維碳化製備的工藝上，進行改良與改進。現有的傳統碳纖維主要是通過高分子有機纖維的固相碳化或低分子烴類的氣相 熱解來製取的。比如目前世界上生產、銷售的碳纖維，其中絕大部分都是用聚丙烯腈纖維 的固相碳化製得。這類碳纖維在製取時，經過了許多年的研究，一形成了一系列較為常用 的碳化生產工藝，其碳化生產工藝的步驟如下，A、原絲的氧化步驟即將製取碳纖維絲的原 絲放置在空氣中加熱，溫度維持在200-30(TC左右，並持續數十分鐘至數百分鐘。這步氧化 工序的目的在於使聚丙烯腈的線型分子鏈轉化為耐熱的梯型結構，以使其在高溫碳化時不 熔不燃而保持纖維狀態；B、原絲的預碳化步驟將氧化後的原絲放置在惰性氣氛中加熱至 900-1600°C左右，並維持數分種至數十分鐘，便可以生成產品碳纖維，其中，所用的惰性氣 體可以是高純的氮氣、氬氣或氦氣，但一般在工業化生產時，很多工廠往往會選擇性價比較 高的高純氮氣；C、原絲的石墨化即有的工廠在碳纖維生產時，根據碳纖維產品的不同生 產需求，在碳纖維經過碳化的基礎上，再在充滿惰性氣體的環境下(一般為高純氬氣)加熱 至2000-3000度，維持數秒至數十秒鐘，從而生成石墨化的碳纖維，也稱石墨纖維。如圖1所示，考慮到現有碳纖維絲碳化製備工藝中所存在的問題，本發明主要改 進之處是在原絲的氧化步驟100和預碳化步驟300之間增加一預熱步驟200，該預熱步驟 200是將氧化步驟形成耐熱結構的原絲送入加熱至100-200°C的預熱裝置中，使在高溫氧 化爐與預碳化爐之間輸送中的原絲，溫度保持在合適的範圍內，來避免由於在高溫氧化爐 與預炭化爐之間傳輸間距過長，以至於原絲容易冷卻，從而在預炭化爐中的較高溫度的環境下外層吸附廢氣，而使產品質量下降的情況發生。為此本發明在設施時，便需要在用於原絲氧化的高溫氧化爐與用於原絲碳化的預 碳化爐之間，安裝上一組便於原絲傳輸與保溫預熱用的預熱裝置。高溫氧化爐與預碳化爐 在設備的選擇上，可以直接採用目前碳纖維碳化製備工藝中常用的幾款高溫氧化爐與預碳 化爐，這樣便可以大大降低碳纖維碳化製備工藝的改進成本，也保證了在工業化生產時的 較高的生產效率。參看圖2、圖3和圖4，在預熱裝置的選擇上，只需該預熱裝置設置在高溫氧化爐與 預碳化爐即可，而預熱裝置的選取則可以採用現在常用的電氣加熱設備、蒸汽加熱設備、熱 空氣加熱設備、熱煤油加熱設備等加熱設備，且基於加熱成本以及本預熱裝置不高的功率， 為此，可以完全使用環保節能的電氣加熱設備來滿足保溫預熱的需求；至於保溫層更可以 根據所選用的預熱裝置的需求進行設置，從而可以避免熱量的流失，來進一步提高預熱裝 置的加熱保溫的效率。參考圖2、圖3與圖4，為本發明中所涉及到的一種預熱裝置400，由兩個半殼體 410,420構成，在兩個半殼體410、420之間設置有一碳纖維預熱通道430，碳纖維預熱通道 430的兩端具有進絲口 431和出絲口 432，其中碳纖維預熱通道430的進絲口 431與高溫氧 化爐的出絲口對接，碳纖維預熱通道430的出絲口 432與預碳化爐的進絲口對接；兩個半殼 體410、420的一側通過鉸鏈440連接，另一側設置有把手450 ；在兩個半殼體410、420內設 置電加熱器460和保溫層470。本發明所使用的預熱裝置400主要用於將進入預碳化爐前的原絲200先行保溫預 熱在100-200°C之間。原絲進入預碳化爐後，表面越不容易被預炭化爐中的廢氣鎖凝結；但 是如果溫度過高也會有與碳化爐重複做工的困擾，且溫度太高還會產生額外的過量廢氣， 這樣既增加了一步廢氣回收的工序，也大大提高碳纖維的生產成本。為此，可以在碳纖維的 大規模生產時，將此加熱段溫度取決於100-20(TC，從而可以有效利用預熱裝置400使原絲 200在進入預碳化爐中進行碳化前，先提高變冷的原絲的溫度，避免因在預炭化爐中冷與熱 廢氣接觸時，因冷熱接觸而產生油垢等附著無，從而可以間接的提高碳纖維的產品質量。至於本發明所使用的預熱裝置100的材料選擇，可因不同需求而選擇不同材質， 對於不同需要給予不同設計，在設計上可靈活應用，如表1所示，為本發明幾種可供使用的 材料的性能對比。表 1 本發明主要具有以下兩個優點1.使用範圍廣
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本發明在實施時，無需替換現有碳纖維絲生產廠家所使用的高溫氧化爐與預炭化 爐，只需選擇一款與其相配套的加熱裝置來充當預熱裝置，便可以滿足本發明在工藝實施 時的要求。2.提升產品質量本發明主要是在傳統的碳纖維碳化製備的工藝中，增加了一步原絲的預熱工序， 便可以解決原絲在高溫氧化爐與預炭化爐之間傳輸時，容易受冷熱空氣接觸的影響而降低 溫度，以至於使高溫廢氣附著於較冷的原絲上的問題，減少因附著而導致的產品質量下降， 使產品相對提升，增加產品競爭力。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術 人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變 化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其 等效物界定。
權利要求
碳纖維絲碳化工藝，包括氧化步驟和預碳化步驟，其特徵在於，在氧化步驟和預碳化步驟之間增加一預熱步驟。
2.如權利要求1所述的碳纖維絲碳化工藝，其特徵在於，所述預熱步驟地預熱溫度為 100-200°C。
3.一種預熱裝置，其特徵在於，該預熱裝置由兩個半殼體構成，在兩個半殼體之間設 置有一碳纖維預熱通道，碳纖維預熱通道的兩端具有進絲口和出絲口，其中碳纖維預熱通 道的進絲口與高溫氧化爐的出絲口對接，碳纖維預熱通道的出絲口與預碳化爐的進絲口對 接；兩個半殼體的一側通過鉸鏈連接，另一側設置有把手；在兩個半殼體內設置電加熱器 和保溫層。全文摘要
本發明公開了一種碳纖維絲碳化工藝，包括氧化步驟和預碳化步驟，其在氧化步驟和預碳化步驟之間增加一預熱步驟。本發明還公開了一種預熱裝置。本發明使原絲藉由在送入預炭化爐前的預加熱，可以有效解決冷熱空氣接觸時，廢氣容易附著於原絲表面的問題，從而減少因附著廢氣而導致的碳纖維產品質量下降的情況發生，也可以間接的提升了產品質量，增加了產品市場競爭力。
文檔編號D01F9/12GK101892531SQ201010239860
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月29日 優先權日2010年7月29日
發明者江金濤 申請人:上海聯川自動化科技有限公司