一種生產石墨化纖維的方法及裝置的製作方法

2023-10-08 08:26:49

專利名稱：一種生產石墨化纖維的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種生產石墨化纖維的方法及裝置，具體涉及一種碳纖維連續石墨化生產方法及其專用高溫熱處理裝置。
背景技術：
碳纖維是纖維狀的炭材料，具有高比強度，高比模量，耐高溫，耐燒蝕，耐疲勞，抗蠕變、導電、導熱、密度低和熱膨脹係數小等一系列優異性能，是先進結構複合材料最重要的增強材料，在宇宙飛船、航天飛行器、衛星、軍工及高檔體育用品方面有著廣泛的應用。
石墨纖維是由碳纖維在惰性氣體的保護下於2000℃～3000℃進行石墨化而製得的，在石墨化過程中，碳纖維能進一步脫除5％左右的非碳元素，同時碳原子進行類石墨結構的排列，在微觀上由二維亂層石墨結構向三維有序結構轉變，晶體尺寸增大，取向度增加，從而使碳纖維的模量提高。
目前高性能石墨纖維的工業化生產並形成系列產品的國家是日本和美國。日本東麗公司(Toray)石墨纖維的產量具世界首位，品種有M和MJ系列。其中M65J型PAN基碳纖維的抗拉強度為3.63GPa、抗拉模量達到640GPa，代表了PAN基石墨纖維的最高水平。美國阿莫柯公司(BPAmoco)P-120S型號的瀝青基石墨纖維的抗拉強度為2.2GPa、抗拉模量高達827GPa。由於國外對我國高科技技術的封鎖和我國自身在此領域上的技術落後，我國目前PAN基碳纖維小規模工業化生產的最高水平為T-300。高性能石墨纖維尚處於研製階段，水平與國外相比差距很大。
影響碳纖維石墨化的關鍵因素是高溫設備和高溫熱處理技術工藝。其中高溫設備石墨化爐尤為關鍵，超高的溫度和穩定的溫度分布是製備高性能石墨纖維的基礎。在高溫設備石墨化爐方面，根據生產方式的不同分間歇式和連續式；根據加熱方式的不同分直接加熱和間接加熱；根據熱源的不同又分為電阻爐，感應爐，太陽爐和等離子體技術。
在高溫熱處理技術方面，多種因素會影響石墨纖維的微觀結構和力學性能，如溫度、溫度分布、牽伸、催化、壓力、石墨化時間、中子輻射、原絲、潔淨環境等因素。近年來，滲碳、磁場對碳纖維石墨化的研究取得了突破性的進展。其中牽伸熱處理工藝貫穿碳纖維生產的全過程中，由於它不僅有利於提高碳纖維的抗拉模量，還能改善碳纖維的抗拉強度，原因是牽伸可以提高碳纖維中微晶的層面沿纖維軸的擇優取向的程度。而且HTT越高，此影響越明顯。
目前，在國外工業上普遍採用的碳纖維石墨化設備多為高溫管式石墨化電阻爐，它的特點是碳纖維從石墨管中間穿過，在石墨管兩端加施加直流電，當電流通過石墨發熱體時，石墨發熱體作為電阻被加熱，由於石墨管的電阻率較低，所以電流高達幾千到幾萬安培，造成低電壓大電流加熱，與此同時在石墨管的內部形成高溫區。由於大電流直流電流難以調節，所以通常通過調節整流電路前的交流變壓器的偶合效率來達到控制功率的目的，進而控制加熱溫度。碳纖維在惰性氣體氬氣或氮氣的保護下在石墨管內被進行高溫熱處理而發生石墨化形成石墨纖維。該方法的缺點是耗電量大，而且發熱體壽命短，成本較高。發熱體石墨管壽命短的主要原因是由於石墨管電阻的不均勻性造成的，在加載電流的同時，電阻的不均勻性會造成發熱體局部的過熱直至發熱體發生斷裂。

發明內容
本發明的目的是提供一種能耗低、壽命長的以碳纖維為原料連續生產高性能石墨化纖維的生產方法及其專用高溫熱處理裝置。
本發明以碳纖維為原料連續生產石墨纖維的方法包括如下步驟將碳纖維在丙酮溶液進行浸泡1～10分鐘進行去漿，然後進行烘乾，烘乾溫度為150～350℃，烘乾時間為1～5分鐘；烘乾後在惰性氣體保護氣氛下，進入石墨化爐進行熱牽伸石墨化，纖維石墨化溫度為2000～3000℃，纖維在高溫區停留時間為5～120秒，纖維在石墨化過程的牽伸比保持在-5～5％，並通過張力儀進行在線張力顯示；石墨化後纖維採用濃度為0.5-2.5wt％環氧樹脂丙酮溶液進行上漿，上漿時間為10～180秒；上漿後的纖維在150～350℃溫度下烘乾，烘乾時間為1～5分鐘，得到石墨纖維。
為了完成本發明，設計了專用裝置石墨化爐。該石墨化爐包括不鏽鋼體和石墨管發熱體，其特徵在於在石墨管發熱體外有保溫管，保溫管外懸放有螺旋狀空心線圈，空心線圈用冷水冷卻，不鏽鋼體與保溫管之間為保溫材料，在不鏽鋼體兩端的進絲口和出絲口採用迷宮板氣封裝置，迷宮板氣封裝置上有惰性氣體進氣口，在石墨管發熱體和不鏽鋼體的中部有測溫孔。
如上所述的螺旋狀空心線圈是銅製的。
如上所述的螺旋狀空心線圈為5～20圈。
如上所述的石墨發熱體的長度為0.5～2米。
當使用該石墨化爐時，採用氬氣密封，在氬氣氣氛下，碳纖維從石墨管內穿過，採用電源的功率為20～200KW，頻率為2.5～400KHz，通電後電流在銅線圈內產生高頻感應磁場，由於石墨管導電，所以在石墨管的管壁上產生感應電流(渦流)而使石墨管受熱，升溫至2000℃～3000℃，石墨化停留時間5～120秒；由於高溫下氬氣會電離，產生等離子態，所以碳纖維會在等離子體氣氛下被間接加熱而進行石墨化。
本發明與已有相關技術相比具有工藝合理、自動化程度高、能耗低和適合大規模工業化生產等優點。其專用設備石墨化爐採用感應加熱等離子體進行加熱，具有溫度場和溫度分布比較容易控制、發熱體石墨管使用壽命長等優點，很容易獲得生產不同性能石墨纖維所需的條件。利用此方法加熱石墨發熱體到3000℃僅需半小時，在3000℃下恆溫工作耗電僅需30KW/h，2800℃下發熱體工作壽命大於6個月。利用該工藝生產的石墨纖維穩定性高，離散係數小於5％。


圖1是本發明碳纖維連續石墨化爐結構示意圖。
如圖所示，1是碳纖維、2是石墨發熱體、3是不鏽鋼爐體、4是感應線圈、5是電源、6是測溫孔、7是保溫管、8是保溫材料、9是惰性氣體進氣口、10是迷宮板氣封裝置。
在保溫管7外懸放有銅製螺旋狀空心線圈4，空心線圈4用冷水冷卻，不鏽鋼體3與石墨管發熱體2之間為保溫材料8，在不鏽鋼體3兩端的進絲口和出絲口採用迷宮板氣封裝置10，迷宮板氣封裝置1上有惰性氣體進氣口9，在保溫管7和不鏽鋼體3的中部有測溫孔6。
具體實施例方式
實施例1以3K絲的碳纖維為原料，碳纖維在丙酮溶液中的停留時間為3分鐘、經200℃烘乾3分鐘，然後進行高溫石墨化爐進行石墨化，氬氣從惰性氣體進氣口9進入，碳纖維從石墨管2內穿過，採用電源的功率為200KW，頻率為20KHz；石墨化爐溫度為2400℃，停留時間20秒，纖維的牽伸比為-1％；石墨化後纖維採用濃度為2wt％環氧樹脂丙酮溶液進行上漿，上漿時間為80秒；上漿後的纖維在200℃溫度下烘乾3分鐘，得到石墨纖維。石墨纖維的性能見表1。
實施例2以3K絲的碳纖維為原料，碳纖維在丙酮溶液中的停留時間為10分鐘、經250℃烘乾5分鐘，然後進行高溫石墨化爐進行石墨化，氬氣從惰性氣體進氣口9進入，碳纖維從石墨管2內穿過；採用電源的功率為100KW，頻率為5KHz，石墨化爐溫度為2600℃，停留時間50秒，纖維的牽伸比為1％；石墨化後纖維採用濃度為0.5wt％環氧樹脂丙酮溶液進行上漿，上漿時間為60秒；上漿後的纖維在250℃溫度下烘乾5分鐘，得到石墨纖維。石墨纖維的性能見表1。
實施例3
以3K絲的碳纖維為原料，碳纖維在丙酮溶液中的停留時間為6分鐘、經300℃烘乾1分鐘，然後進行高溫石墨化爐進行石墨化，氬氣從惰性氣體進氣口9進入，碳纖維從石墨管2內穿過；採用電源的功率為100KW，頻率為10KHz，石墨化爐溫度為2800℃，停留時間80秒，纖維的牽伸比為1％；石墨化後纖維採用濃度為1wt％環氧樹脂丙酮溶液進行上漿，上漿時間為70秒；上漿後的纖維在300℃溫度下烘乾1分鐘，得到石墨纖維。石墨纖維的性能見表1。
實施例4以3K絲的碳纖維為原料，碳纖維在丙酮溶液中的停留時間為6分鐘、經150℃烘乾4分鐘，然後進行高溫石墨化爐進行石墨化，氬氣從惰性氣體進氣口9進入，碳纖維從石墨管2內穿過；採用電源的功率為200KW，頻率為10KHz，石墨化爐溫度為3000℃，停留時間80秒，纖維的牽伸比為3％；石墨化後纖維採用濃度為1wt％環氧樹脂丙酮溶液進行上漿，上漿時間為10秒；上漿後的纖維在150℃溫度下烘乾4分鐘，得到石墨纖維。石墨纖維的性能見表1。
實施例5以3K絲的碳纖維為原料，碳纖維在丙酮溶液中的停留時間為1分鐘、經320℃烘乾2分鐘，然後進行高溫石墨化爐進行石墨化，氬氣從惰性氣體進氣口9進入，碳纖維從石墨管2內穿過；採用電源的功率為80KW，頻率為300KHz，石墨化爐溫度為2800℃，停留時間100秒，纖維的牽伸比為5％；石墨化後纖維採用濃度為2wt％環氧樹脂丙酮溶液進行上漿，上漿時間為20秒；上漿後的纖維在320℃溫度下烘乾2分鐘，得到石墨纖維。石墨纖維的性能見表1。
表1不同實施例下石墨纖維的性能

權利要求
1.一種生產石墨化纖維的方法，其特徵在於包括如下步驟將碳纖維在丙酮溶液進行浸泡1～10分鐘進行去漿，然後進行烘乾，烘乾溫度為150～350℃，烘乾時間為1～5分鐘；烘乾後在惰性氣體保護氣氛下，進入石墨化爐進行熱牽伸石墨化，纖維石墨化溫度為2000～3000℃，纖維在高溫區停留時間為5～120秒，纖維在石墨化過程的牽伸比保持在-5～5％，並通過張力儀進行在線張力顯示；石墨化後纖維採用濃度為0.5-2.5wt％環氧樹脂丙酮溶液進行上漿，上漿時間為10～180秒；上漿後的纖維在150～350℃溫度下烘乾，烘乾時間為1～5分鐘，得到石墨纖維。
2.如權利要求1所述的一種用於生產石墨化纖維的石墨化爐包括不鏽鋼體(3)和石墨管發熱體(2)，其特徵在於在石墨管發熱體(2)外有保溫管(7)，保溫管外懸放有螺旋狀空心線圈(4)，空心線圈(4)用冷水冷卻，不鏽鋼體(3)與保溫管(7)之間為保溫材料(8)，在不鏽鋼體(3)兩端的進絲口和出絲口採用迷宮板氣封裝置(10)，迷宮板氣封裝置(10)上有惰性氣體進口(9)，在石墨管發熱體(2)、保溫管(7)和不鏽鋼體(3)的中部有測溫孔(6)。
3.如權利要求1所述的一種用於生產石墨化纖維的石墨化爐，其特徵在於螺旋狀空心線圈(4)是銅製的。
4.根據權利要求2所說的石墨化爐，其特徵在於所述的螺旋狀空心線圈(4)為5～20圈。
5.根據權利要求2所說的石墨化爐，其特徵在於所述的石墨發熱體的長度為0.5～2米。
全文摘要
一種生產石墨化纖維的方法是將碳纖維在丙酮溶液浸泡去漿，然後進行烘乾，烘乾後在惰性氣體保護氣氛下，進入石墨化爐進行熱牽伸石墨化，纖維石墨化溫度為2000～3000℃，纖維在高溫區停留時間為5～120秒，纖維在石墨化過程的牽伸比保持在－5～5％，並通過張力儀進行在線張力顯示；石墨化後纖維採用濃度為0.5－2.5wt％環氧樹脂丙酮溶液進行上漿，上漿時間為10～180秒；上漿後的纖維在150～350℃溫度下烘乾，烘乾時間為1～5分鐘，得到石墨纖維。本發明具有工藝合理、自動化程度高、能耗低和適合大規模工業化生產的優點。
文檔編號D01F11/16GK1746345SQ20051001290
公開日2006年3月15日 申請日期2005年10月12日 優先權日2005年10月12日
發明者王浩靜, 李東風, 朱星明, 晁兵, 周立功, 薛林兵, 劉穎, 王心葵 申請人:中國科學院山西煤炭化學研究所