CN100491613C - 一种生产石墨化纤维的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种生产石墨化纤维的方法是将碳纤维在丙酮溶液浸泡去浆，然后进行烘干，烘干后在惰性气体保护气氛下，进入石墨化炉进行热牵伸石墨化，纤维石墨化温度为2000～3000℃，纤维在高温区停留时间为5～120秒，纤维在石墨化过程的牵伸比保持在-5～5%，并通过张力仪进行在线张力显示；石墨化后纤维采用浓度为0.5-2.5wt%环氧树脂丙酮溶液进行上浆，上浆时间为10～180秒；上浆后的纤维在150～350℃温度下烘干，烘干时间为1～5分钟，得到石墨纤维。本发明具有工艺合理、自动化程度高、能耗低和适合大规模工业化生产的优点。

Description

一种生产石墨化纤维的方法及装置
原申请申请号：200510012907.0 申请日：2005年10月12日
发明名称：一种生产石墨化纤维的方法及装置
技术领域
本发明属于一种生产石墨化纤维的方法及装置，具体涉及一种碳纤维连续石墨化生产方法及其专用高温热处理装置。
技术背景
碳纤维是纤维状的炭材料，具有高比强度，高比模量，耐高温，耐烧蚀，耐疲劳，抗蠕变、导电、导热、密度低和热膨胀系数小等一系列优异性能，是先进结构复合材料最重要的增强材料，在宇宙飞船、航天飞行器、卫星、军工及高档体育用品方面有着广泛的应用。
石墨纤维是由碳纤维在惰性气体的保护下于2000℃～3000℃进行石墨化而制得的，在石墨化过程中，碳纤维能进一步脱除5％左右的非碳元素，同时碳原子进行类石墨结构的排列，在微观上由二维乱层石墨结构向三维有序结构转变，晶体尺寸增大，取向度增加，从而使碳纤维的模量提高。
目前高性能石墨纤维的工业化生产并形成系列产品的国家是日本和美国。日本东丽公司(Toray)石墨纤维的产量具世界首位，品种有M和MJ系列。其中M65J型PAN基碳纤维的抗拉强度为3.63GPa、抗拉模量达到640GPa，代表了PAN基石墨纤维的最高水平。美国阿莫柯公司(BP Amoco)P-120S型号的沥青基石墨纤维的抗拉强度为2.2GPa、抗拉模量高达827GPa。由于国外对我国高科技技术的封锁和我国自身在此领域上的技术落后，我国目前PAN基碳纤维小规模工业化生产的最高水平为T-300。高性能石墨纤维尚处于研制阶段，水平与国外相比差距很大。
影响碳纤维石墨化的关键因素是高温设备和高温热处理技术工艺。其中高温设备石墨化炉尤为关键，超高的温度和稳定的温度分布是制备高性能石墨纤维的基础。在高温设备石墨化炉方面，根据生产方式的不同分间歇式和连续式；根据加热方式的不同分直接加热和间接加热；根据热源的不同又分为电阻炉，感应炉，太阳炉和等离子体技术。
在高温热处理技术方面，多种因素会影响石墨纤维的微观结构和力学性能，如温度、温度分布、牵伸、催化、压力、石墨化时间、中子辐射、原丝、洁净环境等因素。近年来，渗碳、磁场对碳纤维石墨化的研究取得了突破性的进展。其中牵伸热处理工艺贯穿碳纤维生产的全过程中，由于它不仅有利于提高碳纤维的抗拉模量，还能改善碳纤维的抗拉强度，原因是牵伸可以提高碳纤维中微晶的层面沿纤维轴的择优取向的程度。而且HTT越高，此影响越明显。
目前，在国外工业上普遍采用的碳纤维石墨化设备多为高温管式石墨化电阻炉，它的特点是：碳纤维从石墨管中间穿过，在石墨管两端加施加直流电，当电流通过石墨发热体时，石墨发热体作为电阻被加热，由于石墨管的电阻率较低，所以电流高达几千到几万安培，造成低电压大电流加热，与此同时在石墨管的内部形成高温区。由于大电流直流电流难以调节，所以通常通过调节整流电路前的交流变压器的偶合效率来达到控制功率的目的，进而控制加热温度。碳纤维在惰性气体氩气或氮气的保护下在石墨管内被进行高温热处理而发生石墨化形成石墨纤维。该方法的缺点是耗电量大，而且发热体寿命短，成本较高。发热体石墨管寿命短的主要原因是由于石墨管电阻的不均匀性造成的，在加载电流的同时，电阻的不均匀性会造成发热体局部的过热直至发热体发生断裂。
发明内容
本发明的目的是提供一种能耗低、寿命长的以碳纤维为原料连续生产高性能石墨化纤维的生产方法及其专用高温热处理装置。
本发明以碳纤维为原料连续生产石墨纤维的方法包括如下步骤：将碳纤维在丙酮溶液进行浸泡1～10分钟进行去浆，然后进行烘干，烘干温度为150～350℃，烘干时间为1～5分钟；烘干后在惰性气体保护气氛下，进入石墨化炉进行热牵伸石墨化，纤维石墨化温度为2000～3000℃，纤维在高温区停留时间为5～120秒，纤维在石墨化过程的牵伸比保持在-5～5％，并通过张力仪进行在线张力显示；石墨化后纤维采用浓度为0.5-2.5wt％环氧树脂丙酮溶液进行上浆，上浆时间为10～180秒；上浆后的纤维在150～350℃温度下烘干，烘干时间为1～5分钟，得到石墨纤维。
为了完成本发明，设计了专用装置石墨化炉。该石墨化炉包括不锈钢体和石墨管发热体，其特征在于在石墨管发热体外有保温管，保温管外悬放有螺旋状空心线圈，空心线圈用冷水冷却，不锈钢体与保温管之间为保温材料，在不锈钢体两端的进丝口和出丝口采用迷宫板气封装置，迷宫板气封装置上有惰性气体进气口，在石墨管发热体和不锈钢体的中部有测温孔。
如上所述的螺旋状空心线圈是铜制的。
如上所述的螺旋状空心线圈为5～20圈。
如上所述的石墨发热体的长度为0.5～2米。
当使用该石墨化炉时，采用氩气密封，在氩气气氛下，碳纤维从石墨管内穿过，采用电源的功率为20～200KW，频率为2.5～400KHz，通电后电流在铜线圈内产生高频感应磁场，由于石墨管导电，所以在石墨管的管壁上产生感应电流(涡流)而使石墨管受热，升温至2000℃～3000℃，石墨化停留时间5～120秒；由于高温下氩气会电离，产生等离子态，所以碳纤维会在等离子体气氛下被间接加热而进行石墨化。
本发明与已有相关技术相比具有工艺合理、自动化程度高、能耗低和适合大规模工业化生产等优点。其专用设备石墨化炉采用感应加热等离子体进行加热，具有温度场和温度分布比较容易控制、发热体石墨管使用寿命长等优点，很容易获得生产不同性能石墨纤维所需的条件。利用此方法加热石墨发热体到3000℃仅需半小时，在3000℃下恒温工作耗电仅需30KW/h，2800℃下发热体工作寿命大于6个月。利用该工艺生产的石墨纤维稳定性高，离散系数小于5％。
附图说明
图1是本发明碳纤维连续石墨化炉结构示意图。
如图所示，1是碳纤维、2是石墨发热体、3是不锈钢炉体、4是感应线圈、5是电源、6是测温孔、7是保温管、8是保温材料、9是惰性气体进气口、10是迷宫板气封装置。
在保温管7外悬放有铜制螺旋状空心线圈4，空心线圈4用冷水冷却，不锈钢体3与石墨管发热体2之间为保温材料8，在不锈钢体3两端的进丝口和出丝口采用迷宫板气封装置10，迷宫板气封装置10上有惰性气体进气口9，在保温管7和不锈钢体3的中部有测温孔6。
具体实施方式
实施例1
以3K丝的碳纤维为原料，碳纤维在丙酮溶液中的停留时间为3分钟、经200℃烘干3分钟，然后进行高温石墨化炉进行石墨化，氩气从惰性气体进气口9进入，碳纤维从石墨管2内穿过，采用电源的功率为200KW，频率为20KHz；石墨化炉温度为2400℃，停留时间20秒，纤维的牵伸比为-1％；石墨化后纤维采用浓度为2wt％环氧树脂丙酮溶液进行上浆，上浆时间为80秒；上浆后的纤维在200℃温度下烘干3分钟，得到石墨纤维。石墨纤维的性能见表1。
实施例2
以3K丝的碳纤维为原料，碳纤维在丙酮溶液中的停留时间为10分钟、经250℃烘干5分钟，然后进行高温石墨化炉进行石墨化，氩气从惰性气体进气口9进入，碳纤维从石墨管2内穿过；采用电源的功率为100KW，频率为5KHz，石墨化炉温度为2600℃，停留时间50秒，纤维的牵伸比为1％；石墨化后纤维采用浓度为0.5wt％环氧树脂丙酮溶液进行上浆，上浆时间为60秒；上浆后的纤维在250℃温度下烘干5分钟，得到石墨纤维。石墨纤维的性能见表1。
实施例3
以3K丝的碳纤维为原料，碳纤维在丙酮溶液中的停留时间为6分钟、经300℃烘干1分钟，然后进行高温石墨化炉进行石墨化，氩气从惰性气体进气口9进入，碳纤维从石墨管2内穿过；采用电源的功率为100KW，频率为10KHz，石墨化炉温度为2800℃，停留时间80秒，纤维的牵伸比为1％；石墨化后纤维采用浓度为1wt％环氧树脂丙酮溶液进行上浆，上浆时间为70秒；上浆后的纤维在300℃温度下烘干1分钟，得到石墨纤维。石墨纤维的性能见表1。
实施例4
以3K丝的碳纤维为原料，碳纤维在丙酮溶液中的停留时间为6分钟、经150℃烘干4分钟，然后进行高温石墨化炉进行石墨化，氩气从惰性气体进气口9进入，碳纤维从石墨管2内穿过；采用电源的功率为200KW，频率为10KHz，石墨化炉温度为3000℃，停留时间80秒，纤维的牵伸比为3％；石墨化后纤维采用浓度为1wt％环氧树脂丙酮溶液进行上浆，上浆时间为10秒；上浆后的纤维在150℃温度下烘干4分钟，得到石墨纤维。石墨纤维的性能见表1。
实施例5
以3K丝的碳纤维为原料，碳纤维在丙酮溶液中的停留时间为1分钟、经320℃烘干2分钟，然后进行高温石墨化炉进行石墨化，氩气从惰性气体进气口9进入，碳纤维从石墨管2内穿过；采用电源的功率为80KW，频率为300KHz，石墨化炉温度为2800℃，停留时间100秒，纤维的牵伸比为5％；石墨化后纤维采用浓度为2wt％环氧树脂丙酮溶液进行上浆，上浆时间为20秒；上浆后的纤维在320℃温度下烘干2分钟，得到石墨纤维。石墨纤维的性能见表1。
表1 不同实施例下石墨纤维的性能
 
热处理温度(℃) 拉伸强度(Gpa) 拉伸模量(Gpa) 伸长(％) 线密度(g/1000m) 体密度(g/cm<sup>3</sup>)
实施例1 2.78 380 0.7 182.2 1.78
实施例2 2.53 402 0.6 182.0 1.83
实施例3 2.39 420 0.6 181.2 1.86
实施例4 2.30 446 0.5 179.5 1.89
实施例5 2.46 487 0.5 177.5 1.89

Claims (4)

1、一种用于生产石墨化纤维的石墨化炉包括不锈钢体(3)和石墨管发热体(2)，其特征在于在石墨管发热体(2)外有保温管(7)，保温管外悬放有螺旋状空心线圈(4)，空心线圈(4)用冷水冷却，不锈钢体(3)与保温管(7)之间为保温材料(8)，在不锈钢体(3)两端的进丝口和出丝口采用迷宫板气封装置(10)，迷宫板气封装置(10)上有惰性气体进口(9)，在石墨管发热体(2)、保温管(7)和不锈钢体(3)的中部有测温孔(6)。
2、如权利要求1所述的一种用于生产石墨化纤维的石墨化炉，其特征在于螺旋状空心线圈(4)是铜制的。
3、根据权利要求1所说的石墨化炉，其特征在于所述的螺旋状空心线圈(4)为5～20圈。
4、根据权利要求1所说的石墨化炉，其特征在于所述的石墨发热体的长度为0.5～2米。
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