CN101892531B - 一种碳纤维丝碳化工艺及所使用的预热设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维丝碳化工艺，包括氧化步骤和预碳化步骤，其在氧化步骤和预碳化步骤之间增加一预热步骤。本发明还公开了一种预热装置。本发明使原丝藉由在送入预炭化炉前的预加热，可以有效解决冷热空气接触时，废气容易附着于原丝表面的问题，从而减少因附着废气而导致的碳纤维产品质量下降的情况发生，也可以间接的提升了产品质量，增加了产品市场竞争力。

Description

一种碳纤维丝碳化工艺及所使用的预热设备

技术领域

本发明涉及碳纤维丝的加工领域，特别涉及的是一种用于提高碳纤维丝碳化制备效率的碳纤维丝碳化工艺及所使用的预热设备。

背景技术

碳纤维是由有机纤维经碳化与石墨化处理而得到的微晶石墨材料，其微观结构类似人造石墨，即乱层石墨结构。碳纤维作为一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000～43000Mpa亦高于钢。由于材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景，综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。碳纤维在使用时，其轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。

目前，在碳纤维的碳化过程中，往往是将制取碳纤维丝用的原丝，先送入高温氧化炉中转化为耐热的梯型结构后，再送入预碳化炉中进行碳化。由于高温氧化炉与预碳化炉属于两台设备，之间留有一段暴露空间。这样碳纤维丝碳化工艺的过程就会存在一个问题，那便是由于碳化炉在高温环境下使用时容易产生大量的废气，而原丝在高温氧化炉中被氧化完后在进入预碳化炉前，由于缺乏必要的加热保温措施，以至于会在一定时间内暴露在空气中，使得原本极热的原丝温度会被降至较低的范围内，这样原丝在进入预碳化炉后，由于原丝过冷而预碳化炉过热，以至于预碳化炉中所产生的废气，会吸附在原丝的表面，从而形成一层影响原丝碳化质量的物质，如油垢等。且在这步预碳化的工序中，倘若进入预碳化炉的原丝温度越低，便越容易出现此情形，这对于原丝烧成后的质量影响相当大。虽然目前许多碳纤维加工生产工艺，但是为了减少生产成本，减少了对原丝进行预热的这一工序，以至于严重影响产品本身的质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一在于针对现有技术的不足而提供一种碳纤维丝碳化工艺，以解决现有碳纤维在进行碳化制备时，整个碳化工艺中所存在的诸多不足之处。

本发明所要解决的技术问题之二是提供一种用以对碳纤维丝进入预碳化炉前进行预热的预热设备。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

碳纤维丝碳化工艺，包括氧化步骤和预碳化步骤，其特征在于，在氧化步骤和预碳化步骤之间增加一预热步骤。

所述预热步骤地预热温度为100-200℃。

本发明第二方面的预热装置，由两个半壳体构成，在两个半壳体之间设置有一碳纤维预热通道，碳纤维预热通道的两端具有进丝口和出丝口，其中碳纤维预热通道的进丝口与高温氧化炉的出丝口对接，碳纤维预热通道的出丝口与预碳化炉的进丝口对接；两个半壳体的一侧通过铰链连接，另一侧设置有把手；在两个半壳体内设置电加热器和保温层。

本发明结构简单、使用方便，使原丝藉由在送入预炭化炉前的预加热，可以有效解决冷热空气接触时，废气容易附着于原丝表面的问题，从而减少因附着废气而导致的碳纤维产品质量下降的情况发生，也可以间接的提升了产品质量，增加了产品市场竞争力。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明碳纤维丝碳化工艺的流程图。

图2为本发明预热装置的俯视图。

图3为图2中A-A位置的剖视图。

图4为图2中B-B位置的剖视图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明的碳纤维丝碳化工艺，主要用于解决现有的碳纤维在碳化制备时，往往由于高温氧化炉与预碳化炉之间的传输距离较长，以至于原丝冷却到较低温度后，会与预碳化炉中的热废气相接触，将这些废气吸附到其表面上，从而导致碳纤维的质量下降的问题。为此，在现有的碳纤维碳化制备的工艺上，进行改良与改进。

现有的传统碳纤维主要是通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取的。比如目前世界上生产、销售的碳纤维，其中绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得。这类碳纤维在制取时，经过了许多年的研究，一形成了一系列较为常用的碳化生产工艺，其碳化生产工艺的步骤如下，A、原丝的氧化步骤：即将制取碳纤维丝的原丝放置在空气中加热，温度维持在200-300℃左右，并持续数十分钟至数百分钟。这步氧化工序的目的在于使聚丙烯腈的线型分子链转化为耐热的梯型结构，以使其在高温碳化时不熔不燃而保持纤维状态；B、原丝的预碳化步骤：将氧化后的原丝放置在惰性气氛中加热至900-1600℃左右，并维持数分种至数十分钟，便可以生成产品碳纤维，其中，所用的惰性气体可以是高纯的氮气、氩气或氦气，但一般在工业化生产时，很多工厂往往会选择性价比较高的高纯氮气；C、原丝的石墨化：即有的工厂在碳纤维生产时，根据碳纤维产品的不同生产需求，在碳纤维经过碳化的基础上，再在充满惰性气体的环境下(一般为高纯氩气)加热至2000-3000度，维持数秒至数十秒钟，从而生成石墨化的碳纤维，也称石墨纤维。

如图1所示，考虑到现有碳纤维丝碳化制备工艺中所存在的问题，本发明主要改进之处是在原丝的氧化步骤100和预碳化步骤300之间增加一预热步骤200，该预热步骤200是将氧化步骤形成耐热结构的原丝送入加热至100-200℃的预热装置中，使在高温氧化炉与预碳化炉之间输送中的原丝，温度保持在合适的范围内，来避免由于在高温氧化炉与预炭化炉之间传输间距过长，以至于原丝容易冷却，从而在预炭化炉中的较高温度的环境下外层吸附废气，而使产品质量下降的情况发生。

为此本发明在设施时，便需要在用于原丝氧化的高温氧化炉与用于原丝碳化的预碳化炉之间，安装上一组便于原丝传输与保温预热用的预热装置。高温氧化炉与预碳化炉在设备的选择上，可以直接采用目前碳纤维碳化制备工艺中常用的几款高温氧化炉与预碳化炉，这样便可以大大降低碳纤维碳化制备工艺的改进成本，也保证了在工业化生产时的较高的生产效率。

参看图2、图3和图4，在预热装置的选择上，只需该预热装置设置在高温氧化炉与预碳化炉即可，而预热装置的选取则可以采用现在常用的电气加热设备、蒸汽加热设备、热空气加热设备、热煤油加热设备等加热设备，且基于加热成本以及本预热装置不高的功率，为此，可以完全使用环保节能的电气加热设备来满足保温预热的需求；至于保温层更可以根据所选用的预热装置的需求进行设置，从而可以避免热量的流失，来进一步提高预热装置的加热保温的效率。

参考图2、图3与图4，为本发明中所涉及到的一种预热装置400，由两个半壳体410、420构成，在两个半壳体410、420之间设置有一碳纤维预热通道430，碳纤维预热通道430的两端具有进丝口431和出丝口432，其中碳纤维预热通道430的进丝口431与高温氧化炉的出丝口对接，碳纤维预热通道430的出丝口432与预碳化炉的进丝口对接；两个半壳体410、420的一侧通过铰链440连接，另一侧设置有把手450；在两个半壳体410、420内设置电加热器460和保温层470。

本发明所使用的预热装置400主要用于将进入预碳化炉前的原丝200先行保温预热在100-200℃之间。原丝进入预碳化炉后，表面越不容易被预炭化炉中的废气锁凝结；但是如果温度过高也会有与碳化炉重复做工的困扰，且温度太高还会产生额外的过量废气，这样既增加了一步废气回收的工序，也大大提高碳纤维的生产成本。为此，可以在碳纤维的大规模生产时，将此加热段温度取决于100-200℃，从而可以有效利用预热装置400使原丝200在进入预碳化炉中进行碳化前，先提高变冷的原丝的温度，避免因在预炭化炉中冷与热废气接触时，因冷热接触而产生油垢等附着无，从而可以间接的提高碳纤维的产品质量。

至于本发明所使用的预热装置100的材料选择，可因不同需求而选择不同材质，对于不同需要给予不同设计，在设计上可灵活应用，如表1所示，为本发明几种可供使用的材料的性能对比。

表1

本发明主要具有以下两个优点：

1.使用范围广：

本发明在实施时，无需替换现有碳纤维丝生产厂家所使用的高温氧化炉与预炭化炉，只需选择一款与其相配套的加热装置来充当预热装置，便可以满足本发明在工艺实施时的要求。

2.提升产品质量：

本发明主要是在传统的碳纤维碳化制备的工艺中，增加了一步原丝的预热工序，便可以解决原丝在高温氧化炉与预炭化炉之间传输时，容易受冷热空气接触的影响而降低温度，以至于使高温废气附着于较冷的原丝上的问题，减少因附着而导致的产品质量下降，使产品相对提升，增加产品竞争力。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.碳纤维丝碳化工艺，包括氧化步骤和预碳化步骤，其特征在于，在氧化步骤和预碳化步骤之间增加一预热步骤；所述预热步骤的预热温度为100-200℃。

2.一种预热装置，其特征在于，该预热装置由两个半壳体构成，在两个半壳体之间设置有一碳纤维预热通道，碳纤维预热通道的两端具有进丝口和出丝口，其中碳纤维预热通道的进丝口与高温氧化炉的出丝口对接，碳纤维预热通道的出丝口与预碳化炉的进丝口对接；两个半壳体的一侧通过铰链连接，另一侧设置有把手；在两个半壳体内设置电加热器和保温层。

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