CN105696113A - 一种利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置及其方法，属于非平衡等离子体应用技术领域。为了克服现有碳纤维制造过程中对设备的要求高、能耗大以及生产成本高的技术不足，本发明提供一种利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置及其在低温环境下用非平衡等离子体制造碳纤维的方法，采用本发明的装置及其方法不仅可以降低碳纤维制造过程中的预氧化，碳化和石墨化温度，大大降低了能耗，并且可以大大缩短碳纤维制造工艺各步骤的处理时间，显著提高了生产效率。

Description

一种利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置及其方法，属于非平衡等离子体应用技术领域。

背景技术

碳纤维有许多优良的性能，比如碳纤维密度在1.5-2.0克/cm³，比铝(密度为2.7克/cm³)低，它的密度是钢密度四分之一，因此，用碳纤维做原料制造的产品的重量与铝和钢相比，相同体积情况下重量要轻很多；另外碳纤维的杨氏模量高，导电，膨胀体数小，柔软，耐热性好，对酸、碱等一般有机溶剂都具有良好的耐腐性、耐油性、抗辐射等等。由于碳纤维具有许多优良功能，因此在国防工业、汽车、建筑、化工等工业中的用途非常广泛，大到飞机零部件，小到高尔夫球杆、耐性用的钓鱼杆。正因为碳纤维具有广泛的用途，因此世界各国都在大力发展碳纤维的研究和生产，我国虽然起步较晚，但是目前已取得很大进展。

研究和制造碳纤维发明专利不少，国际上涉及碳纤维制造工艺的专利也很多，这些专利采用的工艺都是常规的工艺，即是预氧化是在氧气中加热，聚丙烯晴基预氧化温度200-300℃范围，沥青基预氧化温度在200℃-400℃范围，粘胶基原丝预氧化温度在200℃-240℃，聚丙烯晴碳化和石墨化温度分别在1200℃-1500℃和2500℃-3000℃；沥青碳化和石墨化温度分别在1500-1700℃和2500℃-2800℃；粘胶碳化在500-2000℃，石墨化在3000℃-3200℃，在如此高温的温度加热时间长，少则半小时多则几小时，因此现有碳纤维的制造技术存在对设备的要求高、能耗大的技术不足，同时使得碳纤维的生产成本一直居高不下。

与热等离子体相比，非平衡等离子体的温度仅在室温程度或者稍高，电子具有比离子和原子更高的温度，一般能够达到0.1～10个电子伏。而且由于气体的压力低，电子与离子之间的碰撞很少，因而不能达到热力学平衡。由于非平衡等离子体的温度在室温范围，因而可以在材料技术领域内应用。《等离子体技术在碳纤维表面处理中的应用》一文对非平衡等离子体技术以及其在碳纤维表面处理方面的应用情况，包括等离子体与纤维的作用、等离子体对碳纤维的处理效果以及等离子体技术在碳纤维表面处理方面的优势和不足进行了综述，并指出等离子体技术对碳纤维表面进行处理可以提高碳纤维复合材料的性能。但现有技术中尚没有检索到利用非平衡等离子体技术直接应用于碳纤维制造的报道。

发明内容

为了克服现有碳纤维制造过程中对设备的要求高、能耗大以及生产成本高的技术不足，本发明提供一种利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置及其在低温环境下用非平衡等离子体制造碳纤维的方法，采用本发明的装置及其方法不仅可以降低碳纤维制造过程中的预氧化，碳化和石墨化温度，大大降低了能耗，并且可以大大缩短碳纤维制造工艺各步骤的处理时间，显著提高了生产效率。

本发明所述的技术方案如下所示：

一种利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置，其包括预氧化区，碳化区和石墨化区，所述的预氧化区包括氧气或空气入口、预氧化室、加热丝及其电源、电极板及其电源，介质板和反射屏，其中所述的加热丝包括上下两根，用于加热升高预氧化室内的温度；所述的反射板包括上下两个，位于加热丝的外侧，用以防止热量流失；所述的电极板包括上电极板和下电极板，位于加热丝的内侧，上下电极板分别与一块介质板相连，介质板之间形成非平衡等离子体处理区域；

所述碳化区和石墨化区位于同一反应室内，所述的反应室包括气体入口、法兰盘及其固定装置，反应室的左右两边中心有狭缝与大气相通，其中法兰盘在反应室上下两侧各分布一个，法兰盘与反应室之间设置0形圈以保证其密封性能；所述的碳化区和石墨化区均包括发热体及其电源，电极板及其电源、介质板和反射屏，其中所述的发热体包括上下两根，用于加热升高预氧化室内的温度；所述的反射板包括上下两个，位于发热体的外侧，用以防止热量流失；所述的电极板包括上电极板和下电极板，位于发热体的内侧，上下电极板分别与一块介质板相连，介质板之间形成非平衡等离子体处理区域；其中碳化区的发热体为硅钼棒，石墨化区的发热体是用钨丝或石墨管制得；

所述的预氧化区的氧气或空气入口处还可以包括流量阀，用以控制氧气或空气的进入量。所述预氧化室采用石英玻璃或普通玻璃制成，预氧化区和反应室还包括自动温度控制器，用以控制预氧化室或反应室内的温度。

所述的包括碳化区和石墨化区的反应室采用石英玻璃或耐温500℃以上玻璃制作而成。

所述的利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置还可以包括表面改性装置，其包括电极板及其电源和介质板，其用于对对石墨化后的碳纤维进行表面改性。

所述的利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置还可以包括碳纤维固定装置和碳纤维转动装置，其中碳纤维固定装置包括原丝卷轴和支架；碳纤维转动装置包括电机、卷带筒和支架，用于控制碳纤维通过反应室以及预处理室的反应时间。

一种利用上述装置进行碳纤维制造的方法，其包括如下步骤：

1)设定预氧化室内温度并接通电源，向预氧化室通入氧气或空气，设置电源电压和频率进行介质阻挡层放电，启动碳纤维转动装置使碳纤维原丝每一点经过非平衡等离子体区；

2)设定碳化区的反应温度，并通过反应室入口通入惰性气体，设定电源的频率和电压进行碳化，启动碳纤维转动装置使碳纤维原丝每一点经过碳化区；

3)设定石墨化区的反应温度，设定电源的频率和电压进行石墨化处理；

4)设定表面改性装置电源频率和电压对碳纤维进行表面改性处理。

上述所述的碳纤维制造方法中，预氧化室的设定温度为100℃-250℃；所述预氧化室内连接电极板的电源的设定频率1KHZ-200KHZ，设定电压100V-20kV。所述预氧化的时间为20-25min

上述所述的碳纤维制造方法中，碳化区的反应温度设定为1000℃-1400℃，电源的设定频率5KHZ-8KHZ，设定电压6KV-15KV。所述的石墨化区的反应温度为2000℃-3000℃，电源的设定频率为1-2KHZ，电压10-15KV。

本发明与现有技术相比，具有如下技术优势：

1)本发明所述碳纤维的制造方法中碳纤维的氧化程度更高。等离子体中的高能电子打断制造碳纤维用的原丝中碳与其它元素结合链，而氧在放电时产生氧离子和臭氧以及伴随产生紫外光，其中氧离子和臭氧是强氧化剂，紫外光加速原丝的氧化过程，因此，与现有的碳纤维制造工艺相比，本发明采用非平衡等离子体对碳纤维原丝预氧化过程中更容易被氧化，而且氧离子和臭氧可以渗透到原丝中心，能把原丝表面和中心都充分氧化。而现有技术中方法往往靠中心部分不能全部完全氧化。

2)本发明所述碳纤维的制造方法中碳纤维的氧化过程中反应温度更低，但处理时间却大大缩短。由于等离子体能量高，在氧化过程中，所需要的温度也将降低.，同时缩短处理时间。对于PAN基原工艺预氧化需要200℃-300℃，时间30-60分钟采用非平衡等离子体后，预氧化温度可降低到150-180℃，时间只需20分钟左右。

3)本发明所述碳纤维的制造方法中碳化和石墨化的时间更短，反应温度更低，节约了能耗，提高了生产效率。碳化过程中由于等离子体作用加速碳化过程中的环化，交联、缩聚等化学变化，这比已有的碳化工艺所需温度更低，处理时间更短；而石墨化过程中因高能粒子的作用碳原子得到足够能量很容易移动，碳原子重新排列向有序化方向进行，而它所需温度将会降低，处理时间也会缩短。

4)本发明所述碳纤维的制造方法中经表面处理后使得其与环氧树脂相容性提高，复合材料的强度和杨氏模量大大提高。碳纤维原丝，经预氧化、碳化、石墨化后，所得的碳纤维与环氧树脂等粘合剂相容性(浸润性)并不理想，因此，它制成复合材料的性能也不理想。本发明将碳纤维用非平衡等离子体对它进行表面改性，使碳纤维和环氧树脂有很好的浸润性.改性后的碳纤维和环氧树脂制成的复合材料的强度和杨氏模量都太大提高。

附图说明

如图1所示一种利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置示意图，A、B、C三个区，分别是A预氧化区，B碳化区和C石墨化区。图中7是氧气或空气的入口，其中控制氧气流量或是控制空气流量阀和气源(未在图中标出)。图中1是预氧化室，它是用石英玻璃或普通玻璃制成二个半柱形。经过电源联接线2和3将电源15提供的电能给加热丝4和9加热，炉的温度在100-280℃，温度用自动温度控制器控制(图中未标出)，为节省能量，在加热炉丝的外侧安装反射屏8和8a。电源联接线10a和12a将电源16分别和上电极板10和下电极板12连接，电源频率1KHZ-200KHZ，电压100V-20kV，功率几瓦到20KW，加在两电极板上的电压分别通过介质板11和13，在介质板中间产生非平衡等离子体对制碳纤维的原丝6经过这空间完成预氧化阶段。

图中5是制碳纤维原丝卷，它固定在支架14上，原丝卷轴可以自由转动，完成预氧化的碳纤维原丝进入B区。B区和C区是在石英玻璃或耐温500℃以上玻璃制作的反应室17内，反应室用法兰盘31和32密封构成半封闭体系区，左右两边中心有狭缝与大气相通，0形圈34保证二个法兰密封。图中30、33、45和46分别为固定法兰的螺钉和螺母。37是气体的入口，其控制阀和气源均未画出来，气源是氮气，也可以是氢气或氩气或它们的混合气体。电源连线23和24把发热体19和19a和电源22联接上，发热体是硅钼棒，用温度控制仪(图中未标出)控制温度。为了节能，在发热体外面安装金属反射屏18和18a，在电极板20和20a用电源连线25和26，连到电源27。电源频率为1KHZ-200KHZ，电压100V-20kV，加电后，在介质阻挡层21和21a空间产生放电，预氧化完的碳纤维丝在等离子作用下逐渐产生环化，交联等反应，最后完成碳化。用电机47控制卷带筒43的转动速度，43安装在支架44上，令预氧化丝从左到右出口所需时间为20分钟。碳化完成后纤维进入石墨化区，在这区安装发热体29和29a，发热体是用钨丝或石墨管制成。用导线48和48a，连接到电源50。用温度控制仪(图中未标出)控制温度。为了节能，在发热体外面安装金属反射屏28和28a。上电极板35和下电极板35a通过导线51和52连接到高频高压电源53。当二电极板加一定电压后，在二个介质板36和36a中间产生非平衡等离子体加速碳原子迁移，碳原子重新排列，向有序化方向进行，碳原子快速完成有序化排列，在二个介质板中间纤维丝完成石墨化处理。石墨化后的碳纤维丝38通过介质板39和42的空间，二介质板外侧有电极板40和41，通过导线54和55把高频高压电源56连接到电极板40和41，接通电源后，在介质板39和42的空间产生非平衡等离子体对石墨化后的碳纤维进行表面改性。

具体实施方式

现通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：非平衡等离子体制造聚丙烯睛(PAN)碳纤维的方法。

按图在A区，设定预氧化室内温度180℃，氧气由7进入A区，设置电源16频率20KHZ，电压10KV进行介质阻挡层放电，开动电机47，令聚丙烯睛原丝6每一点经过非平衡等离子体区时间为20分钟，完成预氧化的钎维丝进入B区，设定B区炉温1100℃，从气体入口37通入氮气，设定电源频率8KHZ，电压15KV，完成预氧化PAN丝在B区完成碳化过程，然后进入C区，C区温度控制在2000℃，电源50频率设定为8KHZ，电压8KV，在介质板36和36a中间放电，碳化后PAN丝完成石墨化处理，接下来碳纤维进入介质板39和42中间，电源56设定频率为1KHZ，电压12KV，在空气中对碳纤维进行表面改性处理。

实施例2：非平衡等离子体制造沥青基碳纤维方法.

与实施例1相同，改变预氧化温度为250℃，电源频率50KHZ，电压15KV，碳化温度控制在1400℃，电源频率5KHZ，电压6KV，石墨化温度控制为2400℃，电压为10KV，表面改性条件同实施例1，最终获得品质优良的碳纤维。

实施例3：非平衡等离子体制造粘胶丝基碳纤维方法

与实施例1相同装置，改变预氧化温度为100℃，碳化温度1000℃，石墨化温度2600℃，其它电源参数同实施例1，表面改性用20KV直流高压，最后能获得品质优良的碳纤维。

Claims (10)

1.一种利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置，其包括预氧化区，碳化区和石墨化区，所述的预氧化区包括氧气或空气入口、预氧化室、加热丝及其电源、电极板及其电源，介质板和反射屏，其中所述的加热丝包括上下两根，用于加热升高预氧化室内的温度；所述的反射板包括上下两个，位于加热丝的外侧，用以防止热量流失；所述的电极板包括上电极板和下电极板，位于加热丝的内侧，上下电极板分别与一块介质板相连，介质板之间形成非平衡等离子体处理区域；

所述碳化区和石墨化区位于同一反应室内，所述的反应室包括气体入口、法兰盘及其固定装置，反应室的左右两边中心有狭缝与大气相通，其中法兰盘在反应室上下两侧各分布一个，法兰盘与反应室之间设置0形圈以保证其密封性能；所述的碳化区和石墨化区均包括发热体及其电源，电极板及其电源、介质板和反射屏，其中所述的发热体包括上下两根，用于加热升高预氧化室内的温度；所述的反射板包括上下两个，位于发热体的外侧，用以防止热量流失；所述的电极板包括上电极板和下电极板，位于发热体的内侧，上下电极板分别与一块介质板相连，介质板之间形成非平衡等离子体处理区域；其中碳化区的发热体为硅钼棒，石墨化区的发热体是用钨丝或石墨管制得。

2.如权利要求1所述的利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置，其特征在于，所述预氧化室采用石英玻璃或普通玻璃制成，所述的预氧化区的氧气或空气入口处还包括流量阀，用以控制氧气或空气的进入量。

3.如权利要求1所述的利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置，其特征在于，预氧化区和反应室还包括自动温度控制器，用以控制预氧化室或反应室内的温度。

4.如权利要求1所述的利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置，其特征在于，所述的包括碳化区和石墨化区的反应室采用石英玻璃或耐温500℃以上玻璃制作而成。

5.如权利要求1所述的利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置，其特征在于，所述的利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置还可以包括表面改性装置，其包括电极板及其电源和介质板，其用于对对石墨化后的碳纤维进行表面改性。

6.如权利要求1所述的利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置，其特征在于，所述的利用非平衡等离子体制造碳纤维的装置还可以包括碳纤维固定装置和碳纤维转动装置，其中碳纤维固定装置包括原丝卷轴和支架；碳纤维转动装置包括电机、卷带筒和支架，用于控制碳纤维通过反应室以及预处理室的反应时间。

7.一种利用权利要求1－6任一所述装置进行碳纤维制造的方法，其包括如下步骤：

1)设定预氧化室内温度并接通电源，向预氧化室通入氧气或空气，设置电源电压和频率进行介质阻挡层放电，启动碳纤维转动装置使碳纤维原丝每一点经过非平衡等离子体区；

2)设定碳化区的反应温度，并通过反应室入口通入惰性气体，设定电源的频率和电压进行碳化，启动碳纤维转动装置使碳纤维原丝每一点经过碳化区；

3)设定石墨化区的反应温度，设定电源的频率和电压进行石墨化处理；

4)设定表面改性装置电源频率和电压对碳纤维进行表面改性处理。

8.如权利要求7所述的碳纤维制造的方法，其特征在于，所述的预氧化室的设定温度为100℃-250℃；所述预氧化室内连接电极板的电源的设定频率1KHZ-200KHZ，设定电压100V-20kV；所述预氧化的时间为20-25min。

9.如权利要求7所述的碳纤维制造的方法，其特征在于，所述的碳化区的反应温度设定为1000℃-1400℃，电源的设定频率5KHZ-8KHZ，设定电压6KV-15KV。

10.如权利要求7所述的碳纤维制造的方法，其特征在于，所述的石墨化区的反应温度为2000℃-3000℃，电源的设定频率为1-2KHZ，电压10-15KV。