CN107815800A - 一种高导电高导热碳纤维的连续化制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制备连续化高导电高导热碳纤维的制备方法及设备，该设备主要包括：除胶工序、浸渍/雾化喷淋工序、烘干工序、高温定型工序、收卷工序四个主要部分，其中除胶工序主要实现对成品碳纤维表面上浆剂的高速去除；浸渍/雾化喷淋工序主要实现对连续碳纤维长丝表面定型剂的涂覆处理；烘干工序主要实现对涂覆处理定型剂后的碳纤维长丝的表面快速干燥；高温定型工序主要利用特定的连续加热设备实现对碳纤维的高温定型处理，以达到高导电高导热碳纤维的制备及表面优化；收卷装置采用张力系统、卷绕系统的连续配合实现碳纤维的收丝动作。实现高导电高导热连续碳纤维长丝的生产，利用该装备及制备技术可进行不同线型碳纤维长丝的生产加工。
Description
技术领域
本发明属于碳纤维制备领域，特别涉及一种高导电高导热碳纤维的连续化制备方法。
背景技术
随着高性能碳纤维复合材料在结构材料中应用的广度和深度的增强，碳纤维复合材料逐渐被大众民品所接受，其各种新型的特性也在不断开发。作为功能性复合材料应用的碳纤维制品也在以惊人的速度逐步发展，其中碳纤维作为导电和导热材料的应用最为典型，而以碳纤维为载体的电热产品在工业和民用加热以及医用理疗领域也逐渐成为具有市场竞争力的销售热点产品。而这些电热产品的关键技术原材料即为具有高导电和高导热特性的碳纤维连续丝束。
在高性能导电导热复合材料军品中所用的碳纤维一般采用超高温加热设备经过高温处理制成，由于高温处理过程对密闭性环境的要求特别严格，以至于碳纤维在处理过程中无法实现连续化，这对于生产效率的提高和在线工艺的控制都增加了较大难度。
为了改善这一技术难题，本发明致力于连续化长丝碳纤维的高导电和高导热化处理，同时实现以现有高强型碳纤维为基础原料，通过特殊的复合及特定加热方式，实现高导热导电碳纤维的制备，针对于民用市场和工业市场的连续特种碳纤维的供应奠定硬件和技术基础。
发明内容
为了克服上述不足，本发明提供了一种制备连续化高导电高导热碳纤维的制备方法及设备，利用该方法可采用现有的不同类型高强度碳纤维长丝(如PAN基、粘胶基、沥青基)进行其高导电、高导热性能的优化，通过除胶工序、浸渍/雾化喷淋工序、烘干工序、高温定型工序、收卷工序的连续化处理，实现高导电高导热连续碳纤维长丝的生产，利用该装备及制备技术可进行不同线型碳纤维长丝的生产加工，以实现在电加热、工业加热、高性能导电导热复合材料领域的碳纤维长丝及织物的原材料供应。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种制备连续化高导电高导热碳纤维的设备，包括：除胶装置、浸渍/雾化喷淋装置、烘干装置、高温定型装置、收卷装置，所述除胶装置、浸渍/雾化喷淋装置、烘干装置、高温定型装置、收卷装置依次相连。
优选的，所述除胶装置包括：设置在密闭的排风装置中的可调压式通电电极、走纱辊、展纱梳。
优选的，所述浸渍装置包括：浸渍胶槽、走纱辊、挤胶辊、喷淋头、流量控制系统。
优选的，所述烘干系统包括：空气流动系统、红外加热烘干系统。
优选的，所述高温定型装置为管式加热炉。
本发明还提供了一种制备连续化高导电高导热碳纤维的方法，包括：
去除碳纤维表面上浆剂；
在碳纤维长丝表面涂覆定型剂；
对涂覆定型剂后的碳纤维长丝的表面进行快速干燥；
采用连续加热对碳纤维进行高温定型处理、收丝，即得。
优选的，所述碳纤维表面上浆剂的具体步骤为：使成品碳纤维在走纱辊表面卷绕，走纱辊通过展纱梳将成品纤维铺展，走纱辊通过调压器进行电压调节，当碳纤维接触走纱辊表面时，接通辊内电极，对辊之间的纤维通电，碳纤维通电发热将表面上浆剂去除。
优选的，所述可调压式通电电极的电压为30-200V，所述走纱辊的牵引速度为400-900mm/分钟，所述展纱梳对碳纤维的展纱幅宽比为2:1到10:1。
优选的，所述涂覆定型剂的具体步骤为：将除胶后的碳纤维纱线经过走纱辊的传动进入浸胶槽，通过胶槽中胶液的浸渍，再经过挤胶辊的挤压除去多余的胶液以控制总体的含胶量；
更优选的，所述浸渍工序的含胶量控制在50-80％范围内。
优选的，所述涂覆定型剂的具体步骤为：在低浓度下浸胶水平的定型胶液含浸，整个雾化喷淋装置通过流量控制系统控制整个的浸胶量，通过高压喷头在除胶后的碳纤维表面喷涂定型胶液；
优选的，喷淋工序的含胶量控制在10-50％范围内；
优选的，所述的烘干工序主要将浸胶或喷淋后的碳纤维胶液经过烘干装置加热和空气流动，将丝束表面的定型剂中的溶液除去，整个烘干装置包括空气流动系统、红外加热烘干系统两部分，整个烘干装置在半封闭状态中进行，空气流动系统保持整体的进气量在5-20立方米/分钟，红外加热烘干系统的加热温度在50-100℃；
优选的，所述高温定型处理采用高频电磁加热方式对浸胶或喷淋后的碳纤维加热，完成定型胶液的高温碳化处理，整个炉内的碳化温度在1000-1600℃之间灵活调整；
优选的，所述收卷操作的具体步骤为：将上述经过高温碳化处理的定型高导电导热碳纤维经过收丝装置进行收卷，整个收卷过程的速度为400-900mm/分钟。
本发明的有益效果
(1)本发明可采用现有的不同类型高强度碳纤维长丝(如PAN基、粘胶基、沥青基)进行其高导电、高导热性能的优化，通过除胶工序、浸渍/雾化喷淋工序、烘干工序、高温定型工序、收卷工序的连续化处理，实现高导电高导热连续碳纤维长丝的生产，利用该装备及制备技术可进行不同线型碳纤维长丝的生产加工，以实现在电加热、工业加热、高性能导电导热复合材料领域的碳纤维长丝及织物的原材料供应。
(2)本发明装置结构简单、处理效率高、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是一种制备连续化高导电高导热碳纤维的设备示意图，该设备主要包括：除胶工序1、浸渍/雾化喷淋工序2、烘干工序3、高温定型工序4、收卷工序5四个主要部分；其中除胶工序1由可调压式通电电极6、走纱辊7、展纱梳8三部分组成，浸渍/雾化喷淋工序2由浸渍胶槽9、走纱辊10、挤胶辊11、喷淋头12、流量控制系统13组成；烘干装置包括空气流动系统14、红外加热烘干系统15两部分。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
一种制备连续化高导电高导热碳纤维的制备方法及设备，该设备主要包括：除胶工序、浸渍/雾化喷淋工序、烘干工序、高温定型工序、收卷工序四个主要部分，其中除胶工序主要实现对成品碳纤维表面上浆剂的高速去除；浸渍/雾化喷淋工序主要实现对连续碳纤维长丝表面定型剂的涂覆处理；烘干工序主要实现对涂覆处理定型剂后的碳纤维长丝的表面快速干燥；高温定型工序主要利用特定的连续加热设备实现对碳纤维的高温定型处理，以达到高导电高导热碳纤维的制备及表面优化；收卷装置采用张力系统、卷绕系统的连续配合实现碳纤维的收丝动作。
所述的除胶工序，采用可调压式通电电极配合连续走纱辊组成，成品碳纤维在走纱辊表面以特定方式卷绕，走纱辊通过展纱梳将成品纤维铺展，走纱辊通过调压器进行电压调节，当碳纤维接触走纱辊表面时，接通辊内电极，对辊之间的纤维通电，碳纤维通电发热将表面上浆剂去除。
所述的除胶工序中的可调压式通电电极、走纱辊、展纱梳在密闭的排风装置中配备，其中可调压式通电电极的电压控制在30-200V之间可调，走纱辊的牵引速度为400-900mm/分钟，展纱梳对碳纤维的展纱幅宽比在2:1到10:1之间可调。
所述的浸渍/雾化喷淋工序主要实现对连续碳纤维长丝表面定型剂的涂覆处理，包括：浸渍胶槽、走纱辊、挤胶辊、喷淋头、流量控制系统组成，其中除胶完毕的碳纤维纱线经过走纱辊的传动进入浸胶槽，通过胶槽中胶液的浸渍，再经过挤胶辊的挤压除去多余的胶液以控制总体的含胶量，浸渍工序的含胶量控制在50-80％范围内。
所述的浸渍/雾化喷淋工序中的雾化喷淋装置用以实现在低浓度下浸胶水平的定型胶液含浸，整个雾化喷淋装置通过流量控制系统控制整个的浸胶量，通过高压喷头在除胶后的碳纤维表面喷涂定型胶液，喷淋工序的含胶量控制在10-50％范围内。
所述的烘干工序主要将浸胶或喷淋后的碳纤维胶液经过烘干装置加热和空气流动，将丝束表面的定型剂中的溶液除去，整个烘干装置包括空气流动系统、红外加热烘干系统两部分，整个烘干装置在半封闭状态中进行，空气流动系统保持整体的进气量在5-20立方米/分钟，红外加热烘干系统的加热温度在50-100℃，具体的进气及加热参数根据实际走丝速度灵活调整。
所述的高温定型装置由管式加热炉完成，其采用高频电磁加热方式对浸胶或喷淋后的碳纤维加热，完成定型胶液的高温碳化处理，整个炉内的碳化温度在1000-1600℃之间灵活调整。
所述的收卷装置将上述经过高温碳化处理的定型高导电导热碳纤维经过收丝装置进行收卷，整个收卷过程的速度可控制在400-900mm/分钟之间可调。
实施例1
本发明连续化高导电高导热碳纤维的制备方法及设备包括：除胶工序、浸渍/雾化喷淋工序、烘干工序、高温定型工序、收卷工序四个主要部分，在整个高导电导热碳纤维的制备过程中，首先将成品碳纤维通过可调压式通电电极配合连续走纱辊以特定方式在走纱辊表面以牵引速度为400mm/分钟卷绕碳纤维，当碳纤维接触走纱辊表面时，通过展纱梳将成品纤维以幅宽比在2:1进行铺展，接通辊内电极，电压控制在100V，对辊之间的纤维通电，碳纤维通电发热将表面上浆剂去除。
经过除胶的碳纤维通过浸渍装置，经过走纱辊的传动进入浸胶槽，通过胶槽中胶液的浸渍，再经过挤胶辊的挤压除去多余的胶液控制总体的含胶量在50％。
经过浸胶或喷淋的碳纤维丝束经过烘干工序，整个烘干装置在半封闭状态中进行，空气流动系统保持整体的进气量在5立方米/分钟，红外加热烘干系统的加热温度在80℃，将碳纤维表面的定型胶进行烘干。
浸渍或喷淋定型胶的碳纤维由管式加热炉完成高温定型，其采用高频电磁加热方式对碳纤维加热，整个炉内的碳化温度在1200℃之间灵活调整。最终在400mm/分钟之间的走丝速度的控制下完成高导电高导热碳纤维的收卷。
实施例2
本发明连续化高导电高导热碳纤维的制备方法及设备包括：除胶工序、浸渍/雾化喷淋工序、烘干工序、高温定型工序、收卷工序四个主要部分，在整个高导电导热碳纤维的制备过程中，首先将成品碳纤维通过可调压式通电电极配合连续走纱辊以特定方式在走纱辊表面以牵引速度为500mm/分钟卷绕碳纤维，当碳纤维接触走纱辊表面时，通过展纱梳将成品纤维以幅宽比在4:1进行铺展，接通辊内电极，电压控制在200V，对辊之间的纤维通电，碳纤维通电发热将表面上浆剂去除。
经过除胶的碳纤维通过浸渍装置，经过走纱辊的传动进入浸胶槽，通过胶槽中胶液的浸渍，再经过挤胶辊的挤压除去多余的胶液控制总体的含胶量在60％。
经过浸胶或喷淋的碳纤维丝束经过烘干工序，整个烘干装置在半封闭状态中进行，空气流动系统保持整体的进气量在10立方米/分钟，红外加热烘干系统的加热温度在110℃，将碳纤维表面的定型胶进行烘干。
浸渍或喷淋定型胶的碳纤维由管式加热炉完成高温定型，其采用高频电磁加热方式对碳纤维加热，整个炉内的碳化温度在1300℃之间灵活调整。最终在500mm/分钟之间的走丝速度的控制下完成高导电高导热碳纤维的收卷。
实施例3
本发明连续化高导电高导热碳纤维的制备方法及设备包括：除胶工序、浸渍/雾化喷淋工序、烘干工序、高温定型工序、收卷工序四个主要部分，在整个高导电导热碳纤维的制备过程中，首先将成品碳纤维通过可调压式通电电极配合连续走纱辊在走纱辊表面以牵引速度为700mm/分钟卷绕碳纤维，当碳纤维接触走纱辊表面时，通过展纱梳将成品纤维以幅宽比在6:1进行铺展，接通辊内电极，电压控制在160V，对辊之间的纤维通电，碳纤维通电发热将表面上浆剂去除。
经过除胶的碳纤维通过雾化喷淋装置的高压喷头在除胶后的碳纤维表面喷涂定型胶液，喷淋工序的含胶量控制在10％。
经过浸胶或喷淋的碳纤维丝束经过烘干工序，整个烘干装置在半封闭状态中进行，空气流动系统保持整体的进气量在11立方米/分钟，红外加热烘干系统的加热温度在90℃，将碳纤维表面的定型胶进行烘干。
浸渍或喷淋定型胶的碳纤维由管式加热炉完成高温定型，其采用高频电磁加热方式对碳纤维加热，整个炉内的碳化温度在1500℃之间灵活调整。最终在700mm/分钟之间的走丝速度的控制下完成高导电高导热碳纤维的收卷。
实施例4
本发明连续化高导电高导热碳纤维的制备方法及设备包括：除胶工序、浸渍/雾化喷淋工序、烘干工序、高温定型工序、收卷工序四个主要部分，在整个高导电导热碳纤维的制备过程中，首先将成品碳纤维通过可调压式通电电极配合连续走纱辊在走纱辊表面以牵引速度为800mm/分钟卷绕碳纤维，当碳纤维接触走纱辊表面时，通过展纱梳将成品纤维以幅宽比在10:1进行铺展，接通辊内电极，电压控制在200V，对辊之间的纤维通电，碳纤维通电发热将表面上浆剂去除。
经过除胶的碳纤维通过浸渍装置，经过走纱辊的传动进入浸胶槽，通过胶槽中胶液的浸渍，再经过挤胶辊的挤压除去多余的胶液控制总体的含胶量在80％。
经过浸胶或喷淋的碳纤维丝束经过烘干工序，整个烘干装置在半封闭状态中进行，空气流动系统保持整体的进气量在20立方米/分钟，红外加热烘干系统的加热温度在100℃，将碳纤维表面的定型胶进行烘干。
浸渍或喷淋定型胶的碳纤维由管式加热炉完成高温定型，其采用高频电磁加热方式对碳纤维加热，整个炉内的碳化温度在1600℃之间灵活调整。最终在800mm/分钟之间的走丝速度的控制下完成高导电高导热碳纤维的收卷。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种制备连续化高导电高导热碳纤维的设备，其特征在于，包括：除胶装置、浸渍/雾化喷淋装置、烘干装置、高温定型装置、收卷装置，所述除胶装置、浸渍/雾化喷淋装置、烘干装置、高温定型装置、收卷装置依次相连。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述除胶装置包括：设置在密闭的排风装置中的可调压式通电电极、走纱辊、展纱梳。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述浸渍装置包括：浸渍胶槽、走纱辊、挤胶辊、喷淋头、流量控制系统。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述烘干系统包括：空气流动系统、红外加热烘干系统。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述高温定型装置为管式加热炉。
6.一种制备连续化高导电高导热碳纤维的方法，其特征在于，包括：
去除碳纤维表面上浆剂；
在碳纤维长丝表面涂覆定型剂；
对涂覆定型剂后的碳纤维长丝的表面进行快速干燥；
采用连续加热对碳纤维进行高温定型处理、收丝，即得。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述碳纤维表面上浆剂的具体步骤为：使成品碳纤维在走纱辊表面卷绕，走纱辊通过展纱梳将成品纤维铺展，走纱辊通过调压器进行电压调节，当碳纤维接触走纱辊表面时，接通辊内电极，对辊之间的纤维通电，碳纤维通电发热将表面上浆剂去除。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述可调压式通电电极的电压为30-200V，所述走纱辊的牵引速度为400-900mm/分钟，所述展纱梳对碳纤维的展纱幅宽比为2:1到10:1。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述涂覆定型剂的具体步骤为：将除胶后的碳纤维纱线经过走纱辊的传动进入浸胶槽，通过胶槽中胶液的浸渍，再经过挤胶辊的挤压除去多余的胶液以控制总体的含胶量；
优选的，所述浸渍工序的含胶量控制在50-80％范围内。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述涂覆定型剂的具体步骤为：在低浓度下浸胶水平的定型胶液含浸，整个雾化喷淋装置通过流量控制系统控制整个的浸胶量，通过高压喷头在除胶后的碳纤维表面喷涂定型胶液；
优选的，喷淋工序的含胶量控制在10-50％范围内；
或所述的烘干工序主要将浸胶或喷淋后的碳纤维胶液经过烘干装置加热和空气流动，将丝束表面的定型剂中的溶液除去，整个烘干装置包括空气流动系统、红外加热烘干系统两部分，整个烘干装置在半封闭状态中进行，空气流动系统保持整体的进气量在5-20立方米/分钟，红外加热烘干系统的加热温度在50-100℃；
或所述高温定型处理采用高频电磁加热方式对浸胶或喷淋后的碳纤维加热，完成定型胶液的高温碳化处理，整个炉内的碳化温度在1000-1600℃之间灵活调整；
或所述收卷操作的具体步骤为：将上述经过高温碳化处理的定型高导电导热碳纤维经过收丝装置进行收卷，整个收卷过程的速度为400-900mm/分钟。
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