CN109402789A - 提高碳纤维力学性能的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高碳纤维力学性能的简易装置，主要解决现有设备和工艺制备的碳纤维力学性能差、离散系数大的技术问题。本发明通过在预氧化炉和低温碳化炉之间增加加湿和干燥装置，原丝依次经放丝机、预处理站、预氧化炉、加湿装置(1)、牵伸装置(2)、干燥装置(3)、低温碳化炉、高温碳化炉，最终在收丝机上获得碳纤维。预氧纤维经去离子水浸渍后在100℃～200℃温度下空气气氛中进行干燥，经处理后预氧纤维的含水率低于0.15％的技术方案，较好地解决了该问题，适用于碳纤维的工业化生产。

Description

提高碳纤维力学性能的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维设备和技术，能有效提高碳纤维的力学性能。
技术背景
碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异的性能，被广泛的应用在体育休闲用品和高科技工业领域，特别是在航空航天领域具有极大的应用前景。碳纤维的制备一般包括聚合纺丝、预氧化、碳化三大工艺过程，其中每个工序中都含有数十个或者数百个工艺控制点，每一个工艺控制点都可能导致纤维中产生缺陷结构，从而导致碳纤维的性能的不稳定。
张跃等发表的《聚丙烯腈基碳纤维的研究进展》(2009年3月《纤维复合材料》第一期，p7-10)中介绍了聚丙烯腈基碳纤维的国内外发展历程和现状，详细介绍了碳纤维生产工艺，指出了国产碳纤维的部分问题。刘建军等发表的一种12K二元聚丙烯腈基碳纤维的制造方法(专利号CN201310132065.7)，对大丝束碳纤维的制备进行了介绍。目前，日本掌握了世界上最先进的碳纤维制备技术，不仅在高强度系列碳纤维上取得了领先地位，而且在高模以及高强高模等领域也占据了较大的优势。国内碳纤维仅仅在T300级别碳纤维取得了一定成绩，且并不能稳定生产。产生以上现象的原因主要是国内在碳纤维制备过程中的基础科学问题尚未解决。基于以上原因，目前国内的主要研究方向是攻克基础科学问题，同时在设备上进行改良。
本发明在对基础科学问题的研究过程中，对设备和工艺进行了优化，以期提高碳纤维的力学性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是目前国内碳纤维力学性能差，离散系数大，提供了一种提高力学性能的装置。该装置用于聚丙烯腈纤维的制备过程中，具有提高碳纤维力学性能的优点。
本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相对应的提高碳纤维力学性能的方法。
为解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种提高碳纤维力学性能的装置，包括：预氧化炉、低温碳化炉、加湿装置和干燥装置；其特征在于，在预氧化炉和低温碳化炉之间依次设置加湿装置和干燥装置。
上述技术方案中，所述加湿装置1和干燥装置2前后相应设置的传动设备3，通过传动设备3将纤维在加湿装置1和干燥装置2中连续运行。
上述技术方案中，所述加湿装置采用不锈钢水槽，水槽中装配导向辊，导向辊材质为陶瓷。
上述技术方案中，所述干燥装置中设有表面电加热单元为镍铬合金丝的不锈钢管，所述镍铬合金丝缠绕在不锈钢管的表面。
上述技术方案中，所述加湿装置中水槽有效长度为20-100cm。
上述技术方案中，所述干燥装置有效长度为20-100cm。
上述技术方案中，所述加湿装置中装有去离子水。
上述技术方案中，所述干燥装置中温度为100-200℃。
上述技术方案中，所述经干燥装置干燥后预氧纤维的含水率不高于0.15％。
为解决上述技术问题之二，本发明采用的技术方案如下：一种提高碳纤维力学性能的方法，采用上述技术方案中任一所述的提高碳纤维力学性能的装置，依次经过以下步骤：原丝经放丝机、预处理站、预氧化炉、加湿装置、干燥装置、低温碳化炉、高温碳化炉，最终在收丝机在获得碳纤维。
上述技术方案中，所述经干燥装置干燥后预氧纤维的含水率不高于0.15％。
采用本发明的技术方案，由于在预氧化炉和低温碳化炉之间依次设置加湿装置和干燥装置，用于聚丙烯腈纤维的制备过程中，可以较好的提高碳纤维力学性能，最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4536MPa，拉伸强度的离散系数为1.18％；拉伸模量为252GPa，拉伸模量的离散系数为1.21％，取得了较好的技术效果。
下面通过实施例对本发明做进一步的阐述：
附图说明
图1为本发明所述提高碳纤维力学性能的装置，原丝经放丝机、预处理和预氧化后，进入加湿装置和干燥装置，中间通过牵伸辊连接。
图1中，1为加湿装置，2为干燥炉，3为牵伸辊。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。
具体实施方式
【实施例1】
聚丙烯腈原丝开卷后，在六段式梯度升温氧化炉中进行预氧化，温度分别为180℃、210℃、220℃、235℃、250℃、265℃，环境介质为空气；经加湿和干燥装置后，依次在在惰性气氛下三段式梯度升温低温碳化炉中进行低温碳化，温度为300℃、400℃和500℃；在惰性气氛下三段式梯度升温高温碳化炉中进行高温碳化，温度为900℃、1100℃、1300℃。其中加湿装置长度为50cm，介质为去离子水；干燥装置长度为50cm，温度设置为120℃，经处理后预氧纤维含水率为0.12％。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4536MPa，拉伸强度的离散系数为1.18％；拉伸模量为259GPa，拉伸模量的离散系数为1.21％。
【实施例2】
聚丙烯腈原丝开卷后，在六段式梯度升温氧化炉中进行预氧化，温度分别为180℃、210℃、220℃、235℃、250℃、265℃，环境介质为空气；经加湿和干燥装置后，依次在在惰性气氛下三段式梯度升温低温碳化炉中进行低温碳化，温度为300℃、400℃和500℃；在惰性气氛下三段式梯度升温高温碳化炉中进行高温碳化，温度为900℃、1100℃、1300℃。其中加湿装置长度为50cm，介质为去离子水；干燥装置长度为50cm，温度设置为150℃，经处理后预氧纤维含水率为0.15％。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4286MPa，拉伸强度的离散系数为1.78％；拉伸模量为252GPa，拉伸模量的离散系数为1.36％。
【实施例3】
聚丙烯腈原丝开卷后，在六段式梯度升温氧化炉中进行预氧化，温度分别为180℃、210℃、220℃、235℃、250℃、265℃，环境介质为空气；经加湿和干燥装置后，依次在在惰性气氛下三段式梯度升温低温碳化炉中进行低温碳化，温度为300℃、400℃和500℃；在惰性气氛下三段式梯度升温高温碳化炉中进行高温碳化，温度为900℃、1100℃、1300℃。其中加湿装置长度为60cm，介质为去离子水；干燥装置长度为60cm，温度设置为150℃，经处理后预氧纤维含水率为0.10％。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4378MPa，拉伸强度的离散系数为2.08％；拉伸模量为249GPa，拉伸模量的离散系数为1.55％。
【实施例4】
聚丙烯腈原丝开卷后，在六段式梯度升温氧化炉中进行预氧化，温度分别为180℃、210℃、220℃、235℃、250℃、265℃，环境介质为空气；经加湿和干燥装置后，依次在在惰性气氛下三段式梯度升温低温碳化炉中进行低温碳化，温度为300℃、400℃和500℃；在惰性气氛下三段式梯度升温高温碳化炉中进行高温碳化，温度为900℃、1100℃、1300℃。其中加湿装置长度为60cm，介质为去离子水；干燥装置长度为60cm，温度设置为170℃，经处理后预氧纤维含水率为0.10％。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4189MPa，拉伸强度的离散系数为3.23％；拉伸模量为245GPa，拉伸模量的离散系数为1.62％。
【实施例5】
聚丙烯腈原丝开卷后，在六段式梯度升温氧化炉中进行预氧化，温度分别为180℃、210℃、220℃、235℃、250℃、265℃，环境介质为空气；经加湿和干燥装置后，依次在在惰性气氛下三段式梯度升温低温碳化炉中进行低温碳化，温度为300℃、400℃和500℃；在惰性气氛下三段式梯度升温高温碳化炉中进行高温碳化，温度为900℃、1100℃、1300℃。其中加湿装置长度为60cm，介质为去离子水；干燥装置长度为60cm，温度设置为180℃，经处理后预氧纤维含水率为0.08％。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为4049MPa，拉伸强度的离散系数为3.24％；拉伸模量为247GPa，拉伸模量的离散系数为1.71％。
【实施例6】
聚丙烯腈原丝开卷后，在六段式梯度升温氧化炉中进行预氧化，温度分别为180℃、210℃、220℃、235℃、250℃、265℃，环境介质为空气；经加湿和干燥装置后，依次在在惰性气氛下三段式梯度升温低温碳化炉中进行低温碳化，温度为300℃、400℃和500℃；然后在惰性气氛下三段式梯度升温高温碳化炉中进行高温碳化，温度为900℃、1100℃、1300℃。其中加湿装置长度为60cm，介质为去离子水；干燥装置长度为60cm，温度设置为190℃，经处理后预氧纤维含水率为0.08％。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为3887MPa，拉伸强度的离散系数为4.15％；拉伸模量为246GPa，拉伸模量的离散系数为2.42％。
【比较例1】
聚丙烯腈原丝开卷后，在六段式梯度升温氧化炉中进行预氧化，温度分别为180℃、210℃、220℃、235℃、250℃、265℃，环境介质为空气；然后依次在惰性气氛下三段式梯度升温低温碳化炉中进行低温碳化，温度为300℃、400℃和500℃；在惰性气氛下三段式梯度升温高温碳化炉中进行高温碳化，温度为900℃、1100℃、1300℃。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为3450MPa，拉伸强度的离散系数为5.33％；拉伸模量为232GPa，拉伸模量的离散系数为2.65％。
【比较例2】
聚丙烯腈原丝开卷后，在六段式梯度升温氧化炉中进行预氧化，温度分别为180℃、210℃、220℃、235℃、250℃、265℃，环境介质为空气；经加湿和干燥装置后，依次在在惰性气氛下三段式梯度升温低温碳化炉中进行低温碳化，温度为300℃、400℃和500℃；在惰性气氛下三段式梯度升温高温碳化炉中进行高温碳化，温度为900℃、1100℃、1300℃。其中加湿装置长度为60cm，介质为去离子水；干燥装置长度为60cm，温度设置为150℃，经处理后预氧纤维含水率为0.85％。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为3426MPa，拉伸强度的离散系数为4.38％；拉伸模量为238GPa，拉伸模量的离散系数为2.98％。
【比较例3】
聚丙烯腈原丝开卷后，在六段式梯度升温氧化炉中进行预氧化，温度分别为180℃、210℃、220℃、235℃、250℃、265℃，环境介质为空气；经干燥和加湿装置后，依次在在惰性气氛下三段式梯度升温低温碳化炉中进行低温碳化，温度为300℃、400℃和500℃；在惰性气氛下三段式梯度升温高温碳化炉中进行高温碳化，温度为900℃、1100℃、1300℃。其中加湿装置长度为60cm，介质为去离子水；干燥装置长度为60cm，温度设置为150℃，经处理后预氧纤维含水率为2.86％。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为3221MPa，拉伸强度的离散系数为5.18％；拉伸模量为236GPa，拉伸模量的离散系数为3.92％。
【比较例4】
聚丙烯腈原丝开卷后，经加湿和干燥装置，然后在六段式梯度升温氧化炉中进行预氧化，温度分别为180℃、210℃、220℃、235℃、250℃、265℃，环境介质为空气；再依次在惰性气氛下三段式梯度升温低温碳化炉中进行低温碳化，温度为300℃、400℃和500℃；在惰性气氛下三段式梯度升温高温碳化炉中进行高温碳化，温度为900℃、1100℃、1300℃。其中加湿装置长度为60cm，介质为去离子水；干燥装置长度为60cm，温度设置为150℃，经处理后预氧纤维含水率为0.10％。最后经收卷得到碳纤维，碳纤维的拉伸强度为3465MPa，拉伸强度的离散系数为4.89％；拉伸模量为235GPa，拉伸模量的离散系数为2.76％。
显然，采用本发明的装置和方法，可以达到提高碳纤维力学性能的目的，具有较大的技术优势，可用于碳纤维的工业生产中。

Claims (10)

1.一种提高碳纤维力学性能的装置，包括：预氧化炉、低温碳化炉、加湿装置和干燥装置；其特征在于，在预氧化炉和低温碳化炉之间依次设置加湿装置和干燥装置。
2.根据权利要求1所述的提高碳纤维力学性能的装置，其特征在于所述加湿装置和干燥装置前后相应设置的传动设备。
3.根据权利要求1所述的提高碳纤维力学性能的装置，其特征在于所述加湿装置采用不锈钢水槽，水槽中装配导向辊，导向辊材质为陶瓷。
4.根据权利要求1所述的提高碳纤维力学性能的装置，其特征在于所述干燥装置中设有表面电加热单元为镍铬合金丝的不锈钢管，所述镍铬合金丝缠绕在不锈钢管的表面。
5.根据权利要求3所述的提高碳纤维力学性能的装置，其特征在于所述加湿装置中水槽有效长度为20-100cm。
6.根据权利要求4所述的提高碳纤维力学性能的装置，其特征在于所述干燥装置有效长度为20-100cm。
7.根据权利要求1所述的提高碳纤维力学性能的装置，其特征在于所述加湿装置中装有去离子水。
8.根据权利要求1所述的提高碳纤维力学性能的装置，其特征在于所述干燥装置中温度为100-200℃。
9.一种提高碳纤维力学性能的方法，采用上述权利要求1～8任一所述的提高碳纤维力学性能的装置，其特征在于原丝依次经放丝机、预处理站、预氧化炉、加湿装置、干燥装置、低温碳化炉、高温碳化炉，最终在收丝机在获得碳纤维。
10.根据权利要求9所述的提高碳纤维力学性能的方法，其特征在于所述经干燥装置干燥后预氧纤维的含水率为不高于0.15％。
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