CN202830266U - 高模数石墨纤维的制造装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型所制成高模数石墨纤维的抗张模数为270~650GPa，其具有复数结晶结构，且该结晶结构的厚度(Lc)为20~70埃；其中，该制造装置至少包含有：供料组件、卷纱机以及依序设于该供料组件以及卷纱机间的低温炉、张力轮组、微波石墨化组件以及上浆组件，该碳纤维原料一端卷设于该供料组件，另端制作成高模数石墨纤维的成品则卷收于该卷纱机的收料件，使该碳纤维原料以连续式方式制成，且可大量制造，并可大幅提升石墨化的效率，降低制程成本。

Description

高模数石墨纤维的制造装置

技术领域

本实用新型有关一种高模数石墨纤维的制造装置，旨在提供一种可连续式制造高模数石墨纤维，且可大量制造的制造装置。

背景技术

碳纤维因为具有低比重、高抗张强度、高模数、高导电性、高热导等一系列的优良特性，还具有纤维的柔性可编制特性的优点。其中经高温处理后，其含碳量超过90％以上的纤维材料，称之为碳纤维。碳纤维的种类分类有许多方法，可依原料、特性、处理温度与形状来分类。若依原料可分为纤维素纤维系的嫘萦(Rayon)系与木质(Lignin)系；聚丙烯腈(PAN)系；沥青(Pitch)系；酚树脂系与气相碳纤系等六种。若依机械强度与模数高低的特性可区分为五种不同等级的碳纤维：

(1)超高模数纤维，其抗张模数大于600 GPa，

(2)高模数纤维，其抗张模数为350~600 GPa，

(3)中模数纤维，其抗张模数为280~350 GPa，

(4)标准模数纤维，其抗张模数为200~280 GPa，

(5)低模数纤维，其抗张模数小于200 GPa，

其中，抗张模数的定义则是物体受力而变形的容易程度，模数越高表示越不易形变，而高模数的特殊碳纤维，被广泛应用在建筑、航空、军事的新型增强复合材料，故如何制造出较高模数的纤维，惟目前厂商所急欲研发的方向。

如图1所示，制造碳纤维时的碳化温度上升会使纤维强度随之提高，但以2,000℃以上的超高温使纤维石墨化后，纤维强度会在达到某个平衡点后开始降低，取而代之的是模数的提升，如图2所示，当石墨化制程温度提高时(2,000~2,500℃)，其模数提升随即伴随强度的下降。

未来的趋势是走向低成本的高强高模型碳纤维，一般高强型碳纤维的原料，提高石墨化温度或许可提高模数，但却会造成强度的大幅减弱，因此，使高强型碳纤维在维持高强度特色情况下，提高石墨化堆栈的程度并提升其模数的表现是未来的发展趋势。

在传统碳纤维制造技术中，高温石墨化及石墨化制程，目前已有数种加热石墨化的方式，其中常见的传统电热炉式的石墨化制程，例如专利JP200780742、中国台湾专利公告第561207号、第200902783号及第279471号。专利重点皆在改善传统电热炉的制程方法，即在石墨化工程中采用高温炉进行加热，以不同类型热交换方式、配置等将热能由外而内同时加热外部腔体、保温设施、保护气氛及纤维本体。其整体缺点在于传热速度慢、保温困难、升温速度受到传热效果的影响需要长时间加热以达足够温度，其石墨化及石墨化制程时间需1~10小时以上，因此在高模数碳纤制作过程中，通常难以兼顾高强度的特性。总合来说，此加热方式不仅制程费时且相当耗费能源，需要大量的保温装置达成良好的阻热系统，防止电热炉的高温热散失，使得石墨化炉的设备需求及费用提高，造成量化不易，碳纤成本提高。

实用新型内容

本实用新型所解决的技术问题在于：提供一种可连续式制造高模数石墨纤维，且可大量制造的制造装置。

本实用新型所采用的技术方案如下。

一种高模数石墨纤维的制造装置，其至少包含有：一供料组件，用以提供碳纤维原料；一卷纱机，该卷纱机设于该供料组件之后，其设有至少一收料件，该碳纤维原料一端卷设于该供料组件，另端制作成高模数石墨纤维的成品则卷收于该收料件；一低温炉，设于该供料组件以及卷纱机之间；微波石墨化组件，接续于该低温炉的后，该微波石墨化组件设有一微波腔体以及与该微波腔体连通的微波提供模块以及供气模块，可对该碳纤维原料进行石墨化而成为石墨纤维半成品；以及上浆组件，接续于该微波石墨化组件之后，对该石墨纤维半成品进行上浆处理，而成为高模数石墨纤维成品，再卷收于该卷纱机的收料件上，其中该高模数石墨纤维的抗张模数为270~650GPa，其具有复数结晶结构，且该结晶结构的厚度(Lc)为20~70埃。

进一步设有第一、第二张力轮组，分别设于该微波石墨化组件的前方及后方，该第一、第二张力轮组分别设有复数轮体。

该供料组件以及卷纱机之间，且接续于该上浆组件之后，进一步设有一热烘干组件，对该石墨纤维半成品进行烘干成型。

该热烘干组件可提供150~500℃的温度。

该微波腔体为椭圆形。

该微波腔体内进一步设有吸波结构。

该供气模块提供惰性气体进入该微波腔体内。     

该微波腔体可以为平板形。

该微波腔体内进一步设有吸波结构。

该吸波结构阵列排列于该平板形的微波腔体内。

该供气模块提供惰性气体进入该微波腔体内。

该卷纱机的卷纱速度为0.1~20m/分钟。

该低温炉温度为500~800℃。

本实用新型所产生的有益效果如下。

本实用新型的制造装置至少包含有：供料组件、卷纱机以及依序设于该供料组件以及卷纱机间的低温炉、微波石墨化组件以及上浆组件，该碳纤维原料一端卷设于该供料组件，另端制作成高模数石墨纤维的成品则卷收于该卷纱机的收料件，并使该碳纤维原料依序经由该低温炉将其碳纤维原料表面的保护膜去除，经由该微波石墨化组件，可对该碳纤维原料进行石墨化而成为石墨纤维半成品，最后经由该上浆组件对该石墨纤维半成品进行上浆处理，而成为高模数石墨纤维成品，再卷收于该卷纱机的收料件上。

藉由上述制造装置可将碳纤维原料制成高模数石墨纤维，该高模数石墨纤维的抗张模数为270~650GPa，其具有复数结晶结构，且该结晶结构的厚度(Lc)为20~70埃，可广泛运用于建筑、航空、军事等新型增强复合材料，且藉由本实用新型中的制造装置，使该碳纤维原料以连续式方式制成，且可大量制造，并可大幅提升石墨化的效率，降低制程成本。

本实用新型进一步设有第一、第二张力轮组，分别设于该微波石墨化组件的前方及后方，该第一、第二张力轮组分别设有复数轮体，使该第一、第二张力轮组让该碳纤维原料维持一定张力，并以一定速度通过上述的微波石墨化组件。

本实用新型的供料组件以及卷纱机的间，且接续于该上浆组件的后，进一步设有一热烘干组件，可对该石墨纤维半成品进行烘干成型。

本实用新型的微波腔体可以为椭圆形或平板形。

本实用新型的微波腔体内可进一步设有吸波结构，可增强微波腔体内的聚焦效果。

本实用新型的供气模块可提供惰性气体进入该微波腔体内。

附图说明

图1为碳纤维碳化的拉伸强度与热处理温度的关系图。

图2为碳纤维碳化的抗张模数与热处理温度的关系图。

图3为本实用新型中制造装置的结构示意图。

图4为本实用新型中高模数石墨纤维的结构示意图。

图5为本实用新型中微波腔体第一实施例的结构示意图。

图6为本实用新型中微波腔体第二实施例的结构示意图。

图7a为本实用新型所述的微波辅助石墨化制程的热传导示意图。

图7b为传统外加热量石墨化制程的热传导示意图。

图号说明：

厚度Lc

制造装置1

供料组件10

卷纱机20

收料件21

低温炉30

微波石墨化组件40

微波腔体41

微波提供模块42

供气模块43

吸波结构44

微波场集中区45

上浆组件50

第一张力轮组61

第二张力轮组62

轮体63

碳纤维原料70

高模数石墨纤维成品80

结晶结构81

石墨纤维半成品80’

热烘干组件90

微波石墨化100

热流101

高温区103

低温区105

传统外加热量石墨化200

热流201

高温区203

低温区205。

具体实施方式

如图3为本实用新型中制造装置的结构示意图所示，本实用新型的制造装置1至少包含有：供料组件10、卷纱机20、低温炉30、微波石墨化组件40以及上浆组件50。

该供料组件10用以提供碳纤维原料70，该碳纤维原料70可经由热处理后由以下群组的纤维所提供：聚丙烯腈纤维、沥青纤维、酚醛纤维及其组合。

该卷纱机20设于该供料组件10之后，其设有至少一收料件21，该碳纤维原料70一端卷设于该供料组件10，另端制作成高模数石墨纤维成品80则卷收于该收料件21上，该卷纱机20的卷纱速度可为0.1~20m/分钟。

该低温炉30设于该供料组件10以及卷纱机20之间，该低温炉30可将其碳纤维原料70表面原有的保护膜去除，可控制该低温炉温度为500~800℃。

该微波石墨化组件40接续于该低温炉30之后，该微波石墨化组件40设有一微波腔体41以及与该微波腔体41连通的微波提供模块42以及供气模块43，可对该碳纤维原料70进行石墨化而成为石墨纤维半成品80’；其中，可进一步设有第一、第二张力轮组61、62，分别设于该微波石墨化组件40的前方及后方，该第一、第二张力轮组61、62分别设有复数轮体63，利用各轮体63的滚压作用可使该碳纤维原料70维持一定张力，并以一定速度通过上述的微波石墨化组件40。

该上浆组件60接续于该微波石墨化组件50之后，对该石墨纤维半成品80’进行上浆处理于其表面形成有保护膜(图未示)，而成为高模数石墨纤维成品80，再卷收于该卷纱机的收料件21上；当然，该供料组件10以及卷纱机20之间，且接续于该上浆组件60之后，亦可进一步设有一热烘干组件90，可提供150~500℃的温度对该石墨纤维半成品进行烘干成型。

其中，由本实用新型制造装置所制成的高模数石墨纤维成品80其抗张模数为270~650GPa，其具有复数结晶结构81，如图4所示，且该结晶结构81的厚度(Lc)为20~70埃。

再者，该微波腔体41可以为平板形，如图5的第一实施例所示，该供气模块可提供惰性气体进入该微波腔体41内，可避免碳纤维原料于碳化过程中受高温氧攻击灰化，所使用的惰性气体可为氮气、氩气、氦气及其组合；在惰性气体气氛保护下，利用该微波提供模块提供高频微波电场，并与通过微波场集中区的碳纤维原料产生感应电流加热而产生急速高温，促使碳纤维原料在短时间内将温度提高到石墨化温度1400~3000℃，并于0.5~10分钟内完成石墨化制程。当然，该微波腔体41内可进一步设有吸波结构44，该吸波结构44可为对微波具高感应性的材料如石墨、碳化物、磁性化合物、氮化物、离子化合物等组合，可如图所示的实施例中，该吸波结构44可以阵列排列于该平板形的微波腔体41内，可增强对微波场的聚焦效果，以进一步加速石墨化制程。

另外，该微波腔体41亦可以为椭圆形，如图6的第二实施例所示，可于该椭圆形微波腔体41内的二焦点处分别形成微波场集中区45，而让碳纤维原料70通过该微波场集中区45产生感应电流加热而产生急速高温，促使碳纤维原料70在短时间内将温度提高到石墨化温度1400~3000℃，并于0.5~10分钟内完成石墨化制程；当然，该微波腔体内同样可进一步设有吸波结构，以增强对微波场的聚焦效果。

由于微波能量加热属于自发热，和传统外加热量藉由热传导、辐射传递热流方式不同 (以目前的加热技术，例如高温电炉等，最多仅能达到约10~15℃/分钟，相当于0.13~0.25℃/秒的升温速率)，请参照图7a、b所示。本实用新型所述微波石墨化100的高温区103会在内部，而低温区105会在外部，因此热流101方向由内向外；而传统外加热量石墨化200的高温区203会在外部，而低温区205会在内部，因此热流201方向由外向内，两者传流方向相反。如此一来，使得本实用新型碳纤维原料内部碳原子在石墨化堆栈时，纤维内部温度高于纤维表面，石墨化层更容易朝向厚度发展，形成高结晶厚度Lc的结构。同时微波亦可降低分子运动所需克服的能障，使得碳原子重构排列所需时间缩短，快速形成紧密堆积的石墨层。石墨结晶厚度较传统制程更为增大，可大幅提升石墨化的效率，并降低制程成本。

Claims (13)

1.一种高模数石墨纤维的制造装置，其特征在于，至少包含有：

一供料组件，用以提供碳纤维原料；

一卷纱机，该卷纱机设于该供料组件之后，其设有至少一收料件，该碳纤维原料一端卷设于该供料组件，另端制作成高模数石墨纤维的成品则卷收于该收料件；

一低温炉，设于该供料组件以及卷纱机之间；

微波石墨化组件，接续于该低温炉的后，该微波石墨化组件设有一微波腔体以及与该微波腔体连通的微波提供模块以及供气模块，可对该碳纤维原料进行石墨化而成为石墨纤维半成品；以及

上浆组件，接续于该微波石墨化组件之后，对该石墨纤维半成品进行上浆处理，而成为高模数石墨纤维成品，再卷收于该卷纱机的收料件上，其中该高模数石墨纤维的抗张模数为270~650GPa，其具有复数结晶结构，且该结晶结构的厚度(Lc)为20~70埃。

2.如权利要求1所述的高模数石墨纤维的制造装置，其特征在于，进一步设有第一、第二张力轮组，分别设于该微波石墨化组件的前方及后方，该第一、第二张力轮组分别设有复数轮体。

3.如权利要求2所述的高模数石墨纤维的制造装置，其特征在于，该供料组件以及卷纱机之间，且接续于该上浆组件之后，进一步设有一热烘干组件。

4.如权利要求2所述的高模数石墨纤维的制造装置，其特征在于，该热烘干组件可提供150~500℃的温度。

5.如权利要求1至3其中任一所述的高模数石墨纤维的制造装置，其特征在于，该微波腔体为椭圆形。

6.如权利要求5所述的高模数石墨纤维的制造装置，其特征在于，该微波腔体内进一步设有吸波结构。

7.如权利要求5所述的高模数石墨纤维的制造装置，其特征在于，该供气模块提供惰性气体进入该微波腔体内。

8.如权利要求1至3其中任一所述高模数石墨纤维的制造装置，其特征在于，该微波腔体为平板形。

9.如权利要求8所述的高模数石墨纤维的制造装置，其特征在于，该微波腔体内进一步设有吸波结构。

10.如权利要求9所述的高模数石墨纤维的制造装置，其特征在于，该吸波结构阵列排列于该平板形的微波腔体内。

11.如权利要求8所述的高模数石墨纤维的制造装置，其特征在于，该供气模块提供惰性气体进入该微波腔体内。

12.如权利要求1至3其中任一所述的高模数石墨纤维的制造装置，其特征在于，该卷纱机的卷纱速度为0.1~20m/分钟。

13.如权利要求1至3其中任一所述的高模数石墨纤维的制造装置，其特征在于，该低温炉温度为500~800℃。

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