CN206368222U - 碳化纤维制造设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型的碳化纤维制造设备，基本上设有一供料模组、一高温碳化模组、一电浆表面处理模组、一上浆模组以及一收料模组，可令供料模组释出的碳纤维前驱物纤维束按照预先设定的速度依序完成包括高温碳化、电浆表面处理及上浆等加工流程，除可将碳纤维前驱物纤维束加热形成碳化纤维之外，更进一步得到表面具有树脂油剂的碳化纤维；尤其，透过电浆表面处理模组使碳化纤维表面粗糙化，同时增加表面的官能基，有助于碳化纤维与树脂油剂达成优质的接口接合，进而获得结构相对更为稳固可靠的碳化纤维，并且有效缩减设备成本及工时。

Description

碳化纤维制造设备

技术领域

本实用新型有关碳化纤维的制造设备，特别是指一种可大幅提升碳化纤维上浆质量，且有效缩减碳化纤维生产设备成本及工时的碳化纤维制造设备。

背景技术

碳化纤维依纤维当中的碳含量不同又可分为碳纤维或石墨纤维，其由于具有优异的力学特性及电气特性，可广泛应用于各种用途；坊间所见的碳化纤维多将聚丙烯腈系纤维等碳纤维的前驱物纤维(precursor fiber)成束而成的碳纤维前驱物纤维束进行煅烧(高温碳化)而获得。

可供做为碳化纤维的前驱物纤维种类相当多，如嫘萦、聚乙烯醇、偏氯乙烯、聚丙烯腈(polyacrylonitrile,PAN)、沥青(pitch)等；现有主流使用的碳纤维采用聚丙烯腈(PAN)为原料，其流程一般如下：PAN原料(前驱物纤维)→预氧化步骤→高温碳化步骤→表面处理→上浆。

其中，在碳化步骤中，则依照在碳化纤维的用途，以不同的加热设备将碳纤维前驱物纤维束加热成为碳纤维或是石墨纤维；原则上，石墨纤维的纤维当中的碳含量达90％以上，并形成二维碳环平面的网状结构和层片平行的石墨层结构；研究结果显示高强度型碳纤维的结晶区约由5～6层石墨平面组成，高强度高模数型碳纤维的结晶区约由10～20层石墨平面组成；理论上和实际商品验证均指出，石墨层晶粒厚度越大，碳纤维的拉伸模数越高。

另一方面，未经过处理的碳化纤维对基质树脂具有不足的黏附性，而且其具有不良的横向性质，如分离强度及切力强度，因此较少直接利用，通常依照用途成型为与基质树脂组合的碳化纤维复合材料，且完成碳化步骤的碳化纤维在出厂前多会于表面涂布一层油剂(上浆步骤)，以保护纤维不致因为后续工艺的摩擦而导致断裂，影响整体碳化纤维的质量。

再者，碳化纤维在高温碳化步骤中，通常因为高温烧熔作用使得其纤维表面过于细致化且几无表面官能基，导致纤维无法与树脂油剂完整结合；已知可利用热处理或电解技术对已完成高温碳化步骤的纤维施以表面处理，藉以改善纤维与树脂油剂之间的结合效果。

然而，以热处理方式对碳化纤维进行表面处理时，不但必须花费较多的时间，且通常一次处理较多的数量，相对较不容易掌控加工质量；至于，以电解方式对碳化纤维进行表面处理时，则必须在事后经过至少一道干燥程序始得以于纤维表面涂布油剂，且通常因为电解液变动而影响加工质量，甚至在纤维表面产生沉积现象。

实用新型内容

本实用新型所解决的技术问题即在提供一种可大幅提升碳化纤维上浆质量，且有效缩减碳化纤维生产设备成本及工时的碳化纤维制造设备。

本实用新型所采用的技术手段如下所述。

为了达到上揭目的，本实用新型的碳化纤维制造设备，至少包含：一供料模组及一收料模组，该收料模组设于该供料模组的周边处，且该供料模组及该收料模组构成一碳化纤维拖曳行程；一高温碳化模组，设于该碳化纤维拖曳行程且位于该供料模组与该收料模组之间，用以对该碳化纤维拖曳行程进行加热；一电浆表面处理模组，设于该碳化纤维拖曳行程且位于该高温碳化模组与该收料模组之间，用以对该碳化纤维拖曳行程提供电浆气流；一上浆模组，设于该碳化纤维拖曳行程且位于该电浆表面处理模组与该收料模组之间，使该碳化纤维的表面覆盖一树脂油剂。

利用上述结构特征，本实用新型的碳化纤维制造设备，可在该供料模组、该高温碳化模组、该电浆表面处理模组、该上浆模组以及该收料模组的整合运作下，令该供料模组释出的一碳纤维前驱物纤维束按照预先设定的速度依序完成高温碳化、电浆表面处理及上浆等加工流程，以相对更为积极、可靠的手段，将该碳纤维前驱物纤维束加热形成该碳化纤维，进一步得到表面具有该树脂油剂的该碳化纤维；尤其，可透过该电浆表面处模组使该碳化纤维的表面粗糙化，同时增加该碳化纤维表面的官能基，在该碳化纤维后续的上浆步骤中，有助于该碳化纤维与该树脂油剂达成优质的接口接合，大幅提升碳化纤维的上浆质量，进而获得结构相对更为稳固可靠的该碳化纤维，且电浆表面处理属于干式且相对快速的表面处理技术，有效缩减碳化纤维生产设备成本及工时。

依据上述技术特征，该高温碳化模组具有一供该碳化纤维拖曳行程或该碳纤维前驱物纤维束通过的腔体，该腔体内形成有至少一微波场集中区，且提供惰性气体以及高频微波，在惰性气体气氛保护下，利用高频微波电场与通过微波场集中区的碳纤维前驱物纤维束产生感应电流加热而产生急速高温。

依据上述技术特征，该高温碳化模组具有一供该碳纤维前驱物纤维束通过的腔体，该腔体内形成有至少一微波场集中区，且一供气模组提供惰性气体以及一微波产生模组提供高频微波，在惰性气体气氛保护下，利用高频微波电场与通过微波场集中区的该碳纤维前驱物纤维束产生感应电流加热而产生急速高温；该电浆表面处理模组，至少设有一供产生电浆气流的电浆产生机组。

依据上述技术特征，该电浆表面处理模组，可在相对于碳化纤维拖曳行程的上、下位置处，皆设有至少一电浆产生机组。

所述该腔体为一椭圆腔体。

所述该腔体为一椭圆腔体，且该腔体配有至少一对微波具高感应性的材料。

所述该腔体为一平板腔体。

所述该腔体为一平板腔体，且该腔体配有至少一对微波具高感应性的材料。

所述各该电浆产生机组可供产生功率介于100～10000瓦(W)的电浆气流。

所述各该电浆产生机组可供产生功率介于100～10000瓦(W)的大气电浆气流。

所述各该电浆产生机组可供产生功率介于100～10000瓦(W)的低压电浆气流。

所述各该电浆产生机组可供产生功率介于100～10000瓦(W)的微波电浆气流。

所述各该电浆产生机组可供产生功率介于100～10000瓦(W)的辉光电浆气流。

所述该上浆模组，至少设有一供盛装树脂油剂的储液槽。

所述该碳化纤维制造设备，进一步包括一干燥模组，该干燥模组相对设于该上浆模组与该收料模组之间的碳化纤维拖曳行程处，用以令该树脂油剂稳固附着在该碳化纤维表面。

本实用新型所产生的技术效果：本实用新型所揭露的碳化纤维制造设备，相对更为积极、可靠的手段，将碳纤维前驱物纤维束加热形成碳化纤维，进一步得到表面具有树脂油剂的碳化纤维；尤其，可透过电浆表面处模组使碳化纤维的表面粗糙化，同时增加碳化纤维表面的官能基，大幅提升碳化纤维的上浆质量，以及，利用高温碳化模组的微波聚焦加热方式，可由同一设备应用于未经过表面预氧化加工处理的碳纤维前驱物纤维束或是已预先经过表面预氧化加工处理的碳纤维前驱物纤维束，且透过简单调整微波功率的方式，用以生产一般碳化纤维或高模数碳化纤维(石墨纤维)，有效缩减碳化纤维生产设备成本及工时。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例的碳化纤维制造设备基本组成架构示意图。

图2为本实用新型当中一种可以实施的高温碳化模组结构示意图。

图3为经本实用新型当中的电浆表面处理模组完成电浆表面处理加工流程的碳化纤维断面结构示意图。

图4为经本实用新型当中的上浆模组完成上浆加工流程的碳化纤维断面结构示意图。

图5为本实用新型第二实施例的碳化纤维制造设备组成架构示意图。

图6为本实用新型当中另一种可以实施的高温碳化模组结构示意图。

图7a为未经电浆表面处理的待测试对象的SEM图。

图7b为有经电浆表面处理的待测试对象的SEM图。

图号说明：

10 供料模组

20 收料模组

21 卷纱组件

30 高温碳化模组

31 腔体

311 微波场集中区

32 供气模组

33 微波产生模组

34 对微波具高感应性的材料

40 电浆表面处理模组

41 电浆产生机组

50 上浆模组

51 储液槽

60 干燥模组

61 热风炉

70A 碳纤维前驱物纤维束

70B 碳化纤维

71 电浆改质构造

80 树脂油剂

H 空隙。

具体实施方式

本实用新型主要提供一种可大幅提升碳化纤维上浆质量，且有效缩减碳化纤维生产设备成本及工时的碳化纤维制造设备，如图1所示，本实用新型的碳化纤维制造设备，基本上包括有：一供料模组10、一收料模组20、一高温碳化模组30、一电浆表面处理模组40，以及一上浆模组50，请同时配合参照图1至图4所示，其中：

该供料模组10，用以提供欲加工成为一碳化纤维70B的一碳纤维前驱物纤维束70A；于实施时，所述该碳纤维前驱物纤维束70A可以由嫘萦、聚乙烯醇、偏氯乙烯、聚丙烯腈(polyacrylonitrile , PAN)、沥青(pitch)等前驱物纤维成束而成；以及，所述该碳纤维前驱物纤维束70A为未经过表面预氧化加工处理的碳纤维前驱物纤维束70A，或为已预先经过表面预氧化加工处理的碳纤维前驱物纤维束70A。

该收料模组20，呈与该供料模组10对应构成碳化纤维拖曳行程的型态设于该供料模组10的周边处，其至少设有供承接碳化纤维70B的一卷纱组件21，且由该卷纱组件21对其所承接的该碳化纤维70B产生拖曳作用。

该高温碳化模组30，相对设于该供料模组10与该收料模组20之间的碳化纤维拖曳行程处，供对该碳纤维前驱物纤维束70A加热，使该碳纤维前驱物纤维束70A成为具有预先设定碳含量的碳化纤维70B；于实施时，该高温碳化模组30可如图2所示，具有一供该碳纤维前驱物纤维束70A通过的一腔体31，该腔体31内形成有至少一微波场集中区311，且由一供气模组32供应一惰性气体以及由一微波产生模组33提供一高频微波，在该惰性气体气氛保护下，利用高频微波电场与通过微波场集中区311的碳纤维前驱物纤维束70A产生感应电流加热而产生急速高温，使该碳纤维前驱物纤维束70A成为具有预先设定碳含量的碳化纤维70B。

该电浆表面处理模组40，相对设于该高温碳化模组30与该收料模组20之间的碳化纤维拖曳行程处，用以提供预先设定功率的电浆气流作用于该碳化纤维70B，使于该碳化纤维70B表面形成相对于该碳纤维前驱物纤维束70A而言为粗糙化或更多官能基的的一电浆改质构造71(如图3所示)。

该上浆模组50，相对设于该电浆表面处理模组40与该收料模组20之间的碳化纤维拖曳行程处，供将该表面形成有该电浆改质构造71的该碳化纤维70B表面覆盖一树脂油剂80(如图4所示)；所述该上浆模组50，至少设有一供盛装该树脂油剂80的一储液槽51；至于，所述该树脂油剂80可以为热固型树脂油剂，或是热塑型树脂油剂。

据以，本实用新型的碳化纤维制造设备，即可在该供料模组10、该高温碳化模组30、该电浆表面处理模组40、该上浆模组50以及该收料模组20的整合运作下，令该供料模组10释出的该碳纤维前驱物纤维束70A按照预先设定的速度依序完成高温碳化、电浆表面处理及上浆等加工流程，以相对更为积极、可靠的手段，将碳纤维前驱物纤维束70A加热形成碳化纤维70B，进一步得到表面具有树脂油剂80的碳化纤维70B。

又，所述该电浆表面处理模组40，至少设有一供产生电浆气流的电浆产生机组41；在本实施例中，所述该电浆表面处理模组40，在相对于碳化纤维拖曳行程的上、下位置处，皆设有至少一电浆产生机组41，主要透过该电浆产生机组41所产生的电浆气流作用于该碳化纤维70B表面。

由于电浆气流包含了具能量的粒子，可透过电浆气流的物理反应(撞击)，将原本附着在该碳化纤维70B表面的杂质因电浆气流的撞击而断链变成小分子化，再藉由气流将该些小分子吹拂离开该碳化纤维70B表面，因而使得该碳化纤维70B表面清洁干净，在该碳化纤维70B后续的上浆模组50程序中，有助于该树脂油剂80与该碳化纤维70B能够完全接触而增加结合效果；且，电浆气流的撞击亦会将该碳化纤维70B表面形成如前所述的相对于该碳纤维前驱物纤维束70A而言为粗糙化的该电浆改质构造71，甚至更进一步形成孔隙，而藉由使该碳化纤维70B的表面粗糙化或形成孔隙，在该碳化纤维70B后续的上浆模组50程序中，有助于增加该树脂油剂80与该碳化纤维70B的接触面积，或者该树脂油剂80会渗入该孔隙，而该树脂油剂80即如同锚而于孔隙间予以勾住而形成投锚效应以增进该树脂油剂80与该碳化纤维70B的结合效果。

电浆气流同时于该碳化纤维70B的表面产生化学反应作用，使得该碳化纤维70B的表面增加表面的至少一官能基(如–OH,-N等)，在该碳化纤维70B后续的该上浆模组50程序中，由于该官能基的存在而使得该碳化纤维70B的表面的表面张力上升，因此有助于该上浆模组50程序中提升该树脂油剂80对该碳化纤维70B的湿润(wetting)效果，亦即该树脂油剂80对该碳化纤维70B的接触角(contact angle)变小，而使得该树脂油剂80能够很快速或瞬间包覆于该碳化纤维70B的表面，提升了该上浆模组50程序的速度，因而加快了该碳化纤维70B的整体生产速度；而该官能基的存在例如OH基，与该树脂油剂80例如环氧树脂(Epoxy)，能够产生氢键(Hydrogen bonding)结合，因而增加结合效果。

于实施时，所述各该电浆产生机组41可供产生功率介于100～10000瓦(W)的电浆气流，或是可供产生功率介于100～10000瓦(W)的大气电浆气流，或是可供产生功率介于100～10000瓦(W)的低压电浆气流电浆产生机组，或是可供产生功率介于100～10000瓦(W)的微波电浆气流，或是可供产生功率介于100～10000瓦(W)的辉光电浆气流。

由于本实用新型当中的电浆表面处理模组，可对碳化纤维提供属于干式的表面处理，不但可以避免在碳化纤维产生额外的杂质或沉积物，相对的亦可降低碳化纤维在完成电浆表面处理的后的干燥工时、工序。

当然，本实用新型的碳化纤维制造设备，亦可如图5所示，进一步包括一干燥模组60，该干燥模组60相对设于该上浆模组50与该收料模组20之间的碳化纤维拖曳行程处，用以令该树脂油剂80稳固附着在该碳化纤维70B表面；于实施时，所述该干燥模组60至少设有一供产生热风的热风炉61。

再者，本实用新型所述该惰性气体可以为氮气、氩气、氦气或其组合；至于，所述该高频微波的频率可介于300～30,000MHz之间，其微波功率密度则可介于1～1000kW/m3之间。

在图2所示的实施例中，所述该腔体31可以为一椭圆腔体，当然该腔体31亦可以为一平板腔体(如图6所示)；而且，所述该腔体31不论为椭圆腔体或平板腔体，皆可如图6所示，于该腔体31内搭配有一对微波具高感应性的材料34，藉以增强对微波场的聚焦效果，以进一步加速对高温碳化制程；于实施时，所述该对微波具高感应性的材料34，可以为石墨、碳化物、磁性化合物、氮化物、离子化合物其中之一或其组合。

由于可透过微波加热的共振效应，快速促使碳化纤维的碳化程度提升并形成更多的碳结晶堆栈，进而形成更大的石墨结晶分子，亦即产生更大的石墨结晶厚度，并同时衍生更高的微波感应加热效果，如此循环产生自催化反应，可让碳化纤维快速升温至石墨化温度(1500～3000℃)，并使碳原子更加速重构排列形成石墨层。

换言之，可由同一设备应用于未经过表面预氧化加工处理的碳纤维前驱物纤维束，或是已预先经过表面预氧化加工处理的碳纤维前驱物纤维束，且只需透过简单调整微波功率的方式，用以生产一般碳化纤维(1000-1500℃)或高模数碳化纤维(石墨纤维)。

于一较佳实施例中，在该干燥模组60后形成该树脂油剂80稳固附着在该碳化纤维70B表面的一待测试对象，而该电浆表面处理模组40的处理条件则如下表一所示：

表一:电浆表面处理条件

依据ASTM 2344使用INSTRON测量机，在温度23℃、湿度50％RH的环境下，对该待测试对象进行测量ILSS强度(层间结合力)，结果如下表二所示：

表二:PAN碳纤维12K的电浆表面处理功率(W)、处理时间(sec.秒)与层间结合力(MPa)的关系(以环氧树脂做为树脂油剂)

由表二可以得知，碳纤维若未经电浆表面处理，则待测试对象的层间结合力仅为70MPa，而随着电浆功率的增强例如在0.075秒的处理时间下由未处理(0W,未打开电浆功率)增强至1000W，层间结合力则从70MPa增强至89MPa，亦即层间结合力增加至127％。

在上浆模组50程序中以环氧树脂做为树脂油剂80并以碳纤维做为碳化纤维70B的例子中，图7a及图7b分别为未经电浆表面处理及有经电浆表面处理的待测试对象的SEM图；其中图7a所代表的未经电浆表面处理的待测试对象的SEM图显示一空隙H出现于该树脂油剂80与该碳化纤维70B之间，此是因为该碳化纤维70B的表面平滑且无官能基所导致，此空隙H会造成待测试对象的强度下降，亦即因而导致碳化纤维与树脂油剂之间的黏附性不足，而无法达到保护纤维的目的。

而图7b所代表的有经电浆表面处理的待测试对象的SEM图显示未有空隙出现于该树脂油剂80与该碳化纤维70B之间，此是因为该碳化纤维70B的表面粗糙化，同时增加表面的官能基(如–OH,-N等)，使树脂油剂80与碳化纤维70B结合紧密，因此待测试对象的强度会被增强，亦即因而增强碳化纤维与树脂油剂之间的黏附性，故更能达到保护纤维的目的。

具体而言，本实用新型所揭露的碳化纤维制造设备，相对更为积极、可靠的手段，将碳纤维前驱物纤维束加热形成碳化纤维，进一步得到表面具有树脂油剂的碳化纤维；尤其，可透过电浆表面处模组使碳化纤维的表面粗糙化，同时增加碳化纤维表面的官能基，大幅提升碳化纤维的上浆质量，以及，利用高温碳化模组的微波聚焦加热方式，可由同一设备应用于未经过表面预氧化加工处理的碳纤维前驱物纤维束或是已预先经过表面预氧化加工处理的碳纤维前驱物纤维束，且透过简单调整微波功率的方式，用以生产一般碳化纤维或高模数碳化纤维(石墨纤维)，有效缩减碳化纤维生产设备成本及工时。

Claims (15)

1.一种碳化纤维制造设备，其特征在于，至少包含：

一供料模组及一收料模组，该收料模组设于该供料模组的周边处，且该供料模组及该收料模组构成一碳化纤维拖曳行程；

一高温碳化模组，设于该碳化纤维拖曳行程且位于该供料模组与该收料模组之间，用以对该碳化纤维拖曳行程进行加热；

一电浆表面处理模组，设于该碳化纤维拖曳行程且位于该高温碳化模组与该收料模组之间，用以对该碳化纤维拖曳行程提供电浆气流；

一上浆模组，设于该碳化纤维拖曳行程且位于该电浆表面处理模组与该收料模组之间。

2.如权利要求1所述的碳化纤维制造设备，其特征在于，该高温碳化模组具有一腔体、一供气模组及一微波产生模组，该碳化纤维拖曳行程通过该腔体内，该供气模组用以供应惰性气体，该微波产生模组用以提供高频微波。

3.如权利要求2所述的碳化纤维制造设备，其特征在于，该电浆表面处理模组，至少设有一电浆产生机组。

4.如权利要求2所述的碳化纤维制造设备，其特征在于，该电浆表面处理模组，在相对于碳化纤维拖曳行程的上、下位置处，皆设有至少一电浆产生机组。

5.如权利要求2所述的碳化纤维制造设备，其特征在于，该腔体为一椭圆腔体。

6.如权利要求5所述的碳化纤维制造设备，其特征在于，且该腔体配有至少一对微波具高感应性的材料。

7.如权利要求2所述的碳化纤维制造设备，其特征在于，该腔体为一平板腔体。

8.如权利要求7所述的碳化纤维制造设备，其特征在于，该腔体配有至少一对微波具高感应性的材料。

9.如权利要求2所述的碳化纤维制造设备，其特征在于，该电浆产生机组供产生功率介于100～10000瓦的电浆气流。

10.如权利要求2所述的碳化纤维制造设备，其特征在于，该电浆产生机组可供产生功率介于100～10000瓦的大气电浆气流。

11.如权利要求2所述的碳化纤维制造设备，其特征在于，该电浆产生机组可供产生功率介于100～10000瓦的低压电浆气流。

12.如权利要求2所述的碳化纤维制造设备，其特征在于，该电浆产生机组供产生功率介于100～10000瓦的微波电浆气流。

13.如权利要求2所述的碳化纤维制造设备，其特征在于，该电浆产生机组供产生功率介于100～10000瓦的辉光电浆气流。

14.如权利要求1所述的碳化纤维制造设备，其特征在于，该上浆模组至少设有一储液槽。

15.如权利要求1所述的碳化纤维制造设备，其特征在于，包括一干燥模组，该干燥模组相对设于该上浆模组与该收料模组之间的该碳化纤维拖曳行程处。