一种高效碳纤维预碳化工艺及装备制造技术

本发明专利技术公开一种高效预碳化工艺及装备。根据热稳定化纤维预碳化的主要化学反应与工程特点，将预碳化反应分成两个阶段来完成，每个阶段有不同的温度场与张力场，来更好地提供预碳化热化学反应的条件。同时根据预碳化反应不同阶段的排放物浓度与排放量、排放物对纤维的污染和对马弗炉膛的腐蚀情况,设计不同的马弗炉膛和各自的排废系统，以实现高效预碳化的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种高效碳纤维预碳化工艺及装备
本专利技术属于碳纤维制备的工艺及装备领域，主要用于各类基体的碳纤维的预碳化(低温碳化)工艺。
技术介绍
碳纤维原丝是通过热稳定化(或预氧化)，预碳化(或低温碳化)，高温碳化制备成碳纤维的。通常碳纤维原丝先经过200-300摄氏度的热稳定化工艺处理，获得热稳定化纤维(或预氧丝)；然后经过300-1000摄氏度预碳化工艺处理，将热稳定化纤维转变成类石墨片层结构；再经过1000-1600摄氏度的高温碳化工艺处理，去除更多的其它氮、氢、氧元素，变成含碳量92％以上的碳纤维。除了热稳定化工艺，预碳化工艺是碳纤维制备的另一核心工艺，其重要性体现在：从预碳化结构转变方面，热稳定化后纤维的预碳化工艺是纤维中的芳环与不饱和双键组成的共轭结构向较大尺寸的类石墨片层结构转变的途径，预碳化工艺是否忠实执行了这个结构转变，这直接影响到碳纤维的力学性能。从预碳化的化学反应方面，包含的化学反应是非常复杂的，其中包括分子间的交联，更多的芳构，热裂解，类石墨片层的形成等反应。因为各碳纤维公司使用的热稳定化纤维结构的差异，所以对各类化学反应的温度条件定义也不一样。总之对于预碳化过程的各类具体的化学反应条件，学术界也没有非常清晰与明确的界定。从具体生产方面，世界上所有碳纤维原丝的预碳化工艺无一例外的都会产生大量废气和焦油，废气和焦油排放容易带来排废系统的不通畅，影响生产连续运行，还会导致生产中的纤维受到污染，直接影响纤维性能非正常下降。从碳纤维的制造成本方面，热稳定化纤维在预碳化工艺中会发生大量的裂解失重，氮、氢、氧等非碳元素以小分子废气或液态焦油的形式脱除。同时也带走了大量的碳原子，降低了碳化收率，增加了生产同样重量碳纤维所用到的原丝的数量和成本，直接导致碳纤维制备成本的上升。目前世界上各大碳纤维生产企业，在确定了热稳定化纤维在不同碳化温度下产生的废气和焦油含量以后，将预碳化(低温碳化)笼统地放到一个温度范围在300-1000摄氏度金属马弗炉膛的碳化炉中来完成。但是在预碳化工艺阶段会产生大量高浓度的废气和焦油，这些废气和焦油会在金属马弗炉膛沉积，在高温下严重腐蚀金属马弗炉膛，导致炉膛穿孔，使得空气进入，严重影响到碳纤维的性能与质量。同时金属马弗炉膛的寿命极大缩短，成为了易损件。此时只有对庞大的碳化炉大拆后，对金属马弗炉膛进行维修或更换，无论哪种方式都将付出巨大的经济代价。为此，碳纤维生产企业需要一个低成本运行的预碳化工艺，和更长寿命的、低成本维护的低温碳化炉金属马弗炉膛，去满足碳纤维高效率生产、低成本产出的需求。
技术实现思路
本专利技术是为了解决目前工业领域把预碳化工艺笼统地在300-1000摄氏度金属马弗炉膛的碳化炉中来完成而导致的大量弊端。提供一个更加符合预碳化不同内在化学反应及顺序的工艺与装备解决方案。提升预碳化效率，提升碳纤维的力学性能，碳化收率，生产的持续性，降低碳纤维制造成本，装备使用成本。本专利技术专利通过以下的技术方案来实现：一种高效预碳化工艺及装备，其特征为：根据热稳定化后纤维的预碳化反应原理，将预碳化热化学反应分成两个阶段，每个阶段有不同的温度场和张力场，每个阶段在各自的马弗炉膛内产生的废气和焦油，由各自的排废系统排出。将预碳化热化学反应分成两个阶段，第一个阶段反应温度场为300-500摄氏度；第二个阶段反应温度场为500-1000摄氏度。第一个反应阶段前、第二个反应阶段后、第一个反应阶段和第二个反应阶段之间均安装有产生张力场的驱动装备。第一个反应阶段采用金属马弗炉膛，第二个反应阶段采用石墨、碳化硅、陶瓷材质的非金属马弗炉膛。第一个反应阶段的马弗炉膛与第二个阶段的马弗炉膛有两种排列方式，一是平铺的排列方式；二是上下堆叠的排列方式。其中上下堆叠的排列方式有两种，一是两个马弗炉膛先各自安装在各自的金属外壳内，然后整体再上下堆叠；二是两个马弗炉膛先上下堆叠后，安装在共用的金属外壳内。第一个反应阶段产生的高浓度废气和焦油，通过大排量的排废系统排出；第二个阶段产生的低浓度废气和焦油，通过小排量的排废系统排出。第一个反应阶段的排废系统和第二个反应阶段的排废系统有两种连接方式，一是两个阶段各自的排废系统，分别进入空气净化装备；二是两个阶段各自的排废系统合并后，一起进入空气净化装备。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术巧妙地利用了经过热稳定化后纤维的预碳化反应原理，将不同预碳化工艺温度下产生的废气和焦油按照效率最高的最短路径排放。既降低了由于废气和焦油污染导致纤维品质下降的风险，又降低了废气和焦油在金属马弗炉膛沉积的危害。提升纤维品质的同时，又减少了设备维护或维修方面的投入，非常适合碳纤维低成本生产。附图说明图1是一种高效碳纤维预碳化工艺及装备平铺排列方式的原理；图2A是一种高效碳纤维预碳化工艺及装备上下堆叠，两个马弗炉膛先各自安装在各自的金属外壳内，然后整体再上下堆叠的排列方式的原理；图2B是一种高效碳纤维预碳化工艺及装备上下堆叠，两个马弗炉膛先上下堆叠后，安装在同一个金属外壳内的排列方式的原理图中，1.驱动装备；2.第一个反应阶段的马弗炉金属外壳；2a.第一个反应阶段的马弗炉膛；3.第二个反应阶段的马弗炉金属外壳；3a.第二个反应阶段的马弗炉膛；4.纤维；5.共用的金属外壳。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进一步说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例本专利技术一种高效碳纤维预碳化工艺及装备。如图1、图2A和图2B所示，由于将预碳化热化学反应分成两个阶段，其中纤维(4)依次经过的装备顺序是：驱动装备(1)，第一个反应阶段的马弗炉膛(2a)，驱动装备(1)，第二个反应阶段的马弗炉膛(3a)，驱动装备(1)。驱动装备(1)为预碳化化学反应的两个阶段提供张力场，第一个反应阶段的马弗炉膛(2a)为预碳化第一个反应阶段提供300-500摄氏度的温度场，第二个反应阶段的马弗炉膛(3a)为预碳化第二个反应阶段提供500-1000摄氏度的温度场。第一个反应阶段的马弗炉膛(2a)内产生高浓度的焦油和废气，通过大排量的排废系统排出；第二个反应阶段的马弗炉膛(3a)内产生的低浓度的废气和焦油，通过小排量的排废系统排出。第一个反应阶段的马弗炉膛(2a)采用金属，第二个反应阶段的马弗炉膛(3a)采用石墨、碳化硅、陶瓷材质。如图1、图2A所示，第一个反应阶段的马弗炉膛(2a)安装在第一个反应阶段的马弗炉金属外壳(2)内。第二个反应阶段的马弗炉膛(3a)安装在第二个反应阶段的马弗炉金属外壳(3)内。然后将第一个反应阶段的马弗炉金属外壳(2)、和第二个反应阶段的马弗炉金属外壳(3)上下堆叠。如图2B所示，第一个反应阶段的马弗炉膛(2a)和第二个反应阶段的马弗炉膛(3a)上下堆叠后安装在共用的金属外壳(5)内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效预碳化工艺及装备，其特征为：根据热稳定化后纤维的预碳化反应原理，将预碳化热化学反应分成两个阶段，每个阶段有不同的温度场和张力场，每个阶段在各自的马弗炉膛内产生的废气和焦油，由各自的排废系统排出。

【技术特征摘要】
1.一种高效预碳化工艺及装备，其特征为：根据热稳定化后纤维的预碳化反应原理，将预碳化热化学反应分成两个阶段，每个阶段有不同的温度场和张力场，每个阶段在各自的马弗炉膛内产生的废气和焦油，由各自的排废系统排出。2.根据权利要求1所述的一种高效预碳化工艺及装备，其特征为：将预碳化热化学反应分成两个阶段，第一个阶段反应温度场为300-500摄氏度；第二个阶段反应温度场为500-1000摄氏度。3.根据权利要求1所述的一种高效预碳化工艺及装备，其特征为：第一个反应阶段前、第二个反应阶段后、第一个反应阶段和第二个反应阶段之间均安装有产生张力场的驱动装备。4.根据权利要求1所述的一种高效预碳化工艺及装备，其特征为：第一个反应阶段采用金属马弗炉膛，第二个反应阶段采用石墨、碳化硅、陶瓷材质的非金属马弗炉膛。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：林刚，张永福，乔荫春，冯军，
申请(专利权)人：广州赛奥碳纤维技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44