聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)工藝的制作方法
【專利說明】
[00011本申請是申請?zhí)枮?012104532978,發(fā)明名稱為一種聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)設(shè)備， 申請日為2012年11月13日的發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002]
技術(shù)領(lǐng)域： 本發(fā)明涉及一種碳纖維，尤其涉及一種聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)工藝。
[0003]
【背景技術(shù)】： 碳纖維是具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電和導(dǎo)熱等優(yōu)異性能的化工新材料， 在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃，具有碳材料強(qiáng)抗拉力和纖維柔軟可加工 性，密度不到鋼的1/4,抗拉強(qiáng)度卻是鋼的7~9倍，抗拉彈性也高于鋼。碳纖維復(fù)合材料廣 泛應(yīng)用在航空航天業(yè)的火箭、導(dǎo)彈和高速飛行器，化工機(jī)械，交通工具，體育器械，紡織和醫(yī) 學(xué)領(lǐng)域。
[0004] 根據(jù)力學(xué)性能，碳纖維分為通用型(C P)碳纖維和高性能型(Η P)碳纖維;根據(jù)制 造原材料，碳纖維分為聚丙烯腈基碳纖維(PAN-CF)、瀝青基碳纖維和粘膠基(纖維基)碳纖 維。其中，PAN-CF生產(chǎn)工藝技術(shù)相對簡單和成熟，產(chǎn)品綜合性能較好，生產(chǎn)成本較低，是碳纖 維工業(yè)化生產(chǎn)的主流產(chǎn)品，其產(chǎn)量占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中聚丙烯腈基碳纖維的生長工藝是聚丙烯腈基原絲在空氣中200-300°C 經(jīng)過預(yù)氧化、然后在惰性氣體中炭化/石墨化、表面處理得到碳纖維。碳纖維的生產(chǎn)工藝復(fù) 雜，設(shè)備繁多，每一工序都影響到碳纖維的性能。原絲預(yù)氧化起到承前啟后的作用、表面上 漿處理也直接影響這纖維性能。我國自20世紀(jì)60年代開始研制碳纖維，但與國外碳纖維技 術(shù)的發(fā)展存在較大差距，究其原因除聚合原料不過關(guān)外，設(shè)備以及制造工藝均于先進(jìn)技術(shù) 存在差異。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】
： 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種聚丙烯腈基碳纖維生 產(chǎn)設(shè)備和工藝。
[0007] 本發(fā)明提供的一種聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)設(shè)備，包括絲束架、浸漬槽、預(yù)氧化爐、 碳化爐、表面處理爐。
[0008] 將聚丙烯腈基原絲絲束放置在絲束架上，將多個(gè)絲束盤上的原絲束結(jié)成大束狀通 過盛有化學(xué)浴的浸漬槽，絲束隨后進(jìn)入處理室，再由處理室進(jìn)入預(yù)氧化爐、碳化爐、以及經(jīng) 過兩導(dǎo)電輥導(dǎo)入表面處理爐，最后再由兩導(dǎo)電輥導(dǎo)出、卷繞裝置卷繞。
[0009] 所述導(dǎo)電輥與外部供電的電流發(fā)生器連接、通過與碳纖維的接觸向碳纖維輸出脈 沖電流或恒定電流;所述處理室位于預(yù)氧化爐下方，通過薄板將預(yù)氧化爐中的溫度傳導(dǎo)入 處理室;所述預(yù)氧化爐外層均勻分布電加熱管，連接有能夠?qū)囟入A梯式上升的溫控裝置， 所述表面處理爐，爐體內(nèi)橫向布置有紫外線反射板、均勻分布的紫外線燈管、臭氧導(dǎo)入管， 爐體外均勻分布電加熱管、并且包裹有保溫層;臭氧發(fā)生裝置包括用于脫除含氧氣的氣體 中的水分的干燥塔、流量計(jì)以及臭氧發(fā)生器，臭氧發(fā)生器由帶有密閉氣體容器、設(shè)置在密閉 氣體容器中的紫外線燈管以及起輝器、電源、限流器組成。
[0010] 優(yōu)選地，所述化學(xué)浴為1.5-5.Owt%的硫酸銨溶液。
[0011] 優(yōu)選地，所述預(yù)氧化爐中溫度以50-70°C/min的速度升溫到150-200°c，然后再以 15-20°C/min的速度升溫到300-350°C，纖維處理時(shí)間為7-8min。
[0012] 優(yōu)選地，所述多個(gè)絲束盤為4-6個(gè)。
[0013]優(yōu)選地，所述預(yù)氧化爐和處理室內(nèi)纖維與空氣接觸。
[0014] 優(yōu)選地，所述碳化爐內(nèi)溫度為1200-2000 °C，為惰性氣體氣氛;更優(yōu)選惰性氣體為 氮?dú)?、氦氣?br>[0015] 優(yōu)選地，所述預(yù)氧化爐和碳化爐內(nèi)纖維輸送導(dǎo)輥分別采用橫向交錯(cuò)和縱向交錯(cuò)形 式，以便使纖維獲得不同的受力方式，提高纖維的性能。
[0016] 通過將處理室與預(yù)氧化室相連，將預(yù)氧化室的溫度傳導(dǎo)到處理室中，使纖維在預(yù) 氧化前先低溫預(yù)熱，提高纖維的強(qiáng)度和模量性能。
[0017] -種使用上述設(shè)備的聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)工藝，其特征在于:將聚丙烯腈基原 絲絲束放置在絲束架上，將多個(gè)絲束盤上的原絲束結(jié)成大束狀通過盛有1.5-5. Owt %的硫 酸銨溶液的化學(xué)浴的浸漬槽，絲束隨后進(jìn)入處理室，再由處理室進(jìn)入預(yù)氧化爐、碳化爐、以 及經(jīng)過兩導(dǎo)電輥導(dǎo)入表面處理爐，最后再由兩導(dǎo)電輥導(dǎo)出、卷繞裝置卷繞;所述溫度以50-70°C/min的速度升溫到150-200°C，然后再以15-20°C/min的速度升溫到300-350°C，纖維處 理時(shí)間為7_8min，表面處理爐處理溫度為75-120°C，時(shí)間150-300S。
[0018] 優(yōu)選地，所述多個(gè)絲束盤為4-6個(gè)。
[0019] 優(yōu)選地，所述預(yù)氧化爐內(nèi)采用4-7根導(dǎo)輥牽伸。
[0020] 優(yōu)選地，所述碳化爐內(nèi)溫度為1200-2000 °C，為惰性氣體氣氛;更優(yōu)選惰性氣體為 氮?dú)狻⒑狻?br>[0021] 優(yōu)選地，所述預(yù)氧化爐和處理室內(nèi)纖維與空氣接觸。
[0022] 此外，本發(fā)明的工藝方法還將獲得一種性能良好的聚丙烯腈基碳纖維。
[0023] 本發(fā)明提供的一種聚丙烯腈基碳纖維的有益效果在于:有效提高纖維性能、操作 簡便。
[0024]
【附圖說明】： 圖1為本發(fā)明聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)設(shè)備的主視圖。
[0025] 圖2為表面處理爐的示意圖。
[0026]圖3為實(shí)施例2的表面處理爐截面示意圖。
[0027]其中附圖標(biāo)記1 一絲束架;2-浸漬槽;3-處理室;4 一預(yù)氧化爐；5-碳化爐;6-導(dǎo) 電輥;7 -表面處理爐;8-保溫層;9-電加熱管；10-紫外線反射板;11-紫外線燈管。
[0028]
【具體實(shí)施方式】： 現(xiàn)結(jié)合附圖將本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0029] 實(shí)施例1 如圖1示出了本發(fā)明所提供的一種聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)設(shè)備，包括絲束架、浸漬槽、 預(yù)氧化爐、碳化爐、表面處理爐，其特征在于:將聚丙烯腈基原絲絲束放置在絲束架上，將多 個(gè)絲束盤上的原絲束結(jié)成大束狀通過盛有化學(xué)浴的浸漬槽，絲束隨后進(jìn)入處理室，再由處 理室進(jìn)入預(yù)氧化爐、碳化爐、以及經(jīng)過兩導(dǎo)電輥導(dǎo)入表面處理爐，最后再由兩導(dǎo)電輥導(dǎo)出、 卷繞裝置卷繞，表面處理爐與臭氧發(fā)生裝置;所述導(dǎo)電輥與外部供電的電流發(fā)生器連接、通 過與碳纖維的接觸向碳纖維輸出脈沖電流或恒定電流;所述處理室位于預(yù)氧化爐下方，通 過薄板將預(yù)氧化爐中的溫度傳導(dǎo)入處理室;所述預(yù)氧化爐外層均勻分布電加熱管，連接有 能夠?qū)囟入A梯式上升的溫控裝置，所述表面處理爐，爐體內(nèi)橫向布置有紫外線反射板、紫 外線燈管、臭氧導(dǎo)入管，爐體外均勻分布電加熱管、并且包裹有保溫層。
[0030]所述化學(xué)浴為1.5-5. Owt %的硫酸銨溶液。
[0031] 所述預(yù)氧化爐中溫度以50-70 °C/min的速度升溫到150-200 °C，然后再以15-20 °C/ min的速度升溫到300-350°C，纖維處理時(shí)間為7-8min。降溫循環(huán)進(jìn)行此步驟。
[0032] 所述多個(gè)絲束盤為4-6個(gè)。
[0033]所述預(yù)氧化爐和處理室內(nèi)纖維與空氣接觸。
[0034]所述碳化爐內(nèi)溫度為1200-2000°C，為惰性氣體氣氛，惰性氣體為氮?dú)狻⒑狻?br>[0035] 實(shí)施例2 表面處理爐是采用圓柱體形式，爐體內(nèi)橫向布置有上下對稱的紫外線反射板，上下各 均勻分布4-6根紫外線燈管、爐體中部左右兩側(cè)各分布一根臭氧導(dǎo)入管，爐體外均勻分布電 加熱管、并且包裹有保溫層。
[0036] 實(shí)施例3 一種使用上述設(shè)備的聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)工藝，其特征在于:將聚丙烯腈基原絲絲 束放置在絲束架上，將多個(gè)絲束盤上的原絲束結(jié)成大束狀通過盛有1.5-5. Owt %的硫酸銨 溶液的化學(xué)浴的浸漬槽，絲束隨后進(jìn)入處理室，再由處理室進(jìn)入預(yù)氧化爐、碳化爐、以及經(jīng) 過兩導(dǎo)電輥導(dǎo)入表面處理爐，最后再由兩導(dǎo)電輥導(dǎo)出、卷繞裝置卷繞;所述預(yù)氧化爐中溫度 以50-70°C/min的速度升溫到150-200°C，然后再以15-20°C/min的速度升溫到300-350°C， 纖維處理時(shí)間為7-8min，表面處理爐處理溫度為75-120°C，時(shí)間150-300s。
[0037] 所述多個(gè)絲束盤為4-6個(gè)。
[0038] 所述預(yù)氧化爐內(nèi)采用4-7根導(dǎo)輥牽伸。
[0039] 所述碳化爐內(nèi)溫度為1200-2000°C，為惰性氣體氣氛;更優(yōu)選惰性氣體為氮?dú)狻⒑?氣。
[0040] 所述預(yù)氧化爐和處理室內(nèi)纖維與空氣接觸。
[0041] 表1中列舉采用本發(fā)明設(shè)備以及工藝獲得的碳纖維性能 表1
當(dāng)然，以上所述僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，故凡依本發(fā)明專利申請范圍所述的構(gòu)造、特 征及原理所做的等效變化或修飾，均包括于本發(fā)明專利申請范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)工藝，其特征在于:將聚丙烯腈基原絲絲束放置在絲束 架上，將多個(gè)絲束盤上的原絲束結(jié)成大束狀通過盛有1.5-5. Owt %的硫酸銨溶液的化學(xué)浴 的浸漬槽，絲束隨后進(jìn)入處理室，再由處理室進(jìn)入預(yù)氧化爐、碳化爐、以及經(jīng)過兩導(dǎo)電輥導(dǎo) 入表面處理爐，最后再由兩導(dǎo)電輥導(dǎo)出、卷繞裝置卷繞;所述預(yù)氧化爐中溫度以50-70°C/ min的速度升溫到150-200°C，然后再以15-20°C/min的速度升溫到300-350°C，纖維處理時(shí) 間為7-8min，表面處理爐處理溫度為75-120°C，時(shí)間150-300S。2. 如權(quán)利要求1所述生產(chǎn)工藝，其特征在于:所述多個(gè)絲束盤為4-6個(gè)。3. 如權(quán)利要求1所述生產(chǎn)工藝，其特征在于:所述預(yù)氧化爐內(nèi)采用4-7根導(dǎo)輥牽伸。4. 如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述生產(chǎn)工藝，其特征在于:所述碳化爐內(nèi)溫度為1200-2000 °C，為惰性氣體氣氛，所述預(yù)氧化爐和處理室內(nèi)纖維與空氣接觸。
【專利摘要】一種聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)工藝，其特征在于：將聚丙烯腈基原絲絲束放置在絲束架上，將多個(gè)絲束盤上的原絲束結(jié)成大束狀通過盛有1.5-5.0wt％的硫酸銨溶液的化學(xué)浴的浸漬槽，絲束隨后進(jìn)入處理室，再由處理室進(jìn)入預(yù)氧化爐、碳化爐、以及經(jīng)過兩導(dǎo)電輥導(dǎo)入表面處理爐，最后再由兩導(dǎo)電輥導(dǎo)出、卷繞裝置卷繞；所述預(yù)氧化爐中溫度以50-70℃/min的速度升溫到150-200℃，然后再以15-20℃/min的速度升溫到300-350℃，纖維處理時(shí)間為7-8min，表面處理爐處理溫度為75-120℃，時(shí)間150-300s。
【IPC分類】D01F9/22
【公開號(hào)】CN105671691
【申請?zhí)枴緾N201610043562
【發(fā)明人】曹璐
【申請人】耿云花
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2012年11月13日