專利名稱：聚炳烯腈纖維預(yù)氧化及碳化新工藝及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于對制取聚炳烯腈碳素纖維工藝及裝置的改進。
背景技術(shù)：
碳素纖維具有低密度、高強度、耐高溫、抗腐蝕、低電阻、高熱導(dǎo)、低膨脹系數(shù)、抗化學輻射等一系列的優(yōu)點，還具有纖維的柔性、可編制特性和相對廉價的特點，從而作為高性能復(fù)合材料的增強體而廣泛地被應(yīng)用于和樹脂、陶瓷、水泥、金屬復(fù)合成為航空、航天、軍事、體育、建筑、化工等領(lǐng)域的重要復(fù)合材料。現(xiàn)有大量使用的碳素纖維均是采用聚炳烯腈纖維為原料，將聚炳烯腈纖維經(jīng)傳動輥在牽伸力下進入加熱爐，在400℃以下的氣溫下將易熔融成分氧化熱解，使其線性高分子發(fā)生交聯(lián)、環(huán)化、氧化、脫氧等化學反應(yīng)，形成熱穩(wěn)定性較好的梯形高分子結(jié)構(gòu)，其含氧量為8-10％，稱之為預(yù)氧化纖維。以上的工藝過程稱為預(yù)氧化。預(yù)氧化纖維再經(jīng)牽伸輥在牽伸張力下送入加熱爐，在高純氮氣保護下(氧氣含量小于10毫升/立方米，小于10ppm)，控制溫度為1000℃-1500℃，加熱5-20分鐘使預(yù)氧化纖維完成碳化過程，該過程中纖維進一步產(chǎn)生交聯(lián)、環(huán)化、縮聚、芳構(gòu)等化學反應(yīng)，放出H2、NH3、HCN、CO、CO2、CH4和少量焦油物質(zhì)后使纖維中碳含量達90％以上，形成二維碳環(huán)平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和層片粗糙平行的亂層類石墨結(jié)構(gòu)，則稱之為聚炳烯腈碳素纖維，這個工序過程稱為碳化工序。在以上兩個工序中，雖然加熱反應(yīng)的過程基本上是相似的，但反應(yīng)條件相差較大，原絲纖維所含有的結(jié)構(gòu)中有大量的有機物在400℃以上會產(chǎn)生熔融使其不得不將整個工藝劃分成兩個獨立的工藝過程，而增加了設(shè)備投資和工藝成本。在傳統(tǒng)的加工工藝中，加熱是在電爐中進行的，其結(jié)構(gòu)和加熱過程決定了其爐溫的調(diào)節(jié)不能隨機快速反應(yīng)，熱效率低，設(shè)備造價高，工藝處理時間長，從而造成碳素纖維價格較高，而影響到它的應(yīng)用推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于采用新式結(jié)構(gòu)加熱爐以克服電爐熱效率低、調(diào)節(jié)速度慢的缺陷，實現(xiàn)爐腔溫度梯度的隨機調(diào)整和實現(xiàn)預(yù)氧化碳化工序的一次完成。
本發(fā)明的關(guān)鍵在于加工工藝中將原工藝中采用的電熱爐結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為采取以高頻交流電為能源的負壓等離子加熱裝置，并為工藝過程專門設(shè)計的高頻負壓等離子加熱裝置，與原工藝中的加熱爐相比，其加熱時的工況條件從常壓變?yōu)樨搲?，?jīng)實驗證明負壓環(huán)境為0.75-0.25個大氣壓。除此之外，由于高頻電場下氣體電離所造成反應(yīng)氣氛中不但有氧分子，而且有氧分子和氧離子，從而使得氧化反應(yīng)進行得更加迅速而徹底，并且可以大大降低其反應(yīng)溫度。在傳統(tǒng)工藝的預(yù)氧化過程中采用400℃以下空氣氣氛，實際上其反應(yīng)氣氛中的氮氧比為78∶21，而為了氧化的反應(yīng)迅速徹底，此階段的工藝控制中均需適當提高含氮量大概在8∶2-7∶3之間。在同樣氣氛下所控制的采用高頻負壓等離子加熱裝置可使預(yù)氧化工序中的加熱溫度降至200℃-380℃之間，而碳化工序中的溫度則可以控制在380℃-680℃之間完成。這樣的結(jié)果表明預(yù)氧化工序和碳化工序的工藝溫度有可能銜接起來，只要我們所設(shè)計的專用裝置能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)腔內(nèi)大跨度溫度梯度的分布，或者是說我們的碳化工序反應(yīng)條件可以在新的氣氛下和負壓環(huán)境下在400℃以下實現(xiàn)，或者是說我們通過特別設(shè)計的加熱反應(yīng)爐使這個工藝反應(yīng)溫度控制在合理的梯度分布范圍，則400℃熔融就不再是工序分布的障礙，而有可能實現(xiàn)從預(yù)氧化過程和碳化工程在一步操作中完成。實驗證明，本發(fā)明所采取的高頻負壓等離子專用加熱裝置，可以通過對反應(yīng)腔內(nèi)工作電壓和氣體成分的設(shè)定實現(xiàn)理想的工作環(huán)境使預(yù)氧化和碳化工序在同一個加熱裝置中一次完成。
下面即給出本發(fā)明新工藝專門設(shè)計的高頻負壓等離子加熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，并結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的目的是如何實現(xiàn)的。


附圖1為本工藝中專用的高頻負壓等離子加熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2為一步碳化加熱裝置裝置中的反應(yīng)器設(shè)計示意圖。
其中，1代表高頻電壓源，1A代表高頻電流分配器，1B代表高頻電壓調(diào)節(jié)器，2代表等離子激勵電極，3為石英玻璃制反應(yīng)腔，3A為進絲口，3B為出絲口，4為前密封裝置，4A為充氣口，5為后密封罩，5A為抽氣口，6為放絲輪，7為收絲輪，8代表由電腦控制的反應(yīng)氣氛混配裝置，8A代表質(zhì)量流量計，8B代表混合室，2A、2B、2C代表獨立可調(diào)距的平行板電極，3A、3B代表高純氮氣補充輸入口，9為真空泵，10代表纖維束。
具體實施例方式
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，實現(xiàn)對現(xiàn)有碳纖維加工工藝的改進而專門設(shè)計了以高頻電源1為能源的負壓等離子加熱裝置，該裝置中等離子反應(yīng)腔3為石英玻璃制成的扁平狀空腔體，兩端面設(shè)有進出絲口(3A、3B)，并配置有前后密封罩(4、5)。其作用是將差速收絲機構(gòu)中的主要結(jié)構(gòu)部件前放絲輪6和收絲輪7均處于密封狀態(tài)下，以形成反應(yīng)腔的負壓環(huán)境。在反應(yīng)腔3上下的平面外對應(yīng)設(shè)置的是與其大小和形狀均對應(yīng)的平行板式激勵電極2，接上高頻電源后在兩平行板之間的石英反應(yīng)腔內(nèi)就形成高頻交變的勻強電場。在高頻勻強電場激勵下產(chǎn)生負壓等離子體反應(yīng)環(huán)境。高頻電源通過電流分配器1A和電壓調(diào)節(jié)器1B將高頻電壓輸出接至平行板電極板上。由電腦控制的質(zhì)量流量計8A，按設(shè)計好的氮氣和氧氣比例控制二種高純氣體的流量輸送到氣體混合室8B，再通過管路接至前密封罩4的進氣口4A，并隨著纖維進入反應(yīng)腔3。真空泵9的抽氣管接通后密封罩5上的抽氣口5A以形成0.75-0.25個大氣壓的反應(yīng)腔負壓環(huán)境。此時如加上高頻電壓則在反應(yīng)腔內(nèi)就能產(chǎn)生氣體電離，使反應(yīng)氣體中富含氧原子和氧離子，使其氧化能力提高的同時，其預(yù)氧化(及碳化)反應(yīng)所需的溫度可大大隨之下降。調(diào)節(jié)兩平行板間的距離，及加在平行極板間的電壓值，或負壓三個條件均可有效而迅速地調(diào)節(jié)反應(yīng)腔內(nèi)所需的溫度，從而可以十分有效地實現(xiàn)預(yù)氧化或碳化的溫度要求，試驗證明在40.68兆工作頻率，200-500伏的極板工作電壓下可使預(yù)氧化和碳化工序所需的工藝溫度下降20-50％，并使處理時間大大縮短，而可以相應(yīng)加快收放纖維的線速度，從而提高了工作效率。
扁平狀的石英反應(yīng)腔體3兩端面的收放絲口(3A、3B)均為狹長的條縫狀，設(shè)置在端面的中間部位，以消除平行板電極邊緣場強分布不均勻形成的邊沿溫度誤差。狹縫狀的進出絲口(3A、3B)可允許4-12束聚炳烯腈原絲的以扁平絲束平行通過。處于前后密封罩(4、5)中的收放絲輪(6、7)與每束纖維相對應(yīng)設(shè)置，對應(yīng)分別設(shè)立。這就使前后密封罩(4、5)也呈長條箱體結(jié)構(gòu)并與進出的束數(shù)相對應(yīng)。每束絲扁平攤開通過反應(yīng)腔，均勻而快速地接觸氧離子、氧原子和氧分子，從而使反應(yīng)更快更均勻、更迅速而徹底，降低了能耗，提高了反應(yīng)速度，無論對預(yù)氧化或是碳化工序均有很大的進步意義。
對反應(yīng)裝置的進一步改進設(shè)計后，可以將石英制的扁平狀反應(yīng)腔適當加長反應(yīng)區(qū)，并將平行板電極2分為3-6段結(jié)構(gòu)(圖2中為三段2A、2B、2C)，每對平行板電極都可以獨立調(diào)節(jié)極板間距，每對平行電極板都對應(yīng)獨立的電壓調(diào)節(jié)器和電流分配器，這樣就可以分別調(diào)節(jié)各段電極板所對應(yīng)的反應(yīng)腔內(nèi)反應(yīng)區(qū)段的離子濃度和反應(yīng)溫度，從而形成了一個沿纖維牽伸方向均勻溫度梯度分布的反應(yīng)環(huán)境。以圖2所給出的為例，通過對2A、2B、2C三段電極板間距和工作電壓的調(diào)整可以使石英反應(yīng)腔3內(nèi)的工藝溫度形成300-380、380-420、420-580的溫度梯度的均勻分布，此時還可以進一步在石英板反應(yīng)腔的中、后段加設(shè)高純氮氣補充入口(3A、3B)，以調(diào)節(jié)碳化階段所需的反應(yīng)氣氛，從而實現(xiàn)預(yù)氧化和碳化在一個加熱裝置中一步實現(xiàn)。
根據(jù)以上構(gòu)思所設(shè)置的高頻負壓等離子加熱裝置，可以適應(yīng)聚炳烯腈纖維預(yù)氧化和碳化各道工序，可大大降低了能源消耗和反應(yīng)溫度，其工作效率高，碳化質(zhì)量高，加工成本低。特別是在等離子體環(huán)境下使工作溫度下降了20-50％，從而碳化工作溫度接近甚至低于聚炳烯腈纖維原絲中有機物質(zhì)的熔融溫度，使得預(yù)氧化、碳化兩道工序可以在一個加熱裝置中實現(xiàn)，將大大提高碳化纖維的質(zhì)量，并有效降低加工成本，將對碳纖維應(yīng)用范圍的擴大起到重大的推動作用。
權(quán)利要求
1.聚炳烯腈纖維預(yù)氧化及碳化新工藝，工藝過程包括將纖維在牽伸張力條件下經(jīng)收放絲機構(gòu)送入預(yù)氧化加熱爐，在小于400℃和氮氧混合比例為8∶2-7∶3氣氛下完成線性高分子交聯(lián)、環(huán)化、脫氧、脫氫化學反應(yīng)生成具有熱穩(wěn)定性的梯形高分子結(jié)構(gòu)纖維的預(yù)氧化工序和將預(yù)氧化纖維經(jīng)收放絲機構(gòu)牽伸下送入碳化加熱爐中充入含氧量小于5毫升/立方米的高純氮氣氣氛下在高于預(yù)氧化環(huán)境溫度下加熱處理使預(yù)氧化纖維進一步發(fā)生交聯(lián)、環(huán)化、縮聚、芳構(gòu)化學反應(yīng)使纖維中碳含量達到99％以上，從而形成二維碳環(huán)平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和層片平行的亂層類石墨結(jié)構(gòu)的碳化工序，其特征在于本工藝中所采用的加熱爐是以高頻交流電為能源的負壓等離子加熱裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的新工藝，其特征在于在預(yù)氧化工序過程環(huán)境氣氛中含有氧原子和氧離子，其工藝溫度可控制在200℃-380℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說的新工藝，其特征在于在碳化工序的環(huán)境氣氛中含有氧原子和氧離子，其工作溫度可控制在380℃-680℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所說的新工藝，其特征在于在該新工藝可將預(yù)氧化和碳化兩道工序置于一個高頻電源支持下的高頻負壓等離子加熱裝置中的一步完成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所說的新工藝，其特征在于一步完成碳化新工藝所用的等離子加熱裝置的反應(yīng)腔中的工藝溫度分三段，按牽引纖維方向分別設(shè)置為三段的溫度范圍為300℃-380℃、380℃-420℃、420℃-580℃，分別借助各段所對應(yīng)的電極板激勵電壓和配套平行板電極間距調(diào)整實現(xiàn)工作環(huán)境的三段溫度梯度分布，在石英反應(yīng)腔中、后段補充高純氮氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所說的新工藝，其特征在于所說負壓工藝條件為0.75-0.25個大氣壓。
7.聚炳烯腈纖維預(yù)氧化及碳化新工藝專用高頻負壓等離子加熱裝置，由高頻電源(1)，等離子激勵電極(2)、反應(yīng)腔(3)及與反應(yīng)腔對連通的氣體混配裝置(8)，其特征在于a由石英玻璃制成的反應(yīng)腔(3)為扁平狀空腔體，兩端面上設(shè)有進出絲口(3A、3B)，并配置有前后密封罩(4、5)，b激勵電極為與反應(yīng)器上下表面對應(yīng)的幾何形狀的平行板電極(2)，c高頻交流電源(1)的輸出端通過相匹配的電流分配器(1A)和電壓調(diào)節(jié)器(1B)接在平行板電極(2)上，d接上高純氮氣源和氧氣源的質(zhì)量流量計(8A)通過混配室(8B)將混合反應(yīng)氣氛氣體通至前密封裝置(4)的進氣口(4A)，e真空泵(9)接后密封罩(5)的出氣口(5A)，f該裝置中還包括設(shè)在前后密封罩(4、5)中的收放絲結(jié)構(gòu)(6、7)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所說的高頻負壓等離子加熱裝置，其特征在于進出絲口(3A、3B)均為狹長條縫狀，設(shè)置在中間部位，可容納3-12束聚炳烯腈原絲(10)平行通過，前后密封罩(4、5)中的收放絲結(jié)構(gòu)(6、7)與絲束分布對應(yīng)設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所的高頻負壓等離子加熱裝置，其特征在于平行電極板(2)可沿走絲方向分成3-6段(2A、2B、2C)，每段形成可獨立調(diào)節(jié)極板間距的平行電極板，每對電極板分別接至獨立的電壓調(diào)節(jié)器和電流分配器上，每段電極板之間的間距均連續(xù)可調(diào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所說的高頻負壓等離子加熱裝置，其特征在于高頻電源的頻率采取40.68兆，極板電壓的調(diào)節(jié)范圍為300-500伏。
全文摘要
本發(fā)明提供了聚炳烯腈纖維預(yù)氧化及碳化的新工藝及為該工藝而設(shè)計的高頻負壓等離子加熱裝置。該裝置包括由高頻電源、平行板電極和配套的扁平狀石英玻璃反應(yīng)腔及使反應(yīng)腔形成負壓和適當?shù)獨狻⒀鯕獗壤龤夥盏母綄傺b置組成，在負壓環(huán)境和高頻電場作用下反應(yīng)腔內(nèi)形成的等離子體使得預(yù)氧化和碳化的工藝溫度大大下降，使碳化的溫度接近甚至低于聚炳烯腈中某些有機物的熔融點，從而使預(yù)氧化和碳化兩道工序在一個加熱裝置中一次完成，大大減少了能耗，提高質(zhì)量和降低了成本，是對以聚炳烯腈為原料制取碳素纖維加工工藝的一個重大改進。
文檔編號D01F9/14GK1442519SQ0210397
公開日2003年9月17日 申請日期2002年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月5日
發(fā)明者陳新謀 申請人:陳新謀