專(zhuān)利名稱(chēng)：用于連續(xù)制造碳纖維的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于連續(xù)制造碳纖維的方法，其中借助于高頻電磁波
使穩(wěn)定的原纖/原絲(Precursorfasern )碳化和石墨化。
背景技術(shù)：
穩(wěn)定的原纖是通過(guò)已知工藝技術(shù)已^:轉(zhuǎn)變成不溶性纖維的纖維。只有 這種類(lèi)型的不溶性纖維才適用于對(duì)于制造碳纖維所必需的后續(xù)碳化步驟。
從US4197282中已知借助于微波用瀝青制造碳纖維的這種類(lèi)型的方 法。但是，根據(jù)該方法，微波處理只能在預(yù)先熱處理之后進(jìn)行。根據(jù)US 4197282,該熱處理將原纖轉(zhuǎn)變至可被微波的高頻激活的程度(在瀝青纖維 的情況下，這種轉(zhuǎn)變包括轉(zhuǎn)變成中間相)。該專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)沒(méi)有說(shuō)明微波在 穩(wěn)定的原纖上的作用機(jī)制。
由穩(wěn)定原纖組成的纖維、紗線(xiàn)和纖維束是不良導(dǎo)電體以及例如微波的 高頻電磁波的較好吸收體。用高頻電磁波照射引發(fā)朝完全碳化的轉(zhuǎn)變并增 加石墨化，這使得處理后的纖維的導(dǎo)電性顯著提高。
當(dāng)石墨化完成后，纖維的性能如同波導(dǎo)管中的電線(xiàn)，并且導(dǎo)致波導(dǎo)管 或者諧振器設(shè)備中電場(chǎng)較大的畸變/失真和干擾。如果不加以控制，則會(huì)導(dǎo) 致影響石墨化均勻度和工藝穩(wěn)定性的非均勻性和干擾，則或者會(huì)在極端的 情況下引發(fā)放電或電弧，或者會(huì)導(dǎo)致纖維熱蒸發(fā)。
用孩i波能量進(jìn)行均勻的和連續(xù)的纖維處理的工藝控制以前需要復(fù)雜的 測(cè)量設(shè)備和控制4支術(shù)。這可能是該方法到目前為止還沒(méi)有以工業(yè)規(guī)才莫使用 的原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于連續(xù)制造碳纖維的簡(jiǎn)單方法，其中借助 于高頻電磁波使穩(wěn)定的原纖碳化和石墨化，該方法本身經(jīng)濟(jì)并且能以有關(guān) 于工藝控制的可接受的代價(jià)來(lái)實(shí)施。
上述目的通過(guò)一種上述類(lèi)型的方法實(shí)現(xiàn)，其中穩(wěn)定的原纖作為同軸導(dǎo) 體一一該同軸導(dǎo)體包括外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體一一的內(nèi)導(dǎo)體被連續(xù)地引導(dǎo)通過(guò)該 同軸導(dǎo)體和處理區(qū)；在該處理區(qū)中用高頻電磁波照射該穩(wěn)定的原纖，高頻
電磁波由原纖吸收，由此導(dǎo)致原纖被加熱并被轉(zhuǎn)變成碳纖維；并且使所述
穩(wěn)定的原纖或碳纖維在保護(hù)氣體氛圍中被引導(dǎo)通過(guò)所述同軸導(dǎo)體和所述處理區(qū)。
高頻電磁波優(yōu)選為微波。
在實(shí)施本發(fā)明的方法時(shí)，驚奇地觀察到在高頻電磁波的能量或者微波
的能量被輸出耦合(auskoppeln)的輸出耦合區(qū)域中，形成有長(zhǎng)度通常為 幾厘米的短的反應(yīng)區(qū)域，轉(zhuǎn)變成碳纖維的反應(yīng)至少主要在該反應(yīng)區(qū)域中發(fā) 生。
從例如DE102004021016A1中已知微波能量從矩形波導(dǎo)管中的輸出耦 合，其中，外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體都是同軸導(dǎo)體的固定組成部件。由于微波能量 可借助于同軸導(dǎo)體高能量密度地傳遞，所以這種類(lèi)型的耦合裝置用于將微 波能量傳遞到熱處理區(qū)。在此，從波導(dǎo)管供應(yīng)的微波能量通過(guò)合適的裝 置一一例如耦合錐形體一一被輸出耦合到同軸導(dǎo)體中，
通過(guò)例如在同軸導(dǎo)體的外導(dǎo)體內(nèi)和在處理區(qū)內(nèi)設(shè)置能讓高頻電磁波或 者孩i波的能量透過(guò)的管子，并且將作為內(nèi)導(dǎo)體的穩(wěn)定原纖以及保護(hù)氣體引 導(dǎo)穿過(guò)該管子，可以容易地在輸出耦合區(qū)域內(nèi)和同軸導(dǎo)體內(nèi)的穩(wěn)定原纖周 圍保持保護(hù)氣體氛圍。
驚奇地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用這種類(lèi)型的耦合裝置時(shí)一一即同軸導(dǎo)體的內(nèi)導(dǎo)體 由運(yùn)動(dòng)穿過(guò)該同軸導(dǎo)體的待碳化的穩(wěn)定原纖所代替，這些穩(wěn)定原纖可以容 易地轉(zhuǎn)變成碳纖維。由于穩(wěn)定原纖的導(dǎo)電性很低，所以微波能量使得穩(wěn)定 原纖通過(guò)吸收作用而在輸出耦合區(qū)域中被加熱。隨著熱量的增加，穩(wěn)定原纖被轉(zhuǎn)變成這樣的材料其首先更好地吸收、并由此更好地被加熱、從而 還由于此增加的熱量碳化和石墨化，從而由穩(wěn)定的原纖獲得碳纖維。由于 這種轉(zhuǎn)變，所形成的碳纖維的導(dǎo)電性逐漸增加，由此使得微波能量越來(lái)越 多地輸出耦合至同軸接合部并防止碳纖維的進(jìn)一步處理。被輸出耦合的微 波能量在同軸導(dǎo)體中引發(fā)對(duì)穩(wěn)定原纖的處理，從而在穩(wěn)定原纖導(dǎo)引通過(guò)同 軸導(dǎo)體時(shí)形成一種自調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
本發(fā)明方法的突出特征在于，穩(wěn)定原纖以這樣的速度被引導(dǎo)通過(guò)同軸 導(dǎo)體，即在離開(kāi)同軸導(dǎo)體時(shí)穩(wěn)定原纖已經(jīng)碳化或者石墨化并因此是碳纖維。
使用預(yù)碳化的原纖來(lái)執(zhí)行本發(fā)明的方法也是有利的。雖然實(shí)踐中任何 已知的穩(wěn)定原纖都可以用于本發(fā)明的方法，但是由聚丙烯腈制成的穩(wěn)定原 纖最適于本目的。此外，用氮?dú)鈦?lái)形成穩(wěn)定原纖在同軸導(dǎo)體中被引導(dǎo)穿過(guò) 的保護(hù)氣體氛圍也被證實(shí)是有利的。
通過(guò)測(cè)量所形成的碳纖維的電阻來(lái)控制穩(wěn)定原纖被引導(dǎo)通過(guò)同軸導(dǎo)體 的速度是特別有利的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從電阻值可以得出關(guān)于碳纖維質(zhì)量的結(jié) 論。在執(zhí)行本發(fā)明方法的過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)預(yù)碳化的原纖的電阻落 在30兆歐的范圍內(nèi)，而在強(qiáng)度、延伸率和模量方面具有良好特性的碳纖維 的電阻的量級(jí)為幾歐姆，例如落在10-50歐姆的范圍內(nèi)。在此通過(guò)在纖維 上相隔50cm距離設(shè)置的兩個(gè)銅電極來(lái)測(cè)量電阻。
在保護(hù)氣體氛圍中添加少量的氧氣是特別有利的。這使得通常在碳化 或石墨化完成之后進(jìn)行的氧化處理步驟可以在本發(fā)明的方法中直接在碳化 過(guò)程中進(jìn)行?？梢酝ㄟ^(guò)例如在原纖被引入同軸導(dǎo)體之前不去除存奉于原纖 之間的空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)氧的添加。但是，以特定的、 一致的量將氧定量供給到 保護(hù)氣體氛圍中也無(wú)疑是可行的。
如果穩(wěn)定原纖被引導(dǎo)通過(guò)兩個(gè)或多個(gè)接續(xù)設(shè)置的、每個(gè)都包括同軸導(dǎo) 體和處理區(qū)的反應(yīng)器，則本發(fā)明的方法能夠特別有利地實(shí)施。
下面將詳細(xì)說(shuō)明適于執(zhí)行本發(fā)明的方法的裝置。


圖1是通過(guò)耦合錐形體進(jìn)行微波能量的輸出耦合的裝置的示意性圖
示；
圖2是使用空腔諧振器以輸出耦合^t波能量的裝置的示意性圖示； 圖3是使用同軸的微波供給以輸出耦合微波的裝置的示意性圖示。
具體實(shí)施例方式
為了實(shí)施本發(fā)明的方法，穩(wěn)定的原纖1作為內(nèi)導(dǎo)體2被引導(dǎo)穿過(guò)具有 外導(dǎo)體3的同軸導(dǎo)體。在內(nèi)導(dǎo)體2的周?chē)约巴鈱?dǎo)體3和諧振器9的內(nèi)部 設(shè)置能讓高頻電磁波或者微波透過(guò)的管子4，在該管子中充入用于形成保 護(hù)氣體氛圍的保護(hù)氣體。被供給到波導(dǎo)管5中的微波能量通過(guò)耦合錐形體 6 (圖1)或者通過(guò)空腔諧振器9 (圖2 )傳遞到位于所形成的處理區(qū)10中 的包括內(nèi)導(dǎo)體2和外導(dǎo)體3的同軸導(dǎo)體中，并且由于往碳纖維的轉(zhuǎn)變而被 輸出耦合到同軸導(dǎo)體2、 3中。在圖3中，微波供給通過(guò)同軸導(dǎo)體進(jìn)行，該 同軸導(dǎo)體的內(nèi)導(dǎo)體11設(shè)計(jì)成T形并且是導(dǎo)電的，由此所述微波被轉(zhuǎn)向到 達(dá)處理區(qū)10。這種內(nèi)導(dǎo)體11可以例如設(shè)計(jì)成管形。當(dāng)穩(wěn)定的原纖在接合 處12離開(kāi)內(nèi)導(dǎo)體ll時(shí)，穩(wěn)定的原纖承擔(dān)起同軸導(dǎo)體的內(nèi)導(dǎo)體2的功能， 該同軸導(dǎo)體的外導(dǎo)體的附圖標(biāo)記是3 。
在離開(kāi)處理區(qū)10時(shí)，穩(wěn)定的原纖l已經(jīng)轉(zhuǎn)變成碳纖維7。通過(guò)同軸的 終端裝置8在同軸導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)駐波形式的微波能量場(chǎng)分布。適于實(shí)施本發(fā) 明方法的其它實(shí)施形式例如在DE2616217、 EP0508867和WO00/075955 中說(shuō)明。
下面結(jié)合下述示例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
使用已經(jīng)預(yù)碳化的由聚丙烯腈制造的穩(wěn)定的原纖作為穩(wěn)定原纖，該穩(wěn) 定原纖被捆扎成含有12000根單絲的束。
使用Muegge電子有限公司(Muegge Electronics GmbH)制造的類(lèi)似 于圖2的具有鋁壁的筒式諧振器來(lái)輸入耦合(Einkoppehmg)微波能量。 該諧振器的直徑為100mm,并且設(shè)計(jì)成將R26型矩形波導(dǎo)管連接至微波 輸出功率為3kW的微^X生器。所產(chǎn)生的微波能量被輸出耦合到外殼內(nèi)徑為100mm的同軸導(dǎo)體中。
預(yù)碳化的穩(wěn)定原纖在使用氮?dú)獾谋Ｗo(hù)氣體氛圍下被引導(dǎo)通過(guò)上述設(shè) 備，其中以不同的速度將所獲得的碳纖維從所述設(shè)備中抽出。使用的微波 能量i殳為2kW。所獲得的> 友纖維具有以下特性
抽取速度 拉伸強(qiáng)度 模量 延伸斷裂率
(m/h)(Mpa) (Gpa) (%)
503200 220 1.4
150 3100 218 1.4
240 3500 217 1.5
4202700 180 1.權(quán)利要求
1. 一種用于連續(xù)制造碳纖維的方法，其中借助于高頻電磁波使穩(wěn)定的原纖碳化和石墨化，其特征在于，所述穩(wěn)定的原纖作為包括內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的同軸導(dǎo)體的內(nèi)導(dǎo)體連續(xù)地引導(dǎo)通過(guò)所述同軸導(dǎo)體和處理區(qū)；在所述處理區(qū)中用高頻電磁波照射所述穩(wěn)定原纖，所述原纖吸收高頻電磁波從而被加熱并轉(zhuǎn)變成碳纖維；而且所述穩(wěn)定的原纖或碳纖維在保護(hù)氣體氛圍下被引導(dǎo)通過(guò)所述同軸導(dǎo)體和所述處理區(qū)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，使用微波作為高頻電 磁波。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述穩(wěn)定原纖以 這樣的速度被引導(dǎo)穿過(guò)所述同軸導(dǎo)體，即所述穩(wěn)定原纖在離開(kāi)同軸導(dǎo)體時(shí) 已經(jīng)碳化或者石墨化并因此是碳纖維。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l-3中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使用 預(yù)碳化的原纖。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l-4中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述 穩(wěn)定的原纖由聚丙烯腈制成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l-5中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的方法，其特征在于，用于 形成所述穩(wěn)定的原纖被引導(dǎo)通過(guò)的保護(hù)氣體氛圍的氣體是氮?dú)狻?br> 7. 根據(jù)權(quán)利要求l-6中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)測(cè)量所形成的碳纖維的電阻來(lái)控制所述穩(wěn)定的原纖被引導(dǎo)穿過(guò)同軸導(dǎo)體的速度o
8. 根據(jù)權(quán)利要求l-7中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所 迷保護(hù)氣體氛圍中加入少量的氧氣。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l-8中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述 穩(wěn)定的原纖被引導(dǎo)通過(guò)兩個(gè)或多個(gè)接續(xù)設(shè)置的、每個(gè)都包括同軸導(dǎo)體和處 理區(qū)的反應(yīng)器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于連續(xù)制造碳纖維的方法，其中借助于高頻電磁波使穩(wěn)定的原纖碳化和石墨化，其特征在于，所述穩(wěn)定的原纖作為包括內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的同軸導(dǎo)體的內(nèi)導(dǎo)體連續(xù)地引導(dǎo)通過(guò)所述同軸導(dǎo)體和處理區(qū)；在所述處理區(qū)中用高頻電磁波照射所述穩(wěn)定原纖，所述原纖吸收高頻電磁波從而被加熱并轉(zhuǎn)變成碳纖維；而且所述穩(wěn)定的原纖或碳纖維在保護(hù)氣體氛圍下被引導(dǎo)通過(guò)所述同軸導(dǎo)體和所述處理區(qū)。
文檔編號(hào)D01F9/14GK101421448SQ200780013507
公開(kāi)日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2007年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月15日
發(fā)明者B·沃爾曼, C·胡尼亞爾, F·亨寧, K-D·諾恩博格, L·阿爾貝茨, M·凱澤, P·埃爾斯納, R·埃默利赫, R·德雷埃爾 申請(qǐng)人:東邦特耐克絲株式會(huì)社