一種循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的方法和系統(tǒng)。該方法包括將碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)氧化階段和碳化階段的尾氣經(jīng)過(guò)凈化處理后得凈化尾氣，在500℃～600℃條件下，采用凈化尾氣對(duì)碳化階段得到的碳纖維進(jìn)行表面處理。本發(fā)明提供的循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的方法，對(duì)凈化后的尾氣再回收，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，減少了廢氣排放；經(jīng)表面處理后的尾氣可經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理排放，有利于提高尾氣處理效果，減輕環(huán)境壓力；碳化、表面處理過(guò)程可在同一設(shè)備中進(jìn)行，節(jié)約了表面處理設(shè)備，同時(shí)合理利用碳化階段降溫時(shí)釋放的熱能，實(shí)現(xiàn)了能源的回收利用。
【專利說(shuō)明】
一種循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于碳纖維生產(chǎn)領(lǐng)域，具體涉及一種循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理 的方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維是一種新型碳材料，具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、低熱膨脹、 高導(dǎo)熱導(dǎo)電等一系列優(yōu)異的性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事國(guó)防以及體育用品等領(lǐng)域， 是先進(jìn)復(fù)合材料的主要增強(qiáng)體之一。碳纖維是以瀝青或聚丙烯腈為原料，經(jīng)過(guò)預(yù)氧化、碳 化、表面處理而得到的。
[0003] 預(yù)氧化階段是將聚丙烯腈等原絲送入預(yù)氧化爐，通入熱空氣或氧氣進(jìn)行不熔化處 理，制得預(yù)氧絲;預(yù)氧化過(guò)程是在有氧存在的情況下，鏈斷裂聚合環(huán)化的過(guò)程，該過(guò)程的工 藝溫度一般為200~300°C，尾氣主要為空氣(氧氣）、!0^、順3、0)等。碳化階段是在惰性氣體 保護(hù)下，將預(yù)氧絲內(nèi)非碳元素如Ν、Η、0等排出，分子間因脫氫或脫氧而交聯(lián)，末端鏈分解而 釋放出NH 3;碳化階段的溫度一般為850~1200°C，尾氣主要為惰性氣體(N2)、HCN、NH3等。碳 化階段得到的碳纖維，由于經(jīng)過(guò)了高溫碳化或石墨化，使得碳纖維表面活性較低，與樹脂的 浸潤(rùn)性較差，導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度降低，不能滿足工程設(shè)計(jì)所需的強(qiáng)度;為了 使碳纖維與樹脂的浸潤(rùn)性增加，由憎液性變?yōu)橛H液性，就需要對(duì)其表面進(jìn)行處理，以提高其 表面能，滿足設(shè)計(jì)和實(shí)用的要求。
[0004] 目前碳纖維的表面處理方法有液相氧化法、陽(yáng)極電解氧化法、氣相氧化法、等離子 體氧化法等;表面處理的作用表現(xiàn)在:①清潔碳纖維表面，防止弱界面層的生成;②去除最 初弱連接的碳層，在纖維表面形成微孔和刻蝕溝槽，增大比表面積，生成適合粘接的表面形 態(tài);③在碳纖維表面引進(jìn)或嫁接具有極性或反應(yīng)性的基團(tuán)，增強(qiáng)表面活性，增大纖維和基體 間的化學(xué)鍵合力。
[0005] 碳纖維的生產(chǎn)過(guò)程中，預(yù)氧化、碳化、表面處理等步驟都會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣，這些 廢氣含有此1順3、0)、^)、!1 23等有害成分，如何對(duì)廢氣進(jìn)行處理和綜合利用對(duì)于降低能耗、 減輕環(huán)境壓力、節(jié)約生產(chǎn)成本具有重要作用。楊平平（山西冶金，2011年第6期)介紹了碳纖 維工業(yè)廢氣的處理技術(shù)，對(duì)于HCN、NH 3等有毒氣體可通過(guò)活性碳纖維吸附法、吸收法或燃燒 法進(jìn)行處理。CN102954700A公開了一種碳纖維生產(chǎn)廢氣的綜合處理利用方法，其是將碳化 階段的高溫廢氣經(jīng)燃燒除去有害氣體后，分別與氧化階段的一級(jí)廢氣進(jìn)行一級(jí)換熱，與碳 化階段通入的惰性氣體進(jìn)行二級(jí)換熱，與預(yù)氧化階段所需的新鮮空氣進(jìn)行三級(jí)換熱來(lái)實(shí)現(xiàn) 熱量的充分利用。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)中，預(yù)氧化階段和碳化階段的尾氣均采用燃燒排放或吸附法處理，不但 增加了成本而且對(duì)環(huán)境有一定的污染，碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中的尾氣和余熱沒(méi)有實(shí)現(xiàn)充分利 用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的方法，從而解決 現(xiàn)有技術(shù)中，碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中的尾氣和余熱沒(méi)有充分利用的問(wèn)題。
[0008] 本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的系統(tǒng)。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0010] 一種循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的方法，包括:將碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中預(yù) 氧化階段和碳化階段的尾氣經(jīng)過(guò)凈化處理后得凈化尾氣，在500°C~600°C條件下，采用凈 化尾氣對(duì)碳化階段得到的碳纖維進(jìn)行表面處理。
[0011]所述的凈化處理可通過(guò)常規(guī)的凈化處理方法或裝置對(duì)預(yù)氧化階段和碳化階段的 尾氣進(jìn)行處理，以除去尾氣中的1〇^、順3、0)、繼、!123等有毒氣體，使得預(yù)氧化階段的尾氣經(jīng) 過(guò)處理為主要成分為空氣或氧氣，碳化階段的尾氣經(jīng)過(guò)凈化處理后主要成分為惰性氣體 (如氮?dú)狻鍤獾龋?。凈化處理可采用活性碳纖維吸附法、轉(zhuǎn)化法等的一種或組合。優(yōu)選的，所 述凈化處理是利用活性碳纖維進(jìn)行吸附處理。
[0012] 凈化尾氣中氧氣濃度為20~80%。表面處理的時(shí)間為1~15min。優(yōu)選的，凈化尾氣 中氧氣濃度為40~80%。表面處理的時(shí)間為3~5min?？赏ㄟ^(guò)控制混合氣體中的氧含量和表 面處理時(shí)間，來(lái)控制表面處理的程度。
[0013] 碳化階段的溫度為850~1200 °C，可選擇當(dāng)碳化爐的溫度降至500 °C~600 °C時(shí)，通 入凈化尾氣對(duì)碳化階段得到的碳纖維進(jìn)行表面處理，從而在充分利用碳化爐的余熱的同 時(shí)，節(jié)約了表面處理設(shè)備。
[0014] 碳化階段的尾氣經(jīng)過(guò)凈化處理后，可循環(huán)用于預(yù)氧絲的碳化。
[0015] 本發(fā)明提供的循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的方法，對(duì)凈化后的尾氣再回 收，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，減少了廢氣排放;經(jīng)表面處理后的尾氣可經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理排放，有利于 提高尾氣處理效果，減輕環(huán)境壓力;碳化、表面處理過(guò)程可在同一設(shè)備中進(jìn)行，節(jié)約了表面 處理設(shè)備，同時(shí)合理利用碳化階段降溫時(shí)釋放的熱能，實(shí)現(xiàn)了能源的回收利用。
[0016] -種循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的系統(tǒng)，包括預(yù)氧化爐1和碳化爐5,預(yù) 氧化爐具有進(jìn)氣口 2和排氣口 3，碳化爐具有進(jìn)氣口 6和排氣口 7，還包括尾氣處理槽4，尾氣 處理槽上設(shè)有進(jìn)口 8和出口 9，進(jìn)口 8分別與預(yù)氧化爐的排氣口 3和碳化爐的排氣口 7相連接， 出口 9用于排出表面處理用凈化尾氣。
[0017] 優(yōu)選的，出口 9與碳化爐的進(jìn)氣口 6相連接。
[0018] 本發(fā)明提供的系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，聚丙烯腈等原絲在預(yù)氧化爐內(nèi)經(jīng)過(guò)預(yù)氧化得到預(yù)氧 絲，在碳化爐內(nèi)碳化得到碳纖維;預(yù)氧化爐的進(jìn)氣口用于通入壓縮空氣或氧氣，其排氣口排 出預(yù)氧化階段產(chǎn)生的尾氣，碳化爐的進(jìn)氣口用于通過(guò)氮?dú)饣驓鍤獾榷栊詺怏w，其排氣口排 出碳化階段產(chǎn)生的尾氣;預(yù)氧化階段的尾氣和碳化爐的尾氣經(jīng)過(guò)尾氣處理槽處理后形成一 定含氧量的混合氣體，當(dāng)碳化爐內(nèi)的溫度降至500 °C~600 °C時(shí)，將混合氣體通入碳化爐內(nèi)， 進(jìn)行表面處理。
[0019] 上述系統(tǒng)還可包括具有進(jìn)氣口的表面處理爐，出口 9與表面處理爐的進(jìn)氣口相連 接?？刂票砻嫣幚頎t的溫度為500°C~600°C，采用出口 9排出的凈化尾氣即可直接對(duì)碳化階 段的碳纖維進(jìn)行表面處理。
[0020] 可在預(yù)氧化爐、碳化爐的排氣管道上設(shè)置閥門，通過(guò)控制預(yù)氧化階段的尾氣流量 和碳化階段的尾氣流量調(diào)節(jié)混合氣體的含氧量，從而控制表面處理的程度。也可將碳化階 段的尾氣經(jīng)過(guò)凈化處理后返回進(jìn)入碳化爐內(nèi)，用于預(yù)氧絲的碳化。
[0021] 本發(fā)明提供的循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊合理，節(jié)約 了表面處理設(shè)備，對(duì)碳化爐降溫時(shí)釋放的熱能進(jìn)行了回收利用，實(shí)現(xiàn)了預(yù)氧化階段、碳化階 段尾氣的循環(huán)利用。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的系統(tǒng)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0024] 實(shí)施例1
[0025] 本實(shí)施例的循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的系統(tǒng)，如圖1所示，包括預(yù)氧化 爐1和碳化爐5，預(yù)氧化爐具有進(jìn)氣口 2和排氣口 3，碳化爐具有進(jìn)氣口 6和排氣口 7，還包括尾 氣處理槽4,尾氣處理槽上設(shè)有進(jìn)口 8和出口 9,進(jìn)口 8分別與預(yù)氧化爐的排氣口 3和碳化爐的 排氣口 7相連接，出口 9與碳化爐的進(jìn)氣口 6相連接。
[0026] 上述系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，原絲在預(yù)氧化爐內(nèi)經(jīng)過(guò)預(yù)氧化得到預(yù)氧絲，在碳化爐內(nèi)碳化 得到碳纖維;預(yù)氧化爐的進(jìn)氣口用于通入壓縮空氣或氧氣，其排氣口排出預(yù)氧化階段產(chǎn)生 的尾氣，碳化爐的進(jìn)氣口用于通過(guò)氮?dú)饣驓鍤獾榷栊詺怏w，其排氣口排出碳化階段產(chǎn)生的 尾氣;預(yù)氧化階段的尾氣和碳化爐的尾氣經(jīng)過(guò)尾氣處理槽處理后形成一定含氧量的混合氣 體(凈化尾氣），當(dāng)碳化爐內(nèi)的溫度降至500°C~600°C時(shí)，將凈化尾氣通入碳化爐內(nèi)，進(jìn)行表 面處理。
[0027] 可在預(yù)氧化爐、碳化爐的排氣管道上設(shè)置閥門，通過(guò)控制預(yù)氧化階段的尾氣流量 和碳化階段的尾氣流量調(diào)節(jié)混合氣體的含氧量，從而控制表面處理的程度。表面處理后的 尾氣可經(jīng)過(guò)凈化處理后排放。
[0028] 實(shí)施例2
[0029] 本實(shí)施例的循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的系統(tǒng)，包括預(yù)氧化爐1、碳化爐 5和表面處理爐，預(yù)氧化爐具有進(jìn)氣口 2和排氣口 3，碳化爐具有進(jìn)氣口 6和排氣口 7，表面處 理爐具有進(jìn)氣口，還包括尾氣處理槽4，尾氣處理槽上設(shè)有進(jìn)口 8和出口 9，進(jìn)口 8分別與預(yù)氧 化爐的排氣口 3和碳化爐的排氣口 7相連接，出口 9與表面處理爐的進(jìn)氣口相連接。
[0030] 上述系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，原絲在預(yù)氧化爐內(nèi)經(jīng)過(guò)預(yù)氧化得到預(yù)氧絲，在碳化爐內(nèi)碳化 得到碳纖維;預(yù)氧化爐的進(jìn)氣口用于通入壓縮空氣或氧氣，其排氣口排出預(yù)氧化階段產(chǎn)生 的尾氣，碳化爐的進(jìn)氣口用于通過(guò)氮?dú)饣驓鍤獾榷栊詺怏w，其排氣口排出碳化階段產(chǎn)生的 尾氣;預(yù)氧化階段的尾氣和碳化爐的尾氣經(jīng)過(guò)尾氣處理槽處理后形成一定含氧量的混合氣 體（凈化尾氣），將凈化尾氣通入表面處理爐，控制溫度為500°C~600°C，進(jìn)行表面處理即 可。
[0031] 實(shí)施例3
[0032] 本實(shí)施例的循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的方法，采用的系統(tǒng)如實(shí)施例1 所示，將碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)氧化階段和碳化階段的尾氣經(jīng)過(guò)凈化處理后得凈化尾氣，當(dāng) 碳化爐的溫度降至500°C時(shí)，采用凈化尾氣(氧氣含量為40%)對(duì)碳化階段得到的碳纖維進(jìn) 行表面處理3min，即得經(jīng)過(guò)表面處理的碳纖維。
[0033] 實(shí)施例4
[0034] 本實(shí)施例的循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的方法，采用的系統(tǒng)如實(shí)施例1 所示，將碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)氧化階段和碳化階段的尾氣經(jīng)過(guò)凈化處理后得凈化尾氣，當(dāng) 碳化爐的溫度降至550°C時(shí)，采用凈化尾氣(氧氣含量為80%)對(duì)碳化階段得到的碳纖維進(jìn) 行表面處理3min，即得經(jīng)過(guò)表面處理的碳纖維。
[0035] 實(shí)施例5
[0036] 本實(shí)施例的循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的方法，采用的系統(tǒng)如實(shí)施例1 所示，將碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)氧化階段和碳化階段的尾氣經(jīng)過(guò)凈化處理后得凈化尾氣，當(dāng) 碳化爐的溫度降至600°C時(shí)，采用凈化尾氣(氧氣含量為80%)對(duì)碳化階段得到的碳纖維進(jìn) 行表面處理5min，即得經(jīng)過(guò)表面處理的碳纖維。
[0037] 試驗(yàn)例
[0038]本試驗(yàn)例對(duì)實(shí)施例3~5所得經(jīng)過(guò)表面處理后的碳纖維的性能檢測(cè)，結(jié)果如表1所 示，空白例為碳化階段得到的碳纖維(未經(jīng)表面處理）。
[0039] 表1實(shí)施例3~5的碳纖維經(jīng)表面處理后的性能檢測(cè)結(jié)果
[0040]
[0041] 由表1的試驗(yàn)結(jié)果可知，碳纖維經(jīng)本發(fā)明的方法進(jìn)行表面處理，其表面粗糙度最大 提高了47.6%，表面含氧量由未處理的3wt. %提高到21wt. %，層間剪切強(qiáng)度最高提高了幾 乎62%;同時(shí)該方法對(duì)預(yù)氧化階段和碳化階段的尾氣實(shí)現(xiàn)了循環(huán)利用，對(duì)碳化爐降溫時(shí)的 余溫進(jìn)行了綜合利用，在滿足碳纖維產(chǎn)品性能的前提下，降低了能耗，減少了廢氣的排放， 節(jié)約了企業(yè)生產(chǎn)成本。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的方法，其特征在于，包括:將碳纖維生產(chǎn) 過(guò)程中預(yù)氧化階段和碳化階段的尾氣經(jīng)過(guò)凈化處理后得凈化尾氣，在500°c~600°C條件 下，采用凈化尾氣對(duì)碳化階段得到的碳纖維進(jìn)行表面處理。2. 如權(quán)利要求1所述的循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的方法，其特征在于，凈化 尾氣中氧氣濃度為20~80%。3. 如權(quán)利要求1所述的循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的方法，其特征在于，表面 處理的時(shí)間為1~15min。4. 如權(quán)利要求1所述的循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的方法，其特征在于，當(dāng)碳 化爐的溫度降至500 °C~600°C時(shí)，通入凈化尾氣對(duì)碳化階段得到的碳纖維進(jìn)行表面處理。5. 如權(quán)利要求1~4任一項(xiàng)所述的循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的方法，其特征 在于，所述凈化處理是利用活性碳纖維進(jìn)行吸附處理。6. -種循環(huán)利用尾氣對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的系統(tǒng)，包括預(yù)氧化爐（1)和碳化爐（5)， 預(yù)氧化爐具有進(jìn)氣口（2)和排氣口（3)，碳化爐具有進(jìn)氣口（6)和排氣口（7)，其特征在于，還 包括尾氣處理槽(4)，尾氣處理槽上設(shè)有進(jìn)口（8)和出口（9)，進(jìn)口（8)分別與預(yù)氧化爐的排 氣口（3)和碳化爐的排氣口（7)相連接，出口（9)用于排出表面處理用凈化尾氣。7. 如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，出口（9)與碳化爐的進(jìn)氣口（6)相連接。8. 如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括具有進(jìn)氣口的表面處理爐，出口（9)與 表面處理爐的進(jìn)氣口相連接。
【文檔編號(hào)】D01F11/12GK105862177SQ201610248487
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月19日
【發(fā)明人】喬月月, 郭海偉, 耿麗, 宋前前, 周苗苗, 王麥, 王一麥, 梁寧納, 李俊姣, 徐紅瑞, 葛頌
【申請(qǐng)人】鄭州四維特種材料有限責(zé)任公司