一种碳纤维的碳化工艺及其碳纤维制造技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维的碳化工艺及其碳纤维，所述碳纤维的碳化工艺中预氧化纤维依次经过低温碳化炉和高温碳化炉进行碳化反应，控制所述高温碳化炉内的运行速度为11

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维的碳化工艺及其碳纤维


[0001]本专利技术属于碳纤维
，具体地说，涉及一种碳纤维的碳化工艺及其碳纤维。

技术介绍

[0002]碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗辐射、导电、传热、减震、降噪和相对密度小等一系列优异性能，作为高技术材料，已广泛应用于航空航天、国防军事等尖端领域以及高级体育用品、医疗器械等民用行业，并发挥着越来越重要的作用。
[0003]目前，国内普通碳纤维用量98％依赖进口，国内碳纤维供应非常紧张，而高性能碳纤维基本上难以从正规渠道进口，因此国内高性能碳纤维供应十分严峻。此外，由于受到国外技术封锁的制约及较高生产成本制约，近年来，国内碳纤维企业大多处于亏损状态，如何提升生产效率，从而降低电能单耗，节约成本成为各大碳纤维企业的攻克难题。而国内几家碳纤维企业尽管声称能生产上千吨，实际产能也不超过百吨，而且仅仅是具备生产能力，并不具备实际产出能力，现有的碳纤维生产企业的碳纤维的高温碳化时间大约为1分钟左右，高温碳化时间过长存在耗能大，成本高，产品质量不稳定等问题。因此缩短高温碳化时间是提高生产能力并降低成本有效途径。
[0004]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题在于克服目前碳纤维碳化时间长，生产效率低，生产成本高的问题，提供一种碳纤维的碳化工艺及其碳纤维，使得碳纤维碳化时间短，生产效率高，生产成本低，且得到的碳纤维力学性能好。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用技术方案的基本构思是：
[0007]一种碳纤维的碳化工艺，包括：
[0008]预氧化纤维依次经过低温碳化炉和高温碳化炉进行碳化反应，所述高温碳化炉内的运行速度为11
‑
15m/min。
[0009]现有的碳纤维生产企业在生产碳纤维时，预氧化纤维在高温碳化炉内的运行速度大约为10m/min，在此运行速度下，其高温碳化时间大约为1分钟左右，由于高温碳化时间过长会带来耗能大、成本高的问题。本专利技术通过提升预氧化纤维在高温碳化炉内的运行速度，将预氧化纤维在高温碳化炉内的运行速度控制在上述范围内，使预氧化纤维在高温碳化炉内的高温碳化时间控制在35
‑
45s，大大缩短了高温碳化时间，提高了生产效率，降低了能耗及生产成本。
[0010]可以理解的是，所述高温碳化时间为预氧化纤维在高温碳化炉内的停留时间，即高温碳化的总时间。
[0011]碳纤维的生产工艺一般由碳纤维原丝经预氧化处理得到预氧化纤维；对预氧化纤维依次进行低温碳化和高温碳化处理得到碳纤维。预氧化纤维在碳化过程中，杂化的碳碳原子键距逐渐变大，碳元素的富集和非碳元素的脱除是由外向内的过程，晶体尺寸增大，石
墨化度也随之提高，乱层石墨结构趋于完善，最终转化成具有乱层石墨结构的碳纤维。
[0012]当然，也可以对碳纤维进行后处理，包括表面处理、上浆处理和干燥处理得到处理后的碳纤维。
[0013]进一步地，所述高温碳化炉内的运行速度为12.5
‑
14.5m/min。
[0014]进一步地，采用多温区的高温碳化炉进行高温碳化反应，所述高温碳化炉的温度为800
‑
1500℃。
[0015]进一步地，所述高温碳化炉内相邻温区的升温梯度为120
‑
200℃；
[0016]优选地，所述高温碳化炉内相邻温区的升温梯度为170
‑
200℃。
[0017]进一步地，采用五温区的高温碳化炉对所述预氧化纤维进行高温碳化反应；
[0018]所述高温碳化炉一温区的温度为800
‑
830℃，二温区的温度为940
‑
990℃，三温区的温度为1080
‑
1170℃，四温区的温度为1230
‑
1370℃，五温区的温度为1380
‑
1490℃。
[0019]进一步地，所述高温碳化炉一温区的温度为800
‑
820℃，二温区的温度为960
‑
980℃，三温区的温度为1120
‑
1170℃，四温区的温度为1280
‑
1370℃，五温区的温度为1440
‑
1490℃；
[0020]优选地，所述高温碳化炉一温区的温度为800℃，二温区的温度为980℃，三温区的温度为1170℃，四温区的温度为1370℃，五温区的温度为1490℃。
[0021]如果直接将预氧化纤维在高温碳化炉内的运行速度提升，虽然碳化时间缩短了，但是由于原始高温碳化炉内的各温区的温度不能满足预氧化纤维的高温碳化，导致碳纤维内部的杂元素没有被完全碳化，从而使碳纤维内部的碳元素含量降低较多。本专利技术通过调整高温碳化炉内各温区的温度，并设定相应的升温梯度来控制交联、缩聚反应，使得纤维内部结构更加稳定，并且还能使纤维较快地达到所需碳化程度，缩短碳化时间。
[0022]可以理解的是，高温碳化炉内各温区的温度也可以独立控制，以满足不同碳纤维对工艺条件的不同要求。
[0023]进一步地，在所述高温碳化反应中，通过牵伸辊对碳纤维进行牵伸，控制牵伸辊的辊速精准度为0.0001
‑
0.0015m/min；
[0024]优选地，控制牵伸辊的辊速精准度为0.0010m/min。
[0025]优选地，所述牵伸辊包括变频器，通过调整变频器的电流输入值和量程输出值参数以控制牵伸辊的辊速精准度。
[0026]在上述方案中，通过纤维牵伸的精准控制使得张力稳定性提高，纤维内部的石墨微晶向致密有序化排列，使得纤维的体积密度增加，孔隙率降低，最终碳纤维的强度指标稳步提高，有效避免纤维毛丝和断丝的产生，实现工业化稳定化生产。
[0027]进一步地，所述高温碳化炉入口处的牵伸比为1.0140
‑
1.0530，所述高温碳化炉出口处的牵伸比为0.9500
‑
0.9750。
[0028]当高温碳化炉内的温度按照温度梯度上升时，导致纤维内分解速度加快，分解产生的小分子气体急速溢出，导致纤维结构的缺陷增加，伴随着纤维内大量热裂解，使原有的取向发生解取向即乱向，导致纤维力学性能降低，因此通过合理地调整高温碳化炉入口和出口处的牵伸比，使得纤维在运行过程中张力稳定性提高，保持了碳网平面对纤维轴的择优取向，使分子排布更加致密化，因此碳纤维强度得到显著提升。
[0029]进一步地，所述预氧化纤维经高温碳化炉在氮气气氛下进行高温碳化反应，所述
氮气的流量为150
‑
190Nm3/h；优选地，所述氮气的流量为150
‑
175Nm3/h；更优选地，所述氮气的流量为150
‑
155Nm3/h。
[0030]高温碳化炉内主要发生缩聚反应，随着预氧化纤维在高温碳化炉内的运行速度大幅提升以及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维的碳化工艺，其特征在于，包括：预氧化纤维依次经过低温碳化炉和高温碳化炉进行碳化反应，所述高温碳化炉内的运行速度为11
‑
15m/min。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维的碳化工艺，其特征在于：所述高温碳化炉内的运行速度为12.5
‑
14.5m/min。3.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维的碳化工艺，其特征在于：采用多温区的高温碳化炉进行高温碳化反应，所述高温碳化炉的温度为800
‑
1500℃。4.根据权利要求3所述的一种碳纤维的碳化工艺，其特征在于：所述高温碳化炉内相邻温区的升温梯度为120
‑
200℃；优选地，所述高温碳化炉内相邻温区的升温梯度为170
‑
200℃。5.根据权利要求3所述的一种碳纤维的碳化工艺，其特征在于：采用五温区的高温碳化炉对所述预氧化纤维进行高温碳化反应；所述高温碳化炉一温区的温度为800
‑
830℃，二温区的温度为940
‑
990℃，三温区的温度为1080
‑
1170℃，四温区的温度为1230
‑
1370℃，五温区的温度为1380
‑
1490℃。6.根据权利要求5所述的一种碳纤维的碳化工艺，其特征在于：所述高温碳化炉一温区的温度为800
‑
820℃，二温区的温度为960
‑
980℃，三温区的温度为1120
‑
1170℃，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐海龙，唐晓光，鲁明，马严，程明，丘鸿元，
申请(专利权)人：吉林化纤集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：