[发明专利]用于使含碳纤维稳定化的方法和用于生产碳纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制造具有高拉伸强度的碳纤维。这样的纤维主要用有机起始材料(前体)在根据各个处理阶段规的不同温度下通过一系列操作制得。

现有知识

用于制造碳纤维的一般方法通常包括分三个阶段处理起始材料：通过加热到120-280℃进行稳定化(氧化)；一旦使纤维稳定化(氧化)，通过在气体例如氮气或氩气的覆盖气氛中加热到400-1500℃进行碳化；和取决于纤维规格，通过在惰性气氛中加热到1,600-3,000℃进行石墨化。在这些操作中，稳定化最为耗时和耗能，占到了碳纤维制造方法的80％并且取决于成品规格持续1到2至24小时。

已知的碳纤维制造方法之一包括通过使用微波辐照(irradiation)将氧化的纤维碳化和石墨化。将氧化的纤维递送通过波导管处理区，在该处理区中使它们暴露于高频电磁波(欧洲专利号1845179，Cl.D01F 9/22，2006)。在该方法中，将微波辐照应用于氧化的纤维。纤维一旦被氧化，其可吸收微波。这种性质使得有可能用微波进一步处理。如上所述，目前所用的技术包括使预先氧化的纤维经受微波辐照，而已知纤维氧化是纤维制造方法的最为耗时的步骤。虽然纤维碳化和被覆石墨的过程由于高频电磁波的使用而得到显著加速，但是将氧化阶段综合起来看，碳纤维制造方法相当耗时和耗能。

另一种已知的碳纤维制造方法包括前体氧化，接着是将纤维碳化和石墨化的热处理(俄罗斯专利2343235，Cl.D01F 9/22，2009)。该方法包括在140-290℃下用微波辐照氧化起始纤维(前体)。需要非平衡低温等离子体介质使所述氧化成为可能。纤维一旦被氧化，分两个步骤将该纤维进行热处理：在惰性气氛或真空中于400-650℃，和在惰性气氛中于1,100-4,500℃。氧化的纤维还可在等离子体中用微波辐照进行热处理或者通过由所述纤维吸收微波辐照进行热处理。微波辐照的使用显著加速所有纤维处理阶段。装置内部稳定等离子体的产生和封闭是该方法的弱点。它们使该方法和内部产生等离子体介质以使纤维制造所需过程得以运行的系统变得复杂。此外，该已知的方法需要排空的处理区、压力抑制和使用不稳定的等离子体，所有这些使该方法在技术上要求高并且提高其价格。

最接近上述的碳纤维制造方法包括在氧气、空气或臭氧中以0.1-0.5°/分钟的温度上升速率于100-250℃下使起始纤维稳定化；接着是氧化的纤维在惰性介质中于300-1,500℃(碳化)下和/或于400-2,800℃(石墨化)下的分阶段热处理。纤维碳化和/或被覆石墨通过用900-30,000MHz微波进行纤维辐照来实施(美国专利号4197282，Cl.423-447.4，1978)。

该方法的弱点是在用微波辐照高速处理前需要将纤维氧化(稳定化)。再次地，纤维通过在空气或其它氧化性气氛中长时间加热的一般且广泛已知的方法进行氧化。这涉及消耗大量能量的低产能炉。需要高体积的高速移动的空气在炉内部产生和维持规定温度。这使氧化过程变得复杂。

发明内容

本技术目的是通过降低纤维稳定化的处理时间和相关能量消耗而提高纤维稳定化的效率，并同时提高碳纤维的生产率。其次目的是通过提高碳化和稳定化过程的效率来改善碳纤维制造的能力和效率。

根据本发明的一个方面，提供了一种含碳纤维稳定化方法，在该方法中将纤维置于气态介质中并且在加热气态介质的同时暴露于微波辐照。

本发明作者意想不到地发现，在稳定化期间加热纤维浸没于其中的气体使前体纤维在暴露于微波辐照(MWI)时能够强烈地(lively)对此加以吸收。其结果是，稳定化过程的速度提高很多，并同时由于在该阶段消耗的能量随着用于产生MWI的小功率输入而减少，可降低该过程的能量强度。

现有技术既没有涉及任何用于稳定化过程的微波辐照，这是因为在正常条件下MWI基本上不被纤维吸收并且对纤维不产生自维持稳定化(氧化)作用，也没有涉及MWI仅仅与介质电离组合(例如对于纤维处理，在单原子氧(O)中，而不是在双原子分子氧(O₂)中，例如美国专利号7534854，5/19/2009公布)。然而，后种情形规定了等离子体的使用作为前体纤维稳定化过程的基本和必要条件。等离子体中化学活性离子(包括单原子氧)的存在与常规氧化性气氛(分子氧，空气)相比表现出较高的扩散进入纤维的速率，觉察到这是稳定化(氧化)过程加速的关键因素。