[发明专利]用来制造碳纤维的工艺和用于执行该工艺的设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种用来制造碳纤维的改进的工艺。

背景技术

碳纤维（CF）-由爱迪生在1879年寻找适用于白炽灯的灯丝时、在棉线的碳化时首次发现-仅在1960年通过一种制造过程才出现在市场上，这种制造过程由William Watt为在英国的皇家飞机而设计，从聚丙烯腈纤维（PAN）的转化开始。

碳纤维包括连续的或者预定长度的细丝（切段纤维），这些细丝具有5-10μm的直径，主要包括碳原子。碳原子在晶体矩阵中相互键合，其中，各个晶体沿纤维的纵向轴线对准到较小或较大程度，因而赋予纤维与其尺寸相比异常高的耐受性。

然后将数千根碳纤维相互聚集，以形成线或丝束（或粗纱），该线或丝束然后可按原样使用，或者在织机中进行机织以形成织物。如此得到的纱丝或织物用树脂浸渍，典型地用环氧树脂浸渍，并且然后模压，以得到特征在于高轻便性和高耐受性的复合制品。

碳纤维代表在有机和无机纤维之间的过渡点；其实，它们从有机纤维开始而生产，这些有机纤维通过热处理和热解而改性，在这些热处理和热解期间，首先引起在各根纤维内分子段的重新定向，并且随后，在更高温度下发生氧、氢的移除及氮的大部分的移除，从而最终纤维包括超过90%和高达99%的碳，并且其余部分是氮。

与玻璃纤维的可得到性一起，在碳纤维的市场上的可得到性已经导致复合材料的使用达到不断增长的程度。具体地说，通过使用碳纤维，已经可能的是，设计出具有高级机械性能的复合材料，考虑到这种材料的高成本，初始用于军事和/或航空领域，并且随后随着制造工艺的改进和生成成本降低，也用于能源工业的产品（加压罐、风力发马达叶片、燃料电池、海上平台）、运输业的产品（列车、汽车、船舶）以及娱乐业的产品（用来进行体育运动的工具和设备）。尽管对于今天已经有的这个最后应用领域，市场显得充分地发展，但在航空领域中，并且特别是在工业领域中，在下个5年时段中，预期需求显著增大，并因此需要扩展制造设备的现有集合。

碳纤维当前通过人造纤维（工业用人造丝、实验用木质素）或合成纤维（用于世界输出的至少90%的聚丙烯腈，但也还有PBO和实验上的其它热塑性纤维）或油或焦油（沥青）的蒸馏的残余物的改性而制造。第一种碳纤维传统上叫做PAN衍生碳纤维，而第二种碳纤维叫做沥青衍生碳纤维。这种最后类型的纤维常常不适当地称作“石墨纤维”，尽管当然它们不是由石墨得到的纤维，用以强调如下事实：当这样的纤维经受2000℃以上的热处理时，它们最终呈现与石墨的典型碳原子排列非常相似的碳原子排列，并且在网线中大体上没有其它元素。

在PAN衍生碳纤维的情况下（其中构造本发明的领域），开始的聚丙烯腈纤维（所谓的前体）的特征必须在于适当的化学成分，在于特殊分子定向以及在于特定形态，从而由其可以得到具有满意特征的最终碳纤维。为了将CN的晶化反应的放热水平控制成等于18卡/摩尔的目的化学成分也是重要的，该反应是一种代表丙烯腈纤维的第一处理步骤的反应。在机织品-衍生设备中，前体典型地被批量生产，并且将各根纤维收集在纤维束或丝束中，这些纤维束或丝束包含高达300,000根单个丝；在这种类型的设备中生产的较小丝束包含例如48,000根丝（所谓的48K）。同时，存在专门为制造低但尼尔丝束而设计的设备，其中，生产按具有1K、3K、6K及12K的丝束的制造的小或中等规模而发生。在这种情况下，各个丝束可相互聚集，以在碳化过程的结束时形成更大丝束，例如24K或48K丝束。在第一类型的设备中生产的碳纤维具有较低生产成本，该较低生产成本由该设备的高生产容量给出，但它们具有较小程度的规则性，并且它们因此较好地适用于工业用途。而在第二类型的设备中生产的碳纤维较规则，并且由航空工业更加赏识，在航空工业，已经有使用较小碳纤维丝束的固化习惯。

PAN纤维的晶化反应如以上叙述的那样，代表碳化过程的第一步骤。它在空气中、在200-295℃（在当前实践中的220-275℃）进行数小时，并且得到黑色耐火材料-所谓的氧化PAN，这种黑色耐火材料呈现相当差的机械性能，并且意味着实际上用于防护衣、耐火填料、或在碳-碳复合物中重型制动器（用于飞机、赛车以及高速列车）的生产。

在200-295℃下的晶化步骤期间，非常重要的是，检查纤维收缩，因为在这个步骤中，确定沿纤维轴线的分子段的对准，碳纤维的最终弹性模量取决于这种定向。赋予原始晶体纤维的分子定向影响最终碳纤维的韧性和弹性模量；然而，定向程度不必过分高，因为在这种情况下，在表面和在纤维内都引入缺陷。