[发明专利]一种高效碳纤维预碳化工艺及装备

说明书

本发明公开一种高效碳纤维预碳化工艺及装备。根据热稳定化纤维预碳化的主要化学反应与工程特点，将预碳化反应分成两个阶段来完成，每个阶段有不同的温度场与张力场，来更好地提供预碳化热化学反应的条件。同时根据预碳化反应不同阶段的排放物浓度与排放量、排放物对纤维的污染和对马弗炉膛的腐蚀情况,设计不同的马弗炉膛和各自的排废系统，以实现高效预碳化的目的。

技术领域

本发明属于碳纤维制备的工艺及装备领域，主要用于各类基体的碳纤维的预碳化(低温碳化)工艺。

背景技术

碳纤维原丝是通过热稳定化(或预氧化)，预碳化(或低温碳化)，高温碳化制备成碳纤维的。通常碳纤维原丝先经过200-300摄氏度的热稳定化工艺处理，获得热稳定化纤维(或预氧丝)；然后经过300-1000摄氏度预碳化工艺处理，将热稳定化纤维转变成类石墨片层结构；再经过1000-1600摄氏度的高温碳化工艺处理，去除更多的其它氮、氢、氧元素，变成含碳量92％以上的碳纤维。

除了热稳定化工艺，预碳化工艺是碳纤维制备的另一核心工艺，其重要性体现在：

从预碳化结构转变方面，热稳定化后纤维的预碳化工艺是纤维中的芳环与不饱和双键组成的共轭结构向较大尺寸的类石墨片层结构转变的途径，预碳化工艺是否忠实执行了这个结构转变，这直接影响到碳纤维的力学性能。

从预碳化的化学反应方面，包含的化学反应是非常复杂的，其中包括分子间的交联，更多的芳构，热裂解，类石墨片层的形成等反应。因为各碳纤维公司使用的热稳定化纤维结构的差异，所以对各类化学反应的温度条件定义也不一样。总之对于预碳化过程的各类具体的化学反应条件，学术界也没有非常清晰与明确的界定。

从具体生产方面，世界上所有碳纤维原丝的预碳化工艺无一例外的都会产生大量废气和焦油，废气和焦油排放容易带来排废系统的不通畅，影响生产连续运行，还会导致生产中的纤维受到污染，直接影响纤维性能非正常下降。

从碳纤维的制造成本方面，热稳定化纤维在预碳化工艺中会发生大量的裂解失重，氮、氢、氧等非碳元素以小分子废气或液态焦油的形式脱除。同时也带走了大量的碳原子，降低了碳化收率，增加了生产同样重量碳纤维所用到的原丝的数量和成本，直接导致碳纤维制备成本的上升。

目前世界上各大碳纤维生产企业，在确定了热稳定化纤维在不同碳化温度下产生的废气和焦油含量以后，将预碳化(低温碳化)笼统地放到一个温度范围在300-1000摄氏度金属马弗炉膛的碳化炉中来完成。但是在预碳化工艺阶段会产生大量高浓度的废气和焦油，这些废气和焦油会在金属马弗炉膛沉积，在高温下严重腐蚀金属马弗炉膛，导致炉膛穿孔，使得空气进入，严重影响到碳纤维的性能与质量。同时金属马弗炉膛的寿命极大缩短，成为了易损件。此时只有对庞大的碳化炉大拆后，对金属马弗炉膛进行维修或更换，无论哪种方式都将付出巨大的经济代价。

为此，碳纤维生产企业需要一个低成本运行的预碳化工艺，和更长寿命的、低成本维护的低温碳化炉金属马弗炉膛，去满足碳纤维高效率生产、低成本产出的需求。

发明内容

本发明是为了解决目前工业领域把预碳化工艺笼统地在300-1000摄氏度金属马弗炉膛的碳化炉中来完成而导致的大量弊端。提供一个更加符合预碳化不同内在化学反应及顺序的工艺与装备解决方案。提升预碳化效率，提升碳纤维的力学性能，碳化收率，生产的持续性，降低碳纤维制造成本，装备使用成本。

本发明专利通过以下的技术方案来实现：