[發明專利]用于穩定制造碳纖維的前驅物纖維的方法以及裝置

在審

• 申請號: 201980016213.4
• 申請日: 2019-03-11
• 公開（公告）號: CN111801449A
• 公開（公告）日: 2020-10-20
• 發明（設計）人: 安德利斯·凱勒;甘瑟·佛斯;伍威·吉格勒
• 申請（專利權）人: 商先創國際股份有限公司
• 主分類號: D01F9/14
• 分類號: D01F9/14;D01F9/22
• 代理公司: 北京同立鈞成知識產權代理有限公司 11205
• 代理人: 楊貝貝;臧建明

用于穩定制造碳纖維的前驅物纖維的方法及裝置。該方法先將前驅物纖維加熱至第一溫度并在預設時間段內保持該溫度。隨后將前驅物纖維加熱至至少一高于第一溫度的第二溫度并在預設時間段內保持該溫度。相應加熱期間及加熱步驟之間，前驅物纖維處于具有12至300毫巴的負壓或2.5至63毫巴的氧分壓空氣環境。該裝置具有至少一供前驅物纖維穿過可被抽真空的長條形真空室、至少兩個閘單元及至少一加熱單元。一個閘單元用于將前驅物纖維密封輸入該至少一真空室，而另一閘單元用于將前驅物纖維密封自該至少一真空室排出。加熱單元具有至少兩個可單獨控制的加熱元件，加熱元件適于將該至少一真空室在沿縱向相鄰若干加熱區內加熱至至少兩個不同溫度。

眾所周知，自不同的前驅物材料制造碳纖維。在技術上以多個處理步驟來制造碳纖維。起始材料通常為聚丙烯腈(Polyacrylnitril)，簡稱PAN，作為制造碳纖維的替代方案，亦可采用其他前驅物，特別是木質素、纖維素及聚乙烯。

第一處理步驟是將起始材料成型成所謂的前驅物纖維。隨后在另兩個操作步驟中，在分離的設備區域內將此等前驅物纖維轉換成碳纖維。第一操作步驟被稱作穩定，而第二操作步驟被稱作碳化。通常在超過1300℃的高溫下實施碳化，而引起前驅物纖維的穩定或交聯的穩定步驟，是在低得多的溫度(通常在200℃至300℃)下進行的。需要采用該步驟來改變前驅物纖維的分子結構，使得纖維能夠承受碳化期間的熱負荷。通常在具有若干可獨立加熱的區域的循環空氣爐中實施此種穩定，在該循環空氣爐中將前驅物纖維加熱至200℃至300℃的溫度，再在大氣壓力下使其與空氣中的氧進行反應。在穩定制程中會產生需要可控地加以排出并處置掉的氣態反應產物，如二氧化碳、氫氰酸、一氧化碳及氨。此舉會造成復雜且昂貴的廢氣處理。目前，穩定步驟是碳纖維制造過程中成本最高且最耗時的。縮短反應時間的嘗試是明智之舉，但極具挑戰性。

就前驅物材料PAN而言，在穩定過程中與外部饋入的氧進行氧化反應。氧進入聚合物的化學結構，并在隨后的碳化步驟中與存在的氫形成水。因此，可控氧化有利于輸入最佳量的氧。氧的過剩可能降低碳纖維的品質，因其使得碳過度氧化。

其他已含有氧的前驅物(如木質素或纖維素)并非一定需要外部饋入的氧來實施穩定，但可通過外部饋入的氧來加速該穩定。在所有穩定情形中，前驅物的結構皆有所壓實。

迅速進行穩定在節約性方面較為有利，但在化學方面存在問題。在最壞情形下，纖維結構的表面的強度較大，從而在穩定過程中因形成纖維包層而阻止了氧的納入以及產物氣體的輸出。

因而在循環空氣爐中的傳統條件下，縮短停留時間毫無意義。提高制程溫度同樣無法做到，因為涉及PAN時的穩定反應是高度放熱，過高的溫度可能造成能量的自發的不可控釋放，進而點燃纖維材料。

有鑒于此，本發明的目的在于克服或者改善現有技術中的上述問題中的一或多個。本發明是有提出如權利要求第1項所述的一種方法以及如權利要求第14項所述的一種裝置。本發明的更多技術方案主要參閱附屬項。

該方法在受控且精確定義的制程條件下并且在局部高于現有技術中的常見溫度的溫度條件下實施穩定。經此種制程處理的前驅物纖維可重復地展現出較高的密度及均勻性，如此，隨后碳化的纖維便具有極佳的強度值。

特定言之，該穩定制造碳纖維的前驅物纖維的方法具有以下步驟：將該等前驅物纖維加熱至第一溫度并在某個預設時間段內保持該溫度，并且隨后將該等前驅物纖維加熱至至少一高于該第一溫度的第二溫度并在某個預設時間段內保持該溫度，其中該等前驅物纖維在相應的加熱期間及該等加熱步驟之間處于具有12毫巴(mBar)至300毫巴的負壓的空氣環境中。該方法在定義的制程空氣環境下在負壓下，特別是以較低的氧分壓來實施穩定，從而減輕或者解決現有技術中的問題。如此便能使用較高的溫度。

較佳地，該等前驅物纖維在相應的加熱期間及該等加熱步驟之間處于具有50毫巴至200毫巴的負壓的空氣環境中。