一種利用非平衡等離子體制造碳纖維的裝置及其方法制造方法及圖紙

本發明專利技術涉及一種利用非平衡等離子體制造碳纖維的裝置及其方法，屬于非平衡等離子體應用技術領域。為了克服現有碳纖維制造過程中對設備的要求高、能耗大以及生產成本高的技術不足，本發明專利技術提供一種利用非平衡等離子體制造碳纖維的裝置及其在低溫環境下用非平衡等離子體制造碳纖維的方法，采用本發明專利技術的裝置及其方法不僅可以降低碳纖維制造過程中的預氧化，碳化和石墨化溫度，大大降低了能耗，并且可以大大縮短碳纖維制造工藝各步驟的處理時間，顯著提高了生產效率。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種利用非平衡等離子體制造碳纖維的裝置及其方法，屬于非平衡等離子體應用

技術介紹
碳纖維有許多優良的性能，比如碳纖維密度在1.5-2.0克/cm3，比鋁(密度為2.7克/cm3)低，它的密度是鋼密度四分之一，因此，用碳纖維做原料制造的產品的重量與鋁和鋼相比，相同體積情況下重量要輕很多；另外碳纖維的楊氏模量高，導電，膨脹體數小，柔軟，耐熱性好，對酸、堿等一般有機溶劑都具有良好的耐腐性、耐油性、抗輻射等等。由于碳纖維具有許多優良功能，因此在國防工業、汽車、建筑、化工等工業中的用途非常廣泛，大到飛機零部件，小到高爾夫球桿、耐性用的釣魚桿。正因為碳纖維具有廣泛的用途，因此世界各國都在大力發展碳纖維的研究和生產，我國雖然起步較晚，但是目前已取得很大進展。研究和制造碳纖維專利技術專利不少，國際上涉及碳纖維制造工藝的專利也很多，這些專利采用的工藝都是常規的工藝，即是預氧化是在氧氣中加熱，聚丙烯晴基預氧化溫度200-300℃范圍，瀝青基預氧化溫度在200℃-400℃范圍，粘膠基原絲預氧化溫度在200℃-240℃，聚丙烯晴碳化和石墨化溫度分別在1200℃-1500℃和2500℃-3000℃；瀝青碳化和石墨化溫度分別在1500-1700℃和2500℃-2800℃；粘膠碳化在500-2000℃，石墨化在3000℃-3200℃，在如此高溫的溫度加熱時間長，少則半小時多則幾小時，因此現有碳纖維的制造技術存在對設備的要求高、能耗大的技術不足，同時使得碳纖維的生產成本一直居高不下。與熱等離子體相比，非平衡等離子體的溫度僅在室溫程度或者稍高，電子具有比離子和原子更高的溫度，一般能夠達到0.1～10個電子伏。而且由于氣體的壓力低，電子與離子之間的碰撞很少，因而不能達到熱力學平衡。由于非平衡等離子體的溫度在室溫范圍，因而可以在材料
內應用。《等離子體技術在碳纖維表面處理中的應用》一文對非平衡等離子體技術以及其在碳纖維表面處理方面的應用情況，包括等離子體與纖維的作用、等離子體對碳纖維的處理效果以及等離子體技術在碳纖維表面處理方面的優勢和不足進行了綜述，并指出等離子體技術對碳纖維表面進行處理可以提高碳纖維復合材料的性能。但現有技術中尚沒有檢索到利用非平衡等離子體技術直接應用于碳纖維制造的報道。
技術實現思路
為了克服現有碳纖維制造過程中對設備的要求高、能耗大以及生產成本高的技術不足，本專利技術提供一種利用非平衡等離子體制造碳纖維的裝置及其在低溫環境下用非平衡等離子體制造碳纖維的方法，采用本專利技術的裝置及其方法不僅可以降低碳纖維制造過程中的預氧化，碳化和石墨化溫度，大大降低了能耗，并且可以大大縮短碳纖維制造工藝各步驟的處理時間，顯著提高了生產效率。本專利技術所述的技術方案如下所示：一種利用非平衡等離子體制造碳纖維的裝置，其包括預氧化區，碳化區和石墨化區，所述的預氧化區包括氧氣或空氣入口、預氧化室、加熱絲及其電源、電極板及其電源，介質板和反射屏，其中所述的加熱絲包括上下兩根，用于加熱升高預氧化室內的溫度；所述的反射板包括上下兩個，位于加熱絲的外側，用以防止熱量流失；所述的電極板包括上電極板和下電極板，位于加熱絲的內側，上下電極板分別與一塊介質板相連，介質板之間形成非平衡等離子體處理區域；所述碳化區和石墨化區位于同一反應室內，所述的反應室包括氣體入口、法蘭盤及其固定裝置，反應室的左右兩邊中心有狹縫與大氣相通，其中法蘭盤在反應室上下兩側各分布一個，法蘭盤與反應室之間設置0形圈以保證其密封性能；所述的碳化區和石墨化區均包括發熱體及其電源，電極板及其電源、介質板和反射屏，其中所述的發熱體包括上下兩根，用于加熱升高預氧化室內的溫度；所述的反射板包括上下兩個，位于發熱體的外側，用以防止熱量流失；所述的電極板包括上電極板和下電極板，位于發熱體的內側，上下電極板分別與一塊介質板相連，介質板之間形成非平衡等離子體處理區域；其中碳化區的發熱體為硅鉬棒，石墨化區的發熱體是用鎢絲或石墨管制得；所述的預氧化區的氧氣或空氣入口處還可以包括流量閥，用以控制氧氣或空氣的進入量。所述預氧化室采用石英玻璃或普通玻璃制成，預氧化區和反應室還包括自動溫度控制器，用以控制預氧化室或反應室內的溫度。所述的包括碳化區和石墨化區的反應室采用石英玻璃或耐溫500℃以上玻璃制作而成。所述的利用非平衡等離子體制造碳纖維的裝置還可以包括表面改性裝置，其包括電極板及其電源和介質板，其用于對對石墨化后的碳纖維進行表面改性。所述的利用非平衡等離子體制造碳纖維的裝置還可以包括碳纖維固定裝置和碳纖維轉動裝置，其中碳纖維固定裝置包括原絲卷軸和支架；碳纖維轉動裝置包括電機、卷帶筒和支架，用于控制碳纖維通過反應室以及預處理室的反應時間。一種利用上述裝置進行碳纖維制造的方法，其包括如下步驟：1)設定預氧化室內溫度并接通電源，向預氧化室通入氧氣或空氣，設置電源電壓和頻率進行介質阻擋層放電，啟動碳纖維轉動裝置使碳纖維原絲每一點經過非平衡等離子體區；2)設定碳化區的反應溫度，并通過反應室入口通入惰性氣體，設定電源的頻率和電壓進行碳化，啟動碳纖維轉動裝置使碳纖維原絲每一點經過碳化區；3)設定石墨化區的反應溫度，設定電源的頻率和電壓進行石墨化處理；4)設定表面改性裝置電源頻率和電壓對碳纖維進行表面改性處理。上述所述的碳纖維制造方法中，預氧化室的設定溫度為100℃-250℃；所述預氧化室內連接電極板的電源的設定頻率1KHZ-200KHZ，設定電壓100V-20kV。所述預氧化的時間為20-25min上述所述的碳纖維制造方法中，碳化區的反應溫度設定為1000℃-1400℃，電源的設定頻率5KHZ-8KHZ，設定電壓6KV-15KV。所述的石墨化區的反應溫度為2000℃-3000℃，電源的設定頻率為1-2KHZ，電壓10-15KV。本專利技術與現有技術相比，具有如下技術優勢：1)本專利技術所述碳纖維的制造方法中碳纖維的氧化程度更高。等離子體中的高能電子打斷制造碳纖維用的原絲中碳與其它元素結合鏈，而氧在放電時產生氧離子和臭氧以及伴隨產生紫外光，其中氧離子和臭氧是強氧化劑，紫外光加速原絲的氧化過程，因此，與現有的碳纖維制造工藝相比，本專利技術采用非平衡等離子體對碳纖維原絲預氧化過程中更容易被氧化，而且氧離子和臭氧可以滲透到原絲中心，能把原絲表面和中心都充分氧化。而現有技術中方法往往靠中心部分不能全部完全氧化。2)本專利技術所述碳纖維的制造方法中碳纖維的氧化過程中反應溫度更低，但處理時間卻大大縮短。由于等離子體能量高，在氧化過程中，所需要的溫度也將降低.，同時縮短處理時間。對于PAN基原工藝預氧化需要200℃-300℃，時間30-60分鐘采用非平衡等離子體后，預氧化溫度可降低到150-180℃，時間只需20分鐘左右。3)本專利技術所述碳纖維的制造方法中碳化和石墨化的時間更短，反應溫度更低，節約了能耗，提高了生產效率。碳化過程中由于等離子體作用加速碳化過程中的環化，交聯、縮聚等化學變化，這比已有的碳化工藝所需溫度更低，處理時間更短；而石本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用非平衡等離子體制造碳纖維的裝置，其包括預氧化區，碳化區和石墨化區，所述的預氧化區包括氧氣或空氣入口、預氧化室、加熱絲及其電源、電極板及其電源，介質板和反射屏，其中所述的加熱絲包括上下兩根，用于加熱升高預氧化室內的溫度；所述的反射板包括上下兩個，位于加熱絲的外側，用以防止熱量流失；所述的電極板包括上電極板和下電極板，位于加熱絲的內側，上下電極板分別與一塊介質板相連，介質板之間形成非平衡等離子體處理區域；所述碳化區和石墨化區位于同一反應室內，所述的反應室包括氣體入口、法蘭盤及其固定裝置，反應室的左右兩邊中心有狹縫與大氣相通，其中法蘭盤在反應室上下兩側各分布一個，法蘭盤與反應室之間設置0形圈以保證其密封性能；所述的碳化區和石墨化區均包括發熱體及其電源，電極板及其電源、介質板和反射屏，其中所述的發熱體包括上下兩根，用于加熱升高預氧化室內的溫度；所述的反射板包括上下兩個，位于發熱體的外側，用以防止熱量流失；所述的電極板包括上電極板和下電極板，位于發熱體的內側，上下電極板分別與一塊介質板相連，介質板之間形成非平衡等離子體處理區域；其中碳化區的發熱體為硅鉬棒，石墨化區的發熱體是用鎢絲或石墨管制得。...

【技術特征摘要】
1.一種利用非平衡等離子體制造碳纖維的裝置，其包括預氧化區，碳化區和石墨化區，
所述的預氧化區包括氧氣或空氣入口、預氧化室、加熱絲及其電源、電極板及其電源，介質
板和反射屏，其中所述的加熱絲包括上下兩根，用于加熱升高預氧化室內的溫度；所述的反
射板包括上下兩個，位于加熱絲的外側，用以防止熱量流失；所述的電極板包括上電極板和
下電極板，位于加熱絲的內側，上下電極板分別與一塊介質板相連，介質板之間形成非平衡
等離子體處理區域；
所述碳化區和石墨化區位于同一反應室內，所述的反應室包括氣體入口、法蘭盤及其固
定裝置，反應室的左右兩邊中心有狹縫與大氣相通，其中法蘭盤在反應室上下兩側各分布一
個，法蘭盤與反應室之間設置0形圈以保證其密封性能；所述的碳化區和石墨化區均包括發
熱體及其電源，電極板及其電源、介質板和反射屏，其中所述的發熱體包括上下兩根，用于
加熱升高預氧化室內的溫度；所述的反射板包括上下兩個，位于發熱體的外側，用以防止熱
量流失；所述的電極板包括上電極板和下電極板，位于發熱體的內側，上下電極板分別與一
塊介質板相連，介質板之間形成非平衡等離子體處理區域；其中碳化區的發熱體為硅鉬棒，
石墨化區的發熱體是用鎢絲或石墨管制得。
2.如權利要求1所述的利用非平衡等離子體制造碳纖維的裝置，其特征在于，所述預氧
化室采用石英玻璃或普通玻璃制成，所述的預氧化區的氧氣或空氣入口處還包括流量閥，用
以控制氧氣或空氣的進入量。
3.如權利要求1所述的利用非平衡等離子體制造碳纖維的裝置，其特征在于，預氧化區
和反應室還包括自動溫度控制器，用以控制預氧化室或反應室內的溫度。
4.如權利要求1所述的利用非平衡等離子體制造碳纖維的裝置，其特征在于，所述的包
括碳化區和石墨化區的反應室采用石英玻璃或耐溫500℃以上玻璃制作而成。
5.如權利要求...

【專利技術屬性】
技術研發人員：毛宇辰，毛文龍，毛先華，易孫遜，
申請(專利權)人：江西大有科技有限公司，
類型：發明
國別省市：江西;36