[发明专利]生产碳纤维的碳化生产线及调节给料辊的倾斜度的方法

说明书

一种用于纤维材料的给料辊的支撑元件，优选为原丝纤维，用于生产碳纤维的氧化或碳化生产线中，包括具有用于连接至炉的结构或框架的装置的底座(2)、与所述底座(2)联接且至少具有至少一个贯穿开孔(4)以容纳所述给料辊(106、114)的一端的支撑环(3)、以及可操作地介于所述底座(2)和所述支撑环(3)之间的调节装置(6、7)，调节装置配置为相对于底座(2)沿至少一个横向于所述开孔(4)中心轴线(A)的调节方向(B、C)移动环(3)的位置，以便根据辊(106、114)的变形调节环(3)的位置。

技术领域

本发明在处理聚合物且优选由原丝纤维(precursor fibre)生产碳纤维的过程中发现了特定的用途。

背景技术

应注意的是，碳纤维的存在及处理它的机会已经导致此类合成材料在许多应用中的使用呈指数增长，例如能源行业、交通运输、运动装备的生产、以及航空工业中。

目前碳纤维由人造纤维(工业人造丝、实验性木质素)、合成纤维(聚丙烯睛纤维、还有PBO和实验性地其它热塑性纤维)、或者油或焦油(沥青)的蒸馏残留物的改性而生产。第一碳纤维传统上称为来源于PAN的碳纤维，而第二碳纤维是来源于沥青的碳纤维。通常后者的纤维类型被不恰当地称为“石墨纤维”,尽管明显这些纤维不来源于石墨，为强调当所述纤维经受2000℃以上的热处理时最终它们的碳原子排列与石墨的典型排列非常相似且晶格中其它元素大量缺失的事实。

操作上，碳纤维的生产始于“原丝(precursor)”或“原生长丝(proto-filament)”的热处理，即离开的纤维在精确的热处理工序后转换成最终产品。

开启高性能碳纤维时代的原丝是聚丙烯睛纤维(PAN)，其特点是合理的化学成分、特定的分子定向及某一形态。化学成分对缓和结晶反应的放热非常重要，其在空气中220-260℃之间进行几个小时。

通过增加预定时间间隔内的温度，同样在空气中发生氧化过程，其间碳和氢之间的化学键断裂。因此之前形成的环变成芳香族的且该过程释放了气态氢。氧化反应产生黑色防火材料，所谓的氧化PAN，但机械性能较差，其用于防护服，防火填料或碳－碳合成材料，以及高性能制动器(用于飞行器、赛车和高速列车)。

所氧化的PAN纤维然后经受碳化的随后工序，通常在惰性环境中进行，其间发生原子的移除而不是形成最终的石墨结构的碳化结构。碳化工艺通常在两阶段中进行：低温的第一阶段(350-950℃、400-900℃，在当前实践中)和第二高温阶段(1000-1800℃、1000-1450℃，在当前实践中)。

在碳化工序的所有阶段期间，因此释放HCN、NH₃和N₂，并且还释放CO、CO₂和H₂O，取决于空气中氧化处理期间PAN纤维所结合的O₂含量。在高于1000℃的处理后，PAN纤维已经被转换为含大约95％碳和5％氮的碳纤维。

在碳化工序期间，纤维经受横向收缩，由于损失了大约50％的原始重量导致其直径上的减少；相反，相应的纵向收缩几乎完全被机械地抵消，导致产生更大的有助于增强碳纤维最终机械性能的分子定向。

机械上，为执行氧化步骤和碳化步骤，使用大炉生产线。典型地，氧化发生在具有逐渐增加的温度的几个连续工位中，其中原丝纤维通过沿水平前进和返回的路径移动它们的一系列辊(回转辊)推进，从而使它们保持张力。

在碳化炉中，随后工位的温度是相继的、典型地只应用于在单个输入辊和输出辊之间拉伸的原丝纤维的T形部分(a tau portion)。

因此，每个辊在其端部处支撑，且如果需要，通过适合的电机致动旋转。

在碳化的下游，生产线典型地包括一系列“精整”工位，其中碳纤维经受一系列化学或热处理以备它的使用。

通过实例，这些精整工位包括以下的一个或多个：