一种低成本碳纤维的制备系统

1.本实用新型涉及化工新材料技术领域，特别是涉及一种低成本碳纤维的制备系统。


背景技术：

2.沥青基碳纤维属于高性能纤维产品，在航空航天、风电、汽车、土木和休闲用品等领域有着广泛的应用。当前，由于沥青产地众多、品质低下、分子结构差异性强等特点，无法满足市场需求，且核心技术多掌握在日本、美国和欧盟等相关国家。
3.已公开的专利中涉及多种沥青类碳纤维制备系统。例如：专利cn202936527u提供了一种沥青碳纤维连续不熔化装置，它能满足沥青纤维短切丝、定长丝、毡等各种形态的不熔化要求。专利cn202989480u公开了一种碳纤维生产装置，可实现熔喷法制备沥青基碳纤维毡，成毡均匀，毡厚度可调，具有工艺简单、可操作性强等特点。专利cn208038604u设计了一种中间相沥青碳纤维原丝合股的装置，可采用空气交络方式实现每股纤维原丝进行交络合股，减少对原丝表面的损伤和断丝毛丝，保证后续碳化工艺中不会再重新分开。专利cn113897689一种低成本碳纤维的制备系统发明了一种中间相沥青碳纤维纺丝组件，可使熔体在组件中的停留时间基本相等，使原丝性能具有良好的一致性。专利cn203959519u设计了一种中间相沥青纺丝收卷装置，可提高对收卷过程中的张力测量和精准控制，克服中间相沥青碳纤维在收卷过程中因较大脆性易断的缺点。专利cn204398292u发明了一种沥青碳纤维原丝纺丝的双螺杆挤出装置，可利用风机控温口及加热块保证熔体流量的均匀性。专利cn204401156u公开了一种沥青碳纤维原丝纺丝装置，采用啮合异向双螺杆能有效保证熔体流量的均匀性，实现灵活切换、自动化等有点，提高生产效率。
4.以上相关专利均重点阐述纺丝组件，未涉及油砂及油砂废料中的重质成分制备低成本碳纤维过程中的核心部件。


技术实现要素：

5.本实用新型针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种低成本碳纤维的制备系统，包括纺丝装置、酸处理装置和氧化碳化装置，用于油砂或油砂废料制备低成本碳纤维，纺丝装置设有分段式加热模块，分段式加热模块包括若干可调节温控区；酸处理装置设有陶瓷基板和强酸溶液容器，陶瓷基板上沿纤维原丝长度方向设有两个固定点；氧化碳化装置设有管式炉内胆、加热装置，管式炉内胆两端分别设有氮气入口和氮气出口。
6.本实用新型进一步限定的技术方案是：
7.前所述的一种低成本碳纤维的制备系统，纺丝装置采用单孔纺丝喷头。
8.前所述的一种低成本碳纤维的制备系统，可调节温控区设置为逐级升温后微调模式。
9.前所述的一种低成本碳纤维的制备系统，可调节温控区升温至190～240℃后微调。
10.前所述的一种低成本碳纤维的制备系统，可调节温控区的各温控区温度梯度小于10℃。
11.本实用新型的有益效果是：
12.(1)本实用新型采用单孔熔融纺丝装置，能够有效观测纺丝连续性等特征参数，有利于纺丝工艺参数快速调整及优化；分段加热保证油砂及油砂废料中的重质成分温度均匀性，不仅有利于纺丝操作，也能够有效研究腔体温度变化对原丝纺制质量的影响；
13.(2)本实用新型中设有氮气通入和排出装置，易于调节压力，可实现对纺丝气体参数的有效调整优化；
14.(3)本实用新型中酸处理装置易于搭建，采用陶瓷基板即可将纤维原丝进行固定，保持有序性；通过简单的玻璃容器即可实现原丝酸处理，可防止纤维在后续氧化碳化中发生熔化粘接现象。
附图说明
15.图1为本实用新型的纺丝机示意图；
16.图2为本实用新型的纺丝机分段加热示意图；
17.图3为本实用新型的酸处理装置示意图；
18.图4为本实用新型的氧化碳化装置示意图；
19.其中：1、分段式加热模块；2、收丝滚筒；3、喷丝板；4、温控区一；5、温控区二；6、温控区三；7、陶瓷基板；8、强酸溶液容器；9、管式炉内胆。
具体实施方式
20.本实施例提供的一种低成本碳纤维的制备系统，结构如图1-4所示，用于油砂或油砂废料制备低成本碳纤维，纺丝装置采用单孔纺丝喷头，设有分段式加热模块1，分段式加热模块1包括若干可调节温控区，可调节温控区设置为升温至190～240℃后微调模式，各温控区温度梯度小于10℃；酸处理装置设有陶瓷基板7和强酸溶液容器8，陶瓷基板7上沿纤维原丝长度方向设有两个固定点；氧化碳化装置设有管式炉内胆9、加热装置，管式炉内胆9两端分别设有氮气入口和氮气出口。
21.将块状油砂及油砂废料中的重质成分研磨成细粉，按照投料比80:1～1:1进行溶剂脱沥青等方法处理，将经过处理后的原料装入纺丝机腔体，密封纺丝机上端口，通入氮气，通过纺丝机气体阀调节纺丝机内部压力，通过模块加热装置设定不同温控区温度。优化参数后，对所获得的原料进行熔融纺丝。纺丝滚筒启动，在200转/分钟情况下，纺丝可连续120min不中断，可连续纺丝10～20km以上，原丝纤维直径为10～20μm。在1200转/分钟情况下，纺丝可连续10min不中断，可连续纺丝3～5km，原丝纤维直径为5～20μm。
22.任意选择上述制取的一束纤维，对所获得的原丝进行酸处理，酸处理选择10％浓度硝酸，将将一束纤维均匀铺放在陶瓷基板7表面，用胶水固定两点，再浸渍到酸溶液之中，浸渍时间为5～30min，取出，自然晾干纤维，对氧化碳化后纤维进行分离，如若容易分离，说明酸处理效果好，如果分离困难，说明酸处理条件需要调整。
23.对处理后的纤维进行氧化和碳化处理，氧化在空气氛下进行，碳化在氮气氛围下进行。所获得的碳纤维具有优异的力学性能，且含碳量高，拉伸强度可达1000～3000mpa，杨
氏模量可达100～200gpa。可通过调节氧化碳化参数，调节纤维脆性及拉伸强度和拉伸模量。
24.利用高温加热线圈将油砂及油砂废料中的重质成分加热融化，用惰性气体挤压投料，将熔融的油砂及油砂废料中的重质成分通过腔体加压，然后可连续、定量且均匀地从喷丝孔挤出，在无溶剂状态下冷凝成纤维原丝，通过收丝滚筒2可实现不同速度的原丝纺制。
25.由于油砂及油砂废料中的重质成分(包括但不仅限于沥青质、还包括溶剂脱沥青等方法获得的各类重质成分)本征软化点低，如果直接进行氧化碳化处理，极易产生熔化粘接现象，导致工艺流程无法进行。在氧化之前进行酸处理可以有效地抑制熔化粘接现象，有利于后续氧化碳化处理。
26.综上所述，上述纺丝装置能够单丝纺制，易于观察原丝质量，并采用分段加热模块，可有效调节原料各区间温度，保证油砂及油砂废料中的重质成分温度均匀性或温度梯度，有利于纺丝操作。酸处理装置简单易得，操作工艺简单，可防止纤维在后续氧化碳化中发生熔化粘接现象。氧化碳化装置可接入不同气体，转化方便，采用多步骤快速升温，减少能耗。
27.除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式；凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。


技术特征：
1.一种低成本碳纤维的制备系统，包括纺丝装置、酸处理装置和氧化碳化装置，其特征在于：用于油砂或油砂废料制备低成本碳纤维，所述纺丝装置设有分段式加热模块(1)，所述分段式加热模块(1)包括若干可调节温控区；所述酸处理装置设有陶瓷基板(7)和强酸溶液容器(8)，所述陶瓷基板(7)上沿纤维原丝长度方向设有两个固定点；所述氧化碳化装置设有管式炉内胆(9)、加热装置，所述管式炉内胆(9)两端分别设有氮气入口和氮气出口。2.根据权利要求1所述的一种低成本碳纤维的制备系统，其特征在于：所述纺丝装置采用单孔纺丝喷头。3.根据权利要求1所述的一种低成本碳纤维的制备系统，其特征在于：所述可调节温控区设置为逐级升温后微调模式。4.根据权利要求3所述的一种低成本碳纤维的制备系统，其特征在于：所述可调节温控区升温至190～240℃后微调。5.根据权利要求3或4所述的一种低成本碳纤维的制备系统，其特征在于：所述可调节温控区的各温控区温度梯度小于10℃。

技术总结
本实用新型公开了一种低成本碳纤维的制备系统，涉及化工新材料技术领域，包括纺丝装置、酸处理装置和氧化碳化装置，用于油砂或油砂废料制备低成本碳纤维，纺丝装置设有分段式加热模块，分段式加热模块包括若干可调节温控区；酸处理装置设有陶瓷基板和强酸溶液容器，陶瓷基板上沿纤维原丝长度方向设有两个固定点；氧化碳化装置设有管式炉内胆、加热装置，管式炉内胆两端分别设有氮气入口和氮气出口。能够单丝纺制，易于观察原丝质量，分段加热可有效调节原料各区间温度，保证油砂及油砂废料中的重质成分温度均匀性或温度梯度，有利于纺丝操作。操作。操作。


技术研发人员：左沛元 林绍梁 庄启昕
受保护的技术使用者：华东理工大学
技术研发日：2022.03.09
技术公布日：2022/7/7