一种循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的方法和系统。该方法包括将碳纤维生产过程中预氧化阶段和碳化阶段的尾气经过净化处理后得净化尾气，在500℃～600℃条件下，采用净化尾气对碳化阶段得到的碳纤维进行表面处理。本发明提供的循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的方法，对净化后的尾气再回收，实现循环利用，减少了废气排放；经表面处理后的尾气可经过进一步处理排放，有利于提高尾气处理效果，减轻环境压力；碳化、表面处理过程可在同一设备中进行，节约了表面处理设备，同时合理利用碳化阶段降温时释放的热能，实现了能源的回收利用。
【专利说明】
一种循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的方法及系统
技术领域
[0001] 本发明属于碳纤维生产领域，具体涉及一种循环利用尾气对碳纤维进行表面处理 的方法及系统。
【背景技术】
[0002] 碳纤维是一种新型碳材料，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、低热膨胀、 高导热导电等一系列优异的性能，被广泛应用于航空航天、军事国防以及体育用品等领域， 是先进复合材料的主要增强体之一。碳纤维是以沥青或聚丙烯腈为原料，经过预氧化、碳 化、表面处理而得到的。
[0003] 预氧化阶段是将聚丙烯腈等原丝送入预氧化炉，通入热空气或氧气进行不熔化处 理，制得预氧丝;预氧化过程是在有氧存在的情况下，链断裂聚合环化的过程，该过程的工 艺温度一般为200~300°C，尾气主要为空气(氧气）、!0^、順3、0)等。碳化阶段是在惰性气体 保护下，将预氧丝内非碳元素如Ν、Η、0等排出，分子间因脱氢或脱氧而交联，末端链分解而 释放出NH 3;碳化阶段的温度一般为850~1200°C，尾气主要为惰性气体(N2)、HCN、NH3等。碳 化阶段得到的碳纤维，由于经过了高温碳化或石墨化，使得碳纤维表面活性较低，与树脂的 浸润性较差，导致碳纤维复合材料层间剪切强度降低，不能满足工程设计所需的强度;为了 使碳纤维与树脂的浸润性增加，由憎液性变为亲液性，就需要对其表面进行处理，以提高其 表面能，满足设计和实用的要求。
[0004] 目前碳纤维的表面处理方法有液相氧化法、阳极电解氧化法、气相氧化法、等离子 体氧化法等;表面处理的作用表现在:①清洁碳纤维表面，防止弱界面层的生成;②去除最 初弱连接的碳层，在纤维表面形成微孔和刻蚀沟槽，增大比表面积，生成适合粘接的表面形 态;③在碳纤维表面引进或嫁接具有极性或反应性的基团，增强表面活性，增大纤维和基体 间的化学键合力。
[0005] 碳纤维的生产过程中，预氧化、碳化、表面处理等步骤都会产生大量的废气，这些 废气含有此1順3、0)、^)、!1 23等有害成分，如何对废气进行处理和综合利用对于降低能耗、 减轻环境压力、节约生产成本具有重要作用。杨平平（山西冶金，2011年第6期)介绍了碳纤 维工业废气的处理技术，对于HCN、NH 3等有毒气体可通过活性碳纤维吸附法、吸收法或燃烧 法进行处理。CN102954700A公开了一种碳纤维生产废气的综合处理利用方法，其是将碳化 阶段的高温废气经燃烧除去有害气体后，分别与氧化阶段的一级废气进行一级换热，与碳 化阶段通入的惰性气体进行二级换热，与预氧化阶段所需的新鲜空气进行三级换热来实现 热量的充分利用。
[0006] 现有技术中，预氧化阶段和碳化阶段的尾气均采用燃烧排放或吸附法处理，不但 增加了成本而且对环境有一定的污染，碳纤维生产过程中的尾气和余热没有实现充分利 用。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的方法，从而解决 现有技术中，碳纤维生产过程中的尾气和余热没有充分利用的问题。
[0008] 本发明的第二个目的是提供一种循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的系统。
[0009] 为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
[0010] 一种循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的方法，包括:将碳纤维生产过程中预 氧化阶段和碳化阶段的尾气经过净化处理后得净化尾气，在500°C~600°C条件下，采用净 化尾气对碳化阶段得到的碳纤维进行表面处理。
[0011]所述的净化处理可通过常规的净化处理方法或装置对预氧化阶段和碳化阶段的 尾气进行处理，以除去尾气中的1〇^、順3、0)、繼、!123等有毒气体，使得预氧化阶段的尾气经 过处理为主要成分为空气或氧气，碳化阶段的尾气经过净化处理后主要成分为惰性气体 (如氮气、氩气等）。净化处理可采用活性碳纤维吸附法、转化法等的一种或组合。优选的，所 述净化处理是利用活性碳纤维进行吸附处理。
[0012] 净化尾气中氧气浓度为20~80%。表面处理的时间为1~15min。优选的，净化尾气 中氧气浓度为40~80%。表面处理的时间为3~5min。可通过控制混合气体中的氧含量和表 面处理时间，来控制表面处理的程度。
[0013] 碳化阶段的温度为850~1200 °C，可选择当碳化炉的温度降至500 °C~600 °C时，通 入净化尾气对碳化阶段得到的碳纤维进行表面处理，从而在充分利用碳化炉的余热的同 时，节约了表面处理设备。
[0014] 碳化阶段的尾气经过净化处理后，可循环用于预氧丝的碳化。
[0015] 本发明提供的循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的方法，对净化后的尾气再回 收，实现循环利用，减少了废气排放;经表面处理后的尾气可经过进一步处理排放，有利于 提高尾气处理效果，减轻环境压力;碳化、表面处理过程可在同一设备中进行，节约了表面 处理设备，同时合理利用碳化阶段降温时释放的热能，实现了能源的回收利用。
[0016] -种循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的系统，包括预氧化炉1和碳化炉5,预 氧化炉具有进气口 2和排气口 3，碳化炉具有进气口 6和排气口 7，还包括尾气处理槽4，尾气 处理槽上设有进口 8和出口 9，进口 8分别与预氧化炉的排气口 3和碳化炉的排气口 7相连接， 出口 9用于排出表面处理用净化尾气。
[0017] 优选的，出口 9与碳化炉的进气口 6相连接。
[0018] 本发明提供的系统在运行时，聚丙烯腈等原丝在预氧化炉内经过预氧化得到预氧 丝，在碳化炉内碳化得到碳纤维;预氧化炉的进气口用于通入压缩空气或氧气，其排气口排 出预氧化阶段产生的尾气，碳化炉的进气口用于通过氮气或氩气等惰性气体，其排气口排 出碳化阶段产生的尾气;预氧化阶段的尾气和碳化炉的尾气经过尾气处理槽处理后形成一 定含氧量的混合气体，当碳化炉内的温度降至500 °C~600 °C时，将混合气体通入碳化炉内， 进行表面处理。
[0019] 上述系统还可包括具有进气口的表面处理炉，出口 9与表面处理炉的进气口相连 接。控制表面处理炉的温度为500°C~600°C，采用出口 9排出的净化尾气即可直接对碳化阶 段的碳纤维进行表面处理。
[0020] 可在预氧化炉、碳化炉的排气管道上设置阀门，通过控制预氧化阶段的尾气流量 和碳化阶段的尾气流量调节混合气体的含氧量，从而控制表面处理的程度。也可将碳化阶 段的尾气经过净化处理后返回进入碳化炉内，用于预氧丝的碳化。
[0021] 本发明提供的循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的系统，结构紧凑合理，节约 了表面处理设备，对碳化炉降温时释放的热能进行了回收利用，实现了预氧化阶段、碳化阶 段尾气的循环利用。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明实施例1循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的系统的示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0024] 实施例1
[0025] 本实施例的循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的系统，如图1所示，包括预氧化 炉1和碳化炉5，预氧化炉具有进气口 2和排气口 3，碳化炉具有进气口 6和排气口 7，还包括尾 气处理槽4,尾气处理槽上设有进口 8和出口 9,进口 8分别与预氧化炉的排气口 3和碳化炉的 排气口 7相连接，出口 9与碳化炉的进气口 6相连接。
[0026] 上述系统在运行时，原丝在预氧化炉内经过预氧化得到预氧丝，在碳化炉内碳化 得到碳纤维;预氧化炉的进气口用于通入压缩空气或氧气，其排气口排出预氧化阶段产生 的尾气，碳化炉的进气口用于通过氮气或氩气等惰性气体，其排气口排出碳化阶段产生的 尾气;预氧化阶段的尾气和碳化炉的尾气经过尾气处理槽处理后形成一定含氧量的混合气 体(净化尾气），当碳化炉内的温度降至500°C~600°C时，将净化尾气通入碳化炉内，进行表 面处理。
[0027] 可在预氧化炉、碳化炉的排气管道上设置阀门，通过控制预氧化阶段的尾气流量 和碳化阶段的尾气流量调节混合气体的含氧量，从而控制表面处理的程度。表面处理后的 尾气可经过净化处理后排放。
[0028] 实施例2
[0029] 本实施例的循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的系统，包括预氧化炉1、碳化炉 5和表面处理炉，预氧化炉具有进气口 2和排气口 3，碳化炉具有进气口 6和排气口 7，表面处 理炉具有进气口，还包括尾气处理槽4，尾气处理槽上设有进口 8和出口 9，进口 8分别与预氧 化炉的排气口 3和碳化炉的排气口 7相连接，出口 9与表面处理炉的进气口相连接。
[0030] 上述系统在运行时，原丝在预氧化炉内经过预氧化得到预氧丝，在碳化炉内碳化 得到碳纤维;预氧化炉的进气口用于通入压缩空气或氧气，其排气口排出预氧化阶段产生 的尾气，碳化炉的进气口用于通过氮气或氩气等惰性气体，其排气口排出碳化阶段产生的 尾气;预氧化阶段的尾气和碳化炉的尾气经过尾气处理槽处理后形成一定含氧量的混合气 体（净化尾气），将净化尾气通入表面处理炉，控制温度为500°C~600°C，进行表面处理即 可。
[0031] 实施例3
[0032] 本实施例的循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的方法，采用的系统如实施例1 所示，将碳纤维生产过程中预氧化阶段和碳化阶段的尾气经过净化处理后得净化尾气，当 碳化炉的温度降至500°C时，采用净化尾气(氧气含量为40%)对碳化阶段得到的碳纤维进 行表面处理3min，即得经过表面处理的碳纤维。
[0033] 实施例4
[0034] 本实施例的循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的方法，采用的系统如实施例1 所示，将碳纤维生产过程中预氧化阶段和碳化阶段的尾气经过净化处理后得净化尾气，当 碳化炉的温度降至550°C时，采用净化尾气(氧气含量为80%)对碳化阶段得到的碳纤维进 行表面处理3min，即得经过表面处理的碳纤维。
[0035] 实施例5
[0036] 本实施例的循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的方法，采用的系统如实施例1 所示，将碳纤维生产过程中预氧化阶段和碳化阶段的尾气经过净化处理后得净化尾气，当 碳化炉的温度降至600°C时，采用净化尾气(氧气含量为80%)对碳化阶段得到的碳纤维进 行表面处理5min，即得经过表面处理的碳纤维。
[0037] 试验例
[0038]本试验例对实施例3~5所得经过表面处理后的碳纤维的性能检测，结果如表1所 示，空白例为碳化阶段得到的碳纤维(未经表面处理）。
[0039] 表1实施例3~5的碳纤维经表面处理后的性能检测结果
[0040]
[0041] 由表1的试验结果可知，碳纤维经本发明的方法进行表面处理，其表面粗糙度最大 提高了47.6%，表面含氧量由未处理的3wt. %提高到21wt. %，层间剪切强度最高提高了几 乎62%;同时该方法对预氧化阶段和碳化阶段的尾气实现了循环利用，对碳化炉降温时的 余温进行了综合利用，在满足碳纤维产品性能的前提下，降低了能耗，减少了废气的排放， 节约了企业生产成本。
【主权项】
1. 一种循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的方法，其特征在于，包括:将碳纤维生产 过程中预氧化阶段和碳化阶段的尾气经过净化处理后得净化尾气，在500°c~600°C条件 下，采用净化尾气对碳化阶段得到的碳纤维进行表面处理。2. 如权利要求1所述的循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的方法，其特征在于，净化 尾气中氧气浓度为20~80%。3. 如权利要求1所述的循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的方法，其特征在于，表面 处理的时间为1~15min。4. 如权利要求1所述的循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的方法，其特征在于，当碳 化炉的温度降至500 °C~600°C时，通入净化尾气对碳化阶段得到的碳纤维进行表面处理。5. 如权利要求1~4任一项所述的循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的方法，其特征 在于，所述净化处理是利用活性碳纤维进行吸附处理。6. -种循环利用尾气对碳纤维进行表面处理的系统，包括预氧化炉（1)和碳化炉（5)， 预氧化炉具有进气口（2)和排气口（3)，碳化炉具有进气口（6)和排气口（7)，其特征在于，还 包括尾气处理槽(4)，尾气处理槽上设有进口（8)和出口（9)，进口（8)分别与预氧化炉的排 气口（3)和碳化炉的排气口（7)相连接，出口（9)用于排出表面处理用净化尾气。7. 如权利要求6所述的系统，其特征在于，出口（9)与碳化炉的进气口（6)相连接。8. 如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括具有进气口的表面处理炉，出口（9)与 表面处理炉的进气口相连接。
【文档编号】D01F11/12GK105862177SQ201610248487
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】乔月月, 郭海伟, 耿丽, 宋前前, 周苗苗, 王麦, 王一麦, 梁宁纳, 李俊姣, 徐红瑞, 葛颂
【申请人】郑州四维特种材料有限责任公司