ВАКУУМНАЯ КАМЕРА ПРОТЯЖНОГО ТИПА ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ ПРЕДШЕСТВЕННИКА С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗ НЕГО УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА

Область применения
Полезная модель относиться к устройствам для получения углеродного волокна путем термообработки предшественника, такого например как полиакрилонитрил, пек, целлюлоза и т.д. и может быть использована в химической промышленности для производства углеродного волокна.
Уровень техники
Известны устройства для проведения термообработки углеродного волокна.
Известны многочисленные устройства для проведения карбонизации или графитации углеродного волокна, в которых волокно протягивают между двух нагреваемых пропусканием через них постоянного тока графитовых пластин (электродов) или через нагреваемый постоянным током графитовый цилиндр (электрод). За счет нагрева графита нагревается и пропускаемое через него углеродное волокно. Однако такого рода устройства не могут работать непрерывно в течение более чем два десятка часов. После рабочего цикла подобных устройств, требуется многодневный ремонтный период, для замены вышедших из строя графитовых электродов. Устройства очень металлоемки, потребляет значительное количество энергии, производительность их не очень высока. «Углеродные волокна, (У.В.) волокна, состоящие в основном из углерода. У.в. обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температура обработки может составлять менее 900°С (такие У.в. содержат 85-90% углерода), 900-1500°С (95-99%) или 1500-3000°С (более 99%). Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения У. В. могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков.» (см. Большая советская энциклопедия).
Известен способ окисления предшественника, например полиакрилонитрила, когда предшественник наматывают на обечайку (выполненную, например: - из алюминия), затем эту жесткую паковку помешают в шахтную печь, где в течение многих часов подвергают нагреву от 120 до 280-290°С. (См. Варшавский В.Я. Углеродные волокна - 2005 г.) При данном способе обработки, отсутствует возможность управления вытяжкой волокна, что отрицательно сказывается на прочности получаемых из этой нити углеродных волокон.
Известен также метод для производства высокопрочного углеродного волокна (патент JP 2007070742,
D01F 9/22; D01F 9/32; D01F 9/14 от 22.03.2007). Метод основан на преобразовании предшественника - полиакрилонитрильного волокна и получении высокопрочного углеродного волокна через последовательное прохождение им от этапа термообработки волокна предшественника при температуре в 200-300°С на открытом воздухе, затем с предварительным коксованием - термообработанного предшественника при максимальной температуре в 600-800°С в инертной среде, и этапом коксования - термообработки получаемого волокна предшественника при максимальной температуре в 1000-3000°С в инертной среде; причем перед предварительным коксованием обработка проводится при обычном давлении.
Аналогично предыдущему, волокно на выходе из такой печи имеет приемлемое качество. Однако такая печь имеет значительные размеры (поскольку необходимо формировать несколько температурных зон для протяжки волокна), ее конструкция очень металлоемка, она потребляет значительное количество энергии. Кроме того, в работе такой печи есть недостатки. Волокно в процессе окисления в силу проходящих в нем химических реакций начинает, выделять тепло и это тепло с него необходимо отводить, для того чтобы волокно не расплавилось. Это обеспечивается за счет прокачки через печь значительных объемов нагретого воздуха, что также не способствует ее экономичности. Процесс в такой печи также остается очень непроизводительным.
2
2
В патенте А.С. СССР №1816822 от 1993 года МПК D01F 9/22 описан способ получения высокопрочного, высокомодульного волокна, по которому для получения волокна с заявленными в патенте характеристиками - прочность 390-480 кг/мм, модуль упругости 22000-50000 кг/мм, окисленное обычным способом волокно из полиакрилонитрила ПАН термообрабатывают в три стадии. На первой при температуре 400-450°С под натяжением обеспечивающим вытяжку волокна на 1-10% до уменьшения массы окисленного волокна на 13-16%, На второй стадии при 600-630°С под натяжением обеспечивающим усадку волокна на 1-3,5% от длинны волокна после первой стадии термообработки, до уменьшения массы волокна после первой стадии на 14-15,5%. На третьей стадии 0,25-2,5 минуты при 1100-2500°С под натяжением, обеспечивающим усадку волокна на 1-5% от длинны волокна после второй стадии.
Условно можно считать, что в данном изобретении при температурах обработки до 630°С происходит предкарбонизация волокна, и при температурах обработки 1100-2500°С карбонизация и графитация.
Однако этот способ и используемое для его осуществления оборудование принципиально не отличается от используемых сегодня на практике и имеет те же недостатки: - большая металлоемкость оборудования, огромные затраты энергии, низкая скорость проведения процессов и соответственно низкая производительность.
Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.
Техническим результатом полезной модели является повышение производительности и снижении тепловых нагрузок на оборудование.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана схема устройства вакуумной камеры.
Сущность устройства
-1
-7
Заявленный технический результат достигается за счет того, что вакуумная камера для термообработки углеродного волокна, выполненная без элементов резистивного нагрева, с возможностью создания в рабочей зоне камеры (1) давления на уровне 10 - 10 торр, содержащая устройство протяжки (4) волокна и его нормируемой вытяжки, отличается тем, что содержит систему откачки (2), а также систему подвода (3) к ней СВЧ энергии.
В рабочей камере (1) могут быть установлены непроницаемые для СВЧ излучения перегородки (8). Камера может быть выполнена в виде двух разъемных плит (на чертеже не показано), в каждой из которых содержатся половинки соответствующих профилей и объемов, повторяющих по своей конфигурации профили и объемы рабочей камеры, выполненной с помощью деталей, имеющих форму фигур вращения.
Система подвода СВЧ энергии (3) может состоять из СВЧ генератора (5), системы подвода (6) к разрядной камере СВЧ энергии (волноводов), а также систему защиты (7) персонала от его возможных утечек, выполненную путем организации вокруг камеры металлического экрана непроницаемого для СВЧ излучения.
Устройство основано на том, что нагрев волокна до требуемой на каждом этапе термообработки температуры осуществляется за счет поглощения волокном подаваемой в рабочую камеру СВЧ энергии.
Протяжная вакуумная камера для получения углеродных волокон может быть выполнена любым известным способом строительства такого рода систем.
Преимущественной формой вакуумной рабочей камеры является цилиндрический резонатор, по оси симметрии которого протягивается волокно, подвергаемое термообработке.
Вакуумная рабочая камера оборудуется собственной системой откачки, производительность которой определяется из условия поддержания в ней постоянного требуемого давления, при расчетах учитывается объем выделяющихся при нагреве из волокна газов.
Углерод великолепный микроволновый поглотитель и в принципе способен нагреваться СВЧ энергией вплоть до полного его испарения. Однако углеродные волокна являются проводником электрического тока, и их средний диаметр составляет 6-9 мкм. Сочетание этих характеристик углеродного волокна приводит к тому, что рядом с волокном напряженность электрического поля
резко возрастает и при наличии вокруг углеродного волокна газовой среды с определенным давлением в ней неминуемо возникает плазма. Образующаяся плазма становится непроницаемым для СВЧ энергии барьером. Практически вся вводимая в камеру мощность будет поглощаться плазмой, при этом нагрев углеродного волокна будет происходить уже не за счет поглощения им СВЧ энергии, а за счет контакта углеродного волокна с «горячей» плазмой. В некоторых случаях такой «плазменный» тип нагрева не очень удобен, например: - при одновременном нагреве более 300000-400000 элементарных волокон углеродного волокна. Поскольку придется поддерживать плазму с одинаковыми температурными параметрами в довольно большом объеме, что является довольно не простой инженерной задачей. Кроме того, создание довольно больших объемов «горячей» плазмы будет негативным образом сказываться на тепловой устойчивости конструкции камеры нагрева.
Поэтому для высокотемпературной обработки больших жгутов углеродного волокна лучше использовать прямой нагрев углеродного волокна за счет поглощения им СВЧ энергии. Для этого надо создать в камере условия, при которых плазма или не образуется совсем, либо при ее наличии в камере, не оказывает существенного влияния на поглощение углеродом СВЧ энергии.
-1
-1
-7
Для этого необходимо проводить обработку углеродного волокна в вакууме с параметрами не хуже чем 10 торр. Предлагаемая полезная модель полностью отвечает этому требованию, поскольку позволяет создавать в проходной камере нагрева давление в диапазоне от 10 до 10 торр, что более чем достаточно, для осуществления нагрева углеродного волокна за счет поглощения им поступающей в камеру СВЧ энергии. В этом случае одновременному нагреву подвергаются только граммы волокна, тепловая нагрузка на стенки камеры минимальна и в связи с этим сама конструкция такой камеры значительно упрощается и она может быть выполнена, из обычных конструкционных материалов типа меди или алюминия, жаропрочные материалы становятся не нужны.
Принципиальная схема вакуумного устройства предназначенного для тепловой обработки предшественника с целью получения из него углеродного волокна приведена на Фиг.1.
Вакуумное устройство состоит из рабочей вакуумной камеры нагрева, оборудованной системой откачки, а также системой подвода к ней СВЧ энергии. В качестве вакуумной камеры нагрева может использоваться, например: обычный цилиндрический волновод или цилиндрическая резонаторная камера. В качестве системы откачки может использоваться, например, дифференциальная система откачки.
Посредством установки в рабочей камере непроницаемых для СВЧ излучения перегородок (8) она может быть разделена на несколько зон, тепловой обработки, в каждую из которых СВЧ энергия может подаваться раздельно от своего генератора. Для каждой вновь образованной камеры нагрева может быть организована собственная система откачки. Такая конструкция камеры позволяет проводить одновременно в одной камере все три операции по тепловой обработке волокна,
предкарбонизацию, карбонизацию и графитацию. Такая конструкция камеры может быть использована и в том случае, когда производительности вакуумного насоса не хватает для компенсации газовыделения из нагреваемого волокна, что особенно актуально при проведении предкарбонизации и карбонизации. В этом случае такая конструкция, позволяет, путем последовательного повышения температуры в каждой камере разбить зону активного газовыделения на несколько участков и использовать для каждой такой зоны вакуумный насос с меньшей производительностью.
Для упрощения первоначальной заправки волокна в данное устройство оно может быть выполнено и в виде двух разъемных плит, в каждой из которых выполнены половинки соответствующих профилей и объемов, повторяющие по своей конфигурации профили и объемы рабочей камеры выполненной обычным способом с помощью деталей имеющих форму фигур вращения.
Принцип работы устройства
Принцип работы устройства основан на использовании СВЧ излучения для нагрева до необходимой температуры углеродного волокна при его многоэтапной обработке.
3
-2
Пример. Волокно предшественник термообрабатывали СВЧ излучением; на первой стадии термообработки производили окисление волокон в неравновесной низкотемпературной плазме до получения волокон с показателем плотности 1,38-1,43 г/см, на второй стадии термообработку вели в инертной среде, в вакууме с давлением ниже 10 торр, при нагревали окисленное волокно до 400-450°С, на третьей стадии термообработки волокно нагревали до температуры 600-650°С, и на четвертой стадии термообработки волокно обрабатывали при температуре 1100-4500°С. Вторую стадию термообработки вели под натяжением, обеспечивающим вытяжку волокна на 1-9%, до уменьшения массы волокна на 12-16%.
Третью стадию термообработки вели под натяжением, обеспечивающим усадку волокна на 0,5-4% от длинны волокна после первой стадии термообработки. Четвертую стадию термообработки вели под натяжением, обеспечивающим усадку волокна на 1-7% от длинны волокна, после третьей стадии термообработки.
2
2
Характеристики полученного углеродного волокна прочность на разрыв составила 390-480 кг/мм, модуль упругости 22000-50000 кг/мм.
-2
-5
Получение углеродного волокна в данной полезной модели включает проведение предкарбонизации, карбонизации и графитации с использованием энергии электромагнитного поля высокой частоты (СВЧ энергии). В этом устройстве, где для нагрева углеродного волокна используется СВЧ излучение, нагрев волокна происходит за счет поглощения углеродом СВЧ излучения, плазма не образуется, поскольку в этом устройстве постоянно поддерживается низкое давление на уровне 10 - 10 торр (мм ртутного столба).
В результате решается задача снижения затрат энергии, процессы существенным образом ускоряются (по сравнению с традиционными технологиями до 10 раз).
-2
-5
В качестве генераторов энергии могут быть использованы любые известные генераторы СВЧ энергии (магнетроны, клистроны и т.д.), работающие на разрешенных в промышленности частотах. Оптимальное давление инертного по отношению к углероду газа составляет 10 - 10 торр (мм. рт. столба), при этих давлениях, возникающая в устройстве плазма практически не оказывает никакого влияния на поглощение волокном СВЧ излучения, за счет, которого и происходит нагрев волокна до требуемой температуры.
При использовании такой обработки резко снижается тепловая нагрузка на оборудование. В устройстве нет нагревательных элементов, нагреву в нем одномоментно подвергаются граммы волокна, тепловое излучение от которого несопоставимо по величине теплового излучения от нагревательных элементов. Это резко снижает материалоемкость оборудования, и снимает с него излишние тепловые нагрузки. В условиях низкого давления конвективный теплообмен практически равен нулю. И потери энергии затраченной на разогрев волокна возможны только за счет лучистого теплообмена. При температуре обработки волокна свыше 2500°С они очень велики, и намного превышают СВЧ мощность требуемую для нагрева волокна без учета потерь на лучистый теплообмен. Избежать этих потерь довольно просто. Волокно при нагреве должно находиться по оси симметрии цилиндрической камеры (волновода) выполненного из полированного алюминия или волновода с напыленными на его стенки покрытия из серебра или золота. Эти металлы обладают очень большим коэффициентом отражения инфракрасных лучей и позволяют вернуть до 96-97% лучистых потерь обратно на волокно.
Согласно полезной модели тепловая обработка волокна проводиться в вакуумируемой камере, через которую осуществляется непрерывная протяжка волокна.
Это позволяет использовать оборудование непрерывно в течение сотен и тысяч часов. Непрерывная обработка волокна в диапазоне температур от 400 до 4000°С позволяет проводить обработку волокна с его максимальной сохранностью, что с одной стороны связано с тем, что волокно не набравшее необходимую прочность является довольно хрупким материалом и каждая лишняя намотка волокна на паковки приводит к его обламыванию. С другой стороны волокно в процессе непрерывной термообработки не набирает кислород из воздуха, что неизбежно в случае его последовательной тепловой обработки, когда, попадая в следующий этап термообработки кислород выгорает, разрушая структуру волокна и это существенно отражается на его прочностных показателях.
Непрерывность обработки волокна позволяет повысить производительность.