李军 丁月里 邹健（中安信科技有限公司，河北廊坊 065000）

如何减少碳纤维碳化过程中氧和水汽对石墨和碳纤维的氧化

李军 丁月里 邹健（中安信科技有限公司，河北廊坊 065000）

聚丙烯腈基碳纤维碳化过程为关键过程，低温碳化炉和高温碳化炉为关键设备，其核心技术是宽口碳化炉及其配套的迷宫密封，防止是空气和运行丝束中的氧气和水汽进入碳化炉是生产中的重中之重，一种新式的密封设计彻底解决了此问题，可大大延长碳化炉的使用寿命，并提高碳纤维的力学性能。

碳纤维；碳化炉；迷宫密封；露点和氧含量

在制造聚丙烯腈基碳纤维过程中，碳化过程是一复杂的物理化学变化和结构转化的过程，是在惰性气体保护下发生热分解、热缩聚过程。其结果使预氧丝的梯形结构转化为碳纤维的乱层石墨结构。

在碳化工段，关键设备是碳化炉，核心技术是炉口的设计以及配套的迷宫密封装置。碳化炉分为低温碳化炉（300-800℃）和高温碳化炉（900-1600℃）两种，两者形成温度梯度，使固相碳化循序进行，使结构转化可控进行。两者的共同特点是在惰性气氛中进行化学反应，防止炉外空气向炉内渗入是一个核心技术，即高效迷宫密封装置成为配套的技术关键设备之一。特别是碳化炉的炉口宽在1m以上，如此宽的路口密封技术成为设计碳化炉的主要技术难度之一。现在提出的所谓“大通道”碳纤维生产线，全线几乎不收幅，这就需要设计宽口碳化炉。开口小的碳化炉，必然形成收幅（由预氧化炉到低温碳化炉）和扩幅（由高温炉到表面处理）的现象出现，导致乱位和毛丝、断丝现象出现，导致碳纤维性能下降，严重影响到制取优质单向预浸料，限制其应用范围【1】。

碳化是在惰性气氛中进行热解和缩聚反应，碳化炉内不能有氧的存在。但是仍有微量氧和水汽进入碳化炉内。氧和水汽进入碳化炉内有三种路径，即：

(1)扩散进入：在浓差作用下，通过丝束进出口进入炉内；

(2)吸附进入：单丝之间吸附或夹带的空气随丝束运行带入炉内，大丝束更为严重；

(3)密封高纯氮其中的微量氧和水，一般要求氧和水含量应在2ppm以下。

1 传统的氮气密封设计

碳化炉两端的非接触式迷宫密封装置就是防止炉外空气渗入炉内和炉内废气渗到炉外的装置。传统碳化炉为卧式碳化炉的非接触式迷宫密封装置。挡板之间构成膨胀室，挡板数在6块以上，构成5个以上的膨胀室；氮气入口至少在2个以上，最好是每个膨胀室有一个氮气入口，氮气的喷出速度在0.1-1.0m/s之间，喷出气流方向就目前各国生产的碳化炉基本都为垂直运行丝束方向，遇到平板，产生乱流，吹扫丝束单丝之间吸附或夹带的空气，可防止丝束把空气带入碳化炉。吹扫效果列于表1，由表1列出的数据可知，当N2的喷出速度低于0.1m/s时气封效果差，炉内微量氧含量高达32PPM，露点高达8℃，毛丝数多；当喷射速度大于1.0m/s时，耗气量大，气封效果没有显著提高；当N2喷出速度稳定在0.5m/s时，气封吹扫效果较好，而丝束下方为扁平结构的气封吹扫效果比膨胀室好【2】。

经过调节各种工艺参数，碳化炉内的微量氧含量仍在10-25ppm之间，露点也在-5℃至8℃之间。这样的氧含量和露点，在高温情况下氧和水汽会腐蚀高温碳化炉的石墨马弗，降低高温炉的使用寿命，并且在高温工况下氧化正在碳化过程中的碳纤维，降低碳纤维的力学性能，导致无法生产出高性能的碳纤维。

表1 迷宫密封机构及密封吹扫结果

2 先进的氮气密封设计

中安信科技有限公司设计的碳化炉氮气密封装置摒弃了原有传统的单纯用对流产生乱流的方式除去进入碳化炉的碳纤维中的氧气和水汽，传统的氮气密封设计氮气与丝束的运行方式主要为垂直吹风的方式，夹杂在丝束中氧气和水即使被氮气吹出来，由于气流混乱不稳定乱串导致部分氧气和水汽进入炉体内，导致石墨被氧化，我们设计的氮气密封吹风方式采用与丝束有相同的夹角，比之传统的垂直吹风有以下优点：

(1)氮气密封腔内的氮气流向一致，带动丝束中微氧和水汽也随之一致流动；

(2)氮气流与丝束运行方向为反向，可彻底的除去丝束中微氧和水汽；

(3)氮气流形成多道向外的气帘，使外界的空气无法进入炉内。详见图一：

图一

我们采用与丝束不同的夹角，不同风速的情况下进行实验，统计碳化炉中氧含量和露点的数据，详见表2。由表中可见当N2的喷出速度为0.5m/s时，与丝束夹角为70度时，气封效果差，炉内微量氧含量为12PPM，露点-5℃；当喷射速度0.8m/s时，耗气量大，气封效果没有显著提高。当N2期喷出速度稳定在0.5m/s时，与丝束夹角为45度和40度时，氧含量和露点最好，但是夹角为40度时毛丝较多，且大量的氮气直接吹出炉外，所以夹角为45度时为最佳。碳化炉入口氮气密封通过此次改造，大大降低了入口处氧和水汽的含量，降低了对高温炉的石墨的腐蚀，提高了高温炉内石墨马弗的寿命，碳纤维的力学性能也提高了5%。

表2 氮气喷出与丝束的夹角不同的吹扫结果

3 结语

(1)碳化炉氮气密封吹风与丝束运行垂直除氧和水汽的效果不好，应采取与丝束约45度夹角的向外吹风的方式除氧效果更佳；

(2)除氧氮气的流向应与丝束的运行方式相反，这样形成一股稳定的向外的气帘和气流，可以更容易的将丝束中的空气带出炉体外，以防空气乱串；

(3)碳化过程中低氧含量和露点是生产高性能碳纤维的前提。

[1]贺福.碳纤维及其应用技术[M].北京:化学工业出版社, 2004.

[2]贺福，李润民生产碳纤维的关键设备-碳化炉（中国科学院山西煤炭化学研究所，太原030001）.

邹健：（1978-），男，湖北武汉人，博士，主要从事高强及高模量碳纤维生产及工艺的研究

李军（1983-），男，山东威海人，本科，主要从事高强及高模量碳纤维生产及设备的研究。

丁月里（1984-），女，湖南衡阳人，本科，主要从事高强及高模量碳纤维生产及设备的研究，碳纤维原丝、碳丝及复材的检测及研究。