[发明专利]碳素空心纤维及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于连续制造碳素空心纤维的方法、以及通过此方法 制造的碳素空心纤维。

背景技术

碳素空心纤维用于一系列的应用场合——例如用于吸附/解吸任务 中——以从气体或液体中去除低浓度的杂质，或者用于液体或气体分离的 领域，其中在这些情况下采用半透或多孔的碳素空心纤维。此外，碳素空 心纤维还用于纤维复合材料领域。

例如在EP0394449A1中介绍了多孔碳素空心纤维的制造。该公布的方 法设想，聚丙烯腈(PAN)基的聚合物A和可热分解的(可热解的)聚合 物B的溶液通过空心纤维喷嘴纺制以形成空心纤维，并通过这些纤维的凝 聚形成由聚合物A和B形成的空心纤维薄膜。所得到的空心纤维薄膜进行 氧化处理并接着进行碳化，期间可热解的聚合物B分解成低分子量的组分， 其从空心纤维薄膜中逸出。由此得到多孔的空心纤维薄膜。

在EP0252339B1中同样介绍了一种用于制造多孔碳素空心纤维薄膜 的方法，用这种方法进行具有孔的丙烯腈聚合物薄膜的碳化。聚丙烯腈薄 膜用肼溶液预处理，接着在180至350℃范围内的温度中预氧化，最后在 600至3000℃范围内的温度中碳化。公布电加热炉作为进行预氧化和碳化 的设备。EP0252339B1的薄膜适用于超滤和微滤领域，并具有在0.005至 3μm范围内的孔径。其壁厚在5至200μm范围内。在唯一的实施例中公开 碳素空心纤维薄膜的内径为700μm，壁厚为120μm。由于采用有毒的和致 癌的肼所需要的大量的预防措施，这种EP0252339B1的方法无法经济地实 现。此外EP0252339B1及EP0394449A1的方法在实践中限于制造腔比较 大且壁厚的碳素空心纤维。

但是对于用作复合材料中的加强材料、以及对于在吸附和解吸领域中 的应用，除了已有的碳素空心纤维外，还存在对小腔和薄壁碳素空心纤维 的需求。但是这种碳素空心纤维不能用迄今为止已知的方法制造。同时， 现有技术的方法由于要求在起始材料中采用特殊的聚合物混合物、或由于 采用有害健康的物质而成本高昂。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于制造碳素空心纤维的方法，其比 现有技术的方法简单，并还可以借助于其制造具有较小的腔和小的壁厚的、 也适合于用作复合材料的强化纤维的碳素空心纤维。此外，本发明的目的 是提供这种类型的碳素空心纤维。

这个目的通过一种用于制造碳素空心纤维的方法实现，所述方法包括 以下步骤：

-提供一稳定化的碳素纤维前体，

-提供一应用装置以通过高频电磁波处理稳定化的碳素纤维前体，所述 装置包括将电磁波供应到输出耦合区的装置以及一终止于所述输出耦合区 的空心外导体，

-产生高频电磁波场，并将应用装置的输出耦合区内的场强调整为在15 至40KV/m的范围内，

-使稳定化的碳素纤维前体作为内导体连续地穿过所述空心外导体、由 此形成一由外导体和内导体形成的同轴导体，以及穿过随后的输出耦合区， 同时

-通过保护气体的穿流在同轴导体以及输出耦合区内产生一保护气体 气氛。

在本发明的范畴内，稳定化的碳素纤维前体是指这样的纤维：其通过 公知的工艺转化成不可熔化的纤维。只有这种不可熔化的纤维才适于后续 的为制造碳素纤维所必需的碳化步骤。在制造碳素纤维时所常用的由聚丙 烯腈(PAN)、沥青或人造纤维形成的前体材料可用作初始材料，以便在 碳化后得到具有良好机械性能和吸附性能的碳素纤维。前体的稳定化通常 在约150-300℃下在空气中进行。由此通过化学变化得到一被氧化的、不可 熔化和因此稳定的纤维。在本发明方法的一种优选实施形式中，碳素前体 纤维的纤维具有一实心横截面，即非空心环。

在实施本发明的方法时，例如在一磁控管内产生高频电磁波，高频电 磁波通过合适的装置——优选通过空心波导——引入应用装置的输出耦合 区内。在输出耦合区内，高频电磁波的场强调整到这样的水平，使得输出 耦合区中的场强在未装料状态——即输出耦合区没有通入待碳化的稳定化 的碳素前体纤维、而是插入一导电体的状态——时相当于在15至40KV/m 的范围内。