PROCEDIMIENTO PARA LA PRODUCCIÓN DE FIBRAS DE CARBONO HUECAS.

Procedimiento para la producción continua de fibras de carbono huecas que comprende las siguientes etapas:

- preparación previa de un precursor de fibras de carbono estabilizado (1), estando el precursor de fibras de carbono estabilizado exento de un volumen hueco, - poner a disposición un dispositivo de aplicación para el tratamiento del precursor de fibras de carbono estabilizado con ondas electromagnéticas de alta frecuencia, el cual comprende medios para el aporte de las ondas electromagnéticas a una región de desacoplamiento (10), así como un conductor exterior hueco (3) que desemboca en la región de desacoplamiento, - creación de un campo de ondas electromagnéticas de alta frecuencia y ajuste de una intensidad de campo en la región de desacoplamiento del dispositivo de aplicación en el intervalo de 15 a 40 kV/m, - paso continuo del precursor de fibra de carbono estabilizado, como conductor interior (2), a través del conductor exterior hueco (3), por lo cual se forma un conductor coaxial a partir del conductor exterior y el conductor interior, así como por la región de desacoplamiento contigua, con - creación de una atmósfera de gas protector en el conductor coaxial, así como en la región de desacoplamiento por el paso de un gas protector

La invención se refiere a un procedimiento para la producción continua de fibras de carbono huecas.

Fibras de carbono huecas se emplean para una serie de aplicaciones tales como, por ejemplo, para fines de adsorción/desorción para la eliminación de impurezas en pequeñas concentraciones de gases o líquidos o, también, en el sector de la separación de líquidos o gases, empleándose en estos casos fibras de carbono huecas semipermeables o también porosas. Además de esto, las fibras de carbono huecas encuentran también aplicación en el sector de los materiales compuestos por fibras.

La producción de fibras de carbono huecas se describe, por ejemplo, en el documento EP 0 394 449 A1. El procedimiento allí dado a conocer prevé hilar soluciones de un polímero A basado en un poliacrilonitrilo (PAN) y un polímero B descomponible por calor (polimerizable), mediante una boquilla de fibra hueca para dar lugar a una fibra hueca y formar a partir de ésta, por coagulación, una membrana de fibra hueca formada por los polímeros A y B. La membrana de fibra hueca obtenida se somete a un tratamiento de oxidación y, a continuación, a una carbonización, por lo que el polímero B descomponible por calor se descompone en componentes de bajo peso molecular, que escapan de la membrana de fibra hueca. Por ello se obtiene una membrana de fibra hueca porosa.

En el documento EP 0 252 339 B1 se describe igualmente un procedimiento para la producción de una membrana de fibra de carbono porosa, en el cual tiene lugar una carbonización de una membrana que presenta poros, a base de un polímero de acrilonitrilo. La membrana de poliacrilonitrilo se trata previamente con una solución de hidrazina, a continuación se preoxida a una temperatura en el intervalo de 180 a 350ºC y finalmente se carboniza a una temperatura en el intervalo de 600 a 3.000ºC. Como dispositivos para llevar a cabo la preoxidación, así como la carbonización, se dan a conocer hornos calefactados eléctricamente. Las membranas del documento EP 0 252 339 B1 son adecuadas para aplicaciones en el sector de la ultra- y micro-filtración y presentan diámetros de poros en el intervalo de 0,005 a 3 µm. Su grosor de pared se encuentra en el intervalo de 5 a 200 µm. En la membrana de fibras huecas de carbono, dada a conocer en el único ejemplo de ejecución, presenta un diámetro interior de 700 µm y un grosor de pared de 120 µm. Debido a las elevadas medidas de seguridad necesarias por el empleo de la venenosa y cancerígena hidrazina, el procedimiento del documento EP 0 250 339 B1 no es económicamente ejecutable. Además, en la práctica el procedimiento del documento EP 0 250 339 B1, así como también el del documento EP 0 394 449 A1, se limita a la producción de fibras de carbono huecas de lumen y grosor de pared relativamente elevados.

A partir del documento WO 01/55 487 – A se conoce un procedimiento de carbonización para fibras exentas de lumen, en el cual se emplean plasma así como campos electromagnéticos.

Sin embargo, para el empleo como material de refuerzo en materiales compuestos, pero también para fines en el sector de la adsorción y desorción, junto a la ya posible obtención de fibras de carbono huecas existe también la necesidad de fibras de carbono huecas de pequeños lúmenes y de paredes más finas. Sin embargo, este tipo de fibras de carbono huecas no son obtenibles con los procedimientos hasta ahora conocidos. Al mismo tiempo, los procedimientos del estado actual de la técnica son complejos debido a la necesaria utilización de mezclas especiales de polímeros en los materiales de partida o debido al empleo de sustancias que atentan a la salud.

Por tanto, es objeto de la presente invención poner a disposición un procedimiento para la producción de fibras de carbono huecas, que frente a los procedimientos del estado actual de la técnica esté simplificado y mediante el cual se puedan producir también fibras de carbono huecas con pequeño lumen y escaso grosor de pared, que también sean adecuadas como fibras de refuerzo para materiales compuestos.

Este objetivo se soluciona por un procedimiento para la producción de fibras de carbono huecas que comprende las etapas:

- preparación previa de un precursor de fibras de carbono estabilizado, estando el precursor de fibras de carbono estabilizado exento de un volumen hueco,

- puesta a disposición de un dispositivo de aplicación para el tratamiento del precursor de fibra de carbono estabilizado con ondas electromagnéticas de alta frecuencia, el cual comprende medios para el aporte de las ondas electromagnéticas a una región de desacoplamiento, así como un conductor exterior hueco que desemboca en la región de desacoplamiento,

- creación de un campo de ondas electromagnéticas de alta frecuencia y ajuste de una intensidad de campo en la región de desacoplamiento del dispositivo de aplicación en el intervalo de 15 a 40 kV/m,

- paso continuo del precursor de fibra de carbono estabilizado, como conductor interior, a través del conductor exterior hueco, por lo cual se forma un conductor coaxial a partir del conductor exterior y el conductor interior, así como por la región de desacoplamiento contigua, con

- creación de una atmósfera de gas protector en el conductor coaxial, así como en la región de desacoplamiento por el paso de un gas protector.

En el marco de la presente invención, por precursor de fibras de carbono estabilizado se entienden fibras que por medidas de procedimiento, en sí conocidas, fueron transformadas en fibras no fundibles. Sólo este tipo de fibras infundibles se prestan para las etapas de carbonización subsiguientes, las cuales se requieren para la creación de fibras de carbono. Como materiales de partida se pueden emplear los materiales precursores de poliacrilonitrilo (PAN), brea o rayón, utilizados habitualmente en la producción de fibras de carbono, de los cuales después de la carbonización se obtienen fibras de carbono con buenas propiedades mecánicas y de adsorción. La estabilización del precursor se efectúa habitualmente en aire a aproximadamente 150-300ºC. Por ello, por transformación química se obtiene una fibra oxidada, infundible y por tanto estabilizada. Las fibras del precursor de fibra, preparadas previamente en el procedimiento conforme a la invención, presentan una sección maciza, por tanto están exentas de volumen hueco.

En la ejecución del procedimiento conforme a la invención se crean, por ejemplo en un magnetrón, ondas electromagnéticas de alta frecuencia, las cuales por medios adecuados, preferentemente a través de un guiaondas, se conducen a la región de desacoplamiento del dispositivo de aplicación. En la región de desacoplamiento la intensidad de campo de ondas electromagnéticas de alta frecuencia se ajusta a un nivel que corresponde a una intensidad de campo en la región de desacoplamiento en el intervalo de 15 a 40 kV/m en estado sin carga, es decir en un estado en el cual el precursor de fibra de carbono estabilizado a carbonizar no atraviesa la región de desacoplamiento sino que en su lugar se introduce un conductor eléctrico.

En una forma de ejecución preferida del procedimiento conforme a la invención la región de desacoplamiento es un resonador de cavidad. En este caso, en el caso más sencillo, antes de la introducción del precursor de fibra de carbono estabilizado a carbonizar, se ajusta la intensidad de campo directamente en el resonador de cavidad en el intervalo de 15 a 40 kV/m y, a continuación, se introduce el precursor en el dispositivo de aplicación y se hace pasar a través de él. En otra forma de ejecución preferida del procedimiento conforme a la invención la región de desacoplamiento es una cámara hueca, en la que se encuentra un cono de acoplamiento para el desacoplamiento de la energía aportada, por ejemplo a través de un guiaondas, de las ondas electromagnéticas de alta frecuencia. En este caso, para ajustar la intensidad de campo requerida conforme a la invención, se pasa primero un conductor eléctrico, es decir por ejemplo un cable metálico, una fibra de carbono o una fibra hueca de carbono, a través del conductor exterior hueco y de la cámara hueca y, después, se instala un campo con una intensidad de campo en el intervalo de 15 a 40 kV/m. En cualquier caso, el ajuste realizado que ha conducido a la intensidad de campo requerida sin que el precursor de fibra de carbono estabilizado, a carbonizar, se encontrara en el dispositivo de aplicación, se mantiene durante el posterior paso del precursor que se ha a de tratar, aun cuando durante el... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la producción continua de fibras de carbono huecas que comprende las siguientes etapas:

- preparación previa de un precursor de fibras de carbono estabilizado (1), estando el precursor de fibras de carbono estabilizado exento de un volumen hueco,

- poner a disposición un dispositivo de aplicación para el tratamiento del precursor de fibras de carbono estabilizado con ondas electromagnéticas de alta frecuencia, el cual comprende medios para el aporte de las ondas electromagnéticas a una región de desacoplamiento (10), así como un conductor exterior hueco (3) que desemboca en la región de desacoplamiento,

- creación de un campo de ondas electromagnéticas de alta frecuencia y ajuste de una intensidad de campo en la región de desacoplamiento del dispositivo de aplicación en el intervalo de 15 a 40 kV/m,

- paso continuo del precursor de fibra de carbono estabilizado, como conductor interior (2), a través del conductor exterior hueco (3), por lo cual se forma un conductor coaxial a partir del conductor exterior y el conductor interior, así como por la región de desacoplamiento contigua, con

- creación de una atmósfera de gas protector en el conductor coaxial, así como en la región de desacoplamiento por el paso de un gas protector.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la región de desacoplamiento está formada por un resonador de cavidad (9), desde el cual las ondas electromagnéticas se desacoplan en el conductor coaxial.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la región de desacoplamiento está formada por una cámara (9) que presenta un cono de acoplamiento (6), a través del cual las ondas electromagnéticas de alta frecuencia se desacoplan en el conductor coaxial.

4. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque en la región de desacoplamiento del dispositivo de aplicación se crea una intensidad de campo de 20 a 30 kV/m.

5. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el dispositivo de aplicación presenta un tubo interior (4) de un material permeable a las ondas electromagnéticas de alta frecuencia, estando dispuesto el tubo interior concéntricamente en el conductor exterior hueco y extendiéndose en éste por lo menos a lo largo de una parte, llevándose el precursor de fibra de carbono a través del tubo interior y haciéndose pasar el gas protector por el tubo interior.

6. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el precursor de fibra de carbono estabilizado contiene durante la carbonización una proporción de los elementos volátiles H, N y O de al menos 30% en peso.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la proporción de los elementos H, N y O en el precursor de fibra de carbono estabilizado es al menos 35% en peso.

8. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el precursor de fibra de carbono estabilizado se preparó a base de poliacrilonitrilo.

9. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque para la creación de la atmósfera de gas protector, por la cual se lleva el precursor de fibra de carbono estabilizado, se utiliza nitrógeno.

10. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque a la atmósfera de gas protector se agregan pequeñas cantidades de oxígeno.

11. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la velocidad a la que se pasan las fibras del precursor estabilizadas por el dispositivo de aplicación se controla a través de la medición de la resistencia eléctrica de la fibra de carbono hueca formada.

12. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque las fibras del precursor estabilizadas se llevan a través del dispositivo de aplicación a una velocidad tal que al abandonar el dispositivo de aplicación están totalmente carbonizadas.

13. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque las fibras del precursor estabilizadas se llevan a través de dos o más dispositivos de aplicación dispuestos uno detrás de otro.