Método para producir haces de fibras de carbono.

Un método para producir haces de fibras de carbono que comprende:

una etapa de retardo de llama para convertir una pluralidad de haces de fibras precursoras en haces de fibras retardantes de llama mediante tratamiento con calor de la pluralidad de haces de fibras precursoras en una atmósfera de gas oxidante, de 200 a 300 ºC, en un estado en el que la pluralidad de haces de fibras precursoras están alineados lado a lado en paralelo entre sí;

una etapa de precarbonización para convertir los haces de fibras retardantes de llama en haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización mediante tratamiento con calor de los haces de fibras retardantes de llama en una atmósfera de gas inerte, con la temperatura de tratamiento más alta de 500 a 800 ºC, en un estado en el que los haces de fibras retardantes de llama están alineados lado a lado en paralelo entre sí; y

una etapa de carbonización para convertir los haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización en haces de fibras de carbono mediante tratamiento con calor de los haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización en una atmósfera de gas inerte, con la temperatura de tratamiento más alta de 1000 ºC o mayor, en un estado en el que los haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización están alineados lado a lado en paralelo entre sí,

en el que cuando una separación de desplazamiento de los haces de fibras en la etapa de retardo de llama está representada por P1, una separación de desplazamiento de los haces de fibras en la etapa de precarbonización está representada por P2, y una separación de desplazamiento de los haces de fibras en la etapa de carbonización está representada por P3, se satisfacen las siguientes relaciones:

0,8 ≤ P2/P1 ≤ 1,0 (1)

0,4 ≤ P3/P1 ≤ 0,8 (2).

Método para producir haces de fibras de carbono Antecedentes de la invención Campo de la invención La presente invención se refiere a un método para producir haces de fibras de carbono.

Descripción de la técnica relacionada Los haces de fibras de carbono normalmente se producen por carbonización de la siguiente manera: los haces de fibras acrílica, como precursores de los haces de fibras de carbono, se someten a un tratamiento denominado de retardo de llama en el que los haces de fibras acrílica se hacen pasar a través de un horno de atmósfera oxidante (en lo sucesivo en este documento denominado horno de retardo de llama) ajustado a una temperatura de 200 a 300 º C; después los haces de fibras retardantes de llama se hacen pasar secuencialmente para su carbonización a través de un horno de atmósfera inerte (en lo sucesivo en este documento, denominado horno de precarbonización) con la temperatura de tratamiento más alta de 500 a 800 º C y otro horno de atmósfera inerte (en lo sucesivo en este documento, denominado horno de carbonización) con la temperatura de tratamiento más alta que supera los 1000 º C. Además, cuando sea necesario, haciendo pasar para la grafitización los haces de fibras de carbono a través de un horno de atmósfera inerte (en lo sucesivo en este documento, denominado horno de grafitización) en el que la temperatura de tratamiento más alta supera los 2000 º C, pueden producirse haces de fibras grafitizadas de alta elasticidad.

En el horno de retardo de llama, los haces de fibras precursoras se tratan con calor en atmósfera oxidante y, de esta manera, los haces de fibras precursoras experimentan una reacción de oxidación para generar calor. Una temperatura de tratamiento con calor del horno de retardo de llama se ajusta tan baja como 200 a 300 º C, para que el calor de la reacción pueda almacenarse dentro de los haces de fibras para que se inicie la combustión y, de esta manera, se requiere un tratamiento con calor de larga duración con el fin de obtener los haces de fibras retardantes de llama predeterminados.

En el caso de que aumente la demanda de fibras de carbono y que se pretenda aumentar la cantidad de producción, se alimenta simultáneamente una multitud de haces de fibras al horno o se aumenta la velocidad de cocción. Sin embargo, con el fin de aumentar la capacidad de producción alimentando simultáneamente una multitud de haces de fibras, se requiere un tratamiento a largo plazo a menor temperatura, para que el calor de la reacción pueda almacenarse dentro de los haces de fibras para que se inicie la combustión y, de esta manera, tal método de tratar simultáneamente una multitud de haces de fibras tiene sus propios límites. Puede conseguirse un aumento de la capacidad de producción debido a un aumento en la velocidad de cocción aumentando la longitud de los haces de fibras precursoras que se desplazan en el horno de retardo de llama. Con el fin de aumentar la longitud de los haces de fibras precursoras que se desplazan en el horno de retardo de llama, normalmente se adopta un método en el que se permite salir a los haces de fibras precursoras de una vez al exterior del horno de retardo de llama, y después se hacen pasar repetidamente a través del horno de retardo de llama de una manera volteada mediante los rodillos de volteo dispuestos fuera del horno de retardo de llama.

Los haces de fibras retardantes de llama completados en el tratamiento con calor en el horno de retardo de llama se tratan en el horno de precarbonización, cargado con una atmósfera de gas inerte para que los haces de fibras no se oxiden, con la temperatura de tratamiento más alta de 500 a 800 º C, después se hacen pasar continuamente a través del horno de carbonización, en el que se ha cargado una atmósfera de gas inerte en su interior, los haces de fibras precarbonizadas se tratan con la temperatura de tratamiento más alta que supera los 1000 º C y, de esta manera, se convierten en haces de fibras de carbono. Los haces de fibras convertidos en haces de fibras de carbono son extremadamente débiles, ocurre una rotura parcial en los haces de fibras para generar una borra de haces de fibras, en un caso extremo se cortan los propios haces de fibras y, de esta manera, se requiere que el desplazamiento de los haces de fibras se realice cuidadosamente. Adicionalmente, en este proceso, el tratamiento con calor normalmente se completa en una pasada debido a las siguientes y otras razones: la conversión en haces de fibras de carbono ocurre en un tiempo extremadamente corto; la velocidad de aumento de temperatura de los haces de fibras afecta significativamente a la calidad de los haces de fibras de carbono; los productos descompuestos aparecen en grandes cantidades en la fase de conversión a los haces de fibras de carbono y, de esta manera, el paso repetido de los haces de fibras a través del interior del horno contamina los haces de fibras con tales productos descompuestos, lo que supone una de las causas para degradar la calidad de los haces de fibras. En el caso de que aumente la demanda de fibras de carbono y que pretenda aumentarse la cantidad de producción, se aumenta la velocidad de cocción o una multitud de haces de fibras se alimentan simultáneamente al horno. El aumento de la capacidad de producción basándose en el aumento de la velocidad de cocción conduce a la extensión de la longitud del horno y tal extensión está limitada y, por tanto, puede alimentarse una multitud de haces de fibras simultáneamente al horno.

La Bibliografía de Patente 1 desvela un método para producir con productividad satisfactoria fibras de carbono que tienen una buena calidad disminuyendo la anchura de la estopa de acuerdo con un aumento de la densidad de las fibras precursoras basadas en acrilonitrilo. Sin embargo, en este método, la separación de desplazamiento de las fibras precursoras en ocasiones disminuye en la etapa de retardo de llama y, de esta manera, el almacenamiento de calor debido al calor de reacción, dentro de los haces de fibras, en ocasiones no puede retirarse. Por consiguiente, un método del tipo en el que aumenta la temperatura de tratamiento, como se realiza normalmente, en una etapa de retardo de llama de acuerdo con el aumento de densidad de las fibras precursoras, en ocasiones no puede realizarse y, de esta manera, el tratamiento de retardo de llama en ocasiones tarda mucho tiempo como resultado de lo cual la productividad en ocasiones se degrada bastante.

La Bibliografía de Patente 2 desvela un método en el que la eficacia térmica aumenta de la siguiente manera: una multitud de haces de fibras retardantes de llama descargados del horno de retardo de llama se divide en un pluralidad de grupos de haces de fibras, cada uno de los grupos se acerca más a los demás con respecto a la dirección horizontal y cada uno de los grupos forma un nivel con respecto a la dirección vertical, de acuerdo con la forma de la entrada del horno de carbonización, para alimentar los haces de fibras retardantes de llama, no se le da una forma plana y, de esta manera, aumenta la eficacia térmica. En este método, sin embargo, las condiciones de calentamiento en ocasiones varían verticalmente entre los grupos de haces de fibras, divididos verticalmente en una pluralidad de fases y, por consiguiente, las propiedades físicas de los haces de fibras de carbono pueden variar entre los grupos de haces de fibras de carbono y la calidad de los haces de fibras de carbono puede ser inestable.

Bibliografía de la técnica anterior

Bibliografía de Patente Bibliografía de Patente 1: JP 2008-19526 A Bibliografía de Patente 2: JP 3047695 B

Sumario de la invención Problemas a resolver por la invención Un objeto de la presente invención es proporcionar un método para producir haces de fibras de carbono, en el que el método permite evitar el aumento de tamaño de los hornos de alta temperatura (el horno de precarbonización y el horno de carbonización) usados en la etapa de precarbonización y la etapa de carbonización, aumento de tamaño que va acompañado del aumento del número de haces de fibras, siendo el método de alta productividad con respecto al coste de equipo y energía, y la calidad de los haces de fibras de carbono es estable.

Medios para resolver los problemas Un primer aspecto de la presente invención proporciona un método para producir haces de fibras de carbono, que incluye: una etapa de retardo de llama para convertir una pluralidad de haces de fibras precursoras en haces de fibras retardantes de llama mediante tratamiento con calor de la pluralidad de haces de fibras precursoras, en una atmósfera de gas oxidante de 200 a 300 º C, en un estado en el que la pluralidad de haces de fibras precursoras están alineados lado a lado en paralelo entre sí; una etapa de... [Seguir leyendo]

1. Un método para producir haces de fibras de carbono que comprende:

una etapa de retardo de llama para convertir una pluralidad de haces de fibras precursoras en haces de fibras retardantes de llama mediante tratamiento con calor de la pluralidad de haces de fibras precursoras en una atmósfera de gas oxidante, de 200 a 300 º C, en un estado en el que la pluralidad de haces de fibras precursoras están alineados lado a lado en paralelo entre sí;

una etapa de precarbonización para convertir los haces de fibras retardantes de llama en haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización mediante tratamiento con calor de los haces de fibras retardantes de llama en una atmósfera de gas inerte, con la temperatura de tratamiento más alta de 500 a 800 º C, en un estado en el que los haces de fibras retardantes de llama están alineados lado a lado en paralelo entre sí; y

una etapa de carbonización para convertir los haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización en haces de fibras de carbono mediante tratamiento con calor de los haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización en una atmósfera de gas inerte, con la temperatura de tratamiento más alta de 1000 º C o mayor, en un estado en el que los haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización están alineados lado a lado en paralelo entre sí,

en el que cuando una separación de desplazamiento de los haces de fibras en la etapa de retardo de llama está representada por P1, una separación de desplazamiento de los haces de fibras en la etapa de precarbonización está representada por P2, y una separación de desplazamiento de los haces de fibras en la etapa de carbonización está representada por P3, se satisfacen las siguientes relaciones:

0, 8  P2/P1  1, 0 (1)

0, 4  P3/P1  0, 8 (2) .

2. El método para producir haces de fibras de carbono, de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además:

(a) una etapa que consiste en hacer más pequeña una separación de desplazamiento de los haces de fibras presentes en cada uno de los 2 o más y 20 o menos bloques de haces de fibras, siendo dichos bloques de haces de fibras subgrupos de los haces de fibras retardantes de llama obtenidos a partir de la etapa de retardo de llama o siendo subgrupos de los haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización obtenidos a partir de la etapa de precarbonización, o siendo subgrupos de cada uno de los haces de fibras retardantes de llama y los haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización; y

(b) una etapa que consiste en acercar los bloques de haces de fibras adyacentes entre sí, para todos los bloques de haces de fibras cuya separación de desplazamiento de los haces de fibras se ha hecho más pequeña en la etapa (a) .

3. El método para producir haces de fibras de carbono, de acuerdo con la reivindicación 2, en el que se usa un rodillo estriado o una guía de cardado en la etapa (a) con el fin de disminuir la separación de desplazamiento.

4. El método para producir haces de fibras de carbono, de acuerdo con la reivindicación 2, en el que la etapa (a) se realiza con el uso de dos rodillos dispuestos en paralelo entre sí.

5. El método para producir haces de fibras de carbono, de acuerdo con la reivindicación 2, en el que, en la etapa (a) , se usan al menos dos rodillos dispuestos en paralelo entre sí para disminuir la separación de desplazamiento,

en el que se usa una guía de cardado además de los dos rodillos; o se usa un rodillo estriado como al menos uno de los dos rodillos.

6. El método para producir haces de fibras de carbono, de acuerdo con la reivindicación 2, en el que la etapa (a) se realiza con el uso de dos rodillos dispuestos en paralelo entre sí, en el que el ángulo de inclinación máxima de los haces de fibras en cada uno de los bloques de haces de fibras

que se desplazan entre los dos rodillos, respecto a un plano perpendicular a las direcciones de los ejes de los dos rodillos, se ajusta para que sea mayor de 0, 1º y menor de 3, 0º .

7. El método para producir haces de fibras de carbono, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en el que la distancia entre los dos rodillos dispuestos en paralelo entre sí, usados en la etapa (a) , es de 750 mm o mayor.

8. El método para producir haces de fibras de carbono, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, en el que la etapa (b) se realiza con el uso de una pluralidad de segundos pares rodillos de ángulo ajustable dispuestos entre un primer par de rodillos y; en el que cada uno del primer par de rodillos y el segundo par de rodillos consiste en dos rodillos dispuestos en paralelo entre sí y

el ángulo de inclinación máxima entre los ángulos de inclinación de todos los bloques de haces de fibras que se desplazan entre el segundo par de rodillos, respecto a un plano perpendicular a los ejes de los dos rodillos que constituyen el primer par de rodillos, se ajusta para que sea menor de 20º .

9. Un método para producir haces de fibras de carbono que comprende:

una etapa de retardo de llama para convertir una multitud de haces de fibras precursoras de fibras de carbono en haces de fibras retardantes de llama mediante tratamiento con calor en un horno de retardo de llama de la multitud de haces de fibras precursoras de fibras de carbono en una atmósfera de gas oxidante, de 200 a 300 º C, en un estado en el que la multitud de haces de fibras precursoras de fibras de carbono están alineados lado a lado;

una etapa de precarbonización para convertir los haces de fibras retardantes de llama en haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización mediante tratamiento con calor en un horno de precarbonización de los haces de fibras retardantes de llama en una atmósfera de gas inerte, con la temperatura de tratamiento más alta de 500 a 800 º C, en un estado en el que los haces de fibras retardantes de llama están alineados lado a lado; y

una etapa de carbonización para convertir los haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización en haces de fibras de carbono mediante tratamiento con calor en un horno de carbonización de los haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización en una atmósfera de gas inerte, con la temperatura de tratamiento más alta de 1000 º C o mayor, en un estado en el que los haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización están alineados lado a lado,

en el que cuando una separación de desplazamiento de los haces de fibras en la entrada de una sección de tratamiento de calor del horno de precarbonización está representada por P11, y una separación de desplazamiento de los haces de fibras en la salida de la sección de tratamiento con calor del horno de precarbonización está representada por P12, se satisface la siguiente relación:

0, 40  (P12/P11)  0, 90 (3) .

10. El método para producir haces de fibras de carbono, de acuerdo con la reivindicación 9,

en el que la separación de desplazamiento de los haces de fibras que se desplazan en la sección de tratamiento con calor del horno de precarbonización se altera con el uso de dos rodillos paralelos entre sí, dispuestos respectivamente en el lado de entrada y el lado de salida del horno de precarbonización,

en el que el ángulo de inclinación máxima entre los ángulos de inclinación de la multitud de haces de fibras alineados lado a lado, que se desplazan entre los dos rodillos, respecto a un plano perpendicular a las direcciones de los ejes de los dos rodillos, se ajusta para que sea mayor de 0, 1º y menor de 3, 0º .

11. El método para producir haces de fibras de carbono, de acuerdo con la reivindicación 9 o 10, en el que cuando una separación de desplazamiento de los haces de fibras en la entrada de una sección de tratamiento con calor del horno de carbonización está representada por P13, y una separación de desplazamiento de los haces de fibras en la salida de la sección de tratamiento con calor del horno de carbonización está representada por P14, se satisface la siguiente relación:

0, 40  (P14/P13)  0, 90 (4) .

12. El método para producir haces de fibras de carbono de acuerdo con la reivindicación 11,

en el que la separación de desplazamiento de los haces de fibras que se desplazan en la sección de tratamiento con calor del horno de carbonización se altera con el uso de dos rodillos paralelos entre sí, dispuestos respectivamente en el lado de entrada y el lado de salida del horno de carbonización,

en el que el ángulo de inclinación máxima entre los ángulos de inclinación de la multitud de haces de fibras, alineados lado a lado, que se desplazan entre estos dos rodillos, respecto a un plano perpendicular a las direcciones de los ejes de estos dos rodillos, se ajusta para que sea mayor de 0, 1º y menor de 3, 0º .

13. Un método para producir haces de fibras de carbono que comprende:

una etapa de retardo de llama para convertir una multitud de haces de fibras precursoras de fibras de carbono en haces de fibras retardantes de llama mediante tratamiento con calor en un horno de retardo de llama de la multitud de haces de fibras precursoras de fibras de carbono en una atmósfera de gas oxidante, de 200 a 300 º C, en un estado en el que la multitud de haces de fibras precursoras de fibras de carbono están alineados lado a lado;

una etapa de precarbonización para convertir los haces de fibras retardantes de llama en haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización mediante tratamiento con calor en un horno de precarbonización de los haces de fibras retardantes de llama en una atmósfera de gas inerte, con la temperatura de tratamiento más alta de 500 a 800 º C, en un estado en el que los haces de fibras retardantes de llama están alineados lado a lado; y

una etapa de carbonización para convertir los haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización en haces de fibras de carbono mediante tratamiento con calor en un horno de carbonización de los haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización en una atmósfera de gas inerte, con la temperatura de tratamiento más alta de 1000 º C o mayor, en un estado en el que los haces de fibras sometidas a un tratamiento de precarbonización están alineados lado a lado,

en el que cuando una separación de desplazamiento de los haces de fibras en la entrada de una sección de tratamiento con calor del horno de carbonización está representada por P13, y una separación de desplazamiento de los haces de fibras en la salida de la sección de tratamiento con calor del horno de carbonización está representada por P14, se satisface la siguiente relación:

0, 40  (P14/P13)  0, 90 (4) .

14. El método para producir haces de fibras de carbono de acuerdo con la reivindicación 13,

en el que la separación de desplazamiento de los haces de fibras que se desplazan en la sección de tratamiento con calor del horno de carbonización se altera con el uso de dos rodillos paralelos entre sí, dispuestos respectivamente en el lado de entrada y el lado de salida del horno de carbonización,

en el que el ángulo de inclinación máxima entre los ángulos de inclinación de la multitud de haces de fibras, alineados lado a lado, que se desplazan entre los dos rodillos, respecto a un plano perpendicular a las direcciones de los ejes de los dos rodillos, se ajusta para que sea mayor de 0, 1º y menor de 3, 0º .