TWI445661B - 連續式負壓碳化裝置及碳化方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種連續式碳化裝置及碳化方法，且特別是有關於一種於負壓環境下進行碳化的連續式碳化裝置及碳化方法。
碳化裝置的應用範疇廣泛，諸如應用於碳纖維織物的製造上。現有的連續式碳化裝置及方法，係於碳化裝置的一碳化腔體中施以高溫並通入大量惰性氣體，如氮氣(N2)。藉此，當原材料(如一織物)被送入碳化腔體中進行碳化時，惰性氣體可排除原材料與空氣中的氧產生接觸，以於高溫製程下使原材料所含的非碳元素，自原材料本體脫除而留下碳元素(即如碳纖維織物)。
由於是通入大量惰性氣體於碳化腔體中，因此碳化腔體中會處於正壓氣氛(相較於碳化腔體外的大氣氣氛)，亦即碳化腔體中的氣體壓力會大於碳化腔體外的大氣壓力。
然而，在正壓的環境下，非碳元素較不易脫除且脫除氣體會充滿腔內，故造成灰份的增加、焦油的產生及碳化程度的降低(因原材料內非碳元素於正壓氣氛下不易自原材料本體脫除而影響碳層的重新排列)。
因此，需要有一種改良的連續式碳化裝置及碳化方法，來解決前述問題。
因此本發明的目的就是在提供一種連續式碳化裝置及碳化方法，係於負壓的碳化腔體對原材料進行碳化，碳化腔體的壓力係小於一大氣壓，而為一負壓狀態。
依照本發明之一種連續式負壓碳化裝置，包含供料裝置、腔體裝置以及收料裝置。供料裝置提供一原材料。腔體裝置接收並碳化原材料。
腔體裝置包含碳化裝置以及兩緩衝裝置。碳化裝置具有碳化腔體，碳化腔體具有進料口以及出料口。緩衝裝置分別連接於進料口以及出料口。收料裝置收集經碳化的原材料。當原材料於碳化腔體中進行碳化時，碳化腔體的壓力係為一小於一大氣壓的負壓狀態。
依照本發明之一種連續式負壓碳化方法，包含提供一連續式的原材料。接著使用碳化腔體碳化原材料，當原材料於碳化腔體中進行碳化時，碳化腔體的壓力係為一小於一大氣壓的負壓狀態。
依據本發明所能達成的功效在於：當原材料於碳化腔體中進行碳化時，碳化腔體中所產生的非碳氣體脫除容易。經碳化的原材料(即產品)碳層排列較整齊，且碳化程度較高。
同時，碳化腔體中產生的灰份較少(避免脫除氣體與經碳化的原材料，如碳布反應)。經碳化的原材料，如碳布均勻度高。
最後，由於不需一直供應大量氮氣，加上緩衝裝置的
設計已能隔絕了連續製程中外來空氣中氧的影響，使得能源消耗惰性氣體(如氮氣)需求量少，同時熱損耗少(大量惰性氣體如氮氣進入碳化腔體內會帶走熱量)。
依照本發明之連續式碳化裝置及碳化方法，係於碳化裝置的碳化腔體中，提供一種負壓環境，當原材料進入碳化腔體中時，係於負壓環境進行碳化。本發明之應用包含但不限於碳纖維織物，以可應用於其他可連續供料以及收料的原材料之碳化製程。為方便說明，以下實施例係以纖維織物的碳化為例說明。
請參照第1圖，其繪示依照本發明一第一實施例的一種碳化裝置100，包含供料裝置110、腔體裝置120、收料裝置130、供氣裝置140、熱交換器150以及抽氣裝置160。供料裝置110係可包含複數輥輪111，藉由輥輪111供應原材料200以及控制原材料200的張力。在本實施例中，原材料200為一纖維織布。
原材料200經過腔體裝置120後，會被碳化為碳纖維織布，並由收料裝置130收集。
腔體裝置120包含一碳化裝置121以及複數緩衝裝置122。緩衝裝置122係分別設於碳化裝置121的進料口以及出料口位置。在本實施例中，碳化裝置121包含一碳化腔體123，各緩衝裝置122包含一緩衝腔體124。各緩衝裝置122的緩衝腔體124也可以依照實際需求配置為複數
個。碳化裝置121另設有一氣滌口125，連通於碳化腔體123以對碳化腔體123進行氣滌。
供氣裝置140係分別連通於緩衝腔體124以及碳化腔體123，以提供緩衝腔體124以及碳化腔體123惰性氣體，如氮氣。供氣裝置140包含控制閥(如圖中之V1以及V2)，以配合壓力計量計(如圖中之P1以及P2)分別控制進入緩衝腔體124的氣體流量，使緩衝腔體124保持於正壓狀態(相對於碳化腔體123)；供氣裝置140另包含控制閥(如圖中之V4)，以配合氧計量計126控制進入碳化腔體123的惰性氣體氣滌量。
抽氣裝置160係連通於碳化腔體123，以抽出其中碳化原材料所產生的氣體，抽氣裝置160包含控制閥(如圖中之V3)，以配合壓力計量計(如圖中之P3)控制抽出碳化腔體123的氣體流量，使碳化腔體123保持於負壓狀態(相對於緩衝腔體124)。
熱交換器150係設於腔體裝置120與供氣裝置140以及抽氣裝置160之間，使抽氣裝置160所抽出之高溫的碳化氣體與供氣裝置140之惰性氣體進行熱交換以加熱惰性氣體。
在本實施例中，緩衝腔體124的壓力維持大於760托耳(Torr)，亦即大於一大氣壓(P2、P1>1atm>P3)。碳化腔體123的壓力維持於1-760托耳之間，亦即小於一大氣壓。在原材料200進入碳化腔體123之前，藉由氣滌口125通入惰性氣體，如氮氣進入碳化腔體123，以降低腔內空
氣氧含量。
於製程中，碳化腔體123維持負壓。此外，碳化腔體123可設有一氧計量計126，設定碳化腔體123內氧濃度，當碳化腔體123內氧濃度超過設定值時，可再度藉由氣滌口125通入惰性氣體，如氮氣進入碳化腔體123，以降低腔內空氣氧含量，使氧濃度維持於1ppm-10%範圍之間。
另外，原材料200於碳化腔體123中的加熱時間為1分鐘到25分鐘。原材料200的張力可為緊張化或無張力，以控制原材料200的縮率及避免毀損。碳化腔體123中的處理溫度為500℃-1200℃之間。
請參照第2圖，其繪示依照本發明一第二實施例的一種碳化裝置，第二實施例與第一實施例的特徵大致相同，兩者的差異僅在於：供氣裝置140係連通於碳化腔體123，以提供碳化腔體123惰性氣體，如氮氣。供氣裝置140包含控制閥(如圖中之V4)，以配合氧計量計126控制進入碳化腔體氣滌口125惰性氣體通入之氣滌量。
抽氣裝置160係分別連通於緩衝腔體124及碳化腔體123，以抽出其中的空氣。抽氣裝置160包含控制閥(如圖中之V1、V2以及V3)，以配合壓力計量計(如圖中之P1、P2以及P3)分別控制抽出緩衝腔體124以及碳化腔體123的氣體流量，使緩衝腔體124以及碳化腔體123保持於負壓狀態(相對於大氣壓力)。
在本實施例中，碳化腔體123的壓力大於緩衝腔體124
的壓力，即1atm>P3>P1、P2。所以碳化腔體123中碳化產生的氣體，會流入緩衝腔體124中，並由抽氣裝置160抽出排放。碳化腔體123的壓力維持於1-760托耳之間，亦即小於一大氣壓。
於製程中，碳化腔體123維持負壓。此外，碳化腔體123可設有一氧計量計126，設定碳化腔體123內氧濃度，當碳化腔體123內氧濃度超過設定值時，可再度藉由氣滌口125通入惰性氣體，如氮氣進入碳化腔體123，以降低腔內空氣氧含量，使氧濃度維持於1ppm-10%範圍之間。
若取相同之PAN (PolyAcryloNitrile)聚丙烯腈氧化纖維布作為碳化之原料，分別以上述第一實施例之製程條件(實驗組)以及現有業界使用之製程條件(對照組)進行加工碳化，來製得碳纖維布。製程條件如下：對照組之製程條件：(以生產50公尺之碳布為例)溫度：1000℃；熱處理時間：10分鐘；張力：3.0-4.0公斤；碳化腔體123之內壓力：大於(>)760 tor(N2通入碳化腔體123內作為保護氣體)；消耗功率：110-115 KW/hr; N2
(總)用量：188公斤。
實驗組之製程條件：(以生產50公尺之碳布為例)溫度：1000℃；熱處理時間：10分鐘；
張力：3.0-4.0公斤；碳化腔體123之內壓力：小於(<)760 tor(約450-500 tor)；消耗功率：95-100 KW/hr; N2
(總)用量：105公斤。
兩組所得之碳布，經測試可得下表之結果：
經由上表可得知，依據本發明之負壓碳化方法，在製程電力消耗降低13.4%，N2
用量消耗降低44.1%。若進一步分析連續式負壓碳化所生產碳纖維布微結構：碳層堆疊厚度(Lc)增加7.4%，碳層堆疊長度(La)增加65.7%，碳含量%增加2.28%；故可知依據本發明之製程相對於同樣處理溫度下之現有製程，可增進材料碳化之程度。
由微結構分析結果可進一步印證碳纖維布之表面電阻值降低28.6%(意指導電度提高)，碳化程度越高，導電度越高。
因連續式負壓碳化製程會將材料排除之非碳元素抽走，除碳化程度提高外亦使碳纖維布灰份降低，此實施例灰份百分比(%)則降低86%。
雖然本發明已以數較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧碳化裝置
110‧‧‧供料裝置
111‧‧‧輥輪
120‧‧‧腔體裝置
125‧‧‧氣滌口
126‧‧‧氧計量計
130‧‧‧收料裝置
140‧‧‧供氣裝置
121‧‧‧碳化裝置
122‧‧‧緩衝裝置
123‧‧‧碳化腔體
124‧‧‧緩衝腔體
150‧‧‧熱交換器
160‧‧‧抽氣裝置
200‧‧‧原材料
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：第1圖係繪示依照本發明一第一實施例的一種連續式負壓碳化裝置的示意圖。
第2圖係繪示依照本發明一第二實施例的一種連續式負壓碳化裝置的示意圖。
100‧‧‧碳化裝置
110‧‧‧供料裝置
111‧‧‧輥輪
120‧‧‧腔體裝置
121‧‧‧碳化裝置
122‧‧‧緩衝裝置
123‧‧‧碳化腔體
124‧‧‧緩衝腔體
125‧‧‧氣滌口
126‧‧‧氧計量計
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140‧‧‧供氣裝置
150‧‧‧熱交換器
160‧‧‧抽氣裝置
200‧‧‧原材料
Claims (14)
- 一種連續式負壓碳化裝置，至少包含：一供料裝置，供提供一原材料；一腔體裝置，接收並碳化該原材料，並包含：一碳化裝置，具有一碳化腔體，該碳化腔體具有一進料口以及一出料口；以及兩緩衝裝置，分別連接於該進料口以及該出料口，以將該碳化腔體中因該原材料之該碳化而產生之氣體排出，而使得該碳化腔體的壓力維持在大於100托耳且小於一大氣壓的負壓狀態；以及一收料裝置，供收集經碳化的該原材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之連續式負壓碳化裝置，其中各該緩衝裝置包含一緩衝腔體。
- 如申請專利範圍第1項所述之連續式負壓碳化裝置，其中各該緩衝裝置包含複數緩衝腔體。
- 如申請專利範圍第2項或第3項所述之連續式負壓碳化裝置，更包含一供氣裝置，連通於各該緩衝腔體以及該碳化腔體，以分別供應一惰性氣體進入各該緩衝腔室以及該碳化腔體；以及一抽氣裝置，連通於該碳化腔體，以抽出其中的氣體。
- 如申請專利範圍第4項所述之連續式負壓碳化裝置，更包含一熱交換器，係設於該腔體裝置與該供氣裝置以及該抽氣裝置之間。
- 如申請專利範圍第2項或第3項所述之連續式負壓碳化裝置，更包含一供氣裝置，連通於該碳化腔體，以供應一惰性氣體進入該碳化腔體；以及一抽氣裝置，連通於各該緩衝腔體以及該碳化腔體，以分別抽出各該緩衝腔體以及該碳化腔體的氣體。
- 如申請專利範圍第6項所述之連續式負壓碳化裝置，更包含一熱交換器，係設於該腔體裝置與該供氣裝置以及該抽氣裝置之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之連續式負壓碳化裝置，其中該碳化腔體包含有一氣滌口。
- 如申請專利範圍第1項所述之連續式負壓碳化裝置，其中該碳化腔體設有一氧計量計。
- 一種連續式負壓碳化方法，至少包含：提供一連續式的原材料； 碳化該原材料，係使用一碳化腔體碳化該原材料，該碳化腔體連接兩緩衝裝置，當該原材料於該碳化腔體中進行碳化時，該些緩衝裝置將該碳化腔體中因該原材料之該碳化而產生之氣體排出，而使得該碳化腔體的壓力維持在大於100托耳且小於一大氣壓的負壓狀態。
- 如申請專利範圍第10項所述之連續式負壓碳化方法，其中於碳化該原材料前，該碳化腔體係進行一氣滌步驟。
- 如申請專利範圍第10項所述之連續式負壓碳化方法，其中該碳化腔體的氧濃度係維持於1ppm-10%範圍之間。
- 如申請專利範圍第10項所述之連續式負壓碳化方法，其中該碳化腔體中的處理溫度係為500℃-1200℃之間。
- 如申請專利範圍第10項所述之連續式負壓碳化方法，其中該原材料於該碳化腔體中的加熱時間係為1分鐘到25分鐘。
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| TW97113854A TWI445661B (zh) | 2008-04-16 | 2008-04-16 | 連續式負壓碳化裝置及碳化方法 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI555841B (zh) * | 2015-06-30 | 2016-11-01 | Linkwin Technology Co Ltd | Carbonized materials and methods of promoting cell differentiation using carbonized materials |
| CN106318907A (zh) * | 2015-07-02 | 2017-01-11 | 昱程科技股份有限公司 | 利用碳化材料促进细胞分化的方法 |
| US10046051B2 (en) | 2015-12-08 | 2018-08-14 | Linkwin Technology Co., Ltd. | Drug carrier and method of using the same |
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2008
- 2008-04-16 TW TW97113854A patent/TWI445661B/zh not_active IP Right Cessation
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