ES2552982T3

ES2552982T3 - Procedimiento de fabricación de fibras de carbono y planta para la operación de dicho procedimiento

Info

Publication number: ES2552982T3
Application number: ES12759206.1T
Authority: ES
Inventors: Marco Rovellini
Original assignee: MAE SpA
Current assignee: MAE SpA
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2015-12-03
Anticipated expiration: 2032-07-17
Also published as: CN103890251A; US9677196B2; JP2014524989A; EP2734662A1; JP6141273B2; KR20140059783A; CN103890251B; KR101803135B1; US20140151914A1; WO2013014576A1; EP2734662B1; ITMI20111372A1

Abstract

Procedimiento de fabricación de fibras de carbono, del tipo que comprende una primera etapa de hilatura de una fibra precursora de PAN y una segunda etapa de oxidación/carbonización de dicha fibra, caracterizado porque: a. dichas etapas de hilatura y de oxidación/carbonización se llevan a cabo directamente en línea y de forma continua, por tanto sin ningún área de almacenamiento intermedio de precursor de PAN entre las dos etapas; b. dicha etapa de hilatura se lleva a cabo a baja velocidad, de modo que la velocidad de salida de la etapa de hilatura, aguas abajo de las operaciones de estirado, es una velocidad que está dentro del intervalo de las velocidades adecuadas de procesamiento en la subsiguiente etapa de oxidación/carbonización; c. dicha etapa de hilatura se lleva a cabo de una forma modular en una pluralidad de módulos de hilatura (M) alineados en una o más filas (A, B), teniendo cada módulo de hilatura (M) una productividad no superior al 10 % de la productividad total de la etapa de hilatura; d. en cada módulo de hilatura (M) individual, las fibras aguas abajo del área de hilatura siguen recorridos rectilíneos en zig-zag a través de rodillos desviadores y tensores (3-5), tanto en una dirección horizontal como en una dirección vertical, recorridos a lo largo de los cuales se llevan a cabo los diversos tratamientos de hilatura; e. los haces de filamentos de fibras que proceden de cada módulo de hilatura (M) se disponen al lado de los haces de filamentos que proceden de los módulos (M) precedentes y/o siguientes, sin sufrir desviaciones transversales con respecto a la dirección de progreso de los mismos, para formar una única banda (N) de alimentación de la etapa de oxidación/carbonización.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

DESCRIPCION

Procedimiento de fabricacion de fibras de carbono y planta para la operacion de dicho procedimiento La presente invencion se refiere a un procedimiento mejorado de fabricacion de fibras de carbono.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Las fibras de carbono (FC) - descubiertas por primera vez por Edison en 1879 tras la carbonizacion de un hilo de carbono, mientras buscaba un filamento adecuado para lamparas incandescentes - aparecieron en el mercado solo en 1960 gracias al proceso de fabricacion ideado por William Watt para la Royal Aircraft en el Reino Unido partiendo de la transformacion de una fibra de poliacrilonitrilo (PAN).

Las fibras de carbono consisten en delgados filamentos, continuos o de longitud predeterminada (fibras cortadas), que tienen un diametro de 5 a 10 |im, que consisten fundamentalmente en atomos de carbono. Los atomos de carbono estan unidos mutuamente en una matriz cristalina, en la que los cristales individuales estan alineados, en un menor o mayor grado, a lo largo del eje longitudinal de la fibra, impartiendo de este modo a la fibra una resistencia extraordinariamente alta comparada con el tamano de la misma.

A continuacion se juntan varios miles de fibras de carbono mutuamente para formar un hilo o un haz de filamentos (o mecha) que puede usarse como tal o tejerse en un telar para formar un tejido. El hilo o tejido asf obtenido se impregna con resinas, de forma tfpica, resinas epoxfdicas, y a continuacion se moldea para obtener productos de material compuesto caracterizados por una elevada ligereza y resistencia.

Las fibras de carbono representan el punto de transicion entre las fibras organicas e inorganicas; de hecho, estas se producen partiendo de fibras organicas que se modifican por tratamientos termicos y pirolisis, durante los cuales primero se provoca una reorientacion de los segmentos moleculares en las fibras individuales y, a continuacion, a altas temperaturas, se produce la eliminacion de oxfgeno, hidrogeno y de la mayor parte del nitrogeno, de modo que la fibra final consiste en mas de un 90 % y hasta un 99 % de carbono y el resto nitrogeno.

Junto con la disponibilidad de fibras de vidrio, la disponibilidad en el mercado de fibras de carbono ha dado lugar al uso de materiales compuestos de una forma siempre creciente. En particular, con el uso de fibras de carbono, ha sido posible disenar materiales compuestos con rendimientos mecanicos avanzados para usos inicialmente para los sectores militar y/o aeronautico, considerando el alto coste de este material y, posteriormente - con la mejora de las tecnicas de fabricacion y la resultante reduccion de costes - tambien para productos de la industria de la energfa (depositos a presion, palas de generadores eolicos, pilas de combustible, plataformas petrolfferas), de la industria del transporte (trenes, automoviles, embarcaciones) y de la industria del ocio (herramientas y equipo para la practica de deportes). Aunque para este ultimo sector de aplicacion hoy en dfa el mercado parece estar ya totalmente desarrollado, en el sector aeronautico, y en especial en el sector industrial, en el penodo de los proximos cinco anos se espera un pronunciado aumento de la demanda y por ello la necesidad de aumentar los grupos existentes de plantas de fabricacion.

En la actualidad, las fibras de carbono se fabrican por modificacion de fibras artificiales (rayon industrialmente, lignina experimentalmente) o fibras sinteticas (poliacrilonitrilo para al menos el 90 % de la produccion mundial, pero tambien PBO y, de forma experimental, otras fibras termoplasticas) o de residuos de la destilacion del petroleo o alquitran (betunes). Las primeras se denominan tradicionalmente fibras de carbono derivadas de PAN, mientras que las segundas se denominan fibras de carbono derivadas de betunes. Este ultimo tipo de fibras se denominan impropiamente como “fibras de grafito”, aunque naturalmente no son fibras obtenidas de grafito, para subrayar el hecho de que cuando tales fibras sufren un tratamiento termico por encima de 2000 °C, estas finalmente exhiben una disposicion de atomos de carbono muy similar a la tfpica del grafito y una ausencia sustancial de otros elementos en la reticula.

En el caso de fibras de carbono derivadas de PAN, un sector en el que se posiciona la presente invencion, la fibra de poliacrilonitrilo de partida (el denominado precursor) debe estar caracterizada por una composicion qmmica adecuada, por una orientacion molecular especial y por una morfologfa espedfica, de modo que pueda obtenerse de la misma una fibra de carbono final con caractensticas satisfactorias. La composicion qmmica es importante tambien para el proposito de controlar el nivel exotermico de la reaccion de ciclacion del -CN, igual a 18 kcal/mol, una reaccion que representa la primera etapa de procesado de la fibra de poliacrilonitrilo. En las plantas derivadas de materiales textiles, el precursor tfpicamente se produce en masa y las fibras individuales se recogen en haces o haces de filamentos que contienen hasta 300 000 filamentos individuales; los menores haces de filamentos producidos en este tipo de plantas contienen por ejemplo 48 000 filamentos (los denominados 48K). Al mismo tiempo, existen plantas que se disenaron de forma espedfica para fabricar haces de filamentos de bajo denier, en las que la produccion se produce en una escala pequena o media con la fabricacion de haces de filamentos de 1K, 3K, 6k y 12k. En este caso, los haces de filamentos individuales pueden juntarse mutuamente para formar otros mayores, por ejemplo, haces de filamentos de 24K o 48K, al final del proceso de carbonizacion. Las fibras de carbono producidas en este primer tipo de plantas tienen un menor coste de fabricacion, dado por la elevada capacidad de produccion de la misma, pero tienen un menor grado de regularidad, y por ello estas son mas adecuadas para usos industriales. Las fibras de carbono producidas en el segundo tipo de plantas son en cambio mas regulares y mas apreciadas por la industria aeronautica, en la que existe

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

un habito consolidado de uso de haces de filamentos de fibra de carbono mas pequenos.

La reaccion de ciclacion de las fibras de PAN representa, como se indicado antes, la primera etapa del proceso de carbonizacion. Este se lleva a cabo en aire, a 200-295 °C (220-275 °C en la practica real) durante unas pocas horas, y conduce a un material igmfugo negro, el denominado PAN oxidado, que presenta propiedades mecanicas bastante pobres y se destina - como tal - a la produccion de telas de proteccion, acolchados igmfugos o, en materiales compuestos carbono-carbono, de frenos de alto rendimiento (para aeronaves, automoviles de carreras y trenes de alta velocidad).

Durante la etapa de ciclacion a 200-295 °C es muy importante verificar la retraccion de la fibra, puesto que en esta etapa se determina la alineacion de segmentos moleculares a lo largo del eje de la fibra, de cuya orientacion depende el modulo elastico final de la fibra de carbono. La orientacion molecular impartida a la fibra acnlica original afecta a la tenacidad y al modulo elastico de la fibra de carbono final; sin embargo, el grado de orientacion no debe ser excesivamente alto debido a que en ese caso se introducen defectos, tanto superficialmente como en el interior de la fibra.

La fibra de PAN asf oxidada sufre por tanto un proceso subsiguiente de carbonizacion, llevado a cabo en general en una atmosfera inerte, durante el cual se produce la eliminacion de atomos extranos de la estructura de carbono con el desarrollo de la estructural final de grafito. El proceso de carbonizacion se produce en general en dos etapas: una primera etapa a baja temperatura (350-950 °C, 400-900 °C en la practica real) y una segunda etapa a alta temperatura (1000-1800 °C, 1000-1450 °C en la practica real). Por tanto, durante todas las etapas del proceso de carbonizacion, se generan HCN, NH3 y N2 y tambien pueden generarse CO, CO2 y H2O dependiendo de la cantidad de O2 que se haya unido a la fibra de pAn durante la ciclacion a 200-295 °C en aire. Despues del tratamiento termico a mas de 1000 °C la fibra de PAN ha cambiado a fibra de carbono que contiene aproximadamente 95 % de carbono y 5 % de nitrogeno. Durante el proceso de carbonizacion, la fibra es sometida a una contraccion transversal que supone una reduccion de diametro con perdida de aproximadamente un 50 % del peso inicial de la misma; la correspondiente contraccion longitudinal esta en cambio casi totalmente impedida mecanicamente, con el correspondiente desarrollo de una mayor orientacion molecular que contribuye a una mejora de las propiedades mecanicas.

Aguas abajo de este proceso puede proporcionarse un posterior tratamiento pirolftico a temperaturas que vanan de 2000 a 2600 °C, naturalmente siempre en ausencia de gases reactivos, que adopta el nombre de proceso de grafitizacion, durante el cual el porcentaje de nitrogeno residual es expulsado y el contenido en carbono de las fibras llega a mas de un 99 %. Las fibras de carbono que sufren este tratamiento posterior exhiben incluso mejores propiedades mecanicas, sin embargo a costes mucho mas elevados y, por ello, se reservan para usos especiales.

Al finalizar el proceso de carbonizacion, las fibras de carbono sufren un tratamiento de limpieza superficial y un tratamiento para la union de grupos funcionales, con el fin de facilitar la adhesion de las fibras a la matriz de resina en la posterior etapa de conformado de materiales compuestos; para este proposito muchos fabricantes usan un proceso de oxidacion electrolttico. Finalmente, en la fibra asf tratada, se aplica un ensimaje o acabado, con el proposito de minimizar el dano derivado del enrollado en la bobina y mejorar adicionalmente la adhesion de la fibra a la matriz de resina en la que pretende embeberse.

ESTADO DE LA TECNICA ANTERIOR

Las fibras de carbono se producen en la actualidad de acuerdo con un esquema de proceso de 2 etapas, en el que dichas etapas estan totalmente separadas una de la otra. De hecho, en una primera etapa del proceso - a menudo llevada a cabo en una planta ffsicamente alejada de aquella donde tiene lugar la segunda etapa - de hecho, el hilo precursor de PAN se produce en plantas conceptualmente derivadas de aquellas disenadas para la hilatura tradicional con fines de tejeduna, con la introduccion de variantes para obtener un hilo final que tenga las caractensticas mejor adaptadas para la posterior etapa de carbonizacion. En particular, estas son plantas de hilatura de alta velocidad, que tienen velocidades de salida de fibras de hasta 150 m/min (proceso de “hilatura en humedo”), hasta 500 m/min (proceso de “hilatura en humedo con chorros secos”) o de hasta 1000 m/min (proceso de “hilatura en seco”), siendo por ello las velocidades mas bajas tfpicas de la hilatura en un bano disolvente y las mas altas de la hilatura en seco. El hilo asf producido se enrolla en bobinas que pesan hasta 500 kg que a continuacion se almacenan y se envfan seguidamente a las plantas en las que tiene lugar la segunda etapa del proceso, es decir, la de carbonizacion. Las plantas de hilatura de este tipo normalmente procesan un numero de haces de filamentos no superior a 50, para limitar la reduccion de eficiencia de la planta en caso de rotura del haz de filamentos, cuya rotura puede requerir la parada temporal de toda la planta para su reparacion.

En la segunda etapa del proceso en cambio se llevan a cabo los tratamientos en caliente sobre el precursor, para obtener la ciclacion, la carbonizacion y posiblemente la grafitizacion de las mismas. Tal segunda etapa del proceso se lleva a cabo en una planta que comprende una fileta de gran tamano inicial, sobre la cual se instalan las bobinas de fibra precursora que provienen de las plantas de hilatura, aguas abajo de las cuales estan dispuestos los hornos de oxidacion, carbonizacion y posiblemente de grafitizacion. Puesto que estos tratamientos termicos requieren tiempos de residencia relativamente largos, con el fin de limitar el tamano de la planta a lfmites industrialmente aceptables, la velocidad de procesado de las fibras de carbono en esta segunda etapa del proceso es mucho menor que en la etapa de hilatura, variando por ejemplo, de 5 a 20 m/min y el numero de haces de filamentos procesados de forma

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

simultanea es en consecuencia mayor, de forma tipica de hasta 600 haces de filamentos.

PROBLEMA Y SOLUCION

El procedimiento de fabricacion de fibras de carbono se ha concebido desde su comienzo en la version que comprende dos etapas de proceso separadas, y mantenido en dicha version en todos los posteriores desarrollos, debido a la evidente incompatibilidad de los parametros de velocidad y velocidad de flujo de las dos etapas del proceso. De hecho, considerando que una planta de hilatura convencional puede producir simultaneamente hasta un maximo de 50 haces de filamentos, habna sido teoricamente necesario disponer hasta 6 lmeas de hilatura una al lado de otra para alimentar directamente una unica planta de carbonizacion; sin embargo, puesto que cada lmea de hilatura tradicional tiene un tamano considerable (por ejemplo, una longitud de hasta 100 m), dicha solucion habna implicado la disposicion - evidentemente impracticable desde un punto de vista de ingeniena de la planta - de 6 plantas de hilatura convergiendo en una unica alimentacion de la planta de carbonizacion.

Por otra parte, dicha solucion habna sido tambien poco eficiente desde un punto de vista economico, puesto que cada una de las 6 lmeas de hilatura habna tenido que operar a una velocidad muy baja, es decir, identica a la de una etapa de carbonizacion, y por ello con una ratio totalmente inadecuada entre costes de planta y productividad.

El procedimiento con dos etapas separadas se impone por ello por sf mismo como una solucion forzada, a la luz de lo expuesto antes, a pesar de los problemas tecnicos y economicos evidentes que conlleva.

Un primer inconveniente significativo -tecnico - del procedimiento de dos etapas deriva del enrollado de la bobina de los haces de filamentos precursores y en particular, de la compresion dclica que los haces de filamentos sufren en esta operacion por el dispositivo de guiado transversal, que de hecho causa una oxidacion no uniforme en la posterior reaccion de oxidacion. Un segundo inconveniente, igualmente significativo - economico -, tambien esta relacionado con las operaciones de enrollado en la bobina de los haces de filamentos precursores. De hecho, esta operacion -y las posteriores operaciones relevantes para almacenar las bobinas, transportar la mismas a la planta de carbonizacion y finalmente insertar las bobinas en la fileta que alimenta dicha planta - suponen una parte importante de los costes de instalacion y gestion de una planta de produccion de fibra de carbono.

Otro inconveniente de las lmeas tradicionales de hilatura del precursor es finalmente el de la baja flexibilidad de las mismas en relacion con la produccion de haces de filamentos con una menor numero de filamentos comparados con la proyectada. De hecho, tales haces de filamentos, debido a la necesidad de un hueco adecuado entre los mismos y los rodillos tensores respectivos, ocupan - siendo el mismo el denier total de la lmea de hilatura - una mayor porcion de la anchura de rodillo que uno ocupado por haces de filamentos de alto denier. Sin embargo, la anchura de los rodillos tensores de los haces de filamentos, por razones tecnicas y economicas obvias, tiene lfmites de tamano precisos y esta limitacion de tamano implica por ello - siendo la velocidad y tecnologfa de lmea la misma - una reduccion drastica de la capacidad de fabricacion de la misma cuando esta implicada en la produccion de haces de filamentos de bajo denier.

Por tanto, un objeto de la presente invencion es proponer un procedimiento de fabricacion de fibras de carbono que este exento de estos inconvenientes y que, en particular, permita evitar la etapa de enrollado en la bobina del precursor antes de la etapa de carbonizacion, garantizando de este modo la perfecta uniformidad de los haces de filamentos que entran en la etapa de carbonizacion y eliminando los costes y ocupacion de espacio en lo que se refiere a la gestion de carga/descarga de las bobinas de precursor de PAN entre las dos plantas del procedimiento tradicional de 2 etapas.

Otro objeto de la presente invencion es proponer un procedimiento de fabricacion de fibra de carbono que tiene una alta flexibilidad de produccion incluso con haces de filamentos de bajo denier, por ejemplo, inferiores a 1K, asf como con una baja densidad lineal de los filamentos, por ejemplo, menor de 1 dtex.

De nuevo, otro objeto de la presente invencion es proponer un procedimiento de fabricacion de fibra de carbono que mantenga una elevada eficiencia de fabricacion tambien en presencia de una rotura del haz de filamentos en la etapa de hilatura.

Todos los objetos indicados antes se consiguen por medio de un procedimiento que tiene las caractensticas definidas en la reivindicacion 1 anexa al presente documento y por una planta que tiene las caractensticas definidas en la reivindicacion 8. En las reivindicaciones dependientes se definen caractensticas adicionales de la invencion.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

En cualquier caso, otras caractensticas y ventajas de la invencion seran mas evidentes a partir de la siguiente descripcion detallada de una realizacion preferida de la misma, dada unicamente como ejemplo no limitante e ilustrada en los dibujos adjuntos, en los que:

la fig. 1 es una viste global en perspectiva y esquematica de la seccion de hilatura de una planta de fabricacion de fibras de carbono de acuerdo con la presente invencion;

la fig. 2 es una vista detallada en perspectiva de la porcion de extremo de la seccion de hilatura de la fig. 1;

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

la fig. 3 es una vista frontal esquematica que ilustra - en una escala aumentada - dos modulos de la planta de hilatura de la fig. 1; y

la fig. 4 es una vista axonometrica de los dos modulos ilustrados en la fig. 3.

DESCRIPCION DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERENTES

El objeto que el autor de la invencion pretende conseguir con la presente invencion es combinar las dos etapas separadas del procedimiento de fabricacion tradicional de fibras de carbono en un unico procedimiento en lmea, para obtener de este modo un procedimiento en el que la fibra precursora de PAN producida en la seccion de hilatura pueda ser suministrada directamente a la seccion de carbonizacion, por tanto sin ningun tipo de area de almacenamiento intermedio de fibra precursora de PAN entre la etapa de hilatura y la etapa de oxidacion/carbonizacion. De hecho, solo alcanzando este objeto habna sido posible alcanzar totalmente los principales objetos de la invencion.

Las razones por las cuales esta combinacion directa de las dos etapas del procedimiento tradicional en un unico procedimiento en lmea no fue posible ni concebible, de acuerdo con la tecnica conocida, ya se han descrito en la parte preliminar de la presente descripcion.

El autor de la presente invencion por tanto ha decidido distanciarse totalmente del enfoque tradicional y ha ideado un novedoso procedimiento de fabricacion de fibra de carbono, caracterizado, en la etapa de hilatura de la fibra precursora de PAN, por estos elementos innovadores fundamentales:

- una baja velocidad de salida en la etapa de estirado final, es decir, una velocidad que este dentro de las velocidades de procesado adecuadas en la posterior etapa de oxidacion/carbonizacion (actualmente 5-20 m/s);

- recorrido de procesado del hilo que se desarrolla en una zona altamente compacta, usando recorridos de fibra tanto horizontales como en zig-zag;

- planta de hilatura modular en la que cada modulo individual, que pueden estar unidos en serie, tiene una productividad muy baja (2-8 haces de filamentos) con respecto a la productividad global del procedimiento. Un diagrama ejemplo de una planta de hilatura en la que se incorporan los elementos innovadores citados antes, y por medio de la cual el procedimiento de la invencion puede por ello llevarse a cabo, esta ilustrado en las figs. 1 y 2, mientras que el detalle de los modulos de hilatura individuales esta ilustrado en las figs. 3 y 4.

Como puede apreciarse en los dibujos adjuntos, la planta de hilatura ilustrada, que es una realizacion ejemplo no limitante de la presente invencion, comprende dos series de modulos de hilatura, A y B, respectivamente, dispuestos uno sobre el otro y que consiste cada uno en 22 modulos de hilatura M adyacentes. Cada uno de los modulos de hilatura M es, por ejemplo, capaz de producir 8 haces de filamentos de precursor de PAN de 12K.

El numero total de los modulos M de la planta se calcula considerando la productividad de cada modulo individual y la velocidad de flujo de alimentacion requerida de la seccion de carbonizacion de la planta. La productividad de cada modulo M individual es preferiblemente menor del 10% de la productividad global de la seccion de hilatura, mas preferiblemente, menor del 5 % de dicha productividad global e incluso mas preferiblemente, menor del 2,5 % de dicha productividad global.

De acuerdo con una caractenstica particularmente interesante de la presente invencion, los modulos M individuales que constituyen cada una de las secciones de modulos A y B estan ligeramente descentradas una con respecto a la otra en una direccion transversal, en un grado que corresponde exactamente a la anchura final total de los haces de filamentos producidos por cada modulo M que, en el ejemplo ilustrado, es de aproximadamente 41 mm. De este modo, los haces de filamentos producidos por un modulo pueden disponerse exactamente al lado de los producidos por modulos M subsiguientes - sin imponer desviacion lateral alguna a los mismos - para obtener asf, al final de cada una de la serie de modulos A y B, una banda continua Na, Nb formada por 8x22=176 haces de filamentos y por ello que tiene una anchura total de aproximadamente 900 mm.

Las dos series de modulos A y B estan ademas mutuamente desplazadas en una direccion transversal precisamente por dicha distancia, de modo que la banda de haces de filamentos Nb, que procede de la serie de modulos B anteriores, puede disponerse al lado de la banda Na, que procede de la serie de modulos A inferiores, a traves de un conjunto de rodillo estirador R dispuesto adecuadamente - en este caso, ademas, sin imponer desviacion transversal alguna a las bandas Na y Nb - para asf formar una banda continua de haces de filamentos que tienen una anchura de 1800 mm que es la anchura de banda tfpica usada para alimentar el horno F subsiguiente de oxidacion totalmente identico al del procedimiento tradicional. Es importante destacar que la total ausencia de desviaciones transversales impuestas sobre las fibras precursoras de PAN durante el procedimiento de hilatura y, por tanto, durante el proceso de transporte hasta el horno F de oxidacion/carbonizacion, permite evitar toda falta de uniformidad de la misma, dicha falta de uniformidad se traducina de forma inevitable en una estructura cristalina irregular de las fibras de carbono derivadas de dichas fibras precursoras de PAN y, por ello, en el analisis final, en caractensticas mecanicas no optimas de la misma.

Como se establece anteriormente, el procedimiento de hilatura se produce a una velocidad mucho menor que la de las

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

plantas tradicionales y, en particular, a una velocidad tal que las bandas de haces de filamentos Na + Nb que proceden de la seccion de hilatura, es decir, despues de las operaciones de estirado, tienen la velocidad de entrada de la seccion de oxidacion F de las plantas tradicionales, es decir, una velocidad que vana de forma tfpica entre 5 y 20 m/min.

La estructura de cada modulo de hilatura M individual puede comprenderse inmediatamente a partir de las figs. 3 y 4 que muestran una realizacion preferida de los mismos

En la porcion inferior de cada modulo M esta dispuesto un deposito de hilatura 1 que contiene el bano de coagulacion de la fibra de PAN, en el que se impregnan entre 2 y 8 hileras 2, dispuestas una al lado de la otra. Los haces de filamentos formados por los filamentos que proceden de las hileras 2 son recogidos del deposito de hilatura 1 y, por ello, conducidos a un bano que - a diferencia de lo que ocurre en las plantas de hilatura tradicionales - se desarrolla tanto en una direccion horizontal y en una direccion vertical con un recorrido en zig-zag en una serie de rodillos accionados por motor independientemente 3, 4 y 5. En la realizacion ilustrada, se forman 8 recorridos subhorizontales rectilmeos entre pares de rodillos 3 opuestos y a lo largo de los mismos recorridos se realizan todas las operaciones necesarias, es decir, lavado, estirado, secado, estabilizado y acabado de las fibras precursoras de PAN, a traves de una serie de dispositivos - conocidos per se por un experto en la tecnica y por esta razon no descritos aqrn con detalle - a traves de los cuales las fibras que se estan formando son obligadas a pasar, sometiendo a las mismas de forma simultanea a la accion de diferentes soluciones acuosas.

En particular, en los dos primeros recorridos rectilmeos entre rodillos 3, inmediatamente aguas abajo del deposito de hilatura 1, se llevan a cabo los tratamientos de poscoagulacion y preestirado, en los cuatro recorridos intermedios posteriores se llevan a cabo los tratamientos de lavado y estirado en humedo, mientras que en los dos recorridos finales se llevan a cabo los tratamientos de acabado superficial. Al finalizar esta serie de tratamientos los haces de filamentos de fibras que se estan formando, que mientras tanto, han llegado a la parte superior del modulo M, se llevan de nuevo a la parte inferior del mismo de acuerdo con un recorrido rectilmeo vertical que se prolonga entre un primer par de rodillos de estirado 4 y un segundo par de rodillos de estirado 5; el par de rodillos 4 esta calentado, de modo que cuando pasan sobre los mismos las fibras se secan y se provoca su contraccion transversal (contraccion transversal = aumento de la densidad de la fibra, bajo tension y calor, debido al colapso de la posible estructura alveolar de la misma generado por eliminacion de disolvente).

A lo largo del recorrido rectilmeo entre los pares de rodillos 4 y 5 esta provisto ademas un dispositivo de estirado con vapor 6 a traves del cual las fibras son obligadas a pasar para sufrir el estirado final determinado por la diferencia de velocidad de rotacion entre el par de rodillos 5 y el par de rodillos 4. Del par de rodillos 5 los haces de filamentos de fibras de PAN se llevan finalmente de vuelta a la porcion superior del modulo M, en un segundo recorrido rectilmeo vertical a traves de un dispositivo de recocido con vapor 7 y, finalmente desde aqrn estos son enviados a la seccion de oxidacion junto con los que provienen de los modulos de hilatura M precedentes o subsiguientes, de las misma serie A o B.

Debido al hecho de que la hilatura se lleva a cabo a baja velocidad, la longitud de los recorridos de tratamiento puede ser particularmente corta, a pesar de mantener tiempos de permanencia satisfactorios en los dispositivos de procesamiento de fibra individuales. Esto permite limitar el tamano total de los modulos de hilatura M a valores particularmente bajos; como ejemplo, en la realizacion ilustrada la dimension longitudinal de los modulos, o mas precisamente la separacion entre dos modulos subsiguientes, es de 1250 mm, mientras que la altura de los modulos es inferior a 2200 mm.

Puesto que en cada uno de los modulos M existe una produccion de fibra relativamente baja, la anchura de los rodillos 3-5 puede dimensionarse facilmente de modo que alberguen - incluso en las primeras etapas de hilatura en las que la fibra en granel es mucho mas alta - un gran numero de haces de filamentos de menor denier o de haces de filamentos que consisten en filamentos que tienen baja densidad lineal, de modo que se pueda mantener la productividad global de cada modulo M constante, independientemente del numero de haces de filamentos procesados y de la densidad lineal de los filamentos individuales que constituyen dichos haces de filamentos.

La longitud total de una planta de hilatura de acuerdo con la presente invencion es por tanto de aproximadamente 30 metros, comprendiendo tambien un conjunto de rodillo estirador R que proporciona la disposicion de las bandas Na y Nb una al lado de la otra y la alimentacion de la seccion de oxidacion F. Dicha longitud total no es solo mucho mas corta que la de las plantas de hilatura usadas en la actualidad, sino incluso comparable con la de una unica fileta que alimenta las plantas de carbonizacion tradicionales. Usando el procedimiento y la planta de acuerdo con la presente invencion es por tanto posible innovar la operacion de plantas existentes a un coste muy bajo y con una drastica mejora de la eficiencia, tanto en terminos de calidad del producto acabado como del coste del mismo. De hecho, de la descripcion detallada expuesta antes resulta evidente que el procedimiento de fabricacion de fibra de carbono de acuerdo con la presente invencion alcanza en su totalidad el objeto principal, puesto que se elimina totalmente en el mismo la etapa de enrollado de la bobina del precursor de PAN al final de la etapa de hilatura. Los problemas que dicho enrollado suele determinar por ello se despejan, tanto en terminos de homogeneidad del haz de filamentos - y por ello de la calidad de la fibra de carbono obtenida a partir de dichas fibras precursoras de PAN - como en terminos de costes de la planta y costes de operacion relacionados con el enrollado/transporte/desenrollado de las bobinas del precursor de PAN.

10

15

20

El procedimiento de fabricacion de fibras de carbono de acuerdo con la presente invencion permite ademas alcanzar tambien los otros objetos adicionales de la invencion y, en particular:

- una eficiencia drasticamente mejorada en caso de rotura del haz de filamentos, puesto que en este caso no es necesario detener toda la produccion de la seccion de hilatura, como ocurre en plantas tradicionales, sino unicamente la del modulo M individual afectado, con una perdida minima de productividad que, por ejemplo, en la realizacion ilustrada, es igual a aproximadamente 2,3 % de la productividad total;

- una elevada flexibilidad de procedimiento, es decir, la posibilidad de producir haces de filamentos con un bajo denier o con filamentos que tengan una baja densidad lineal sin efectos negativos sobre la productividad. De hecho, la capacidad de modular la solucion tecnica propuesta no plantea un lfmite sustancial en la anchura total teorica de la seccion de hilatura, igual a la suma de las anchuras de los pequenos rodillos 3-5 usados en cada uno de los modulos M - en que el denier total de las fibras procesadas pueda por tanto mantenerse sin cambios incluso trabajando con haces de filamentos de bajo denier o con filamentos que tienen baja densidad lineal - proporcionando de este modo lmeas de hilatura que son mucho mas eficientes que las lmeas de hilatura convencionales, donde la anchura maxima de los rodillos representa un lfmite para la productividad de la lmea cuando se trabaja con haces de filamentos de bajo denier. Por otro lado, la produccion de los haces de filamentos de bajo denier antes citados o de haces de filamentos con filamentos que tienen baja densidad lineal puede implementarse solo en una porcion de los modulos M de la planta de hilatura adaptados de forma espedfica a este fin, mejorando de este modo la flexibilidad de la planta tambien desde este punto de vista.

No obstante, se sobreentiende que la invencion no debe considerarse limitada a la realizacion particular ilustrada antes, que representa unicamente una realizacion ejemplo de la misma, sino que son posibles una serie de variantes, todas al alcance de un experto en la tecnica, sin apartarse del ambito de la invencion, tal como esta definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de fabricacion de fibras de carbono, del tipo que comprende una primera etapa de hilatura de una fibra precursora de PAN y una segunda etapa de oxidacion/carbonizacion de dicha fibra, caracterizado porque:

a. dichas etapas de hilatura y de oxidacion/carbonizacion se llevan a cabo directamente en lmea y de forma continua, por tanto sin ningun area de almacenamiento intermedio de precursor de PAN entre las dos etapas;

b. dicha etapa de hilatura se lleva a cabo a baja velocidad, de modo que la velocidad de salida de la etapa de hilatura, aguas abajo de las operaciones de estirado, es una velocidad que esta dentro del intervalo de las velocidades adecuadas de procesamiento en la subsiguiente etapa de oxidacion/carbonizacion;

c. dicha etapa de hilatura se lleva a cabo de una forma modular en una pluralidad de modulos de hilatura (M) alineados en una o mas filas (A, B), teniendo cada modulo de hilatura (M) una productividad no superior al 10 % de la productividad total de la etapa de hilatura;

d. en cada modulo de hilatura (M) individual, las fibras aguas abajo del area de hilatura siguen recorridos rectilmeos en zig-zag a traves de rodillos desviadores y tensores (3-5), tanto en una direccion horizontal como en una direccion vertical, recorridos a lo largo de los cuales se llevan a cabo los diversos tratamientos de hilatura;

e. los haces de filamentos de fibras que proceden de cada modulo de hilatura (M) se disponen al lado de los haces de filamentos que proceden de los modulos (M) precedentes y/o siguientes, sin sufrir desviaciones transversales con respecto a la direccion de progreso de los mismos, para formar una unica banda (N) de alimentacion de la etapa de oxidacion/carbonizacion.
2. Procedimiento de fabricacion de fibras de carbono segun la reivindicacion 1, en el que los modulos (M) individuales comprendidos en cada una de dichas filas (A, B) de modulos estan ligeramente desplazados unos con respecto a los otros en una direccion transversal, en un grado que corresponde a la anchura final total de los haces de filamentos producidos por cada modulo (M).
3. Procedimiento de fabricacion de fibras de carbono segun la reivindicacion 2, en el que dichas filas (A, B) de modulos (M) alineados estan mutuamente superpuestas y cada fila superior (B) esta totalmente desplazada en una direccion transversal con respecto a la fila inferior (B), en un grado que corresponde a la anchura final total de la banda de haces de filamentos (Na) fabricada en dicha fila inferior (A).
4. Procedimiento de fabricacion de fibras de carbono segun la reivindicacion 3, que comprende ademas un conjunto de rodillo estirador (R) para alinear en un mismo plano las bandas de haces de filamentos (Na, Nb) fabricadas en cada una de dichas filas (A, B) de modulos de hilatura (M).
5. Procedimiento de fabricacion de fibras de carbono segun la reivindicacion 4, en el que dicha velocidad de salida de los haces de filamentos de la etapa de hilatura, aguas abajo de las operaciones de estirado, es una velocidad que vana de 5 a 20 m/min.
6. Procedimiento de fabricacion de fibras de carbono segun la reivindicacion 4, en el que la productividad de cada modulo de hilatura (M) no es superior al 5 %, y preferiblemente, no superior al 2,5 % de la productividad total de la etapa de hilatura del procedimiento.
7. Procedimiento de fabricacion de fibras de carbono segun la reivindicacion 4, en el que cada modulo de hilatura (M) comprende:

a. un deposito (1) dispuesto en la porcion inferior del modulo y que contiene un bano de coagulacion de las fibras de PAN, en el que se impregnan de 2 a 8 hileras (2) alineadas una al lado de otra;

b. al menos seis recorridos rectilmeos subhorizontales entre los rodillos desviadores y tensores (3), que progresan desde la porcion inferior a la porcion superior del modulo, a lo largo de los cuales se llevan a cabo un tratamiento de poscoagulacion, un tratamiento de preestirado, tres o mas tratamientos de lavado y estirado en humedo, y uno o mas tratamientos de acabado superficial finales, respectivamente.

c. dos recorridos rectilmeos verticales entre pares de rodillos desviadores y tensores (4, 5), desde la parte superior del modulo (M) a la parte inferior del mismo y viceversa, a lo largo de los cuales se llevan a cabo el tratamiento de contraccion transversal, el tratamiento de estirado con vapor y finalmente el tratamiento de recocido con vapor de los haces de filamentos, respectivamente.
8. Planta de fabricacion de fibras de carbono, del tipo que comprende una primera seccion de hilatura de una fibra precursora de PAN y una segunda seccion de oxidacion/carbonizacion de dicha fibra, caracterizado porque:

a. dichas secciones de hilatura y de oxidacion/carbonizacion estan instaladas con una conexion directa en lmea y, por tanto sin area de almacenamiento intermedio de precursor de PAN entre las dos secciones;

5

10

15

20

25

30

35

b. dicha seccion de hilatura comprende una pluralidad de modulos de hilatura (M) alineados en una o mas filas (A, B), teniendo cada modulo de hilatura (M) una productividad no superior al 10 % de la productividad total de la seccion de hilatura;

c. cada modulo de hilatura (M) individual, comprende una pluralidad de rodillos desviadores y tensores (3-5), para llevar las fibras aguas abajo del area de hilatura en recorridos rectilmeos en zig-zag que se desarrollan tanto en una direccion horizontal como en una direccion vertical, recorridos a lo largo de los cuales se llevan a cabo los diversos tratamientos de hilatura.
9. Planta de fabricacion segun la reivindicacion 8, en la que los modulos (M) individuales comprendidos en cada una de dichas filas (A, B) de modulos estan ligeramente desplazados unos con respecto a los otros en una direccion transversal, en un grado que corresponde a la anchura final total de los haces de filamentos producidos por cada modulo (M).
10. Planta de fabricacion segun la reivindicacion 9, en la que dichas filas (A, B) de modulos (M) alineados estan mutuamente superpuestas y cada fila superior (B) esta totalmente desplazada en una direccion transversal con respecto a la fila inferior (B), en un grado que corresponde a la anchura final total de la banda de haces de filamentos (Na) fabricada en dicha fila inferior (A).
11. Planta de fabricacion de fibras de carbono segun la reivindicacion 10, que comprende ademas un conjunto de rodillo estirador (R) para alinear en un mismo plano las bandas de haces de filamentos (Na, Nb) fabricadas en cada una de dichas filas (A, B) de modulos de hilatura (M).
12. Planta de fabricacion de fibras de carbono segun la reivindicacion 11, en la que dicha velocidad de salida de los haces de filamentos de la seccion de hilatura, aguas abajo de las operaciones de estirado, es una velocidad que vana de 5 a 20 m/min.
13. Planta de fabricacion de fibras de carbono segun la reivindicacion 11, en la que la productividad de cada modulo de hilatura (M) no es superior al 5 %, y preferiblemente, no superior al 2,5 % de la productividad total de la seccion de hilatura de la planta.
14. Planta de fabricacion segun la reivindicacion 11, en la que cada modulo de hilatura (M) comprende:

a. un deposito (1) dispuesto en la porcion inferior del modulo y que contiene un bano de coagulacion de las fibras de PAN, en el que se impregnan de 2 a 8 hileras (2) alineadas una al lado de otra;

b. al menos seis recorridos rectilmeos subhorizontales entre los rodillos desviadores y tensores (3), que progresan desde la porcion inferior a la porcion superior del modulo, a lo largo de los cuales se llevan a cabo un tratamiento de poscoagulacion, un tratamiento de preestirado, tres o mas tratamientos de lavado y estirado en humedo, y uno o mas tratamientos de acabado superficial finales, respectivamente;

c. dos recorridos rectilmeos verticales entre pares de rodillos desviadores y tensores (4, 5), desde la parte superior del modulo (M) a la parte inferior del mismo y viceversa, a lo largo de los cuales se llevan a cabo el tratamiento de contraccion transversal, el tratamiento de estirado con vapor y finalmente el tratamiento de recocido con vapor de los haces de filamentos, respectivamente.