[發明專利]一種聚集太陽光預氧化碳纖維的設備及方法

在審

• 申請號: 202110213896.1
• 申請日: 2021-02-26
• 公開（公告）號: CN112813540A
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 張有忱;宋立健;程禮盛;譚晶;王晨暉;張政和;丁玉梅;楊衛民
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01F9/32;F24S23/30;F24S60/30
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• 代理人: 暫無信息

本發明公開一種聚集太陽光預氧化碳纖維的設備及方法，設備主要包括放絲裝置、石英管、催化劑微量注射泵、熱風裝置、太陽光聚集裝置和收絲裝置，放絲裝置位于系統的最前端，石英管安裝在放絲裝置的右側，催化劑微量注射泵和熱風裝置分別位于石英管的上下兩側，在催化劑微量注射泵和熱風裝置的右側、石英管的兩側分別安裝有太陽光聚集裝置，石英管的最右端安裝有收絲裝置。本發明方法中采用聚集太陽光或者氙燈來直接加熱碳纖維，溫度響應較快，省去了大量的加熱、保溫裝置；采用微量注射泵注射催化劑溶液，能夠定量控制催化劑的濃度和用量，加快預氧化速率，減少皮芯結構，通過調整菲涅爾透鏡到碳纖維表面的距離實現碳纖維表面溫度的可控。

技術領域

本發明涉及的是碳纖維預氧化加工制造領域，特別涉及的是一種聚集太陽光預氧化碳纖維的設備及方法。

背景技術

預氧化是生產PAN基碳纖維的一個重要過程，在這個過程中PAN原絲的線性分子鏈轉變為具有耐熱梯形結構的預氧絲，為后續的碳化、石墨化奠定了基礎。在預氧化過程中如果固氧速率過快，碳纖維外表層會首先發生環化形成致密的皮層，進而阻擋氧繼續向芯部擴散，最終形成皮芯結構，造成預氧化過程時間過長，生產成本大幅增加。目前預氧化的裝置大致有兩種：

(1)直接加熱式預氧化設備

直接加熱式預氧化設備電加熱爐膛，其熱量從爐膛壁面經過空氣，最后作用到碳纖維表面。在這個過程中由于爐膛內空氣的熱導率非常低，因此在預氧化之前需要更多的時間和能耗來達到預氧化的溫度。碳纖維預氧化溫度的均勻性和穩定性直接取決于爐體的工況條件：在外界溫度低時(如冬天)，就需要保溫層來保證爐體的溫度不會下降；在外界溫度高時(如夏天)，碳纖維的反應熱容易在纖維內部蓄積而造成過熱，此時需要在爐膛內設有溫度監控器并隨時準備啟動滅火系統。

這種設備結構簡單，造價低廉且配備有換熱器、隔熱保溫層等。但缺點在于設備爐體大、耗能多、現有的工藝和設備能占碳纖維生產成本的8％-12％。對于碳纖維生產線來說，節能減耗的空間還很大。

(2)微波加熱預氧化設備(中國專利CN208362540U、CN207891472U)

微波加熱預氧化是近些年較多提及的新方法，其優點有：

①加熱均勻。微波加熱過程中微波穿透碳纖維，直接作用在纖維內部，熱量從內部產生，熱量均勻。

②加熱速率快。這是微波加熱的原理決定的：微波加熱碳纖維過程中，碳纖維內部的極性分子強烈振動，并將動能轉化為熱能，避免了熱量從其余途徑損失。

但是微波加熱碳纖維并沒有大批量地應用到碳纖維的預氧化過程中，原因有：

①雖然微波功率覆蓋范圍較廣，但是由于預氧化的溫度在240℃附近即可，調節到240℃的功率窗口較窄，操作不太容易。

②微波爐需要金屬殼體作為屏蔽殼體，其表面開孔的孔徑只能在1/5的微波波長附近，難以通過開孔來放置測溫裝置實時測量纖維表面的溫度。此時的微波爐相當于一個“暗箱”，不容易通過肉眼觀察纖維的變化過程，很容易造成失火。

發明內容

為了降低直接式預氧化設備的能耗消耗、避免微波預氧化難測溫的問題，本發明專利提出一種聚集太陽光預氧化碳纖維的設備及方法，改變預氧絲的加熱方式，大幅降低能量消耗，并通過控制菲涅爾透鏡的位移來調控碳纖維的溫度，進而實現梯度加熱。

實現上述目的的技術方案是：一種聚集太陽光預氧化碳纖維的設備，主要包括放絲裝置、石英管、催化劑微量注射泵、熱風裝置、太陽光聚集裝置和收絲裝置，放絲裝置位于系統的最前端，石英管安裝在放絲裝置的右側，催化劑微量注射泵和熱風裝置分別位于石英管的上下兩側，在催化劑微量注射泵和熱風裝置的右側、石英管的兩側分別安裝有太陽光聚集裝置，石英管的最右端安裝有收絲裝置。