[實用新型]一種碳纖維原絲預氧化設備

有效

• 申請號: 202120149050.1
• 申請日: 2021-01-20
• 公開（公告）號: CN215440785U
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發明（設計）人: 程禮盛;王晨暉;丁玉梅;譚晶;楊衛民;劉晗;宋立健
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: D01F9/32
• 分類號: D01F9/32;D01F9/22
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出一種碳纖維原絲預氧化設備，設備設有供料裝置、爐體、收卷裝置，爐體的前端設有一出液口、后端設有一進液口；爐體處設有微波磁控管、供液裝置，設有一控制單元與該收卷裝置、微波磁控管及供液裝置連接。本發明提出了一種碳纖維原絲預氧化方法，在紡絲階段，在原絲中混入碳含量高且能夠被微波激發產生氧自由基引發劑，然后將原絲引入非極性冷卻液中，不借助外界氧氣，而是用微波激發氧自由基直接對原絲進行原位預氧化，有效避免皮芯結構產生。同時，在冷卻液中進行預氧化，可以通過冷卻液與纖維的換熱及時移除反應熱，實現低溫預氧化，提高預氧化纖維性能。選擇非極性液體作為紡絲液可以避免其吸收微波，從而盡可能避免微波損失。

技術領域

本發明涉及新型材料制備領域，尤其涉及一種碳纖維原絲預氧化設備及方法。

背景技術

碳纖維是發展國防軍工與國民經濟的重要戰略物資，是技術密集型關鍵材料，主要應用于航天航空、國防軍工、汽車、船舶以及高端體育用品等領域。由于碳纖維具有輕質、高強、耐腐蝕、高模量等特性，因此碳纖維在國防軍工以及航天航空領域有著不可替代的重要作用。

用于制備碳纖維的前驅體有很多種，其中聚丙烯腈(PAN)基碳纖維占碳纖維總產量的90％以上。預氧化是生產PAN基碳纖維的重要環節，不僅控制著碳纖維的產量，而且對碳纖維的性能、碳收率有著重要影響。預氧化時間長達80-100min，約占碳纖維生產全過程的90％。雖然原絲預氧化的研究始于 20世紀50年代，但它現在仍然是制約碳纖維性能和產量的關鍵。提高預氧化質量和縮短預氧化時間是預氧化過程中的兩個技術瓶頸。

目前工業化生產碳纖維過程中，預氧化多采用梯度升溫的預氧化方式。這種傳統的預氧化方式，主要是通過熱環境的熱輻射、熱對流及熱傳導，對原絲由外而內進行加熱。而這種加熱方式的后果是，原絲表層先發生預氧化反應，形成更加致密且具有一定剛性的表層結構，進而不僅阻止氧氣向原絲中心的擴散，還會影響纖維的徑向收縮，導致皮芯結構和芯部缺陷的形成。這些缺陷將隨著后續工藝環節遺傳給碳纖維，影響最終的碳纖維性能。除此之外，在纖維預氧化過程中氧氣向纖維內部擴散緩慢和反應熱量在纖維中心區域的積累也會對碳纖維最終的結構性能產生重要的影響，比如引起皮芯結構和微孔缺陷等。

因此，要獲得性能優異、成本低的碳纖維預氧絲，還需要尋求更加有效的預氧化方法，以克服上述不足。

發明內容

本發明提出了一種碳纖維原絲預氧化設備及方法，旨在利用微波加熱取代傳統加熱、用預先加入到原絲中的氧自由基前體在微波作用下產生的具有強氧化性的自由基取代氧氣作為氧化劑，可以縮短碳纖維原絲的預氧化時間。此外該方法還可以提高碳纖維預氧絲的質量，此方法制備的碳纖維預氧化纖維具有更好的取向度，利用此方法制備的預氧絲所制造的碳纖維的皮芯結構的程度較輕，力學性能優于傳統工藝所制備的碳纖維。

本發明提出的一種碳纖維原絲預氧化設備，主要由碳纖維原絲的供料裝置、爐體、微波磁控管、預氧化纖維收卷裝置、控制單元組成。微波磁控管安裝在爐體上，用于向爐體腔內發射微波。爐體前端和后端分別設有出液口和進液口，爐體中的冷卻液經由進液口和出液口，通過供液裝置進行循環。供料裝置對碳纖維原絲進行連續紡絲，收卷裝置對在爐體中進行預氧化之后的原絲進行連續牽伸和收卷。控制單元對供料裝置、收卷裝置、供液裝置、微波磁控管進行控制，以維持一定的冷卻液溫度和纖維牽伸力。冷卻液為非極性液體，對微波具有透過性，用于轉移原絲在氧化過程中釋放的熱量，以避免熱量在原絲中聚集出現皮芯結構。

本發明提出一種碳纖維原絲預氧化設備，微波加熱單元可以有若干個磁控管。

依據上述結構特征，若干個磁控管設置于爐體的單側。

依據上述結構特征，若干個磁控管設置于爐體相對排列。

依據上述結構特征，若干個磁控管設置于爐體交錯排列。