CN212270293U

CN212270293U - 一种调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉

Info

Publication number: CN212270293U
Application number: CN201922287394.4U
Authority: CN
Inventors: 李志鹏; 王俊峰; 姚冬; 王永国; 李超; 吴海南
Original assignee: HENAN YONGMEI CARBON FIBER CO Ltd
Current assignee: HENAN YONGMEI CARBON FIBER CO Ltd
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2021-01-01
Anticipated expiration: 2029-12-18

Abstract

一种调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉，涉及碳纤维预氧化领域。本实用新型实施例的调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉，其包括用于容纳原丝的炉膛，用于牵引原丝的牵伸***，用于对原丝进行红外加热的红外加热装置，用于对原丝进行热加热的电热丝加热装置，以及用于在炉膛内形成对流空气的通风***，牵伸***、红外加热装置、电热丝加热装置和通风***设置于炉膛内。该调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉通过红外加热纤维内部，热风加热纤维外层，结合对流控温纤维外层，保证氧向纤维内部的渗透，最终达到调控预氧丝均质化的目的。

Description

一种调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉

技术领域

本实用新型涉及碳纤维预氧化领域，具体而言，涉及一种调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉。

背景技术

碳纤维是指含碳量在90％以上的高拉伸强度、高拉伸模量纤维，其具有低密度、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等诸多优点，广泛应用于武器、航空航天、建筑、汽车舰船、医疗及工业设备、体育休闲产品等领域。目前主要使用聚丙烯腈纤维(polyacrylonitrile fiber，PAN)制备高性能碳纤维，即PAN基碳纤维。碳纤维的生产步骤一般包括聚合、纺丝、预氧化、碳化、后处理等步骤。现在工业生产的碳纤维的最高拉伸强度约为7.2GPa，是理论值的4％左右，为了进一步提高碳纤维的强度等性能，相关研究提出碳纤维的生产需以四化为基础，即细旦化，细晶化，均质化，洁净化。

均质化是指纤维的结构和性能径向分布基本均匀，无明显的皮芯结构，只有预氧丝均质化，才能得到致密化的碳纤维。预氧化是制备 PAN基碳纤维必不可少的重要步骤，其目的在于通过预氧化将线型的聚丙烯腈分子转变为梯形结构，以提高碳化过程中纤维的热稳定性。大量研究表明，氧在纤维的径向分布梯度是影响预氧丝均质化，形成皮芯结构的主要因素之一。

传统的预氧化过程中，随着环化反应的进行，纤维外层形成致密的网状梯形结构，阻碍了空气中的氧向纤维内部扩散，使预氧丝皮层氧化充分甚至过度，而芯部却预氧化不足，影响纤维内部的环化反应，使纤维芯部结构转变受阻，造成纤维芯部结构疏松，形成皮芯结构。而疏松的芯部在碳化过程中，会在碳纤维芯部形成空洞，成为碳纤维拉伸时的断裂点，影响碳纤维的力学性能。

因此，需要一种能够调控碳纤维预氧丝均质化的方法。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉，通过红外加热纤维内部，热风加热纤维外层，结合对流控温纤维外层，保证氧向纤维内部的渗透，最终达到调控预氧丝均质化的目的。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉，其包括用于容纳原丝的炉膛，用于牵引原丝的牵伸***，用于对原丝进行红外加热的红外加热装置，用于对原丝进行热风加热的电热丝加热装置，以及用于在炉膛内形成对流空气的通风***，牵伸***、红外加热装置、电热丝加热装置和通风***设置于炉膛内。

在本实用新型较佳的实施例中，上述红外加热装置平行位于原丝的外圆周周围。

在本实用新型较佳的实施例中，上述红外加热装置通过挂架安装于炉膛内。

在本实用新型较佳的实施例中，上述预氧化炉还包括反射装置，反射装置布置于红外加热装置远离原丝的周围。

在本实用新型较佳的实施例中，上述预氧化炉还包括滤波装置，滤波装置位于原丝与红外加热装置之间。

在本实用新型较佳的实施例中，上述红外加热装置为红外加热管或红外加热板。

在本实用新型较佳的实施例中，上述通风***包括沿炉膛的内壁设置的风道，以及往风道内吹气的鼓风机，位于炉膛相对两侧的风道开设有风口。

在本实用新型较佳的实施例中，上述电热丝加热装置于风道内。

在本实用新型较佳的实施例中，上述炉膛开设有进风口和出风口，进风口与出风口相对设置。

在本实用新型较佳的实施例中，上述牵伸***包括牵伸辊装置和张力自动控制装置，牵伸辊装置与原丝的一端连接，并沿轴向牵伸，张力自动控制装置用于控制原丝的牵伸张力。

本实用新型实施例的有益效果是：本实用新型实施例的调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉，其包括用于容纳原丝的炉膛，用于牵引原丝的牵伸***，用于对原丝进行红外加热的红外加热装置，用于对原丝进行热风加热的电热丝加热装置，以及用于在炉膛内形成对流空气的通风***，牵伸***、红外加热装置、电热丝加热装置和通风***设置于炉膛内。该调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉通过红外加热纤维内部，热风加热纤维外层，结合对流控温纤维外层，保证氧向纤维内部的渗透，最终达到调控预氧丝均质化的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为聚丙烯腈的红外吸收光谱图；

图2为本实用新型实施例提供的调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉的工作结构示意图。

图标：100-预氧化炉；101-炉膛；102-控制板；103-保温层；104- 鼓风机；105-进风口；106-电热丝加热装置；107-灯管挂架；108-牵伸负载；109-风道；110-PAN原丝；111-红外加热管；112-原丝挂架； 113-出风口；120-牵伸***；130-红外加热装置；140-通风***。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面对本实用新型实施例的调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉进行具体说明。

本实施例提供一种调控碳纤维预氧丝均质化的方法，本申请对原丝不做具体限定，可以是任何能够制备碳纤维的原丝，本实施例采用 PAN原丝作为原料，牵引PAN原丝进行预氧化，在预氧化过程中，采用红外加热和热风加热的综合加热方式对PAN原丝进行加热，采用强制空气对流的方式进行散热。

在一种可能的实现方式中，红外加热的谱带与原丝的红外吸收光谱偏匹配。

在一种可能的实现方式中，红外加热的辐射峰值波长2.4～2.7μ m。

在一种可能的实现方式中，牵引PAN原丝时施加张力一般在 0.03～0.30g/d。

通常情况下，牵引PAN原丝在不同温区内进行预氧化，在每个温区均同时进行加热和散热。可选的，在本申请的一些实施例中，釆用空气预氧化法使原丝氧化，具体过程为：原丝通过送丝装置依次进入代表不同温区的第一氧化炉、第二氧化炉、第三氧化炉、第四氧化炉，在150～300℃下发生热环化反应和不饱和氧化反应，使原丝分子环化交联，通过调整加热方式调整氧化温度、时间，通过调整散热方式调整反应气氛，以得到内外层结构相对均一的氧化纤维，同时根据原丝的结晶取向度和构成纤维共聚体的分子量调整牵引原丝的施加张力，使纤维保持一定的取向，得到预氧丝。

在完成预氧化后，通常还需要进行碳化，具体过程为：在氮气保护和一定张力下，预氧丝依次进入中低温碳化炉、高温碳化炉，由 300℃逐步升温至1300～1500℃，非碳原子以废气形式排出，制备出 PAN基碳纤维，比如MT700-6K碳纤维。

本申请通过调整纤维的加热和散热过程，改变纤维内外预氧化速率，达到调整其均质化程度的目的，其机理在于通过红外加热纤维内部，热风加热纤维外部，结合对流控温纤维外层，来调控温度在纤维径向的分布梯度，以降低外层氧化反应速率来控制表面网状阻氧结构的形成，减缓表层网状结构对氧渗透的阻碍作用，保证氧向纤维内部的渗透，最终达到调控预氧丝均质化的目的。

本申请在加热方式上，采用红外加热为主，热风加热为辅的方式，以改变传统热风加热温度由外向内传导，致使温度外高内低，反应外快内慢的过程。根据红外加热原理，红外辐射只能对红外辐射敏感的物质进行加热，一般包括分子结构不对称的、具有极性的物质，聚丙烯腈结构中的C-H、C≡N等键都可吸收红外光(表1为聚丙烯腈主要红外吸收峰位置，图1为聚丙烯腈的红外吸收光谱图)，而O₂、N₂等空气中的主要成分则不能被加热。红外加热和热风加热结合的加热方式有利于对纤维径向温度分布的调控。另外，影响加热效果和温度分布的还包括辐射功率，光谱与被加热纤维的匹配等。如果红外加热谱带与被加热纤维正匹配，则光波刚进入纤维浅层即引发激烈共振吸收，对内部加热有限；如果二者偏匹配，则透射的红外光波则能较好的加热纤维内部，因此本申请中红外加热的谱带与聚丙烯腈的红外吸收光谱偏匹配。

表1聚丙烯腈主要官能团对应红外峰值位置

编号	波数σ/cm<sup>-1</sup>	官能团
			1	2940	CH<sub>2</sub>(伸缩)
2	2240	C≡N
			3	1620	C＝C,C＝N
4	1450	CH<sub>2</sub>(弯曲)
			5	1380	CH,NH
6	1250	CH,CH<sub>2</sub>(摇摆振动)
			7	1230	CH,CH<sub>2</sub>(摇摆振动)
8	1070	C-C骨架振动
			9	780	C-H弯曲振动
10	500	脂肪族和芳香族的-O-

本申请在散热方式上，虽然仍是空气对流的方式，但改变了其作用和温度。为减缓纤维外层反应的进行，保证氧的渗透，必须通过冷空气或者相对低温的热风将反应热和感应热带走。纤维通过内部红外升温和外部对流降温，可保持其内部对表层的正温差，反应速度內快外慢，最终实现预氧丝均质化的控制，这是传统单热风或单红外加热方式无法实现的。

参见图2和图3所示，本实施例还提供一种调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉100，其包括用于容纳PAN原丝110的炉膛101，用于牵引PAN原丝110的牵伸***120，用于对PAN原丝110进行红外加热的红外加热装置130，用于对PAN原丝110进行热风加热的电热丝加热装置106，以及用于在炉膛101内形成对流空气的通风***140，牵伸***120、红外加热装置130、电热丝加热装置106和通风***140设置于炉膛101内。使用本申请的预氧化炉100能够实现本申请的调控碳纤维预氧丝均质化的方法，具体是将PAN原丝110 放入装有加热***(红外加热装置130和电热丝加热装置106)、通风***140和牵伸***120的预氧化炉100中进行预氧化制程，采用偏匹配的红外加热法，结合空气对流控温，能够实现整个预氧化过程中，对纤维径向的温度分布梯度的有效控制，实现内高外低的调控目的，从而避免传统仅热风加热造成温度外高内低，反应外快内慢，内部反应不完全导致的皮芯结构的产生。另外，红外加热的热效率高，有助于降低预氧化过程的能耗，实现节能减排。

本实用新型实施对PAN原丝110在炉膛101内的设置方式不做具体限定，只需要能够实现上述的加热和散热方式即可，比如预氧化炉100可以为立式，即原丝垂直悬挂于炉膛101内，也可以为卧式，即原丝水平位于炉膛101内，本实施例中，PAN原丝110通过原丝挂架112垂直悬挂于炉膛101内。

本实施例中，加热***包括红外加热装置130和电热丝加热装置 106。红外加热装置130直接辐照纤维表面对纤维加热，电热丝加热装置106为通风***140提供热源，形成循环热风，不仅能对纤维进行热风加热，还能有效散热。

可选的，作为一个示例，红外加热装置130平行位于PAN原丝 110的外圆周周围，用于对PAN原丝110纤维表面辐照加热；红外加热装置130的辐射峰值波长2.4～2.7μm。

可选的，作为一个示例，红外加热装置130为红外加热管111，比如石英加热管，红外加热管111为中波红外线发射器，并通过晶闸管和红外线温度仪控温。另外改变红外加热装置130的外观、材质、加热方式，比如采用涂层式红外加热板替代红外加热管111，可能影响红外波段、发射效率、使用寿命、节能效率、辐射均匀性等，但是都能实现上述的红外加热效果。

在一种可能的实现方式中，红外加热装置130通过挂架安装于炉膛101内。可选的，作为一个示例，红外加热管111通过灯管挂架 107悬垂安装于炉膛101顶壁。

在一种可能的实现方式中，通风***140包括沿炉膛101的内壁设置的风道109，以及往风道109内吹气的鼓风机104，位于炉膛101 相对两侧的风道109开设有风口，位于炉膛101相对两侧的风口强制对流，从而在炉膛101内形成强制对流空气。可选的，作为一个示例，炉膛101的相对的两内侧壁，以及底壁上设置有一条风道109，位于两内侧壁的风道109开设有相对设置的风口。

在一种可能的实现方式中，电热丝加热装置106于风道109内，为通风***140提供热源，形成循环热风。可选的，作为一个示例，电热丝加热装置106位于底壁的风道109内，以免堵塞风口。

在一种可能的实现方式中，通风***140还包括空气进出口，具体的，炉膛101开设有进风口105和出风口113，进风口105与出风口113相对设置，以补入新鲜空气和排放废气。可选的，作为一个示例，进风口105位于炉膛101底壁，且与风道109连通，出风口113 位于炉膛101顶壁。

通风***140主要有三个作用，即①提供预氧化反应所必需的氧气；②带走反应热和感应热，保持氧化反应的环境温度和纤维径向的温度分布，另外，PAN原丝110导热性差，必须强制对流才能带走反应热，以防止纤维熔断甚至燃烧；③带走反应产生的气体产物和毛丝等，热解产生的水，二氧化碳，焦油等不利于反应进行及产品，有可能造成丝束粘连或在纤维表面形成硬壳，为避免这些产物的积累，需要在每个循环及时排出并补充新鲜空气；④对于体积较大的预氧化炉100，热风的强制对流能够保持炉温分布均匀，减小温度不均造成的质量波动。

在一种可能的实现方式中，牵伸***120包括牵伸辊装置和张力自动控制装置，牵伸辊装置与PAN原丝110的一端连接，并沿轴向牵伸，张力自动控制装置用于控制PAN原丝110的牵伸张力。可选的，作为一个实施例，PAN原丝110的底端挂上一定重量的砝码作为牵伸负载108，从而形成牵伸辊装置。

预氧化过程中线性PAN分子向梯形结构转变，理论上会发生 14％～36％的化学收缩，为保持分子链在纤维轴向的取向，需对预氧化过程的纤维进行一定张力的牵伸。施加张力一般在0.03～0.30g/d，反应阶段不同，牵伸张力也需作出调整，张力大小由在线张力测试仪测得，通过计算机调控牵伸辊的线速度实现。

在一种可能的实现方式中，预氧化炉100还包括反射装置，比如抛物线反射罩，反射装置布置于红外加热装置130远离PAN原丝110 的周围，可以改善辐射的均匀性。

在一种可能的实现方式中，预氧化炉100还包括滤波装置，比如陷波滤光片，滤波装置位于PAN原丝110与红外加热装置130之间，可以截取特定波段的红外光，以优化偏匹配的加热方法。

在一种可能的实现方式中，预氧化炉100还包括包裹于炉膛101 外表面的保温层103，用于减少热损失。

在一种可能的实现方式中，预氧化炉100还包括控制板102，控制板102与牵伸***120、红外加热装置130、电热丝加热装置106、通风***140连接，以控制各个单元运作。

以下结合实施例对本实用新型的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种碳纤维，其采用图2所示的预氧化炉100，并按照以下制备方法制得：

将1m长的PAN原丝110(拉伸强度500MPa)均匀整理置于原丝挂架112上，PAN原丝110下端挂上一定重量的砝码作为牵伸负载 108(0.08g/d)，红外加热管111选择功率5KW、长度1.5米、峰值波长2.7μm的中波红外线发射器，并通过晶闸管和红外线温度仪控温。PAN原丝110加热温度梯度为180℃、200℃、215℃、230℃、 240℃、250℃、260℃、270℃、275℃，总共9个加热梯度，对应的保温时间均为10分钟，梯度间升温速率控制在1～5℃/分钟，温差控制在±3℃。控制炉膛101内循环空气温度与PAN原丝110之间的温差为-30℃，得预氧丝，共计做3组平行样。

将上述不同组平行样的预氧丝通过炭化炉碳化，碳化条件为：在氮气保护下，先在300～800℃梯度的低温碳化温度碳化，然后在900～ 1400℃梯度的高温炭化温度碳化，得碳纤维，分别为平行样1、平行样2和平行样3。

实施例2

本实施例提供一种碳纤维，其制备方法与实施例1的制备方法大致相同，不同之处在于：牵伸张力为0.20g/d，最后得到碳纤维。共计做3组平行样，分别为平行样1、平行样2和平行样3。

表2不同预氧化条件下碳纤维的主要性能指标

综上所述，本实用新型实施例的调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉是通过红外加热纤维内部，热风加热纤维外层，结合对流控温纤维外层，保证氧向纤维内部的渗透，最终达到调控预氧丝均质化的目的。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉，其特征在于，其包括用于容纳原丝的炉膛，用于牵引所述原丝的牵伸***，用于对所述原丝进行红外加热的红外加热装置，用于对所述原丝进行热风加热的电热丝加热装置，以及用于在炉膛内形成对流空气的通风***，所述牵伸***、所述红外加热装置、所述电热丝加热装置和所述通风***设置于所述炉膛内。

2.根据权利要求1所述的调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉，其特征在于，所述红外加热装置平行位于所述原丝的外圆周周围。

3.根据权利要求2所述的调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉，其特征在于，所述红外加热装置通过挂架安装于所述炉膛内。

4.根据权利要求2所述的调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉，其特征在于，所述预氧化炉还包括反射装置，所述反射装置布置于所述红外加热装置远离所述原丝的周围。

5.根据权利要求1所述的调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉，其特征在于，所述预氧化炉还包括滤波装置，所述滤波装置位于所述原丝与所述红外加热装置之间。

6.根据权利要求1所述的调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉，其特征在于，所述红外加热装置为红外加热管或红外加热板。

7.根据权利要求1所述的调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉，其特征在于，所述通风***包括沿所述炉膛的内壁设置的风道，以及往所述风道内吹气的鼓风机，位于所述炉膛相对两侧的风道开设有风口。

8.根据权利要求7所述的调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉，其特征在于，所述电热丝加热装置于所述风道内。

9.根据权利要求1所述的调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉，其特征在于，所述炉膛开设有进风口和出风口，所述进风口与所述出风口相对设置。

10.根据权利要求1所述的调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉，其特征在于，所述牵伸***包括牵伸辊装置和张力自动控制装置，所述牵伸辊装置与所述原丝的一端连接，并沿轴向牵伸，所述张力自动控制装置用于控制原丝的牵伸张力。