CN110863269A - 碳纤维pan原丝离子溶液预处理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了碳纤维PAN原丝离子溶液预处理装置及方法，所述装置包括清洗槽、离子溶液浸渍槽、驱动装置和预氧化炉，原丝先通过清洗槽，再进入浸渍槽，然后经驱动装置牵引进入到预氧化炉中。所述方法包括：(1)将原丝通过清洗槽进行清洗；(2)经过离子溶液处理；(3)通过压辊或热辊干燥装置除去原丝上附着的溶液；(4)将原丝牵引进入到预氧化炉中进行预氧化。本发明采用离子溶液作为碳纤维的浸渍剂，能够使碳纤维在较低的温度下达到稳定的结构；实现对碳纤维PAN原丝的预处理，大幅降低了碳纤维的生产制造成本。本发明不仅节省生产场地，方便生产，而且能够降低生产成本，提高产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维生产技术领域，具体是一种碳纤维PAN原丝离子溶液预处理装置及方法。
背景技术
碳纤维是含碳量高于92％的无机高分子纤维，其中含碳量高于99％的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低。用碳纤维复合的工程材料优于金属材料，其抗拉强度高于钢材的3-4倍，耐疲劳高2倍，重量比钢材轻3-4倍，热膨胀小4-5倍；石墨纤维可以做到零变异。碳纤维被广泛应用于航天航空、高速轨道交通、体育用品、化工机械、纺织机械等领域。
传统的碳纤维碳化生产工艺包括放丝工序、氧化工序、低温碳化工序、高温碳化工序、表面处理工序、水洗工序、热辊干燥工序；上浆工序、水平干燥工序、第二热辊干燥工序和收丝工序。传统的预浸料生产工艺包括放丝工序、展纱工序、热压含浸工序、冷却工序、覆膜工序、栽切工序和收卷工序。
碳纤维材料高昂的制造成本中很大一部分来自碳纤维生产中的能耗和碳纤维原丝。预氧化是碳纤维经历的第一个关键步骤，碳纤维丝束经过预氧化后形成稳定的结构，并为之后的碳化工序做准备。传统的碳纤维生产成本高，工艺复杂，不仅生产效率低，而且产品质量不稳定。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纤维PAN原丝离子溶液预处理装置及方法，采用离子溶液作为碳纤维的浸渍剂，使碳纤维在较低的温度下达到稳定结构；实现对碳纤维PAN原丝的预处理，大幅降低了碳纤维的生产制造成本。
本发明的目的是通过采用以下技术方案来实现的：
碳纤维PAN原丝离子溶液预处理装置，所述预处理装置包括依次设置的油剂清洗槽、离子溶液浸渍槽、驱动装置和预氧化炉，碳纤维PAN原丝先通过油剂清洗槽，再进入离子溶液浸渍槽，然后经驱动装置牵引进入到预氧化炉中。
作为本发明的优选技术方案，所述离子溶液浸渍槽和驱动装置之间设有热辊干燥装置。
作为本发明的优选技术方案，所述预氧化炉包括第一预氧化炉和第二预氧化炉，所述第一预氧化炉由一号炉区和二号炉区构成，第二预氧化炉由三号炉区和四号炉区构成。
作为本发明的优选技术方案，所述油剂清洗槽内放置乙醇溶液。
作为本发明的优选技术方案，所述离子溶液浸渍槽内放置1-丁基-3-甲基咪唑乙酸离子溶液。
碳纤维PAN原丝离子溶液预处理方法，包括以下步骤：
(1)将碳纤维PAN原丝通过油剂清洗槽进行清洗，再进入离子溶液浸渍槽内进行处理；
(2)在离子溶液浸渍槽内放置1-丁基-3-甲基咪唑乙酸离子溶液，将洗去油剂的碳纤维PAN原丝经过所述离子溶液进行处理；
(3)然后通过压辊或热辊干燥装置除去碳纤维PAN原丝上附着的溶液；
(4)最后通过驱动装置将碳纤维PAN原丝牵引进入到预氧化炉中进行预氧化。
作为本发明的优选技术方案，所述步骤(1)的油剂清洗槽内放置乙醇溶液，碳纤维PAN原丝通过乙醇溶液进行清洗。
作为本发明的优选技术方案，所述步骤(2)碳纤维PAN原丝通过浓度为7.5％的1-丁基-3-甲基咪唑乙酸离子溶液浸渍30秒至60分钟；对碳纤维PAN原丝牵引的张力控制在700-800cN。
作为本发明的优选技术方案，所述步骤(4)碳纤维PAN原丝的预氧化采用四个独立的氧化区，碳纤维从一区依次进入二区、三区和四区，且被逐渐加热，一区到四区的温度分别为180℃、200℃、220℃、238℃；碳纤维在每个区内的加热长度为13米，走丝通道为15米；所述碳纤维的牵引运行速度控制在5-10m/min，在每个氧化区内停留的时间为18-24分钟；通过改变碳纤维的牵引速度来调整其在各个区内的张力，所述碳纤维在一区的张力是1300-1500cN，二区的张力是1800-2100cN，三区的张力是2400-2500cN，四区的张力是2600-2900cN。
作为本发明的优选技术方案，所述步骤(1)还包括放丝工序，碳纤维PAN原丝经过放丝工序进入到油剂清洗槽内；所述步骤(4)的碳纤维PAN原丝经过预氧化炉的预氧化后进入到低温碳化工序。
本发明的有益效果是：相对于现有技术，本发明采用离子溶液作为碳纤维的浸渍剂，能够使碳纤维在较低的温度下达到稳定的结构；实现对碳纤维PAN原丝的预处理，大幅降低了碳纤维的生产制造成本。本发明不仅节省生产场地，方便生产，而且降低生产成本，提高产品质量。
附图说明
图1是本发明预处理装置的结构示意图。
图2是本发明的生产工艺流程图。
图3是三种碳纤维原丝采用不同工艺反应后的预氧丝体密度图。
图4是本发明离子溶液的化学结构图。
图中：1、清洗槽，2、离子溶液浸渍槽，3、热辊干燥装置，4、驱动装置，5、第一预氧化炉，6、第二预氧化炉。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1至图4所示，碳纤维PAN原丝离子溶液预处理装置，包括依次设置的油剂清洗槽1、离子溶液浸渍槽2、驱动装置4和预氧化炉，碳纤维PAN原丝先通过油剂清洗槽1，再进入离子溶液浸渍槽2，然后经驱动装置4牵引进入到预氧化炉中。
本实施例中，所述离子溶液浸渍槽2和驱动装置之间设有热辊干燥装置3。所述预氧化炉包括第一预氧化炉5和第二预氧化炉6，第一预氧化炉5由一号炉区和二号炉区构成，第二预氧化炉6由三号炉区和四号炉区构成。所述油剂清洗槽1内放置乙醇溶液，离子溶液浸渍槽2内放置1-丁基-3-甲基咪唑乙酸离子溶液。
碳纤维PAN原丝离子溶液预处理方法，包括以下步骤：
(1)将碳纤维PAN原丝通过油剂清洗槽进行清洗，再进入离子溶液浸渍槽内进行处理；
(2)在离子溶液浸渍槽内放置1-丁基-3-甲基咪唑乙酸离子溶液，将洗去油剂的碳纤维PAN原丝经过所述离子溶液进行处理；
(3)然后通过压辊或热辊干燥装置除去碳纤维PAN原丝上附着的溶液；
(4)最后通过驱动装置将碳纤维PAN原丝牵引进入到预氧化炉中进行预氧化。
本实施例中，所述步骤(1)的油剂清洗槽内放置乙醇溶液，碳纤维PAN原丝通过乙醇溶液进行清洗。所述步骤(2)碳纤维PAN原丝通过浓度为7.5％的1-丁基-3-甲基咪唑乙酸离子溶液浸渍30秒至60分钟；对碳纤维PAN原丝牵引的张力控制在700-800cN。
所述步骤(4)碳纤维PAN原丝的预氧化采用四个独立的氧化区，碳纤维从一区依次进入二区、三区和四区，且被逐渐加热，一区到四区的温度分别为180℃、200℃、220℃、238℃；碳纤维在每个区内的加热长度为13米，走丝通道为15米；所述碳纤维的牵引运行速度控制在5-10m/min，在每个氧化区内停留的时间为18-24分钟；通过改变碳纤维的牵引速度来调整其在各个区内的张力，所述碳纤维在一区的张力是1300-1500cN，二区的张力是1800-2100cN，三区的张力是2400-2500cN，四区的张力是2600-2900cN。
本实施例所述步骤(1)还包括放丝工序，碳纤维PAN原丝经过放丝工序进入到油剂清洗槽内；所述步骤(4)的碳纤维PAN原丝经过预氧化炉的预氧化后进入到低温碳化工序。
本发明的碳纤维PAN原丝首先经过放丝机进入放入乙醇溶液的槽中洗去硅基类油剂，然后原丝在700-800cN恒定张力牵引下，进入浓度为7.5％的1-丁基-3-甲基咪唑乙酸的溶液浸渍30秒。为了确保原丝对离子溶液的平衡吸收，本发明研究了不同的浸渍时间，从30秒到24小时，对比原丝浸渍前后的重量，结果表明原丝在离子溶液中浸渍30秒与24小时比较，重量没有改变。
本发明利用生产线的压辊除去碳纤维原丝上多余的溶液，原丝吸附离子溶液的量为3.2％，原丝预氧化采用四个独立的氧化区，纤维从一区到四区被逐渐加热。每个温区的温度分别为：180℃、200℃、220℃、238℃；每个区域内的加热长度为13米，走丝通道为15米。生产线的速度是5m/min-10m/min，每个区域停留时间18-24分钟。碳纤维丝束在预氧化过程中被施加张力，丝束在每个氧化炉中的张力是不一样的，详见下表1.1(表中为12K碳纤维的张力)。各温区中的张力是通过改变生产过程中的驱动速度来调整的。
| 温区 | 一区 | 二区 | 三区 | 四区 |
| 张力(cN) | 1300-1500 | 1800-2100 | 2400-2500 | 2600-2900 |
表1.1
将本发明的碳纤维与同一批次的传统工艺产品作对比，一束纤维是被离子溶液浸渍过的，称为浸渍纤维，另外一束没有被处理。为了突出离子溶液的效果，两束纤维平行通过预氧化炉。为了提供对比同一批次的第三组原丝在传统工艺生产条件下进行预氧化。用于不同的实验条件见表1.2
表1.2
图三是三种原丝在不同工艺条件下反应后的预氧丝体密度，传统工艺下预氧丝最终体密度达到1.37g/cm3左右，没有被处理过的原丝在氧化炉温度低于传统工艺温度下，最终体密度达到1.29g/cm3左右，明显低于正常值，而经过离子溶液浸渍的原丝在氧化炉温度低于传统工艺温度下，最终体密度达到了1.35g/cm3左右，已达到正常值，可以通过低温碳化炉。图四为本发明离子溶液所用的溶质为1-丁基-3-甲基咪唑乙酸。
上述实施例仅限于说明本发明的构思和技术特征，其目的在于让本领域的技术人员了解发明的技术方案和实施方式，并不能据此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明技术方案所作的等同替换或等效变化，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳纤维PAN原丝离子溶液预处理装置，其特征是：所述预处理装置包括依次设置的油剂清洗槽、离子溶液浸渍槽、驱动装置和预氧化炉，碳纤维PAN原丝先通过油剂清洗槽，再进入离子溶液浸渍槽，然后经驱动装置牵引进入到预氧化炉中。
2.根据权利要求1所述的碳纤维PAN原丝离子溶液预处理装置，其特征是：所述离子溶液浸渍槽和驱动装置之间设有热辊干燥装置。
3.根据权利要求1所述的碳纤维PAN原丝离子溶液预处理装置，其特征是：所述预氧化炉包括第一预氧化炉和第二预氧化炉，所述第一预氧化炉由一号炉区和二号炉区构成，第二预氧化炉由三号炉区和四号炉区构成。
4.根据权利要求1至3任一项所述的碳纤维PAN原丝离子溶液预处理装置，其特征是：所述油剂清洗槽内放置乙醇溶液。
5.根据权利要求1至3任一项所述的碳纤维PAN原丝离子溶液预处理装置，其特征是：所述离子溶液浸渍槽内放置1-丁基-3-甲基咪唑乙酸离子溶液。
6.一种如权利要求1至3任一项所述的碳纤维PAN原丝离子溶液预处理方法，其特征是包括以下步骤：
(1)将碳纤维PAN原丝通过油剂清洗槽进行清洗，再进入离子溶液浸渍槽内进行处理；
(2)在离子溶液浸渍槽内放置1-丁基-3-甲基咪唑乙酸离子溶液，将洗去油剂的碳纤维PAN原丝经过所述离子溶液进行处理；
(3)然后通过压辊或热辊干燥装置除去碳纤维PAN原丝上附着的溶液；
(4)最后通过驱动装置将碳纤维PAN原丝牵引进入到预氧化炉中进行预氧化。
7.根据权利要求6所述的碳纤维PAN原丝离子溶液预处理方法，其特征是：所述步骤(1)的油剂清洗槽内放置乙醇溶液，碳纤维PAN原丝通过乙醇溶液进行清洗。
8.根据权利要求6所述的碳纤维PAN原丝离子溶液预处理方法，其特征是：所述步骤(2)碳纤维PAN原丝通过浓度为7.5％的1-丁基-3-甲基咪唑乙酸离子溶液浸渍30秒至60分钟；对碳纤维PAN原丝牵引的张力控制在700-800cN。
9.根据权利要求6所述的碳纤维PAN原丝离子溶液预处理方法，其特征是：所述步骤(4)碳纤维PAN原丝的预氧化采用四个独立的氧化区，碳纤维从一区依次进入二区、三区和四区，且被逐渐加热，一区到四区的温度分别为180℃、200℃、220℃、238℃；碳纤维在每个区内的加热长度为13米，走丝通道为15米；
所述碳纤维的牵引运行速度控制在5-10m/min，在每个氧化区内停留的时间为18-24分钟；通过改变碳纤维的牵引速度来调整其在各个区内的张力，所述碳纤维在一区的张力是1300-1500cN，二区的张力是1800-2100cN，三区的张力是2400-2500cN，四区的张力是2600-2900cN。
10.根据权利要求6所述的碳纤维PAN原丝离子溶液预处理方法，其特征是：所述步骤(1)还包括放丝工序，碳纤维PAN原丝经过放丝工序进入到油剂清洗槽内；所述步骤(4)的碳纤维PAN原丝经过预氧化炉的预氧化后进入到低温碳化工序。
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| CN102733009A (zh) * | 2012-06-26 | 2012-10-17 | 北京化工大学 | 一种具有规整表面沟槽的高强度聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法 |
| CN105350115A (zh) * | 2015-12-15 | 2016-02-24 | 常熟市金羽纤维制品厂 | 一种预氧丝的制备方法 |
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| CN211645460U (zh) * | 2019-12-01 | 2020-10-09 | 陈佳宇 | 一种碳纤维pan原丝离子溶液预处理装置 |
-
2019
- 2019-12-01 CN CN201911209649.3A patent/CN110863269A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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