CN112813540A - 一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备及方法，设备主要包括放丝装置、石英管、催化剂微量注射泵、热风装置、太阳光聚集装置和收丝装置，放丝装置位于系统的最前端，石英管安装在放丝装置的右侧，催化剂微量注射泵和热风装置分别位于石英管的上下两侧，在催化剂微量注射泵和热风装置的右侧、石英管的两侧分别安装有太阳光聚集装置，石英管的最右端安装有收丝装置。本发明方法中采用聚集太阳光或者氙灯来直接加热碳纤维，温度响应较快，省去了大量的加热、保温装置；采用微量注射泵注射催化剂溶液，能够定量控制催化剂的浓度和用量，加快预氧化速率，减少皮芯结构，通过调整菲涅尔透镜到碳纤维表面的距离实现碳纤维表面温度的可控。

Description

一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备及方法
技术领域
本发明涉及的是碳纤维预氧化加工制造领域，特别涉及的是一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备及方法。
背景技术
预氧化是生产PAN基碳纤维的一个重要过程，在这个过程中PAN原丝的线性分子链转变为具有耐热梯形结构的预氧丝，为后续的碳化、石墨化奠定了基础。在预氧化过程中如果固氧速率过快，碳纤维外表层会首先发生环化形成致密的皮层，进而阻挡氧继续向芯部扩散，最终形成皮芯结构，造成预氧化过程时间过长，生产成本大幅增加。目前预氧化的装置大致有两种：
(1)直接加热式预氧化设备
直接加热式预氧化设备电加热炉膛，其热量从炉膛壁面经过空气，最后作用到碳纤维表面。在这个过程中由于炉膛内空气的热导率非常低，因此在预氧化之前需要更多的时间和能耗来达到预氧化的温度。碳纤维预氧化温度的均匀性和稳定性直接取决于炉体的工况条件：在外界温度低时(如冬天)，就需要保温层来保证炉体的温度不会下降；在外界温度高时(如夏天)，碳纤维的反应热容易在纤维内部蓄积而造成过热，此时需要在炉膛内设有温度监控器并随时准备启动灭火系统。
这种设备结构简单，造价低廉且配备有换热器、隔热保温层等。但缺点在于设备炉体大、耗能多、现有的工艺和设备能占碳纤维生产成本的8％-12％。对于碳纤维生产线来说，节能减耗的空间还很大。
(2)微波加热预氧化设备(中国专利CN208362540U、CN207891472U)
微波加热预氧化是近些年较多提及的新方法，其优点有：
①加热均匀。微波加热过程中微波穿透碳纤维，直接作用在纤维内部，热量从内部产生，热量均匀。
②加热速率快。这是微波加热的原理决定的：微波加热碳纤维过程中，碳纤维内部的极性分子强烈振动，并将动能转化为热能，避免了热量从其余途径损失。
但是微波加热碳纤维并没有大批量地应用到碳纤维的预氧化过程中，原因有：
①虽然微波功率覆盖范围较广，但是由于预氧化的温度在240℃附近即可，调节到240℃的功率窗口较窄，操作不太容易。
②微波炉需要金属壳体作为屏蔽壳体，其表面开孔的孔径只能在1/5的微波波长附近，难以通过开孔来放置测温装置实时测量纤维表面的温度。此时的微波炉相当于一个“暗箱”，不容易通过肉眼观察纤维的变化过程，很容易造成失火。
发明内容
为了降低直接式预氧化设备的能耗消耗、避免微波预氧化难测温的问题，本发明专利提出一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备及方法，改变预氧丝的加热方式，大幅降低能量消耗，并通过控制菲涅尔透镜的位移来调控碳纤维的温度，进而实现梯度加热。
实现上述目的的技术方案是：一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备，主要包括放丝装置、石英管、催化剂微量注射泵、热风装置、太阳光聚集装置和收丝装置，放丝装置位于系统的最前端，石英管安装在放丝装置的右侧，催化剂微量注射泵和热风装置分别位于石英管的上下两侧，在催化剂微量注射泵和热风装置的右侧、石英管的两侧分别安装有太阳光聚集装置，石英管的最右端安装有收丝装置。
设备工作时，石英管两端的放丝装置和收丝装置通过牵伸给碳纤维原丝施加牵伸力，在牵引力作用下，碳纤维原丝缓慢通过石英管。在碳纤维牵引过程中，微量注射泵定量注射催化剂溶液，并随循环的热空气分散、沉淀到碳纤维表面，有利于氧向纤维内扩散，进而延缓表皮形成致密梯形结构的阻挡层。热风装置由鼓风机、熔盐石墨容器、菲涅尔反射镜以及U型换热器组成：熔盐石墨容器内盛有低熔点的熔盐，其具有较大的热容量和热传导值，菲涅尔反射镜将太阳光聚集于熔盐石墨容器的壁面，壁面受热将热量传导至熔盐内部，熔盐熔化并释放热量。含8％-10％氧的空气经换热器加热，并由鼓风机由石英管下侧入口吹入石英管内，从石英管的末端出口排出。热风装置提供的热空气一方面为碳纤维的预氧化提供氧气，另一方面能够将预氧化生成的热量带走。太阳光聚集装置由步进电机、滚珠丝杆、直线导轨、滑块、工作台、菲涅尔透镜组、氙灯、红外测温仪及位移反馈调节模块组成。步进电机带动滚珠丝杆和直线导轨线性运动，工作台固定在滑块上。菲涅尔透镜将氙灯发射的模拟太阳光聚焦于碳纤维表面，菲涅尔透镜与碳纤维表面不同的距离会造成表面不同的温度，其距离通过步进电机和滚珠丝杆控制。经过聚集太阳光照射的碳纤维在石英管内缓慢前进，并最终由收丝装置收集成卷。
本发明一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备，因为氙灯照射的光谱和太阳光谱基本一致，所以该设备的太阳光可以是自太阳照射光也可以是氙灯发射的模拟太阳光。氙灯的功率根据投射到碳纤维原丝表面的温度(200-300℃)进行选择。
本发明一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备，碳纤维原丝表面的温度可以通过太阳光聚集装置自动调节：当红外测温仪测定纤维原丝表面温度高于设定值时，位移反馈调节模块调节滚珠丝杆的转动使得工作台远离碳纤维表面一定的距离；当红外测温仪测定纤维表面温度低于设定值时，位移反馈调节模块调节滚珠丝杆的转动使得工作台靠近碳纤维表面一定距离。位移反馈调节模块能够控制碳纤维表面的温度维持在设定温度的附近。
本发明一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备，微量注射泵中的催化剂溶液可用硼酸、偏硼酸、四硼酸、硼酐或硼酸酯等。引入硼元素能够使碳纤维原丝的拉伸强度得到大幅度提高，并且能够抑制加热过程中形成的“皮芯”结构。
本发明一种聚集太阳光预氧化碳纤维设备，热风装置中的熔盐采用Hitec熔盐，其熔点数据窗口较宽：在142-435℃之间。根据预氧化温度200-300℃调整熔盐配比来获得所需的熔盐。热风装置中的熔盐容器采用石墨容器，加热装置可以采用菲涅尔反射镜或者旋转抛物面聚光器或者抛物柱面聚光器。鼓风机吹出的气体流量应和碳纤维走丝速度匹配，其气体中有8％-10％的氧气。装置中的换热器可以选用U型管换热器。
本发明一种聚集太阳光预氧化碳纤维设备，其石英管可以是直线型，也可以是螺旋线型。直线型石英管的长度根据走丝速度和预氧化时间来设计：石英管的长度＝走丝速度*预氧化时间。螺旋线型石英管的最大半径＝走丝速度*预氧化时间/2π。当石英管较长时，可以在其内部铸有微型凹槽滑轮，起到支撑碳纤维的作用。
本发明一种聚集太阳光预氧化碳纤维设备，太阳能聚焦装置中可以平行设置多个菲涅尔透射镜，每个透镜与碳纤维表面的距离不同，则碳纤维在走丝过程中会经历不同的加热温度，进而实现装置梯度加热预氧化。
采用本发明一种聚集太阳光预氧化碳纤维设备进行预氧化碳纤维的方法：首先放丝装置放碳纤维原丝，石英管的两侧分别有微量注射泵和热风装置；调整热风装置中菲涅尔反射镜的角度来聚集太阳光到石墨容器表面，聚集的太阳光加热石墨容器使容器内的熔盐熔解，此时打开鼓风机，鼓风机将含有8％-10％氧的空气通过石墨容器外侧的U型管换热器升温，受热后的热空气由石英管的底部入口排进石英管内并从排出口排出；待热空气稳定排进时，微量注射泵定量注射催化剂溶液(如硼酸溶液)，溶液进入石英管并随着热空气分散、沉积到碳纤维原丝的表面；接着调整步进电机的转速，随之滚珠丝杆螺旋前进，带动滑块在直线导轨上运动；工作台连接在滑块上，滑块的移动带动工作台线性运动；当工作台上的菲涅尔透射镜到碳纤维原丝的距离达到设定值时，步进电机停止工作。在设定距离下碳纤维原丝能够达到预氧化的所需要的设定温度。红外测温仪可以实时显示碳纤维原的表面温度，当表面温度高于或低于设定值，红外测温仪将温度信号传递给位移反馈模块，位移反馈模块自动调整步进电机转速来控制菲涅尔透镜的上下移动，最终实现定量控制碳纤维表面温度的效果。若要实现梯度加热，需要平行增加多组菲涅尔透镜组，每组透镜到碳纤维原丝的距离根据所需的温度进行设定。最后预氧化后的碳纤维从石英管中穿出，由收丝装置收卷。
与现有的技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明中聚集太阳光或者氙灯来直接加热碳纤维，与传统的预氧化炉空气加热相比，其温度响应较快。在同样的预氧化温度下，省去了大量的加热、保温装置，从根本上大幅度降低能耗，降低成本。
(2)本发明采用微量注射泵注射催化剂溶液，能够定量控制催化剂的浓度和用量，加快预氧化速率，减少皮芯结构。
(3)本发明采用石英管作为预氧化的炉体，有两方面的有益效果：一、如果出现温度过高，碳纤维可能会发生失火。使用透明石英管能够直接观察预氧化过程中碳纤维的走丝情况，及时处理，避免失火造成人身财产的损失。二、微波预氧化装置多采用金属壳体且表面开孔大小受限，因此测温装置不容易直接探测碳纤维表面的温度，加大了微波预氧化装置耦合测温装置的成本和技术难度。本发明使用石英管能够根据碳纤维的行进情况适时调整表面测温装置。
(4)本发明可以通过调整菲涅尔透镜到碳纤维表面的距离实现碳纤维表面温度的可控，通过增加多组平行菲涅尔透镜来达到梯度加热碳纤维。
附图说明
图1为本发明一种聚集太阳光预氧化设备示意图。
图2为本发明一种聚集太阳光预氧化设备中菲涅尔透射镜聚集太阳光加热碳纤维的示意图。
图中：1-放丝装置、2-碳纤维原丝、3-微量注射泵、4-氙灯、5-菲涅尔透射镜组、6-步进电机、7-红外测温仪、8-位移反馈调节模块、9-石英管、10-排气口、11-收丝装置、12-直线导轨、13-滑块、14-滚珠丝杆、15-工作台、16-U型换热器、17-菲涅尔反射镜组、18-鼓风机、19-石墨容器。
具体实施方式
本发明涉及一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备，如图1和图2所示，主要包括放丝装置1、石英管9、催化剂微量注射泵3、热风装置、太阳光聚集装置和收丝装置11，放丝装置1位于系统的最前端，石英管9安装在放丝装置的右侧，催化剂微量注射泵3和热风装置分别位于石英管9的上下两侧，在催化剂微量注射泵3和热风装置的右侧、石英管9的两侧分别安装有太阳光聚集装置，石英管9的最右端安装有收丝装置11。
热风装置由鼓风机18、熔盐石墨容器19、菲涅尔反射镜组17以及U型换热器16组成：熔盐石墨容器19内盛有低熔点的熔盐，其具有较大的热容量和热传导值，菲涅尔反射镜组17将太阳光聚集于熔盐石墨容器19的壁面，壁面受热将热量传导至熔盐内部，熔盐熔化并释放热量。含8％-10％氧的空气经换热器16加热，并由鼓风机18由石英管9下侧入口吹入石英管内，从石英管9的末端出口排出。热风装置提供的热空气一方面为碳纤维的预氧化提供氧气，另一方面能够将预氧化生成的热量带走。太阳光聚集装置由步进电机6、滚珠丝杆14、直线导轨12、滑块13、工作台15、菲涅尔透镜组5、氙灯4、红外测温仪7及位移反馈调节模块8组成。步进电机6带动滚珠丝杆14和直线导轨12线性运动，工作台15固定在滑块13上。菲涅尔透镜5将氙灯4发射的模拟太阳光聚焦于碳纤维原丝2表面，菲涅尔透镜5与碳纤维表面不同的距离会造成表面不同的温度，其距离通过步进电机6和滚珠丝杆14控制。经过聚集太阳光照射的碳纤维在石英管内缓慢前进，并最终由收丝装置11收集成卷。
本发明涉及一种聚集太阳光预氧化碳纤维的方法，首先放丝装置1放碳纤维原丝2，石英管9的两侧分别有微量注射泵3和热风装置。调整热风装置中菲涅尔反射镜17的角度来聚集太阳光到石墨容器19表面，聚集的太阳光加热石墨容器19使容器内的熔盐熔解，此时打开鼓风机18，鼓风机18将含有8％-10％氧的空气通过石墨容器19外侧的U型管换热器16升温，受热后的热空气由石英管9的底部入口排进石英管9内并从排气口10排出。待热空气稳定排进时，微量注射泵3定量注射催化剂溶液(如硼酸溶液)，溶液进入石英管9并随着热空气分散、沉积到碳纤维原丝2的表面。接着调整步进电机6的转速，随之滚珠丝杆14螺旋前进，带动滑块13在直线导轨12上运动。工作台15连接在滑块13上，滑块13的移动带动工作台15线性运动。当工作台15上的菲涅尔透射镜5到碳纤维原丝2的距离达到设定值时，步进电机6停止工作。在设定距离下碳纤维原丝2能够达到预氧化的所需要的设定温度。红外测温仪7可以实时显示碳纤维原丝2的表面温度，当表面温度高于或低于设定值，红外测温仪7将温度信号传递给位移反馈模块8，位移反馈模块8自动调整步进电机6转速来控制菲涅尔透镜5的上下移动，最终实现定量控制碳纤维表面温度的效果。若要实现梯度加热，需要平行增加多组菲涅尔透镜组5，每组透镜5到碳纤维原丝2的距离根据所需的温度进行设定。最后预氧化后的碳纤维2从石英管9中穿出，由收丝装置11收卷。

Claims (9)

1.一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备，其特征在于：主要包括放丝装置、石英管、催化剂微量注射泵、热风装置、太阳光聚集装置和收丝装置，放丝装置位于系统的最前端，石英管安装在放丝装置的右侧，催化剂微量注射泵和热风装置分别位于石英管的上下两侧，在催化剂微量注射泵和热风装置的右侧、石英管的两侧分别安装有太阳光聚集装置，石英管的最右端安装有收丝装置；热风装置由鼓风机、熔盐石墨容器、菲涅尔反射镜以及U型换热器组成：熔盐石墨容器内盛有低熔点的熔盐，其具有较大的热容量和热传导值，菲涅尔反射镜将太阳光聚集于熔盐石墨容器的壁面，壁面受热将热量传导至熔盐内部，熔盐熔化并释放热量；含8％-10％氧的空气经换热器加热，并由鼓风机由石英管下侧入口吹入石英管内，从石英管的末端出口排出；太阳光聚集装置由步进电机、滚珠丝杆、直线导轨、滑块、工作台、菲涅尔透镜组、氙灯、红外测温仪及位移反馈调节模块组成，步进电机带动滚珠丝杆和直线导轨线性运动，工作台固定在滑块上；菲涅尔透镜将氙灯发射的模拟太阳光聚焦于碳纤维表面，菲涅尔透镜与碳纤维表面不同的距离会造成表面不同的温度，其距离通过步进电机和滚珠丝杆控制；经过聚集太阳光照射的碳纤维在石英管内缓慢前进，并最终由收丝装置收集成卷。
2.根据权利要求1所述的一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备，其特征在于：微量注射泵中的催化剂溶液为硼酸、偏硼酸、四硼酸、硼酐或硼酸酯。
3.根据权利要求1所述的一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备，其特征在于：热风装置中的熔盐采用Hitec熔盐，其熔点数据窗口较宽：在142-435℃之间；根据预氧化温度200-300℃调整熔盐配比来获得所需的熔盐。
4.根据权利要求1所述的一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备，其特征在于：石英管是直线型或是螺旋线型。
5.根据权利要求1所述的一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备，其特征在于：石英管内部铸有微型凹槽滑轮。
6.根据权利要求1所述的一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备，其特征在于：太阳能聚焦装置中平行设置多个菲涅尔透射镜，每个透镜与碳纤维表面的距离不同，则碳纤维在走丝过程中会经历不同的加热温度，进而实现装置梯度加热预氧化。
7.一种聚集太阳光预氧化碳纤维的方法，其特征在于：采用权利要求1所述一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备，首先放丝装置放碳纤维原丝，石英管的两侧分别有微量注射泵和热风装置；调整热风装置中菲涅尔反射镜的角度来聚集太阳光到石墨容器表面，聚集的太阳光加热石墨容器使容器内的熔盐熔解，此时打开鼓风机，鼓风机将含有8％-10％氧的空气通过石墨容器外侧的U型管换热器升温，受热后的热空气由石英管的底部入口排进石英管内并从排出口排出；待热空气稳定排进时，微量注射泵定量注射催化剂溶液，溶液进入石英管并随着热空气分散、沉积到碳纤维原丝的表面；接着调整步进电机的转速，随之滚珠丝杆螺旋前进，带动滑块在直线导轨上运动；工作台连接在滑块上，滑块的移动带动工作台线性运动；当工作台上的菲涅尔透射镜到碳纤维原丝的距离达到设定值时，步进电机停止工作；在设定距离下碳纤维原丝能够达到预氧化的所需要的设定温度，红外测温仪实时显示碳纤维原的表面温度，当表面温度高于或低于设定值，红外测温仪将温度信号传递给位移反馈模块，位移反馈模块自动调整步进电机转速来控制菲涅尔透镜的上下移动，最终实现定量控制碳纤维表面温度的效果；最后预氧化后的碳纤维从石英管中穿出，由收丝装置收卷。
8.根据权利要求7所述的一种聚集太阳光预氧化碳纤维的方法，其特征在于：需要平行增加多组菲涅尔透镜组，每组透镜到碳纤维原丝的距离根据所需的温度进行设定，实现梯度加热。
9.根据权利要求7所述的一种聚集太阳光预氧化碳纤维的方法，其特征在于：太阳光是太阳照射光或是氙灯发射的模拟太阳光。
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