CN114457463A - 一种大丝束碳纤维预氧化炉和预氧化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大丝束碳纤维预氧化炉和预氧化方法，主要解决现有大丝束碳纤维预氧化过程中张力难以控制，同一温区不同区域张力不均匀的技术问题。本发明通过采用一种碳纤维预氧化炉，包括预氧化炉箱体、炉膛、导向辊；其中，所述导向辊设置在炉膛内，且分别位于炉膛两端；所述预氧化炉箱体上设置有抽气装置和进气口；其特征在于所述导向辊区域为气封区域的技术方案，较好地解决了该问题，可应用于大丝束碳纤维工业化生产领域中。
Description
技术领域
本发明涉及一种大丝束碳纤维预氧化炉和预氧化方法，能有效解决大丝束碳纤维的张力控制问题，提高生产效率。
技术背景
随着技术的不断进步和发展，近年来，聚丙烯腈基碳纤维已逐步发展成为大丝束和小丝束两大种类。这两类碳纤维材料在性能和成本上不分伯仲，小丝束碳纤维的制备要求高，性能卓越，历来都是碳纤维材料的重点发展方向，而大丝束碳纤维由于生产和后道应用成本较低，一般应用于民用产品，因此用途较为广泛。针对上述两类碳纤维材料，日美两国所选择的技术路径存在一定的差异。日本企业在生产小丝束碳纤维方面具有相当的优势，而美国企业则注重在大丝束纤维领域的开拓。目前，从全球范围内来看，可大规模量产的碳纤维厂商基本不超过15家。
近年来，大丝束碳纤维与小丝束碳纤维相比，以其更高效的使用成本受到市场的追捧，推动了碳纤维在汽车、轨道交通、能源、建筑和体育用品等领域的应用，特别是随着风力发电进一步走向海洋，叶片长度的增加，仅VESTAS在风电叶片中大丝束碳纤维的用量预计2019年就将达到22000吨。预计未来几年，大丝束碳纤维的需求增速每年将超过16％以上，至2025年，全球需求预计将达到10万吨以上，国内需求将达到5万吨以上。
随着大丝束碳纤维应用的不断深入，产品供不应求，目前世界上主要大丝束碳纤维生产商纷纷进行扩产，其中日本东丽公司通过收购卓尔泰克，2021年将达到2.5万吨/年的产能；德国SGL公司在1.4万吨/年产能的基础上，通过收购葡萄牙FISIPE腈纶公司，保证欧洲碳纤维有限公司自身低成本大丝束碳纤维原丝的供应。台湾台塑于2017年关闭所有腈纶生产线，扩产大丝束碳纤维。日本三菱则在通过降本降价，布局通用级大丝束碳纤维市场的同时发挥自身原丝优势，瞄准高性能大丝束的应用市场。
世界风机装置的第一大厂商——丹麦维斯塔斯(Vestas wind system)公司在制造50米长的风机叶片中采用了碳纤维材料。自2005年初开始，该公司就与在大丝束碳纤维领域具有影响力的美国厂商卓尔泰克(Zoltek)公司订立了长期战略合作协议，各自投入数亿美元对风机叶片的碳纤维材料进行应用开发。截至目前，丹麦维斯塔斯公司已在全球安装了将近5万套风机系统，接近全球总装机容量的五分之一。全球风机装机容量的增长速度正在加快，2013年碳纤维材料在风电领域的应用已超过航空航天，成为第一大应用领域。根据野村综研的预测，未来至2020年风电领域的碳纤维需求量将达到3万吨。风电领域的应用将推动大丝束碳纤维产量的增长，未来碳纤维材料所制成的叶片将广泛应用于大容量的风电装置中。大丝束碳纤维的市场需求巨大，而预氧化过程中由于环化反应、氧化反应和脱氢反应的机理尚未明晰，反应张力难以控制，生产过程中极易造成纤维过松或者过紧，从而降低大丝束碳纤维的生产效率。
陈秋飞等人发表的《一种低表面缺陷碳纤维的制备方法》(专利号CN104775186A)，属于纤维材料领域。该发明涉及一种低表面缺陷碳纤维的制备方法，所述的制备方法前驱体采用干喷湿纺聚丙烯腈原丝，在温度为180～280℃范围内，通过调节牵伸量，控制丝束张力，在有氧条件下进行预氧化反应。
现有的技术方案能有效的小丝束碳纤维预氧丝进行张力控制，但是实施方案对大丝束碳纤维的张力控制存在一定难度。
本发明对涉及一种实施简单的大丝束预氧化炉和预氧化方法，能有效的提高大丝束碳纤维生产效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是现有大丝束碳纤维预氧化过程中的张力控制方法，主要解决现有大丝束碳纤维预氧化过程中张力难以控制，同一温区不同区域张力不均匀的技术问题，提供一种大丝束碳纤维预氧化炉。采用该预氧化炉具有张力易控，且工艺简单和操作方便等优点。
本发明所要解决的技术问题之二是提供一种采用所述大丝束碳纤维预氧化炉的碳纤维预氧化方法。
为了解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案为：一种碳纤维预氧化炉，包括预氧化炉箱体、炉膛、导向辊；其中，所述导向辊设置在炉膛内，且分别位于炉膛两端；所述预氧化炉箱体上设置有抽气装置和进气口；其特征在于所述导向辊区域为气封区域。
上述技术方案中，优选：所述气封区域的气体介质为热空气，优选所述预氧化炉还包括空气分配器，设置在炉膛两端，位于导向辊内侧；气封区域通过空气分配器对气流流场进行调控的方式实现。
上述技术方案中，优选：所述炉膛内的压力为负压，负压通过调节抽气装置的废气流量和进气口的新风流量，使该区域气压低于一个标准大气压的方式实现。
上述技术方案中，优选：所述导向辊周围的热空气温度低于所在氧化炉炉膛温度10～20℃。
上述技术方案中，优选：所述预氧化炉还包括驱动装置，位于预氧化炉两侧。
上述技术方案中，进一步优选：所述驱动装置为主动辊，驱动辊上包角为120～150°之间。
上述技术方案中，更进一步优选：所述驱动装置采用五辊机或七辊机。
上述技术方案中，优选：所述导向辊有多个，使得预氧丝呈S型往复走丝；更优选所述导向辊包角为180°。
上述技术方案中，优选：所述驱动装置和导向辊上装配有张力传感器。
上述技术方案中，所述预氧化炉中限定的气封、空气温度、负压等均指的是预氧化炉的工作状态下。
为了解决上述技术问题之二，本发明采用的技术方案为：一种碳纤维预氧化方法，采用采用上述解决技术问题之一所述技术方案中任一所述的碳纤维预氧化炉。
上述技术方案中，所述的碳纤维预氧化方法，优选：所述氧化炉温度低于230℃的温区采用正牵，温度处于230～250℃的温区采用零牵，温度高于250℃的温区采用负牵；优选：采用正牵的温区张力控制在6000～8000cN；采用零牵的温区张力控制在5000～7000cN；采用负牵的温区张力控制在4000～6000cN；更优选：随着温度的升高，控制各温区张力逐渐降低。
上述技术方案中，所述的碳纤维预氧化方法，优选：其特征在于所述碳纤维为大丝束碳纤维，优选所述大丝束碳纤维不小于48K；更优选：所述大丝束碳纤维走丝过程中丝束中心距25～30mm。
上述技术方案中，所述的碳纤维预氧化方法，优选：所述氧化炉内与丝束接触区域风速为走丝速度的8～20倍。
本发明的优点是：走丝平稳，同一温区不同区域张力均匀，基本无毛丝断丝产生，且公用工程要求低、实施简单、低能耗、清洁无污染。
采用本发明的技术方案，大丝束碳纤维预氧化过程中张力简单易控，能有效提高生产效率，取得了较好的技术效果。
附图说明
图1为本发明采用的预氧化装置示意图。
图1中，1为抽气装置；2为出口端气封区域；3为恒温区；4为进气口；5为进口端气封区域；6为空气分配器。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。
具体实施方式
【实施例1】
将氧化炉的导向辊系统集成在加热系统中，大丝束原丝经驱动装置进入氧化炉，通过导向辊在炉膛内呈S型往复走丝，驱动装置在氧化炉左右两侧，使用主动辊，采用五辊机或七辊机，驱动辊上包角为120°，导向辊设置在炉膛内部气封区域，采用耐高温不锈钢材质，导向辊周围的气封介质为空气，空气温度低于所在氧化炉温区工艺温度10℃，导向辊包角为180°，每组驱动单元和导向单元上装配有张力传感器，通过纤维上张力自动调节辊速，其中同一温区进出口驱动装置速度手动设置为2m/min和2m/min，导向辊速度自动调节；根据不同氧化炉工艺温度设置各温区的牵伸比例；采用正牵的温区张力控制在6000～8000cN；48K大丝束碳纤维走丝过程中丝束中心距25mm；氧化炉内与丝束接触区域风速为走丝速度的10倍。对同一温区不同层数丝束进行张力测试，结果如下：6521cN、6620cN、6586cN、6614cN、6588cN、6625cN。
【实施例2】
将氧化炉的导向辊系统集成在加热系统中，大丝束原丝经驱动装置进入氧化炉，通过导向辊在炉膛内呈S型往复走丝，驱动装置在氧化炉左右两侧，使用主动辊，采用五辊机或七辊机，驱动辊上包角为135°，导向辊设置在炉膛内部气封区域，采用耐高温不锈钢材质，导向辊周围的气封介质为空气，空气温度低于所在氧化炉温区工艺温度10℃，导向辊包角为180°，每组驱动单元和导向单元上装配有张力传感器，通过纤维上张力自动调节辊速，其中同一温区进出口驱动装置速度手动设置为2m/min和2m/min，导向辊速度自动调节；根据不同氧化炉工艺温度设置各温区的牵伸比例；采用正牵的温区张力控制在6000～8000cN；48K大丝束碳纤维走丝过程中丝束中心距25mm；氧化炉内与丝束接触区域风速为走丝速度的10倍。对同一温区不同层数丝束进行张力测试，结果如下：6625cN、6721cN、6685cN、6724cN、6688cN、6721cN。
【实施例3】
将氧化炉的导向辊系统集成在加热系统中，大丝束原丝经驱动装置进入氧化炉，通过导向辊在炉膛内呈S型往复走丝，驱动装置在氧化炉左右两侧，使用主动辊，采用五辊机或七辊机，驱动辊上包角为135°，导向辊设置在炉膛内部气封区域，采用耐高温不锈钢材质，导向辊周围的气封介质为空气，空气温度低于所在氧化炉温区工艺温度20℃，导向辊包角为180°，每组驱动单元和导向单元上装配有张力传感器，通过纤维上张力自动调节辊速，其中同一温区进出口驱动装置速度手动设置为2m/min和2m/min，导向辊速度自动调节；根据不同氧化炉工艺温度设置各温区的牵伸比例；采用正牵的温区张力控制在6000～8000cN；48K大丝束碳纤维走丝过程中丝束中心距25mm；氧化炉内与丝束接触区域风速为走丝速度的10倍。对同一温区不同层数丝束进行张力测试，结果如下：6418cN、6416cN、6522cN、6498cN、6563cN、6498cN。
【实施例4】
将氧化炉的导向辊系统集成在加热系统中，大丝束原丝经驱动装置进入氧化炉，通过导向辊在炉膛内呈S型往复走丝，驱动装置在氧化炉左右两侧，使用主动辊，采用五辊机或七辊机，驱动辊上包角为135°，导向辊设置在炉膛内部气封区域，采用耐高温不锈钢材质，导向辊周围的气封介质为空气，空气温度低于所在氧化炉温区工艺温度20℃，导向辊包角为180°，每组驱动单元和导向单元上装配有张力传感器，通过纤维上张力自动调节辊速，其中同一温区进出口驱动装置速度手动设置为2m/min和2.1m/min，导向辊速度自动调节；根据不同氧化炉工艺温度设置各温区的牵伸比例；采用正牵的温区张力控制在6000～8000cN；48K大丝束碳纤维走丝过程中丝束中心距25mm；氧化炉内与丝束接触区域风速为走丝速度的10倍。对同一温区不同层数丝束进行张力测试，结果如下：7226cN、7189cN、7195cN、7256cN、7301cN、7269cN。
【实施例5】
将氧化炉的导向辊系统集成在加热系统中，大丝束原丝经驱动装置进入氧化炉，通过导向辊在炉膛内呈S型往复走丝，驱动装置在氧化炉左右两侧，使用主动辊，采用五辊机或七辊机，驱动辊上包角为135°，导向辊设置在炉膛内部气封区域，采用耐高温不锈钢材质，导向辊周围的气封介质为空气，空气温度低于所在氧化炉温区工艺温度20℃，导向辊包角为180°，每组驱动单元和导向单元上装配有张力传感器，通过纤维上张力自动调节辊速，其中同一温区进出口驱动装置速度手动设置为2m/min和2.1m/min，导向辊速度自动调节；根据不同氧化炉工艺温度设置各温区的牵伸比例；采用正牵的温区张力控制在6000～8000cN；48K大丝束碳纤维走丝过程中丝束中心距25mm；氧化炉内与丝束接触区域风速为走丝速度的15倍。对同一温区不同层数丝束进行张力测试，结果如下：7115cN、7198cN、7214cN、7276cN、7109cN、7286cN。
【比较例1】
采用常规氧化炉系统，大丝束原丝经驱动装置进入氧化炉，通过导向辊在炉膛内呈S型往复走丝，驱动装置在氧化炉左右两侧，使用主动辊，采用五辊机或七辊机，驱动辊上包角为135°，导向辊设置在炉膛外部，导向辊包角为180°，每组驱动单元和导向单元上装配有张力传感器，通过纤维上张力自动调节辊速，其中同一温区进出口驱动装置速度手动设置为2m/min和2m/min，导向辊速度自动调节；根据不同氧化炉工艺温度设置各温区的牵伸比例；采用正牵的温区张力控制在6000～8000cN；48K大丝束碳纤维走丝过程中丝束中心距25mm；氧化炉内与丝束接触区域风速为走丝速度的10倍。对同一温区不同层数丝束进行张力测试，结果如下：6734cN、6965cN、7256cN、7125cN、6789cN、6581cN；张力波动大，产生较多断丝和毛丝。
【比较例2】
采用常规氧化炉系统，大丝束原丝经驱动装置进入氧化炉，通过导向辊在炉膛内呈S型往复走丝，驱动装置在氧化炉左右两侧，使用主动辊，采用五辊机或七辊机，驱动辊上包角为135°，导向辊设置在炉膛内部，所在区域无气封，导向辊包角为180°，每组驱动单元和导向单元上装配有张力传感器，通过纤维上张力自动调节辊速，其中同一温区进出口驱动装置速度手动设置为2m/min和2m/min，导向辊速度自动调节；根据不同氧化炉工艺温度设置各温区的牵伸比例；采用正牵的温区张力控制在6000～8000cN；48K大丝束碳纤维走丝过程中丝束中心距25mm；氧化炉内与丝束接触区域风速为走丝速度的10倍。对同一温区不同层数丝束进行张力测试，结果如下：6587cN、7154cN、6023cN、7871cN、6122cN、7087cN；张力波动大，产生较多断丝和毛丝。
显然，采用本发明的工艺，可以有效控制大丝束预氧化过程中的张力，具有较大的技术优势，可用于大丝束碳纤维的工业生产中。
上述实施例与对比例中采用的原料，如果没有特别限定，那么均是现有技术公开的，例如可直接购买获得或者根据现有技术公开的制备方法制得。
Claims (13)
1.一种碳纤维预氧化炉，包括预氧化炉箱体、炉膛、导向辊；其中，所述导向辊设置在炉膛内，且分别位于炉膛两端；所述预氧化炉箱体上设置有抽气装置和进气口；其特征在于所述导向辊区域为气封区域。
2.根据权利要求1所述的碳纤维预氧化炉，其特征在于所述气封区域的气体介质为热空气。
3.根据权利要求1所述的碳纤维预氧化炉，其特征在于所述炉膛内的压力为负压。
4.根据权利要求1～3任一所述的碳纤维预氧化炉，其特征在于所述导向辊周围的热空气温度低于所在氧化炉炉膛温度10～20℃。
5.根据权利要求1～3任一所述的碳纤维预氧化炉，其特征在于所述预氧化炉还包括驱动装置，位于预氧化炉两侧。
6.根据权利要求5所述的碳纤维预氧化炉，其特征在于所述驱动装置为主动辊，驱动辊上包角为120～150°之间。
7.根据权利要求5或6所述的碳纤维预氧化炉，其特征在于所述驱动装置采用五辊机或七辊机。
8.根据权利要求1所述的碳纤维预氧化炉，其特征在于所述导向辊有多个，使得预氧丝呈S型往复走丝；优选所述导向辊包角为180°。
9.根据权利要求1所述的碳纤维预氧化炉，其特征在于驱动装置和导向辊上装配有张力传感器。
10.一种碳纤维预氧化方法，采用权利要求1～9任一所述的碳纤维预氧化炉。
11.根据权利要求10所述的碳纤维预氧化方法，其特征在于所述氧化炉温度低于230℃的温区采用正牵，温度处于230～250℃的温区采用零牵，温度高于250℃的温区采用负牵；优选：采用正牵的温区张力控制在6000～8000cN；采用零牵的温区张力控制在5000～7000cN；采用负牵的温区张力控制在4000～6000cN；更优选：随着温度的升高，控制各温区张力逐渐降低。
12.根据权利要求10或11所述的碳纤维预氧化方法，其特征在于所述碳纤维为大丝束碳纤维，优选所述大丝束碳纤维不小于48K；更优选：所述大丝束碳纤维走丝过程中丝束中心距25～30mm。
13.根据权利要求10或11所述的碳纤维预氧化方法，其特征在于所述氧化炉内与丝束接触区域风速为走丝速度的8～20倍。
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