CN116084060A - 一种聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化方法和装置，采用2μm～5μm波段或9μm～11μm波段的红外激光加热，该预氧化方法和装置能够精准调控聚丙烯腈纤维丝束预氧化加热温度曲线和加热区域，实时监测聚丙烯腈纤维丝束预氧化的程度和状态；该聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化装置包括展丝模块(1)、预氧化装置机体(2)、补气模块(3)、激光模组(4)、尾气回收模块(5)、红外测温模组(6)、图像监测模块(7)、控制模块(8)和上位机(9)。该聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化装置具有能量利用率高、设备体积小，加热区域和加热温度曲线可以精准控制等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化方法和装置，属于高分子材料和激光应用技术领域。
背景技术
预氧化是聚丙烯腈(PAN)基碳纤维制备工艺中碳化前的一个重要环节，聚丙烯腈纤维丝束在200℃～300℃温度的预氧化炉中发生环化、脱氢、吸氧反应等化学反应，使线型分子链转化成耐热梯形六元环结构，聚丙烯腈纤维的颜色由乳白色依次变为黄色、棕褐色，最后呈现黑色，从而使PAN基碳纤维制品在高温碳化时不熔不燃。目前，碳纤维预氧化工艺主要是通过电热管等加热预氧化炉内的环境气体来实现高温，通过环境将热量传输给PAN基纤维，能量利用效率低，设备体积大能耗高，生产效率低，耗电量庞大。此外，由于预氧化过程中的化学反应是个放热的过程，温度可控性差，容易引起火灾。
发明内容
针对传统聚丙烯腈碳纤维预氧化工艺能量利用效率低，设备体积大能耗高，生产效率低，耗电量庞大，温度可控性差等系列问题，本发明提供了一种聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化方法和装置。
本发明的技术解决方案如下：
一种聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化方法，该方法是采用中长波红外波段激光光斑均匀辐照加热聚丙烯腈纤维丝束的上下表面，聚丙烯腈纤维丝束吸收辐照激光能量快速升温至设定的预氧化温度；为保证足够的预氧化时间，将多个强度分布均匀的激光光斑沿着聚丙烯腈纤维丝束运动方向拼接成一个长的带状均匀光斑；通过调节各激光光斑的强度来实现辐照加热温度曲线的精准调控；通过监测聚丙烯腈纤维丝束的颜色来判断聚丙烯腈纤维丝束发生预氧化的程度和状态；通过测量沿聚丙烯腈纤维丝束方向不同位置的温度信息来获得预氧化温度曲线，根据测量温度和设定温度比对结果来控制照射激光功率；在聚丙烯腈纤维丝束特定的运动速度v下，设定的预氧化时间与聚丙烯腈纤维丝束运动速度v的乘积不大于带状均匀光斑的长度，带状均匀光斑的宽度不小于聚丙烯腈纤维丝束的宽度。
如附图1所示，本发明提供的一种聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化装置包括展丝模块1、预氧化装置机体2、补气模块3、激光模组4、尾气回收模块5、红外测温模组6、图像监测模块7、控制模块8和上位机9；在控制模块8和上位机9的控制下，聚丙烯腈纤维丝束被展丝模块1展宽后进入预氧化装置机体2，在预氧化装置机体2内部被激光模组4辐照加热，补气模块3向预氧化装置机体2内补充洁净的压缩空气以促进聚丙烯腈纤维丝束发生化学反应，尾气回收模块5将预氧化阶段产生的尾气回收并输出给外置的焚烧炉作无害处理，红外测温模组6测量聚丙烯腈纤维丝束不同预氧化阶段的表面温度并将获取的温度信息发送给控制模块8和上位机9处理，控制模块8根据获取的温度信息来控制激光模组4的输出功率，上位机9显示红外测温模组6测量的温度数据，图像监测模块7监测聚丙烯腈纤维丝束的颜色信息并发送给上位机9处理；
所述的展丝模块1优选超声展丝机构或机械展丝机构，在控制模块8的控制下将聚丙烯腈纤维丝束均匀展宽至设定的宽度；
所述的预氧化装置机体2为所述一种聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化装置的支撑机构和遮蔽壳体，其遮蔽壳体的左右两端分别有送丝口和出丝口，被展宽的聚丙烯腈纤维丝束从送丝口进入，从出丝口传送出；其遮蔽壳体的上下两侧均含有长方条形光学窗口玻璃，用于透过激光模组4输出的激光束，从而使激光束能够照射在聚丙烯腈纤维丝束的上下表面；
所述的补气模块3由空气压缩泵、多级过滤器、冷干模块和储气罐组成，其产生洁净的压缩空气，用于向预氧化装置机体2的壳体内部补充压缩空气；
所述的激光模组4由多个中长波红外激光系统阵列化拼接而成，无缝隙拼接后的光斑为方形或长方形强度分布均匀的光带，该光带透过遮蔽壳体上下两侧的光学窗口照射在聚丙烯腈纤维丝束的上下表面，其根据控制模块8的控制信号输出相应激光功率；所述的红外激光系统由红外激光器和光束整形器件组成，优选波长位于2μm～5μm波段或9μm～11μm波段的红外激光器；
所述的尾气回收模块5由含有叶轮的电机和PVC管道组成，利用电机带动叶轮高速旋转从预氧化装置机体2内将尾气吸入并输出给外置的焚烧炉作无害处理；
所述的红外测温模组6由多个红外测温传感器组成，红外测温传感器沿聚丙烯腈纤维丝束方向均匀分布并固定在预氧化装置机体2中遮蔽壳体的上表面，用于测量聚丙烯腈纤维丝束不同位置的表面温度，并将获取的温度信息发送给控制模块8处理，上位机9显示各红外温度传感器测量的温度，便于操作者获取聚丙烯腈纤维丝束预氧化阶段的加热温度曲线；
所述的图像监测模块7由可见光相机与成像光学系统组成，通过螺钉固定在预氧化装置机体2的上侧面，用于监测聚丙烯腈纤维丝束不同位置的颜色信息并发送给上位机9处理，便于操作者观测聚丙烯腈纤维丝束预氧化的程度和状态；
所述的控制模块8为PLC控制系统，用于控制展丝模块1、补气模块3和尾气回收模块5工作，采集红外测温模组6的温度信息，根据温度信息控制激光模组4输出的激光功率；
所述的上位机9为计算机，用于处理并显示来自红外测温模组6、图像监测模块7和控制模块8的信息，并向控制模块8发送控制信号。
有益效果：本发明提供的一种聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化方法和装置，采用2μm～5μm波段或9μm～11μm波段的红外激光加热，克服了聚丙烯腈纤维对激光波长的选择性吸收难题，该预氧化装置能够精准调控聚丙烯腈纤维丝束预氧化加热温度曲线和加热区域，实时监测聚丙烯腈纤维丝束预氧化的程度和状态，具有能量利用率高、设备体积小，加热区域和加热温度曲线可以精准控制等优点，利于提高聚丙烯腈纤维预氧化的质量、生产效率和产能，利于降低能耗和制造成本。
附图说明
图1是一种聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化装置示意图。
图中：1-展丝模块，2-预氧化装置机体，3-补气模块，4-激光模组，5-尾气回收模块，6-红外测温模组，7-图像监测模块，8-控制模块，9-上位机。
具体实施方式
实施例1一种聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化方法和装置。
本发明的技术解决方案如下：
一种聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化方法，该方法是采用中长波红外波段激光光斑均匀辐照加热聚丙烯腈纤维丝束的上下表面，聚丙烯腈纤维丝束吸收辐照激光能量快速升温至设定的预氧化温度；为保证足够的预氧化时间，将多个强度分布均匀的激光光斑沿着聚丙烯腈纤维丝束运动方向拼接成一个长的带状均匀光斑；通过调节各激光光斑的强度来实现辐照加热温度曲线的精准调控；通过监测聚丙烯腈纤维丝束的颜色来判断聚丙烯腈纤维丝束发生预氧化的程度和状态；通过测量沿聚丙烯腈纤维丝束方向不同位置的温度信息来获得预氧化温度曲线，根据测量温度和设定温度比对结果来控制照射激光功率；在聚丙烯腈纤维丝束特定的运动速度v下，设定的预氧化时间与聚丙烯腈纤维丝束运动速度v的乘积不大于带状均匀光斑的长度，带状均匀光斑的宽度不小于聚丙烯腈纤维丝束的宽度。
如附图1所示，本发明提供的一种聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化装置包括展丝模块1、预氧化装置机体2、补气模块3、激光模组4、尾气回收模块5、红外测温模组6、图像监测模块7、控制模块8和上位机9；在控制模块8和上位机9的控制下，聚丙烯腈纤维丝束被展丝模块1展宽后进入预氧化装置机体2，在预氧化装置机体2内部被激光模组4辐照加热，补气模块3向预氧化装置机体2内补充洁净的压缩空气以促进聚丙烯腈纤维丝束发生化学反应，尾气回收模块5将预氧化阶段产生的尾气回收并输出给外置的焚烧炉作无害处理，红外测温模组6测量聚丙烯腈纤维丝束不同预氧化阶段的表面温度并将获取的温度信息发送给控制模块8和上位机9处理，控制模块8根据获取的温度信息来控制激光模组4的输出功率，上位机9显示红外测温模组6测量的温度数据，图像监测模块7监测聚丙烯腈纤维丝束的颜色信息并发送给上位机9处理；
所述的展丝模块1为超声展丝机构或机械展丝机构，在控制模块8的控制下将聚丙烯腈纤维丝束均匀展宽至设定的宽度；
所述的预氧化装置机体2为所述一种聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化装置的支撑机构和遮蔽壳体，其遮蔽壳体的左右两端分别有送丝口和出丝口，被展宽的聚丙烯腈纤维丝束从送丝口进入，从出丝口传送出；其遮蔽壳体的上下两侧均含有长方条形光学窗口玻璃，用于透过激光模组4输出的激光束，从而使激光束能够照射在聚丙烯腈纤维丝束的上下表面；
所述的补气模块3由空气压缩泵、多级过滤器、冷干模块和储气罐组成，其产生洁净的压缩空气，用于向预氧化装置机体2的壳体内部补充压缩空气；
所述的激光模组4由多个中长波红外激光系统阵列化拼接而成，无缝隙拼接后的光斑为方形或长方形强度分布均匀的光带，该光带透过遮蔽壳体上下两侧的光学窗口照射在聚丙烯腈纤维丝束的上下表面，其根据控制模块8的控制信号输出相应激光功率；所述的红外激光系统由红外激光器和光束整形器件组成，红外激光器输出的波长位于2μm～5μm波段或9μm～11μm波段；
所述的尾气回收模块5由含有叶轮的电机和PVC管道组成，利用电机带动叶轮高速旋转从预氧化装置机体2内将尾气吸入并输出给外置的焚烧炉作无害处理；
所述的红外测温模组6由多个红外测温传感器组成，红外测温传感器沿聚丙烯腈纤维丝束方向均匀分布并固定在预氧化装置机体2中遮蔽壳体的上表面，用于测量聚丙烯腈纤维丝束不同位置的表面温度，并将获取的温度信息发送给控制模块8处理，上位机9显示各红外温度传感器测量的温度，便于操作者获取聚丙烯腈纤维丝束预氧化阶段的加热温度曲线；
所述的图像监测模块7由可见光相机与成像光学系统组成，通过螺钉固定在预氧化装置机体2的上侧面，用于监测聚丙烯腈纤维丝束不同位置的颜色信息并发送给上位机9处理，便于操作者观测聚丙烯腈纤维丝束预氧化的程度和状态；
所述的控制模块8为PLC控制系统，用于控制展丝模块1、补气模块3和尾气回收模块5工作，采集红外测温模组6的温度信息，根据温度信息控制激光模组4输出的激光功率；
所述的上位机9为计算机，用于处理并显示来自红外测温模组6、图像监测模块7和控制模块8的信息，并向控制模块8发送控制信号。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化方法，其特征在于该方法是采用中长波红外波段激光光斑均匀辐照加热聚丙烯腈纤维丝束的上下表面，聚丙烯腈纤维丝束吸收辐照激光能量快速升温至设定的预氧化温度；为保证足够的预氧化时间，将多个强度分布均匀的激光光斑沿着聚丙烯腈纤维丝束运动方向拼接成一个长的带状均匀光斑；通过调节各激光光斑的强度来实现辐照加热温度曲线的精准调控；通过监测聚丙烯腈纤维丝束的颜色来判断聚丙烯腈纤维丝束发生预氧化的程度和状态；通过测量沿聚丙烯腈纤维丝束方向不同位置的温度信息来获得预氧化温度曲线，根据测量温度和设定温度比对结果来控制照射激光功率；在聚丙烯腈纤维丝束特定的运动速度v下，设定的预氧化时间与聚丙烯腈纤维丝束运动速度v的乘积不大于带状均匀光斑的长度，带状均匀光斑的宽度不小于聚丙烯腈纤维丝束的宽度。
2.如权利要求1所述的一种聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化装置，其特征在于包括展丝模块(1)、预氧化装置机体(2)、补气模块(3)、激光模组(4)、尾气回收模块(5)、红外测温模组(6)、图像监测模块(7)、控制模块(8)和上位机(9)；
所述的展丝模块1优选超声展丝机构或机械展丝机构；
所述的预氧化装置机体2为所述一种聚丙烯腈基碳纤维激光预氧化装置的支撑机构和遮蔽壳体，其遮蔽壳体的左右两端分别有送丝口和出丝口，其遮蔽壳体的上下两侧均含有长方条形光学窗口玻璃；
所述的补气模块3由空气压缩泵、多级过滤器、冷干模块和储气罐组成；
所述的激光模组4由多个中长波红外激光系统阵列化拼接而成，无缝隙拼接后的光斑为方形或长方形强度分布均匀的光带，该光带透过遮蔽壳体上下两侧的光学窗口照射在聚丙烯腈纤维丝束的上下表面；所述的红外激光系统由红外激光器和光束整形器件组成，优选波长位于2μm～5μm波段或9μm～11μm波段的红外激光器；
所述的尾气回收模块5由含有叶轮的电机和PVC管道组成；
所述的红外测温模组6由多个红外测温传感器组成，红外测温传感器沿聚丙烯腈纤维丝束方向均匀分布并固定在预氧化装置机体2中遮蔽壳体的上表面；
所述的图像监测模块7由可见光相机与成像光学系统组成，通过螺钉固定在预氧化装置机体2的上侧面；
所述的控制模块8为PLC控制系统；
所述的上位机9为计算机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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