CN212357469U - 一种微波加热纤维预氧化的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种微波加热纤维预氧化的装置，属于碳纤维新型结构材料制备技术领域。该微波加热纤维预氧化的装置，包括热处理系统、降温系统和温度监测系统；热处理系统包括带吸波材料的石英管、脊型波导、磁控管、微波电源、加热工作腔体和外部半封闭装置，降温系统包括冷却水输送管道和冷却水泵冷却水循环装置，温度监测系统包括红外测温探头。本装置提供了预氧化前处理，改变了预氧丝加热方式，实现温度均匀的连续梯度升温加热和连续升温加热，提升加热效率和能量利用率，有效散热。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种微波加热纤维预氧化的装置，属于碳纤维新型结构材料制备技术领域。
背景技术
碳纤维(CF)问世于上世纪50年代，在上世纪60年代起得到迅速发展的一种含碳量高于90% 的新型碳材料，是一种以沥青（C124H80O11）n、聚丙烯腈（C3H3N）n、黏胶（C6H10O5）n、酚醛（C63H55O11）n等为原料，经预氧化、炭化、石墨化等工艺而制得的含碳量大于90%的高强、高模、耐高温特种纤维。聚丙烯腈（PAN）基碳纤维由于具有较高的弹性模量、抗拉强度和碳化收率，从而广泛用于碳纤维的制备。其中 PAN 基碳纤维由于具有产品综合性能好，而发展很快，产量占到CF总量的90%以上，成为最主要的品种。PAN基碳纤维的制备是一个复杂的工艺过程，由于它涉及PAN系高聚物的聚合、纺丝、预氧化和炭化等一系列工艺，其中每个工艺步骤都有诸多因素影响到碳纤维的质量。为了制取高性能的碳纤维，不仅需要优质的原丝，还需要选择与之相适应的预氧化和炭化工艺。目前，为制备高性能的碳纤维CF，在技术上主要通过以下3种方式来进行：( 1)通过改PAN的聚合工艺来调整分子量，使分子量分布较窄；( 2)采用先进的纺丝工艺(如干喷湿纺)以减少纺丝过程中形成的缺陷；(3)改进原丝预氧化和炭化工艺。PAN原丝预氧化过程是在160～300℃之间进行的，当下主要是采用马弗炉等传统加热方式，并且正在探索微波作为新加热源的生产方式。预氧化过程是双扩散历程，氧由表及里向纤维内部扩散，内部的非碳元素小分子气体产物向外扩散。随着预氧化反应的进行，纤维表层的分子链首先形成了致密的梯形结构，阻碍氧向芯部扩散，使纤维形成环化、交联度较低的芯部。预氧化反应由纤维外部向芯部逐步进行，大分子链的环化和交联作用使预氧丝皮层原纤首先形成了致密的网状梯形结构，阻碍了氧的进一步扩散，出现预氧丝皮层氧化充分甚至过度，而芯部却预氧化不足，因而形成皮芯结构。预氧化在碳纤维制备过程中耗时最长且最关键，传统加热方式易出现“皮芯”结构，并且会遗传到碳化过程，使得难以获得高性能的碳纤维。
聚丙烯腈原丝的介电常数低，纤维直径过细，微波能利用率过低。目前的微波加热设备用于原丝预氧化存在以下缺点：一、能量消耗大，无法重复利用；二、能量无法稀释分散，造成材料受热不均匀；三、设备封闭，无法对材料进行实时准确温度测量。为了克服这些缺点，很有必要提供一种新式的加热装置和方法，并对加热设备进行改进，实现热能的充分利用，设备有效散热以及功率的瞬时控制。
微波传输系统的分类有三大类：一、TEM波传输线：主要包括平行双线、同轴线、带状线和微带线等；二、金属波导管又称为波导，有下面几种类型：矩形波导管、圆形波导管、脊形波导管、椭圆型波导管；三、介质传输线，因电磁波沿传输线表面传播，故称为表面波波导，主要包括介质波导、镜像线和单根表面波传输线等。为提高微波传输效率针对不同的实用系统应相应采取不同的传输设备。
目前针对聚丙烯腈基碳纤维预氧化的微波作用仅仅在实验探索阶段，没有设计成型的微波实现聚丙烯腈纤维预氧化的设备、微波能利用率低以及生产的碳纤维性能有所缺陷等缺点。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种微波加热纤维预氧化的装置。本装置提供了预氧化前处理，改变了预氧丝加热方式，实现温度均匀的连续梯度升温加热和连续升温加热，提升加热效率和能量利用率，有效散热。本实用新型通过以下技术方案实现。
一种微波加热纤维预氧化的装置，包括热处理系统、降温系统和温度监测系统；
热处理系统包括带吸波材料的石英管2、脊型波导3、磁控管4、微波电源5、加热工作腔体7和外部半封闭装置8，降温系统包括冷却水输送管道9和冷却水泵10冷却水循环装置，温度监测系统包括红外测温探头1；
所述加热工作腔体7内部设有横置的带吸波材料的石英管2，加热工作腔体7两端设有外部半封闭装置8，加热工作腔体7分为三个加热区域，每个加热区域外部各设有一个对称的脊型波导3，脊型波导3均设有磁控管4，每两个对称的磁控管4通过一个微波电源5提供直流高压电源；
磁控管4外部均设有降温系统，每个加热区域顶部均插入一个红外测温探头1；
带吸波材料的石英管2内部和外部半封闭装置8均设有走丝通道。
所述微波加热纤维预氧化的装置还包括控制系统，控制系统中的控制器分别与红外测温探头1和微波电源5电连接。
所述微波加热纤维预氧化的装置外部设有液晶显示屏6，液晶显示屏6与控制器连接。
所述加热工作腔体7长度为1.5m。
上述外部半封闭装置8采用“工”型结构，材质使用吸波复合材料，降低不必要的能量损耗并实现零微波能泄漏。
上述微波电源5功率为1kw～2.5kw。
上述三个加热区域可以为相同温度的加热区域也可以为不同温度的加热区域，如160℃、230℃和300℃。
上述微波加热纤维预氧化的装置没有详细提及到的结构和材料均是本领域技术人员公知的结构和材料。
该微波加热纤维预氧化的装置的工作原理为：
1、先打开冷却水循环装置，确保水循环系统正常运行；再开启装置总开关；接下来对设备进行初始化校验，查看设备系统是否有故障提示。
2、接着开启热处理系统，在15min内将带吸波材料的石英管2温度升到目标温度；利用传输装置从走丝通道导入纤维原丝，使其赋有一定牵引力，保温时间5min；后续开始传动原丝不断进入加热系统进行目标温度的加热与保温，直到所有所需材料预氧化结束。自动或手动关闭所有磁控管4，系统会自动降温。
本实用新型的有益效果是：
（1）本装置实现微波对聚丙烯腈基碳纤维的预氧化处理，可以提高加热效率得到较好的预氧化纤维制品。
（2）本装置采用新型高效率的脊型波导结构，提高了微波能传输利用率。
（3）本装置采用红外测温可以瞬时高效率检测纤维瞬时温度，为控制纤维各个部分预氧化提供了基础。
（4）本装置采用外部半封闭装置大大降低微波能的泄漏。
（5）本装置实现预氧化前的氧化处理，提高氧含量，实现预氧化过程的梯度升温，消除预氧丝“皮芯”结构，使得预氧丝径向更加均匀，降低体密度，提高力学性能，为获得高质量碳纤维奠定基础。
附图说明
图1是本实用新型微波加热纤维预氧化的装置结构示意图A；
图2是本实用新型微波加热纤维预氧化的装置结构示意图B；
图3是本实用新型脊型波导结构示意图；
图4是本实用新型脊型波导安装示意图；
图5是本实用新水循环泵结构示意图。
图中：1-红外测温探头，2-带吸波材料的石英管，3-脊型波导，4-磁控管，5-微波电源，6-液晶显示屏，7-加热工作腔体，8-外部半封闭装置，9-冷却水输送管道，10-冷却水泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。
实施例1
如图1至5所示，该微波加热纤维预氧化的装置，包括热处理系统、降温系统和温度监测系统；
热处理系统包括带吸波材料的石英管2、脊型波导3、磁控管4、微波电源5、加热工作腔体7和外部半封闭装置8，降温系统包括冷却水输送管道9和冷却水泵10冷却水循环装置，温度监测系统包括红外测温探头1；
所述加热工作腔体7内部设有横置的带吸波涂层二氧化硅的石英管2，加热工作腔体7两端设有外部半封闭装置8，加热工作腔体7分为三个加热区域，每个加热区域外部各设有一个对称的脊型波导3，脊型波导3均设有磁控管4，每两个对称的磁控管4通过一个微波电源5提供直流高压电源；
磁控管4外部均设有降温系统，每个加热区域顶部均插入一个红外测温探头1；
带吸波材料的石英管2内部和外部半封闭装置8均设有走丝通道。
其中微波加热纤维预氧化的装置还包括控制系统，控制系统中的控制器分别与红外测温探头1和微波电源5电连接；微波加热纤维预氧化的装置外部设有液晶显示屏6，液晶显示屏6与控制器连接；加热工作腔体7长度为1.5m；外部半封闭装置8采用“工”型结构，材质使用二氧化硅吸波复合材料，使微波加热装置与外界隔绝开，降低不必要的能量损耗并实现零微波能泄漏；微波电源5功率为1kw～2.5kw。
以上结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种微波加热纤维预氧化的装置，其特征在于：包括热处理系统、降温系统和温度监测系统；
热处理系统包括带吸波材料的石英管（2）、脊型波导（3）、磁控管（4）、微波电源（5）、加热工作腔体（7）和外部半封闭装置（8），降温系统包括冷却水输送管道（9）和冷却水泵（10）冷却水循环装置，温度监测系统包括红外测温探头（1）；
所述加热工作腔体（7）内部设有横置的带吸波材料的石英管（2），加热工作腔体（7）两端设有外部半封闭装置（8），加热工作腔体（7）分为三个加热区域，每个加热区域外部各设有一个对称的脊型波导（3），脊型波导（3）均设有磁控管（4），每两个对称的磁控管（4）通过一个微波电源（5）提供直流高压电源；
磁控管（4）外部均设有降温系统，每个加热区域顶部均插入一个红外测温探头（1）；
带吸波材料的石英管（2）内部和外部半封闭装置（8）均设有走丝通道。
2.根据权利要求1所述的微波加热纤维预氧化的装置，其特征在于：所述微波加热纤维预氧化的装置还包括控制系统，控制系统中的控制器分别与红外测温探头（1）和微波电源（5）电连接。
3.根据权利要求2所述的微波加热纤维预氧化的装置，其特征在于：所述微波加热纤维预氧化的装置外部设有液晶显示屏（6），液晶显示屏（6）与控制器连接。
4.根据权利要求1所述的微波加热纤维预氧化的装置，其特征在于：所述加热工作腔体（7）长度为1.5m。
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