本实用新型与碳纤维的预氧化技术有关，主要揭露一种有助于提升碳纤维性能的纤维预氧化设备。
背景技术：
：碳纤维是有机纤维经一系列热处理后转化而成的含碳量在90％以上的新型碳材料，其具有高比强度、高比模量、高导电性和导热性、低热膨胀系数、低密度、耐高温、耐疲劳、抗蠕变、自润滑等一系列的优异性能，是一种理想的功能材料和结构材料，广泛应用于航天、民用航空及运输等领域，并具有广阔的应用前景。聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)作为原丝的碳纤维制备工艺过程包括聚合、纺丝、预氧化和碳化，其中预氧化过程是碳纤维制备过程中结构转变的关键阶段，也是热处理过程中最耗时的阶段，其目的是使聚丙烯腈的线型大分子链转化为具耐热结构的氧化纤维，使其在后续的碳化时不熔不燃，而能够保持纤维形态。预氧化过程中原丝的结构转变在很大程度上决定着碳纤维的结构和性能，在工业化生产中，多采用梯度升温的预氧化方式，在此过程中合适的温度梯度范围是必要的，起始温度如果太低，对预氧化过程没有贡献，耗费时间增加成本，但起始温度太高，剧烈的反应放热会使没有耐热能力的PAN大分子链熔断；另外，终止温度如果太高，集中放热会破坏预氧丝的结构，并且造成过度预氧化，不利于制备高强度碳纤维，但终止温度太低，又可能使原丝得不到充分的预氧化。再者，以加热的方式进行预氧化反应时，随着预氧化反应的进行，由于热是由原丝的外层往内层传递，因此会先在原丝的外层形成了致密梯形结构的氧化层(皮部)，这反而阻碍了氧向原丝内层的芯部扩散，造成如图1所示的一氧化纤维10当中的一纤维11产生氧化的一氧化层111(皮部)和尚未氧化的一芯部112明显差异的一皮芯结构，该氧化层111与该芯部112之间存在一皮芯界面113。该皮芯结构的检验利用扫描式电子显微镜(SEM，ScanningElectronMicroscope)拍摄实体影像图以观测该氧化纤维的断面并分别计算该氧化层的断面面积与该芯部的断面面积以及该氧化纤维的断面面积，该皮芯结构的程度鉴定法为芯部比率(％)等于该芯部的断面面积除以该氧化层的断面面积与该芯部的断面面积之和，亦即芯部比率(％)等于该芯部的断面面积除以该氧化纤维的断面面积。另外，该氧化纤维10及其所制成的碳纤维的物性，例如拉伸强度及拉伸模数，还取决于该氧化纤维10或氧化层111的氧化程度及环化程度；该氧化纤维10或氧化层111的氧化程度及环化程度愈高则该氧化纤维10所制成的碳纤维的拉伸强度及拉伸模数也愈高。该氧化层111呈氧化状态所以结构致密并导致所制成的碳纤维的高拉伸强度及高拉伸模数，该芯部112呈氧化不完全或未氧化状态所以结构松散并导致所制成的碳纤维的低拉伸强度及低拉伸模数，因此该氧化层111与该芯部112的氧化程度不一致所导致的该皮芯结构即是导致碳纤维抗拉强度降低的主要原因之一。因此，在预氧化反应过程中如何缩短预氧化时间，以及如何提高预氧化程度同时降低甚至消除皮芯结构，对碳纤维生产成本的降低以及性能(拉伸强度及拉伸模数)的提高具有十分重要的意义。技术实现要素：本实用新型所解决的技术问题即在提供一种可以有效缩短氧化纤维的氧化时间，且有效降低氧化纤维的皮芯结构，甚至让氧化纤维达到无明显皮芯结构的纤维预氧化设备。本实用新型所采用的技术手段如下所述。本实用新型的纤维预氧化设备，适用于将一纤维纱束预氧化为一氧化纤维纱束，该纤维纱束由一纤维或复数个该纤维集结成束所构成，该氧化纤维纱束由一氧化纤维或复数个该氧化纤维集结成束所构成，该纤维预氧化设备基本上包括有：一传送单元，设有提供一纤维纱束的一供料机组、供该纤维纱束通过并将该纤维纱束预氧化为该氧化纤维纱束的一炉体、拖曳该纤维纱束连续传送及将该氧化纤维纱束收取的一收卷机组；以及，一微波处理单元，设置于该炉体处以对该炉体的内部产生一微波。依据上述结构特征，该微波处理单元于该炉体处设有供产生该微波的一磁控管。依据上述结构特征，该微波处理单元更设有供将一含氧气体通入该炉体的一供气机组。依据上述结构特征，该炉体更包含一进气口及一出气口，该供气机组与该该进气口连接。依据上述结构特征，该炉体更包含一保温单元。依据上述结构特征，该炉体内部相对于该纤维纱束传送路径的上、下位置处，分别设有该保温单元。依据上述结构特征，该炉体内部设有相对将该纤维纱束的传送路径包围的该保温单元。依据上述结构特征，该收卷机组、该磁控管及该供气机组与一控制单元电气连接。依据上述结构特征，该微波处理单元于该炉体处设有供产生该微波的复数个该磁控管。依据上述结构特征，复数个该磁控管设于该炉体的单侧。依据上述结构特征，复数个该磁控管设于该炉体的上下两侧呈相对排列。依据上述结构特征，复数个该磁控管设于该炉体的上下两侧呈错位排列。依据上述结构特征，复数个该磁控管设于该炉体的上下两侧及左右两侧。依据上述结构特征，该纤维纱束为聚丙烯腈(PAN)纤维、沥青纤维或其他有机纤维其中之一。本实用新型所产生的技术效果：本实用新型所揭露的纤维预氧化设备，主要利用微波处理单元的微波聚焦对纤维纱束施以超高速预氧化处理，将纤维纱束加工成为氧化纤维，不但可以有效缩减氧化纤维的氧化时间，且氧化纤维当中的氧化层至少占该氧化纤维的断面面积50％以上，有效降低氧化纤维的皮芯结构；当氧化纤维当中的氧化层占该氧化纤维的断面面积至少80％以上时，甚至可让氧化纤维达到无明显皮芯结构。因此，本实用新型以相对更为积极、可靠的手段提升碳纤维性能。附图说明图1为习知氧化纤维的皮芯结构示意图。图2为本实用新型纤维预氧化设备结构示意图。图3为本实用新型的炉体结构示意图。图4为运用本实用新型纤维预氧化设备的氧化纤维制造方法的基本流程图。图5为分别以12kW/m2、16kW/m2、20kW/m2、24kW/m2的微波聚焦处理于纤维纱束与传统以加热制程作用于纤维纱束的氧化纤维氧化程度曲线图。图6为以24kW/m2的微波聚焦处理于纤维纱束经过2分钟、4分钟、5分钟、10分钟、15分钟的氧化纤维的环化程度曲线图。图7为以24kW/m2的微波聚焦处理于纤维纱束5分钟所制造而成的氧化纤维纱束当中的氧化纤维断面实体影像图。图8为以24kW/m2的微波聚焦处理于纤维纱束10分钟所制造而成的氧化纤维纱束当中的氧化纤维断面实体影像图。图9为以24kW/m2的微波聚焦处理于纤维纱束15分钟所制造而成的氧化纤维纱束当中的氧化纤维断面实体影像图。图10为本实用新型的氧化纤维结构示意图。图号说明：先前技术10氧化纤维11纤维111氧化层112芯部113皮芯界面本实用新型20纤维纱束20A氧化纤维纱束21氧化纤维211氧化层212芯部30传送单元31供料机组32收卷机组33炉体331进气口332出气口34保温单元40微波处理单元41磁控管42供气机组50控制单元。具体实施方式本实用新型主要提供一种可以有效缩短氧化纤维的氧化时间，且有效降低氧化纤维皮芯结构，甚至让氧化纤维达到无明显皮芯结构的纤维预氧化设备。请同时参阅图2及图3。如图2所示，本实用新型的纤维预氧化设备，适用于将一纤维纱束20预氧化为一氧化纤维纱束20A，该纤维纱束20由一纤维(图未绘出)或复数个该纤维集结成束所构成，该氧化纤维纱束20A由一氧化纤维21或复数个该氧化纤维21集结成束所构成，该纤维预氧化设备包括有：一传送单元30，设有提供一纤维纱束20的一供料机组31、供该纤维纱束20通过并将该纤维纱束20预氧化为该氧化纤维纱束20A的一炉体33、拖曳该纤维纱束20连续传送及将该氧化纤维纱束20A收取的一收卷机组32、设于该炉体33的前端的一进气口331及设于该炉体33的后端的一出气口332；以及，一微波处理单元40，于该炉体33处设有供产生一微波的至少一磁控管41，以及设有供将一含氧气体通入该炉体33的一供气机组42；该供气机组42与该炉体33的该进气口331连接，该含氧气体由该进气口331进入该炉体33并由该炉体33的该出气口332排出。该收卷机组32、该磁控管41及该供气机组42可与一控制单元50电气连接。可由该控制单元50控制该收卷机组32、该磁控管41及该供气机组42运作与否，并可依照所加工的该纤维纱束20特性或产品规格设定该收卷机组32的转速、该磁控管41的功率以及该供气机组42的流量等运作参数。较佳地，该微波处理单元40于该炉体33处设有复数个该磁控管41；复数个该磁控管41设于该炉体33的上下两侧呈相对或错位排列，或者复数个该磁控管41设于该炉体33的单侧(上侧或下侧)，如图2的复数个该磁控管41设于该炉体33的上下两侧并呈上下相对的排列方式。最佳地，如图3所示的复数个该磁控管41呈上下相对的排列方式，如此可对通过该炉体33的该纤维纱束20的上半部及下半部同时均匀地以微波照射处理，因此得以更缩短该炉体33的长度并因而缩短制程时间且加快生产速度。本实用新型在该传送单元30可进一步于该炉体33内部设有一保温单元34，如图2所示，可利用该保温单元34的蓄热效果，令该炉体33内部保持在预先设定的工作温度，以及达到节省能源的目的。本实用新型于实施时，该传送单元30可如图2所示，于该炉体33内部相对于该纤维纱束20传送路径的上、下位置处，分别设有该保温单元34；或者如图3所示，于该炉体33内部设有相对将该纤维纱束20的传送路径包围的该保温单元34，藉以让该纤维纱束20均匀受热。在上揭各种可能实施的样态下，该保温单元34可以选择为金属氧化物、碳化物、微波高感应材料其中之一或其组合。于图3中，该供料机组31提供彼此平行排列的复数个该纤维纱束20进入该炉体33。本实用新型于实施时，该微波处理单元40可如图2所示，在相对于该纤维纱束20传送路径的上、下位置处，分别设有该磁控管41；或者，该微波处理单元40设有相对将该纤维纱束20的传送路径围绕的复数个该磁控管41，藉以让该纤维纱束20均匀接受微波聚焦处理。亦即复数个该磁控管41设于该炉体33的上下两侧及左右两侧。于实施时，藉由前述该纤维预氧化设备进行一氧化纤维制造方法以有效缩短氧化纤维的氧化时间，且有效降低氧化纤维皮芯结构，甚至让氧化纤维达到无明显皮芯结构。该氧化纤维制造方法，请一并参阅图4所示，基本上包括下列步骤：a.提供该传送单元30及该微波处理单元40。b.提供该纤维纱束20，并将该纤维纱束20安置于该传送单元30，并使该传送单元30能够带动该纤维纱束20通过该微波处理单元40。例如将成卷的该纤维纱束20，以可由该传送单元30带动连续通过该微波处理单元40作业区域的型态安装于该传送单元30处；在实施例中，将成卷的该纤维纱束20置放于该供料机组31，且将该纤维纱束20的尾端引导通过该炉体33并固定于该收卷机组32；该纤维纱束20，可以为聚丙烯腈(PAN)、沥青或其他有机纤维其中之一。c.启动该微波处理单元40，由该微波处理单元40产生一微波条件，该微波条件包含：一微波频率，该微波频率介于300～300,000MHz；一微波功率，该微波功率介于1～1000kW/m2；一工作温度，该工作温度介于100～600℃；以及，一气体气氛，该气体气氛为氧气、空气、臭氧其中之一或其混合，该气体气氛为前述的该含氧气体。在本实施例中，同时由该供气机组42将该含氧气体通入该炉体33内部。d.启动该传送单元30，由该传送单元30带动该纤维纱束20于该微波条件之下持续一处理时间，使该纤维纱束20成为该氧化纤维纱束20A。例如由该传送单元30带动该纤维纱束20持续接受微波聚焦处理1～40分钟的速度通过该微波处理单元40作业区域成为一氧化纤维纱束20A，该处理时间介于1～40分钟。在本实施例中，由该传送单元30带动该纤维纱束20持续接受该微波处理单元40的微波聚焦处理1～40分钟的速度通过该炉体33成为该氧化纤维纱束20A。另外，该纤维纱束20可于该炉体33内以一叠绕方式持续接受该微波处理单元40的微波聚焦处理1～40分钟的速度通过该炉体33成为该氧化纤维纱束20A，例如，该纤维纱束20于该炉体33的前端进入该炉体33内并被传送到该炉体33的后端，再由该炉体33的后端被传送到该炉体33的前端，再接着再度从该炉体33的前端被传送到该炉体33的后端，依此方式重复叠绕直到依需求而从该炉体33的后端被传送出成为该氧化纤维纱束20A。采用该叠绕方式能够有效缩短该炉体33的所需长度。据以，可在该传送单元30的运作下，带动该纤维纱束20依照预先设定的速度通过该微波处理单元40的作业区域，在该纤维纱束20通过该微波处理单元40作业区域的过程中，利用微波聚焦对连续通过该炉体33的该纤维纱束20施以超高速预氧化处理，将该纤维纱束20加工成为该氧化纤维纱束20A。该纤维纱束20由该纤维或复数个该纤维集结成束所构成，该氧化纤维纱束20A由该氧化纤维21或复数个该氧化纤维21集结成束所构成，运用本实用新型纤维预氧化设备，将该纤维纱束20的该纤维预氧化为该氧化纤维21。请同时配合参照图5所示，分别实施以无微波、微波功率12kW/m2、微波功率16kW/m2、微波功率20kW/m2、微波功率24kW/m2的微波聚焦处理于该纤维纱束20，可确实得到以微波功率24kW/m2的微波聚焦处理于该纤维纱束20经过10分钟后，即可让该氧化纤维纱束20A当中的该氧化纤维21的氧化程度达到100％，与该纤维纱束20相对应地，该氧化纤维纱束20A由单根该氧化纤维21或复数个该氧化纤维21集结成束所构成。同样地，以微波功率20kW/m2的微波聚焦处理于该纤维纱束20经过15分钟后，即可让该氧化纤维纱束20A当中的该氧化纤维21的氧化程度达到100％；以微波功率16kW/m2的微波聚焦处理于该纤维纱束20经过25分钟后，即可让该氧化纤维纱束20A当中的该氧化纤维21的氧化程度达到100％。而即使仅以微波功率12kW/m2的微波聚焦处理于该纤维纱束20经过40分钟后，即使无法让该氧化纤维纱束20A当中的该氧化纤维21的氧化程度达到100％，但也可使该氧化纤维21的氧化程度达到89％。而若仅以传统加热制程而以270℃对该纤维纱束20加热经过40分钟的无微波制程，则该氧化纤维21的氧化程度最多只达到70％。因此，运用本实用新型所提出的施以微波制程与传统加热制程相比，本实用新型能有效地提高该氧化纤维21的氧化程度且缩短制程时间，尤其以微波功率24kW/m2的微波聚焦处理于该纤维纱束20进行10分钟以达到100％氧化程度的该氧化纤维21，为进行氧化阶段的最佳制程条件。请同时配合参照图6所示，以微波功率24kW/m2的微波聚焦处理于该纤维纱束20，分别处理2分钟、4分钟、5分钟、10分钟及15分钟并检验所形成的该氧化纤维21的环化程度，该氧化纤维21经过5分钟后的环化程度即达100％，因此环化程度达100％的所需时间5分钟少于氧化程度所需的时间10分钟。请同时配合参照图7、图8及图9所示，分别以24kW/m2的微波聚焦处理于该纤维纱束20分别进行5分钟、10分钟及15分钟所制造而成的该氧化纤维纱束20A当中的该氧化纤维21的断面以扫描式电子显微镜(SEM，ScanningElectronMicroscope)拍摄实体影像图，发现该氧化层211占该氧化纤维21的99.0％以上或该氧化层211的断面面积占该氧化纤维21的断面面积为99.0％以上，且并无明显的皮芯结构。请同时配合参照表一及表二所示，表一为以电热管加热方式的传统制程及使用本实用新型纤维预氧化设备的氧化纤维制造方法的微波制程，测得该纤维纱束20、该氧化纤维纱束20A及其后续碳化制成的碳纤维纱束的拉伸强度比较表；表二为以电热管加热方式的传统制程及使用本实用新型纤维预氧化设备的氧化纤维制造方法的微波制程，测得该纤维纱束20、该氧化纤维纱束20A及其后续碳化制成的碳纤维纱束的拉伸模数比较表。前述以电热管加热方式的传统制程，其制程条件为该炉体温度270℃，处理时间为40分钟，所得出的物性结果列为“比较例一”；前述本实用新型的微波制程，其制程条件为该炉体的温度220℃，微波频率2450MHz，微波功率24kW/m2，处理时间为10分钟，所得出的物性结果列为“实施例一”。于比较例一及实施例一中的该纤维纱束20使用聚丙烯腈所制成。表一：拉伸强度(MPa)纤维纱束氧化纤维纱束碳纤维纱束比较例一8652212824实施例一8651643675从表一中显示实施例一的微波制程所制成的氧化纤维纱束，其最终碳化后的碳纤维纱束的拉伸强度是比较例一的1.3倍(3675除以2824)，亦即拉伸强度提高30％。微波制程因能让PAN氧化更为完全，所以微波制程的该氧化纤维纱束强度略低于传统电热管制程的该氧化纤维纱束强度，此为本实用新型的微波制程更能够让该纤维纱束提高氧化程度的另一证据。表二：拉伸模数(GPa)纤维纱束氧化纤维纱束碳纤维纱束比较例一8.826.03194.4实施例一8.826.92227.1从表二中显示实施例一的微波制程所制成的氧化纤维纱束，其最终碳化后的碳纤维纱束的拉伸模数是比较例一的1.17倍(227.1除以194.4)，亦即拉伸模数提高17％。至此，本实用新型与传统加热制程作用于该纤维纱束的该氧化纤维纱束相较，运用本实用新型能将传统加热制程所需的40分钟缩短为10分钟，因此制程效率提高3倍，节省了制程的时间；与传统加热制程相较，本实用新型亦将碳纤维纱束的拉伸强度提高30％及拉伸模数提高17％；与传统加热制程相较，本实用新型亦将该氧化纤维纱束20A当中的该氧化纤维21的该氧化层211的断面面积占该氧化纤维21的断面面积为99.0％以上，使其无明显的皮芯结构，使得该氧化纤维纱束20A的断面更趋向均匀一致，故能将碳纤维纱束的拉伸强度及拉伸模数提高。故运用本实用新型能够以相对更为积极、可靠的手段提升碳纤维性能。运用本实用新型于实施时，以24kW/m2的微波聚焦处理于该些纤维纱束5～10分钟的实施样态呈现为佳。是以本实用新型可适用于该纤维纱束20通过该炉体33后不经该收卷机组32卷取而是接续碳化制程以连续生产方式生产碳纤维纱束，或适用于成卷的该纤维纱束20以该供料机组31卷出并以该收卷机组32卷取的生产方式。请再度参照图5，如前所述以微波功率12kW/m2的微波聚焦处理于220℃对该纤维纱束20经过40分钟后，该氧化纤维21的氧化程度达到89％；而以传统加热制程而以270℃对该纤维纱束20加热经过40分钟的无微波制程，则该氧化纤维21的氧化程度达到70％。因此本实用新型相较于传统加热制程而言，能够以较低的温度便可达到更高的氧化程度，故可避免浪费热能。请同时配合参照表三所示，表三为以电热管加热方式的传统制程及使用本实用新型的微波制程，测得该纤维纱束20、该氧化纤维纱束20A及其后续碳化制成的碳纤维纱束的拉伸强度比较表。前述以电热管加热方式的传统制程，其制程条件为该炉体温度270℃，处理时间为40分钟，所得出的物性结果列为“比较例一”；前述使用本实用新型的微波制程，其制程条件为该炉体温度220℃，微波频率2450MHz，微波功率12kW/m2，处理时间为40分钟，当微波功率为22kW/m2所得出的物性结果列为“实施例二”、当微波功率为20kW/m2所得出的物性结果列为“实施例三”、当微波功率为16kW/m2所得出的物性结果列为“实施例四”、当微波功率为15kW/m2所得出的物性结果列为“实施例五”。于比较例一及所有实施例中的该纤维纱束20使用聚丙烯腈所制成。另外，将比较例一及各别实施例的该氧化纤维纱束20A当中的该氧化纤维21的断面以扫描式电子显微镜(SEM，ScanningElectronMicroscope)拍摄实体影像图，经计算后该氧化层211的断面面积除以该氧化纤维21的断面面积，亦即该氧化层211占该氧化纤维21的比率，列于表三。表三：从表三中显示实施例五运用本实用新型的微波制程所制成的氧化纤维纱束，其最终碳化后的碳纤维纱束的拉伸强度是比较例一的1.13倍，亦即拉伸强度提高13％，该氧化层211的断面面积除以该氧化纤维21的断面面积为51.2％，亦即该氧化层211占该氧化纤维21的51.2％；实施例四运用本实用新型的微波制程所制成的氧化纤维纱束，其最终碳化后的碳纤维纱束的拉伸强度是比较例一的1.17倍，亦即拉伸强度提高17％，该氧化层211的断面面积除以该氧化纤维21的断面面积为61.5％，亦即该氧化层211占该氧化纤维21的61.5％；实施例三运用本实用新型的微波制程所制成的氧化纤维纱束，其最终碳化后的碳纤维纱束的拉伸强度是比较例一的1.23倍，亦即拉伸强度提高23％，该氧化层211的断面面积除以该氧化纤维21的断面面积为82.7％，亦即该氧化层211占该氧化纤维21的82.7％；实施例二运用本实用新型的微波制程所制成的氧化纤维纱束，其最终碳化后的碳纤维纱束的拉伸强度是比较例一的1.27倍，亦即拉伸强度提高27％，该氧化层211的断面面积除以该氧化纤维21的断面面积为91.3％，亦即该氧化层211占该氧化纤维21的91.3％；实施例一运用本实用新型的微波制程所制成的氧化纤维纱束，其最终碳化后的碳纤维纱束的拉伸强度是比较例一的1.3倍，亦即拉伸强度提高30％，该氧化层211的断面面积除以该氧化纤维21的断面面积为99.0％，亦即该氧化层211占该氧化纤维21的99.0％。因此，使用本实用新型所生产的该氧化纤维21，该氧化纤维21包含该氧化层211及一芯部212，该氧化层211包覆于该芯部212的外侧，其中，该氧化层211占该氧化纤维21的至少50％以上，或该氧化层211的断面面积占该氧化纤维21的断面面积为至少50％以上。如图10所示，该氧化层211占该氧化纤维21的至少80％以上，或该氧化层211的断面面积占该氧化纤维21的断面面积为至少80％以上。当然，本实用新型揭露的该氧化纤维21，由于该氧化层211于该微波条件下所形成，因此该氧化层211为一微波氧化层，且该氧化纤维纱束20A当中的该氧化纤维21的该氧化层211占该氧化纤维21的至少50％以上。于实施时，该纤维纱束20，可以为聚丙烯腈(PAN)、沥青或其他有机纤维其中之一。当然，该氧化纤维经过24kW/m2的微波作用于该纤维纱束20经过10分钟的微波聚焦处理后，该氧化纤维纱束20A当中的该氧化纤维21的该氧化层211占该氧化纤维21的99.0％，或该氧化层211的断面面积占该氧化纤维21的断面面积为99.0％。与传统习用技术相较，运用本实用新型纤维预氧化设备，主要利用微波处理单元的微波聚焦对纤维纱束施以超高速预氧化处理，将纤维纱束加工成为氧化纤维纱束，不但可以有效缩减氧化纤维纱束的氧化时间，且氧化纤维纱束当中的氧化纤维经微波聚焦氧化处理的氧化层至少占该氧化纤维的断面面积50％以上，有效降低氧化纤维皮芯结构，甚至可让氧化纤维达到无明显皮芯结构，以相对更为积极、可靠的手段提升碳纤维性能。当前第1页1 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