一种微波加热碳纤维原丝退火-预氧化处理设备的制作方法

本实用新型属于碳纤维制备技术领域，涉及碳纤维的预氧化技术，特别是涉及一种有助于提高碳纤维性能的微波加热碳纤维原丝退火-预氧化处理设备。

背景技术：

沥青基碳纤维通常是由煤焦油沥青或者石油沥青借助热缩聚工艺，通过纺丝、预氧化、炭化处理得到的具有一定拉伸强度和弹性模量的碳纤维，通常情况下碳纤维中碳含量高达95％以上，尤其石墨化处理后碳含量可达到99％。由于其出色的耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗辐射、高导电和传热性，在航天航空和国防军事等尖端领域和高级体育用品、医疗器械等民用行业得到广泛应用。但是碳纤维制备过程工艺复杂，尤其是预氧化处理不但耗时耗力，还极容易产生纤维内外结构不均一(皮芯结构)的情况，使得纤维的性能受到很大程度的影响，因此如何提高纤维的预氧化速率和质量成为制约沥青基碳纤维发展的关键。

沥青基碳纤维预氧化处理主要是为了使纤维由热塑性转化为热固性，在后续的炭化、石墨化处理过程中不出现熔融现象，在这一过程中通常是利用氧气与纤维中的活性组分反应，形成含氧的交联结构，同时产生小分子气体，达到不熔的目的。对于传统的预氧化炉来说，主要采用电炉丝加热产生热量，借助氧化性气氛达到纤维预氧化的目的，在这个过程中纤维主要通过热传导和热辐射的方式进行加热，由于氧化炉腔较大，各部位温度不一，很容易产生热对流现象，在一定程度上加剧了炉内温度的不均匀性，再加上沥青基碳纤维原丝强度比较低，使得这一过程极易出现断丝现象，并且传统加热方式热量是从纤维表面向内部扩散的，这样极易使纤维出现皮芯结构，同时传统的单边通气方式使得氧气在炉内分布不均，并且预氧化过程中产生的气体容易在炉内富集。

微波加热具有热量均匀、快速节能和即时调节等特点，应用于碳纤维预氧化过程中具有明显的优势，成为研究热点。专利cn2018201826003公开了一种纤维预氧化设备，利用微波聚焦对连续通过的一纤维纱束施以超高速预氧化过程，快速且有效降低了氧化纤维的皮芯结构。专利cn2018206432002公开了一种微波加热聚丙烯腈预氧化装置，聚丙烯腈通过牵引机构水平移动并依次穿过三个微波炉，滴定漏斗内装有氧化剂，实现了梯度升温的预氧化处理。但现有的微波预氧化装置大多只适用于聚丙烯腈碳纤维，沥青基碳纤维的微波加热装置还未见报道，而原料不同对制备碳纤维所需设备的要求截然不同。

此外，在纺丝过程中，由于可纺沥青的独特性能使得纺丝过程只存在一次牵伸的机会，喷丝板处的剪切作用再加上快速牵伸使得纤维内部大分子之间存在较大的作用应力，如果直接预氧化处理很可能使得最终所得碳纤维内部出现较多的微观缺陷。因此，设计一种适用于沥青基碳纤维的微波加热装置，以提高纤维的预氧化速率和质量具有十分重要的现实和经济意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种有助于提高碳纤维性能的微波加热碳纤维原丝退火-预氧化处理设备，该设备采用微波加热并在预氧化前增加了纤维退火处理装置，提高了加热效率和能量利用率，大大缩短了碳纤维原丝预氧化所需的时间，制得的碳纤维形貌完美、结构均匀，几乎无明显的皮芯结构。

本实用新型通过以下技术方案实现：

微波加热碳纤维原丝退火-预氧化处理设备，主要包括退火处理微波炉、预氧化微波炉，所述退火处理微波炉和预氧化微波炉内分别设有沿炉腔轴向水平放置的载体管和气体分布装置，垂直于轴向的热电偶和通气管路。

所述载体管的上下表面均匀开有用于气体进入炉腔内部的孔洞，气体分布装置置于载体管上下两侧，使炉腔内的气氛均匀分布，热电偶的末端高度处于载体管腔体中间部位，另一端与控制器连接，通过调节控制器改变炉内温度；通气管路入口处装有流量调节阀，控制气体流量。

碳纤维原丝通过牵引组件依次通过退火处理微波炉和预氧化微波炉；所述牵引组件为外接动力装置的滚动轮。

优选的，在退火处理微波炉的入口处和预氧化微波炉的出口处分别设有一个滚动轮，两个微波炉之间设有三个及以上的滚动轮。

优选的，所述牵引组件中的滚动轮带有扭力传感器，可根据纤维牵伸需求设定牵伸力的大小；优选牵伸力为0.04mpa。

优选的，所述载体管为矩形石英载体管，石英材质可以有效的防止炉膛内壁的保温材料产生的粉末污染纤维。

炉内可通气氛包括氧气、臭氧、空气等具有氧化作用的气体以及氮气、氩气、氦气等惰性气体。优选的，退火处理微波炉内通入惰性气体，温度设置为200℃；预氧化微波炉内通入具有氧化作用的气体，设置温度范围为100～300℃。

进一步，作为本实用新型优选的技术方案，所述退火处理微波炉为单腔室，所述预氧化微波炉内通过设置隔热挡板将其分为多个腔室，每个腔室单独设有热电偶和通气管路，且每个腔室的微波发生器单独调控，满足不同阶段预氧化温度的需求。

优选的，所述预氧化微波炉具有三个腔室，从左到右每个腔室的温度分别为100℃、200℃、300℃。

用于该设备处理的碳纤维原丝是沥青基碳纤维原丝、聚丙烯腈基碳纤维原丝、粘胶基碳纤维原丝。

该微波加热碳纤维原丝退火-预氧化处理设备的工作过程为：

碳纤维原丝通过退火处理微波炉入口处的滚动轮先进入特定温度、特定气氛的退火处理微波炉内进行退火处理，然后通过滚动轮进入多腔室预氧化微波炉，预氧化微波炉的每个腔室都保持氧化性气氛，但是温度从左到右依次升高，最后经过退火-预氧化后的碳纤维原丝通过滚动轮从出丝口出来，在本装置连续运行的情况下，不断的有原丝进入微波炉内进行退火-预氧化处理。

本实用新型中，碳纤维原丝首先进入退火处理微波炉进行退火处理，消除纤维内部存在的大分子片层之间因扭曲、剪切、牵伸而产生的分子间应力，使纤维在随后的预氧化处理过程中易于氧分子的扩散，降低纤维皮芯结构产生的几率，特别是对于中间相沥青基碳纤维来说，退火处理不仅消除分子间的应力，还增大分子片层的堆叠高度，使得微观纤维束的取向性更强；经过退火处理后的纤维在牵引组件的作用下依次通过功率不同的预氧化微波炉，由于微波的辐射强度不同，使得炉内温度产生阶梯性变化，另外预氧化属于分子扩散控制过程，如果升温太快，可能引起大分子发生裂解反应，从而造成纤维出现孔洞结构，同时升温太快还会使得纤维表面发生过度氧化形成一层致密的氧化层，阻止氧分子向其内部扩散，使得纤维出现皮芯结构，而多腔室预氧化微波炉，通过调控微波强度，可以很好的控制纤维的升温速率，达到理想的预氧化程度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：该设备结构紧凑，原理可靠，易于操作；采用微波加热的方式充分利用了微波加热均匀、速度快、瞬时可控的优点，克服了传统预氧化炉的诸多不足；依次设置有退火处理和预氧化处理两个微波炉，提高了加热效率和能量利用率，大大缩短了碳纤维原丝预氧化所需的时间；首先将碳纤维原丝退火处理，可以很好地消除纤维内部分子间的作用应力，易于氧分子的扩散，消除皮芯结构，还增强了微观纤维束的取向性，利于纤维后续充分、均匀的预氧化处理，同时避免了直接预氧化带来的碳纤维内部微观缺陷的出现；预氧化微波炉采用多腔室设计，实现预氧化温度和气氛的独立调节可满足不同阶段的预氧化需求，炉内温度和升温速率随着纤维氧化过程产生阶梯性变化，有助于消除纤维预氧化不均匀的问题；并且，气体分布装置使炉腔内的气氛均匀分布，牵引组件设有的扭力传感器方便灵活调节纤维牵伸张力的大小，制得的碳纤维形貌完美、结构均匀，几乎无明显的皮芯结构，为获得高强度的沥青基碳纤维打下坚实基础。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型的一种实施方式的结构示意图，

图中：1-热电偶，2-通气管路，3-退火处理微波炉，4-气体分布装置，5-载体管，6-碳纤维原丝，7-微波炉入口处滚动轮，8,9,10-滚动轮，11-微波炉出口处的滚动轮，12-预氧化微波炉，13-隔热挡板。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本实用新型的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

本实施例提供一种微波加热碳纤维原丝退火-预氧化处理设备，包括退火处理微波炉(3)、预氧化微波炉(12)和分别设置在两个微波炉内的矩形石英载体管(5)、气体分布装置(4)、热电偶(1)和通气管路(2)；矩形石英载体管(5)的上下表面均匀开有孔洞，方便气体进入炉腔内部；气体分布装置(4)采用上下分布，置于载体管(5)上下两侧，使炉腔内的气氛均匀分布，通气管路(2)入口处装有气体流量调节阀，使得微波炉内气氛保持均匀稳定；热电偶(1)从微波炉顶部插入至载体管(5)内部，末端高度处于载体管(5)腔体中间部位，另一端与控制器连接，通过调节控制器改变炉内温度；滚动轮(7)、(11)分别设在退火处理微波炉(3)的入口处和预氧化微波炉(12)的出口处，两个微波炉之间设有三个滚动轮(8)、(9)、(10)；牵引组件中的滚动轮(7)、(8)、(9)、(10)、(11)均外接动力装置，其中滚动轮(7)、(8)、(10)、(11)均接有扭力传感器，可根据纤维牵伸需求设定牵伸力的大小；

将退火处理微波炉(3)升温至200℃，通入氮气并保持气体流量稳定，预氧化处理微波炉(12)腔室升温至200℃，炉腔内通入压缩空气并保持气流稳定，调节牵引组件的转速，使纤维保持一定的牵伸力0.04mpa，同时将沥青基碳纤维原丝通过牵引组件依次通过退火处理微波炉和预氧化微波炉，进行炭化处理，得到的碳纤维中孔洞结构和皮芯结构较少，少许原丝发生断裂，说明经过退火-预氧化处理实现连续加热，得到的原丝中微观纤维束的取向性较强，径向较均匀，内部微观缺陷较少，体密度较高，为获得高性能碳纤维奠定基础。

实施例2

如图1所示，本实施例提供一种多腔室微波加热碳纤维原丝退火-预氧化处理设备，包括退火处理微波炉(3)、多腔室预氧化微波炉(12)和分别设置在两个微波炉内的矩形石英载体管(5)、气体分布装置(4)、热电偶(1)和通气管路(2)；矩形石英载体管(5)的上下表面均匀开有孔洞，方便气体进入炉腔内部；气体分布装置(4)采用上下分布，置于载体管(5)上下两侧，使炉腔内的气氛均匀分布，通气管路(2)入口处装有气体流量调节阀，使得微波炉内气氛保持均匀稳定；热电偶(1)从微波炉顶部插入至载体管(5)内部，末端高度处于载体管(5)腔体中间部位，另一端与控制器连接，通过调节控制器改变炉内温度；滚动轮(7)、(11)分别设在退火处理微波炉(3)的入口处和预氧化微波炉(12)的出口处，两个微波炉之间设有三个滚动轮(8)、(9)、(10)；牵引组件中的滚动轮(7)、(8)、(9)、(10)、(11)均外接动力装置，其中滚动轮(7)、(8)、(10)、(11)均接有扭力传感器，可根据纤维牵伸需求设定牵伸力的大小；

多腔室预氧化微波炉内设有隔热挡板(13)将其分为三个腔室，每个腔室单独设有热电偶和通气管路，每个腔室的微波发生器可以单独调控，满足不同阶段预氧化温度的需求；

将退火处理微波炉(3)升温至200℃，通入氮气，保持气体流量稳定，多腔室预氧化微波炉(12)从左到右每个腔室的温度分别为100℃、200℃、300℃，炉腔内通入压缩空气并保持气流稳定，调节牵引组件的转速，使纤维保持一定的牵伸力0.04mpa，同时将沥青基碳纤维原丝通过牵引组件依次通过退火处理微波炉(3)和多腔室预氧化微波炉(12)，进行炭化处理，得到的碳纤维中几乎消除了孔洞结构和皮芯结构，未发现原丝断裂，说明经过退火-多腔室预氧化处理实现连续加热和温度梯度变化，得到的原丝中微观纤维束的取向性更强，径向氧化更加均匀，避免了内部微观缺陷的出现，提高纤维体密度，为获得高性能碳纤维奠定基础。

对比例1

采用与实施例1相同的设备，不同之处在于将沥青基碳纤维原丝不经过退火处理，在相同的气氛下直接进行预氧化处理，发现纤维原丝不经过退火预处理，容易造成严重的孔洞结构和皮芯结构，且碳化中大部分发生断裂；说明沥青基碳纤维因其原料的特殊性不适合直接微波加热预氧化。

对比例2

采用与实施例2相同的设备，不同之处在于取消牵伸应力，炭化后发现纤维微晶的有序度严重下降，拉伸强度和弹性模量都较低。而本实用新型的牵引组件可以很好的改变预氧化过程中纤维受力的变化，使得微晶结构向有序方向发展，提高纤维体密度，为获得高性能碳纤维奠定基础。