碳纤维原丝预氧化装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种碳纤维原丝预氧化装置，主要解决预氧化装置复杂，占地面积大，温度均匀性及工艺可调性差的技术问题。本实用新型通过采用原丝预氧化装置，包括：收放丝及牵伸联合机和箱式预氧炉；其中所述收放丝及牵伸联合机包括箱体(2)、被动退丝辊(3)、主动收丝辊(4)、出口牵伸机组(5)、入口牵伸机组(6)，所述被动退丝辊(3)和主动收丝辊(4)分上下安装于箱体(2)的同侧，所述出口牵伸机组(5)和入口牵伸机组(6)分上下安装于箱体(2)的另一侧等；所述箱式预氧炉包括保温层(7)、炉腔(8)和导向辊(9)，炉腔(8)中设置水平加热通道的技术方案，较好的解决了上述技术问题，可应用在碳纤维工业化生产领域中。
【专利说明】
碳纤维原丝预氧化装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种碳纤维原丝预氧化装置，通过采用箱式预氧炉和收放丝及牵伸联合机并用的装置实现原丝的预氧化过程，属于碳纤维的制备技术领域。
【背景技术】
[0002]碳纤维具有低密度、高强度、高模量、高热导、耐高温、抗化学腐蚀、低线膨胀系数、低电阻、耐化学辐射等特点，被称为新材料之王。除用于高温绝热材料及除电刷之外，作为增强材料已广泛应用于航空、航天、体育休闲和一般工业等领域，在国防工业与国家战略需求等方面上更为重要。
[0003]聚丙烯腈基碳纤维生产工艺简单，且产品综合性能优良，故其产量已占到目前市场总量的90%以上。聚丙烯腈基碳纤维制备通常包括丙烯腈蒸馏、原丝纺制、预氧化、碳化及表面处理等一系列过程。预氧化作为耗时最长的工艺流程，在整个碳纤维制备和生产中承上启下，不仅主导纤维结构逐步形成、控制纤维机械和力学性能改进，而且对碳纤维产品高端走向、附加值快速增加等方面发挥着至关重要作用。具体而言，原丝在预氧化过程中发生复杂的物理和化学变化，该过程中传质和传热共同发生，纤维形成耐热梯形结构，以使其在之后的碳化过程中不熔不燃，并对最终碳纤维的结构和性能起到决定性的作用。
[0004]对碳纤维进行预氧化处理时，通常需要在预氧化炉的两侧设置牵伸装置，通过牵伸装置的调节，实现碳纤维在一定的张力条件下从预氧化炉中穿过，完成预氧化过程。现有的碳纤维牵伸装置是在一个具有单层加热通道的预氧化炉两侧各设置一组牵伸辊，并在牵伸辊的前后分别设置放丝装置和收丝装置，这样的结构使得整个生产线流程较长，设备占地面积较大，工艺调整幅度微小。即使放丝机、收丝机、牵伸机等进行一定程度的集成或组合，然后独立设置和发挥各自功效，也存在着诸多不足，如参数调整范围窄、产品性能提高上限低、无法进行高端碳纤维的研发。此外，预氧化还普遍存在温度均匀性差、工艺可调空间小，造成碳纤维性能差异大、批内和批间离散大，CV值居高不下等技术问题。
[0005]CN2251122Y提出一种外热式氧化炉，采用分体框架式加热器，炉体顶部的废气口和进气通过热交换，具有较明显的节能降耗效果;但对设备占地空间、碳纤维性能提高无明显益处。CN1676690A发明了一种原丝流态化预氧炉，具有升温速度快，温度稳定性好，预氧化时间短等特点;但很显然，对工艺参数调整灵活性没有任何帮助，不可能在该设备上开展较高性能碳纤维的开发。CN2913998Y发明了一种叠层式氧化炉，可减小占地面积，但双丝炉膛最多实现两层纤维的走丝、致使节省空间幅度有限。CN202704703发明了一种碳纤维原丝收丝装置，可实现氧化和碳化设备的连续工作，提高设备生产效率，同时也减少了对碳纤维质量的影响;但仅仅提供了一种新的收丝装置而已。
[0006]综上所述，前述方案虽然解决了预氧化和收放丝过程中的局部或部分问题，但尚未从减少设备空间、增加工艺调节幅度、提高纤维性能等方面给出较全面或系统的技术路线。因此，无论从减少设备占地空间、提高工艺操作弹性范围，以及利用多层往复走丝提高纤维受热均匀性、开展更高性能碳纤维的开发方面，先期发明或方案都具有局限性。若采用箱式、多层走丝预氧炉和收放丝及牵伸联合机并用的方法，来完成原丝的预氧化与工艺参数优化，不仅因设备集成、往复走丝可完全(根本)解决占地空间大的问题，也可望利用多层(I?8层)走丝数量调整实现氧化时间长短的灵活调节，还可利用数次氧化过程串联来完成任意数量的梯度温度，从而实现多途径(广度)、多参数(深度)、全面解决更高性能碳纤维的开发。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型所解决的技术问题是:提供一种碳纤维原丝预氧化装置，其特点在于采用箱式预氧炉和收放丝及牵伸联合机并用的方法实现原丝的预氧化过程，主要解决预氧化装置复杂，占地面积大，温度均匀性及工艺可调性差的技术问题。
[0008]为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下:一种原丝预氧化装置，包括:收放丝及牵伸联合机和箱式预氧炉；其中所述收放丝及牵伸联合机包括箱体2、被动退丝辊3、主动收丝辊4、出口牵伸机组5、入口牵伸机组6，所述被动退丝辊3和主动收丝辊4分上下安装于箱体2的同侧，所述出口牵伸机组5和入口牵伸机组6分上下安装于箱体2的另一侧，且出口牵伸机组5相对被动退丝辊3安装，入口牵伸机组6相对主动收丝辊4安装;所述箱式预氧炉包括保温层7、炉腔8和导向辊9，炉腔8中设置水平加热通道，导向辊9分别位于炉腔两侧与加热通道相对应，用于原丝往复过程中的导向。
[0009]上述技术方案中，所述出口牵伸机组5和入口牵伸机组6均优选由多个牵伸辊，分上下两行排列而成;所述出口牵伸机组5牵伸辊的安装位置优选与预氧化炉的加热通道的最上层相对应，所述入口牵伸机组5牵伸辊的安装位置优选与预氧化炉的加热通道的最下层位置相对应。
[0010]上述技术方案中，所述出口牵伸机组5和入口牵伸机组6分别优选包括3?11个牵伸辊，以连续自然数呈上下两行平行排列；所述出口牵伸机组5和入口牵伸机组6分别更优选为包括5个或7个牵伸辊。
[0011]上述技术方案中，所述动收丝辊的驱动电机优选采用变频器调速驱动，配置PLC控制器。
[0012]上述技术方案中，所述被动退丝辊3内优选设有弹簧，被动退丝辊旁边优选设有偏心轮，且被动退丝辊设有气动装置，可握持和放松筒管，被动退丝辊放丝出口装导丝张力器，调整张力，并固定丝束位置，且被动退丝辊配备磁粉阻尼器。
[0013]上述技术方案中，所述主动收丝辊4优选包含导丝往复槽轮机构，且由齿轮减速电机驱动，通过齿形同步皮带传动，齿轮减速电机含1024编码器，变频调速;主动收丝辊入口导丝轮处设有传感器。
[0014]上述技术方案中，所述出口牵伸机组5和入口牵伸机组6均优选由上四下三平行排列的牵伸辊构成;所述牵伸辊外镀硬铬，磨齿处理，脂润滑，配齿轮减速电机，含1024编码器，变频调速。
[0015]上述技术方案中，优选所有辊的表面光洁度Ra不高于0.2;所有轴的最大轴端跳动不高于0.02mm;保温层7优选采用高纯度硅酸铝针刺毯，外层采用装饰不锈钢板;炉腔8温度控制范围优选为150-300°C，单层有效加热区优选为1.5m-1.8m;炉胆截面和轴向温度均匀性优选均在±1.5°C之内。
[0016]上述技术方案中，所述箱式预氧炉炉膛顶部优选设置蜂窝状导流孔板，热风可以经其进入炉腔8起缓冲腔均压作用;炉膛下部优选均布抽风管道和孔板，孔板位于抽风管上方;缓冲后的热风穿过炉腔8内原丝经孔板可以均匀抽走，风速可调。
[0017]上述技术方案中，所述箱式预氧化炉的加热方式优选采用炉丝加热，炉丝为Ni80或同品质材料;控温方式为PID调节、周波过零控制。
[0018]上述技术方案中，原丝预氧化装置还优选包括收放丝及牵伸联合机机架I用于放置收放丝及牵伸联合机;还优选包括箱式预氧炉支架10用于放置箱式预氧炉。
[0019]在本实用新型的技术方案中，碳纤维经过牵伸机组进入预氧化炉，在往复穿越各层加热通道(同时绕过其端部的导向辊)，首尾连接形成一个闭合牵引回路，离开预氧化炉，并进入另一个牵伸机组。每组牵伸机组包括3?11个(奇数个)牵伸辊，以连续自然数呈上下两行排列，位于机架的同一侧，其中优选的，所述牵伸辊数量为5个或7个。主动收丝辊4与导丝往复槽轮机构为一个齿轮减速电机驱动，通过齿形同皮带传动，内有弹簧，旁边设有偏心轮，手柄拉上拉下，可握持和放松筒管。收丝机入口导丝轮处设有传感器，检测长度。齿轮减速电机含1024编码器，变频调速。当牵伸机组优选7个牵伸辊时，出口牵伸机组5为上四下三排列，导辊外镀硬铬。磨齿处理，脂润滑，配齿轮减速电机，含1024编码器，变频调速。入口牵伸机组6为上三下四排列，导辊外镀硬铬。磨齿处理，脂润滑，配齿轮减速电机，含1024编码器，变频调速。入口七辊、出口七辊、收丝装置的驱动电机采用变频器调速驱动，配置PLC控制器。炉腔8内热风沿纤维走向垂直送风，上部设缓冲腔均压，通过蜂窝状导流孔板均流进入反应区，下部均布抽风管道，气体通过孔板均匀抽走，风速可调。加热方式采用炉丝加热，炉丝为M80或同品质材料。控温方式为PID调节、周波过零控制，带有自整定、炉温超温报警、散热器超温报警等功能。
[0020]采用本实用新型的技术方案，原丝经退丝后进入箱式预氧炉，经过多层氧化后回到收放丝机，之后可调节炉温并重复此过程达到梯度氧化的效果，此过程中还可通过调节辊速和走丝道数达到改变处理时间的目的。最为特殊的是，经过上述系列工序(放丝、牵伸、预氧化、牵伸、收丝)，即完成从原丝到预氧丝的转变工作，也实现了采用实用新型所述的箱式预氧炉和收放丝及牵伸联合机完成原丝到预氧丝转变的过程。接下来经过低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆干燥，最后收丝，得到碳纤维。
[0021]采用本实用新型的装置，使得制备方法简单，通过采用箱式预氧炉和收放丝及牵伸联合机并用的方法实现原丝的预氧化过程，取得了较好的技术效果。
【附图说明】
[0022]图1为本实用新型所述原丝预氧化装置的示意图。
[0023]图1中，I为收放丝及牵伸联合机机架;2为箱体;3为被动退丝辊;4为主动收丝辊;5为出口牵伸机组;6为入口牵伸机组；7为保温层;8为炉腔;9为导向辊；10为箱式预氧炉支架。
[0024]采用图1所示装置，原丝通过被动退丝辊3放丝，经过入口牵伸机组6进入箱式预氧炉炉腔8，在炉腔8中至多可往复8层走丝，往复过程由导向辊9导向，之后经过出口牵伸机组5至主动收丝辊4收取预氧纤维。
[0025]下面通过实施例对本实用新型进行具体描述，但本实用新型不限于以下实施例。
【具体实施方式】
[0026]【实施例1】
[0027]在如图1所示的反应装置上，通过调节箱式预氧炉温度多次走丝实现2段梯度控温，温度分别为220°C，260°C，牵伸比为2%、-1%，每段温度处理时间均为30min，并采用常规纺丝和碳化工艺，测得纤维拉伸强度为3.24GPa，CV值为4.0%;模量为228GPa，CV值为3.5%。
[0028]采用两段梯度温控进行预氧化处理，通常情况下CV值普遍较高(》5% );由于采用本实用新型图示装置，经改善氧化炉的温度均匀性，即实现强度CV值(4%)、模量值CV(3.5%)的明显改善。
[0029]【实施例2】
[0030]在如图1所示的反应装置上，通过调节箱式预氧炉温度多次走丝实现6段梯度控温，温度分别为195°C，220°C，235°C，245°C，255°C，260°C，牵伸比为2%、l%、0、0、-0.5%、-l%，每段温度处理时间均为10min，并采用常规纺丝和碳化工艺，测得纤维拉伸强度为3.62GPa，CV值为3.1%；模量为241GPa，CV值为I.8 %。
[0031]在本实用新型图示装置上，灵活增加梯度控温数量(从前述实施例2段增加到本实施例6段)，在同等条件下，不仅强度和模量得到显著提高(分别增加约为12%和6%)，而且对应两者的CV值同样得到明显改善(分别降低约22%和50%，CV值越低说明数据重复性越好)。
[0032]【实施例3】
[0033]在如图1所示的反应装置上，通过调节箱式预氧炉温度多次走丝实现4段梯度控温，温度分别为200 °C，220 °C，245 °C，260 °C，牵伸比为2 %、2 %、O、-1 %，每段温度处理时间均为/15min，并采用常规纺丝和碳化工艺，测得纤维拉伸强度为3.45GPa，CV值为3.0 % ;模量为237GPa，CV值为2.7 %。
[0034]【实施例4】
[0035]在如图1所示的反应装置上，通过调节箱式预氧炉温度多次走丝实现8段梯度控温，温度分别为 185 °C，195 °C，215 °C，220 °C，235 °C，245 °C，255 °C，260 °C，牵伸比为2 %、2 %、1%、0、0、0、-1%、-1%，每段温度处理时间均为8!^11，并采用常规纺丝和碳化工艺，测得纤维拉伸强度为3.90GPa，CV值为2.9%；模量为257GPa，CV值为1.5 %。
[0036]经灵活调节梯度控温数量，可以大幅提高纤维各种性能:本实施例较2段梯度温控，其产品强度提高超过20%、模量提高约13%、CV值显著降低。
[0037]【比较例I】
[0038]选用非本实用新型装置如6温区的氧化炉组，最多只能进行6段控温，温度分别为195。(:，220。(:，235。(:，245。(:，255。(:，260。(:，牵伸比为2%、1%、0、0、-0.5%、-1%，每段温度处理时间均为lOmin，并采用常规纺丝和碳化工艺，测得纤维拉伸强度为3.55GPa，CV值为4.7%,模量为 235GPa，CV 值为 3.0 %。
[0039]采用上述6温区的氧化炉组，较本实用新型相应工艺的实施例2而言，碳纤维强度与模量的平均值相当，但两者的CV值相差非常明显(相差约50%);若上述氧化炉组采用与本实用新型图示相当大小的氧化炉，本比较例氧化炉占地面积约为本实用新型装置的6倍，可见本实用新型节省空间非常显著。
[0040]【比较例2】
[0041]选用4温区的氧化炉组，最多只能进行4段控温，温度分别为200°C，220°C，245°C，260°(:，牵伸比为2%、2%、0、-1%，每段温度处理时间均为1511^11，并采用常规纺丝和碳化工艺，测得纤维拉伸强度为3.4GPa，CV值为3.1% ,模量为228GPa，CV值为2.9 %。
[0042]以上实施例只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限定，本领域的技术人员根据本实用新型的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本实用新型的保护范围。本实用新型不局限于本实施例的应用，在实际应用中可使用多组牵伸机组(上面、下面平行列分别放置两组及以上)、多台氧化炉(含单层通道、多层通道)、或把收放丝及牵伸联合装置放置/安放于氧化炉的右侧(即右手侧示意)，且不限制单组牵伸辊的数量(虽然优选5个或7个，示意图为7个)。
[0043]显然，本实用新型的装置操作简单，占地面积小，温度均匀性高，采用本实用新型的装置进行氧化碳化，工艺可调性强，可获得高性能的碳纤维，具有较大的技术优势，可用于碳纤维的工业生产中。
【主权项】
1.一种原丝预氧化装置，包括:收放丝及牵伸联合机和箱式预氧炉;其中所述收放丝及牵伸联合机包括箱体(2)、被动退丝辊(3)、主动收丝辊(4)、出口牵伸机组(5)、入口牵伸机组(6)，所述被动退丝辊(3)和主动收丝辊(4)分上下安装于箱体(2)的同侧，所述出口牵伸机组(5)和入口牵伸机组(6)分上下安装于箱体(2)的另一侧，且出口牵伸机组(5)相对被动退丝辊(3)安装，入口牵伸机组(6)相对主动收丝辊(4)安装;所述箱式预氧炉包括保温层(7)、炉腔(8)和导向辊(9)，炉腔(8)中设置水平加热通道，导向辊(9)分别位于炉腔两侧与加热通道相对应，用于原丝往复过程中的导向。2.根据权利要求1所述的原丝预氧化装置，其特征在于，所述出口牵伸机组(5)和入口牵伸机组(6)均由多个牵伸辊，分上下两行排列而成;所述出口牵伸机组(5)牵伸辊的安装位置与预氧化炉的加热通道的最上层相对应，所述入口牵伸机组(5)牵伸辊的安装位置与预氧化炉的加热通道的最下层位置相对应。3.根据权利要求1所述的原丝预氧化装置，其特征在于，所述出口牵伸机组(5)和入口牵伸机组(6)分别包括3?11个牵伸辊，以连续自然数呈上下两行平行排列。4.根据权利要求1所述的原丝预氧化装置，其特征在于，所述动收丝辊的驱动电机采用变频器调速驱动，配置PLC控制器。5.根据权利要求1所述的原丝预氧化装置，其特征在于，所述被动退丝辊(3)内有弹簧，被动退丝辊旁边设有偏心轮，且被动退丝辊设有气动装置，可握持和放松筒管，被动退丝辊放丝出口装导丝张力器，调整张力，并固定丝束位置，且被动退丝辊配备磁粉阻尼器。6.根据权利要求1所述的原丝预氧化装置，其特征在于，所述主动收丝辊(4)包含导丝往复槽轮机构，且由齿轮减速电机驱动，通过齿形同步皮带传动，齿轮减速电机含1024编码器，变频调速;主动收丝辊入口导丝轮处设有传感器。7.根据权利要求1所述的原丝预氧化装置，其特征在于，所述出口牵伸机组(5)和入口牵伸机组(6)均由上四下三平行排列的牵伸辊构成;所述牵伸辊外镀硬铬，磨齿处理，脂润滑，配齿轮减速电机，含1024编码器，变频调速。8.根据权利要求1所述的原丝预氧化装置，其特征在于，所有辊的表面光洁度Ra不高于0.2;所有轴的最大轴端跳动不高于0.02_;保温层(7)采用高纯度硅酸铝针刺毯，外层采用装饰不锈钢板;炉腔(8)温度控制范围为150-300 °C，单层有效加热区为1.5m-l.8m;炉胆截面和轴向温度均匀性均在± 1.5°C之内。9.根据权利要求1所述的原丝预氧化装置，其特征在于，所述箱式预氧炉炉膛顶部设置蜂窝状导流孔板;炉膛下部均布抽风管道和孔板，孔板位于抽风管上方。10.根据权利要求1所述的原丝预氧化装置，其特征在于，所述箱式预氧化炉的加热方式采用炉丝加热，炉丝为NiSO或同品质材料;控温方式为PID调节、周波过零控制。
【文档编号】D01F9/32GK205556870SQ201620306168
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】吴历斌, 张琨, 吴粮华
【申请人】中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院