[发明专利]纤维预氧化设备

说明书

本发明的纤维预氧化设备，主要包括：一传送单元，以及一微波处理单元；该微波处理单元于该传送单元的一炉体处设有至少一磁控管，以及设有与该炉体连接的一供气机组；利用微波聚焦对连续通过该炉体的一纤维纱束施以超高速预氧化制程，将该纤维纱束加工成为一氧化纤维纱束，不但可以有效缩减一氧化纤维的氧化时间，且有效降低该氧化纤维的皮芯结构，甚至可让该氧化纤维达到无明显皮芯程度，以相对更为积极、可靠的手段提升碳纤维性能。

技术领域

本发明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，Scanning Electron Microscope)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。

发明内容

有鉴于此，本发明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。