[发明专利]一种调控碳纤维预氧丝均质化的方法及预氧化炉

说明书

一种调控碳纤维预氧丝均质化的方法及预氧化炉，涉及碳纤维预氧化领域。本发明实施例的调控碳纤维预氧丝均质化的方法是牵引原丝进行预氧化，在预氧化过程中，采用红外加热和热风加热的综合加热方式对原丝进行加热，采用强制空气对流的方式进行散热。本发明实施例的调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉包括用于容纳原丝的炉膛，用于牵引原丝的牵伸系统，用于对原丝进行红外加热的红外加热装置，用于对原丝进行热加热的电热丝加热装置，以及用于在炉膛内形成对流空气的通风系统。调控碳纤维预氧丝均质化的方法及预氧化炉通过红外加热纤维内部，热风加热纤维外层，结合对流控温纤维外层，保证氧向纤维内部的渗透，最终达到调控预氧丝均质化的目的。

技术领域

本发明涉及碳纤维预氧化领域，具体而言，涉及一种调控碳纤维预氧丝均质化的方法及预氧化炉。

背景技术

碳纤维是指含碳量在90％以上的高拉伸强度、高拉伸模量纤维，其具有低密度、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等诸多优点，广泛应用于武器、航空航天、建筑、汽车舰船、医疗及工业设备、体育休闲产品等领域。目前主要使用聚丙烯腈纤维(polyacrylonitrile fiber，PAN)制备高性能碳纤维，即PAN基碳纤维。碳纤维的生产步骤一般包括聚合、纺丝、预氧化、碳化、后处理等步骤。现在工业生产的碳纤维的最高拉伸强度约为7.2GPa，是理论值的4％左右，为了进一步提高碳纤维的强度等性能，相关研究提出碳纤维的生产需以四化为基础，即细旦化，细晶化，均质化，洁净化。

均质化是指纤维的结构和性能径向分布基本均匀，无明显的皮芯结构，只有预氧丝均质化，才能得到致密化的碳纤维。预氧化是制备PAN基碳纤维必不可少的重要步骤，其目的在于通过预氧化将线型的聚丙烯腈分子转变为梯形结构，以提高碳化过程中纤维的热稳定性。大量研究表明，氧在纤维的径向分布梯度是影响预氧丝均质化，形成皮芯结构的主要因素之一。

传统的预氧化过程中，随着环化反应的进行，纤维外层形成致密的网状梯形结构，阻碍了空气中的氧向纤维内部扩散，使预氧丝皮层氧化充分甚至过度，而芯部却预氧化不足，影响纤维内部的环化反应，使纤维芯部结构转变受阻，造成纤维芯部结构疏松，形成皮芯结构。而疏松的芯部在碳化过程中，会在碳纤维芯部形成空洞，成为碳纤维拉伸时的断裂点，影响碳纤维的力学性能。

因此，需要一种能够调控碳纤维预氧丝均质化的方法。

发明内容

本发明实施例提供一种调控碳纤维预氧丝均质化的方法及预氧化炉，通过红外加热纤维内部，热风加热纤维外层，结合对流控温纤维外层，保证氧向纤维内部的渗透，最终达到调控预氧丝均质化的目的。

本发明的实施例是这样实现的：

一种调控碳纤维预氧丝均质化的方法，牵引原丝进行预氧化，在预氧化过程中，采用红外加热和热风加热的综合加热方式对原丝进行加热，采用强制空气对流的方式进行散热。

在本发明较佳的实施例中，上述牵引原丝在不同温区内进行预氧化，在每个温区均同时进行加热和散热。

一种调控碳纤维预氧丝均质化的预氧化炉，其包括用于容纳原丝的炉膛，用于牵引原丝的牵伸系统，用于对原丝进行红外加热的红外加热装置，用于对原丝进行热加热的电热丝加热装置，以及用于在炉膛内形成对流空气的通风系统，牵伸系统、红外加热装置、电热丝加热装置和通风系统设置于炉膛内。

在本发明较佳的实施例中，上述红外加热装置平行位于原丝的外圆周周围。

在本发明较佳的实施例中，上述预氧化炉还包括反射装置，反射装置布置于红外加热装置远离原丝的周围。

在本发明较佳的实施例中，上述预氧化炉还包括滤波装置，滤波装置位于原丝与红外加热装置之间。

在本发明较佳的实施例中，上述通风系统包括沿炉膛的内壁设置的风道，以及往风道内吹气的鼓风机，位于炉膛相对两侧的风道开设有风口。