[发明专利]提高碳纤维力学性能的装置和方法

说明书

本发明涉及一种提高碳纤维力学性能的简易装置，主要解决现有设备和工艺制备的碳纤维力学性能差、离散系数大的技术问题。本发明通过在预氧化炉和低温碳化炉之间增加加湿和干燥装置，原丝依次经放丝机、预处理站、预氧化炉、加湿装置(1)、牵伸装置(2)、干燥装置(3)、低温碳化炉、高温碳化炉，最终在收丝机上获得碳纤维。预氧纤维经去离子水浸渍后在100℃～200℃温度下空气气氛中进行干燥，经处理后预氧纤维的含水率低于0.15％的技术方案，较好地解决了该问题，适用于碳纤维的工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种碳纤维设备和技术，能有效提高碳纤维的力学性能。

技术背景

碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异的性能，被广泛的应用在体育休闲用品和高科技工业领域，特别是在航空航天领域具有极大的应用前景。碳纤维的制备一般包括聚合纺丝、预氧化、碳化三大工艺过程，其中每个工序中都含有数十个或者数百个工艺控制点，每一个工艺控制点都可能导致纤维中产生缺陷结构，从而导致碳纤维的性能的不稳定。

张跃等发表的《聚丙烯腈基碳纤维的研究进展》(2009年3月《纤维复合材料》第一期，p7-10)中介绍了聚丙烯腈基碳纤维的国内外发展历程和现状，详细介绍了碳纤维生产工艺，指出了国产碳纤维的部分问题。刘建军等发表的一种12K二元聚丙烯腈基碳纤维的制造方法(专利号CN201310132065.7)，对大丝束碳纤维的制备进行了介绍。目前，日本掌握了世界上最先进的碳纤维制备技术，不仅在高强度系列碳纤维上取得了领先地位，而且在高模以及高强高模等领域也占据了较大的优势。国内碳纤维仅仅在T300级别碳纤维取得了一定成绩，且并不能稳定生产。产生以上现象的原因主要是国内在碳纤维制备过程中的基础科学问题尚未解决。基于以上原因，目前国内的主要研究方向是攻克基础科学问题，同时在设备上进行改良。

本发明在对基础科学问题的研究过程中，对设备和工艺进行了优化，以期提高碳纤维的力学性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是目前国内碳纤维力学性能差，离散系数大，提供了一种提高力学性能的装置。该装置用于聚丙烯腈纤维的制备过程中，具有提高碳纤维力学性能的优点。

本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相对应的提高碳纤维力学性能的方法。

为解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种提高碳纤维力学性能的装置，包括：预氧化炉、低温碳化炉、加湿装置和干燥装置；其特征在于，在预氧化炉和低温碳化炉之间依次设置加湿装置和干燥装置。

上述技术方案中，所述加湿装置1和干燥装置2前后相应设置的传动设备3，通过传动设备3将纤维在加湿装置1和干燥装置2中连续运行。

上述技术方案中，所述加湿装置采用不锈钢水槽，水槽中装配导向辊，导向辊材质为陶瓷。

上述技术方案中，所述干燥装置中设有表面电加热单元为镍铬合金丝的不锈钢管，所述镍铬合金丝缠绕在不锈钢管的表面。

上述技术方案中，所述加湿装置中水槽有效长度为20-100cm。

上述技术方案中，所述干燥装置有效长度为20-100cm。

上述技术方案中，所述加湿装置中装有去离子水。

上述技术方案中，所述干燥装置中温度为100-200℃。

上述技术方案中，所述经干燥装置干燥后预氧纤维的含水率不高于0.15％。

为解决上述技术问题之二，本发明采用的技术方案如下：一种提高碳纤维力学性能的方法，采用上述技术方案中任一所述的提高碳纤维力学性能的装置，依次经过以下步骤：原丝经放丝机、预处理站、预氧化炉、加湿装置、干燥装置、低温碳化炉、高温碳化炉，最终在收丝机在获得碳纤维。