[实用新型]一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备

说明书

本实用新型公开一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备，主要包括放丝装置、石英管、催化剂微量注射泵、热风装置、太阳光聚集装置和收丝装置，放丝装置位于系统的最前端，石英管安装在放丝装置的右侧，催化剂微量注射泵和热风装置分别位于石英管的上下两侧，在催化剂微量注射泵和热风装置的右侧、石英管的两侧分别安装有太阳光聚集装置，石英管的最右端安装有收丝装置。本实用新型中采用聚集太阳光或者氙灯来直接加热碳纤维，温度响应较快，省去了大量的加热、保温装置；采用微量注射泵注射催化剂溶液，能够定量控制催化剂的浓度和用量，加快预氧化速率，减少皮芯结构，通过调整菲涅尔透镜到碳纤维表面的距离实现碳纤维表面温度的可控。

技术领域

本实用新型涉及的是碳纤维预氧化加工制造领域，特别涉及的是一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备及方法。

背景技术

预氧化是生产PAN基碳纤维的一个重要过程，在这个过程中PAN原丝的线性分子链转变为具有耐热梯形结构的预氧丝，为后续的碳化、石墨化奠定了基础。在预氧化过程中如果固氧速率过快，碳纤维外表层会首先发生环化形成致密的皮层，进而阻挡氧继续向芯部扩散，最终形成皮芯结构，造成预氧化过程时间过长，生产成本大幅增加。目前预氧化的装置大致有两种：

(1)直接加热式预氧化设备

直接加热式预氧化设备电加热炉膛，其热量从炉膛壁面经过空气，最后作用到碳纤维表面。在这个过程中由于炉膛内空气的热导率非常低，因此在预氧化之前需要更多的时间和能耗来达到预氧化的温度。碳纤维预氧化温度的均匀性和稳定性直接取决于炉体的工况条件：在外界温度低时(如冬天)，就需要保温层来保证炉体的温度不会下降；在外界温度高时(如夏天)，碳纤维的反应热容易在纤维内部蓄积而造成过热，此时需要在炉膛内设有温度监控器并随时准备启动灭火系统。

这种设备结构简单，造价低廉且配备有换热器、隔热保温层等。但缺点在于设备炉体大、耗能多、现有的工艺和设备能占碳纤维生产成本的8％-12％。对于碳纤维生产线来说，节能减耗的空间还很大。

(2)微波加热预氧化设备(中国专利CN208362540U、CN207891472U)

微波加热预氧化是近些年较多提及的新方法，其优点有：

①加热均匀。微波加热过程中微波穿透碳纤维，直接作用在纤维内部，热量从内部产生，热量均匀。

②加热速率快。这是微波加热的原理决定的：微波加热碳纤维过程中，碳纤维内部的极性分子强烈振动，并将动能转化为热能，避免了热量从其余途径损失。

但是微波加热碳纤维并没有大批量地应用到碳纤维的预氧化过程中，原因有：

①虽然微波功率覆盖范围较广，但是由于预氧化的温度在240℃附近即可，调节到240℃的功率窗口较窄，操作不太容易。

②微波炉需要金属壳体作为屏蔽壳体，其表面开孔的孔径只能在1/5的微波波长附近，难以通过开孔来放置测温装置实时测量纤维表面的温度。此时的微波炉相当于一个“暗箱”，不容易通过肉眼观察纤维的变化过程，很容易造成失火。

实用新型内容

为了降低直接式预氧化设备的能耗消耗、避免微波预氧化难测温的问题，本实用新型专利提出一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备及方法，改变预氧丝的加热方式，大幅降低能量消耗，并通过控制菲涅尔透镜的位移来调控碳纤维的温度，进而实现梯度加热。

实现上述目的的技术方案是：一种聚集太阳光预氧化碳纤维的设备，主要包括放丝装置、石英管、催化剂微量注射泵、热风装置、太阳光聚集装置和收丝装置，放丝装置位于系统的最前端，石英管安装在放丝装置的右侧，催化剂微量注射泵和热风装置分别位于石英管的上下两侧，在催化剂微量注射泵和热风装置的右侧、石英管的两侧分别安装有太阳光聚集装置，石英管的最右端安装有收丝装置。