一种碳纤维生产用预氧化设备及碳纤维生产工艺

技术领域

本发明涉及碳纤维生产领域，具体涉及一种碳纤维生产用预氧化设备及碳纤维生产工艺。

背景技术

碳纤维在生产过程中需要经过预氧化工艺，预氧化过程一般是将由干喷湿法纺丝工艺制得的聚丙烯腈基碳纤维原丝通过若干个连续的预氧化温区进行预氧化处理，使最终得到预氧化纤维丝。预氧化可以防止原丝在炭化时熔融，提高纤维的热稳定性。

通过控制不同温区的温度，可以使预氧化反应更加高效和快速进行，再结合调控不同温区中碳纤维的纤维张力，可以保持纤维形态，提高反应效率，进一步控制预氧化程度，并优化预氧化条件，从而使得干喷湿法碳纤维的预氧化过程更加高效、稳定，并最终得到符合要求的高质量碳纤维产品。

但是，部分制造质量较差的碳纤维材料在预氧化温区内调控纤维张力后，会渗出焦油，并且可能会有部分碳纤维原丝脱落，焦油和碳纤维原丝滞留在预氧化设备中会造成热空气流通孔堵塞等问题。

因此，设计一种碳纤维生产用预氧化设备及碳纤维生产工艺是必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纤维生产用预氧化设备及碳纤维生产工艺，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种碳纤维生产用预氧化设备，包括：设备箱，所述设备箱内具有三个加热工位，所述加热工位上安装有缠丝机构，所述缠丝机构上适于卷绕碳纤维原丝；所述加热工位的顶部和底部分别安装有加热机构，所述设备箱内部与所述加热机构的对应位置开设有若干加热孔；

所述缠丝机构包括疏通组件和两支撑座，所述疏通组件包括翻转盘和转动连接在所述翻转盘内侧的疏通座，所述翻转盘的两侧分别与两所述支撑座弹性设置，所述支撑座呈C字形，所述支撑座内侧固定安装有伸缩弹簧，所述翻转盘的两侧分别设置有转轴，所述转轴分别插入所述支撑座的内侧，且所述转轴与所述伸缩弹簧的顶端抵接；

所述疏通座的上表面固定安装有若干缠丝柱，缠丝柱垂直于翻转盘的表面朝上，所述缠丝柱与所述加热工位底部的加热孔一一对应；

所述设备箱的下料端安装有牵拉辊，碳纤维原丝的活动端与所述牵拉辊连接；

所述设备箱的上料端和下料端分别具有排风机构，排风机构适于排出设备箱内部的热空气；

其中，所述加热机构向所述缠丝机构上吹热风，加热碳纤维原丝，以使碳纤维原丝预氧化；

碳纤维原丝预氧化后，所述疏通组件绕所述支撑座翻转，以使所述缠丝柱朝向所述加热孔，所述翻转盘沿所述支撑座下降，以使所述缠丝柱插入对应所述加热孔内，以疏通所述加热孔。

进一步地，所述加热工位的两侧分别平行设置有两滑轨，所述支撑座的底部固定连接有滑块，两滑块分别滑动设置在所述滑轨内。

进一步地，所述缠丝柱呈阵列固定连接在所述疏通座上表面；

所述翻转盘内侧开设有若干依次收尾连接的切换轨道；

所述疏通座的外侧通过弹簧弹性连接有若干引导块，一个引导块滑动设置在一个切换轨道内；

其中，所述引导块沿所述切换轨道滑动至相邻的切换轨道内时，所述疏通座周向旋转一定角度，所述一定角度等于360°除以所述翻转盘内切换轨道的数量；

所述切换轨道包括纵向段和倾斜段，各所述纵向段沿所述翻转盘的内壁周向均匀设置；

所述倾斜段的两端分别与所述相邻两所述纵向段的两端连通，各所述倾斜段的倾斜方向相同；

其中，所述引导块沿所述倾斜段的一端移动至另一端时，所述疏通座周向旋转；

所述倾斜段沿靠近所述纵向段的底端的方向的深度逐渐增大；

所述翻转盘的内部设置有复位弹簧，所述复位弹簧的一端与所述翻转盘的内底壁固定连接，另一端与所述疏通座的底壁抵接。

进一步地，所述缠丝柱上还滑动连接有刮毛盘，所述刮毛盘上开设有若干刮毛孔，一个刮毛孔与一个缠丝柱相对应；

所述刮毛盘沿周向固定连接有若干卡接杆，所述翻转盘的外壁开设有若干卡接槽，所述卡接杆与所述卡接槽相对应。

此外，本发明还提供了一种碳纤维生产工艺，应用于如上文所述的预氧化设备，包括如下步骤：S1、碳纤维原丝输送至设备箱内，并缠绕在缠丝柱上，加热机构通过加热孔对碳纤维原丝加热并保温；

S2、牵拉辊牵拉碳纤维原丝，使碳纤维原丝依次经过各加热工位并保温；

S3、碳纤维原丝预氧化后，将碳纤维原丝抽出，部分碳纤维原丝脱落并留在缠丝柱上，翻转疏通组件，以使缠丝柱与加热孔对齐，缠丝柱插入加热孔内，以疏通加热孔；

S4、清理缠丝柱上的碳纤维原丝以及焦油。

进一步地，S1中，通过将碳纤维原丝缠绕在每个加工工位上所用的缠丝柱的个数以及缠绕圈数，以调控碳纤维原丝的纤维张力。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：通过将碳纤维原丝缠绕在缠丝柱上，使得一次预氧化过程中，进入设备箱内的碳纤维原丝的长度更长，提高效率。碳纤维原丝输送时，脱落的碳纤维原丝缠绕在缠丝柱上，疏通加热孔内时，缠绕在缠丝柱上碳纤维原丝能够吸附焦油。加热孔清理完毕后，将卡接杆从卡接槽内抽出，并向上抬升，以使刮毛盘通过刮毛孔将缠丝柱上缠绕的碳纤维原丝刮除。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1示出了本发明的碳纤维生产用预氧化设备的立体图；

图2示出了本发明的缠丝机构的结构示意图；

图3示出了本发明的支撑座的示意图；

图4示出了本发明的缠丝机构的爆炸图；

图5示出了本发明的翻转盘的结构示意图；

图6示出了本发明的加热机构的结构示意图。

图中：

1、设备箱；11、加热孔；12、滑轨；13、牵拉辊；

2、缠丝机构；21、疏通组件；211、翻转盘；212、疏通座；213、卡接槽；22、支撑座；23、伸缩弹簧；24、切换轨道；241、纵向段；242、倾斜段；25、复位弹簧；26、刮毛盘；261、刮毛孔；262、卡接杆；

3、缠丝柱；

4、加热机构；41、风机；42、加热丝；5、排风机构。

具体实施方式

现在结合附图对本发明做进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1

如图1至6所示，本实施例提供了一种碳纤维生产用预氧化设备，包括：设备箱1，所述设备箱1的长度方向的两端分别开设有适于输送碳纤维原丝的进口和出口，碳纤维原丝通过进口进入设备箱1内，并在预氧化后从出口送出。碳纤维原丝在设备箱1中进行预氧化，预氧化可以防止原丝在炭化时熔融，提高纤维的热稳定性。预氧化分为初期、中期和后期。在初期和中期，首先由氧引发环化，生成含氧杂环；接着发生氰基环化，同时伴随着脱氢的氧化。在后期，随着氰基的消失，形成一种稳定的框架结构。这种框架结构在碳化过程中无大变化，但能提高纤维的热稳定性。

所述设备箱1内具有至少一个加热工位，用于加热位于设备箱1内的碳纤维原丝。本实施例中，作为优选，加热工位有三个，且三个加热工位沿碳纤维原丝的输送方向等间距设置。加热工位的顶部和底部分别设置有两套加热机构4。作为可选，加热机构包括风机41和加热丝42，同时设备箱1内部与加热机构4的对应位置开设有若干加热孔11。风机41吹出的风通过加热丝42后充分加热，再通过加热孔11吹出，以实现对碳纤维原丝的加热。另一方面，设备箱1的上料端和下料端分别设置有排风机构5，排风机构5适于排出设备箱1内部的热空气，以及时排出设备箱1内部的过热空气，防止局部过热导致碳纤维原丝断裂。排风机构5可采用气泵等抽气设备。

所述设备箱1的下料端还设置有牵拉辊13，碳纤维原丝的活动端与所述牵拉辊13连接，作为可选，牵拉辊13的一侧与电机连接，电机启动时可驱动牵拉辊13同步转动，进而对碳纤维原丝起到牵拉的作用，使得碳纤维原丝能够持续输送并穿过设备箱1。同时，设备箱的内部也设置有若干用于引导的滚筒，以引导碳纤维原丝输送，避免距离过长导致碳纤维原丝下垂。

需要说明的是，部分制造质量较差的碳纤维材料在保温过程中会渗出焦油，并且可能会有部分碳纤维原丝脱落，其中，焦油渗出后会向位于底部的加热机构的加热孔11流动，并最终可能在加热孔11附近固化，出现堵塞加热孔11的问题。

为了解决上述问题，本实施例中，在一个加热工位上安装有一个缠丝机构2，三个加热工位即应当配备三个缠丝机构2。所述缠丝机构2上适于卷绕碳纤维原丝，具体来说缠丝机构2上设置有若干个缠丝柱3，缠丝柱3阵列设置，碳纤维原丝可依次在多个缠丝柱3之间环绕，如碳纤维原丝沿“S”形依次从左右两侧交替穿过多个缠丝柱3，以增大设备箱1内的碳纤维原丝的长度，即设备箱1内单次预氧化的碳纤维原丝的长度可大幅提高，从而提高碳纤维原丝的预氧化效率。另一方面各缠丝柱3与各底部的加热孔11一一对应，当一次预氧化完成后，可将缠丝机构2上的缠丝柱3与底部的加热孔11对齐，将缠丝柱3插入加热孔11内，通过缠丝柱3疏通加热孔11。同时，预氧化后，碳纤维原丝输送，部分脱落的碳纤维原丝缠绕在缠丝柱3上。在缠丝柱3插入加热孔11的过程中，缠绕在缠丝柱3上的碳纤维原丝可吸附焦油，以进一步提升焦油的去除率，方便后续的进一步清理。

为了实现上述缠丝机构2疏通加热孔11的效果，本实施例中，作为优选，所述缠丝机构2包括疏通组件21和两支撑座22，所述缠丝柱3安装在所述疏通组件21上，所述缠丝柱3朝上设置，以方便操作人员在预氧化前，将碳纤维原丝缠绕在缠丝柱3上。另一方面，所述疏通组件21的两侧分别与两所述支撑座22弹性设置。操作人员按压疏通组件21，以使疏通组件21能够沿支撑座22向下滑动，而操作人员松开疏通组件21后，支撑座22能够顶推疏通组件21复位。通过上述设置，碳纤维原丝预氧化后，所述疏通组件21绕所述支撑座22翻转，以使所述缠丝柱3朝向所述加热孔11。所述疏通组件21沿所述支撑座22下降，以使所述缠丝柱3插入对应所述加热孔11内。

为了实现上述效果，本实施例中，作为优选，所述支撑座22呈C字形，所述疏通组件21的两侧分别设置有转轴，所述转轴分别插入所述支撑座22的内侧，支撑座22通过C字形轮廓以限位疏通组件21的转轴，以使疏通组件21通过转轴定位在两支撑架内侧，同时疏通组件21可绕转轴翻转以实现缠丝柱3向上缠丝或者向下疏通加热孔11的效果。为了在疏通组件21疏通完毕后复位，本实施例中，作为可选，所述支撑座22内侧设置有伸缩弹簧23，且所述转轴与所述伸缩弹簧23的顶端抵接，即不论转轴带动疏通组件21的哪一面朝上，均可通过伸缩弹簧23顶推输送组件向上。

为了进一步增加同时进行预氧化的碳纤维原丝的股数，本实施例中，作为优选，所述加热工位的两侧分别平行设置有两滑轨12，所述支撑座22的底部固定连接有滑块，两滑块分别滑动设置在所述滑轨12内。各疏通组件21可沿滑轨12滑动，进而调整位置，以适配碳纤维原丝的输入位置。另一方面，也可在同一个滑轨12上设置多个缠丝机构3，从而增加同时时间进入设备箱内的碳纤维原丝的数量。

为了充分利用各个缠丝柱3，以避免同一组缠丝柱3重复利用而污染严重，本实施例中，作为可选，所述疏通组件21包括翻转盘211和活动设置在所述翻转盘211内侧的疏通座212，所述缠丝柱3阵列设置在所述疏通座212上。所述翻转盘211内侧设置有若干依次收尾连接的切换轨道24。所述疏通座212的外侧设置有若干引导块，一个引导块滑动设置在一个切换轨道24内。所述引导块沿所述切换轨道24滑动至相邻的切换轨道24内时，所述疏通座212周向旋转一定角度，所述一定角度等于360°除以所述翻转盘内切换轨道的数量。具体在本实施例中，切换轨道24设置为四个，因此疏通座212每次旋转90°。通过上述设置，当疏通座212上一个方向上的一组缠丝柱3使用后，可通过引导块切换到下一个切换轨道24上，以旋转疏通座212，进而更换使用疏通座212上的另一组缠丝柱3。

为了实现上述引导块沿切换轨道24滑动至下一个切换轨道24使疏通座212旋转90°的效果，本实施例中，作为优选，切换轨道24为四个，所述切换轨道24包括纵向段241和倾斜段242，四个所述纵向段241沿所述翻转盘211的内壁周向均匀设置。所述倾斜段242的两端分别与相邻两所述纵向段241的两端连通，各所述倾斜段242的倾斜方向相同。通过上述设置，引导块沿竖直方向滑动，优选为向下滑动，即可使得穿过对应纵向段241并进入下一个切换轨道24的倾斜段242，接着所述引导块沿所述倾斜段242的一端移动至另一端时，优选为由底端移动至顶端，所述疏通座212周向旋转90°。

为了进一步避免引导块进入下一个切换轨道24的倾斜段242后，不会回到上一个切换轨道24的纵向段241内，本实施例中，作为优选，所述倾斜段242沿靠近所述纵向段241的底端的方向的深度逐渐增大，即纵向段241的底部与下一个切换轨道24的底端存在深度差。同时引导块与疏通座212弹性设置，即引导块位于疏通座212内侧的一端连接有弹簧，弹簧驱动引导块保持插入到纵向段241或者倾斜段242的底部的状态，即引导块沿纵向段241由上至下进入倾斜段242后，引导块在弹簧的作用下向外伸出，并卡在倾斜段242的底端，此时由于倾斜段242与纵向段241的深度差，使得引导块不会回到纵向段241内，而是沿倾斜段242持续向上滑动，进而带动疏通座212旋转90°。

为了方便完成上述过程，本实施例中，作为优选，所述翻转盘211的内部设置有复位弹簧25，所述复位弹簧25的一端与所述翻转盘211的内底壁固定连接，另一端与所述疏通座212的底壁抵接。通过上述设置，操作人员向下按压疏通座212后，并小幅度转动疏通座212，使得疏通座212上的引导块在弹簧的作用下伸出，从纵向段241底端进入到倾斜段242底端，即使得引导块从纵向段241进入下一个切换轨道24的倾斜段242，同时，操作人员松开疏通座212，疏通座212即可在复位弹簧25的作用下沿倾斜段242向上滑动，进而带动疏通座212旋转90°。

缠丝柱3上缠绕碳纤维原丝后，为了便于将碳纤维原丝除去，本实施例中，作为优选，所述翻转盘211上还滑动设置有刮毛盘26，所述刮毛盘26上开设有若干刮毛孔261，一个刮毛孔261与一个缠丝柱3相对应。通过上述设置，上抬刮毛盘26，刮毛盘26即可通过刮毛孔261将缠丝柱3上缠绕的碳纤维原丝刮除。

为了方便定位刮毛盘26，并将刮毛盘26从翻转盘211上取下，本实施例中，作为优选，所述刮毛盘26沿周向设置有若干卡接杆262，所述翻转盘211的外壁开设有若干卡接槽213，所述卡接杆262与所述卡接槽213相对应。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上实施的，本实施例提供了一种碳纤维生产工艺，应用于实施例1中所示的预氧化设备，本实施例所示的碳纤维生产工艺包括如下步骤：

S1、碳纤维原丝输送至设备箱1内，并缠绕在缠丝柱3上，加热机构4通过加热孔11对碳纤维原丝加热并保温；

S2、牵拉辊13牵拉碳纤维原丝，使碳纤维原丝依次经过各加热工位并保温；

S3、碳纤维原丝预氧化后，将碳纤维原丝抽出，部分碳纤维原丝脱落并留在缠丝柱3上，翻转疏通组件21，以使缠丝柱3与加热孔11对齐，缠丝柱3插入加热孔11内，以疏通加热孔11；

S4、清理缠丝柱3上的碳纤维原丝以及焦油。

S1中，加热工位为三个，将第一加热工位的温度记为T1，第二加热工位的温度记为T2，第三加热工位的温度记为T3，T1＞T3≥T2，T1，T2和T3均在250-300℃之间。通过将碳纤维原丝缠绕在每个加工工位上所用的缠丝柱的个数以及缠绕圈数，以调控碳纤维原丝的纤维张力。将第一加热工位的碳纤维原丝纤维张力记为F1，将第二加热工位的碳纤维原丝纤维张力记为F2，将第三加热工位的碳纤维原丝纤维张力记为F3，700cN＜F1-F2＜1100cN，0cN≤F3-F2＜500cN。作为可选，F1为2600-2900cN，F2为1700-2000cN，F3为2000-2200cN。

S2中，将碳纤维原丝在第一加热工位的保温时间记为t1，第二加热工位的保温时间记为t2，第三加热工位的保温时间记为t3，t1＜t2=t3，6min＜t2-t1＜10min；作为可选，t1为7-9min，t2为12-17min，预氧化的总体时间为31-43min。

通过设置不同的温度，使得预氧化反应可以在较短的时间内完成。第一加热工位的高温处理能够较快地启动预氧化反应，而第二和第三加热工位的较低温度处理有助于进一步推进反应，从而在较短时间内完成预氧化过程。由于预氧化是在较低的温度下进行的，控制第一加热工位的温度高于后续温区，可以减少预氧化时间，减少能量消耗。此外，通过合理的温区温度调控，使第一加热工位的温度高于第二加热工位和第三加热工位的温度；第三加热工位的温度大于等于第二加热工位的温度；这样可以更加高效地利用能量，进一步降低能耗。

通过控制不同温区中的纤维张力，可以保持碳纤维原丝在预氧化过程中的形态稳定性。第一加热工位中较高的纤维张力有助于防止纤维的形变和变形，确保预氧化过程中纤维的整体形态保持良好。而且在不同温区中设置不同的纤维张力，一方面可以使得碳纤维原丝在第一加热工位内较快地完成环化反应，从而提高预氧化的反应效率。另一方面，可以在预氧化过程中实现不同程度的反应，从而控制最终得到的预氧化纤维丝的预氧化程度。

与第二加热工位和第三加热工位的处理时间相比，第一加热工位处理时间较短，所需的能量消耗较少。这有助于节约能源，降低碳纤维预氧化过程中的能耗成本。同时，第二加热工位和第三加热工位的处理时间相同，因为在第二加热工位的预氧化过程中，碳纤维的环化反应已经得到了初步的推进，在第三加热工位继续保持相同的处理时间，可以让碳纤维进一步进行预氧化反应，使预氧化程度进一步提高。当碳纤维进入第二加热工位时，它已经经历了第一加热工位的处理，初步完成了环化反应。此时，碳纤维的纤维结构已经发生了改变，具有了部分预氧化的性质。在第二加热工位保持相同的处理时间，可以让碳纤维继续处于高温环境中，使得环化反应进一步进行，预氧化程度继续提高。由于第二加热工位和第三加热工位的处理时间相同，碳纤维在这两个温区中所经历的时间是连续的，没有中断。这样的连续处理有助于加快预氧化反应的进度，使碳纤维在较短的时间内达到预期的预氧化程度。这样的处理时间设置有助于提高生产效率，加快碳纤维的制备速度，提高产量。

值得一提的是，本发明专利申请涉及的其他部件等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。