一种PAN纤维高效预氧化的预处理装置的制作方法

本技术涉及碳纤维，具体涉及一种pan纤维高效预氧化的预处理装置。

背景技术：

1、碳纤维作为一种新型碳材料，凭借其卓越的质轻、高比强度和高比模量特性，已成为航空航天、新能源汽车、高端体育器材及风力发电等领域不可或缺的关键材料。其强度可达钢材的数倍乃至数十倍，而密度仅为钢的五分之一左右，这种独特的性能组合使其在轻量化设计中具有无可比拟的优势。然而，尽管应用前景广阔，碳纤维，特别是主流的聚丙烯腈（pan）基碳纤维的大规模普及仍面临严峻挑战。

2、首要制约因素在于其高昂的成本。这主要源于两个方面：一是原料成本高，每吨成品碳纤维约需消耗2-2.2吨原丝，仅原丝成本就达4-6万元人民币，是钢铁材料的4-5倍；二是生产工艺复杂且能耗巨大，其中电力消耗约占生产总成本的25%-30%。值得注意的是，原丝成本在总成本中的占比极高，可达60.26%，是其价格居高不下的核心原因之一。

3、其次，漫长的制备周期也是制约生产效率提升的瓶颈。pan基碳纤维的制造需经历原丝生产、预氧化、碳化等多道工序。其中，预氧化过程作为承前启后的关键环节，通常需要在180-300℃的温度区间内持续50至90分钟，此过程耗时约占整个碳纤维加工总时长的75%到90%，并且消耗了约70%的总电能。尽管通过工艺优化，当前主流技术已将预氧化时间缩短至35-40分钟，但该过程依然是整个生产链条中时间与能耗最为集中的部分。

4、目前，预氧化工艺的进一步优化面临着技术瓶颈。传统的热风加热方式在追求更短时间时，容易导致纤维内外受热不均，从而引发预氧化程度不足或过度氧化等问题。预氧化不足会使纤维在后续高温碳化中发生熔融并断裂，而过度氧化则会损伤原丝结构，导致最终碳纤维产品出现孔洞、裂纹等缺陷，严重降低其拉伸强度和模量等力学性能。

5、因此，如何解决现有技术中存在的这些问题，便成为本实用新型所要研究的课题。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是提供一种pan纤维高效预氧化的预处理装置。

2、为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

3、一种pan纤维高效预氧化的预处理装置，通过一前置处理单元实现，该前置处理单元对应预氧化炉入口侧的前端设置，它包括辐照室，辐照室中对应纤维束的传送方向设有多个束下导丝辊及传送辊；

4、所述纤维束经所述辐照室的入口进入，依次穿过前端的束下导丝辊、多个传送辊以及后端的束下导丝辊，再经所述辐照室的出口移出，进入所述预氧化炉；

5、还包括加热单元，该加热单元对应所述辐照室设置，用于对辐照室中的纤维束加热。

6、进一步的技术方案，所述辐照室中设有一热风循环区域，该热风循环区域中对应纤维束的传送方向设有所述束下导丝辊及所述加热辊；

7、还包括热风单元，该热风单元包括热风循环管路以及串接于热风循环管路中的加热部和风机；所述热风循环管路的入口处及出口处分别接于所述热风循环区域的两不同位置处，用于对热风循环区域加热；

8、所述加热单元为所述加热辊；

9、或者，所述加热单元为所述热风单元及所述热风循环区域；

10、或者，所述加热单元为所述加热辊与所述热风单元及所述热风循环区域的组合。

11、上述方案中，所述加热辊为现有技术，其加热方式可选用电磁感应加热、流体介质（如热油、蒸汽）加热、电阻式加热等本领域技术人员已知的加热方式，由于加热辊的加热方式非本案的实用新型点，故本案不作赘述。

12、上述方案中，所述热风单元的所述加热部为采用电阻式、电磁感应式或燃烧式原理的电热元件或热交换器，用于对流经所述热风循环管路的空气进行加热。

13、进一步的技术方案，所述加热辊有三个，依次在纤维束的传送路线上平行排布；所述纤维束穿过前部加热辊的下表面后穿过中部加热辊的上表面，再穿过后部加热辊的下表面；

14、电子束加速器的辐照部正对中部加热辊的上方设置。

15、进一步的技术方案，所述束下导丝辊的表面设有数个平行间隔设置的导丝槽，所述导丝槽绕辊的轴线设置，槽宽对应所述纤维束的宽度。导丝槽用于定位纤维束，保证纤维束进给方向不偏离。

16、进一步的技术方案，所述热风循环区域与所述辐照室的其他区域（可通过隔热板实现）相对隔离设置，以保证热风循环区域对纤维束的加热效率。

17、进一步的技术方案，还包括温度闭环控制单元，该控制单元包括设置于所述辐照室的热风循环区域中的温度传感器、设置于所述热风循环管路中的阀门以及控制器，所述控制部分别与所述温度传感器和所述阀门通讯连接。所述阀门优选设置于热风循环管路的出口处。

18、所述温度传感器用于检测热风循环区域内的温度；所述阀门用于调节进入热风循环区域的热风流量；所述控制部被配置为根据所述温度传感器的检测信号调节所述阀门的开度，以控制热风风量实现实时调节热风循环区域内的温度。

19、进一步的技术方案，所述热风单元还设有一热风旁路，该热风旁路与所述预氧化炉相接，用于将预氧化炉中的热风引入辐照室的热风循环区域。借此设计，可实现热源的再利用，从而显著减少加热器的能源消耗，达到节能降耗的效果。

20、关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

21、关于本文中所使用的用词（terms），除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在本案内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本案的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本案描述上额外的引导。

22、本实用新型的工作原理及优点如下：

23、针对碳纤维制备过程中预氧化阶段耗时过长这一行业瓶颈，本技术提供一种聚丙烯腈（pan）基碳纤维的高效预氧化的预处理装置。该工艺通过在预氧化前对pan纤维实施电子束辐照处理，并结合辐照过程中的环境或本体加热技术，显著提升了纤维的芳构化反应速率。这一协同处理方式有效诱导了大分子链间的交联与环化，从而在分子层面加速形成稳定的梯形结构。

24、在传统的聚丙烯腈（pan）基碳纤维生产工艺中，预氧化是关键且最耗时的环节。该过程传统上需要在多温区预氧化炉（早期设计可能需6个或更多独立温区）中进行，传统的预氧化时间普遍在60至100分钟（1小时至1小时40分钟）范围内。

25、通过持续的设备与工艺革新（如优化加热方式、精确控制温度场和牵伸张力），预氧化炉的温区数量得以显著优化，现代工业化生产中的预氧化时间已可稳定控制在45-50分钟。然而，预氧化时间的进一步压缩存在明确的技术下限。其根本原因在于必须确保pan原丝内部能充分且均匀地完成环化、脱氢、氧化等一系列化学反应，形成足够稳定且致密的梯形高分子结构。若预氧化程度不足，纤维在后续的低温碳化阶段将因分子结构的热稳定性不够而无法承受高温热分解产生的应力，极易发生熔并或断丝，导致产品合格率下降和生产中断。

26、本实用新型所采用的电子束辐照预处理技术，是针对上述技术瓶颈的有效解决方案。该技术利用高能电子束在加热环境下对pan原丝进行辐照处理，可在其分子链上预先引发交联反应并促进早期环化结构的形成（如通过生成自由基机制）。这相当于将部分需要在高温预氧化炉中完成的化学反应“前置”，显著提高了原丝的初始结构稳定性和后续热氧化反应活性。

27、经电子束辐照改性后的原丝，在进行后续热氧化时，其反应活化能得以降低，环化反应速率加快，且反应放热峰更为平缓。这使得预氧化总时间得以大幅缩短，同时也降低了对预氧化炉温区数量、长度或能耗的苛刻要求，为减少设备投资、降低系统能耗和生产成本提供了可靠的技术路径。

28、综上所述，辐照技术的引入能够有效激发pan分子链活性，增强其交联能力，促使纤维更快地形成稳定的芳构化结构，从而大幅缩短预氧化所需时间。本实用新型通过创新设置加温辐照预处理装置，不仅显著提高了预氧化效率，而且有助于降低整体生产能耗与成本，同时提升碳纤维的产率与质量一致性，更好地满足各下游应用领域对高性能碳纤维日益增长的产量与品质需求。