一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的电子束在线辐照改性系统的制作方法

本技术涉及聚丙烯腈基碳纤维生产，具体涉及一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的电子束在线辐照改性系统。

背景技术：

1、碳纤维（carbon fiber, cf）是一种含碳量高于90%的高强度、高模量纤维，以聚丙烯腈（pan）、沥青或粘胶等有机前驱体为原料，经预氧化和高温碳化制成。作为军民两用关键战略材料，碳纤维被国际公认为现代高科技领域的核心新材料。

2、pan是当前碳纤维的主流前驱体，全球市场占比超过90%。预氧化作为pan基碳纤维生产中的关键步骤，直接影响最终产物的结构与性能。该过程通过将线型分子链转化为耐热梯形结构，防止纤维在碳化阶段熔融断裂。然而，预氧化伴随剧烈的环化、脱氢及氧化反应，并释放大量热量。若控温不当，易导致局部过热、纤维熔融粘连甚至起火，这一问题在大丝束生产中尤为突出。传统工艺采用多段梯度升温（200~300℃）缓解放热，但预氧化耗时仍达50~120分钟，占总生产能耗的70%以上及总时长的80%~90%。

3、电子束辐照是一种创新的高分子材料加工技术。pan原丝经电子束辐照后，可生成大量自由基，进而引发三类关键反应：

4、分子链间自由基复合 → 交联反应；

5、自由基与氰基加成 → 环化反应；

6、自由基与氧气结合 → 氧化反应。

7、现有技术表明，电子束辐照改性可显著提升预氧化效率，降低反应放热强度，从而减少能耗并降低生产成本。

8、专利cn 101798747 b提出一种离线式电子束辐照改性方法：将pan原丝平铺于托盘内，随轨道往复穿过电子束辐照区。然而，该方法存在两大局限：一、离线操作：无法与碳纤维工厂的生产线匹配；二、工艺参数失衡：辐照时间过长、剂量过高（未匹配产线速度），制约了技术的工业化推广。

9、因此，亟需开发一种在线式辐照工艺，既能无缝衔接实际生产线，又能满足碳纤维性能要求。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是提供一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的电子束在线辐照改性系统。

2、为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

3、一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的电子束在线辐照改性系统，通过电子束在线辐照改性系统实现，该系统包括一辐照室，该辐照室中设置有电子束加速器的辐照部；

4、还包括按辐照时纤维束进给方向依次排布的第一张力控制轮、第一束下导丝轮、第二束下导丝轮以及第二张力控制轮；

5、其中，所述第一束下导丝轮及所述第二束下导丝轮均位于所述辐照室内，且表面均设有数个平行间隔设置的导向槽，所述导向槽绕轮的轴线设置，槽宽对应所述纤维束的宽度；

6、其中，还包括两张力传感器，分别对应所述辐照室的入口处和出口处设置；两张力传感器均与一控制系统电性连接，该控制系统与所述第一张力控制轮以及所述第二张力控制轮的驱动部电性连接。

7、进一步的技术方案，所述辐照部正对所述第一束下导丝轮及所述第二束下导丝轮之间的所述纤维束的上方设置。

8、进一步的技术方案，所述第一张力控制轮、所述第二张力控制轮均包括三个平行辊，且中间辊的水平位置低于前后两个辊；纤维束经由前辊上表面绕至中间辊的下表面，再绕至后辊上表面。在进行张力调节时，可通过改变三个平行辊的相对高度关系实现对纤维束的在线动态张力调节。

9、进一步的技术方案，所述第一束下导丝轮及所述第二束下导丝轮上的各所述导向槽的槽宽为2~3cm。导向槽用于定位纤维束，保证纤维束进给方向不偏离。

10、进一步的技术方案，所述电子束在线辐照改性系统还包括设置于所述辐照室出口处后方的预氧化炉、低温碳化炉以及高温碳化炉，三者按照纤维束进给方向依次排布。

11、进一步的技术方案，两张力传感器分别设置于所述第一张力控制轮与所述第一束下导丝轮之间，以及所述第二束下导丝轮与所述第二张力控制轮之间。

12、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。

13、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。

14、本实用新型的工作原理及优点如下：

15、本实用新型涉及一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的电子束在线辐照改性系统，既可与碳纤维生产线有效集成，又能确保所制备碳纤维的性能符合要求。本实用新型针对现有技术中pan纤维辐照效率低、辐照损伤显著以及辐照后力学性能下降等问题，通过系统优化辐照参数与产线一体化设计，显著提高了电子束辐照技术与工业生产的兼容性，适用于多样化的实际生产场景。

16、本实用新型的技术特点包括：

17、1、束下装置走丝方式：采用“直进直出”方式，确保每束聚丙烯腈基碳纤维原丝仅接受一次辐照。具体实施方案为：使用具有导向槽的束下导丝轮，每束纤维束（原丝）独立位于一个导向槽内运行，从而杜绝丝束间出现重叠或交叉。束下导丝轮前后分别配置张力控制轮，使丝束在恒定张力下平稳通过。

18、2、张力控制：在束下导丝轮与张力控制轮之间安装张力传感器，实时监测原丝张力并将数据传送至控制系统。系统通过调节张力控制轮之间的转速差，将原丝所受张力波动控制在额定值的±1.0%以内，保障运行过程稳定。

19、本实用新型的效果主要体现在以下几个方面：

20、1、实现辐照产能最大化：本实用新型通过优化束下装置布局，能够充分利用辐照设备的有效辐照宽度，支持多束聚丙烯腈基碳纤维原丝同时处理，显著提高了单位时间的处理量。

21、2、有效控制原丝辐照磨损：通过束下导丝轮、张力传感器、张力控制轮与控制系统协同作用，实现了“直进直出”的束下走丝方式和精确的张力控制，显著降低了聚丙烯腈基碳纤维原丝在辐照过程中的磨损。

22、3、显著缩短预氧化时间：经本实用新型处理后的聚丙烯腈基碳纤维原丝，其预氧化时间可从传统工艺的50分钟缩短至30分钟，提高了生产效率。

23、4、提升碳纤维力学性能：采用本实用新型处理后的原丝，在经过辐照、预氧化和碳化工艺后，所制得的成品碳纤维表现出更优异的力学性能。

24、5、实现稳定可控的工业化生产：通过张力与辐照剂量的在线闭环控制，保障了系统长期稳定运行，可满足碳纤维企业工业化生产对效率和质量的一致性要求。

25、综上所述，本实用新型有效克服了聚丙烯腈纤维在辐照处理中存在的处理效率低、过程损伤大及成品性能恶化等问题，提升了电子辐照技术在实际生产中的适应性和应用范围。

1.一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的电子束在线辐照改性系统，其特征在于：包括一辐照室（2），该辐照室（2）中设置有电子束加速器的辐照部（3）；

2.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的电子束在线辐照改性系统，其特征在于：所述辐照部（3）正对所述第一束下导丝轮（5）及所述第二束下导丝轮（6）之间的所述纤维束（1）的上方设置。

3.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的电子束在线辐照改性系统，其特征在于：所述第一张力控制轮（4）、所述第二张力控制轮（7）均包括三个平行辊，且中间辊的水平位置低于前后两个辊；纤维束（1）经由前辊上表面绕至中间辊的下表面，再绕至后辊上表面。

4.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的电子束在线辐照改性系统，其特征在于：所述第一束下导丝轮（5）及所述第二束下导丝轮（6）上的各所述导向槽（9）的槽宽为2~3cm。

5.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的电子束在线辐照改性系统，其特征在于：所述电子束在线辐照改性系统还包括设置于所述辐照室出口处后方的预氧化炉（10）、低温碳化炉（11）以及高温碳化炉（12），三者按照纤维束（1）进给方向依次排布。

6.根据权利要求1所述的一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的电子束在线辐照改性系统，其特征在于：两张力传感器（8）分别设置于所述第一张力控制轮（4）与所述第一束下导丝轮（5）之间，以及所述第二束下导丝轮（6）与所述第二张力控制轮（7）之间。