一种预氧化纤维处理装置的制作方法

1.本技术涉及制备聚丙烯腈基预氧化纤维的技术领域，具体涉及一种预氧化纤维处理装置。


背景技术：

2.碳纤维作为一种含碳量高于90％的碳材料，具有高比强度、高比模量、高耐热性、低密度等优异性能。作为碳纤维的前驱体之一，聚丙烯腈基纤维制备碳纤维主要包括热氧稳定化和碳化过程。热氧稳定化过程一般在空气气氛中进行，在这一过程中，聚丙烯腈纤维会发生环化、氧化、脱氢、交联等反应。聚丙烯腈基预氧化纤维的性能对最终碳纤维的结构性能具有关键的影响因素。
3.然而，现有技术中对聚丙烯腈基纤维进行预氧化的装置采用普通的预氧化炉，预氧化方法为在预氧化炉中按照长时间低温预氧化或短时间高温预氧化等工艺进行预氧化处理。采用上述设备及上述方法制备的预氧化纤维容易产生断丝现象，无法实现纤维连续化预氧化，并且预氧化纤维存在结构和性能缺陷，进而导致最终制备的力学性能受到影响。
4.因此，如何提供一种纤维热处理装置，以提升预氧化纤维的性能和制备效率是需要解决的问题。


技术实现要素：

5.本技术提供一种预氧化纤维处理装置，以提升预氧化纤维的性能和制备效率。
6.本技术提供一种预氧化纤维处理装置，包括：腔体(1)，等离子体发生装置(2)，基座(3)，第一驱动装置(4)，第二驱动装置(5)；所述腔体(1)包括腔室(11)，以及在所述腔体(1)的两边侧壁相对设置的纤维输入口(12)和纤维输出口(13)；其中，所述腔室(11)设置于所述基座(3)上侧，所述等离子体发生装置(2)设置于所述腔体(1)的腔室(11)中、所述纤维输入口(12)和纤维输出口(13)的上侧；在所述腔室(11)中，所述等离子体发生装置(2)、与所述基座(3)、所述纤维输入口(12)和所述纤维输出口(13)之间区域形成纤维处理区域(14)；所述第一驱动装置(4)设置于所述纤维输入口(12)外侧，所述第二驱动装置(5)设置于所述纤维输出口(13)外侧；工作状态下，所述第一驱动装置(4)驱动纤维(6)从所述纤维输入口(12)进入所述纤维处理区域(14)进行预氧化反应，并且反应后的纤维在所述第二驱动装置(5)的牵引下从所述纤维输出口(13)输出并置于所述第二驱动装置(5)上。
7.可选的，所述等离子体发生装置(2)包括：第一导流板(21)，第二导流板(22)，电极装置(23)；所述第一导流板(21)位于所述第二导流板(22)的上方；所述第一导流板(21)和所述第二导流板(22)均包括分布均匀的通孔；所述电极装置(23)用于连接高压电源，在高压电源下对气体进行电离，产生等离子体；工作状态下，气体通过所述第一导流板(21)的通孔导流后进入分流结构中，并通过所述分流结构进入所述电极装置(23)产生的高电压区域对所述气体进行电离，产生等离子体，所述等离子体通过所述第二导流板(22)的通孔进入所述纤维处理区域(14)中。
8.可选的，工作状态下，所述纤维(6)在所述纤维处理腔室中与所述纤维输入端和所述纤维输出端不接触。
9.可选的，还包括：位于所述腔体(1)侧壁的进气口(15)，位于所述腔体(1)外侧的进气管(24)，加热装置(25)；所述进气管(24)的一端穿过所述进气口(15)与所述等离子体发生装置(2)连接；所述进气管(24)的另一端贯穿所述加热装置(25)。
10.可选的，还包括：位于所述腔体(1)的内侧的保温隔膜(16)，所述保温隔膜(16)包裹所述等离子体发生装置(2)和所述纤维处理区域(14)，以使所述纤维处理区域(14)处于恒温区域。
11.可选的，所述保温隔膜的材质为泡棉和锡纸。
12.可选的，还包括：分别用于吸收所述纤维处理区域(14)排出的气体的第一鼓风机(7)和第二鼓风机(8)；所述第一鼓风机(7)位于所述纤维输入口(12)外侧，所述第二鼓风机位于所述纤维输出口(13)外侧。
13.可选的，所述进气管(24)为耐高温钢管。
14.与现有技术相比，本技术具有以下优点：
15.本技术提供一种预氧化纤维处理装置，包括：腔体(1)，等离子体发生装置(2)，基座(3)，第一驱动装置(4)，第二驱动装置(5)；所述腔体(1)包括腔室(11)，以及在所述腔体(1)的两边侧壁相对设置的纤维输入口(12)和纤维输出口(13)；其中，所述腔室(11)设置于所述基座(3)上侧，所述等离子体发生装置(2)设置于所述腔体(1)的腔室(11)中、所述纤维输入口(12)和纤维输出口(13)的上侧；在所述腔室(11)中，所述等离子体发生装置(2)、与所述基座(3)、所述纤维输入口(12)和所述纤维输出口(13)之间区域形成纤维处理区域(14)；所述第一驱动装置(4)设置于所述纤维输入口(12)外侧，所述第二驱动装置(5)设置于所述纤维输出口(13)外侧；工作状态下，所述第一驱动装置(4)驱动纤维(6)从所述纤维输入口(12)进入所述纤维处理区域(14)进行预氧化反应，并且反应后的纤维在所述第二驱动装置(5)的牵引下从所述纤维输出口(13)输出并置于所述第二驱动装置(5)上。
16.采用上述设备对聚丙烯腈基纤维进行预氧化处理，等离子体发生装置(2)产生等离子体和温度，并将所述等离子体和温度传递至纤维处理区域(14)。工作时，纤维(6)在所述第一驱动装置(4)的驱动下，从纤维输入口(12)进入所述纤维处理区域(14)进行预氧化，并通过纤维输出口(13)输出并缠绕与所述第二驱动装置(5)上，可以实现连续化制备聚丙烯腈基预氧化纤维。在上述等离子体和温度环境中进行预氧化反应，可以提升聚丙烯腈基预氧化纤维的制备效率，在预氧化纤维的环化程度和氧化程度达到标准情况时，缩短预氧化时间或降低预氧化温度。另外，采用该装置制备聚丙烯腈基预氧化纤维可以控制纤维的环化程度和氧化程度，因此，提升了聚丙烯腈基预氧化纤维的结构和性能。
附图说明
17.图1是本技术实施例提供的一种预氧化纤维处理装置的结构示意图。
18.图2为本技术实施例提供的一种预氧化纤维处理装置的侧视图。
19.其中，腔体(1)，等离子体发生装置(2)，基座(3)，第一驱动装置(4)，第二驱动装置(5)，纤维(6)，第一鼓风机(7)，第二鼓风机(8)，第一导流板(21)，第二导流板(22)，电极装置(23)，进气管(24)，加热装置(25)，腔室(11)，纤维输入口(12)，纤维输出口(13)，纤维处
理区域(14)，进气口(15)，保温隔膜(16)。
具体实施方式
20.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术。但是本技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似推广，因此本技术不受下面公开的具体实施的限制。
21.本技术实施例提供了一种预氧化纤维处理装置，以提升预氧化纤维的性能和制备效率。
22.以下通过实施例对本技术提供的预氧化纤维处理装置进行详细的介绍和说明。
23.如图1和图2所示，所述预氧化纤维处理装置包括：腔体(1)，等离子体发生装置(2)，基座(3)，第一驱动装置(4)，第二驱动装置(5)。以下分别予以介绍。
24.所述腔体(1)包括：腔室(11)、纤维输入口(12)、纤维输出口(13)、进气口(15)；所述纤维输入口(12)和所述纤维输出口(13)分别位于所述腔体(1)两边侧壁相对设置；所述进气口(15)设置于所述腔体(1)的侧壁、所述纤维输入口(12)和所述纤维输出口(13)的上侧。以下分别予以介绍。
25.所述腔室(11)用于提供为纤维进行预氧化处理的空间，为了在纤维进行预氧化过程中，对纤维进行等离子体处理，所述等离子体发生装置(2)设置于所述腔体(1)的腔室(11)中、所述纤维输入口(12)和纤维输出口(13)的上侧。所述腔室(11)设置于所述基座(3)上侧，在所述腔室(11)中，所述等离子体发生装置(2)、与所述基座(3)、所述纤维输入口(12)和所述纤维输出口(13)之间区域形成纤维处理区域(14)。纤维(6)在所述纤维处理区域(14)进行预氧化处理。
26.为了使纤维处理区域(14)可以达到适合纤维预氧化的恒温条件，所述腔体(1)内侧还包括保温隔膜(16)，如图1所示，所述保温隔膜(16)包裹所述等离子体发生装置(2)和所述纤维处理区域(14)。其中，所述纤维处理区域(14)中的温度是由所述等离子体发生装置(2)产生的温度，随着等离子体的传递进入所述纤维处理区域(14)中。所述保温隔膜(16)的材质为泡棉和锡纸，具体是，三层泡棉被一层锡纸包裹，锡纸层与等离子发生装置直接接触。
27.为了能够连续化制备聚丙烯腈基预氧化纤维，本技术在腔体外侧还设置有用于驱动纤维移动的驱动装置，具体如下：
28.所述第一驱动装置(4)设置于所述纤维输入口(12)外侧，所述第二驱动装置(5)设置于所述纤维输出口(13)外侧。其中，所述第一驱动装置(4)包括第一驱动轴，所述第二驱动装置(5)包括第二驱动轴。
29.所述第一驱动装置(4)用于放置未处理的纤维，并且纤维(6)通过所述纤维输入口(12)穿过所述纤维处理区域(14)与所述第二驱动装置(5)连接。
30.工作状态下，所述第一驱动装置(4)驱动纤维(6)从所述纤维输入口(12)进入所述纤维处理区域(14)进行预氧化反应，并且反应后的纤维在所述第二驱动装置(5)的牵引下从所述纤维输出口(13)输出并置于所述第二驱动装置(5)上，通过上述方式实现连续化制备聚丙烯腈基纤维。
31.同时，在该装置中，腔体(1)为镀锌钢壳体材质，为了避免纤维接触到腔体外壁，因
为摩擦导致纤维断裂的情况，工作状态下，所述纤维(6)在所述纤维处理腔室中与所述纤维输入端和所述纤维输出端不接触。另外，等离子体发生装置(2)的外壳也属于镀锌钢壳体材质，当工作时，纤维与等离子体发生装置(2)不接触，等离子体发生装置将等离子体通过其第二导流板上均匀分布的通孔传递至纤维处理区域(14)。
32.所述等离子体发生装置(2)用于将气体在高电压的电离作用下，产生等离子体，并将等离子体传递至所述纤维处理区域(14)中。
33.所述等离子体发生装置(2)包括：第一导流板(21)，第二导流板(22)，电极装置(23)；所述第一导流板(21)位于所述第二导流板(22)的上方；所述第一导流板(21)和所述第二导流板(22)均包括分布均匀的通孔；所述电极装置(23)用于连接高压电源，在高压电源下对气体进行电离，产生等离子体。
34.工作状态下，气体通过所述第一导流板(21)的通孔导流后进入分流结构中，并通过所述分流结构进入所述电极装置(23)产生的高电压区域对所述气体进行电离，产生等离子体，所述等离子体通过所述第二导流板(22)的通孔进入所述纤维处理区域(14)中。
35.其中，等离子体发生装置(2)将气体在高压下电离生成等离子体，其中，气体是能够产生等离子体的气体，例如，空气、氮气、氧气、氢气、氩气、氦气、甲烷、丙烷等。本技术对气体的种类并不限定，具体气体的种类可根据实际情况决定。
36.为了将气体通入等离子体发生装置(2)中，本技术还设置了位于所述腔体(1)侧壁的进气口(15)，位于所述腔体(1)外侧的进气管(24)，如图1和图2所示，所述进气管(24)的一端穿过所述进气口(15)与所述等离子体发生装置(2)连接。
37.由于等离子体发生装置(2)将气体电离得到等离子体过程中，产生部分热量，该热量也会传递至纤维处理区域(14)。为了使得纤维处理区域(14)达到适合纤维预氧化处理的设定温度，本装置还包括加热装置(25)，如图1和图2所示，所述进气管(24)的另一端贯穿所述加热装置(25)。当气体进入进气管(24)后，经过加热装置加热，使得气体达到一定的温度，气体在等离子体发生装置(2)产生等离子体后，等离子体通过第二导流板的通孔传递至纤维处理区域的同时，也将温度传递至纤维处理区域。
38.为了避免进气管(24)受到高温影响，本技术中采用的进气管材质为耐高温钢管。
39.在对纤维进行预氧化处理之前，采用标温工具检测纤维处理区域的温度达到设定温度后，启动第一驱动装置驱动纤维进入纤维处理区域进行预氧化处理。
40.此外，等离子体生产设备将气体电离形成等离子体的过程中，还产生了臭氧，为了避免臭氧泄露，本装置还包括分别用于吸收所述纤维处理区域(14)排出的气体的第一鼓风机(7)和第二鼓风机(8)；所述第一鼓风机(7)位于所述纤维输入口(12)外侧，所述第二鼓风机位于所述纤维输出口(13)外侧。如图1和图2所示，所述第一鼓风机(7)和所述第二鼓风机(8)分别位于纤维输入口(12)和纤维输出口(13)所在位置的后侧方向，当臭氧气体从纤维输入口和纤维输出口输出时，第一鼓风机和第二鼓风机将臭氧吸入，避免实验室环境受到污染。
41.本技术提供一种预氧化纤维处理装置，包括：腔体(1)，等离子体发生装置(2)，基座(3)，第一驱动装置(4)，第二驱动装置(5)；所述腔体(1)包括腔室(11)，以及在所述腔体(1)的两边侧壁相对设置的纤维输入口(12)和纤维输出口(13)；其中，所述腔室(11)设置于所述基座(3)上侧，所述等离子体发生装置(2)设置于所述腔体(1)的腔室(11)中、所述纤维
输入口(12)和纤维输出口(13)的上侧；在所述腔室(11)中，所述等离子体发生装置(2)、与所述基座(3)、所述纤维输入口(12)和所述纤维输出口(13)之间区域形成纤维处理区域(14)；所述第一驱动装置(4)设置于所述纤维输入口(12)外侧，所述第二驱动装置(5)设置于所述纤维输出口(13)外侧；工作状态下，所述第一驱动装置(4)驱动纤维(6)从所述纤维输入口(12)进入所述纤维处理区域(14)进行预氧化反应，并且反应后的纤维在所述第二驱动装置(5)的牵引下从所述纤维输出口(13)输出并置于所述第二驱动装置(5)上。
42.采用上述设备对聚丙烯腈基纤维进行预氧化处理，等离子体发生装置(2)产生等离子体和温度，并将所述等离子体和温度传递至纤维处理区域(14)。工作时，纤维(6)在所述第一驱动装置(4)的驱动下，从纤维输入口(12)进入所述纤维处理区域(14)进行预氧化，并通过纤维输出口(13)输出并缠绕与所述第二驱动装置(5)上，可以实现连续化制备聚丙烯腈基预氧化纤维。在上述等离子体和温度环境中进行预氧化反应，可以提升聚丙烯腈基预氧化纤维的制备效率，在预氧化纤维的环化程度和氧化程度达到标准情况时，缩短预氧化时间或降低预氧化温度。另外，采用该装置制备聚丙烯腈基预氧化纤维可以控制纤维的环化程度和氧化程度，因此，提升了聚丙烯腈基预氧化纤维的结构和性能。
43.经实验测定，采用本技术提供的预氧化纤维处理装置制备聚丙烯腈基预氧化纤维相比与常规的空气氛围中制备的聚丙烯腈基预氧化纤维，具有如下有益效果：
44.实施例1(相同预氧化温度不同预氧化时间条件对纤维进行预氧化处理)
45.启动等离子体发生装置，将空气通入进气管中，同时加热装置对进入进气管的气体进行加热，等离子体发生装置将气体在高压下电离生成等离子体，并且，等离子体通过第二导流板的通孔中通入纤维处理区域中。将纤维处理区域的温度分别控制在230℃，240℃，250℃，260℃，270℃下，每种温度条件下的纤维样品的处理时间为2min对纤维进行预氧化处理。
46.以下通过表1说明通过等离子体处理的聚丙烯腈基预氧化纤维的体密度，与常规的预氧化炉(不包含等离子体发生装置)制备的聚丙烯腈基预氧化纤维的体密度，具体数据请参见表1。
47.表1
[0048][0049]
其中，1)ρ，是指体密度；
[0050]
2)plasma
‑
sfs，是指等离子体
‑
预氧化纤维，即在等离子体氛围中对纤维进行预氧化处理后的聚丙烯腈基预氧化纤维；
[0051]
3)air
‑
sfs，是指空气
‑
预氧化纤维，即在空气氛围中对纤维进行预氧化处理后的聚丙烯腈基预氧化纤维。
[0052]
由表1可知，在预氧化时间相同的条件下，随着温度的升高，生成的预氧化纤维密度增大，另外，在相同的预氧化工艺下，等离子体
‑
聚丙烯腈基预氧化纤维的密度大于空气
‑
聚丙烯腈基预氧化纤维的密度，说明对纤维进行等离子体处理对纤维的预氧化处理有促进作用。根据表1中的密度增长率可知，当温度为260℃时，等离子体处理后的预氧化纤维密度与空气下处理的预氧化纤维密度的密度增长率达到最大值，说明温度为260℃时，等离子体对纤维的预氧化作用最好。当温度高于260℃后，温度对纤维的预氧化作用占主导作用。
[0053]
由表1可知，采用本技术提供的预氧化纤维处理装置制备聚丙烯腈基预氧化纤维，对纤维进行等离子体处理，在预氧化时间相同的情况下，有利于降低纤维的预氧化温度。
[0054]
实施例2(不相同预氧化温度相同预氧化时间条件对纤维进行预氧化处理)
[0055]
启动等离子体发生装置，将空气通入进气管中，同时加热装置对进入进气管的气体进行加热，等离子体发生装置将气体在高压下电离生成等离子体，并且，等离子体通过第二导流板的通孔中通入纤维处理区域中。将纤维处理区域的温度固定在250℃下，分别采用处理时间为2min，4min，6min，8min，10min对纤维进行预氧化处理。
[0056]
以下通过表2说明通过等离子体处理的聚丙烯腈基预氧化纤维的体密度，与常规的预氧化炉(不包含等离子体发生装置)制备的聚丙烯腈基预氧化纤维的体密度，具体数据请参见表2。
[0057]
表2
[0058][0059]
由表2可知，在250℃，处理时间为2min的条件下得到的plasma
‑
sfs和air
‑
sfs样品的体密度增长率最大，随着时间增加增长率逐渐降低，4min后增长率出现反向回弹的现象。由此表明，在该时间范围内等离子体效果最佳的条件是温度250℃，时间2min。
[0060]
综上可知，采用等离子体对纤维进行处理后进行预氧化处理，在预氧化温度相同的情况下，等离子体对纤维进行短时的处理，更有利于制备体密度较好的聚丙烯腈基预氧化纤维。
[0061]
本技术虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本技术，任何本领域技术人员在不脱离本技术的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本技术的保护范围应当以本技术权利要求所界定的范围为准。