均质化处理装置和方法、及聚丙烯腈基碳纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维技术领域，特别是涉及一种均质化处理装置和方法、及聚丙烯腈基碳纤维的制备方法。
背景技术
聚丙烯腈基碳纤维是含碳量高于90％的无机高分子纤维。它广泛应用于航空航天，轨道交通，风力发电，体育器械等领域。聚丙烯腈基碳纤维的制备工艺包括：制备聚丙烯腈纤维(在此的聚丙烯腈纤维指的是聚丙烯腈基碳纤维的前驱体，本领域技术人员也称为“原丝”)、对聚丙烯腈纤维依次进行预氧化、碳化、表面处理、上浆等操作，得到聚丙烯腈基碳纤维。
目前，对聚丙烯腈纤维进行预氧化工艺主要流程为：聚丙烯腈纤维在退丝纱架的张力控制下，经过传动罗拉，直接送入氧化炉中进行预氧化。现有相关技术在聚丙烯腈纤维的退丝步骤和对聚丙烯腈纤维进行预氧化的步骤之间增设了预热步骤，以对聚丙烯腈纤维进行脱水去油，减少了水和油剂对预氧炉的污染。
但是，本发明的发明人发现现有的聚丙烯腈基碳纤维制备工艺至少存在如下问题：聚丙烯腈纤维进入氧化炉前，不同工位的聚丙烯腈纤维的含水率差别较大，导致在预氧化过程中不同工位的聚丙烯腈纤维的环化反应程度不一致，进而使得不同工位的聚丙烯腈基碳纤维力学性能的离散系数偏差较大。同时，现有技术对聚丙烯腈纤维进行连续均质化处理的研究较少。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种均质化处理装置和方法、及聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，主要目的是：在聚丙烯腈纤维进行预氧化处理之前，能降低不同工位的聚丙烯腈纤维的含水率离散系数。
在此需要说明的是，本发明中的术语“聚丙烯腈纤维”指的是聚丙烯腈基碳纤维的前驱体，本领域技术人员俗称为“原丝”。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一方面，本发明的实施例提供一种均质化处理装置，用于在聚丙烯腈纤维的退丝步骤之后、对聚丙烯腈纤维进行预氧化的步骤之前，对聚丙烯腈纤维进行均质化处理，其中，所述均质化处理装置包括：
喷淋装置，所述喷淋装置用于将水喷淋在聚丙烯腈纤维的表面上；
干燥预热装置，所述干燥预热装置用于对喷淋处理后的聚丙烯腈纤维进行干燥预热处理，并使所述聚丙烯腈纤维保留设定的含水率；
其中，聚丙烯腈纤维在传动装置的牵引作用下，先经过所述喷淋装置进行喷淋处理、再经过所述干燥预热装置进行干燥预热处理。
优选的，所述均质化处理装置还包括：
张力平衡装置，用于对聚丙烯腈纤维的张力进行调节，将聚丙烯腈纤维的张力值调节为目标张力值；
其中，聚丙烯腈纤维在传动装置的牵引作用下，依次经过所述喷淋装置、张力平衡装置、干燥预热装置；或
聚丙烯腈纤维在传动装置的牵引作用下，依次经过所述张力平衡装置、喷淋装置、干燥预热装置。
优选的，所述喷淋装置包括喷淋管路和喷淋头；其中，所述喷淋头与所述喷淋管路连接，用于将水喷洒在经过所述喷淋装置的聚丙烯腈纤维的表面上；优选的，所述喷淋装置还包括水槽；其中，所述水槽位于所述喷淋头的下方；聚丙烯腈纤维在传动装置的牵引作用下，从所述喷淋头和水槽之间经过所述喷淋装置。
优选的，所述干燥预热装置包括多个干燥热辊；其中，聚丙烯腈纤维在传动装置的牵引作用下，依次经过所述干燥预热装置中的多个干燥热辊；优选的，所述均质化处理装置还包括排废罩，用于将聚丙烯腈纤维在干燥预热时产生的水汽排至室外；优选的，所述干燥热辊的温度调节范围为50-200℃。
优选的，所述张力平衡装置包括：第一导向罗拉、张力调节罗拉、第二导向罗拉及调节装置；其中，
聚丙烯腈纤维在传动装置的牵引作用下，依次经过第一导向罗拉、张力调节罗拉、第二导向罗拉；水平运行的聚丙烯腈纤维经所述第一导向罗拉的导向后，纵向向下运行；纵向向下运行的聚丙烯腈纤维经所述张力调节罗拉的导向后，纵向向上运行；纵向向上运行的聚丙烯腈纤维经所述第二导向罗拉的导向后，水平运行；
所述调节装置用于调节所述张力调节罗拉在纵向方向上的位置，以对聚丙烯腈纤维的张力进行调节；
优选的，所述张力平衡装置的张力调节范围为50-2000cN。
优选的，所述调节装置包括传动带、水箱及重物；其中，所述重物安置在所述水箱中；所述传动带的一端与所述张力调节罗拉连接，传动带向上延伸且传动带的另一端经导向结构的导向后与所述重物连接；其中，通过调节所述水箱中的储水量来调节所述重物受力平衡时所处的位置，进而调节所述张力调节罗拉在纵向方向上的位置；或
所述调节装置包括驱动机构，其中，所述驱动机构与所述张力调节罗拉连接，通过驱动所述张力调节罗拉上移或下移动，来调节所述张力调节罗拉在纵向方向上的位置；优选的，所述驱动机构包括气缸。
另一方面，本发明实施例提供一种均质化处理方法，其中，用于在聚丙烯腈纤维的退丝步骤之后、对聚丙烯腈纤维进行预氧化的步骤之前，对聚丙烯腈纤维进行均质化处理，其中，所述均质化处理方法包括如下步骤：
水喷淋：对聚丙烯腈纤维进行水喷淋处理，以使所述聚丙烯腈纤维的表面附着水；
干燥预热：对喷淋处理后的聚丙烯腈纤维进行干燥预热处理，以对聚丙烯腈纤维进行干燥，并使所述聚丙烯腈纤维保留设定的含水率。
优选的，所述均质化处理的步骤还包括：
张力平衡：对聚丙烯腈纤维进行张力调节，以将聚丙烯腈纤维的张力调节为目标值；
其中，所述张力平衡的步骤在所述水喷淋的步骤之后、所干燥预热的步骤之前进行；或所述张力平衡的步骤在所述水喷淋的步骤之前进行。
优选的，通过上述任一项所述的均质化处理装置，对聚丙烯腈纤维进行均质化处理。
优选的，当所述均质化处理装置包括张力平衡装置，且所述张力平衡装置包括第一导向罗拉、张力调节罗拉、第二导向罗拉及调节装置时：
若聚丙烯腈纤维的张力值小于目标张力值，则在聚丙烯腈纤维经过所述张力平衡装置时，通过所述调节装置使所述张力调节罗拉纵向下移第一设定距离；
若聚丙烯腈纤维的张力值大于目标张力值，则在聚丙烯腈纤维经过所述张力平衡装置时，通过所述调节装置使所述张力调节罗拉纵向上升第二设定距离。
再一方面，本发明实施例提供一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，在聚丙烯腈基碳纤维制备过程中的聚丙烯腈纤维的退丝步骤之后、对聚丙烯腈纤维进行预氧化的步骤之前，还包括：对聚丙烯腈纤维进行均质化处理的步骤；其中，
采用上述任一项所述的均质化处理装置对聚丙烯腈纤维进行均质化处理；和/或
采用上述任一项所述的均质化处理方法对聚丙烯腈纤维进行均质化处理。
与现有技术相比，本发明的均质化处理装置和方法、及聚丙烯腈基碳纤维的制备方法至少具有下列有益效果：
一方面，本发明实施例提供的均质化处理装置及方法，通过喷淋装置使聚丙烯腈纤维的表面均匀附着一定量的水，可以减少纤维静电作用产生的毛丝。然后，通过干燥预热装置将对聚丙烯腈纤维进行干燥，同时控制聚丙烯腈纤维保留一定的含水率，以对聚丙烯腈纤维起到含水均质化作用。
进一步地，本发明实施例提供的均质化处理装置及方法，通过张力平衡装置对聚丙烯腈纤维的张力进行调节，使不同工位的聚丙烯腈纤维的张力保持一致，最后在干燥热辊的作用下，对原丝起到含水均质化作用，从而使聚丙烯腈纤维进入氧化炉前的性能保持一致性，最终解决聚丙烯腈基碳纤维的性能指标离散系数偏大的问题。
另一方面，本发明实施例提供的聚丙烯腈基碳纤维，通过在聚丙烯腈基碳纤维制备过程中的聚丙烯腈纤维的退丝步骤之后、对聚丙烯腈纤维进行预氧化的步骤之前，增设聚丙烯腈纤维进行均质化处理的步骤，从而使得所制备的聚丙烯腈基碳纤维的性能离散系数更加均匀。因此，本发明达到了预期的设计目标要求，提高了经济效益。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的实施例提供的一种均质化处理装置的结构示意图；
图2是本发明的实施例提供的一种均质化处理方法的流程示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
实施例1
一方面，本实施例提供一种均质化处理装置，用于在聚丙烯腈纤维的退丝步骤之后、对聚丙烯腈纤维进行预氧化的步骤之前，对聚丙烯腈纤维进行均质化处理。如图1所示，本实施例中的均质化处理装置包括：喷淋装置和干燥预热装置。其中，喷淋装置用于将水喷淋在聚丙烯腈纤维1的表面上。干燥预热装置用于对喷淋处理后的聚丙烯腈纤维1进行干燥预热处理，并使聚丙烯腈纤维1保留设定的含水率。其中，聚丙烯腈纤维1在传动装置的牵引作用下，先经过喷淋装置进行喷淋处理、再经过干燥预热装置进行干燥预热处理。
较佳地，喷淋装置包括喷淋管路21和喷淋头22；其中，喷淋头22与喷淋管路21连接，用于将水喷洒在经过喷淋装置的聚丙烯腈纤维1的表面上。优选的，喷淋装置还包括水槽23；其中，水槽23位于喷淋头22的下方；聚丙烯腈纤维1在传动装置的牵引作用下，从喷淋头22和水槽23之间经过喷淋装置。
较佳地，干燥预热装置包括多个干燥热辊41；其中，聚丙烯腈纤维1在传动装置的牵引作用下，依次经过干燥预热装置中的多个干燥热辊41。较佳地，干燥热辊41的数量为8个。
较佳地，均质化处理装置还包括排废罩42，用于将聚丙烯腈纤维在干燥预热时产生的水汽排至室外。其中，干燥热辊的温度调节范围为50-200℃。
在此，本实施例提供的均质化处理装置，通过喷淋装置使聚丙烯腈纤维的表面均匀附着一定量的水，可以减少纤维静电作用产生的毛丝。然后，通过干燥预热装置按照一定温度梯度对热辊进行温度优化设置后，对聚丙烯腈纤维进行干燥，保证不同工位聚丙烯腈纤维保留一定的含水率，含水率的控制范围一般为0.7-0.9％，对聚丙烯腈纤维起到含水均质化作用。其中上述的按照一定温度梯度对热辊进行温度优化设置具体是指，在干燥预热装置中，后一个热辊比前一个干燥热辊的温度高10-20℃。其中起始热辊的温度一般为50-70℃，终止热辊的温度为170-200℃。在干燥预热步骤后，进入氧化炉之前进行人工取样送检。
在此，控制聚丙烯腈纤维保留一定的含水率，具有如下正向作用：在预氧化初期，聚丙烯腈纤维中的水分与聚丙烯腈纤维反应产生的含氧官能团结合，强化了纤维结构中分子链的相互缠结，冻结了部分大分子链段的反应能力，使得环化反应速率缓和并得到有效控制，减少致密氧化层结构的形成，有利于空气中氧分子的扩散渗透，同时水在纤维表面生成微小孔，有利于氧的进入和反应产生废物的逸出，预氧化过程中的双扩散作用增强，预氧丝皮芯结构减少，可得到均质化纤维。其中含水率＝(取样丝束-烘干丝束)/烘干丝束×100％。
如果聚丙烯腈纤维中含有过量的水分，会使得聚丙烯腈纤维的环化程度反应速率过低。而环化程度是发生氧化反应的前提，氧化反应发生程度便会更低，最终导致纤维预氧化程度不足，预氧丝的皮芯结构过大，纤维均质化程度降低，性能降低。
由此可见，控制聚丙烯腈纤维保留设定量的含水率，能提高不同工位聚丙烯腈纤维预氧化程度的一致性，进而能提高聚丙烯腈基碳纤维的均质化。
实施例2
较佳地，本实施例提供一种均质化处理装置，如图1所示，本实施例的均质化处理装置还包括张力平衡装置，用于对聚丙烯腈纤维的张力进行调节，将聚丙烯腈纤维的张力值调节为目标张力值。
其中，聚丙烯腈纤维在传动装置的牵引作用下，依次经过所述喷淋装置、张力平衡装置、干燥预热装置；或聚丙烯腈纤维在传动装置的牵引作用下，依次经过所述张力平衡装置、喷淋装置、干燥预热装置。
较佳地，本实施例中的张力平衡装置包括：第一导向罗拉31、张力调节罗拉33、第二导向罗拉32及调节装置(第一导向罗拉31、第二导向罗拉32固定在支架上，分别由电机带动；张力调节罗拉33两侧端头有两个滚动轴承)。其中，聚丙烯腈纤维在传动装置的牵引作用下，依次经过第一导向罗拉31、张力调节罗拉33、第二导向罗拉32。水平运行的聚丙烯腈纤维经第一导向罗拉31的导向后，纵向向下运行；纵向向下运行的聚丙烯腈纤维经张力调节罗拉33的导向后，纵向向上运行；纵向向上运行的聚丙烯腈纤维经第二导向罗拉32的导向后，水平运行。其中，调节装置用于调节所述张力调节罗拉33在纵向方向上的位置(即，通过调节装置使张力调节罗拉33沿着纵向方向上移或下移)，以对聚丙烯腈纤维的张力进行调节。优选的，张力平衡装置的张力调节范围为50-2000cN。
进一步较佳地，本实施例中的调节装置设置成如下结构：
调节装置包括传动带34、水箱38及重物37。重物37安置在水箱38中。其中，传动带34的一端与所述张力调节罗拉33连接，传动带向上延伸后(即，传动带的与张力调节罗拉33连接的一端为下端)，传动带的另一端并经过导向罗拉(第三导向罗拉35、第四导向罗拉36)后与重物37连接。其中，通过调节水箱38中的储水量来调节重物37受力平衡时所处的位置，进而调节张力调节罗拉33在纵向方向上的位置。
例如：(1)运行丝束的目标张力值为2000cN，而目前张力平衡装置处丝束的张力值为1500cN。在此，通过向水箱38中注入水，随着水液位的提升，重物37产生的浮力逐渐增大，此时，重物所受的张力调节罗拉的拉力加上所受的浮力大于重物自身的重力，重物38在传动带34的作用下逐渐上浮，张力调节罗拉33下沉，则丝束承载的牵伸张力则增大，待到张力调节罗拉33与重物37重新建立平衡时，张力调节罗拉37下降的位移为h，重物37则上升的位移为h，进而实现对丝束张力的调节。(2)当运行丝束的张力目标值为2000cN，而目前张力平衡装置处丝束的张力值为2500cN。通过使水箱38排水，随着水箱液位的降低，重物37产生的浮力逐渐减小，此时，重物所受的张力调节罗拉的拉力加上所受的浮力小于重物自身的重力，重物37在传动带的作用下逐渐下沉，张力调节罗拉33则上升，则丝束承载的牵伸张力则降低，待到张力调节罗拉33与重物37重新建立平衡时，张力调节罗拉33发生上升的位移为h，重物37下降的位移为h，进而实现对丝束张力的调节。在正常状态下，张力调节罗拉33每降低0.5cm，丝束张力增加100cN。
另外，调节装置除了设计成上述结构，还可以设计成如下结构：调节装置包括驱动机构，其中，驱动机构与张力调节罗拉33连接，通过驱动所述张力调节罗拉33上移或下移动，来调节所述张力调节罗拉33在纵向方向上的位置。在此，所述驱动机构包括气缸，利用气缸驱动张力调节罗拉33上升或下降。
综上，本实施例提供的均质化处理装置，通过张力平衡装置对聚丙烯腈纤维的张力进行调节，使不同工位的聚丙烯腈纤维的张力保持一致，最后在干燥热辊的作用下，对原丝起到含水均质化作用，从而使聚丙烯腈纤维进入氧化炉前的性能保持一致性，最终解决碳纤维的性能指标离散系数偏大的问题。
较佳地，上述实施例中的均质化处理装置还包括均质化处理室，喷淋装置、张力平衡装置、干燥预热装置均安置在均质化处理室中。并且，均质化处理室上开设有丝束进口、丝束出口。聚丙烯腈纤维丝束从丝束进口进入均质化处理室中依次进行喷淋、张力平衡、干燥预热(或张力平衡、喷淋、干燥预热)后，从丝束出口牵引出。
实施例3
另一方面，本实施例提供一种均质化处理方法，如图2所示，用于在聚丙烯腈纤维的退丝步骤之后、对聚丙烯腈纤维进行预氧化的步骤之前，对聚丙烯腈纤维进行均质化处理。其中，均质化处理方法包括如下步骤：
水喷淋：对聚丙烯腈纤维进行水喷淋处理，以使所述聚丙烯腈纤维的表面附着水。
干燥预热：对喷淋处理后的聚丙烯腈纤维进行干燥预热处理，以对聚丙烯腈纤维进行干燥，并使所述聚丙烯腈纤维保留设定的含水率。
较佳地，所述均质化处理的步骤还包括：
张力平衡：对聚丙烯腈纤维进行张力调节，以将聚丙烯腈纤维的张力调节为目标值；其中，所述张力平衡的步骤在所述水喷淋的步骤之后、所干燥预热的步骤之前进行；或所述张力平衡的步骤在所述水喷淋的步骤之前进行。
在此，本实施例提供的均质化处理方法，通过喷淋步骤，使原丝表面均匀附着一层水，经过张力平衡装置的调节，使不同工位原丝张力保持一致，最后在干燥热辊的作用下，对原丝起到含水均质化作用，从而使原丝进入氧化炉前的性能保持一致性，最终解决碳纤维的性能指标离散系数偏大的问题。
较佳地，通过实施例1、实施例2所述的均质化处理装置，对聚丙烯腈纤维进行均质化处理。
较佳地，如图1所示，在张力平衡步骤中：
(1)若聚丙烯腈纤维的张力值小于目标张力值，则在聚丙烯腈纤维1经过张力平衡装置时，通过所述调节装置使所述张力调节罗拉33纵向下移第一设定距离。
如图1所示，可以向水箱38中补入水，使重物37上升第一设定距离，在传动带34的作用下，张力调节罗拉33会纵向下移第一设定距离。
当然，也可以通过气缸直接驱动张力调节罗拉33纵向下移第一设定距离。
(2)若聚丙烯腈纤维的张力值大于目标张力值，则在聚丙烯腈纤维经过所述张力平衡装置时，通过所述调节装置使所述张力调节罗拉纵向上升第二设定距离。
如图1所示，可以使水箱38排水，使重物37下降第二设定距离，在传动带34的作用下，张力调节罗拉33会纵向上升第二设定距离。
当然，也可以通过气缸直接驱动张力调节罗拉33纵向上移第二设定距离。
实施例4
本实施例提供一种聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，其中，在聚丙烯腈基碳纤维制备过程中的聚丙烯腈纤维的退丝步骤之后、对聚丙烯腈纤维进行预氧化的步骤之前，增设了对聚丙烯腈纤维进行均质化处理的步骤。其中，采用实施例1或实施例2所述的均质化处理装置对聚丙烯腈纤维进行均质化处理；或实施例3所述的均质化处理方法对聚丙烯腈纤维进行均质化处理。
在此，本实施例提出的聚丙烯腈基碳纤维的制备步骤主要包括：制备聚丙烯腈纤维、均质化处理(喷淋、张力平衡、干燥预热)、对聚丙烯腈纤维依次进行预氧化、碳化、表面处理、上浆等步骤
在此，由于本实施例提供的聚丙烯腈基碳纤维的制备方法，在聚丙烯腈基碳纤维制备过程中的聚丙烯腈纤维的退丝步骤之后、对聚丙烯腈纤维进行预氧化的步骤之前，采用了上述实施例的均质化处理装置及方法对聚丙烯腈纤维进行预氧化，从而使得最终制成的聚丙烯腈基碳纤维的性能指标离散系数小。
下面通过具体对比实验进一步对本发明进行说明：
实施例5
实施例5制备一种聚丙烯腈基碳纤维，本实施例中的聚丙烯腈原丝规格为T800H-12k，张力调节的目标值400-600cN，与常规的聚丙烯腈基碳纤维的制备工艺相比，实施例5在聚丙烯腈纤维的退丝步骤之后、对聚丙烯腈纤维进行预氧化的步骤之前，增设了对聚丙烯腈纤维进行均质化的步骤，具体如下：
如图1、图2所示，在聚丙烯腈纤维的退丝步骤和预氧化步骤之间增加喷淋、张力平衡、干燥预热三个步骤。喷淋步骤采用的装置为喷淋装置，喷淋装置包含水槽23，喷淋头22，喷淋总管21。张力平衡步骤采用的装置为张力平衡装置，张力平衡装置包含第一导向罗拉31、第二导向罗拉32和张力调节罗拉33。干燥预热步骤采用的装置为干燥预热装置，干燥预热装置包含8个干燥热辊41组成的干燥热辊单元。喷淋装置中的水经过固定喷淋支架上的喷淋总管21经由喷淋头22喷至聚丙烯腈纤维表面，汇至水槽23。张力平衡装置中两个第一导向罗拉31、第二导向罗拉32固定在支架上，分别由电机带动。张力调节罗拉33两侧端头有两个滚动轴承，同时通过传动带34与水箱38中的重物37连接，通过张力调节罗拉32的自身重力与水箱38中重物37的浮力变化差值调整张力调节导向罗拉33的纵向位置进而调节丝束的张力(具体调节方法，参见实施例2的内容)。
同时，干燥形成的水汽可通过排废罩42排至室外。其中，喷淋装置的喷淋量为5L/min，张力平衡装置的装机功率(第一导向罗拉、第二导向罗拉的电机传动功率)为8kW，干燥预热装置的装机功率为96kW，干燥预热的温度为80-150℃，总处理时间为4min。
比较例1
比较例1制备一种聚丙烯腈基碳纤维，其制备工艺与实施例5的区别在于：聚丙烯腈纤维的退丝步骤和预氧化步骤之间无喷淋、张力平衡和干燥预热三个步骤，而是将退丝步骤后的聚丙烯腈纤维通过传动罗拉直接进入氧化炉进行反应。
对实施例5、比较例1中的预氧化前的聚丙烯腈纤维、所制备的聚丙烯腈基碳纤维的性能进行如下对比：
(1)不同工位间的聚丙烯腈纤维(不同工位的原丝)、聚丙烯腈基碳纤维的性能进行对比，参见表1所示。
表1
注：统计结果为5批次，每批次100轴原丝及其对应碳丝性能数值。
(2)同一工位长程的聚丙烯腈纤维(同一工位长程的原丝)、聚丙烯腈基碳纤维的性能进行对比，参见表2所示。
表2
注：统计结果为5批次，每批次10轴原丝及其对应碳丝性能数值。
从表1、表2的数据可以明显看出，聚丙烯腈纤维(原丝)经过连续均质化处理后，聚丙烯腈纤维(原丝)的含水率指标和聚丙烯腈基碳纤维的性能指标，在不同工位间和同一工位长程上的离散系数更加均匀。因此，本发明达到了预期的设计目标要求，提高了经济效益。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
