[发明专利]在射频法加热纤维束丝中消除单丝间打火的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于对射频法实现碳纤维石墨化生产工艺及生产设备的改进和完善。具体的说是在射频法加热纤维束丝中消除单丝间打火的方法及装置。

背景技术

碳纤维石墨化的生产技术中，需要将碳纤维为原料将其加热至2400℃以上高温时，借助持续牵伸力使碳分子成有序晶格结构，从而完成由普通碳分子向石墨化分子的转化。由陈新谋创立的射频法碳纤维石墨化生产工艺及设备则开创了本领域的先河，可以参考专利申请文献200410012239.7。该项技术是借助射频大功率发生器和匹配器，通过射频电缆将将电磁场能量直接送至线性聚焦的同轴共轭耦合腔，形成线形聚焦的电磁场，加载在穿过石英管热反应器的碳纤维上，可以直接加热到2400℃以上完成石墨化结构的转换。该加工工艺设备简单，调控简便而准确，极大地节约了能源和降低了成本，是本领域内的一次突破性改进，解决了碳纤维石墨化加工中最关键的加热设备和工艺操作技术，并可以推广到对预氧化纤维的加热处理的工艺中。但是，在具体的连续生产过程中，所涉及到的碳纤维或预氧化纤维往往是数千根单丝无序散乱组合在一起的丝束，在高频电磁场的作用下，不可避免的出现邻近效应而导至单丝间的排斥，形成丝束进一步的散乱，而且中间夹杂着断头单丝的丝毛。由于场强分布的差异使得单丝感应电动势不同，很容易造成丝毛搭接打火，导致断头增加。这就直接影响到最终产品的强度和和质量。为了保证高温环境下的连续生产的稳定性，需要对生产工艺及相关的生产设备做进一步的完善和改进。

发明内容

本发明的目的是设计一种在射频法加热纤维束丝工艺中消除单丝间打火的方法及装置，消除电磁感应下同种电荷排斥导致的临近效应，进一步提高射频法加热设备的工作效率。

本发明的基本解决思路就是将单丝组成的丝束打捻，使之成为单丝间相互制约的绳，从而可以大大削弱临近效应导致的单丝间的电位差，同时打捻的结果大大地束缚了断头单丝摆动的自由度，消除了打火产生的几率。更重要的是，打捻成绳状的结果使得丝束在通过聚焦加热区时，丝束与线形聚焦电磁场复合度大大提高，使得射频发生器同等功率输出下热转换效率明显提高。具体是通过以下步骤实现的：

①对使用的射频线性聚焦加热装置进行改造，在送丝机构和石英管热反应器之间设置丝束加捻装置，

②被加热的纤维束丝在进入石英管热反应器之前进行加捻处理。

所以，本方法实现的基础是对现有的射频线性聚焦加热装置进行改进。具体的改进结构中包括射频发生器，功率匹配器，射频电缆和线性聚焦的同轴共轭耦合腔，及设在腔中的石英管热反应器，以及配套的差速放、收丝构机，关键在于在放、收丝机构和石英管热反应器之间设置了丝束加捻装置。

再加捻装置的作用下散乱的单丝丝束被处理成为绳状后进入石英管热反应器。本发明的积极效果是基本上消除了打火，高频热转换效率能明显提高。

下面结合附图及给出具体实施方式进一步说明本发明的目的是如何实现的。

附图说明

图1是所改进后的射频聚焦式加热装置的结构示意图。

附图中的数字标号代表：1代表射频发生器，2代表射频匹配器，3代表射频电缆，4代表石英管热反应器，5代表射频耦合腔。6代表加捻装置，7代表解捻装置，8代表与加捻/解捻装置配套的驱动机构，9A代表加捻/解捻装置中的框架，9B代表加捻/解捻装置中借助短轴定位在框架9A上的底版，9C代表加捻/解捻装置中设置在底版9C上的张紧导向轮，10代表送丝机构。11代表收丝机构，12代表束丝，13、14代表对辊。

具体实施方式

参照附图可以看出：在射频法纤维束丝加热中消除单丝间打火的方法是通过以下步骤实现的：

对使用的射频线性聚焦加热装置进行改造，在送丝机构10和石英管热反应器4之间设置丝束加捻装置6之后，就可以对被加热的纤维束丝12在进入石英管热反应器4之前进行加捻处理，从而在进入石英管热反应器4并到达加热区后有效的防止打火现象。

但是，在多数应用场合，加工出来的产品是用来做复合材料的。为了保证复合基材与纤维代单丝间的结合强度，更希望束丝平行排列而非成加捻为绳状，它有利于减薄复合材料的厚度和提高比强度。

所以，从石英热反应器4的出来得加捻束丝有时需要解捻。为此在我们进一步改进的设计中对使用的射频线性聚焦装置的改造还包括在石英管热反应器4和收丝机构11之间设置了对加捻丝束的解捻装置7，并对从石英管热反应器引出的纤维束丝进行解捻处理。

附图中给出了加捻装置和解捻装置的结构和位置的具体实施例：