[0001] 本发明涉及碳纤维生产技术领域，具体涉及一种损伤小的碳纤维生产工艺。

[0002] 碳纤维是由有机母体纤维通过高温分解法制作成的新型材料。具有耐高温、抗摩擦、导电、导热且耐腐蚀等特性，其外形呈纤维状，可加工成各种织物。碳纤维石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量，且自身密度较小，比强度和比模量高。现有技术中，碳纤维常用作增强材料与树脂、金属、陶瓷和炭等进行复合，加工成为高强度的复合材料，其中，碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度和比模量是现有工程材料中最高的。碳纤维质地较脆，在碳纤维预浸料过程中，碳纤维起丝过程中会产生毛丝，对产品质量造成不良影响；且在碳纤维加工热固性树脂基复合材料时，由于固化过程不可逆，若加工过程中碳纤维存在缺陷（如表面损伤），则材料只能报废，导致生产成本过高。

[0003] 本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种损伤小的碳纤维生产工艺，本发明提供的诸多技术方案中优选的技术方案具有：减少碳纤维在起丝过程中的损伤，且通过热塑性的加工方式，提高成型效率，且可回收利用等技术效果，详见下文阐述。

[0004] 为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：本发明提供的一种损伤小的碳纤维生产工艺，包括以下步骤：
步骤a、退丝集线，选取原丝，分束后将新丝与旧丝使用耐热纤维连接，并且架设于集线板上；
步骤b、初干燥，将集线板连同原丝送入干燥设备内干燥，消除原丝中含有的水分；
步骤c、预氧化，将干燥后的原丝连同原丝送入预氧化炉中进行预氧化，预氧化炉连续设置有3个，且三个预氧化炉的温度区间分别为200℃-230℃、220℃-250℃、235℃-245℃，经预氧化的原丝由线性分子链转化为梯形结构，预氧化时间为75-110min，最终形成预氧丝；
步骤d、炭化，将预氧化后的预氧丝依次进行低温炭化和高温炭化，其中低温炭化炉内设5个温度区间，分别为350℃、450℃、550℃、650℃、750℃；高温碳化炉内设6个温度区间，分别为1050℃、1150℃、1250℃、1350℃、1450℃、1400℃，经过炭化后，预氧丝内部形成乱层石墨结构，并脱出小分子，形成具有一定牵伸力的炭化丝；
步骤e、表面处理，将炭化丝至于碳酸氢铵中性电解质中，采用5-15V的电压、20-30A的电流进行表面处理，表面处理后水洗清洁，去除炭化丝表面的电解液和其他杂质，而后烘干；
步骤f、上浆，采用浸渍法，将步骤e中产生的干燥清洁炭化丝浸入上浆剂中上浆，使每根炭化丝表面均匀附着皮层，从而完成上浆，而后中温干燥，浸渍过程采用带有高度可调的展纱固定辊的展纱设备进行，上浆后的炭化丝即为所需碳纤维；
步骤g、收丝，收集干燥后的碳纤维收卷。

[0005] 作为优选，所述步骤b中，初干燥采用卧式干燥炉，干燥温度为80℃-100℃。

[0006] 作为优选，所述步骤c中，三个炭化炉连续设置，且相互连通，干燥后的原丝在输送设备的输送下依次经过三个炭化炉进行连续炭化，三个炭化炉内的炭化时间分别为30min、30min和40min，共100min。

[0007] 作为优选，所述步骤e中，采用10V的电压、25A的电流进行表面处理。

[0008] 作为优选，所述步骤e中，干燥设备为卧式干燥炉，干燥温度为100℃。

[0009] 作为优选，所述步骤f中，展纱设备包括放卷结构、穿纱结构和展纱结构，炭化丝通过放卷机构放出，经由穿纱机构进入展纱机构，所述穿纱机构与所述展纱机构之间设有固定展纱辊组，固定展纱辊组由多个展纱辊构成，固定展纱辊组内相邻展纱辊位于相异水平面上且可进行竖直移动，碳纤维经由固定展纱辊组所形成迂回路径进入展纱机构。

[0010] 作为优选，所述步骤g中，干燥设备的立式干燥炉，干燥温度为180℃。

[0011] 综上，本发明的有益效果在于：通过在上浆过程中采用可调节高度的展纱设备，通过调节展纱固定辊的高度，可对展纱的松紧度进行调节，从而释放碳纤维的应力，防止碳纤维起毛、损伤和打捻，从而提高碳纤维的生产质量。

[0012] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

[0013] 本发明提供了一种损伤小的碳纤维生产工艺，包括以下步骤：步骤a、退丝集线，选取原丝，分束后将新丝与旧丝使用耐热纤维连接，并且架设于集线板上；
步骤b、初干燥，将集线板连同原丝送入干燥设备内干燥，消除原丝中含有的水分，以便于原丝进入预氧化炉后进行更好的反应；初干燥采用卧式干燥炉，干燥温度为80℃-100℃；
步骤c、预氧化，将干燥后的原丝连同原丝送入预氧化炉中进行预氧化，预氧化炉连续设置有3个，且三个预氧化炉的温度区间分别为200℃-230℃、220℃-250℃、235℃-245℃，经预氧化的原丝由线性分子链转化为梯形结构，预氧化时间为75-110min，最终形成预氧丝，三个炭化炉连续设置，且相互连通，干燥后的原丝在输送设备的输送下依次经过三个炭化炉进行连续炭化，三个炭化炉内的炭化时间分别为30min、30min和40min，共100min，预氧化是碳纤维生产的关键步骤，原丝在经过预氧化结构后，由线型分子链转化为耐热的梯形结构，可为以后的炭化过程起固氧固碳的作用，在此过程中发生一系列的环化、氧化和脱氢等反应，首先原先的σ键为主的直链结构形成大量的离域π电子，形成生色的共轭结构。使得原丝由洁白色逐步变深：白色→淡黄色→米黄色→浅棕色→棕色→黑色。此过程中PAN发生化学反应脱去大量小分子，发生结构变化，需施加一定的牵伸力保证丝的结构不发生解取向，保证预氧丝的强度，在240℃左右时，氧含量迅速上升；在氧化过程中，炉膛内温度保持均匀，并有循环空气带走反应中产生的小分子和杂质以及反应热，从而保证氧化能够连续进行，采用三台预氧化炉连续设置，可对原丝进行连续的预氧化，节省预氧化时间，提高碳纤维的生产效率；在预氧化中，预氧丝发生热解和缩聚反应，会产生大量的废气和焦油，应通过排气口及时排出保证生产稳定；
步骤d、炭化，将预氧化后的预氧丝依次进行低温炭化和高温炭化，均需要隔绝空气，其中低温炭化炉内设5个温度区间，分别为350℃、450℃、550℃、650℃、750℃；高温碳化炉内设6个温度区间，分别为1050℃、1150℃、1250℃、1350℃、1450℃、1400℃，经过炭化后，预氧丝内部形成乱层石墨结构，并脱出小分子，形成具有一定牵伸力的炭化丝；
步骤e、表面处理，将炭化丝至于碳酸氢铵中性电解质中，使用阳极电极氧化法，用脉冲通电的方法进行表面处理，使得碳纤维表面发生刻蚀和生产含氧官能团，采用10V的电压、
25A的电流进行表面处理，表面处理后水洗清洁，水洗温度为50℃，以去除炭化丝表面的电解液和其他杂质，而后烘干，烘干设备为卧式干燥炉，干燥温度为100℃，从而形成更好的接触表面，以便于更好的用于复合材料的生产；
步骤f、上浆，采用浸渍法，将步骤e中产生的干燥清洁炭化丝浸入上浆剂中上浆，使每根炭化丝表面均匀附着皮层，从而完成上浆，而后中温干燥，浸渍过程采用带有高度可调的展纱固定辊的展纱设备进行，展纱设备包括放卷结构、穿纱结构和展纱结构，炭化丝通过放卷机构放出，经由穿纱机构进入展纱机构，所述穿纱机构与所述展纱机构之间设有固定展纱辊组，固定展纱辊组由多个展纱辊构成，固定展纱辊组内相邻展纱辊位于相异水平面上且可进行竖直移动，碳纤维经由固定展纱辊组所形成迂回路径进入展纱机构，通过调节固定展纱辊组内相邻展纱辊的相对位置，可对碳纤维的张力进行调节，将相邻的展纱棍位置调近后，可放松量个展纱棍之间的碳纤维，从而释放碳纤维内部在上述加工步骤中产生的应力，上浆后的炭化丝即为所需碳纤维；上浆可改变碳纤维的表面性质，在碳丝的表面形成一层皮膜，提高碳丝的集束性和耐磨性，并减少深加工过程中的起毛现象，并且碳纤维的吸水性会变小，开纤扩幅容易，稳定性更好，并能改善复合材料中的接触面性质，提高材料的强度；
步骤g、收丝，收集干燥后的碳纤维收卷，干燥设备的立式干燥炉，干燥温度为180℃。

[0014] 通过在上浆过程中采用可调节高度的展纱设备，通过调节展纱固定辊的高度，可对展纱的松紧度进行调节，从而释放碳纤维的应力，防止碳纤维起毛、损伤和打捻，从而提高碳纤维的生产质量。

[0015] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。