一種聚丙烯腈基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種聚丙烯腈基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置，包括高壓水蒸汽牽伸室與上下可開啟的迷宮密封部，迷宮密封部中的迷宮板由成對配置的上迷宮板與下迷宮板組成，上、下迷宮板分別由多級上、下板片構(gòu)成，各級下板片上設(shè)置多級缺口，使各級下板片上的同級缺口相連通，形成可用于纖維絲束運行的多個孔道。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單易操作，成本低，可用于規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)中對多絲束PAN原絲同時進行蒸氣牽伸，每條孔道僅用于一束纖維絲束運行，避免了絲束之間發(fā)生纏結(jié)和相互干擾，有利于減小PAN原絲受到的摩擦，減少毛絲的產(chǎn)生和斷絲的發(fā)生，提高PAN原絲的性能和質(zhì)量。
【專利說明】一種聚丙烯腈基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及聚丙烯腈基碳纖維原絲制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種聚丙烯腈基碳纖維原絲的高壓水蒸汽牽伸裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維具有低密度、高比強度、高比模量、耐高溫和耐腐蝕等眾多優(yōu)異性能，已在航空航天、國防軍工以及民用工業(yè)的眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。按原料路線，碳纖維可分為聚丙烯腈(PAN)基、浙青基和粘膠基三大類型。其中，PAN基碳纖維因其生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)成本較低和力學(xué)性能優(yōu)良的特點，已成為發(fā)展最快、產(chǎn)量最高、品種最多以及應(yīng)用最廣的一種碳纖維。
[0003]眾所周知，高性能PAN原絲是制備高性能PAN基碳纖維的前提。高性能PAN原絲應(yīng)具有直徑細(xì)且均勻、取向度高、強度高、毛絲少和缺陷少等特點。在實際生產(chǎn)中，為了減小PAN原絲的直徑，提高其取向度和強度，通常采用高壓水蒸氣牽伸機對PAN原絲進行高倍拉伸。高壓水蒸氣牽伸機主要包括蒸汽牽伸室，PAN原絲在蒸汽牽伸室中經(jīng)過高壓水蒸汽牽伸，使其直徑大幅減小，取向度和強度顯著提高。高壓水蒸氣牽伸機是生產(chǎn)高性能PAN原絲必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。其對PAN原絲的性能、質(zhì)量和生產(chǎn)成本都影響很大。
[0004]但是，利用高壓水蒸氣牽伸機對PAN原絲進行牽伸時，蒸汽牽伸室內(nèi)部的高壓蒸汽易從絲束的入口與出口大量泄露到牽伸室外部，引起牽伸室內(nèi)部的壓力、溫度、濕度等不穩(wěn)定，導(dǎo)致絲束上產(chǎn)生絨毛或斷絲等。另外，高壓水蒸氣的泄露還增大了能量成本。
[0005]為了抑制高壓水蒸氣從蒸汽牽伸室內(nèi)部向外泄露，目前采用的方法是:沿絲束運行方向，在蒸汽牽伸室的前后兩端，即絲束的入口端與出口端，設(shè)置迷宮式密封室，簡稱迷宮密封室；迷宮密封室內(nèi)平行排列著多級板片，構(gòu)成迷宮板，各級板片之間存在空隙，并且各級板片的長度方向與纖維絲束的運行方向垂直。高壓蒸汽進入迷宮式密封室，通過迷宮式板片間的各空隙時消耗能量，從而大大降低了高壓蒸汽的漏出量。
[0006]根據(jù)纖維絲束運行孔道的形狀，可以將高壓水蒸氣牽伸機分為兩種類型。一種是圓形孔道的管式高壓水蒸氣牽伸機，另一種是方形孔道的狹縫式高壓水蒸氣牽伸機。如中國專利ZL200920234462.4公開了一種管式高壓水蒸氣牽伸機，日本專利JP2001140161公開了一種狹縫式高壓水蒸氣牽伸機。
[0007]管式高壓水蒸氣牽伸機的每條孔道只運行一束纖維，因而可以避免絲束之間發(fā)生纏結(jié)和相互干擾。當(dāng)一束纖維出現(xiàn)問題時，可以單獨停車處理，不影響其它絲束繼續(xù)生產(chǎn)。但其無法滿足規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)中對多絲束(十束以上甚至幾十束)PAN原絲同時進行蒸氣牽伸的要求。而且，受其管式結(jié)構(gòu)的限制，不易打開和拆卸。一旦在蒸氣密封室出現(xiàn)毛絲積累和斷絲，清理毛絲和重新引絲都很難操作。除此之外，其圓形的絲束出入口要求絲束必須收窄幅寬，或者卷邊，因而影響PAN原絲的牽伸效果。
[0008]狹縫式高壓水蒸氣牽伸機可以在同一方形孔道內(nèi)同時運行多束PAN原絲，生產(chǎn)效率高。而且，其一般采用上下分離的雙層結(jié)構(gòu)，在需要清理毛絲和重新引絲的時候，可直接打開箱體進行操作，非常便捷。而且，絲束可以保持扁平狀態(tài)，不會發(fā)生卷邊，牽伸效果較好。但是，當(dāng)一束纖維出現(xiàn)問題時，只有整體停車才能進行處理，因而影響其它絲束的正常生產(chǎn)。更為嚴(yán)重的是，同時運行的多個絲束相互之間容易發(fā)生纏結(jié)和相互干擾。
[0009]為了克服絲束之間發(fā)生纏結(jié)和相互干擾的缺點，中國專利CN201280012293.4公開了一種改進的狹縫式高壓水蒸氣牽伸機。其在相鄰絲束間沿絲束排列方向設(shè)置了多個與絲束平行的金屬分隔板，將整個運行孔道分割成若干個孔道，每個孔道只運行一束纖維，因而避免了絲束之間發(fā)生纏結(jié)和相互干擾。
[0010]但是，受與絲束運行方向平行的金屬分隔板的長度的影響，該高壓水蒸汽牽伸機的迷宮密封部的級數(shù)受到限制。為了抑制蒸汽泄漏量，只能盡量減小纖維絲束運行孔道的高度。但是，在高壓水蒸氣牽伸過程中，由于受到高壓水蒸氣的沖擊，絲束不可避免地會發(fā)生微小的顫動，降低絲束運行孔道的高度易導(dǎo)致絲束與出入口和迷宮密封噴嘴發(fā)生摩擦，產(chǎn)生毛絲。而一旦產(chǎn)生毛絲，毛絲易與金屬分隔板發(fā)生更大地摩擦，進而導(dǎo)致毛絲積累和發(fā)生斷絲。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的技術(shù)目的是針對上述現(xiàn)有聚丙烯腈基碳纖維原絲高壓水蒸氣牽伸機的不足，提供一種新型的聚丙烯腈基碳纖維原絲高壓水蒸氣牽伸裝置，利用該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)同時對多絲束聚丙烯腈原絲進行高倍牽伸，并且毛絲產(chǎn)生少、牽伸效果好、蒸汽泄露量小，有助于提高聚丙烯腈原絲的性能和質(zhì)量，并降低生產(chǎn)成本。
[0012]本發(fā)明實現(xiàn)上述技術(shù)目的所采用的技術(shù)方案為:一種聚丙烯腈基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置，包括高壓水蒸汽牽伸室與設(shè)置在高壓水蒸汽牽伸室端部的迷宮密封室，其特征是:所述的迷宮密封室由可開啟的上下兩部分箱體構(gòu)成。
[0013]上部分箱體包括上基板與上迷宮板，下部分箱體包括下基板與下迷宮板；
[0014]上迷宮板是安裝在上基板上的多級上板片，各級板片有間隙地平行排列，并且各級板片的長度方向與纖維絲束的運行方向垂直；
[0015]下迷宮板是安裝在下基板上的多級下板片，各級板片有間隙地平行排列，并且各級板片的長度方向與纖維絲束的運行方向垂直；；
[0016]所述的每級下板片上設(shè)有多級缺口，相鄰缺口之間存在間距；
[0017]上板片與下板片成對配置；上下兩部分箱體閉合時，同級的上板片與下板片密封扣合，并且，各級上板片與各級下板片上的同級缺口形成可容納纖維絲束的孔道，各孔道方向與纖維絲束運行方向平行。
[0018]所述的各級下板片上的同級缺口是指自下板片長度方向的同一端起，將各級下板片的缺口按順序設(shè)定級數(shù)，每級下板片上具有相同級數(shù)的缺口。
[0019]作為優(yōu)選，所述的缺口內(nèi)壁面設(shè)置陶瓷材料，形成缺口陶瓷內(nèi)壁面，以減少纖維絲束摩擦，提高下板片使用壽命。
[0020]作為優(yōu)選，所述的各級上板片還設(shè)置調(diào)節(jié)板，用于調(diào)節(jié)孔道高度，以進一步減少蒸汽泄漏量。
[0021]以垂直于纖維絲束運行方向的截面為橫截面，所述的孔道在缺口位置的橫截面不限，包括矩形、正方形、圓形等。作為優(yōu)選，所述的孔道在缺口位置的橫截面呈矩形或正方形，即，所述的缺口的橫截面為一邊完全開口的矩形或者正方形。
[0022]作為優(yōu)選，所述的每級下板片上的缺口數(shù)目大于或等于3級。
[0023]作為優(yōu)選，所述的上部分箱體還包括上保溫層與上殼體，上保溫層設(shè)置在上基板外圍，上殼體設(shè)置在上保溫層外圍。
[0024]作為優(yōu)選，所述的下部分箱體還包括下保溫層與下殼體，下保溫層設(shè)置在下基板外圍，下殼體設(shè)置在下保溫層外圍。
[0025]作為優(yōu)選，所述的上殼體由不銹鋼材料制成，所述的下殼體由不銹鋼材料制成。
[0026]作為優(yōu)選，所述的上基板由不銹鋼材料制成，所述的下基板由不銹鋼材料制成。
[0027]所述的上保溫層材料不限，包括玻璃纖維棉、莫來石纖維棉、氧化鋁纖維氈、硅酸鋁纖維氈和氣凝膠絕熱氈等保溫材料。
[0028]所述的下保溫層材料不限，包括玻璃纖維棉、莫來石纖維棉、氧化鋁纖維氈、硅酸鋁纖維氈和氣凝膠絕熱氈等保溫材料。
[0029]綜上所述，本發(fā)明聚丙烯腈基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置中，迷宮板由成對配置的上迷宮板與下迷宮板組成，上、下迷宮板分別由多級上、下板片構(gòu)成，各級下板片上設(shè)置多級缺口，使各級下板片上的同級缺口相連通，形成可用于纖維絲束運行的多個孔道。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該具有如下有益效果:
[0030](I)各級下板片上設(shè)置多級缺口，各級下板片上的同級缺口相連通即形成用于纖維絲束運行的孔道，因此結(jié)構(gòu)簡單易操作，大大減小了成本；
[0031](2)缺口級數(shù)可調(diào)，能夠形成多個用于纖維絲束運行的孔道，因此能夠同時運行多束PAN原絲，生產(chǎn)效率高；
[0032](3)利用各級下板片上的同級缺口形成用于纖維絲束運行的單獨孔道，因此可避免絲束之間發(fā)生纏結(jié)和干擾，有利于減小PAN原絲受到的摩擦，減少毛絲的產(chǎn)生和斷絲的發(fā)生，提高PAN原絲的性能和質(zhì)量；
[0033](4)通過上下部分箱體的開啟，能夠?qū)崿F(xiàn)多束PAN原絲的快速引絲，操作方便；
[0034](5)通過調(diào)節(jié)缺口的尺寸能夠滿足不同規(guī)格PAN原絲的生產(chǎn)要求，因此結(jié)構(gòu)簡單、通用性好；
[0035](6)通過增加迷宮板片的數(shù)量能夠增加迷宮密封部的級數(shù)，減小水蒸汽的泄露量，提高水蒸氣的利用效率，降低PAN原絲的生產(chǎn)成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1是本發(fā)明實施例1PAN基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置中迷宮密封部的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖2是本發(fā)明實施例1PAN基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置中迷宮密封部的縱截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖3是本發(fā)明實施例1PAN基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置中迷宮密封部的局部立體圖。

【具體實施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述，需要指出的是，以下所述實施例旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0040]圖1-3中的附圖標(biāo)記為:上殼體1，上保溫層2，上基板3，上迷宮板4，調(diào)節(jié)板5，孔道6，下殼體7，下保溫層8，下基板9，下迷宮板10，陶瓷材料11，纖維絲束12。
[0041]實施例1:
[0042]本實施例中，PAN基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置包括高壓水蒸汽牽伸室與迷宮密封部，沿平行于纖維絲束的運行方向，迷宮密封部設(shè)置在高壓水蒸汽牽伸室端部。
[0043]如圖1所示，迷宮密封部由可開啟的上下兩部分箱體構(gòu)成。
[0044]上部分箱體由上殼體1、上保溫層2、上基板3、上迷宮板4組成。下部分箱體由下殼體7、下保溫層8、下基板9以及下迷宮板10組成。
[0045]上迷宮板4是安裝在上基板3上的多級板片。上保溫層2設(shè)置在上基板3外圍，上殼體I設(shè)置在上保溫層2外圍。
[0046]下迷宮板4是安裝在下基板9上的多級板片。下保溫層8設(shè)置在下基板9外圍，下殼體7設(shè)置在下保溫層8外圍。
[0047]如圖2所示，各級上板片有間隙地平行排列，并且各級上板片的長度方向與纖維絲束的運行方向垂直。各級下板片有間隙地平行排列，并且各級下板片的長度方向與纖維絲束的運行方向垂直。
[0048]如圖1所示，每級下板片上設(shè)有多級下凹狀缺口，相鄰缺口之間存在間距。
[0049]上下兩部分箱體閉合時，同級的上板片與下板片密封扣合，并且，各級上板片與各級下板片上的同級缺口形成可容納纖維絲束的孔道，各孔道方向與纖維絲束運行方向平行。
[0050]例如，如圖3所示，自板片長度方向的同一端起，將圖3中所示三級板片中每級板片的缺口按順序設(shè)定級數(shù)，每級板片上具有相同級數(shù)的缺口即為同級缺口。
[0051]如圖3所示為該迷宮密封部的局部立體圖，其中顯示的部分上板片與下板片成對配置，有三級上板片，三級下板片，每級下板片設(shè)置三級下凹缺口。自板片長度方向的同一端起，將圖3中所示三級下板片中每級下板片的缺口按順序設(shè)定級數(shù)，每級下板片上具有相同級數(shù)的缺口即為同級缺口。
[0052]上下兩部分箱體閉合時，三級相對的上板片與下板片分別密封扣合，并且，三級上板片與三級下板片上的同級缺口形成可容納纖維絲束的三條孔道，各孔道方向與纖維絲束運行方向平行。
[0053]以垂直于纖維絲束運行方向的截面為橫截面，圖1即為迷宮密封部的一個橫截面示意圖，該橫截面通過孔道的缺口位置。以垂直于該橫截面的截面為縱截面，圖2即為迷宮密封部的縱截面示意圖。
[0054]以垂直于纖維絲束運行方向的截面為橫截面，以平行于纖維絲束運行方向的截面為縱截面。上述每條孔道在缺口位置的橫截面均呈矩形。即，每個缺口的橫截面均為一邊完全開口的矩形。上下兩部分箱體閉合時，各級上板片與各級下板片缺口所形成的孔道6的橫截面呈矩形。
[0055]為了減少纖維絲束與缺口內(nèi)壁的摩擦，提高下板片使用壽命，在各級缺口的內(nèi)壁面設(shè)置陶瓷材料11，形成缺口陶瓷內(nèi)壁。
[0056]各級上板片還設(shè)置調(diào)節(jié)板5，用于調(diào)節(jié)孔道高度，以進一步減少蒸汽泄漏量。
[0057]上殼體I由不銹鋼材料制成。下殼體7由不銹鋼材料制成。
[0058]上基板3由不銹鋼材料制成。下基板9由不銹鋼材料制成。
[0059]上保溫層2可以是玻璃纖維棉、莫來石纖維棉、氧化鋁纖維氈、硅酸鋁纖維氈和氣凝膠絕熱氈等常規(guī)的保溫隔熱材料。
[0060]下保溫層8可以是玻璃纖維棉、莫來石纖維棉、氧化鋁纖維氈、硅酸鋁纖維氈和氣凝膠絕熱氈等常規(guī)的保溫隔熱材料。
[0061]本實施例中，PAN基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置擁有8條絲束運行孔道，每條孔道的橫截面呈矩形，寬為10mm，高為5mm。迷宮密封部的級數(shù)為250級。工作狀態(tài)時，每條孔道僅運行一束PAN原絲12，可避免絲束之間發(fā)生纏結(jié)和干擾。
[0062]以二甲基亞砜為溶劑、偶氮二異丁腈為引發(fā)劑，將由丙烯腈和衣康酸以質(zhì)量比為98:2共聚而成的PAN聚合液，經(jīng)脫單和脫泡后，得到固含量為19.5wt%和粘度為48Pa.s (用旋轉(zhuǎn)粘度計于60°C下測得)的紡絲液。采用8塊孔數(shù)為12000、孔徑為55 μ m的噴絲板紡絲同時進行紡絲，在60°C濃度為60%的二甲基亞砜水溶液中凝固成型，再經(jīng)水洗、水浴牽伸、上油劑和干燥后，得到8束致密化PAN原絲。
[0063]將上述8束致密化PAN原絲引入到本實施例中的高壓水蒸氣牽伸裝置中。采用飽和水蒸汽。水蒸氣從入口進入中間的高壓水蒸汽牽伸室。高壓水蒸汽牽伸室內(nèi)的蒸汽壓力為3MPa。通過設(shè)定高壓水蒸氣牽伸裝置前后的七輥牽伸機的速度，對致密化PAN原絲進行
2.5倍的牽伸處理。在連續(xù)運行24小時內(nèi)，觀察到:高壓水蒸氣牽伸裝置兩端出入口的水蒸汽泄露量很小，蒸汽牽伸室的蒸汽壓力非常穩(wěn)定；PAN原絲產(chǎn)生的毛絲極少，未出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。
[0064]實施例2:
[0065]本實施例中，PAN基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置的結(jié)構(gòu)與實施例1中的裝置結(jié)構(gòu)基本相同，所不同的是以垂直于纖維絲束運行方向的截面為橫截面，每條孔道在缺口位置的橫截面均呈正方形。
[0066]上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種聚丙烯腈基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置，包括高壓水蒸汽牽伸室與設(shè)置在高壓水蒸汽牽伸室端部的迷宮密封室，其特征是:所述的迷宮密封室由可開啟的上下兩部分箱體構(gòu)成； 上部分箱體包括上基板(3)與上迷宮板(4)，下部分箱體包括下基板(3)與下迷宮板(10)； 上迷宮板(4)是安裝在上基板上的多級上板片，各級板片有間隙地平行排列，并且各級板片的長度方向與纖維絲束的運行方向垂直； 下迷宮板(10)是安裝在下基板上的多級下板片，各級板片有間隙地平行排列，并且各級板片的長度方向與纖維絲束的運行方向垂直； 所述的每級下板片上設(shè)有多級缺口，相鄰缺口之間存在間距； 上板片與下板片成對配置；上下兩部分箱體閉合時，同級的上板片與下板片密封扣合，并且，各級上板片與各級下板片上的同級缺口形成可容納纖維絲束的孔道￠)，各孔道方向與纖維絲束運行方向平行。
2.如權(quán)利要求1所述的聚丙烯腈基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置，其特征是:所述的缺口內(nèi)壁面設(shè)置陶瓷材料。
3.如權(quán)利要求1所述的聚丙烯腈基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置，其特征是:以垂直于纖維絲束運行方向的截面為橫截面，所述的孔道在缺口位置的橫截面為矩形、正方形或圓形。
4.如權(quán)利要求1所述的聚丙烯腈基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置，其特征是:所述的每級下板片上的缺口數(shù)目大于或等于3級。
5.如權(quán)利要求1所述的聚丙烯腈基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置，其特征是:所述的各級上板片設(shè)置用于調(diào)節(jié)孔道高度的調(diào)節(jié)板(5)。
6.如權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的聚丙烯腈基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置，其特征是:所述的上部分箱體還包括上保溫層(2)與上殼體(I)，上保溫層(2)設(shè)置在上基板(3)外圍，上殼體(I)設(shè)置在上保溫層(2)外圍。
7.如權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的聚丙烯腈基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置，其特征是:所述的下部分箱體還包括下保溫層(8)與下殼體(7)，下保溫層(8)設(shè)置在下基板(9)外圍，下殼體(7)設(shè)置在下保溫層(8)外圍。
8.如權(quán)利要求6所述的聚丙烯腈基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置，其特征是:所述的上殼體(I)由不銹鋼材料制成，所述的上基板(3)由不銹鋼材料制成。
9.如權(quán)利要求7所述的聚丙烯腈基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置，其特征是:作為優(yōu)選，所述的下殼體(7)由不銹鋼材料制成，所述的下基板(9)由不銹鋼材料制成。
10.如權(quán)利要求6所述的聚丙烯腈基碳纖維原絲高壓水蒸汽牽伸裝置，其特征是:所述的上保溫層(2)是玻璃纖維棉、莫來石纖維棉、氧化鋁纖維氈、硅酸鋁纖維氈、氣凝膠絕熱氈中的一種或幾種材料。
【文檔編號】D06B23/14GK104278459SQ201410528308
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】王冶鐵, 歐陽琴, 徐敏軍, 陳友汜, 楊建行 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所