CN102031654B - 一种用于生产连续碳纤维的上浆机 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种用于生产连续碳纤维的上浆机，包括箱体、设置在箱体内的上浆槽以及固定在箱体上的传动装置，上浆槽包括槽体、从左到右设置在槽体内的且垂直于槽体底部的隔板、液体分布板以及溢流板，传动装置包括设置在上浆槽左上方的入口传动辊、位于上浆区两个上浆传动辊以及设置在上浆槽右上方的出口传动辊，两个上浆传动辊水平设置且位于入口传动辊和出口传动辊之间，两个上浆传动辊的传动轴高于上浆区的上浆剂液面。本发明解决了现有的上浆机导致的碳纤维在上浆剂中停留时间短、上浆效果不佳、结构复杂、制造成本高、日常清理与维护不便的技术问题，本发明降低了设备加工制造成本，并且延长了碳纤维在上浆剂中的时间，上浆效果好。

Description

一种用于生产连续碳纤维的上浆机

技术领域

本发明属于新型材料生产领域，涉及一种碳纤维生产设备，具体地说是一种用于生产连续碳纤维的上浆机。

背景技术

碳纤维是利用有机纤维经过预氧化、低温碳化和高温碳化等工艺过程制得的其含碳量在90％以上的一种新型碳材料。它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、抗蠕变、低热膨胀、高导电和导热、自润滑等一系列优异性能；而且作为纤维还具有柔软性和可编、可纺织性，被广泛应用于航天航空、国防军事等尖端领域以及高级体育用品、医疗器械等民用工业，成为先进复合材料的主要增强体之一，被誉为21世纪中最有生命力的新型材料。

众所周知，影响纤维复合材料性能的因素包括：纤维与基体树脂的固有特性，纤维与基体树脂界面的粘接强度以及复合工艺等。良好的界面结合能有效地传递载荷，充分发挥增强纤维高强、高模的特性，使其强度利用率达到80％～90％，从而提高复合材料的力学性能。针对碳纤维增强材料而言，表面处理与上浆是改善其表面性质、增强碳纤维与基体树脂之间界面结合性能的两个重要工艺。其中，在上浆工艺过程中，碳纤维丝束的单丝表面形成一层保护膜，使其在后加工过程中防止摩擦、磨损或防止产生毛丝等，还可以保护纤维经表面处理后的洁净活性表面，避免吸附空气中的水分和灰尘；同时，合适的上浆剂具有与碳纤维及其基体树脂良好的粘接性能，有效地提高复合材料的综合性能。上浆剂有油溶性和水溶性之分，早期多采用油溶性上浆剂，但由于其易挥发使上浆槽内浓度不稳定，且污染环境并存在安全隐患，近年来被水溶性上浆剂所替代。

碳纤维上浆的方法大体有滚筒上浆法、滚筒浸渍法和喷雾喷淋法三种。目前，多采用滚筒浸渍法，如文献昭62-33861、平1-207467、特开平5-331761、特开平8-284071等。其中，典型的滚筒浸渍法如图1所示，采用图1a所示的设备进行碳纤维11上浆时，碳纤维11在上浆剂7中停留时间短，尤其是紧贴传动装置4滚筒表面的碳纤维丝束中的单丝，上浆剂7不能充分地渗入纤维丝束内部，导致在纤维丝束的单丝表面不能形成一层保护膜，因此上浆效果欠佳，影响最终碳纤维的质量；采用图1b所示的设备进行碳纤维11上浆时，虽然在一定程度上解决了碳纤维上浆时间短的问题，但是其上浆传动辊位于液面以下，需要解决传动装置4中的上浆转动轴与上浆槽之间的轴密封问题或上浆传动辊42转动部位的耐腐蚀问题等，导致设备结构复杂，加工制作成本提高；另外，为了保证上浆剂7浓度的稳定性和碳纤维上浆的均匀性，在上浆槽内设置相应的辅助装置如搅拌装置12，虽然在一定程度上起到应有的作用，但是其设备结构复杂、加工制造成本高、日常清理与维护不便。

发明内容

为了解决现有的上浆机导致的碳纤维在上浆剂中停留时间短、上浆效果不佳、结构复杂、制造成本高、日常清理与维护不便的技术问题，本发明提供一种用于连续生产碳纤维的上浆机。

本发明的技术解决方案为：

一种用于生产连续碳纤维的上浆机，其特殊之处在于：包括箱体3、设置在箱体3内的上浆槽2以及固定在箱体3上的传动装置4，所述上浆槽2包括槽体21、从左到右设置在槽体内的且垂直于槽体底部的隔板23、液体分布板24以及溢流板25，所述隔板23和槽体21之间为整流区Ⅰ，所述隔板23和液体分布板24之间为进液区Ⅱ，所述液体分布板24和溢流板25之间为上浆区Ⅲ，所述溢流板25和槽体21之间为出液区Ⅳ，所述整流区Ⅰ的底部与进液管2相通，所述出液区Ⅳ的底部与出液管28相通，所述进液管2和出液管28分别与循环装置6相通；所述传动装置4包括设置在上浆槽2左上方的入口传动辊41、位于上浆区Ⅲ的两个上浆传动辊42以及设置在上浆槽2右上方的出口传动辊43，所述两个上浆传动辊42水平设置且位于入口传动辊41和出口传动辊43之间，所述两个上浆传动辊42的传动轴高于上浆区Ⅲ的上浆剂液面。

上述上浆机包括设置在出口传动辊43上方的挤压装置5，所述挤压装置5包括驱动装置52、安装座53以及挤液胶辊51，所述安装座53将驱动装置52和挤液胶辊51固定在箱体3上，所述驱动装置52通过挤液胶辊51作用于出口传动辊43上的碳纤维11。

上述驱动装置52采用气动式或液压式。

上述上浆区Ⅲ的底部设置有左侧低右侧高的导流板29，所述导流板29与槽体底部形成5～15°的夹角。

上述循环装置包括储液槽61、用于连接储液槽61和进液管27的循环泵62，所述出液管28与储液槽61的上端相通；所述储液槽61上端面设置有盖板65。

上述出液区Ⅳ和出液管28之间设置有过滤装置63；所述过滤装置63为过滤网，所述过滤网的孔径为10～80目。

上述整流区Ⅰ中部水平设置有可实现整流区Ⅰ液面稳定的稳流板22。

上述上浆区Ⅲ内中设置有温度检测装置9；所述箱体3上设置有温度显示仪表10；所述温度检测装置9和温度显示仪表10相连。

上述上浆传动辊42为花辊。

上述储液槽61包括设置在储液槽61内外壁之间的保温层8，所述上浆槽2的槽体21内外壁之间也设置有保温层8。

本发明所具有的优点：

1、本发明将两个上浆传动辊设置在入口传动辊和出口传动辊之间，且上浆传动辊的传动轴高于上浆剂液面，避免了传动辊的转轴与上浆槽之间的轴密封问题，传动轴转动更加灵活，减少了上浆传动辊对纤维的机械损伤，降低了设备加工制造成本，并且延长了碳纤维在上浆剂中的时间，上浆效果好。

2、本发明结构简单。为了实现上浆槽内循环上浆剂的循环流动，溢流板上沿与隔板上沿、液体分布板上沿具有一定的高度差，并且在上浆区设置了导流板，凭借循环上浆剂自重驱动使上浆剂按照预先设计路线流动，保证了上浆槽内上浆剂循环的稳定性和均匀性。

3、本发明在出口传动辊处设置挤压装置，一是为了挤压碳纤维表面附着的多余上浆剂，二是使上浆剂更容易渗入碳纤维丝束内部，进而保证碳纤维单丝表面上浆量的均一性，提高碳纤维的质量。

4、本发明在出液管和进液管之间设置有循环装置，保证了上浆槽内上浆剂浓度的均一性。

5、本发明的上浆传动辊采用花辊形式，使碳纤维在一张一弛的松紧过程中通过上浆区，有利于上浆剂渗入纤维丝束内部，使上浆剂在纤维单丝表面涂覆更加均匀。

6、本发明为了保持上浆过程中上浆剂温度的稳定性，减少周围环境因素对上浆剂的影响，上浆槽和储液槽的槽体内外壁之间设置保温层、槽体设置相应的盖板，并且在上浆槽的上浆区内的设置温度检测装置，实现实时监测上浆剂的温度变化，并通过设置在箱体上的温度显示仪表实现实时在线显示。

综上所述，本发明的上浆机具有上浆效果好、上浆效率高、设备整体结构简单、加工制造成本低、日常使用与维护方便的优点，保证碳纤维的质量，提高碳纤维的生产效率，降低了碳纤维的生产成本。

附图说明

图1是现有的上浆机结构示意图，其中图1a为上浆传动辊在液面以上的结构示意图，图1b为上浆传动辊在上浆剂液面以下的结构示意图；

图2是本发明上浆机的结构示意图；

图3是本发明图2的侧视图；

图4为本发明上浆传动辊为花辊时的断面图；

其中：1-机座，2-上浆槽，21-槽体，22-温流板，23-隔板，24-液体分布板，25-溢流板，26-支撑件，27-进液管，28-出液管，29-导流板，30-放空口，3-箱体，4-传动装置，41-入口传动辊，42-上浆传动辊，43-出口传动辊，5-挤压装置，51-挤液胶辊，52-安装座，53-驱动装置，6-循环装置，61-储液槽，62-循环泵，63-过滤装置，65-盖板，66-底座，67-放空口，7-上浆剂，8-保温层，9-温度检测装置，10-温度显示仪表，11-碳纤维，12-搅拌装置。

具体实施方式

本发明用于连续生产碳纤维的上浆机如图2所示，主要包括机座1、上浆槽2、箱体3、传动装置4、挤液装置5、循环装置6。上浆槽2和箱体3设置在机座1上，其中，箱体3通过紧固件和定位装置牢靠地固定在机座1上；传动装置4包括入口传动辊41、上浆传动辊42、出口传动辊43，入口传动辊41和出口传动辊43设置在上浆槽2的上方，并且其转轴通过双支点支撑安装在箱体3上，上浆传动辊42设置在上浆槽2内，并且其转轴穿过上浆槽2侧壁采用双支点支撑安装在箱体3上；挤液装置5包括挤液胶辊51、驱动装置52、安装座53，挤液胶辊51设置在出口传动辊43正上方，并且与驱动装置52相连，驱动装置52设置在安装座53上，挤液装置5的安装座53通过紧固件安装在箱体3的顶端；循环装置6包括储液槽61、循环泵62、过滤装置63等，连同上浆槽2组成了完整的循环系统，储液槽61放置在底座66上，其上设置有放空口30，上浆槽进液管27经循环泵6与相连，上浆槽出液管28直接与储液槽相通，储液槽61和循环泵62的位置根据实际需要布置，如可设置在上浆机的机座1的后侧等，过滤装置63设置在上浆槽出液管28的上方，出液区Ⅳ中。

上浆槽2内灌有上浆剂7，主要由槽体21、稳流板22、隔板23、液体分布板24、溢流板25、支撑件26、进液管27、出液管28、放空口30等部件组成，隔板23、液体分布板24、溢流板25将槽体从左至右划分为整流区Ⅰ、进液区Ⅱ、上浆区Ⅱ、出液区Ⅳ等四部分。进液管27设置在槽体21的整流区Ⅰ底部，稳流板22水平设置在进液管27的正上方，循环上浆剂7通过稳流板22后可实现整流区Ⅰ液面稳定，减少对碳纤维11的扰动。

隔板23和槽体21之间为整流区Ⅰ，隔板23和液体分布板24之间为进液区Ⅱ，液体分布板24和溢流板25之间为上浆区Ⅲ，溢流板25和槽体之间为出液区Ⅳ，整流区Ⅰ的底部设置有进液管27，出液区Ⅳ的底部设置有出液管28。液体分布板24设置在隔板23右侧，并距隔板23一定距离，二者之间所形成的区域为进液区Ⅱ；进液区Ⅱ的液体分布板24形式多种多样，可采用多孔式或狭缝式液体分布板进液、也可采用液体分布板24下沿与槽体21底壁形成的狭缝进液，但其原则是保证循环上浆剂进入上浆区时对纤维扰动小，同时使上浆区Ⅲ的循环上浆剂沿一定方向流动，最终实现循环上浆剂的稳定性和均匀性；放空口30设置在槽体21底部、进液区Ⅱ的正下方。上浆区Ⅲ是由液体分布板24、溢流板25以及与水平方向成一定角度的导流板29所形成的区域，在此区域内实现对碳纤维的浸渍上浆工艺，为上浆槽2的关键区域；导流板29对循环上浆剂流动起到导流作用；为了保证导流板具有一定的承载能力，在上浆槽2槽体底面与导流板之间设置至少一个支撑杆26。出液区Ⅳ内出液管28的上方设置过滤装置63，滤除循环上浆剂中的碳纤维脱落的短纤维及其余杂质，防止堵塞循环装置。为了实现上浆槽2内循环上浆剂的循环流动，溢流板25上沿与隔板23上沿、液体分布板24上沿具有一定的高度差，进而凭借循环上浆剂自重驱动其按照预先设计路线流动，保证了上浆槽2内循环的稳定性和均匀性。

传动装置4的入口传动辊41、两个上浆传动辊42、出口传动辊43，形成了碳纤维上浆工序的运行路线。其中，入口传动辊将碳纤维导入上浆槽2内；为了解决传统液下辊与上浆槽之间的轴封问题和传统液下辊转动部件的耐腐蚀性问题，本发明中上浆传动辊42采用液上辊的形式，为了解决碳纤维进上浆槽时与辊面在液面之上接触、致使干燥状态的纤维断头与辊面之间缠结问题，第一个上浆传动辊42采用花辊的形式，为了解决碳纤维出上浆槽时与辊面在液面之上接触、单侧挤压纤维丝束使之上浆不均匀的问题，第二个上浆传动辊42采用花辊的形式，使碳纤维在一张一弛的松紧过程中通过上浆区，有利于上浆剂渗入纤维丝束内部，使上浆剂在纤维单丝表面涂覆更加均匀；出口传动辊43为光面，与挤液装置5配合实现对碳纤维的均匀、定量上浆，之后将碳纤维送入烘干工序；为了解决上浆时间短的问题，两个上浆传动辊42之间必须具有一定的距离，其大小取决于所需要的上浆时间和碳纤维运行速度。两个上浆传动辊42的花辊结构不受限制。为了保证碳纤维上浆过程中运行平稳，传动装置4的传动辊辊面之间应具有一定的平行度要求、与箱体3安装基准面之间具有一定的垂直度要求；为了减少上浆过程中对碳纤维丝束的机械损伤，传动装置4的传动辊辊面应具有一定的表面粗糙度要求，通常表面粗糙度Ra不大于0.4。在本实施例中，上浆传动辊42均由6支支撑杆组成。

挤液胶辊51的材质为橡胶辊；驱动装置52的驱动方式不受限制，可为气动式或液压式，但必须满足挤液胶辊51的压力和行程要求。驱动装置52选型使挤液胶辊51与出口传动辊43辊面之间的压力控制在范围内，其控制方式从便于操作和维护的角度，优选气动方式，位移控制行程60mm。

过滤装置63的主要作用是滤除循环上浆剂中毛丝(碳纤维上脱落下来的短纤维)及其余杂质，防止其堵塞循环管路64。为了保证上浆工艺的顺利实施，对过滤装置63的过滤材料在材质和网孔目数方面具有一定的要求，即材质应具有一定的耐腐蚀性，具体可耐循环上浆剂7的腐蚀，网孔目数大小满足滤除毛丝的需要，通常10～80目；对过滤装置的过滤材料在网孔形状方面没有特殊限制，可以圆孔、方孔或其余不规则孔等。

为了保持上浆过程中上浆剂温度的稳定性，减少周围环境因素对上浆剂的影响，上浆槽2和储液槽61的内外壁之间可设置保温层8、槽体设置相应的盖板，并且在上浆槽2的上浆区Ⅲ内的设置温度检测装置9，实现实时监测上浆剂7的温度变化，并通过设置在箱体上的温度显示仪表10实现实时在线显示。

Claims (10)

1.一种用于生产连续碳纤维的上浆机，其特征在于：包括箱体(3)、设置在箱体(3)内的上浆槽(2)以及固定在箱体(3)上的传动装置(4)，所述上浆槽(2)包括槽体(21)、从左到右设置在槽体内的且垂直于槽体底部的隔板(23)、液体分布板(24)以及溢流板(25)，所述隔板(23)和槽体(21)之间为整流区(I)，所述隔板(23)和液体分布板(24)之间为进液区(II)，所述液体分布板(24)和溢流板(25)之间为上浆区(III)，所述溢流板(25)和槽体(21)之间为出液区(IV)，所述整流区(I)的底部与进液管(27)相通，所述出液区(IV)的底部与出液管(28)相通，所述进液管(27)和出液管(28)分别与循环装置(6)相通；所述传动装置(4)包括设置在上浆槽(2)左上方的入口传动辊(41)、位于上浆区(III)的两个上浆传动辊(42)以及设置在上浆槽(2)右上方的出口传动辊(43)，所述两个上浆传动辊(42)水平设置且位于入口传动辊(41)和出口传动辊(43)之间，所述两个上浆传动辊(42)的传动轴高于上浆区(III)的上浆剂液面。

2.根据权利要求1所述的用于生产连续碳纤维的上浆机，其特征在于：所述上浆机包括设置在出口传动辊(43)上方的挤压装置(5)，所述挤压装置(5)包括驱动装置(52)、安装座(53)以及挤液胶辊(51)，所述安装座(53)将驱动装置(52)和挤液胶辊(51)固定在箱体(3)上，所述驱动装置(52)通过挤液胶辊(51)作用于出口传动辊(43)上的碳纤维(11)。

3.根据权利要求2所述的用于生产连续碳纤维的上浆机，其特征在于：所述驱动装置(52)采用气动式或液压式。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于生产连续碳纤维的上浆机，其特征在于：所述上浆区(III)的底部设置有左侧低右侧高的导流板(29)，所述导流板(29)与槽体底部形成5～15°的夹角。

5.根据权利要求4所述的用于生产连续碳纤维的上浆机，其特征在于：所述循环装置包括储液槽(61)、用于连接储液槽(61)和进液管(27)的循环泵(62)，所述出液管(28)与储液槽(61)的上端相通；所述储液槽(61)上端面设置有盖板(65)。

6.根据权利要求5所述的用于生产连续碳纤维的上浆机，其特征在于：所述出液区(IV)和出液管(28)之间设置有过滤装置(63)；所述过滤装置(63)为过滤网，所述过滤网的孔径为10～80目。

7.根据权利要求6所述的用于生产连续碳纤维的上浆机，其特征在于：所述整流区(I)中部水平设置有可实现整流区(I)液面稳定的稳流板(22)。

8.根据权利要求6所述的用于生产连续碳纤维的上浆机，其特征在于：所述上浆区(III)内中设置有温度检测装置(9)；所述箱体(3)上设置有温度显示仪表(10)；所述温度检测装置(9)和温度显示仪表(10)相连。

9.根据权利要求6所述的用于生产连续碳纤维的上浆机，其特征在于：所述上浆传动辊(42)为花辊。

10.根据权利要求6所述的用于生产连续碳纤维的上浆机，其特征在于：所述储液槽(61)包括设置在储液槽(61)内外壁之间的保温层(8)，所述上浆槽(2)的槽体(21)内外壁之间也设置有保温层(8)。

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