CN102337648B - 一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置 - Google Patents

Abstract

一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置。在热定型管上部固装有两套与蒸汽管道连接的蒸汽雾化组件。在热定型管的两侧均固定有端盖。端盖的中心有走丝孔。两块出入口调节板分别安装在走丝孔的上方和下方。在热定型管一侧表面安装有两个过滤座。在过滤座内铺有第一滤网和第二滤网。热定型管的另一侧表面安装有排水管道；两个连接座分别安装在过滤座内。两个蒸汽管一端与蒸汽喷嘴连通，另一端与蒸汽分配管连通。蒸汽管道的两端分别与蒸汽分配管和蒸汽发生器连通。本发明通过滤网有效保护纤维，提高聚丙烯腈原丝的纯度，降低原丝生产过程中产生的毛丝。通过出入口调节板有效调节出入口大小，以保证腔体内部的压力和温度。

Description

一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置

技术领域

本发明涉及一种用于长纤化学纤维蒸汽定型装置，具体是一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置。

背景技术

碳纤维因其高比强度、高比模量、耐热、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变等优异特性而被作为一种增强材料广泛应用于航空航天、国防建设等领域，其中，聚丙烯腈基碳纤维的应用最为广泛，产量也最高。高性能聚丙烯腈基碳纤维的主要原料是聚丙烯腈原丝，原丝的质量在很大程度上决定着最终碳纤维的质量。

原丝在生产过程中，经过热水牵伸、干燥致密化和高压蒸汽牵伸之后，纤维内部存在较大的热应力，处于不稳定状态。这就需要对纤维进行松弛热定型，允许纤维收缩3％～8％左右，局部链段解取向，而整个大分子链仍保持对纤维轴的择优取向。有些大分子链，一部分在晶区，另一部分在非晶区，晶界则是应力集中处，通过解取向或产生弯曲，自然回缩，消除应力，使其处于热力学稳定状态。热定型的结果是使纤维的伸长显著增加，沸水收缩率降低。如果不进行热定型或热定型不足，纤维在放置过程中会慢慢地进行自然回缩，使纤维上出现一棱一棱的收缩皱痕，影响最终碳纤维性能和工艺性。热定型温度在玻璃化温度之上，热定型时间约为数十秒，应与温度匹配。

现有的热定型设备有采用电热板或红外板加热，也可采用管式热定型炉，此类设备与方法的优点是热定型腔内温度稳定、波动小，缺点是加热环境为干热环境，而干热气氛使得纤维内外受热不均匀，热定型后丝束质品质较差；另一类设备结构是采用蒸汽加热，其箱体结构采用开合式，箱体内均布若干蒸汽喷嘴雾化器，蒸汽在进入热定型管内时进行雾化减压，即可保证热定型的温度，又可提供湿热气氛使纤维内外受热均匀。同时，水分子也可渗透到PAN分子链中，使得分子链之间的作用力减弱，从而易于热应力的释放，此时，在牵伸作用力下，可实现均匀的解取向和自然回缩，以提高纤维经热定型后的产品稳定性。有时，为调节蒸汽品质，也可在蒸汽进入热定型管前加水以调节蒸汽的干度。此类设备的缺点是在热定型过程中，由于蒸汽压力的波动或保压不稳定，导致定型箱内压力和温度波动较大，同时，由于此时纤维属于收缩状态，丝束张力较小，在蒸汽的吹动下，丝束摆幅较大，容易导致丝束产生毛丝，影响原丝品质。同时，此类设备在引丝过程中，频繁开启箱体，也导致温度波动较大，效率较低，引丝操作中，过高的蒸汽温度也易引发烫伤等安全事故。

发明内容

为克服现有蒸汽热定型装置存在的引丝操作不方便，热定型过程中易产生较多毛丝、温度波动较大、存在烫伤安全隐患的不足，本发明提出了一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置。

本发明包括热定型管、连接管路和蒸汽雾化组件；蒸汽雾化组件包括过滤座、定位套、喷嘴压盖、连接座、蒸汽喷嘴、第一滤网和第二滤网。其中，热定型管的外表面包裹有保温层。在热定型管上部固装有两套与蒸汽管道连接的蒸汽雾化组件。在热定型管的两侧均固定有端盖。端盖的中心有走丝孔。两块出入口调节板分别安装在走丝孔的上方和下方。

在热定型管一侧表面安装有两个过滤座。在过滤座内铺有第一滤网，在第一滤网上铺有第二滤网。热定型管的另一侧表面安装有排水管道；两个连接座分别安装在过滤座内。两个蒸汽管的一端分别装入两个连接座的内孔的另一端，通过连接座的内孔与蒸汽喷嘴连通。两个蒸汽管的另一端与蒸汽分配管连通。蒸汽管道的一端与蒸汽分配管连通，另一端通过蒸汽调节阀与蒸汽发生器连通。

两个过滤座安装孔的中心垂直于热定型管的轴线，并位于同一垂直面上。

将喷嘴压盖固定在过滤座上表面；将定位套放置在在第二滤网上。两个底板分别位于两个连接座的下端面处。两个蒸汽喷嘴分别位于两个连接座的内孔的一端，被安装在两个底板的中心孔上。底板、连接座与喷嘴压盖通过螺栓固连在一起。

调节板通过调节螺栓固定在两个端盖上；调节板两端有条形通孔；所述的出入口调节板的宽度大于走丝孔的半径。

在过滤座内中部，环过滤座的内壁有固定过滤网的凸台；在过滤座的一端端面上有固定喷嘴压盖的螺纹孔；过滤座的另一端形状与热定型管上的圆形孔断面一致；定位套一端端面有端板，端板的中心有贯通孔，该贯通孔的孔径与过滤座一端端面上凸台内孔的孔径一致；蒸汽喷嘴的喷口为“十”字形，喷口宽度为0.5mm。

蒸汽管道的一端与蒸汽分配管连通，另一端与蒸汽发生器连通。

本发明的蒸汽雾化组件采用蒸汽节流喷嘴，且喷嘴在热定型管的上部，距离腔体有一定距离，双层滤网分级过滤，一是可以过滤掉蒸汽中所带的颗粒杂质，以有效保护纤维，提高聚丙烯腈原丝的纯度；二是经过双层过滤网缓冲作用，蒸汽压力减小，作用面积扩大，所以蒸汽进入热定型管后，可大大降低蒸汽对丝束的吹扫，可有效降低原丝生产过程中产生的毛丝。

由于本发明在热定型管进出口端盖设计有出入口调节板，可根据丝束的K数大小，蒸汽的泄露程度，可有效调节出入口大小，以保证腔体内部的压力和温度。

由于本发明采用的多级蒸汽调节、多级过滤，实现热定型管内压力、温度的稳定，可有效提高聚丙烯腈原丝的品质和质量稳定性。

本发明在工作时，预先在热定型腔内预埋一根丝束，用于引丝，使得引丝方便、快捷、平稳，提高了生产效率，避免操作人员被烫伤。

附图说明

附图1是本发明结构示意图的主视图；

附图2是本发明结构示意图的侧视图；

附图3是本发明蒸汽雾化组件的结构示意图；

附图4是调节板的配合示意图；

附图5是过滤座的结构示意图；

附图6是定位套的结构示意图；

附图7是蒸汽喷嘴的结构示意图；其中，a是蒸汽喷嘴的主视图，b是蒸汽喷嘴的底视图。图中：

具体实施方式

本实施例是用于聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型的装置，如图1、图2所示，包括热定型管18、连接管路和蒸汽雾化组件。蒸汽雾化组件包括过滤座10、定位套11、喷嘴压盖12、连接座13、蒸汽喷嘴14、第一滤网15和第二滤网16。其中，热定型管18的外表面包裹有保温层7。在热定型管18上部固装有两套与蒸汽管道连接的蒸汽雾化组件。在热定型管的两侧均固定有端盖8；端盖8的中心有走丝孔。两块矩形出入口调节板9分别安装在走丝孔的上方和下方。

为了在热定型管18上安装蒸汽雾化组件，在热定型管18一侧表面有两个过滤座10的安装孔，并且两个过滤座安装孔的中心垂直于热定型管18的轴线，并位于同一垂直面上；在与过滤座安装孔相对应的热定型管的另一侧表面有排水管道5的安装孔。在过滤座10内部铺一层第一滤网15，在第一滤网15上铺一层第二滤网16，两层滤网形成分级过滤。将定位套11放置在在第二滤网16上，通过定位套11压紧两层滤网。将喷嘴压盖12固定在过滤座10上表面。两个过滤座10分别安装在热定型管18上的安装孔内。两个定位套11分别安装在过滤座10内。两个底板22分别位于两个连接座13的下端面处。两个蒸汽喷嘴14分别位于两个连接座13的内孔的一端，被安装在两个底板22的中心孔上。通过螺栓将底板22、连接座13与喷嘴压盖12固连。两个蒸汽管6的一端分别装入两个连接座13的内孔的另一端，通过连接座13的内孔与蒸汽喷嘴14连通。两个蒸汽管6的另一端与蒸汽分配管3连通。蒸汽管道2的一端与蒸汽分配管3连通，另一端通过蒸汽调节阀20与蒸汽发生器23连通。

聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置安装在支架1上，支架1固定在支架底座21上。

热定型管18采用不锈钢无缝圆管制成。在热定型管18的外表面包裹有岩棉保温层7；保温层7的外表面用不锈钢板包覆。在热定型管18一侧表面有两个过滤座10的安装孔，并且两个过滤座安装孔的中心垂直于热定型管18的轴线，并位于同一垂直面上；在与过滤座安装孔相对应的热定型管的另一侧表面有排水管道5的安装孔。在排水管道5的一端配接有调节球阀4。

如图4所示。调节板9通过调节螺栓固定在两端盖8上。调节板9为一矩形不锈钢板，两端加工有条形通孔，通过该条形孔可调节调节板9的位置以调节热定型管18出入口的大小，以保证热定型管18内的压力和温度。所述的出入口调节板9的宽度大于走丝孔的半径。

如图3所示，蒸汽雾化组件包括过滤座10、定位套11、喷嘴压盖12、连接座13、蒸汽喷嘴14、15目滤网15、20目滤网16组成。

如图5所示，过滤座10为不锈钢金属套，在过滤座10内中部，环过滤座10的内壁有凸台，用于放置固定过滤网。在过滤座10的一端端面上有固定喷嘴压盖12的螺纹孔。过滤座10的另一端形状与热定型管18上的圆形孔断面一致，并与热定型管18上的圆形孔配合。

如图6所示，定位套11为圆形薄壁筒，用聚四氟乙烯制成。一端端面有端板，端板的中心有贯通孔，该贯通孔的孔径与过滤座10一端端面上凸台内孔的孔径一致。

喷嘴压盖12包括连接座13、蒸汽喷嘴14和通蒸汽的蒸汽管6。如图7所示，蒸汽喷嘴14为中空回转体。蒸汽喷嘴14内孔的一端为等径孔，另一端为锥形孔。蒸汽喷嘴14锥形孔一端的端面有“十”字形的开缝，形成了蒸汽喷嘴14的喷口；喷口宽度为0.5mm。所述的“十”字形喷口的中心与蒸汽喷嘴14的中心重合。蒸汽在经过蒸汽喷嘴14的减压和雾化，压力减小，而经过第一滤网15和第二滤网16的分级过滤，一是可以进一步过滤掉蒸汽中所带的颗粒杂质，以有效保护纤维，提高聚丙烯腈原丝17的纯度；二是经过双层过滤网的缓冲作用，此时的蒸汽压力减小，作用面扩大，能够降低蒸汽对丝束的吹扫，有效降低原丝生产过程中产生较多的毛丝。

装配蒸汽雾化组件时，在过滤座10内部中段圆形凸台上铺一层第一滤网15，在第一滤网15上铺一层第二滤网16，两层滤网形成分级过滤。将定位套11放置在在第二滤网16上，通过定位套11压紧两层滤网。将喷嘴压盖12通过螺钉固定在过滤座10上表面。

如图1所示，连接管路包括蒸汽管道2、蒸汽分配管3、调节球阀4、蒸汽调节阀20。

蒸汽管道2为不锈钢无缝管，管道外包裹由保温材料。蒸汽管道2的一端与蒸汽分配管3连通，另一端管道上安装有压力表19和蒸汽调节阀20。蒸汽调节阀20为DN25的不锈钢截止阀。经过精密过滤的蒸汽经蒸汽管道2进入蒸汽分配管3，分为两路，经不锈钢蒸汽管6，进入蒸汽管前有调节球阀4可进行控制，随后蒸汽就进入蒸汽分配组件。

机架1是由φ57不锈钢管焊接而成的结构件，用于固定和支撑腔体组件以及其它功能零部件，支架底座21与支架1焊接，用以设备与地面之间的固定，配有高度调节螺栓。

本实施例在工作时，预先在热定型腔18内预埋一根丝束。当实验生产丝束17从前道工序到达蒸汽定型装置后，与预埋丝束打结，在热定型腔18出口进行牵伸，实现丝束的引丝操作。丝束17穿过热定型装置后，引丝进入牵伸罗拉装置。随后调节蒸汽调节阀20和调节球阀4，调节蒸汽压力至工艺需要压力，等热定型设备温度提升和稳定后，在高温湿热环境下，聚丙烯腈纤维自然回缩，消除应力，从而使其处于热力学稳定状态，实现聚丙烯腈纤维的蒸汽热定型。

Claims (5)

1.一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置，其特征在于，包括热定型管、连接管路和蒸汽雾化组件；蒸汽雾化组件包括过滤座、定位套、喷嘴压盖、连接座、蒸汽喷嘴、第一滤网和第二滤网；其中，热定型管的外表面包裹有保温层；在热定型管上部固装有两套与蒸汽管道连接的蒸汽雾化组件；在热定型管的两侧均固定有端盖；端盖的中心有走丝孔；两块出入口调节板分别安装在走丝孔的上方和下方；在热定型管一侧表面安装有两个过滤座；在过滤座内铺有第一滤网，在第一滤网上铺有第二滤网；热定型管的另一侧表面安装有排水管道；两个连接座分别安装在过滤座内；两个蒸汽管的一端分别装入两个连接座的内孔的另一端，通过连接座的内孔与蒸汽喷嘴连通；两个蒸汽管的另一端与蒸汽分配管连通；蒸汽管道的一端与蒸汽分配管连通，另一端通过蒸汽调节阀与蒸汽发生器连通。

2.如权利要求1所述一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置，其特征在于，两个过滤座安装孔的中心垂直于热定型管的轴线，并位于同一垂直面上。

3.如权利要求1所述一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置，其特征在于，将喷嘴压盖固定在过滤座上表面；将定位套放置在第二滤网上；两个底板分别位于两个连接座的下端面处；两个蒸汽喷嘴分别位于两个连接座的内孔的一端，被安装在两个底板的中心孔上；底板、连接座与喷嘴压盖通过螺栓固连在一起。

4.如权利要求1所述一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置，其特征在于，出入口调节板通过调节螺栓固定在两个端盖上；出入口调节板两端有条形通孔；所述的出入口调节板的宽度大于走丝孔的半径。

5.如权利要求1所述一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置，其特征在于，在过滤座内中部，环过滤座的内壁有固定过滤网的凸台；在过滤座的一端端面上有固定喷嘴压盖的螺纹孔；过滤座的另一端形状与热定型管上的圆形孔断面一致；定位套一端端面有端板，端板的中心有贯通孔，该贯通孔的孔径与过滤座一端端面上凸台内孔的孔径一致；蒸汽喷嘴的喷口为“十”字形，喷口宽度为0.5mm。

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