CN103498207B - 一种适用于干喷-湿纺法制造芳纶ⅲ纤维的凝固成形装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于干喷-湿纺法制造芳纶Ⅲ纤维的凝固成形装置，包括凝固盘与U形凝固管两部分，凝固盘主要由凝固盘座、密封垫、凝固液分配网、凝固盘盖以及溢流管组成，U形凝固管主要由U形管、调节管、出丝管组成，U形管的一端与凝固盘连接，另一端与调节管活动连接。U形凝固管的进液口与出液口的高度差可根据纺丝速度需要进行调节。采用本发明凝固成形装置可实现芳纶Ⅲ初生纤维的快速均匀凝固，显著提高芳纶Ⅲ纤维的纺丝速度，生产效率提高，同时制造出的纤维质量更好，毛刺少，外观更为规整，并且由于装置体积小，结构紧凑，因而还可实现模块化制造与更换。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造芳纶Ⅲ纤维的纺丝设备，尤其是干喷-湿纺法中的凝固成形装置，属于化学合成纤维设备技术领域。
背景技术
芳纶Ⅲ属于国产高性能有机纤维，具有高强度、高模量、耐高温的优异性能，现在已成为制备航空航天先进复合材料的增强纤维。目前国内外芳纶Ⅲ工业化生产都采用湿法纺丝技术制造。凝固浴槽是湿法纺丝过程中的主要设备。在芳纶Ⅲ纤维湿法纺丝的凝固技术中，凝固浴槽通常是水平卧式凝固槽。凝固浴从装有喷丝头的一端（前部）进入浴槽，与丝条并行流向浴槽的另一端（后部）。在成形过程中，纤维丝条中的溶剂不断进入凝固浴中，凝固浴中的水则不断进入纤维丝条中，直到扩散平衡，形成初生纤维。
由于干喷-湿纺的纺丝速度可达600～1200m/min，比湿纺高，可使用孔径较大的喷丝头，因此干喷-湿纺现已被广泛用在聚丙烯腈纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚苯并咪唑纤维等生产中。对于在干喷-湿纺中所涉及的凝固成形装置，目前已见报道的主要有以下两种：一种是美国Dupont公司在专利US4078034在制备芳纶Ⅱ工艺中披露的：该凝固装置由凝固槽与一根凝固直管组成。喷丝头位于纺丝机凝固浴槽的上方，纺丝挤出细流通过空气层后垂直进入凝固槽中，然后进入凝固直管中凝固成形，经导向轮后进入后面工序。另一种是日本Toray公司在专利JP2006118087中提出的一种用于干喷-湿纺法的凝固浴槽结构。在这种凝固浴槽中，设置一个圆筒状的，表面多孔的甬道。纺丝原液从喷丝板喷出后，通过甬道到达凝固浴槽底部的导丝辊。由于这两种凝固成形装置均导致凝固液流速太快，无法对其进行合理控制，因而只适用于速度较高的纺丝方法。而芳纶Ⅲ纤维的纺丝原液因其固含量低，喷丝板挤出细流非常脆弱，如在上述凝固成形装置中进行凝固处理，喷丝板挤出细流在进入凝固液处就极易发生断裂，无法实现稳定纺丝，因此这两种凝固成形装置均无法用于制造芳纶Ⅲ纤维。
发明内容
本发明旨在克服现有干喷-湿纺的凝固成形装置导致凝固液流速太快，无法对其进行合理控制的技术问题，从而提供了适用于干喷-湿纺方法制造芳纶Ⅲ纤维的的凝固成形装置。本发明解决了以低固含量芳纶Ⅲ聚合液为原料，采用干喷-湿纺方法制造成纤维的凝固成形缺陷问题，弥补了现有凝固成形装置的不足。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种适用于干喷-湿纺法制造芳纶Ⅲ纤维的凝固成形装置，其特征在于：包括凝固盘与U形凝固管两部分，所述凝固盘主要由凝固盘座、密封垫、凝固液分配网、凝固盘盖以及溢流管组成，所述U形凝固管主要由U形管、调节管、出丝管组成，U形管的一端与凝固盘连接，另一端与调节管活动连接。
所述凝固盘上设置有进液口、出液口、溢流管，U形凝固管有进液口与出液口，U形凝固管的进液口与凝固盘的出液口连接，U形凝固管出液口处设置有导丝轮。
所述U形凝固管的出液口即U形凝固管出丝管的管口。
所述调节管由1-3节短管组成，各节短管之间或短管与U形管之间通过可拆卸的活动方式连接，包括法兰、套管、卡套接头、螺纹接头等连接方式。
所述凝固盘直径为200mm-350mm，高度为60mm-120mm。确保凝固盘内流动液体的稳定性，并且保证从喷丝板喷出的纤维能顺利地与凝固液一起进入U形凝固管中。
所述凝固盘出液口直径为6mm-25mm，U形凝固管直径为6mm-35mm，长度为1.5m-5m，且U形凝固管直径大于或等于凝固盘出液口直径。有效控制凝固液的流量，保证凝固盘内流动液体的稳定性及初生纤维在凝固液中的凝固时间。
所述U形凝固管的进液口与出液口的高度差根据纺丝速度需要确定，高度差变化范围为0-30mm。
所述凝固盘出液口与U形凝固管内表面为光滑的弧面，内表面粗糙度Ra≤0.05μm，否则将会对纤维造成损害。
本发明所述凝固成形装置的材质选择耐酸、耐腐蚀不锈钢材料或耐极性有机溶剂腐蚀的工程塑料。
所述不锈钢材料包括：SUS316、SUS316L、SUS430、SUS630、SUS631。
所述工程塑料包括：聚乙烯材料（PE）、聚丙烯材料（PP）、聚四氟乙烯材料（PTFE）、聚氯乙烯材料（PVC）、聚苯乙烯材料（PS）、聚碳酸酯材料（PC）、聚醚醚酮材料（PEEK）、聚甲醛材料（POM）、聚甲基丙烯酸甲酯材料（PMMA）。
本发明所述凝固成形装置的工作流程如下：
凝固液从凝固盘边缘底部的进液口流入，经过凝固盘内的凝固液分配网整流后流入凝固盘中，然后从凝固盘中央底部的出液口流出进入U形凝固管，最后从U形凝固管出液口流出。凝固盘内多余的凝固液从凝固盘溢流管流出。于此同时，从喷丝板挤出的纤维细流垂直进入凝固盘中央的凝固液中，经过预凝固后进入U形凝固管中进一步凝固成初生纤维，纤维从U形凝固管的出液口流出后通过导丝轮被引入后段工序继续加工。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明通过调节U形凝固管进液口与出液口的高度差，可对凝固液与纤维之间的相对运动速度起到有效的调控作用，一方面可实现纤维的连续均匀凝固，另一方面能减少纤维在凝固液中的运动阻力，减少流体对丝束的冲击，减少毛丝的产生。同时，凝固液经凝固液分配网整流后再流入凝固盘中，可使垂直进入凝固盘中央的纤维细流得到均匀而稳定的凝固，因而，本发明的凝固成形装置相对于湿法纺丝可实现芳纶Ⅲ初生纤维的快速均匀凝固。
2、采用本发明凝固成形装置可显著提高芳纶Ⅲ纤维的纺丝速度，同时实现纺丝的稳定控制。湿法纺丝凝固成形设备很难在提高纤维纺丝速度的同时保持芳纶Ⅲ纤维的质量；现有干喷-湿纺的凝固成形装置又难以实现芳纶Ⅲ纤维的稳定生产。因此，本发明凝固成形装置不但能够提高纤维的纺丝速度（相对于湿法纺丝），提高生产效率，而且还能确保纤维的充分凝固，使纤维的强度得以提高，同时制造出的纤维质量更好，毛刺少，外观更为规整。
3、本发明凝固成形装置体积小，结构紧凑，而且可实现模块化制造与更换。各结构单元采用模块化制造，易于实现标准化，同时组成单元的生产、维修、更换简单方便，适合推广应用。
附图说明
图1本发明凝固成形装置的立体结构示意图
图2本发明凝固成形装置的主视图
图3本发明凝固成形装置的左视图
图中标记：
1溢流管；2凝固盘盖；3密封垫；4凝固液分配网；5凝固盘座；6进液口；7出液口；8U形管；9调节管；10出丝管；11导丝轮。
具体实施方式
实施例1
一种适用于干喷-湿纺法制造芳纶Ⅲ纤维的凝固成形装置，包括凝固盘与U形凝固管两部分，所述凝固盘主要由凝固盘座5、密封垫3、凝固液分配网4、凝固盘盖2以及溢流管1组成，所述U形凝固管主要由U形管8、调节管9、出丝管10组成，U形管8的一端与凝固盘连接，另一端与调节管9活动连接。
所述凝固盘上设置有进液口6、出液口7、溢流管1，U形凝固管有进液口与出液口，U形凝固管的进液口与凝固盘的出液口7连接，U形凝固管出液口处设置有导丝轮11。
所述U形凝固管的出液口即U形凝固管出丝管10的管口。
所述调节管9由三节短管组成，各节短管之间以及短管与U形管之间通过套管方式连接。
所述凝固盘直径为250mm，高度为100mm；凝固盘出液口直径为20mm，U形凝固管直径为25mm，长度为2.5m。
所述U形凝固管进液口与出液口的高度差为10mm。
所述凝固盘出液口7与U形凝固管内表面为光滑的弧面，内表面粗糙度Ra≤0.05μm。
所述凝固盘与U形凝固管的材质均为不锈钢材料SUS316L。
实施例2
一种适用于干喷-湿纺法制造芳纶Ⅲ纤维的凝固成形装置，包括凝固盘与U形凝固管两部分，所述凝固盘主要由凝固盘座5、密封垫3、凝固液分配网4、凝固盘盖2以及溢流管1组成，所述U形凝固管主要由U形管8、调节管9、出丝管10组成，U形管8的一端与凝固盘连接，另一端与调节管9活动连接。
所述凝固盘上设置有进液口6、出液口7、溢流管1，U形凝固管有进液口与出液口，U形凝固管的进液口与凝固盘的出液口7连接，U形凝固管出液口处设置有导丝轮11。
所述U形凝固管的出液口即U形凝固管出丝管10的管口。
所述调节管9由两节短管组成，短管之间以及短管与U形管之间通过螺纹接头方式连接。
所述凝固盘直径为220mm，高度为80mm；凝固盘出液口直径为20mm，U形凝固管直径为30mm，长度为2.5m。
所述U形凝固管进液口与出液口的高度差为5mm。
所述凝固盘出液口7与U形凝固管内表面为光滑的弧面，内表面粗糙度Ra≤0.05μm。
所述凝固盘材质为不锈钢材料SUS316L，凝固管材质为聚甲基丙烯酸甲酯材料（PMMA）。
实施例3
一种适用于干喷-湿纺法制造芳纶Ⅲ纤维的凝固成形装置，包括凝固盘与U形凝固管两部分，所述凝固盘主要由凝固盘座5、密封垫3、凝固液分配网4、凝固盘盖2以及溢流管1组成，所述U形凝固管主要由U形管8、调节管9、出丝管10组成，U形管8的一端与凝固盘连接，另一端与调节管9活动连接。
所述凝固盘上设置有进液口6、出液口7、溢流管1，U形凝固管有进液口与出液口，U形凝固管的进液口与凝固盘的出液口7连接，U形凝固管出液口处设置有导丝轮11。
所述U形凝固管的出液口即U形凝固管出丝管10的管口。
所述调节管9由三节短管组成，短管之间以及短管与U形管之间通过卡套接头方式连接。
所述凝固盘直径为300mm，高度为90mm；凝固盘出液口直径为15mm，U形凝固管直径为15mm，长度为2m。
所述U形凝固管进液口与出液口的高度差为15mm。
所述凝固盘出液口7与U形凝固管内表面为光滑的弧面，内表面粗糙度Ra≤0.05μm。
所述凝固盘与U形凝固管的材质均为聚乙烯材料（PE）。
实施例4
一种适用于干喷-湿纺法制造芳纶Ⅲ纤维的凝固成形装置，包括凝固盘与U形凝固管两部分，所述凝固盘主要由凝固盘座5、密封垫3、凝固液分配网4、凝固盘盖2以及溢流管1组成，所述U形凝固管主要由U形管8、调节管9、出丝管10组成，U形管8的一端与凝固盘连接，另一端与调节管9活动连接。
所述凝固盘上设置有进液口6、出液口7、溢流管1，U形凝固管有进液口与出液口，U形凝固管的进液口与凝固盘的出液口7连接，U形凝固管出液口处设置有导丝轮11。
所述U形凝固管的出液口即U形凝固管出丝管10的管口。
所述调节管9由三节短管组成，短管之间以及短管与U形管之间通过法兰方式连接。
所述凝固盘直径为280mm，高度为75mm；凝固盘出液口直径为15mm，U形凝固管直径为20mm，长度为1.5m。
所述U形凝固管进液口与出液口的高度差为18mm。
所述凝固盘出液口7与U形凝固管内表面为光滑的弧面，内表面粗糙度Ra≤0.05μm。
所述凝固盘与U形凝固管的材质均为聚碳酸酯材料（PC）。
实施例5
一种适用于干喷-湿纺法制造芳纶Ⅲ纤维的凝固成形装置，包括凝固盘与U形凝固管两部分，所述凝固盘主要由凝固盘座5、密封垫3、凝固液分配网4、凝固盘盖2以及溢流管1组成，所述U形凝固管主要由U形管8、调节管9、出丝管10组成，U形管8的一端与凝固盘连接，另一端与调节管9活动连接。
所述凝固盘上设置有进液口6、出液口7、溢流管1，U形凝固管有进液口与出液口，U形凝固管的进液口与凝固盘的出液口7连接，U形凝固管出液口处设置有导丝轮11。
所述U形凝固管的出液口即U形凝固管出丝管10的管口。
所述调节管9由两节短管组成，短管之间以及短管与U形管之间通过卡套接头方式连接。
所述凝固盘直径为235mm，高度为85mm；凝固盘出液口直径为10mm，U形凝固管直径为10mm，长度为2.5m。
所述U形凝固管进液口与出液口的高度差为8mm。
所述凝固盘出液口7与U形凝固管内表面为光滑的弧面，内表面粗糙度Ra≤0.05μm。
所述凝固盘与U形凝固管的材质均为聚四氟乙烯材料（PTFE）。
实施例6
与实施例1基本相似，在此基础上
所述调节管9为一节短管，短管与U形管之间通过法兰方式连接。
所述凝固盘直径200mm，高度为60mm；凝固盘出液口直径为8mm，U形凝固管直径为15mm，长度为1.5m。
所述U形凝固管进液口与出液口的高度差为0mm。
所述凝固盘与U形凝固管的材质均为聚甲醛材料（POM）。
实施例7
与实施例1基本相似，在此基础上
所述调节管9由三节短管组成，短管之间以及短管与U形管之间通过卡套接头方式连接。
所述凝固盘直径为350mm，高度为120mm；凝固盘出液口直径为25mm，U形凝固管直径为30mm，长度为3.5m。
所述U形凝固管进液口与出液口的高度差为10mm。
所述凝固盘与U形凝固管的材质均为聚苯乙烯材料（PS）。
实施例8
与实施例1基本相似，在此基础上
所述调节管9由两节短管组成，短管之间以及短管与U形管之间通过螺纹接头方式连接。
所述凝固盘直径为300mm，高度为110mm；凝固盘出液口直径为25mm，U形凝固管直径为35mm，长度为4.0m。
所述U形凝固管进液口与出液口的高度差为20mm。
所述凝固盘与U形凝固管的材质均为不锈钢材料SUS430。
实施例9
与实施例1基本相似，在此基础上
所述调节管9由两节短管组成，短管之间以及短管与U形管之间通过卡套接头方式连接。
所述凝固盘直径为300mm，高度为115mm；凝固盘出液口直径为23mm，U形凝固管直径为28mm，长度为5.0m。
所述U形凝固管进液口与出液口的高度差为25mm。
所述凝固盘与U形凝固管的材质均为不锈钢材料SUS430。
实施例10
与实施例1基本相似，在此基础上
所述调节管9由三节短管组成，短管之间以及短管与U形管之间通过螺纹接头方式连接。
所述凝固盘直径为280mm，高度为120mm；凝固盘出液口直径为25mm，U形凝固管直径为30mm，长度为4.5m。
所述U形凝固管进液口与出液口的高度差为25mm。
所述凝固盘与U形凝固管的材质均为聚四氟乙烯材料（PTFE）。
实施例1-10凝固成形装置的工作流程如下：
凝固液从凝固盘边缘底部的进液口6流入，经过凝固盘内的凝固液分配网4整流后流入凝固盘中，然后从凝固盘中央底部的出液口7流出进入U形凝固管，最后从U形凝固管出液口流出。凝固盘内多余的凝固液从凝固盘溢流管1流出。于此同时，从喷丝板挤出的纤维细流垂直进入凝固盘中央的凝固液中，经过预凝固后进入U形凝固管中进一步凝固成初生纤维，纤维从U形凝固管的出液口流出后通过导丝轮11被引入后段工序继续加工。
Claims (7)
1.一种适用于干喷-湿纺法制造芳纶Ⅲ纤维的凝固成形装置，其特征在于：包括凝固盘与U形凝固管两部分，所述凝固盘主要由凝固盘座（5）、密封垫（3）、凝固液分配网（4）、凝固盘盖（2）以及溢流管（1）组成，所述U形凝固管主要由U形管（8）、调节管（9）、出丝管（10）组成，U形管（8）的一端与凝固盘连接，另一端与调节管（9）活动连接；
所述凝固盘上设置有进液口（6）、出液口（7）、溢流管（1），U形凝固管有进液口与出液口，U形凝固管的进液口与凝固盘的出液口（7）连接，U形凝固管出液口处设置有导丝轮（11）；
所述U形凝固管的进液口与出液口的高度差为0-30mm；
所述凝固盘出液口（7）与U形凝固管内表面为光滑的弧面，内表面粗糙度Ra≤0.05μm。
2.根据权利要求1所述的一种适用于干喷-湿纺法制造芳纶Ⅲ纤维的凝固成形装置，其特征在于：所述U形凝固管的出液口即U形凝固管出丝管（10）的管口。
3.根据权利要求1所述的一种适用于干喷-湿纺法制造芳纶Ⅲ纤维的凝固成形装置，其特征在于：所述调节管（9）由1-3节短管组成，各节短管之间或短管与U形管之间通过可拆卸的活动方式连接。
4.根据权利要求3所述的一种适用于干喷-湿纺法制造芳纶Ⅲ纤维的凝固成形装置，其特征在于：所述可拆卸的活动方式包括法兰、套管、卡套接头或螺纹接头方式。
5.根据权利要求1所述的一种适用于干喷-湿纺法制造芳纶Ⅲ纤维的凝固成形装置，其特征在于：所述凝固盘直径为200mm-350mm，高度为60mm-120mm。
6.根据权利要求1所述的一种适用于干喷-湿纺法制造芳纶Ⅲ纤维的凝固成形装置，其特征在于：所述凝固盘出液口直径为6mm-25mm，U形凝固管直径为6mm-35mm，长度为1.5m-5m，且U形凝固管直径大于或等于凝固盘出液口直径。
7.根据权利要求1所述的一种适用于干喷-湿纺法制造芳纶Ⅲ纤维的凝固成形装置，其特征在于：所述凝固成形装置的材质选择耐酸、耐腐蚀不锈钢材料或耐极性有机溶剂腐蚀的工程塑料；不锈钢材料包括：SUS316、SUS316L、SUS430、SUS630、SUS631；工程塑料包括：聚乙烯材料、聚丙烯材料、聚四氟乙烯材料、聚氯乙烯材料、聚苯乙烯材料、聚碳酸酯材料、聚醚醚酮材料、聚甲醛材料、聚甲基丙烯酸甲酯材料。
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