CN104278458B - 一种pan基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置，包括高压水蒸汽牵伸室与上下可开启的迷宫密封部，迷宫密封部中的迷宫板由多级板片构成，每级板片上均设置多级缺口，使各级板片上的同级缺口相连通，形成可容纳纤维丝束的孔道，各孔道方向与纤维丝束运行方向平行。与现有技术相比，本发明结构简单，易操作，成本低，可用于规模化工业生产中对多丝束PAN原丝同时进行蒸气牵伸，每条孔道仅用于一束纤维丝束运行，避免了丝束之间发生缠结和相互干扰，有利于减小PAN原丝受到的摩擦，减少毛丝的产生和断丝的发生，提高PAN原丝的性能和质量。

Description

一种PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置

技术领域

本发明专利涉及聚丙烯腈(PAN)基碳纤维原丝制备技术领域，具体涉及一种PAN基碳纤维原丝的高压水蒸汽牵伸装置。

背景技术

碳纤维具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温和耐腐蚀等众多优异性能，已在航空航天、国防军工以及民用工业的众多领域得到广泛应用。按原料路线，碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基三大类型。其中，PAN基碳纤维因其生产工艺简单、生产成本较低和力学性能优良的特点，已成为发展最快、产量最高、品种最多以及应用最广的一种碳纤维。

众所周知，高性能PAN原丝是制备高性能PAN基碳纤维的前提。高性能PAN原丝应具有直径细且均匀、取向度高、强度高、毛丝少和缺陷少等特点。在实际生产中，为了减小PAN原丝的直径，提高其取向度和强度，通常采用高压水蒸气牵伸机对PAN原丝进行高倍拉伸。高压水蒸气牵伸机主要包括蒸汽牵伸室，PAN原丝在蒸汽牵伸室中经过高压水蒸汽牵伸，使其直径大幅减小，取向度和强度显著提高。高压水蒸气牵伸机是生产高性能PAN原丝必不可少的关键设备。其对PAN原丝的性能、质量和生产成本都影响很大。

但是，利用高压水蒸气牵伸机对PAN原丝进行牵伸时，蒸汽牵伸室内部的高压蒸汽易从丝束的入口与出口大量泄露到牵伸室外部，引起牵伸室内部的压力、温度、湿度等不稳定，导致丝束上产生绒毛或断丝等。另外，高压水蒸气的泄露还增大了能量成本。

为了抑制高压水蒸气从蒸汽牵伸室内部向外泄露，目前采用的方法是：沿丝束运行方向，在蒸汽牵伸室的前后两端，即丝束的入口端与出口端，设置迷宫式密封室，简称迷宫密封室；迷宫密封室内平行排列着多级板片，构成迷宫板，各级板片之间存在空隙，并且各级板片的长度方向与纤维丝束的运行方向垂直。高压蒸汽进入迷宫式密封室，通过迷宫式板片间的各空隙时消耗能量，从而大大降低了高压蒸汽的漏出量。

根据纤维丝束运行孔道的形状，可以将高压水蒸气牵伸机分为两种类型。一种是圆形孔道的管式高压水蒸气牵伸机，另一种是方形孔道的狭缝式高压水蒸气牵伸机。如中国专利ZL200920234462.4公开了一种管式高压水蒸气牵伸机，日本专利JP2001140161公开了一种狭缝式高压水蒸气牵伸机。

管式高压水蒸气牵伸机的每条孔道只运行一束纤维，因而可以避免丝束之间发生缠结和相互干扰。当一束纤维出现问题时，可以单独停车处理，不影响其它丝束继续生产。但其无法满足规模化工业生产中对多丝束(十束以上甚至几十束)PAN原丝同时进行蒸气牵伸的要求。而且，受其管式结构的限制，不易打开和拆卸。一旦在蒸气密封室出现毛丝积累和断丝，清理毛丝和重新引丝都很难操作。除此之外，其圆形的丝束出入口要求丝束必须收窄幅宽，或者卷边，因而影响PAN原丝的牵伸效果。

狭缝式高压水蒸气牵伸机可以在同一方形孔道内同时运行多束PAN原丝，生产效率高。而且，其一般采用上下分离的双层结构，在需要清理毛丝和重新引丝的时候，可直接打开箱体进行操作，非常便捷。而且，丝束可以保持扁平状态，不会发生卷边，牵伸效果较好。但是，当一束纤维出现问题时，只有整体停车才能进行处理，因而影响其它丝束的正常生产。更为严重的是，同时运行的多个丝束相互之间容易发生缠结和相互干扰。

为了克服丝束之间发生缠结和相互干扰的缺点，中国专利CN201280012293.4公开了一种改进的狭缝式高压水蒸气牵伸机。其在相邻丝束间沿丝束排列方向设置了多个与丝束平行的金属分隔板，将整个运行孔道分割成若干个孔道，每个孔道只运行一束纤维，因而避免了丝束之间发生缠结和相互干扰。

但是，受与丝束运行方向平行的金属分隔板的长度的影响，该高压水蒸汽牵伸机的迷宫密封部的级数受到限制。为了抑制蒸汽泄漏量，只能尽量减小纤维丝束运行孔道的高度。但是，在高压水蒸气牵伸过程中，由于受到高压水蒸气的冲击，丝束不可避免地会发生微小的颤动，降低丝束运行孔道的高度易导致丝束与出入口和迷宫密封喷嘴发生摩擦，产生毛丝。而一旦产生毛丝，毛丝易与金属分隔板发生更大摩擦，进而导致毛丝积累和发生断丝。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述现有PAN基碳纤维原丝高压水蒸气牵伸机的不足，提供一种新型的PAN基碳纤维原丝高压水蒸气牵伸装置，利用该装置能够实现同时对多丝束PAN原丝进行高倍牵伸，并且毛丝产生少、牵伸效果好、蒸汽泄露量小，有助于提高PAN原丝的性能和质量，并降低生产成本。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置，包括高压水蒸汽牵伸室与设置在高压水蒸汽牵伸室端部的迷宫密封室，其特征是：所述的迷宫密封室由可开启的上下两部分箱体构成；

上部分箱体包括上基板与迷宫板，下部分箱体包括密封板以及与密封板相连接的下基板；迷宫板是安装在上基板上的多级板片，各级板片有间隙地平行排列，并且各级板片的长度方向与纤维丝束的运行方向垂直；

所述的每级板片沿其长度方向设有多级缺口，相邻缺口之间存在间距；上下两部分箱体闭合时，密封板与各级板片密封接触，各级板片上的同级缺口与密封板形成可容纳纤维丝束的孔道，各孔道方向与纤维丝束运行方向平行。

所述的各级板片上的同级缺口是指自板片长度方向的同一端起，将各级板片的缺口按顺序设定级数，每级板片上具有相同级数的缺口。

作为优选，所述的缺口内壁面设置陶瓷材料，形成缺口陶瓷内壁面，以减少纤维丝束摩擦，提高上板片使用寿命。

以垂直于纤维丝束运行方向的截面为横截面，所述的孔道在缺口位置的横截面不限，包括矩形、正方形、圆形等。作为优选，所述的孔道在缺口位置的横截面呈矩形或正方形，即，所述的缺口的横截面为一边完全开口的矩形或者正方形。

作为优选，所述的每级板片上的缺口数目大于或等于3级。

作为优选，所述的上部分箱体还包括上保温层与上壳体，上保温层设置在上基板外围，上壳体设置在上保温层外围。

作为优选，所述的下部分箱体还包括下保温层与下壳体，下保温层设置在下基板外围，下壳体设置在下保温层外围。

作为优选，所述的上壳体由不锈钢材料制成，所述的下壳体由不锈钢材料制成。

作为优选，所述的上基板由不锈钢材料制成，所述的下基板由不锈钢材料制成。

所述的上保温层材料不限，包括玻璃纤维棉、莫来石纤维棉、氧化铝纤维毡、硅酸铝纤维毡和气凝胶绝热毡等保温材料。

所述的下保温层材料不限，包括玻璃纤维棉、莫来石纤维棉、氧化铝纤维毡、硅酸铝纤维毡和气凝胶绝热毡等保温材料。

所述的密封板材料不限，包括硅橡胶等材料。

综上所述，本发明PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置中，迷宫板由多级板片构成，各级板片上均设置多级缺口，使各级板片上的同级缺口相连通，形成用于纤维丝束的孔道，该孔道方向与纤维丝束运行方向平行。与现有技术相比，该具有如下有益效果：

(1)各级板片上设置多级缺口，同级缺口即形成用于纤维丝束运行的孔道，因此结构简单易操作，大大减小了成本；

(2)缺口级数可调，能够形成多个用于纤维丝束运行的孔道，因此能够同时运行多束PAN原丝，生产效率高；

(3)各级板片上的同级缺口形成用于纤维丝束运行的单独孔道，因此可避免丝束之间发生缠结和干扰，有利于减小PAN原丝受到的摩擦，减少毛丝的产生和断丝的发生，提高PAN原丝的性能和质量；

(4)通过上下部分箱体的开启，能够实现多束PAN原丝的快速引丝，操作方便；

(5)通过调节缺口的尺寸能够满足不同规格PAN原丝的生产要求，因此结构简单、通用性好；

(6)通过增加迷宫板片的数量能够增加迷宫密封部的级数，减小水蒸汽的泄露量，提高水蒸气的利用效率，降低PAN原丝的生产成本。

附图说明

图1是本发明实施例1中PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置中迷宫密封部的横截面结构示意图；

图2是本发明实施例1中PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置中迷宫密封部的纵截面结构示意图；

图3是本发明实施例1中PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置中迷宫密封部的局部立体图。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1-3中的附图标记为：上壳体1，上保温层2，上基板3，迷宫板4，缺口陶瓷内壁5，孔道6，下壳体7，下保温层8，下基板9，密封板10，纤维丝束11。

实施例1：

本实施例中，PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置包括高压水蒸汽牵伸室与迷宫密封部，沿平行于纤维丝束的运行方向，迷宫密封部设置在高压水蒸汽牵伸室端部。

如图1所示，迷宫密封部由可开启的上下两部分箱体构成。

上部分箱体由上壳体1、上保温层2、上基板3、迷宫板4组成。下部分箱体由下壳体7、下保温层8、下基板9以及密封板10组成。

迷宫板4是安装在上基板3上的多级板片。上保温层2设置在上基板3外围，上壳体1设置在上保温层2外围。

如图2所示，各级板片有间隙地平行排列，并且各级板片的长度方向与纤维丝束的运行方向垂直。

如图1所示，每级板片上设有多级缺口，相邻缺口之间存在间距。如图3所示为该迷宫密封部的局部立体图，其中显示的部分有三级板片，每级板片设置三级缺口。

上下两部分箱体闭合时，各级板片上的同级缺口与密封板10形成可容纳纤维丝束11的孔道6，并且各孔道方向与纤维丝束的牵伸运行方向平行。密封板10与各级板片除去缺口的其余部位密封接触。例如，如图3所示，自板片长度方向的同一端起，将图3中所示三级板片中每级板片的缺口按顺序设定级数，每级板片上具有相同级数的缺口即为同级缺口。

以垂直于纤维丝束运行方向的截面为横截面，图1即为迷宫密封部的一个横截面示意图，该横截面通过孔道的缺口位置。以垂直于该横截面的截面为纵截面，图2即为迷宫密封部的纵截面示意图。

以垂直于纤维丝束运行方向的截面为横截面，上述每条孔道在缺口位置的横截面均呈矩形。即，每个缺口的横截面均为一边完全开口的矩形。上下两部分箱体闭合时，密封板10与各级缺口所形成孔道6的横截面呈矩形。

为了减少纤维丝束摩擦，提高上板片使用寿命，在各级缺口的内壁面设置陶瓷片，形成缺口陶瓷内壁5。

上壳体1由不锈钢材料制成。下壳体7由不锈钢材料制成。

上基板3由不锈钢材料制成。下基板9由不锈钢材料制成。

上保温层2可以是玻璃纤维棉、莫来石纤维棉、氧化铝纤维毡、硅酸铝纤维毡和气凝胶绝热毡等常规的保温隔热材料。

下保温层8可以是玻璃纤维棉、莫来石纤维棉、氧化铝纤维毡、硅酸铝纤维毡和气凝胶绝热毡等常规的保温隔热材料。

密封板10是硅橡胶材料。

本实施例中，PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置拥有8条丝束运行孔道，每条孔道的横截面呈矩形，宽为10mm，高为5mm。迷宫密封部的级数为250级。工作状态时，每条孔道仅运行一束PAN原丝11，可避免丝束之间发生缠结和干扰。

以二甲基亚砜为溶剂、偶氮二异丁腈为引发剂，将由丙烯腈和衣康酸以质量比为98：2共聚而成的PAN聚合液，经脱单和脱泡后，得到固含量为19.5wt％和粘度为48Pa·s(用旋转粘度计于60℃下测得)的纺丝液。采用8块孔数为12000、孔径为55μm的喷丝板纺丝同时进行纺丝，在60℃浓度为60％的二甲基亚砜水溶液中凝固成型，再经水洗、水浴牵伸、上油剂和干燥后，得到8束致密化PAN原丝。

将上述8束致密化PAN原丝引入到本实施例中的高压水蒸气牵伸装置中。采用饱和水蒸汽。水蒸气从入口进入中间的高压水蒸汽牵伸室。高压水蒸汽牵伸室内的蒸汽压力为3MPa。通过设定高压水蒸气牵伸装置前后的七辊牵伸机的速度，对致密化PAN原丝进行2.5倍的牵伸处理。在连续运行24小时内，观察到：高压水蒸气牵伸装置两端出入口的水蒸汽泄露量很小，蒸汽牵伸室的蒸汽压力非常稳定；PAN原丝产生的毛丝极少，未出现断丝现象。

实施例2：

本实施例中，PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置的结构与实施例1中的装置结构基本相同，所不同的是以垂直于纤维丝束运行方向的截面为横截面，每条孔道在缺口位置的横截面均呈正方形。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置，包括高压水蒸汽牵伸室与设置在高压水蒸汽牵伸室端部的迷宫密封部，其特征是：所述的迷宫密封部由可开启的上下两部分箱体构成；

上部分箱体包括上基板(3)与迷宫板(4)，下部分箱体包括密封板(10)以及与密封板(10)相连接的下基板(9)；

迷宫板(4)是安装在上基板(3)上的多级板片，各级板片有间隙地平行排列，并且各级板片的长度方向与纤维丝束的运行方向垂直；

每级板片上设有多级缺口，相邻缺口之间存在间距；上下两部分箱体闭合时，密封板(10)与各级板片密封接触，各级板片上的同级缺口与密封板(10)形成可容纳纤维丝束的孔道(6)，各孔道方向与纤维丝束运行方向平行。

2.如权利要求1所述的PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置，其特征是：所述的缺口内壁面设置陶瓷材料。

3.如权利要求1所述的PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置，其特征是：以垂直于纤维丝束运行方向的截面为横截面，所述的孔道在缺口位置的横截面为矩形、正方形或圆形。

4.如权利要求1所述的PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置，其特征是：所述的每级板片上的缺口数目大于或等于3级。

5.如权利要求1所述的PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置，其特征是：所述的密封板(10)是硅橡胶密封板。

6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置，其特征是：所述的上部分箱体还包括上保温层(2)与上壳体(1)，上保温层(2)设置在上基板(3)外围，上壳体(1)设置在上保温层(2)外围。

7.如权利要求1至5中任一权利要求所述的PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置，其特征是：所述的下部分箱体还包括下保温层(8)与下壳体(7)，下保温层(8)设置在下基板(9)外围，下壳体(7)设置在下保温层(8)外围。

8.如权利要求6所述的PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置，其特征是：所述的上壳体(1)由不锈钢材料制成，所述的上基板(3)由不锈钢材料制成。

9.如权利要求7所述的PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置，其特征是：作为优选，所述的下壳体(7)由不锈钢材料制成，所述的下基板(9)由不锈钢材料制成。

10.如权利要求6所述的PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置，其特征是：所述的上保温层(2)材料是玻璃纤维棉、莫来石纤维棉、氧化铝纤维毡、硅酸铝纤维毡、气凝胶绝热毡中的一种或几种材料。

11.如权利要求7所述的PAN基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置，其特征是：所述的下保温层(8)材料是玻璃纤维棉、莫来石纤维棉、氧化铝纤维毡、硅酸铝纤维毡和气凝胶绝热毡中的一种或几种材料。