CN105525373A - 上油和干燥的装置和消除油剂粘辊的方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种上油和干燥的装置及消除油剂粘辊的方法，主要解决现有技术中存在的油剂在干燥辊表面的粘留、干燥辊表面的油剂硬渍不易清除、上油均匀性差和原丝毛丝多的问题。本发明采用一种上油和干燥的装置，包括：上油机、烘干机和干燥致密化机；其中，所述上油机包括油剂槽、传动辊、上油辊和挤压胶辊；所述烘干机包括烘干机保温夹层和加热元件；所述干燥致密化机包括干燥致密化机箱和干燥致密化辊；较好地解决了该问题，可用于聚丙烯腈基碳纤维原丝的纺丝过程中。

Description

上油和干燥的装置和消除油剂粘辊的方法及应用

技术领域

本发明涉及一种消除油剂粘辊的方法，具体来说是一种用于湿法纺丝生产聚丙烯腈原丝的防止油剂粘留在干燥致密化热辊上的方法。

背景技术

从上个世纪50年代开始，发达国家为研发大型火箭和人造卫星以及全面提高飞机性能，急需新型结构材料及耐腐蚀材料，使碳纤维重新出现在新材料的舞台上，并逐步形成了PAN基碳纤维、黏胶基碳纤维和沥青基碳纤维的三大原料体系。由于PAN基碳纤维生产工艺较其他方法简单，产品的力学性能良好，因此得到了迅速发展，成为当前生产碳纤维的主流。

PAN基碳纤维具有高强度、高模量、耐高温和耐腐蚀等优异性能，被广泛应用于航空航天、国防军事等领域。此外，在飞机工业、汽车行业、船舶制造、医疗器械、体育运动器材和新型建材等领域亦有广阔的应用前景。制备PAN基碳纤维主要包括以下环节：聚合纺丝、PAN原丝的热稳定化以及PAN稳定化纤维的碳化或进一步的石墨化。聚合纺丝过程主要包括单体聚合、脱单脱跑和纺丝。纺丝工艺有湿法、干湿法和熔融法三种，湿法纺丝是目前应用最广泛的工艺。湿法纺丝中容易控制原丝质量，得到原丝纤度离散较小、溶剂残留较少，其工艺相对较为成熟。

PAN基碳纤维是一种人工合成的无机纤维。它是由丙烯腈和共聚单体，经过聚合、纺丝、预氧化和碳化等一系列工艺处理后得到的纤维状聚合物。纺丝过程中PAN分子主要发生物理变化，形成白色的纤维状原丝，预氧化过程中，PAN原丝逐渐演变成某种耐热的含氧结构，经碳化后，得到含碳量极高的碳纤维。由于碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温和耐化学腐蚀等性能，因此它的应用领域及其广泛。

优质PAN原丝是制造高性能碳纤维的首要必备条件，也是影响碳纤维质量最关键的因素之一。所制备的原丝要实现高纯化、高强化、细旦化和致密化；单丝之间分线性好，原丝表面不能有明显缺陷。制备高品质碳纤维的前提条件是必须使用优质的聚丙烯腈原丝，这是多年经验的总结，只有好的纺丝原液才能纺制出优质的聚丙烯腈原丝。

聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备路线，采用不同的依据，有不同的分类方法。根据纺丝使用的溶剂不同，可以分为二甲基亚砜法、硫氰酸钠水溶液法、硝酸法等，根据原丝成型工艺的不同，可以分为湿法和干喷湿法。聚丙烯腈原丝的制备涉及原液的制备和原液的纺丝两个大过程，其中原液的制备包括聚合，脱单和脱泡三道道工序，原液的纺丝包括原液的过滤、计量、凝固、热水牵伸、水洗、上油、干燥致密化、蒸汽牵伸、热定型和卷绕等十几道工序。

上油是碳纤维原丝制备工艺中一个关键的步骤。上油就是在聚丙烯腈原丝表面均匀涂上一层油剂薄膜，油剂可以渗透到纤维内，但大部分的油剂仍然停留在纤维表面，油剂可以保护纤维不被刮伤，还可以提高纤维的集束性和抗静电性，避免纤维在进一步的后处理过程中发生并丝和断丝。纤维的上油量要适当，上油剂量过多，引起硅污染；油剂量过少，引起单丝之间的粘连或并丝。

干燥致密化工序是碳纤维原丝制备工艺中的另一个关键步骤。聚丙烯腈原丝在干燥致密化辊的表面走过，热量使纤维之间和纤维内部的水分蒸发，水分蒸发产生的驱动力，使纤维内部微孔隙内的空间产生负压，进一步促使孔洞闭合，提高纤维的致密性。如果上油工艺和上油量不合适，以及油剂本身的品质有问题，可能造成油剂在干燥辊表面的粘留，长时间下来，干燥辊的表面会积累油剂硬渍。该油剂硬渍不容易清除，且影响干燥辊表面的光洁度，从而影响纤维的质量和纺丝的连续性。

国内专利CN101876096A是一种碳纤维生产过程中所用原丝油剂的生产方法，该原丝油剂的工艺合理，操作简单。该油剂使用时渗透快，润滑性好，可以提高纤维集束性，可以在单丝表面成膜，耐高温，在干燥致密化辊过程中不黏辊，可以再整个预氧化过程中以及低温碳化初期很好地保护纤维，大大降低了单丝粘连和并丝现象，减少了纤维的表面缺陷，提高了纤维的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是现有技术中存在的油剂在干燥辊表面的粘留、干燥辊表面的油剂硬渍不易清除、上油均匀性差和原丝毛丝多的问题。提供了一种消除油剂粘辊的方法，该方法采用了一种上油和干燥的装置，使用上油和干燥的装置具有防止油剂粘留在干燥致密化热辊表面、无需清除干燥辊上的油剂硬渍、上油均匀和原丝毛丝少的优点。

本发明所要解决的技术问题之二是提供一种应用解决技术问题之一的所述上油和干燥的装置用于消除油剂粘辊的方法。

本发明所要解决的技术问题之三是提供一种解决应用技术问题之一的所述上油和干燥的装置在纺丝工艺中的应用。

为解决上述技术问题之一，本发明所采用的技术方案如下：一种上油和干燥的装置，包括：上油机、烘干机和干燥致密化机；其中，所述上油机包括油剂槽1、传动辊2、上油辊3和挤压胶辊4；所述烘干机包括烘干机保温夹层5和加热元件6，所述干燥致密化机包括干燥致密化机箱7、和干燥致密化辊8；使用时，纤维先经过上油机上油，经挤压胶辊和传动辊挤压后，再经烘干机烘干后进入干燥致密化机。

上述技术方案中，所述烘干机优选为管式鼓风烘干机；即常压下的空气，经除湿和过滤进入烘干机后，由管式加热元件加热后变成热风，对上油后的纤维进行表面烘干。管式加热元件为中空圆柱体结构，纤维的轴向与加热元件的圆柱体轴向线重合，纤维和中空圆柱体内壁的距离介于0.5cm～3cm之间。

上述技术方案中，所述的上油辊优选为至少有两只，且部分或完全浸没在油剂中。

上述技术方案中，所述的烘干机保温夹层的两端预留有开口，供纤维进出烘干机箱使用，开口的个数优选为两端各一只。

上述技术方案中，所述的干燥致密化机箱的两侧各预留有开口，供纤维进出干燥致密化机箱使用，开口的个数优选为两侧各一只。

上述技术方案中，所述的从属于烘干机保温夹层的两端的预留的两个开口的位置，其高度处于同一水平，并且开口的中心与上油机的出油浴的导丝辊的上沿处于同一高度上。

上述技术方案中，所述的从属于干燥致密化机的两侧的预留的两个开口的位置，其高度处于同一水平，并且开口的中心与烘干机保温夹层两侧开口的中心处于同一高度上。

上述技术方案中，所述的挤压胶辊位于上油后纤维的一侧。

上述技术方案中，所述的加热元件6的长度优选为不小于烘干机保温夹层总长度的60％。

上述技术方案中，所述的干燥致密化辊8优选为5只，直径优选为不小于30厘米。

上述技术方案中，所述的上油辊更优选为两只。

上述技术方案中，所述的加热元件6的长度更优选为烘干机保温夹层总长度的80％～95％。

上述技术方案中，所述的干燥致密化辊8的直径更优选为40～60厘米。

为解决上述技术问题之二，本发明采用的技术方案为：一种消除油剂粘辊的方法，采用上述技术方案中任一所述的上油和干燥的装置，包括以下步骤：

(a)纤维经过上油机上油，出油剂槽经挤压胶辊挤压，将纤维表面多余的油剂挤压干净；

(b)挤压掉多余油剂的纤维进入烘干机烘干，所述的烘干的温度优选为不高于100℃；

(c)出烘干机后的纤维进入干燥致密化机进行干燥致密化，所述的干燥致密化辊的表面温度优选为100～150℃；

(d)所述的纤维上油的时间优选为不少于5秒；

(e)所述的纤维在烘干机内的停留时间优选为5～30秒；

(f)所述的纤维在干燥致密化机箱内和干燥致密化辊接触的时间优选为30～60秒。

上述技术方案中，所述的消除油剂粘辊的方法，所述的烘干的温度更优选为80～95℃。

上述技术方案中，所述的消除油剂粘辊的方法，所述的干燥致密化辊的表面温度更优选为110～130℃。

上述技术方案中，所述的消除油剂粘辊的方法，所述的纤维上油时间更优选为5～15秒。

上述技术方案中，所述的消除油剂粘辊的方法，所述的纤维在烘干机内的停留时间更优选为15～25秒。

上述技术方案中，所述的消除油剂粘辊的方法，所述的纤维在干燥致密化机箱内和干燥致密化辊接触的时间更优选为45～55秒。

为了解决上述技术问题之三，本发明采用的技术方案如下：上述技术方案中任一所述的上油和干燥的装置在纺丝工艺中的应用。

采用本发明的方案，能够防止油剂在干燥辊表面的粘留，无需清除干燥辊上的油剂硬渍，提高纤维上油的均匀性，降低纤维中毛丝的数量，取得了较好的技术效果。

附图说明

图1为本发明所采用的上油和干燥的装置。

图2为传统的上油和干燥的装置。

图中，1为油剂槽，2为传动辊，3为上油辊，4和为挤压胶辊，5为烘干机保温夹层，6为加热元件，7为干燥致密化机箱，8为干燥致密化辊。

下面通过具体实施例进一步说明。

具体实施方式

【实施例1】

烘干机的加热元件为烘干机保温夹层总长度的60％，干燥致密化辊的直径为30厘米，烘干的温度100℃，干燥致密化辊的表面温度为120℃，纤维上油时间10秒，纤维烘干机内停留时间15秒，纤维在干燥致密化机箱内和干燥致密化辊接触的时间为50秒。

以上的上油和干燥的装置和工艺，可应用于进行纺丝。纺丝工艺如下：

1、原液制备：将经蒸馏的丙烯腈(AN)、衣康酸(IA)按比例97:3、固含量20％，偶氮二异丁腈(AIBN)占共聚单体的0.4wt％，以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂加入到反应器中，在氮气保护下，在59℃的恒定温度下反应20小时，得到二元丙烯腈共聚物纺丝液。然后纺丝液经减压脱除残余单体和气泡后，经过5μm过滤材料的过滤，得到丙烯腈共聚物纺丝原液。经测试，分子量为80021，分子量分布为3.34，粘度在60℃下为75Pa·S。

2、凝固成型：纺丝原液经过计量泵计量、再次经过3μm过滤后，通过喷丝头挤出后进入第1道凝固浴，凝固浴温度20℃，浓度为50％，牵伸比为-30％，第2道凝固浴为40℃，浓度为40％，牵伸比为100％，第3道凝固浴为60℃，浓度为30％，牵伸比为105％，得到初生纤维。

3、牵伸及水洗：

初生纤维通过3道凝固后，进行热水3道牵伸，3道热水牵伸温度分别为90℃、95℃和97℃，牵伸倍数分别为1.5、1.5和1.5.。经过3道热水牵伸后，丝条进行9道水洗，采用阶梯升温的方式，1-3道水洗温度为50℃，4-6道水洗温度为60℃，7-9道水洗温度为70℃，水洗阶段不进行牵伸。

4、上油及干燥致密化：将步骤3得到的纤维进行1道上油后进行干燥致密化，温度为90℃，随后再进行第二次上油，第二次上油和随后的干燥致密化，采用上述的上油和干燥的装置，上油后，进行第2道干燥致密化，干燥致密化的温度为120℃。

5、蒸汽牵伸：将步骤4得到的纤维进行蒸汽牵伸，蒸汽牵伸的压力为0.2Mpa，牵伸比为2倍。

6、蒸汽热定型及收丝：将步骤5得到的纤维进行蒸汽热定型后收丝，得到高性能碳纤维原丝，蒸汽热定型的压力为0.2Mpa。

干燥辊表面无油剂粘留，干燥辊表面无需清除油剂硬渍，纤维上油均匀，纤维表面光亮，色泽均匀无色斑，纤维无毛丝。

【实施例2】

烘干机的加热元件为烘干机保温夹层总长度的80％，干燥致密化辊的直径为40厘米，烘干的温度90℃，干燥致密化辊的表面温度为100℃，纤维上油时间15秒，纤维烘干机内停留时间5秒，纤维在干燥致密化机箱内和干燥致密化辊接触的时间为30秒。

干燥辊表面无油剂粘留，干燥辊表面无需清除油剂硬渍，纤维上油均匀，纤维表面光亮，色泽均匀无色斑，纤维无毛丝。

【实施例3】

烘干机的加热元件为烘干机保温夹层总长度的95％，干燥致密化辊的直径为50厘米，烘干的温度80℃，干燥致密化辊的表面温度为150℃，纤维上油时间5秒，纤维烘干机内停留时间30秒，纤维在干燥致密化机箱内和干燥致密化辊接触的时间为60秒。

干燥辊表面无油剂粘留，干燥辊表面无需清除油剂硬渍，纤维上油均匀，纤维表面光亮，色泽均匀无色斑，纤维无毛丝。

【实施例4】

烘干机的加热元件为烘干机保温夹层总长度的70％，干燥致密化辊的直径为60厘米，烘干的温度85℃，干燥致密化辊的表面温度为115℃，纤维上油时间15秒，纤维烘干机内停留时间30秒，纤维在干燥致密化机箱内和干燥致密化辊接触的时间为50秒。

干燥辊表面无油剂粘留，干燥辊表面无需清除油剂硬渍，纤维上油均匀，纤维表面光亮，色泽均匀无色斑，纤维无毛丝。

【实施例5】

烘干机的加热元件为烘干机保温夹层总长度的85％，干燥致密化辊的直径为40厘米，烘干的温度90℃，干燥致密化辊的表面温度为125℃，纤维上油时间10秒，纤维烘干机内停留时间20秒，纤维在干燥致密化机箱内和干燥致密化辊接触的时间为55秒。

干燥辊表面无油剂粘留，干燥辊表面无需清除油剂硬渍，纤维上油均匀，纤维表面光亮，色泽均匀无色斑，纤维无毛丝。

【比较例1】

采用传统的上油和干燥的装置，如图2所示，纤维上油后，不经过烘干机，直接进入干燥致密化机进行干燥致密化，干燥致密化辊的直径为40厘米，干燥致密化辊的表面温度为125℃，纤维上油时间10秒，纤维在干燥时米花机箱内和干燥致密化辊接触的时间为55秒。

纺丝24小时后，干燥致密化机内与纤维接触的前面第一个和第二个干燥致密化辊的表面可以观察到白色的油剂硬渍，干燥致密化辊表面有断丝缠绕在辊上，纺丝结束后，残留在干燥致密化辊表面的油剂硬渍不易清除掉，纤维上油均匀性差，纤维表面断丝多，毛丝多，纤维表面灰暗无光泽，色泽均匀性差且有色斑。

【比较例2】

采用如图1所示上油和干燥的装置，只是将烘干机替换为现有技术中常用的鼓风烘箱；纤维上油后，经过鼓风烘箱，鼓风烘箱为长方体结构，顶部设有两个开口，供纤维进出，开口的左侧和出口的右侧设有被动滑轮，滑轮直径3cm，两个滑轮的中心处于同一水平，滑轮的上沿和出油剂槽的传动辊的上沿以及最左侧干燥致密化辊的上沿处于同一高度，鼓风烘箱式烘干机的内部设有两个被动滑轮，直径为3cm，供纤维导丝用，热风的烘干温度90℃；然后进入干燥致密化机进行干燥致密化，干燥致密化辊的直径为40厘米，干燥致密化辊的表面温度为125℃，纤维上油时间10秒，纤维在干燥时米花机箱内和干燥致密化辊接触的时间为55秒。

纺丝12小时后，干燥致密化机内与纤维接触的前面第一个和第二个干燥致密化辊的表面可以观察到白色的油剂硬渍，干燥致密化辊表面有断丝缠绕在辊上，鼓风烘箱内的底部以及导丝轮上沾满了油剂，进鼓风烘箱的被动滑轮也沾满了油剂，润滑性变差，纺丝结束后，残留在干燥致密化辊表面的油剂硬渍不易清除掉，纤维上油均匀性差，纤维表面断丝多，毛丝多，纤维表面灰暗无光泽，色泽均匀性差且有色斑。

由比较例1、2和实施例5可以看出，采用本发明的方案，能够防止油剂在干燥辊表面的粘留，无需清除干燥辊上的油剂硬渍，提高纤维上油的均匀性，降低纤维中毛丝的数量，取得了较好的技术效果。

Claims (10)

1.一种上油和干燥的装置，包括：上油机、烘干机和干燥致密化机；其中，所述上油机包括油剂槽(1)、传动辊(2)、上油辊(3)和挤压胶辊(4)；所述烘干机包括烘干保温夹层(5)、加热元件(6)；所述干燥致密化机包括干燥致密化机箱(7)和干燥致密化辊(8)；纤维先经过上油机上油，经挤压胶辊和传动辊挤压后，再经烘干机烘干后进入干燥致密化机。

2.根据权利要求1所述的上油和干燥的装置，其特征在于所述上油辊至少有两只，且浸入在油剂中。

3.根据权利要求1所述的上油和干燥的装置，其特征在于所述的烘干机保温夹层的两端预留有开口，供纤维进出烘干机箱使用。

4.根据权利要求1所述的上油和干燥的装置，其特征在于所述的干燥致密化机箱的两侧各预留有开口，供纤维进出干燥致密化机箱使用。

5.根据权利要求3上油和干燥的装置，其特征在于所述的烘干机保温夹层的两端的开口的高度处于同一水平，并且开口的中心与上油机的出油浴的导丝辊的上沿处于同一高度上。

6.根据权利要求4上油和干燥的装置，其特征在于所述的干燥致密化机箱的两侧预留的开口的高度处于同一水平，并且开口的中心与所述烘干机保温夹层两侧开口的中心处于同一高度上。

7.根据权利要求1所述的上油和干燥的装置，其特征在于所述的加热元件(6)的长度不小于烘干机保温夹层总长度的60％。

8.根据权利要求1所述的上油和干燥的装置，其特征在于所述的干燥致密化辊(8)的直径不小于30厘米。

9.一种消除油剂粘辊的方法，采用权利要求1～8任一所述的上油和干燥的装置，包括以下步骤：

(a)纤维经过上油机上油，出油剂槽经挤压胶辊挤压，将纤维表面多余的油剂挤压干净；

(b)挤压掉多余油剂的纤维进入烘干机烘干，烘干的温度不高于100℃；

(c)出烘干机后的纤维进入干燥致密化机进行干燥致密化，干燥致密化辊的表面温度为100～150℃；

(d)纤维上油的时间不少于5秒；

(e)纤维在烘干机内的停留时间为5～30秒；

(f)纤维在干燥致密化机箱内和干燥致密化辊接触的时间为30～60秒。

10.权利要求1～8任一所述的上油和干燥的装置在纺丝工艺中的应用。