CN105839213B - 一种沥青炭纤维原丝熔融纺丝机 - Google Patents

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Abstract

一种沥青炭纤维原丝熔融纺丝机，其基本组成为：1、加料器；2、熔化螺杆；3、过滤器；4、脱挥器；5、真空系统；8、输送螺杆；9、增压泵；10、计量泵；11、过滤器；12、纺丝模头。该纺丝机具有输送物料均匀、强化脱挥等特点，采用该纺丝机可以连续、稳定地纺制沥青纤维，是制备质量优良的沥青炭纤维的基本设备之一。

Description

一种沥青炭纤维原丝熔融纺丝机
技术领域
本发明涉及一种用于沥青炭纤维原丝的熔融纺丝机，确切的说，使用该纺丝机可以把纺丝沥青纺制成沥青纤维(原丝)，该沥青纤维经后处理就可以得到沥青炭纤维，采用该纺丝机可以连续、稳定地纺制沥青纤维，是制备质量优良的沥青炭纤维的基本设备之一。
技术背景
炭纤维具有密度低、拉伸强度和模量高等许多优点，在军事和民用高科技领域得到越来越广泛的应用。沥青炭纤维是炭纤维的一个重要品种，是以沥青为原料的炭纤维。
普通沥青经净化、调制、纺丝、不熔化和炭化工艺制成炭纤维。其中纺丝是在纺丝沥青熔化状态下进行的，是沥青变成纤维的过程。沥青的熔融纺丝是沥青炭纤维制作的一个重要过程，它使沥青分子沿纤维轴向取向。要连续、稳定的制备沥青炭纤维，纺丝机的设计和制作十分关键。
普通高分子聚合物的熔融纺丝发展比较充分，如由吴大诚、杨忠和、何勤功和濮德林古大冶合编的《合成纤维熔体纺丝》(纺织工业出版社，1980.10统一书号15041.1061)一书的第六章″熔融纺丝机的结构和原理″(331-461页)中，描述了熔融纺丝机的基本结构，包括进料、熔融、输送、计量及喷丝过程，对普通聚合物的纺丝较为适合。
与普通高分子聚合物的熔融纺丝不同，沥青的可纺温度区间窄，纺丝过程热裂解严重，所以，使用常规熔融纺丝机无法稳定、连续地纺制高质量的沥青纤维，由此得到的炭纤维质量不高。
申请号201410791922.9″一种沥青碳纤维原丝纺丝装置″描述了沥青熔融纺丝机，但其过程和内容与前述吴大诚所著书中的内容相似，许多内容在姜海峰的文章″浅谈新品装置熔融纺丝用双螺杆挤压机的特点″(《化工管理》，2013年第9期，74-76页)中有详细描述，没有针对沥青的特点进行设计。
沥青是由多环芳烃化合物组成的混合物，纺丝沥青较普通沥青的区别在于分子量高、分布窄。沥青的纺丝是在熔融状态下进行的，其温度在300-380℃之间，在这样的温度下沥青分子发生热裂解反应，生成许多小分子化合物，这些小分子化合物在纺丝过程中对纺丝状态的稳定性和沥青纤维的质量及最终产品炭纤维的性能都是不利的，所以，在纺丝阶段除去这些小分子化合物是必要的。纺丝沥青的软化点较高，在纺丝温度下的粘度较大，裂解产生的小分子溶解的纺丝沥青中，很难除去。而传统的熔融纺丝机有时在某些组件(如熔化螺杆)局部设有脱挥部位，但效果有限，在喷丝孔处出现大量的裂解黄烟，导致沥青纤维及其炭纤维性能不高。而且裂解气过多会导致纺丝过程断丝，纺丝稳定性较差。
本发明在常规熔融纺丝机的基础上针对纺丝沥青的特点，设计了专用纺丝机，该纺丝机设有专门的脱挥装置，使沥青熔化过程中夹带的气体(空气或氮气)及裂解气得到有效脱除。使用该纺丝机可以稳定、连续地纺制沥青纤维，该沥青纤维内部缺陷少，由此制备的炭纤维性能高、均匀。
发明内容
本发明提供一种沥青炭纤维专用纺丝机，该纺丝机具有输送物料均匀、强化脱挥等功能。
本发明的基本过程如下：
纺丝沥青由加料器1通过计量装置准确加入沥青粉料，沥青粉料进入熔化螺杆2熔化，熔化后的沥青经粗滤器3过滤除去相关组分，然后进入脱挥器4除去沥青中的裂解气和熔化过程中夹带的混杂气体；脱挥器是在真空状态下工作的，其真空是由真空系统5提供的；脱挥后的沥青由输送螺杆8输送至增压泵9，增压泵将沥青熔体压力提高后送至计量泵10，沥青熔体经精滤器11后进入纺丝模头12，然后通过喷丝板挤出成为纤维状，该纤维经牵伸成为沥青纤维。
脱挥器4的运行过程为：由过滤器3输送的物料从405进入刮膜蒸发器，经旋转的物料分布器406将熔融沥青均匀分布在靠近蒸发器内壁的环形区域，熔融沥青在重力的作用下流入408转子和刮板上部，旋转的刮板将物料连续均匀地在蒸发面上刮成厚薄均匀的液膜，并以螺旋状向下推进；在此过程中，旋转的刮板保证连续和均匀的液膜产生湍流，并阻止液膜在加热面结焦、结垢；轻组份被蒸发形成蒸汽流上升至气液分离器402，经气液分离器后的气体从挥发份出口403排出系统，403经管道连接至真空系统5；重组份从蒸发器底部物料出口412排出，进入输送螺杆8。除沫器404是防止熔融沥青产生泡沫进入真空系统、堵塞管道的装置。
本发明的优点如下：
(1)专门的脱挥器可除去裂解气和熔化过程中夹带的混杂气体，减少了沥青纤维内部的缺陷，减少了挥发份的干扰。
(2)该纺丝机可以连续、稳定的纺制沥青纤维，断丝少。
附图说明
图1为沥青熔融纺丝机的基本结构图。
图2为脱挥器。
图中标号如下：
1、加料器；2、熔化螺杆；3、粗滤器；4、脱挥器；5、真空系统；6、脱挥器与真空系统连接管道；7、第一平台；8、输送螺杆；9、增压泵；10、计量泵；11、精滤器；12、纺丝模头；13、第二平台；14、各部位连接管道。
401、电机及减速器；402、气液分离器；403、挥发份出口；404、除沫器；405、物料入口；406、物料分布器；407、主轴；408、转子和刮板；409、筒体；410、加热套；411、底封头；412、物料出口。
具体实施方式
设备总流程图在图1中。具体实施过程如下：
整套设备是在两个平台上安装的，设备通过螺栓固定在相关位置。在第一个平台7上安装有熔化螺杆2和粗滤器3，在熔化螺杆进口出上方是加料器1。加料器1是一个双螺杆结构的装置，其入口上方安装着盛料漏斗，粒度＜2mm的固体沥青粉料依靠重力落入进料螺杆；双螺杆是采用变频电机及变速器控制，根据需要的进料量调节双螺杆转速。沥青粉料进入熔化螺杆之后，在加热和摩擦的作用下熔化成液体，熔化螺杆的温度沿进口到出口逐渐升高，最高温度在350℃左右；熔化螺杆的转速是采用变频电机及变速器控制，根据需要的流量调节螺杆转速。熔化的沥青进入粗滤器3，粗滤器3是将沥青中较大的固体颗粒去除的装置，如无机固体颗粒及沥青中特大分子量的分子；粗滤器入口和熔化螺杆出口连接，粗滤器中采用不锈钢滤网过滤，不锈钢滤网的目数在100目左右；粗滤器3的温度依靠外部电热元件加热，温度与熔化螺杆出口温度相同。
在第二个设备平台13上，依次安装着输送螺杆8、增压泵9、计量泵10和精滤器11；脱挥器4是依靠支架安装在平台13上，其位置在输送螺杆8的入口上方；脱挥器4的真空由真空系统5提供的，真空系统5放置在平台7的下方。由粗滤器3流过的沥青熔体由脱挥器的405入口进入刮膜蒸发器(图2)，沥青熔体落到匀速旋转的物料分布器406倾斜的环面上，沥青熔体均匀分布在靠近蒸发器内壁的环形区域，沥青熔体在重力的作用下流入408转子和刮板上部，旋转的刮板将物料连续均匀地在筒体409内壁上刮成厚薄均匀的沥青熔体液膜，膜的厚度＜1mm；该膜在重力和旋转的刮板作用下向下移动。在由真空系统5提供的真空条件下(绝对压力＜5kPa)，在熔化阶段包裹在沥青熔体的气体和初期裂解的小分子蒸发并被排除系统；在此过程中，旋转的刮板保证连续和均匀的液膜产生湍流，利于小分子挥发份气化以及沥青熔体膜内部的传质交换，也阻止了液膜在加热面结焦、结垢；轻组份被蒸发形成蒸汽流上升至气液分离器402，被气流夹带的细微沥青熔体液滴在此被分离并流回物料分布器406；经气液分离器的气体从挥发份出口403排出系统，403是和真空系统5连接的；被脱除挥发份的沥青熔体沿底封头411内壁流至蒸发器底部物料出口412后排出脱挥器系统，进入输送螺杆8。除沫器404是防止熔融沥青中的轻组分产生泡沫进入真空系统的装置，以防泡沫堵塞管道。脱挥器的旋转动力是由位于其顶部的变频电机及减速器提供的，其热源是由加热套410提供的，其温度与纺丝温度一致。
脱挥后的沥青熔体进入输送螺杆8，传输至增压泵9以提高沥青熔体压力，由增压泵9输送的物料流至计量泵10；计量泵通过准确计量将沥青熔体输送至精滤器11，精滤器11将沥青熔体中细微粒子和较大的沥青分子过滤去除；精滤器11采用300目以上的不锈钢网作为过滤网；被过滤后的沥青进入纺丝模头12，在分布板的作用下分布到喷丝板上方，沥青熔体流过喷丝孔进入系统外部，在重力和机械牵伸的作用下成为沥青纤维。系统的管道和部件均采用电热加热，通过温度控制器调节和控制温度；输送螺杆、增压泵和计量泵的运转均采用频电机及减速器控制。纺丝模头是采用单独钢结构支架固定在相应的位置，模头是在保温箱中安置的，使沥青熔体保持在纺丝温度下。

Claims (2)

1.一种沥青炭纤维原丝熔融纺丝机，其特征在于，包括加料器(1)、熔化螺杆(2)、粗滤器(3)、脱挥器(4)、真空系统(5)、第一平台(7)、输送螺杆(8)、增压泵(9)、计量泵(10)、精滤器(11)、纺丝模头(12)、第二平台(13)；整套设备是在两个平台上安装的，设备通过螺栓固定在相关位置；
在第一平台(7)上安装有熔化螺杆(2)和粗滤器(3)，在熔化螺杆(2)进口处上方是加料器(1)；加料器(1)是一个双螺杆结构的装置，其入口上方安装着盛料漏斗；加料器(1)上的双螺杆以及熔化螺杆(2)均采用变频电机及变速器控制；粗滤器(3)采用不锈钢滤网过滤，不锈钢滤网的目数为100目；粗滤器(3)的温度依靠外部电热元件加热，温度与熔化螺杆(2)出口温度相同；
在第二平台(13)上，依次安装着输送螺杆(8)、增压泵(9)、计量泵(10)和精滤器(11)；脱挥器(4)是依靠支架安装在第二平台(13)上，其位置在输送螺杆(8)的入口上方；脱挥器(4)的真空由真空系统(5)提供，真空系统(5)放置在第一平台(7)的下方；
所述的脱挥器(4)是刮膜蒸发器结构或者薄膜蒸发装置，包括电机及减速器(401)、气液分离器(402)、挥发份出口(403)、除沫器(404)、物料入口(405)、物料分布器(406)、主轴(407)、转子和刮板(408)、筒体(409)、加热套(410)、底封头(411)、物料出口(412)；由粗滤器(3)流过的沥青熔体由脱挥器的物料入口(405)进入刮膜蒸发器，沥青熔体落到匀速旋转的物料分布器(406)倾斜的环面上，沥青熔体均匀分布在靠近蒸发器内壁的环形区域，沥青熔体在重力的作用下流入转子和刮板(408)上部，旋转的刮板将物料连续均匀地在筒体(409)内壁上刮成厚薄均匀的沥青熔体液膜，该膜在重力和旋转的刮板作用下向下移动；熔化沥青在脱挥器(4)中成膜厚度小于1mm，脱挥器(4)内部温度在300-380℃，脱挥器(4)中气体压力＜5KPa；在由真空系统(5)提供的真空条件下，在熔化阶段包裹在沥青熔体的气体和初期裂解的小分子蒸发并被排除系统，轻组份被蒸发形成蒸汽流上升至气液分离器(402)，被气流夹带的细微沥青熔体液滴在此被分离并流回物料分布器(406)；经气液分离器(402)的气体从挥发份出口(403)排出系统，挥发份出口(403)和真空系统(5)连接；被脱除挥发份的沥青熔体沿底封头(411)内壁流至蒸发器底部物料出口(412)后排出脱挥器系统，进入输送螺杆(8)；除沫器(404)是防止熔融沥青中的轻组分产生泡沫进入真空系统的装置；脱挥器(4)的旋转动力是由位于其顶部的变频电机及减速器提供的，其热源是由加热套(410)提供的，其温度与纺丝温度一致；
所述熔化螺杆(2)是双螺杆或者单螺杆结构，螺杆有加热系统；螺杆温度是分段加热，从进口到出口温度逐渐增加，温度在室温到380℃之间；
所述输送螺杆(8)是双螺杆或者单螺杆结构，螺杆有加热系统；螺杆温度是分段加热，从进口到出口温度逐渐增加，温度在330-380℃之间。
2.权利要求1所述的一种沥青炭纤维原丝熔融纺丝机，其特征在于，所述的熔融纺丝机，是具有脱挥器的纺丝机，适用于沥青的熔融纺丝。
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