CN107385735B - 用于碳纤维的水洗干燥、上浆和干燥定型的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于碳纤维的水洗干燥、上浆和干燥定型的系统，包括：水洗干燥热辊机组，用于干燥所述碳纤维在水洗工段中的水分，所述水洗干燥热辊机组包括第一热辊机组和第一加热系统；上浆系统，所述上浆系统连接所述水洗干燥热辊机组布置；挤压胶辊组，所述挤压胶辊组连接所述上浆系统布置，用于将所述碳纤维的丝束中多余的浆剂挤除，所述挤压胶辊组包括平行布置的第一挤压辊和第二挤压辊；以及上浆干燥热辊定型机组，其连接所述挤压胶辊组布置，用于干燥所述上浆工艺中的水分并拓宽所述碳纤维的丝幅宽度，所述上浆干燥热辊定型机组包括第二热辊机组和第二加热系统。该系统节省空间，能显著减少碳纤维的毛丝量、增加丝幅宽度。
Description
技术领域
本发明属于碳纤维生产技术领域，涉及一种用于碳纤维的水洗干燥、上浆和干燥定型的系统。
背景技术
碳纤维是一种新型材料，具有低密度、高强度、耐高温、耐腐蚀等优点，目前已广泛运用于航天航空、船舶、汽车等领域，在新兴工业领域如高速列车、风电叶片、电缆支撑芯等领域的应用也越来越广泛，属于军民两用的高科技新材料。碳纤维碳化工艺制备过程中包括预氧化、碳化、表面处理、水洗、水洗干燥、上浆及干燥等过程。上浆及干燥是碳纤维制备过程中的最后一道工序，上浆的目的是增加碳纤维集束性、耐磨性和抗吸水性，通过上浆处理可使碳纤维的机械性能不受损伤,同时保持其强度和可加工性,又可在碳纤维与基体树脂之间引入适当的界面层,使得树脂基体与纤维很好地结合,从而提高复合材料的层间剪切性能，便于碳纤维的后续应用。碳纤维的上浆均匀性、碳纤维丝束的宽度及外表形态对碳纤维的后续应用有重要的影响。如果碳纤维上浆量不均匀、碳纤维丝束的宽窄和外表形态不规整，在将碳纤维制造成预浸料或编织成织物时，其工艺性均比较差，且预浸料和编织物的形态难以精确控制，进而影响最终材料的性能。
目前国内常用的碳纤维水洗干燥和上浆干燥的设备比较落后，多为卧式炉和立式炉，不仅能耗大，而且出入口的含湿气体会从炉口排出，从而影响生产环境，并且存在占地大、成本高的弊端。最重要的是不能很好的拓宽碳丝的丝幅，从而导致丝幅的宽窄不一，不利于后期织布及应用。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于碳纤维的水洗干燥、上浆和干燥定型的系统，从而克服现有技术的缺点。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于碳纤维的水洗干燥、上浆和干燥定型的系统，该系统包括：水洗干燥热辊机组，用于干燥碳纤维在水洗工段中的水分，水洗干燥热辊机组包括第一热辊机组和第一加热系统。上浆系统，上浆系统连接水洗干燥热辊机组，上浆系统用于所述碳纤维的丝束的均匀上浆。挤压胶辊组，挤压胶辊组连接上浆系统，用于将碳纤维的丝束中多余的浆剂挤除，挤压胶辊组包括平行布置的第一挤压辊和第二挤压辊；第一挤压辊为可移动的，第二挤压辊为固定的，且第一挤压辊和第二挤压辊的两端轴承座分别置于同一个滑道中，滑道设置有标尺，用来测量第一挤压辊的挤压行程；以及上浆干燥热辊定型机组，其连接挤压胶辊组布置，用于干燥上浆工艺中的水分并拓宽碳纤维的丝幅宽度，上浆干燥热辊定型机组包括第二热辊机组和第二加热系统。
优选地，上述技术方案中，第一热辊机组包括三个呈凸字形布置的不锈钢镜面光辊。
优选地，上述技术方案中，第二热辊机组包括五个不锈钢镜面光辊。
优选地，上述技术方案中，不锈钢镜面光辊的直径大于500mm，不锈钢镜面光辊的表面镀硬铬，表面粗糙度小于0.2。
5优选地，上述技术方案中，第一加热系统采用电阻丝加热，工作温度为 100-250℃。
优选地，上述技术方案中，第二加热系统采用电阻丝加热，工作温度为 100-200℃。
优选地，上述技术方案中，上浆系统包括：带夹套的上浆槽、多个传动光辊、循环泵和控温机组。
优选地，上述技术方案中，上浆槽中装有所述浆剂，其中两个传动光辊半浸入上浆槽的浆剂中。
优选地，上述技术方案中，控温机组用于上浆槽中的浆剂在25±2℃保持恒温状态。
优选地，上述技术方案中，第一挤压辊为胶辊，第二挤压辊为不锈钢镜面光辊。
优选地，上述技术方案中，通过水洗干燥热辊机组的处理，使得碳纤维的丝束的含水率低于0.5％。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的水洗干燥热辊机组比传统的干燥炉节约了占地面积，降低了用电成本，显著减少了碳纤维的毛丝量，初步拓宽了丝幅宽度；
(2)上浆后进行胶辊挤压能够保持丝幅宽度的一致性，同时保持上浆量的均匀性；
(3)上浆干燥热辊定型机组大大降低了对厂房高考和空间的需求，降低了操作难度，降低了能源损耗，特别是减少了碳纤维产品的毛丝量，提高了拉伸强度，在丝幅定型方面有突出贡献，显著增加了丝幅宽度、提高了丝幅一致性。
附图说明
图1是根据本发明的用于碳纤维的水洗干燥、上浆和干燥定型的系统的示意图。
1-水洗干燥热辊机组，11-辊，2-上浆系统，21-传动光辊，22-上浆槽，3- 挤压胶辊组，31-第一挤压辊，32-第二挤压辊，4-上浆干燥热辊定型机组，5- 碳纤维，6-浆剂。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
图1是根据本发明的用于碳纤维的水洗干燥、上浆和干燥定型的系统的示意图。
如图1所示，本发明的用于碳纤维的水洗干燥、上浆和干燥定型的系统包括：水洗干燥热辊机组1，上浆系统2，挤压胶辊组3和上浆干燥热辊定型机组4。
其中，水洗干燥热辊机组1包括第一热辊机组和第一加热系统。上浆系统2连接水洗干燥热辊机组1，上浆系统2用于所述碳纤维5的丝束的均匀上浆。挤压胶辊组3连接上浆系统2，用于将碳纤维5的丝束中多余的浆剂6挤除，挤压胶辊组包括平行布置的第一挤压辊31和第二挤压辊32，第一挤压辊 31为可移动的，第二挤压辊32为固定的，且第一挤压辊31和第二挤压辊32 的两端轴承座分别置于同一个滑道中，滑道设置有标尺，用来测量第一挤压辊的挤压行程。上浆干燥热辊定型机组4连接挤压胶辊组3，用于干燥上浆工艺中的水分并拓宽碳纤维6的丝幅宽度，上浆干燥热辊定型机组4包括第二热辊机组和第二加热系统。
具体的，水洗干燥热辊机组1的第一热辊机组包括三个呈凸字形布置的不锈钢镜面光辊11，其直径大于500mm，不锈钢镜面光辊的表面镀硬铬，表面粗糙度小于0.2。第一加热系统采用电阻丝加热，工作温度为100-250℃，具体温度由丝束的运行速度决定。水洗干燥热辊机组1用于干燥碳纤维5在水洗工段中的水分，从而使得碳纤维5的丝束的含水率低于0.5％，并逐步地铺展开碳丝的宽度便于更均匀的上浆。
上浆系统2包括：带夹套的上浆槽22、多个传动光辊21、循环泵和控温机组。碳纤维5的丝束通过两个半浸入上浆槽22的传动辊上浆21，浆剂6要保持恒温，通过控温机组循环水在上浆槽22的夹套中进行循环，使得上浆槽 22内的浆剂6的温度保持在25±2℃的恒温状态，当温度低于25℃时，恒温系统的加热器启动；当温度高于25℃时，恒温系统的冰机启动。整个浆剂6 需要均匀以保证左中右的碳丝的上浆量保持均匀，通过循环泵对整个浆剂6进行循环搅匀，以保证整个上浆槽22内各点的浆剂不沉淀，并且浓度保持一致。
挤压胶辊组3的第一挤压辊31为胶辊，第二挤压辊32为不锈钢镜面光辊。第二挤压辊32固定不动，挤压胶辊组3包括手阀，通过手阀来控制第一挤压辊31向第二挤压辊32的挤压行程，并且使第一挤压辊的两端具有相同的位移，以保证第一挤压辊31的两端与第二挤压辊32具有相同的挤压强度。碳纤维5丝束经过两个挤压辊的挤压将多余的浆剂6挤除，两个挤压辊始终保持平行，使得两端的上浆量保持一致，并将丝束尽量挤压延展开来使得丝幅宽度变宽。控制两侧的挤压力保持一致可保证丝幅宽度基本一致。
上浆干燥热辊定型机组4的第二热辊机组包括五个不锈钢镜面光辊，不锈钢镜面光辊的直径大于500mm，不锈钢镜面光辊的表面镀硬铬，表面粗糙度小于0.2。第二加热系统采取电阻丝加热，工作温度为100-200℃，具体温度由丝束的运行速度决定。上浆干燥热辊定型机组4用来干燥上浆工段中的水分，并最终拓宽碳纤维5的丝幅宽度并最终定型。
实施例1
提前对水洗干燥热辊进行升温，温度设定值为147℃，升至目标温度后接入经过水洗的12K T700碳纤维，以8m/min的线速度引入水洗干燥热辊机组。
配制浓度为4.5％的浆剂，搅拌均匀后经循环泵打入上浆槽内，开启温控系统，当槽内浆液温度为25±2℃时，接入来自水洗干燥热辊机组的碳纤维，依次经过各传动光辊完成上浆工艺，当碳纤维经过第二挤压辊时使用手阀合上挤压胶辊组，并保持第一挤压辊两侧的行程刻度一致以进行挤压，两侧行程均为20.35mm。
提前对干燥定型系统热辊组进行升温，升至135℃后接入来自挤压胶辊组的碳纤维，按照图1将碳纤维依次引入上浆干燥热辊定型机组的五个不锈钢镜面光辊以进行上浆干燥扩幅。经过上浆干燥热辊定型机组进行干燥要求含水率低于0.1％，上浆量控制在1％-1.5％之间。
实施例2
采用与实施例1相同的水洗干燥和上浆干燥的温度，但与实施例1不同之处在于挤压辊的行程为20.20mm。
实施例3
提前对水洗干燥热辊进行升温，升至160℃后接入经过水洗的碳纤维，以 8m/min的线速度引入水洗干燥热辊机组。
配制浓度为4.5％的浆剂，搅拌均匀后经循环泵打入上浆槽内，开启温控系统，当槽内温度控制在25±2℃时，水洗干燥热辊机组的碳纤维依次经过各传动光辊完成上浆工艺，当碳纤维经过第二挤压辊时使用手阀合上挤压胶辊组，并保持第一挤压辊两侧的行程刻度一致以进行挤压，两侧行程均为 20.25mm。
提前对干燥定型系统热辊进行升温，升至145℃后接入来自挤压胶辊组的碳纤维，按照图1将碳纤维依次引入上浆干燥热辊定型机组的五个不锈钢镜面光辊以进行上浆干燥扩幅。
实施例4
采用与实施例3相同的是上浆液浓度和挤压辊行程，但与实施例3不同之处在于实施例4的水洗干燥温度为110℃，上浆干燥定型热辊温度为120摄氏度。
实施例1-4的经过本发明的水洗干燥、上浆和干燥定型的系统处理的碳纤维的性能数据如表1所示。
表1
从表1中可知，挤压辊的行程对毛丝量有较大的影响，对上浆量、含水率、丝幅宽度也有较大的影响。水洗干燥和上浆干燥的温度也对上浆量、含水率、丝幅宽度有较大的影响。通过本发明的水洗干燥、上浆和干燥定型的系统处理的碳纤维丝幅宽度明显增加，且毛丝量明显减少。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (6)
1.一种用于碳纤维的水洗干燥、上浆和干燥定型的系统，其特征在于，所述系统包括：
水洗干燥热辊机组，用于干燥所述碳纤维在水洗工段中的水分，所述水洗干燥热辊机组包括第一热辊机组和第一加热系统，所述第一热辊机组包括三个呈凸字形布置的不锈钢镜面光辊，所述不锈钢镜面光辊的直径大于500mm；
上浆系统，所述上浆系统连接所述水洗干燥热辊机组，所述上浆系统用于所述碳纤维的丝束的均匀上浆；
挤压胶辊组，所述挤压胶辊组连接所述上浆系统，用于将所述碳纤维的丝束中多余的浆剂挤除，所述挤压胶辊组包括平行布置的第一挤压辊和第二挤压辊，所述第一挤压辊为可移动的，所述第二挤压辊为固定的，且所述第一挤压辊和所述第二挤压辊的两端轴承座分别置于同一个滑道中，所述滑道设置有标尺，用来测量所述第一挤压辊的挤压行程；
上浆干燥热辊定型机组，其连接所述挤压胶辊组，用于干燥上浆工艺中的水分并拓宽所述碳纤维的丝幅宽度，所述上浆干燥热辊定型机组包括第二热辊机组和第二加热系统，其中所述第二热辊机组包括五个不锈钢镜面光辊，所述第一加热系统和所述第二加热系统均采用电阻丝加热，所述第一加热系统的工作温度为100-250℃，所述第二加热系统的工作温度为100-200℃；
其中，所述上浆系统包括带夹套的上浆槽，其内部装有浆剂；以及
控温机组，其通过控温机组循环水在所述上浆槽的夹套中进行循环，使得所述上浆槽内的所述浆剂的温度保持在25±2℃的恒温状态。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述不锈钢镜面光辊的表面镀硬铬，表面粗糙度小于0.2。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上浆系统还包括：多个传动光辊和循环泵。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述上浆槽中装有所述浆剂，其中两个所述传动光辊半浸入所述上浆槽的所述浆剂中。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一挤压辊为胶辊，所述第二挤压辊为不锈钢镜面光辊。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，通过所述水洗干燥热辊机组的处理，使得所述碳纤维的丝束的含水率低于0.5％。
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