CN107447274A - 一种高性能碳纤维用聚丙烯腈原丝生产水洗装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种高性能碳纤维用聚丙烯腈原丝生产水洗装置及方法，装置包括至少两层上下分布的水洗结构；每层水洗结构包括至少两个前后贯通的水洗槽；清洗水从底层水洗机构一端的水洗槽的进水口流入后逐层流通，最后从高层水洗机构一端的水洗槽的排水口流出；被清洗丝束逆着清洗水的流通方向挨个经过各个水洗槽传送。本申请通过将聚丙烯腈原丝生产用水洗装置设置成多层立体布置，可以缩短水洗工序的距离，节约生产空间和成本；在每个水洗槽都设置加热器和自身循环喷淋系统，提高水洗效果，节约用水和蒸汽消耗，减低纤维中的残余溶剂含量，可使原丝纤维中的残余溶剂含量降至0.01％以下，还提高了碳纤维的强度及其均一性。
Description
技术领域
本公开一般涉及化学纤维制造技术领域，具体涉及高性能碳纤维行业用生产设备，尤其涉及一种高性能碳纤维用聚丙烯腈原丝生产水洗装置及方法。
背景技术
目前，碳纤维用聚丙烯腈原丝生产过程中的水洗系统是多段逆流水洗系统，即多个水洗槽串联平铺排布，依次贯通。清洗用脱盐水由后向前依次流经各水洗槽，纤维运行方向与清洗用脱盐水的水流方向相反；靠后的水洗槽排水口连接至紧接位于其前端的水洗槽的进水口，最后端的水洗槽的进水口为整个水洗系统的进水口，最前端的水洗槽的排水口为整个水洗系统的排水口。
采用此种水洗方式水洗工序距离长，水洗效率较低，原丝纤维中的残余溶剂含量较高，并会耗用大量的水资源和蒸汽，影响碳纤维强度及其均一性的提高。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提既可以提高水洗效果，同时又可以节约用水，降低原丝纤维中的溶剂含量，提高碳纤维的强度及其均一性的聚丙烯腈原丝生产用水洗装置和方法。
第一方面，本申请提供一种高性能碳纤维用聚丙烯腈原丝生产水洗装置，包括至少两层上下分布的水洗结构；每层水洗结构包括至少两个前后贯通的水洗槽；清洗水从底层水洗机构一端的水洗槽的进水口流入后逐层流通，最后从高层水洗机构一端的水洗槽的排水口流出；被清洗丝束逆着清洗水的流通方向挨个经过各个水洗槽传送。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述水洗槽内设置有加热器。
根据本申请实施例提供的技术方案，各个水洗槽内的温度沿着清洗水的流向依次降低；所述水洗槽内的温度范围为30-98度。
根据本申请实施例提供的技术方案，每个所述水洗槽外安装有循环泵；所述循环泵的入口和分别与所述水洗槽的清洗水出口和入口连接。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述循环泵的出口安装有喷嘴。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述水洗槽内安装有用于牵引丝束的被动旋转花辊。
第二方面本申请还提供一种高性能碳纤维用聚丙烯腈原丝生产水洗方法，该方法通过将被清洗丝束依次通过由高至低设置的至少两层水洗槽进行清洗。
根据本申请实施例提供的技术方案，被清洗丝束依次经过温度梯度上升的各个水洗槽进行清洗。
根据本申请实施例提供的技术方案，每个所述水洗槽外安装有循环泵；所述循环泵的入口和分别与所述水洗槽的清洗水出口和入口连接。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述水洗槽内安装有用于牵引被清洗丝束的被动旋转花辊。
本申请的有益效果是：通过将聚丙烯腈原丝生产用水洗装置设置成多层立体布置，可以缩短水洗工序的距离，节约生产空间和成本；在每个水洗槽都设置加热器和自身循环喷淋系统，同时在部分槽中设置花辊，提高水洗效果，节约用水和蒸汽消耗，降低纤维中的残余溶剂含量，可使原丝纤维中的残余溶剂含量降至0.01％以下，还提高了碳纤维的强度及其均一性。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本申请一种实施例的结构示意图；
图中标号：10、水洗槽；20、被清洗丝束；30、加热器；40、循环泵；50、花辊；60、提升泵；11、排水口；12、进水口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参考图1为本申请一种高性能碳纤维用聚丙烯腈原丝生产水洗装置一种实施例的结构示意图，该水洗装置由11个水洗槽10组成，分三层立体布置，最高层由4个标号分别为W1、W2、W3、W4的水洗槽10串联排布，依次贯通；中间层由4个标号分别为W5、W6、W7、W8的水洗槽10串联布置，依次贯通；底层由3个标号分别为W9、W10、W11的水洗槽10串联布置，依次贯通。清洗水由W11槽后向前依次流经W10槽、W9槽后，通过提升泵60进入W8槽、再依次流经W7槽、W6槽、W5槽后，通过提升泵60进入到W4槽、W3槽、W2槽、W1槽，被清洗丝束20运行方向与清洗水的水流方向相反；最前端的W1槽的排水口为整个水洗系统的排水口11；最后端的W11的进水口12是整个水洗系统的进水口12。
在其他实施例中，水洗槽10的层数也可以是2层或者4层以上的其他层数；每层水洗结构的水洗槽的数量也可以是2个或者4个以上的其他数量；清洗水从底层水洗机构一端的水洗槽10的进水口12流入后逐层流通，最后从高层水洗机构一端的水洗槽10的排水口11流出；被清洗丝束20逆着清洗水的流通方向挨个经过各个水洗槽10传送。
在一优选实施例中，所述水洗槽10内设置有加热器30，所述加热器30为盘管加热器，在其他实施例中，加热器30也可以是使用热水或蒸汽加热的其他加热器，加热器30使每个水洗槽10内温度达到一定的温度。
在一优选实施例中，各个水洗槽10内的温度沿着清洗水的流通方向依次升高；所述水洗槽10内的温度范围为30-98度。
在一优选实施例中，每个所述水洗槽10外安装有循环泵40；所述循环泵40的入口和分别与所述水洗槽40的清洗水出口和入口连接。循环泵40的流量依据设定的水洗循环次数而定，设定的水洗循环次数多则水洗流量大；设定的水洗循环次数少则水洗流量小。水洗循环次数以次/小时计。每个水洗槽内都设有循环系统,增加了水洗流量,从而降低溶剂含量。
在一优选实施例中，所述循环泵40的出口安装有喷嘴；水洗槽40内在喷嘴处形成喷淋水洗，喷嘴的喷出速度以不形成气泡为宜。
在一优选实施例中，所述水洗槽10内安装有用于牵引丝束的被动旋转花辊60。在本实施例中，被动旋转花辊60安装在标号为W1-W9的水洗槽内，由于W10-W11有较大牵伸力,为了避免出现缠辊情况，W10-W11不设置旋转花辊；在本实施例中被动旋转花辊60型号为11棒花棍，花辊直径为130-170mm，光洁度为Ra0.2。
在上述实施例中，W1槽出口与W2槽入口之间设有浸入水洗槽液位线以下的槽中辊、W3槽出口与W4槽入口之间设有浸入水洗槽液位线以下的槽中辊、W5槽出口与W6槽入口之间设有浸入水洗槽液位线以下的槽中辊、W7槽出口与W8槽入口之间设有浸入水洗槽液位线以下的槽中辊；上述槽中辊均为被动的16棒花辊，直径大小为260-320mm，光洁度为Ra0.2；上述旋转花辊使清洗效果更好。
本申请还提供一种高性能碳纤维用聚丙烯腈原丝生产水洗方法，该方法通过将被清洗丝束20依次通过由高至低设置的三层水洗槽10进行清洗。最高层由4个标号分别为W1、W2、W3、W4的水洗槽10串联排布，依次贯通；中间层由4个标号分别为W5、W6、W7、W8的水洗槽10串联布置，依次贯通；底层由3个标号分别为W9、W10、W11的水洗槽10串联布置，依次贯通。清洗水由W11槽后向前依次流经W10槽、W9槽后，通过提升泵进入W8槽、再依次流经W7槽、W6槽、W5槽后，通过提升泵进入到W4槽、W3槽、W2槽、W1槽，纤维运行方向与清洗水的水流方向相反；最前端的W1水洗槽的排水口为整个水洗系统的排水口。
在一优选实施例中，上述W1-W11水洗槽内的水温梯度上升，高的温度有利于溶剂向水中扩散和水向丝束中渗透，但是直接将凝固浴出来的丝束浸入到高温水洗槽中会导致丝束迅速形成皮芯结构,不利于纤维中的溶剂进一步扩散,同时也会使蒸汽消耗大量增加，逐步上升的温度使纤维内部的溶剂向水中扩散,水分子向纤维内部扩散,双扩散现象进行的更缓慢,而逐步的双扩散有利于纤维结构致密化的提高,同时逐步升温也有利于减少蒸汽消耗。
在一优选实施例中，每个所述水洗槽10外安装有循环泵40；所述循环泵40的入口和分别与所述水洗槽10的清洗水出口和入口连接。水洗循环泵的流量依据设定的水洗循环次数而定，设定的水洗循环次数多则水洗流量大；设定的水洗循环次数少则水洗流量小。水洗循环次数以次/小时计。
利用上述水洗方法，设置水洗实验如下：
实验一：
W1-W11标号的水洗槽规格均设置为3500mm×2000mm×300mm；W1-W11标号的水洗槽内的温度依次设定为40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85、95℃的水洗槽，在运行速度为50-80m/min下清洗26束纤维，在同一补水量的条件下分别进行了循环次数为0、5、10、15次/h的水洗效果评价试验，在最后一个水洗槽W11上取一段纤维测试残余溶剂含量。
| 循环次数 | 0次/h | 5次/h | 10次/h | 15次/h |
| 纤维中残余溶剂含量(％) | 0.15 | 0.09 | 0.05 | 0.01 |
| 水洗效果提高(％) | 0 | 40 | 66.7 | 96.2 |
| 碳纤维强度(GPa) | 4.32 | 5.35 | 5.48 | 5.78 |
表1
从上表1可以看出，随着循环次数的增加，聚丙烯腈原丝即被清洗丝束20中残余溶剂的含量大大降低。当循环次数达到15次/h时，残余溶剂含量可降低至0.01％，相应的碳纤维强度可提高至5.78Gpa。与不采用循环水洗相比，水洗效率最高可提高96.2％，相应的碳纤维强度可提高33.8％。
实验二：
W1-W11标号的水洗槽规格均设置为3500mm×2000mm×300mm；W1-W11标号的水洗槽内的温度依次设定为45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90、95℃的水洗槽，在运行速度为50-80m/min下清洗26束纤维，在同一补水量的条件下分别进行了循环次数为0、5、10、15次/h的水洗效果评价试验，在最后一个水洗槽W11上取一段纤维测试残余溶剂含量。
本次试验结果及对应的碳纤维强度结果见表2。
| 循环次数 | 0次/h | 5次/h | 10次/h | 15次/h |
| 纤维中残余溶剂含量(％) | 0.12 | 0.07 | 0.02 | 0.008 |
| 水洗效果提高％ | 0 | 41.6 | 83.3 | 93.3 |
| 碳纤维强度GPa | 4.38 | 5.32 | 5.53 | 5.74 |
表2
从上表2可以看出，随着循环次数的增加，PAN原丝中残余溶剂的含量大大降低。当循环次数达到15次/h时，残余溶剂含量可降低至0.008％，相应的碳纤维强度可提高至5.74Gpa。与不采用循环水洗相比，水洗效率最高可提高93.3％，相应的碳纤维强度可提高。
在一优选实施例中，所述水洗槽10内安装有用于牵引被清洗丝束20的被动旋转花辊60。在本实施例中，被动旋转花辊60安装在标号为W1-W9的水洗槽内，型号为11棒花棍，花辊直径为130-170mm，光洁度为Ra0.2。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种高性能碳纤维用聚丙烯腈原丝生产水洗装置，其特征在于，包括至少两层上下分布的水洗结构；每层水洗结构包括至少两个前后贯通的水洗槽(10)；清洗水从底层水洗机构一端的水洗槽(10)的进水口(12)流入后逐层流通，最后从高层水洗机构一端的水洗槽(10)的排水口(11)流出；被清洗丝束(20)逆着清洗水的流通方向挨个经过各个水洗槽(10)传送。
2.根据权利要求1所述的水洗装置,其特征在于，所述水洗槽(10)内设置有加热器(30)。
3.根据权利要求2所述的水洗装置,其特征在于，各个水洗槽(10)内的温度沿着清洗水的流向依次降低；所述水洗槽内的温度范围为30-98度。
4.根据权利要求1至3任一项所述的水洗装置,其特征在于，每个所述水洗槽(10)外安装有循环泵(40)；所述循环泵(40)的入口和分别与所述水洗槽(10)的清洗水出口和入口连接。
5.根据权利要求4所述的水洗装置,其特征在于，所述循环泵(40)的出口安装有喷嘴。
6.根据权利要求5所述的水洗装置,其特征在于，所述水洗槽(10)内安装有用于牵引丝束的被动旋转花辊(50)。
7.一种高性能碳纤维用聚丙烯腈原丝生产水洗方法，其特征在于，该方法通过将被清洗丝束(20)依次通过由高至低设置的至少两层水洗槽(10)进行清洗。
8.根据权利要求7所述的水洗方法，其特征在于，被清洗丝束(20)依次经过温度梯度上升的各个水洗槽(10)进行清洗。
9.根据权利要求8所述的水洗方法，其特征在于，每个所述水洗槽(10)外安装有循环泵(40)；所述循环泵(50)的入口和分别与所述水洗槽(10)的清洗水出口和入口连接。
10.根据权利要求9所述的水洗方法，其特征在于，所述水洗槽(10)内安装有用于牵引被清洗丝束(20)的被动旋转花辊(50)。
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