CN108103593A - 一种制备中间相沥青基碳纤维原丝的喷丝板及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制备中间相沥青基碳纤维原丝的喷丝板及方法，喷丝板呈模块设计并设计中空流道，中空流道中通入导热媒介以使喷丝板中心和外侧温度一致，降低温度差，将喷丝板整体温度控制在最优纺丝温度范围内。喷丝板包括喷丝板本体，喷丝板本体上环形设置有多个呈间隔设置的纺丝孔单元，喷丝板本体内部沿纺丝孔单元之间的间隔设置有蛇形的导热媒介流道，导热媒介流道的两端分别为导热媒介入口和导热媒介出口；各纺丝孔单元包括多个纺丝孔。将经过加热的导热媒介经过导热媒介流道，使各纺丝孔单元的温度达到纺丝温度且保持恒定；纺丝时，融化后的中间相沥青经过分配、均压、过滤后喷入喷丝板，经纺丝孔喷出原丝，再制成中间相沥青基碳纤维原丝。

Description

一种制备中间相沥青基碳纤维原丝的喷丝板及方法

技术领域

本发明属于中间相沥青基碳纤维纺丝设备领域，涉及一种用于中间相沥青基碳纤维原丝纺丝的喷丝板，具体为一种制备中间相沥青基碳纤维原丝的喷丝板及方法。

背景技术

碳纤维具有质轻、高强、耐热好等优良性能，对于航天航空领域有着特别重要的意义，而中间相沥青基碳纤维由于其具有高模量和高导热的特性以及负热膨胀系数，使其特别适合用于制备高导热及对尺寸稳定性要求特别高的复合材料，应用于卫星、导弹及太空中温度差异大的环境中。

中间相沥青基碳纤维的制备难度主要在于原丝纺丝，原丝纺丝的难度在于对纺丝条件的精确控制，因为中间相沥青温度敏感性强，可纺温度范围窄，因此需要对纺丝温度进行精确的控制。而现有的喷丝板设计均为辐射加热方式，从外围向中心辐射，这种方式都会造成喷丝板中心和外围的温度偏差大，均温性差，因此很难控制使喷丝板的中心温度和外围温度都在中间相沥青的可纺温度范围内，这就容易造成断丝、糊板、直径偏差等，影响原丝品质。因此，需要研究一种能够保证中心和外围温度偏差小、均温性好的喷丝板。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种制备中间相沥青基碳纤维原丝的喷丝板及方法，喷丝板上有纺丝模块设计，并在喷丝板中设计中空流道，通过在中空流道中通入导热媒介，使各纺丝模块温度一致，降低温度差，解决制备中间相沥青基碳纤维原丝时喷丝板各处温度不均的问题，从而很好的将喷丝板整体温度控制在中间相沥青的最优纺丝温度范围内。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种制备中间相沥青基碳纤维原丝的喷丝板，包括喷丝板本体，喷丝板本体上依次设置有多个呈间隔设置的纺丝孔单元，喷丝板本体内部沿纺丝孔单元之间的间隔设置有蛇形的导热媒介流道，导热媒介流道的两端分别为导热媒介入口和导热媒介出口；各纺丝孔单元包括多个纺丝孔。

优选的，各纺丝孔单元设置在与其一一对应的可拆卸的纺丝模块上，喷丝板本体上设置有与各纺丝模块一一对应的纺丝模块安装孔，各纺丝模块嵌装在对应的纺丝模块安装孔中。

优选的，多个纺丝模块位于同一圆周上，各纺丝模块的水平截面为扇形，各纺丝模块在切线方向的纵向截面为倒梯形，纺丝模块安装孔的形状与纺丝模块的形状配合。

进一步的，喷丝板本体的水平截面为圆形。

进一步的，喷丝板本体上的纺丝孔为非布满式，其中心部位留有能够安放吹风装置的空间。

优选的，各纺丝孔单元中的多个纺丝孔呈矩阵式排列，每个纺丝孔单元上纺丝孔的数量为10～100个。

一种制备中间相沥青基碳纤维原丝的方法，基于如上所述的喷丝板，将经过加热的导热媒介从导热媒介入口输入喷丝板主体，经过导热媒介流道后从导热媒介出口输出，经过1～2小时的循环加热，使各纺丝孔单元的温度达到纺丝温度且保持恒定；

纺丝时，融化后的中间相沥青经过分配、均压、过滤后进入喷丝板，经纺丝孔喷出原丝，经牵伸、集束、上油、干燥后收卷，完成纺丝，得到中间相沥青基碳纤维原丝。

优选的，导热媒介的输送过程具体为：将导热媒介入口和导热媒介出口分别与控温循环设备的输出端和输入端连接；将通过控温循环设备加热的导热媒介从导热媒介入口输入喷丝板主体，经过导热媒介流道后从导热媒介出口输出并返回控温循环设备。

优选的，原丝从纺丝孔喷出后，从各纺丝孔单元的四周对原丝进行吹风冷却，风的走向为与原丝的丝束垂直。

优选的，导热媒介为导热油或者熔盐。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明将喷丝板设置成具有多个纺丝孔单元的结构，并绕纺丝孔单元设置蛇形的导热媒介流道，纺丝时采用内通恒温导热媒介的加热方法进行加热，因为导热媒介沿导热媒介流道内流动，既可以到达喷丝板的内圈又能到达其外围，使得喷丝板上各纺丝孔单元及纺丝孔单元的各个部位的温度均一，不会像辐射加热方式那样产生喷丝板中心和外围的较大温度差，避免一部分温度高而另一部分温度低的问题，因此，更容易将喷丝板的整体温度控制在中间相沥青的最优纺丝温度范围内，从而解决纺丝过程中由于温度偏差造成的的断丝、粘板、直径偏差、不能制备大丝束、纺丝效率低等难题。

进一步的，现有喷丝板设计为整体式，一旦个别喷丝孔损坏整块板都需要更换，成本高；且整体重量大，清洗不便。本发明将喷丝板上的纺丝孔单元设计成可拆卸的纺丝模块，可以根据生产需要更换不同型号的纺丝模块，制备不同型号的原丝，或可更换损坏的纺丝模块，大大降低喷丝板的加工和维护成本。

进一步的，现有喷丝板上的喷丝孔多设计为满布式，纺丝时只能从外围向内吹风，不利于纺丝焦油的排除和原丝的冷却，不利于长时间生产和原丝直径细化，生产效率低，性能提升困难。本发明将喷丝孔分散设计在环形分布的各个纺丝单元上，纺丝时可以从各纺丝单元的四周对丝束进行吹风，从而更利于纺丝时焦油的排除，保持喷丝板表面清洁，减少粘板和断丝，有利于提高单次纺丝时间和原丝直径细化牵伸，可以提高生产效率和碳纤维性能。

本发明所述的中间相沥青基碳纤维原丝制备方法，采用上述的喷丝板，通过内通恒温导热媒介的加热方法进行循环加热，使得喷丝板上各纺丝孔单元及纺丝孔单元的各个部位的温度均一，因此，很容易将喷丝板的整体温度控制在中间相沥青的最优纺丝温度范围内，从而解决纺丝过程中由于温度偏差造成的断丝、粘板、直径偏差、不能制备大丝束等问题。

进一步的，通过外接控温循环设备，导热媒介循环流动，通过精确控制导热媒介的温度从而对纺丝温度进行精准控制。

进一步的，通过在纺丝模块四周进行垂直吹风冷却，既可以更快的去除纺丝时产生的焦油又可以更均匀对原丝进行冷却，提高生产效率和碳纤维性能。

附图说明

图1为本发明所述喷丝板在水平方向的剖面图。

图2为本发明所述纺丝模块在水平方向的剖面图。

图3为本发明所述纺丝模块在切线方向的纵向剖面图。

图4为本发明所述喷丝板本体在水平方向的剖面图。

图中：1-导热媒介入口，2-导热媒介出口，3-纺丝模块，4-喷丝板本体，5-纺丝孔，6-导热媒介流道，7-纺丝模块安装孔。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明所述的喷丝板为可加热的模块式喷丝板，包括喷丝板本体4和多个纺丝模块3，本实例中采用12个纺丝模块3，12个纺丝模块3位于同一圆周上，且在喷丝板本体4上呈间隔设置。如图2和图3所示，每个纺丝模块3都加工成扇形的倒梯形结构，即其水平截面为扇形，在切线方向的纵向截面为倒梯形，每个纺丝模块3上都根据纺丝孔的加工要求最优地加工10～100个纺丝孔5，且每个纺丝模块3上的多个纺丝孔5呈矩阵式排列，从而每个纺丝模块3上的多个纺丝孔5形成一个纺丝孔单元。本实例中，喷丝板本体4设计成圆形结构。

如图4所示，喷丝板本体4上设置有用于安装纺丝模块3的倒梯形的纺丝模块安装孔7，各纺丝模块3一一对应的嵌装在纺丝模块安装孔7中。可根据生产需要更换不同型号的纺丝模块3，制备不同型号的原丝，或可更换损坏的纺丝模块3，大以大降低喷丝板的加工和维护成本。

如图4所示，喷丝板本体4为中空的流道设计，其内部沿纺丝模块3之间的间隔设置有蛇形的导热媒介流道6，导热媒介流道6的两端分别为导热媒介入口1和导热媒介出口2。

本发明使用上述的喷丝板制备中间相沥青基碳纤维原丝的方法，步骤如下：

生产前，将多个纺丝模块3安装在喷丝板本体4上，再将喷丝板和配套的组件组装到一起，安装到纺丝箱体内，将导热媒介入口1和导热媒介出口2分别与外接控温循环设备的输出端和输入端可靠连接；

纺丝前，首先通过外接控温循环设备加热的导热媒介从导热媒介入口1输入喷丝板本体4，导热媒介经过蛇形的导热媒介流道6后从导热媒介出口2输出并返回到外接控温循环设备，如此循环，经过1～2小时的循环加热，使各纺丝模块3的温度均达到纺丝的工艺温度，且保持恒定，通过外接控温循环设备将纺丝温度精准控制到温度误差为±0.5℃；

纺丝时，通过计量泵将融化后的中间相沥青定量输送到纺丝组件内，经过纺丝组件的分配、均压、过滤后到达喷丝板，通过多个纺丝模块3上的纺丝孔5喷出原丝，在纺丝模块3的四周通过吹风设备对原丝进行吹风，风的走向垂直原丝丝束，再用缓冷装置配合牵伸辊细化牵伸，集束后依次经过上油机上油，干燥机干燥后收卷，完成纺丝，得到中间相沥青基碳纤维原丝。

本发明所述的导热媒介可以是导热油，也可以是熔盐。

本发明的原理在于：在喷丝板上设置导热媒介流道6，纺丝时采用内通恒温导热媒介的加热方法进行加热，导热媒介沿导热媒介流道6流动，因此可以到达喷丝板的内圈及其外围，使得喷丝板上各纺丝模块3及纺丝模块3的各个部位的温度均一，因此，更容易将喷丝板的整体温度控制在中间相沥青的最优纺丝温度范围内，从而通过调节导热媒介的温度，实现对喷丝板纺丝温度的精准控制，避免温度偏差造成的不良影响。本发明设计成可拆卸的纺丝模块3，可以根据生产需要更换不同型号的纺丝模块3，制备不同型号的原丝，或可更换损坏的纺丝模块3，大大降低喷丝板的加工和维护成本。本发明将纺丝模块3设置成扇形，即喷丝板本体4上的纺丝孔为非布满式，其中心部位留有能够安放吹风设备的空间，纺丝时可以从各纺丝模块3的四周进行吹风，从而利于原丝冷却和纺丝时焦油的排除，减少断丝、粘板，增加单次纺丝时间，提高了生产效率。

本发明所述喷丝板创新性的采用模块式内通导热媒介加热的方式，很好解决了纺丝时喷丝板均温性差的难题，通过循环的导热媒介给喷丝板整体加热，通过调节导热媒介的温度，实现对喷丝板纺丝温度的精准控制，从而解决了纺丝过程中的断丝、粘板、直径偏差大、生产效率低、不能制备大丝束等难题，同时本发明模块式设计，原丝冷却效果好，利于直径细化，能明显提高中间相沥青基碳纤维性能。

本发明的内容不限于实施所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种制备中间相沥青基碳纤维原丝的喷丝板，其特征在于，包括喷丝板本体(4)，喷丝板本体(4)上依次设置有多个呈间隔设置的纺丝孔单元，喷丝板本体(4)内部沿纺丝孔单元之间的间隔设置有蛇形的导热媒介流道(6)，导热媒介流道(6)的两端分别为导热媒介入口(1)和导热媒介出口(2)；各纺丝孔单元包括多个纺丝孔(5)。

2.根据权利要求1所述的制备中间相沥青基碳纤维原丝的喷丝板，其特征在于，各纺丝孔单元设置在与其一一对应的可拆卸的纺丝模块(3)上，喷丝板本体(4)上设置有与各纺丝模块(3)一一对应的纺丝模块安装孔(7)，各纺丝模块(3)嵌装在对应的纺丝模块安装孔(7)中。

3.根据权利要求1所述的制备中间相沥青基碳纤维原丝的喷丝板，其特征在于，多个纺丝模块(3)位于同一圆周上，各纺丝模块(3)的水平截面为扇形，各纺丝模块(3)在切线方向的纵向截面为倒梯形，纺丝模块安装孔(7)的形状与纺丝模块(3)的形状配合。

4.根据权利要求3所述的制备中间相沥青基碳纤维原丝的喷丝板，其特征在于，喷丝板本体(4)的水平截面为圆形。

5.根据权利要求3所述的制备中间相沥青基碳纤维原丝的喷丝板，其特征在于，喷丝板本体(4)上的纺丝孔为非布满式，其中心部位留有能够安放吹风设备的空间。

6.根据权利要求1所述的制备中间相沥青基碳纤维原丝的喷丝板，其特征在于，各纺丝孔单元中的多个纺丝孔(5)呈矩阵式排列，每个纺丝孔单元上纺丝孔(5)的数量为10～100个。

7.一种制备中间相沥青基碳纤维原丝的方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的喷丝板，将经过加热的导热媒介从导热媒介入口(1)输入喷丝板主体(4)，经过导热媒介流道(6)后从导热媒介出口(2)输出，经过1～2小时的循环加热，使各纺丝孔单元的温度达到纺丝温度且保持恒定；

纺丝时，融化后的中间相沥青经过分配、均压、过滤后进入喷丝板，经纺丝孔(5)喷出原丝，经牵伸、集束、上油、干燥后收卷，完成纺丝，得到中间相沥青基碳纤维原丝。

8.根据权利要求7所述的制备中间相沥青基碳纤维原丝的方法，其特征在于，导热媒介的输送过程具体为：将导热媒介入口(1)和导热媒介出口(2)分别与控温循环设备的输出端和输入端连接；将通过控温循环设备加热的导热媒介从导热媒介入口(1)输入喷丝板主体(4)，经过导热媒介流道(6)后从导热媒介出口(2)输出并返回控温循环设备。

9.根据权利要求7所述的制备中间相沥青基碳纤维原丝的方法，其特征在于，原丝从纺丝孔(5)喷出后，从各纺丝孔单元的四周对原丝进行吹风冷却，风的走向为与原丝的丝束垂直。

10.根据权利要求7所述的制备中间相沥青基碳纤维原丝的方法，其特征在于，导热媒介为导热油或者熔盐。