CN110273191A - 碳纤维原丝蒸汽牵伸装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳纤维原丝蒸汽牵伸装置。所述碳纤维原丝蒸汽牵伸装置，包括牵伸箱体，所述牵伸箱体中具有牵伸腔，所述牵伸腔的至少一侧设置有端头处理单元，所述端头处理单元包括第一开纤密封腔，所述第一开纤密封腔中设置有第一压力气流喷射件，所述第一压力气流喷射件喷出的气流压力高于所述牵伸腔内蒸汽的压力。根据本发明的一种碳纤维原丝蒸汽牵伸装置，采用气幕方式密封牵伸腔，无需与碳纤维原丝丝束形成接触，密封结构简单、密封效果好，同时还能对碳纤维原丝进行牵伸前进行开纤，有利于后续牵伸腔中丝束受热均匀。
Description
技术领域
本发明属于碳纤维原丝制造技术领域，具体涉及一种碳纤维原丝蒸汽牵伸装置。
背景技术
碳纤维主要有聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维，其中，聚丙烯腈基碳纤维用途最广、用量最大、发展最为迅速，在碳纤维生产中占有绝对优势。聚丙烯腈基碳纤维是由特殊组分聚合体系聚合、按特定湿法或者干喷湿法的纺丝条件纺丝，经过凝固浴成型、水洗、热水牵伸、上油、干燥致密化、蒸汽牵伸、松弛热定型工艺得到性能优异的聚丙烯腈纤维(即，原丝)，原丝再经过氧化、碳化、表面处理等复杂的工艺转化而成的一类碳纤维。原丝细旦化是保证碳纤维具有良好力学性能的前提。经过凝固浴牵伸和热水牵伸的纤维还不能够满足细旦化的要求，需要进一步的高倍蒸汽牵伸。蒸汽牵伸的目的是使原丝中PAN(聚丙烯腈)大分子链沿轴向排列，提高聚合物的取向度，改善纤维的力学性能。因此，蒸汽牵伸装置是生产原丝的关键设备，特别是对高分子量纺丝液进行纺丝时，采用蒸汽对干燥致密化后丝束进行牵伸是必不可少的关键步骤，对原丝的性能、质量和生产成本都有显著的影响。
为了提升蒸汽牵伸的牵伸效果，现有技术中采用了多种方式，例如，在碳纤维原丝丝束进入牵伸腔之前预热，也即在牵伸腔之前(此处的之前指的是在碳纤维原丝丝束的行进路径的上游)设置预热腔，而牵伸腔及预热腔中的饱和蒸汽在温度及压力上皆不相同，为了保证所述牵伸腔与预热腔之间的相对独立，现有技术中在两者之间的位置设置由多个密封元件组成的密封管，且所述密封管中的多个密封元件采用的是迷宫密封原理，为了提升其密封性，密封管中的密封元件理论上越多越好，这无疑会时所述密封管长度增加进而使蒸汽牵伸装置的长度增长，这一方面导致蒸汽牵伸装置的空间利用率偏低(占用空间过大)，另一方面则导致在预热腔内进行预热的碳纤维原丝丝束的温度在密封管中被衰减，使预热效果不能显著体现。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种碳纤维原丝蒸汽牵伸装置，采用气幕方式密封牵伸腔，无需与碳纤维原丝丝束形成接触，密封结构简单、密封效果好，同时还能对碳纤维原丝进行牵伸前进行开纤，有利于后续牵伸腔中丝束受热均匀。
为了解决上述问题，本发明提供一种碳纤维原丝蒸汽牵伸装置，包括牵伸箱体，所述牵伸箱体中具有牵伸腔，所述牵伸腔的至少一侧设置有端头处理单元，所述端头处理单元包括第一开纤密封腔，所述第一开纤密封腔中设置有第一压力气流喷射件，所述第一压力气流喷射件喷出的气流压力高于所述牵伸腔内蒸汽的压力。
优选地，所述第一压力气流喷射件包括呈筒状的第一主体及分别处于所述第一主体轴向两端的第一端板、第二端板，所述第一主体的壁体上设置有多个第一喷孔，多个所述第一喷孔贯穿所述第一主体的内外。
优选地，所述第一端板、第二端板的外缘凸出于所述第一主体的外侧周壁，所述第一端板的外缘以及所述第二端板的外缘分别与所述牵伸箱体的内壁密封连接，所述第一主体的外侧与所述牵伸箱体的内侧、所述第一端板、第二端板共同围设成压力气流环腔，对应于所述压力气流环腔的牵伸箱体上设有进气口。
优选地，所述第一端板上构造有出气口，所述出气口与流量控制阀管路连接。
优选地，所述端头处理单元还包括第二开纤密封腔，所述第二开纤密封腔中设置有第二压力气流喷射件，所述第二压力气流喷射件包括呈筒状的第二主体及分别处于所述第二主体轴向两端的第三端板、第四端板，所述第二主体的壁体上设置有多个第二喷孔，多个所述第二喷孔贯穿所述第二主体的内外。
优选地，所述第一端板、第二端板、第三端板、第四端板沿所述碳纤维原丝丝束的牵伸方向依次间隔设置。
优选地，所述第二开纤密封腔具有蒸汽供给管路。
优选地，所述第一开纤密封腔包括两个，两个所述第一开纤密封腔分别处于所述第二开纤密封腔的两侧，在所述碳纤维原丝丝束的牵伸方向上，依次设置所述第一开纤密封腔、第二开纤密封腔、第一开纤密封腔及牵伸腔。
优选地，所述进气口与外部气源通过第一管路连接，所述第一管路上设置有压力调节阀。
优选地，靠近所述牵伸腔的所述第一开纤密封腔对应的第一管路设置有加热部件，所述加热部件用于升温所述第一管路中的气流。
本发明提供的一种碳纤维原丝蒸汽牵伸装置，在所述牵伸腔的至少一侧设置所述端头处理单元，并采用所述端头处理单元中的第一开纤密封腔中的第一压力气流喷射件形成气幕，从而对所述牵伸腔靠近所述第一开纤密封腔的一侧的碳纤维原丝丝束穿行孔形成气幕密封，由于所述第一压力气流喷射件的喷出气流压力高于所述牵伸腔内蒸汽的压力，从而保证所述牵伸腔内的蒸汽被可靠密封于所述牵伸腔中，保证了所述牵伸腔内的饱和蒸汽或者过热蒸汽的温度、压力的稳定，这有利于保证所述碳纤维原丝丝束的牵伸效果，而采用气幕的方式对所述牵伸腔的至少一侧进行密封，使所述密封结构极为简单，在压力匹配合适时，密封效果极佳；而进一步地，所述第一压力气流喷射件的喷出气流还能够对处于所述第一开纤密封腔内的碳纤维原丝丝束实现牵伸工艺前的开纤效果，开纤后的所述碳纤维原丝丝束能够在后续的加热升温过程中受热更为均匀(例如所述牵伸腔内)，这有利于所述碳纤维原丝丝束的牵伸效果的提升，综合上述，本发明的技术方案中的所述第一开纤密封腔的设置在实现对所述牵伸腔的端部(也即所述碳纤维原丝丝束的穿行孔处)进行有效密封的同时，还能够同时利用压力气流对所述碳纤维原丝丝束进行有效开纤，提升牵伸效果。
附图说明
图1为本发明实施例的碳纤维原丝蒸汽牵伸装置的结构示意图；
图2为图1中A处的局部放大图。
附图标记表示为：
1、牵伸箱体；11、牵伸腔；12、第一开纤密封腔；121、第一压力气流喷射件；1211、第一主体；1212、第一端板；1213、第二端板；1214、第一喷孔；13、压力气流环腔；131、进气口；132、出气口；133、流量控制阀；14、第二开纤密封腔；141、第二压力气流喷射件；1411、第二主体；1412、第三端板；1413、第四端板；1414、第二喷孔；142、蒸汽供给管路；15、气体膨胀腔；2、外部气源；21、压力调节阀；3、加热部件；4、迷宫式密封组件。
具体实施方式
结合参见图1及图2所示，根据本发明的实施例，提供一种碳纤维原丝蒸汽牵伸装置，包括牵伸箱体1，所述牵伸箱体1中具有牵伸腔11，所述牵伸腔11的至少一侧设置有端头处理单元，所述端头处理单元包括第一开纤密封腔12，所述第一开纤密封腔12中设置有第一压力气流喷射件121，所述第一压力气流喷射件121喷出的气流压力高于所述牵伸腔11内蒸汽的压力。采用该技术方案，在所述牵伸腔11的至少一侧设置所述端头处理单元，并采用所述端头处理单元中的第一开纤密封腔12中的第一压力气流喷射件121形成气幕，从而对所述牵伸腔11靠近所述第一开纤密封腔12的一侧的碳纤维原丝丝束穿行孔形成气幕密封，由于所述第一压力气流喷射件121的喷出气流压力高于所述牵伸腔11内蒸汽的压力，从而保证所述牵伸腔11内的蒸汽被可靠密封于所述牵伸腔11中，保证了所述牵伸腔11内的饱和蒸汽或者过热蒸汽的温度、压力的稳定，这有利于保证所述碳纤维原丝丝束的牵伸效果，而采用气幕的方式对所述牵伸腔11的至少一侧进行密封，使所述密封结构极为简单，在压力匹配合适时，密封效果极佳；进一步地，所述第一压力气流喷射件121的喷出气流还能够对处于所述第一开纤密封腔12内的碳纤维原丝丝束实现牵伸工艺前的开纤效果，开纤后的所述碳纤维原丝丝束能够在后续的加热升温过程中受热更为均匀(例如所述牵伸腔11内)，这有利于所述碳纤维原丝丝束的牵伸效果的提升，综合上述，本发明的技术方案中的所述第一开纤密封腔12的设置在实现对所述牵伸腔11的端部(也即所述碳纤维原丝丝束的穿行孔处)进行有效密封的同时，还能够同时利用压力气流对所述碳纤维原丝丝束进行有效开纤，提升牵伸效果。而可以理解的是，当所述端头处理单元仅设置一组时，所述端头处理单元应处于所述碳纤维原丝丝束穿行牵伸方向的上游一侧，以保证所述端头处理单元中的第一开纤密封腔12的双重作用的充分发挥。当然，此时的所述端头处理单元可以设置两组，两组所述端头处理单元则分别处于所述牵伸腔11的两侧端头位置上，此时，处于所述碳纤维原丝丝束穿行牵伸方向的下游一侧的所述端头处理单元则主要用于形成气幕密封。特别需要强调的是，采用气幕密封的方式非常适用于碳纤维原丝丝束的易断丝、需开纤的工艺需求。
作为所述第一压力气流喷射件121的一种具体实施方式，优选地，所述第一压力气流喷射件121包括呈筒状的第一主体1211及分别处于所述第一主体1211轴向两端的第一端板1212、第二端板1213，所述第一主体1211的壁体上设置有多个第一喷孔1214，多个所述第一喷孔1214贯穿所述第一主体1211的内外，由此能够在所述碳纤维原丝丝束的周向形成全方位立体化压力气流喷射，尤其是所述第一喷孔1214在沿着所述碳纤维原丝丝束的牵伸方向上(轴向上)交错间隔设置，能够形成多重气幕，使其密封效果及开纤效果得到提升。
进一步地，所述第一端板1212、第二端板1213的外缘凸出于所述第一主体1211的外侧周壁，所述第一端板1212的外缘以及所述第二端板1213的外缘分别与所述牵伸箱体1的内壁密封连接，所述第一主体1211的外侧与所述牵伸箱体1的内侧、所述第一端板1212、第二端板1213共同围设成压力气流环腔13，对应于所述压力气流环腔13的牵伸箱体1上设有进气口131，该技术方案中，外部压力源例如空气压缩机等外部气源2将压力流体(压力空气)经由所述进气口131送入所述压力气流环腔13中，从而能够极大程度的简化所述压力流体与第一喷孔1214的连接方式，可以理解的，前述的第一喷孔1214可以一一对应于多根压力流体的输送管路，这将使结构显得复杂，而该技术方案中则采用所述压力气流环腔13实现多个所述第一喷孔1214的连通，而无需分别针对各个第一喷孔1214设置相应输送管路。
在一个具体实施例中，所述牵伸腔11内的蒸汽压力为0.30MPa，而所述第一开纤密封腔12中形成压力流体的压力则高于0.30MPa，例如选择为0.35MPa，当然，这个压力的选择是可以根据现场的实际密封需求与效果进行调整的，所述第一喷孔1214喷出的压力气体可以经由相应的出气口132排出，所述第一端板1212上构造所述出气口132，优选地，所述出气口132与流量控制阀133管路连接，以能够对所述第一开纤密封腔12中的压力气体进行调节，保证所述第一开纤密封腔12与所述牵伸腔11的压力差处于合理范围。
进一步地，所述端头处理单元还包括第二开纤密封腔14，所述第二开纤密封腔14中设置有第二压力气流喷射件141，所述第二压力气流喷射件141包括呈筒状的第二主体1411及分别处于所述第二主体1411轴向两端的第三端板1412、第四端板1413，所述第二主体1411的壁体上设置有多个第二喷孔1414，多个所述第二喷孔1414贯穿所述第二主体1411的内外，所述第二开纤密封腔14在具体结构上可以与所述第一开纤密封腔12完全一致，以简化相应部件的设计标准化。所述第一端板1212、第二端板1213、第三端板1412、第四端板1413沿所述碳纤维原丝丝束的牵伸方向依次间隔设置，也即所述第二开纤密封腔14此时处于所述牵伸腔11与所述第一开纤密封腔12之间，此时使所述第一开纤密封腔12、第二开纤密封腔14、牵伸腔11中相应流体的压力依次降低，从而形成压力梯度实现对所述牵伸腔11的密封，效果更佳。另外，间隔设置的第二端板1213及第三端板1412之间的间隙构成气体膨胀腔15，以增强迷宫密封效果。可以理解的，所述第一端板1212、第二端板1213、第三端板1412、第四端板1413上分别具有穿行孔以保证所述碳纤维原丝丝束能够在所述第一开纤密封腔12、第二开纤密封腔14中穿行。
与所述第一开纤密封腔12存在的不同之处在于，所述第二开纤密封腔14具有蒸汽供给管路142，而并不采用前述第一开纤密封腔12的压力气体，采用所述蒸汽供给管路142用于给所述第二开纤密封腔14提供饱和蒸汽或者过热蒸汽，以实现对处于其中的所述碳纤维原丝丝束进行预热，保证所述碳纤维原丝丝束在所述牵伸腔11中的充分牵伸。
最好的，所述第一开纤密封腔12包括两个，两个所述第一开纤密封腔12分别处于所述第二开纤密封腔14的两侧，在所述碳纤维原丝丝束的牵伸方向上，依次设置所述第一开纤密封腔12、第二开纤密封腔14、第一开纤密封腔12及牵伸腔11，以对所述牵伸腔11的端头(碳纤维原丝丝束穿行孔处)形成双重气幕密封。
优选地，所述进气口131与外部气源2通过第一管路连接，所述第一管路上设置有压力调节阀21，具体的，所述第一管路分别对于与两个所述第一开纤密封腔12设置，每个所述第一管路上分别设置有所述压力调节阀21，以便于分别独立地对应调整两个第一开纤密封腔12中压力气体的压力，以形成具有不同压力梯度的多重气幕，而可以理解的是，所述第一开纤密封腔12、第二开纤密封腔14、第一开纤密封腔12在一定程度上形成气幕方式的迷宫式密封。
进一步地，靠近所述牵伸腔11的所述第一开纤密封腔12对应的第一管路设置有加热部件3，所述加热部件3用于升温所述第一管路中的气流，所述加热部件3例如可以是一种能够提供热流体的换热器，以使所述第一管路中的气流能够与所述换热器中的热气流进行热交换而升温，当然，也可以是在所述第一管路上设置的电加热装置直接对所述第一管路中的气流升温，升温的气流能够有效保证所述第二开纤密封腔14中预热开纤的碳纤维原丝丝束的预热开纤效果。
为了降低所述外部气源2的压力气流的供应压力，进而降低所述蒸汽牵伸装置对外部气源2的高压力提供能力的需求，降低外部气源2(例如压缩机)的购置成本，此时，可以在所述牵伸腔11的两端丝束穿行孔处设置几组传统迷宫式密封组件4，如此可以采用气幕密封与传统迷宫式密封组件4的复合密封方式实现对所述牵伸腔11的可靠密封，此时可以降低所述外部气源2的压力气流的压力，也即此时可以降低所述第一开纤密封腔12中的压力。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种碳纤维原丝蒸汽牵伸装置，包括牵伸箱体(1)，所述牵伸箱体(1)中具有牵伸腔(11)，其特征在于，所述牵伸腔(11)的至少一侧设置有端头处理单元，所述端头处理单元包括第一开纤密封腔(12)，所述第一开纤密封腔(12)中设置有第一压力气流喷射件(121)，所述第一压力气流喷射件(121)喷出的气流压力高于所述牵伸腔(11)内蒸汽的压力。
2.根据权利要求1所述的蒸汽牵伸装置，其特征在于，所述第一压力气流喷射件(121)包括呈筒状的第一主体(1211)及分别处于所述第一主体(1211)轴向两端的第一端板(1212)、第二端板(1213)，所述第一主体(1211)的壁体上设置有多个第一喷孔(1214)，多个所述第一喷孔(1214)贯穿所述第一主体(1211)的内外。
3.根据权利要求2所述的蒸汽牵伸装置，其特征在于，所述第一端板(1212)、第二端板(1213)的外缘凸出于所述第一主体(1211)的外侧周壁，所述第一端板(1212)的外缘以及所述第二端板(1213)的外缘分别与所述牵伸箱体(1)的内壁密封连接，所述第一主体(1211)的外侧与所述牵伸箱体(1)的内侧、所述第一端板(1212)、第二端板(1213)共同围设成压力气流环腔(13)，对应于所述压力气流环腔(13)的牵伸箱体(1)上设有进气口(131)。
4.根据权利要求3所述的蒸汽牵伸装置，其特征在于，所述第一端板(1212)上构造有出气口(132)，所述出气口(132)与流量控制阀(133)管路连接。
5.根据权利要求4所述的蒸汽牵伸装置，其特征在于，所述端头处理单元还包括第二开纤密封腔(14)，所述第二开纤密封腔(14)中设置有第二压力气流喷射件(141)，所述第二压力气流喷射件(141)包括呈筒状的第二主体(1411)及分别处于所述第二主体(1411)轴向两端的第三端板(1412)、第四端板(1413)，所述第二主体(1411)的壁体上设置有多个第二喷孔(1414)，多个所述第二喷孔(1414)贯穿所述第二主体(1411)的内外。
6.根据权利要求5所述的蒸汽牵伸装置，其特征在于，所述第一端板(1212)、第二端板(1213)、第三端板(1412)、第四端板(1413)沿所述碳纤维原丝丝束的牵伸方向依次间隔设置。
7.根据权利要求5所述的蒸汽牵伸装置，其特征在于，所述第二开纤密封腔(14)具有蒸汽供给管路(142)。
8.根据权利要求5所述的蒸汽牵伸装置，其特征在于，所述第一开纤密封腔(12)包括两个，两个所述第一开纤密封腔(12)分别处于所述第二开纤密封腔(14)的两侧，在所述碳纤维原丝丝束的牵伸方向上，依次设置所述第一开纤密封腔(12)、第二开纤密封腔(14)、第一开纤密封腔(12)及牵伸腔(11)。
9.根据权利要求8所述的蒸汽牵伸装置，其特征在于，所述进气口(131)与外部气源(2)通过第一管路连接，所述第一管路上设置有压力调节阀(21)。
10.根据权利要求9所述的蒸汽牵伸装置，其特征在于，靠近所述牵伸腔(11)的所述第一开纤密封腔(12)对应的第一管路设置有加热部件(3)，所述加热部件(3)用于升温所述第一管路中的气流。
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