CN111962168B - 制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件 - Google Patents

制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件，原料入口板通过螺纹固定在热媒循环加热腔体的上内腔，混合多孔板安装在热媒循环加热腔体的下内腔顶部，且混合多孔板与热媒循环加热腔体之间设置有第一包边滤网，混合多孔板下侧设置有喷丝板，混合多孔板与喷丝板之间设置有第二包边滤网，喷丝板下侧设置有内层固定套和外层固定套，所述内层固定套通过螺纹固定在热媒循环加热腔体内腔体外壁上，外层固定套通过螺纹固定在热媒循环加热腔体外腔体内壁上。本发明结构合理简单，安装拆卸方便，提高了纺丝组件内部的沥青熔体的温度均匀性，同时纺丝组件温度控制响应快，温度控制精度高，提升了沥青熔体的可纺性及碳纤维的产品品质。

Description

制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件
技术领域
本发明属于中间相沥青基碳纤维制备领域，具体涉及一种制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件。
背景技术
中间相沥青基碳纤维是一种高性能碳纤维，由于其分子结构高度取向而在模量和性能方面表现出优越性，中间相沥青基碳纤维一般以原料煤沥青、石油沥青或其他沥青为原料，由光学各向异性的中间沥青制得。
在中间相沥青进行熔融纺丝阶段，中间相大分子形成高度的定向结构，影响纺丝过程的主要因素有纺丝设备、喷丝孔、纺丝温度等。只有严格控制这些熔纺条件才能制备出性能优异的碳纤维。
其中喷丝孔的温度工艺参数直接决定了碳纤维内部中间相晶体的取向，而中间相晶体的取向影响碳纤维截面结构的形成，碳纤维的截面结构直接关系着碳纤维最终的性能优劣。因此控制喷丝孔温度的均匀性与一致性，是生产高性能中间相沥青基碳纤维的前提，而目前在熔融纺丝中使用的纺丝组件，给喷丝板加热全部采用的是外部热源沿喷丝板半径方向从外向里加热，当喷丝板达到热场平衡后，必然外圈的喷丝孔温度高，内圈的喷丝孔温度低，导致碳纤维因内外喷丝孔温度差异而造成最终碳纤维性能不一致，出现碳纤维束整体性能降低、碳纤维直径离散增大、断丝率上升等缺陷。尤其是大丝束工程化生产中，碳纤维的最终性能和合格率远低于实验室生产的小丝束碳纤维，就是这个根本原因，因此急需一种新的纺丝组件来解决工程化生产中出现的这个问题，提高碳纤维的性能和合格率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件，以克服现有技术的缺陷，本发明结构合理简单，工作功能齐全，安装拆卸方便，提高了纺丝组件内部的沥青熔体的温度均匀性，尤其是喷丝板中喷丝孔的温度的均匀性，同时纺丝组件温度控制响应快，温度控制精度高，提升了沥青熔体的可纺性及碳纤维的产品品质。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件，包括热媒循环加热腔体，原料入口板，混合多孔板，喷丝板，内层固定套，外层固定套，密封垫，第一包边滤网，第二包边滤网；
所述原料入口板通过螺纹固定在热媒循环加热腔体的上内腔，混合多孔板安装在热媒循环加热腔体的下内腔顶部，且混合多孔板与热媒循环加热腔体之间设置有第一包边滤网，混合多孔板下侧设置有喷丝板，混合多孔板与喷丝板之间设置有第二包边滤网，喷丝板下侧设置有内层固定套和外层固定套，所述内层固定套通过螺纹固定在热媒循环加热腔体内腔体外壁上，外层固定套通过螺纹固定在热媒循环加热腔体外腔体内壁上。
进一步地，所述热媒循环加热腔体是由三个封闭腔体、两个开口腔体组成的圆柱体结构，三个封闭腔体分别是位于最外层的外层热媒腔体、位于外层热媒腔体内侧的内层热媒腔体以及位于中心的热媒出口腔体，外层热媒腔体侧壁开设有热媒进口管路，外层热媒腔体与内层热媒腔体之间由热媒内外腔管路连通，内层热媒腔体顶部与热媒出口腔体顶部相通，热媒出口腔体通过热媒出口管路与外界相连通；
两个开口腔体分别位于热媒循环加热腔体的顶部与底部，两个开口腔体之间通过多个圆形混合流道孔A相连通，混合流道孔A以轴线为中心，在多个同心圆圆周上以圆形阵列均布，热媒循环加热腔体顶部的开口腔体为圆柱腔体，圆柱腔底部为凸起的圆锥体，圆柱腔侧壁为螺纹结构，与原料入口板配合连接；底部的开口腔体是圆环柱腔结构，圆环柱腔的底部两侧壁是螺纹结构，分别与内层固定套和外层固定套配合连接。
进一步地，所述原料入口板为圆柱体结构，外侧是螺纹结构，内部沿轴线方向，从上往下依次是圆形孔流道及内凹圆锥形扩散流道。
进一步地，所述混合多孔板为圆环形柱体结构，其上设置有多个圆形混合流道孔B，混合流道孔B以轴线为中心，在多个同心圆圆周上以圆形阵列均布。
进一步地，所述喷丝板为圆环形柱体结构，其上有多个圆形喷丝孔，喷丝孔数量是混合多孔板中混合流道孔B数量的二分之一，喷丝孔以轴线为中心，在多个同心圆圆周上以圆形阵列均布，且与混合多孔板中混合流道B的位置错位排列。
进一步地，所述内层固定套为圆环形结构，圆环形结构内壁是螺纹结构，底部是沿径向向里的圆环台阶。
进一步地，所述外层固定套为圆环形结构，圆环形结构外壁是螺纹结构，底部是沿径向向外的圆环台阶。
进一步地，所述热媒循环加热腔体与原料进口板之间用密封垫密封；所述热媒循环加热腔体与混合多孔板之间用第一包边滤网密封；所述混合多孔板与喷丝板之间用第二包边滤网密封。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1、结构合理简单，工作功能齐全，安装拆卸方便，
本发明制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件(以下简称纺丝组件)，采用上下分装式结构，喷丝板内嵌安装在纺丝组件下部，可对其进行单独更换操作，不需要对纺丝组件整体进行拆卸，减少了工作流程及劳动强度。
具有混合、均压、过滤、去除凝胶等沥青纺丝所需的全部功能，并且可根据实际工艺需要增加或删减其功能模块，使其使用工艺范围更灵活多变。
2、提高了纺丝组件内部的沥青熔体的温度均匀性，提升了沥青熔体的可纺性及碳纤维的产品品质。
本发明纺丝组件采用内外层加热方式，使纺丝组件内部的沥青熔体的温度分布梯度降低、最大温差变小、温度的均匀性提高，从而让沥青熔体的理化性质均一，其流动性及内部微晶的取向性好，提高了生产出的沥青基碳纤维品质。
并且采用内外层循环加热使喷丝板不同半径上的喷丝孔处的温度接近，使沥青熔体在喷丝孔处的粘度相近，沥青熔体的可牵伸性一致，从而减少了因可牵伸性不同造成的断丝，提高了沥青基碳纤维纺丝的可纺性。
3、纺丝组件温度控制响应快，温度控制精度高。
本发明纺丝组件采用热媒循环内外腔同时加热，对于纺丝组件的温度控制，只需改变循环热媒的工作温度，通过热媒在内外腔体的循环流动就能快速使纺丝组件各个部位达到设定温度，提高了纺丝组件的温度控制响应时间，使纺丝工艺试验结果反馈迅速准确；
并且热媒比热容大，工作时充满整个纺丝组件腔体，热媒的传热效率高，在纺丝组件内部与沥青熔体的传热换热面积大，因此热媒温度即为沥青熔体的工作温度，而热媒温度便于控制，精确度高，从而提高了纺丝组件的温度控制精度。
附图说明
图1为本发明制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件主视剖视图；
图2为本发明制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件侧视剖视图；
图3为本发明制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件俯视剖视图。
其中，1、热媒循环加热腔体；11、热媒进口管路；12、热媒内外腔管路；13、热媒出口管路；14、外层热媒腔体；15、内层热媒腔体；16、热媒出口腔体；17、混合流道孔A；2、原料进口板；3、混合多孔板；4、喷丝板；5、内层固定套；6、外层固定套；7、密封垫；8、第一包边滤网；9、第二包边滤网；Ⅰ、中间相沥青基碳纤维；Ⅱ、热媒流动路径。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如图1至图3所示，一种制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件，包括热媒循环加热腔体1，原料入口板2，混合多孔板3，喷丝板4，内层固定套5，外层固定套6，密封垫7，第一包边滤网8，第二包边滤网9。
其中原料入口板2通过螺纹固定在热媒循环加热腔体1上内腔，原料入口板2与热媒循环加热腔体1之间是密封垫7。混合多孔板3从热媒循环加热腔体1下面安装到其下内腔顶部，混合多孔板3与热媒循环加热腔体1之间是第一包边滤网8。混合多孔板3下面是喷丝板4，混合多孔板3与喷丝板4之间是第二包边滤网9。喷丝板4下面是内层固定套5和外层固定套6，内层固定套5通过螺纹固定在热媒循环加热腔体1内腔体外壁上，外层固定套6通过螺纹固定在热媒循环加热腔体1外腔体内壁上。
热媒循环加热腔体1是由三个封闭腔体、两个开口腔体组成的圆柱体结构，三个封闭腔体分别是最外层的外层热媒腔体14、内部的内层热媒腔体15以及最中心的热媒出口腔体16，外层热媒腔体14侧壁有热媒进口管路11，外层热媒腔体14与内层热媒腔体15之间由热媒内外腔管路12联通，内层热媒腔体15顶部与热媒出口腔体16顶部相通，热媒出口腔体16通过热媒出口管路13与外界相连通。两个开口腔体分别位于热媒循环加热腔体1的顶部与底部，两个开口腔体之间通过多个圆形混合流道孔A17相连通，混合流道孔A17以轴线为中心，在多个同心圆圆周上上以圆形阵列均布。顶部的开口腔体是圆柱腔体，圆柱腔底部是凸起的圆锥体，圆柱腔侧壁是螺纹结构；底部的开口腔体是圆环柱腔结构，圆环柱腔的底部两侧壁是螺纹结构。
原料入口板2是圆柱体结构，外侧是螺纹结构，内部沿轴线方向，从上往下依次是圆形孔流道、内凹圆锥形扩散流道；混合多孔板3是圆环形柱体结构，其上有多个圆形混合流道孔B，混合流道孔B以轴线为中心，在多个同心圆圆周上以圆形阵列均布；喷丝板4是圆环形柱体结构，其上有多个圆形喷丝孔，喷丝孔以轴线为中心，在多个同心圆圆周上以圆形阵列均布；内层固定套5是圆环形结构，圆环内壁是螺纹结构，底部是沿径向向里的圆环台阶；外层固定套6是圆环形结构，圆环外壁是螺纹结构，底部是沿径向向外的圆环台阶；热媒循环加热腔体1与原料进口板2之间用密封垫7密封，热媒循环加热腔体1与混合多孔板3之间用第一包边滤网8密封，混合多孔板3与喷丝板4之间用第二包边滤网9密封。
下面对本发明实施过程做详细描述：
本发明在使用时，热媒流动路径Ⅱ具体为：热媒在外部热媒循环泵的驱动下由热媒进口管路11首先进入外层热媒腔体14，热媒充满外层热媒腔体14后，再通过热媒内外腔管路12进入内层热媒腔体15，内层热媒腔体15顶部与热媒出口腔体16顶部相通，热媒在充满内层热媒腔体15后再进入到热媒出口腔体16，最后从热媒出口管路13流出与此同时，中间相沥青由原料入口板2进入，依次通过圆形孔流道、内凹圆锥形扩散流道后，通过混合流道孔A17进入到混合多孔板3上边的第一包边滤网8，中间相沥青在第一包边滤网8中完成了第一次过滤和均压，然后流入到混合多孔板3中，然后通过混合多孔板3上的混合流道孔B进入到第二包边滤网9，中间相沥青在第二包边滤网9中完成了第二次过滤和均压，最终流入到喷丝板4，然后通过喷丝板4上的喷丝孔喷出中间相沥青基碳纤维。
在这个过程中，采用内外层加热方式，使纺丝组件内部的沥青熔体的温度分布梯度降低、最大温差变小、温度的均匀性提高，从而让沥青熔体的理化性质均一，其流动性及内部微晶的取向性好，提高了生产出的沥青基碳纤维品质；并且采用内外层循环加热使喷丝板不同半径上的喷丝孔处的温度接近，使沥青熔体在喷丝孔处的粘度相近，沥青熔体的可牵伸性一致，从而减少了因可牵伸性不同造成的断丝，提高了沥青基碳纤维纺丝的可纺性。
同时采用热媒循环内外腔同时加热，对于纺丝组件的温度控制，只需改变循环热媒的工作温度，通过热媒在内外腔体的循环流动就能快速使纺丝组件各个部位达到设定温度，提高了纺丝组件的温度控制响应时间，使纺丝工艺试验结果反馈迅速准确；并且热媒比热容大，工作时充满整个纺丝组件腔体，热媒的传热效率高，在纺丝组件内部与沥青熔体的传热换热面积大，因此热媒温度即为沥青熔体的工作温度，而热媒温度便于控制，精确度高，从而提高了纺丝组件的温度控制精度。

Claims (7)

1.制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件，其特征在于，包括热媒循环加热腔体(1)，原料入口板(2)，混合多孔板(3)，喷丝板(4)，内层固定套(5)，外层固定套(6)，密封垫(7)，第一包边滤网(8)，第二包边滤网(9)；
所述原料入口板(2)通过螺纹固定在热媒循环加热腔体(1)的上内腔，混合多孔板(3)安装在热媒循环加热腔体(1)的下内腔顶部，且混合多孔板(3)与热媒循环加热腔体(1)之间设置有第一包边滤网(8)，混合多孔板(3)下侧设置有喷丝板(4)，混合多孔板(3)与喷丝板(4)之间设置有第二包边滤网(9)，喷丝板(4)下侧设置有内层固定套(5)和外层固定套(6)，所述内层固定套(5)通过螺纹固定在热媒循环加热腔体(1)内腔体外壁上，外层固定套(6)通过螺纹固定在热媒循环加热腔体(1)外腔体内壁上；
所述热媒循环加热腔体(1)是由三个封闭腔体、两个开口腔体组成的圆柱体结构，三个封闭腔体分别是位于最外层的外层热媒腔体(14)、位于外层热媒腔体(14)内侧的内层热媒腔体(15)以及位于中心的热媒出口腔体(16)，外层热媒腔体(14)侧壁开设有热媒进口管路(11)，外层热媒腔体(14)与内层热媒腔体(15)之间由热媒内外腔管路(12)连通，内层热媒腔体(15)顶部与热媒出口腔体(16)顶部相通，热媒出口腔体(16)通过热媒出口管路(13)与外界相连通；
两个开口腔体分别位于热媒循环加热腔体(1)的顶部与底部，两个开口腔体之间通过多个圆形混合流道孔A(17)相连通，混合流道孔A(17)以轴线为中心，在多个同心圆圆周上以圆形阵列均布，热媒循环加热腔体(1)顶部的开口腔体为圆柱腔体，圆柱腔底部为凸起的圆锥体，圆柱腔侧壁为螺纹结构，与原料入口板(2)配合连接；底部的开口腔体是圆环柱腔结构，圆环柱腔的底部两侧壁是螺纹结构，分别与内层固定套(5)和外层固定套(6) 配合连接。
2.根据权利要求1所述的制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件，其特征在于，所述原料入口板(2)为圆柱体结构，外侧是螺纹结构，内部沿轴线方向，从上往下依次是圆形孔流道及内凹圆锥形扩散流道。
3.根据权利要求1所述的制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件，其特征在于，所述混合多孔板(3)为圆环形柱体结构，其上设置有多个圆形混合流道孔B，混合流道孔B以轴线为中心，在多个同心圆圆周上以圆形阵列均布。
4.根据权利要求3所述的制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件，其特征在于，所述喷丝板(4)为圆环形柱体结构，其上有多个圆形喷丝孔，喷丝孔数量是混合多孔板(3)中混合流道孔B数量的二分之一，喷丝孔以轴线为中心，在多个同心圆圆周上以圆形阵列均布，且与混合多孔板(3)中混合流道B的位置错位排列。
5.根据权利要求1所述的制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件，其特征在于，所述内层固定套(5)为圆环形结构，圆环形结构内壁是螺纹结构，底部是沿径向向里的圆环台阶。
6.根据权利要求1所述的制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件，其特征在于，所述外层固定套(6)为圆环形结构，圆环形结构外壁是螺纹结构，底部是沿径向向外的圆环台阶。
7.根据权利要求1所述的制备中间相沥青基碳纤维的内外层热媒循环加热纺丝组件，其特征在于，所述热媒循环加热腔体(1)与原料入口板(2)之间用密封垫(7)密封；所述热媒循环加热腔体(1)与混合多孔板(3)之间用第一包边滤网(8)密封；所述混合多孔板(3)与喷丝板(4)之间用第二包边滤网(9)密封。
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