CN112853518B - 一种沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置及方法，属于纤维材料纺丝技术领域。该装置的高速电机与轴的一端连接，轴的另一端与纺丝桶连接，储料罐安装在轴的中部，位于储料罐内部的轴中心设有与储料罐相通的物料流通孔，且物料流通孔向下延伸与纺丝桶相联通；储料罐分别与高温螺杆送料装置和定压装置连接，加热装置设置在储料罐外部，保温箱设置在纺丝桶的外部。纺丝方法是将沥青物料通过高温螺杆送料装置输入储料罐，经物料流通孔进入纺丝桶，高速电机转动时，在N2压力和离心力的作用下纺丝桶中的熔融状沥青由喷丝孔甩出，呈纤维状。本发明通过稳定加压促使沥青从喷丝孔均匀挤出，且通过高速离心牵引可降低沥青纤维直径。

Description

一种沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置及方法
技术领域
本发明涉及纤维材料纺丝技术领域，具体涉及一种沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置及方法。
背景技术
沥青碳纤维是高新技术产品，是航天、航空和军工等尖端技术不可或缺的材料，也是民用工业某些产品更新换代的基础原材料。目前，沥青碳纤维生产技术仅掌握在日本、美国和德国等发达国家。即使通用级碳纤维成套技术出口尚需出口国政府特批。
生产沥青碳纤维一个重要的步骤就是将高软化点可纺沥青经熔融纺丝至20μm以下。传统的熔融纺丝如果想顺利的纺丝，就需要给熔体一个初始的动力。在传统生产过程中，一般使用高压气体作为初始动力(0-2MPa)，太高的压力会使纺出的纤维直径变粗，还需配备牵引系统，否则影响后续的预氧化和炭化工艺。而传统的熔融离心纺丝设备仅是靠离心力作为动力，在高速离心过程中会导致离心桶与空气相对散热面积增加，导致离心桶外壁温度过低，由于高软化点沥青的黏温特性，较小的温度变化就会影响沥青的粘度，因此沥青经喷丝孔变成纤维后，由于散热导致温度骤变，在5mm长度范围内就会固话，使沥青不能充分牵伸，致使纤维直径太大，导致最终纤维强度变差，如果温差太大，甚至会使沥青在喷丝孔附近迅速冷却而堵塞喷丝孔，使熔融纺丝不能连续进行。专利CN110257934A公开了一种熔融离心纺丝生产设备，但是离心桶与电机以皮带连接，由于皮带轮的传动是依靠摩擦力来完成传动，是在传动大功率电机时，会出现打滑，不能保持准确的传动比，这样就会导致离心纺丝时转速低，影响纤维直径。
综上所述，如何有效地解决离心纺丝效果不好的问题，是目前本领域技术人员亟需解决的问题。
鉴于此，本发明的目的在于提供一种沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置及方法，该加压熔融高速离心纺丝装置不仅可通过稳定加压促使沥青从喷丝孔均匀挤出，而且可通过高速离心牵引使纤维直径降低，从而有效地解决离心纺丝效果不好的问题。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置，该装置不仅可通过稳定加压促使沥青从喷丝孔均匀挤出，而且可通过高速离心牵引使纤维直径降低，从而有效地解决离心纺丝效果不好的问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置，包括高速电机、储料罐、轴、纺丝桶、加热装置、保温箱、定压装置、高温螺杆送料装置，所述高速电机与轴的一端连接，所述轴的另一端与纺丝桶连接，所述纺丝桶的侧壁上设有多个喷丝孔，用于纺丝桶转动时将其内腔的熔融状沥青从喷丝孔甩出；所述储料罐用于存储熔融沥青物料，安装在轴的中部，位于储料罐内部的轴中心设有与储料罐相通的物料流通孔，且物料流通孔向下延伸与纺丝桶相联通；所述储料罐的一侧与高温螺杆送料装置连接，将沥青物料通过螺杆输送至储料罐，所述储料罐的另一侧与定压装置连接，以使储料罐与纺丝桶内纺丝压力始终保持一致；所述加热装置设置在储料罐的外部，以使沥青始终处于熔融状态；所述保温箱设置在纺丝桶的外部。
优选地，所述高速电机通过联轴器与轴连接。
优选地，所述高速电机的转动轴线与所述纺丝桶的转动轴线位于同一条直线上。
优选地，所述高速电机配有变频器，以调节电机转速。
优选地，所述储料罐的上端和下端分别通过高温轴承安装在轴的中部。
优选地，所述喷丝孔的孔径为0.4-0.7mm。纺丝桶壁上设有多个喷丝孔，且在转动时能够将内腔内熔融状的沥青从喷丝孔甩出，进而实现通过离心力，迫使内腔内的熔融沥青，从喷丝孔甩出，从喷丝孔甩出的熔融流体，成纤维状，随后在空气中固化，形成纤维原丝。
具体的纺丝桶结构可以根据需要设置，本发明优选为圆桶型或锥形结构。
一种利用所述的沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置的纺丝方法，所述纺丝方法是将沥青物料通过高温螺杆送料装置导入，然后在螺杆的作用下，向储料罐输送，在输送过程中，加热装置对螺杆通道内的沥青物料进行加热以使其呈熔融状，经与高速电机连接的轴上的物料流通孔进入纺丝桶中，高速电机转动时，在离心力的作用下纺丝桶中的熔融状沥青由喷丝孔甩出，呈纤维状；在纺丝过程中，保温箱对纺丝桶进行加热，通过定压装置通入N2，使储料罐与纺丝桶内纺丝压力始终保持一致，从而保证高速离心甩出的纤维直径均匀。
优选地，所述加热装置的加热温度为250℃-360℃；所述保温箱温度为170℃-280℃；所述定压装置为0.5MPa-1MPa。
优选地，所述高速电机(1)转速为1000-2000转/分钟；所述喷丝孔的孔径为0.4-0.7mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置通过稳定加压促使沥青从喷丝孔均匀挤出，而且可通过高速离心牵引使纤维直径降低，从而有效地解决离心纺丝效果不好的问题。
(2)纺丝桶外部增加保温箱，可使初生纤维凝固速度变慢，经离心力充分牵伸，可获得直径小的沥青纤维。
附图说明
图1位本发明沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置的结构示意图。
图中：1-高速电机、2-储料罐、3-轴、4-纺丝桶、5-加热装置、6-保温箱、7-定压装置、8-高温螺杆送料装置、9-高温轴承、10-物料流通孔。
具体实施方式
下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述具体实施方式仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实例1：
如图1所示，本发明的沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置包括高速电机1、储料罐2、轴3、纺丝桶4、加热装置5、保温箱6、定压装置7、高温螺杆送料装置8、高温轴承9。
所述高速电机1通过联轴器与轴3的一端连接，所述轴3的另一端与纺丝桶4连接，所述纺丝桶4的侧壁上设有多个喷丝孔，用于纺丝桶4转动时将其内腔的熔融状沥青从喷丝孔甩出；所述储料罐2用于存储熔融沥青物料，储料罐2的上端和下端分别通过高温轴承9安装在轴3的中部，位于储料罐2内部的轴3中心设有与储料罐2相通的物料流通孔10，且物料流通孔10向下延伸与纺丝桶4相联通；所述储料罐2的一侧与高温螺杆送料装置8以法兰连接，将沥青物料通过螺杆输送至储料罐2，所述储料罐2的另一侧与定压装置7以卡套连接，以使储料罐2与纺丝桶4内纺丝压力始终保持一致；所述加热装置5设置在储料罐2的外部，其中储料罐2、轴3均以加热装置5进行加热，以使沥青始终处于熔融状态；所述保温箱6设置在纺丝桶4的外部。加热装置5和保温箱6均为传导加热，温度控制采用PID控制技术，通过控制器控制加热器。
所述高速电机1的转动轴线与所述纺丝桶4的转动轴线位于同一条直线上。
所述高速电机1配有变频器，以调节电机转速。
所述喷丝孔的孔径为0.4-0.7mm。
所述纺丝桶4为圆桶型或锥形结构。
利用所述的沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置的纺丝方法：
本实施例先将沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置按照图1所示方式进行连接，设置加热装置温度为250℃，保温箱温度为170℃，定压装置7压力为0.5MPa，待温度稳定后，通入氮气，调节电机转速为1000转/分钟，将软化点为190℃的通用级可纺沥青加入高温螺杆送料装置8，喷丝孔直径为0.7mm，经离心纺丝后得到纤维原丝20μm。
实施例2：
按照实施例1的方法进行，所不同的是设置加热装置温度为280℃，保温箱温度为210℃，定压装置7压力为0.5MPa，待温度稳定后，通入氮气，调节电机转速为1500转/分钟，将软化点为220℃的通用级可纺沥青加入高温螺杆送料装置8，喷丝孔直径为0.5mm，经离心纺丝后得到纤维原丝16μm。
实施例3：
按照实施例1的方法进行，所不同的是设置加热装置温度为340℃，保温箱温度为260℃，定压装置7压力为0.8MPa，待温度稳定后，通入氮气，调节电机转速为1800转/分钟，将软化点为270℃的中间相可纺沥青加入高温螺杆送料装置8，喷丝孔直径为0.4mm，经离心纺丝后得到纤维原丝11μm。
实施例4
按照实施例1的方法进行，所不同的是设置加热装置温度为360℃，保温箱温度为280℃，定压装置7压力为1MPa，待温度稳定后，通入氮气，调节电机转速为2000转/分钟，将软化点为290℃的中间相可纺沥青加入高温螺杆送料装置8，喷丝孔直径为0.6mm，经离心纺丝后得到纤维原丝12μm。
实施例5
按照实施例1的方法进行，所不同的是设置加热装置温度为255℃，保温箱温度为190℃，定压装置7压力为0.5MPa，待温度稳定后，通入氮气，调节电机转速为1800转/分钟，将软化点为200℃的通用级可纺沥青加入高温螺杆送料装置8，喷丝孔直径为0.5mm，经离心纺丝后得到纤维原丝10μm。

Claims (9)

1.一种沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置，其特征在于：包括高速电机（1）、储料罐（2）、轴（3）、纺丝桶（4）、加热装置（5）、保温箱（6）、定压装置（7）、高温螺杆送料装置（8），所述高速电机（1）与轴（3）的一端连接，所述轴（3）的另一端与纺丝桶（4）连接，所述纺丝桶（4）的侧壁上设有多个喷丝孔，用于纺丝桶（4）转动时将其内腔的熔融状沥青从喷丝孔甩出；所述储料罐（2）用于存储熔融沥青物料，安装在轴（3）的中部，位于储料罐（2）内部的轴（3）中心设有与储料罐（2）相通的物料流通孔（10），且物料流通孔（10）向下延伸与纺丝桶（4）相联通；所述储料罐（2）的一侧与高温螺杆送料装置（8）连接，将沥青物料通过螺杆输送至储料罐（2），所述储料罐（2）的另一侧与定压装置（7）连接，以使储料罐（2）与纺丝桶（4）内纺丝压力始终保持一致；所述加热装置（5）设置在储料罐（2）外部，以使沥青始终处于熔融状态；所述保温箱（6）设置在纺丝桶（4）的外部。
2.根据权利要求1所述的一种沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置，其特征在于：所述高速电机（1）通过联轴器与轴（3）连接。
3.根据权利要求1所述的一种沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置，其特征在于：所述高速电机（1）的转动轴线与所述纺丝桶（4）的转动轴线位于同一条直线上。
4.根据权利要求1所述的一种沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置，其特征在于：所述高速电机（1）配有变频器，以调节电机转速。
5.根据权利要求1所述的一种沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置，其特征在于：所述储料罐（2）的上端和下端分别通过高温轴承（9）安装在轴（3）的中部。
6.根据权利要求1所述的一种沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置，其特征在于：所述喷丝孔的孔径为0.4-0.7mm。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述的沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置的纺丝方法，其特征在于：所述纺丝方法是将沥青物料通过高温螺杆送料装置（8）导入，然后在螺杆的作用下，向储料罐（2）输送，在输送过程中，加热装置（5）对螺杆通道内的沥青物料进行加热以使其呈熔融状，经与高速电机（1）连接的轴（3）上的物料流通孔（10）进入纺丝桶（4）中，高速电机（1）转动时，在离心力的作用下纺丝桶（4）中的熔融状沥青由喷丝孔甩出，呈纤维状；在纺丝过程中，保温箱（6）对纺丝桶（4）进行加热，通过定压装置（7）通入N2，使储料罐（2）与纺丝桶（4）内纺丝压力始终保持一致，从而保证高速离心甩出的纤维直径均匀。
8.根据权利要求7所述的一种利用沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置的纺丝方法，其特征在于：所述加热装置（5）的加热温度为250℃-360℃；所述保温箱温度为170℃-280℃；所述定压装置（7）为0.5 MPa -1MPa。
9.根据权利要求7所述的一种利用沥青碳纤维用加压熔融高速离心纺丝装置的纺丝方法，其特征在于：所述高速电机（1）转速为1000 -2000转/分钟；所述喷丝孔的孔径为0.4-0.7mm。
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