CN113858487A - 一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用装置及方法。本发明属于碳纤维增强复合材料回收领域。本发明为解决现有废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及制品不易处理导致环境污染以及制备成本高的技术问题。本发明通过自制的带有自封闭的二苯砜循环加热设备，解决了聚醚醚酮黏度大、不易流动的难题。本发明针对现阶段存在的废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及制品处理难、不易管理和资源浪费等难题，通过该自制设备对分类、碾压‑筛选、切割、清洗‑干燥预处理后的废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料与二苯砜进行处理，回收得到可循环利用的聚醚醚酮粒料和制备高性能混凝土、沥青及环氧树脂涂层掺和料的碳纤维，实现资源的二次循环利用。
Description
技术领域
本发明属于碳纤维增强复合材料回收领域，具体涉及一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用装置及方法。
背景技术
碳纤维增强聚醚醚酮复合材料具有低密度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、高韧性、高比强度/比模量、耐冲击等优点，广泛应用于航空航天、汽车和电器制造、军工制造和土木工程等诸多领域。碳纤维增强聚醚醚酮复合材料由碳纤维和聚醚醚酮树脂组成，其中聚醚醚酮体积含量为30-40％。碳纤维是以聚丙烯腈基、沥青基和粘胶基纤维等为原料，经高温预氧化、碳化、石墨化工艺制得的含碳量高于90％的特种纤维。聚醚醚酮是线性芳香族高分子化合物，主要由4，4'-二氟苯甲酮、对苯二酚二钠及碳酸钠为原料合成制得，其长期使用温度约为250℃，熔点为334℃，熔融加工温度范围为370-420℃，在空气中的热分解温度高达650℃。聚醚醚酮可在热熔融、溶液、干粉、水悬浮液等多种条件下与碳纤维组合制备复合材料，其成型工艺主要有注塑成型、旋转成型、挤压成型、真空成型和压缩成型。
由于碳纤维增强聚醚醚酮复合材料在生产成型过程中不可避免地产生边角料和废料，且应用于各领域的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料制品在一定使用年限内由于材料性能退化需进行更新与替换，由此产生大量的废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料制品。目前常规的处理方法不可避免地造成资源浪费与环境污染。同时，我国对于碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的需求逐年增长，国内产量无法满足应用需求。此外，与其他热塑性树脂(如聚丙烯、聚乙烯等)相比，聚醚醚酮具有高熔点、高沸点、高黏度等特点，已有碳纤维增强热塑性复合材料循环利用方法无法应用于碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及其制品的循环利用。因此，提出一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及其制品的循环利用方法与装置十分必要。
发明内容
本发明为解决现有废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及制品不易处理导致环境污染以及制备成本高的技术问题，而提供了一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用装置及方法。
本发明的一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用装置包括混料区、加热熔融区和分离区，所述加热熔融区的一侧与混料区通过传送管连通，所述传送管是由呈钝角的两段管构成的一体结构，所述传送管的一端设置在混料区箱体的底部并垂直于混料区箱体，所述传送管的另一端与加热熔融区左上角的入口相连通，所述加热熔融区的另一侧与分离区相连通，所述分离区位于加热熔融区的右下方；
所述混料区包括废料加料斗、第一传送螺杆、二苯砜加料斗和调节阀，所述第一传送螺杆横卧在混料区内，所述第一传送螺杆的一端延伸至传送管的入口处，所述第一传送螺杆的另一端穿过混料区箱体并与混料区箱体外部设置的伺服电机相连，所述废料加料斗和二苯砜加料斗分别位于混料区箱体顶部的两端，其中二苯砜加料斗位于混料区出口一侧，所述二苯砜加料斗底部设有调节阀；
所述加热熔融区包括第二传送螺杆、熔融槽、二苯砜循环管路和加热电偶棒，所述第二传送螺杆横卧在加热熔融区的底部，所述第二传送螺杆底部设有熔融槽，所述熔融槽通过加热熔融区箱体底部的支撑杆支撑固定，所述第二传送螺杆的一端穿过加热熔融区的箱体侧壁并与加热熔融区箱体外部设置的伺服电机相连，所述第二传送螺杆的另一端延伸至加热熔融区和分离区的连通区域并与熔融槽的一端活动连接；
所述分离区包括三级筛网、导流槽、二苯砜循环管路和加热电偶棒，所述三级筛网位于加热熔融区和分离区连通处的下方，所述导流槽位于三级筛网的下方通过箱体底部设置的支撑杆固定，所述分离区向侧壁底部开设有与导流槽衔接的导流槽出口；
所述二苯砜循环管路布设于加热熔融区和分离区的箱体外部并横贯加热熔融区和分离区，所述二苯砜循环管路分别与加热熔融区箱体顶部和分离区箱体顶部形成多处贯通；
所述加热电偶棒均匀布设于加热熔融区箱体底面的内部、分离区箱体底面的内部以及与加热熔融区箱体底面连接的分离区箱体侧壁的内部；
所述三级筛网包括设置于箱体内部的第一级筛网、第二级筛网和第三级筛网，贯穿箱体的筛动轴，以及设置于箱体外部的传动轴、从动轴和偏心转轴，所述第二级筛网位于第一级筛网下方，所述第三级筛网位于第二级筛网下方，所述第一级筛网、第二级筛网和第三级筛网分别固定在其下方的筛动轴上，所述筛动轴穿过传动轴并与传动轴通过螺栓固定连接，所述从动轴的一端与传动轴的一端转动连接，所述从动轴的另一端与偏心转轴的偏心轴转动连接，所述偏心转轴的另一端与箱体外部的伺服电机连接。
进一步限定，所述加热熔融区的入口处分别设有上挡板和下挡板。
进一步限定，所述第二传送螺杆的另一端延伸至加热熔融区和分离区的连通区域并与熔融槽的一端通过轴承支架活动连接。
进一步限定，所述第一级筛网、第二级筛网和第三级筛网在竖直方向上错位布置。
进一步限定，所述第一级筛网、第二级筛网和第三级筛网由上至下筛网目数依次增加。
进一步限定，所述第一级筛网、第二级筛网和第三级筛网的目数依次为5目、10目、20目。
进一步限定，所述筛动轴上与箱体的贯穿孔之间套设有保护套。
本发明的一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用方法按以下步骤进行：
步骤1：按照废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料所含杂质种类进行分类，用碾压机将杂质碾压为颗粒后筛分，将得到的不含杂质的废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料切割成形状规整、尺寸均匀的片材，然后用高压水冲洗，干燥后得到待分离废料；
步骤2：开启伺服电机，将步骤1得到的待分离废料和二苯砜分别由废料加料斗和二苯砜加料斗同时加入，通过调节阀控制二苯砜下料速率，待分离废料经第一传送螺杆传送至二苯砜加料斗下方与二苯砜在混料区内混合，然后进入加热熔融区；
步骤3：开启加热电偶棒，待分离废料和二苯砜混合物在加热熔融区内熔融，熔融态待分离废料经第二传送螺杆传送至分离区；
步骤4：开启伺服电机使熔融态待分离废料经三级筛网筛分，熔融态树脂经导流槽由导流槽出口流出箱体，实现纤维与树脂的分离，完成废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用。
进一步限定，步骤1中所述高压水的压力为1MPa～3MPa，冲洗次数为2～3次，所述干燥温度为20～40℃，时间为2～3天。
进一步限定，步骤2中所述通过调节阀控制二苯砜的下料速率，使二苯砜与待分离废料中聚醚醚酮的质量比为(0.8～1)：1。
进一步限定，步骤2中所述加热熔融区内熔融温度为360℃±2℃。
进一步限定，步骤3中所述分离区内温度为385℃±1℃。
进一步限定，步骤3中部分二苯砜挥发经二苯砜循环管路回到传送管底部循环利用。
进一步限定，步骤4中剩余少部分二苯砜再次挥发后经二苯砜循环管路回到传送管底部循环利用。
进一步限定，步骤4中三级筛网上的纤维用刮板手动清理出箱体。
本发明的工作原理：伺服电机开启，将废料和二苯砜分别加入相应给料斗，打开调节阀，废料经传送螺杆传送至二苯砜加料斗下方从而实现回收料与二苯砜的混合，混合料在自重作用下进入加热熔融区，并在上、下挡板的围挡下，进入熔融槽，纤维树脂复合材料在高温条件下开始融化，经传送螺杆进去分离区，大部分二苯砜在高温下快速挥发，挥发蒸汽经贯通口进入二苯砜循环管路，而后随温度下降冷却为熔融二苯砜再次进入加热熔融区从而实现二苯砜的循环利用，少部分二苯砜在分离区内挥发，然后经贯通口进入二苯砜循环管路实现循环利用，在分离区，伺服电机的转动经偏心转轴和从动轴转化为传动轴的往复摆动，在传动轴和筛动轴的带动下实现三级筛网在箱体内的前后往复摆动，从而实现筛分，分离后纤维用刮板从箱体侧面留有的可封闭出口手动清理出箱体。
本发明与现有技术相比具有的显著效果：
1)本发明提出一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的循环利用方法与装置，该方法通过自制加热设备及自封闭二苯砜循环利用系统，有效降低熔融聚醚醚酮黏度，实现碳纤维与聚醚醚酮的有效分离，回收得到可循环利用的聚醚醚酮颗粒和碳纤维，实现了节约资源、保护环境和提高碳纤维增强聚醚醚酮复合材料利用价值的目标。
2)本发明以废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及其制品为原料，解决了废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及其制品处理难、不易管理、资源浪费和环境污染等难题。
3)本发明中分类、碾压-筛选、切割、清洗-干燥等工序可独立进行，无需连续实施，劳动力需求低。
4)本发明采用自制加热设备，设计了一种自封闭二苯砜循环利用系统，解决了聚醚醚酮黏度大、不易流动和不易与碳纤维分离的难题。
5)本发明回收的碳纤维可用于制备高性能混凝土、沥青及环氧树脂涂层掺和料等用途的碳纤维和可循环利用聚醚醚酮树脂粒料。
6)本发明适用于废弃碳/玻璃纤维增强其他热塑性树脂(例如聚丙烯、聚乙烯等)复合材料及其制品循环利用。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明装置的结构示意图；
图3为本发明装置中三级筛网的右视图；
图4为图3中三级筛网的局部细节图；
其中1-混料区，2-加热熔融区，201-上挡板，202-下挡板，3-分离区，4-传送管，5-废料加料斗，6-第一传送螺杆，7-二苯砜加料斗，8-调节阀，9-第二传送螺杆，10-熔融槽，11-二苯砜循环管路，12-加热电偶棒，13-三级筛网，1301-第一级筛网，1302-第二级筛网，1303-第三级筛网，1304-筛动轴，1305-传动轴，1306-从动轴，1307-偏心转轴，1308-保护套，14-导流槽。
具体实施方式
实施例1、本实施例的一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用装置包括混料区1、加热熔融区2和分离区3，所述加热熔融区2的一侧与混料区1通过传送管4连通，所述传送管4是由呈钝角的两段管构成的一体结构，所述传送管4的一端设置在混料区1箱体的底部并垂直于混料区1箱体，所述传送管4的另一端与加热熔融区2左上角的入口相连通，所述加热熔融区2的另一侧与分离区3相连通，所述分离区3位于加热熔融区2的右下方；
所述混料区1包括废料加料斗5、第一传送螺杆6、二苯砜加料斗7和调节阀8，所述第一传送螺杆6横卧在混料区1内，所述第一传送螺杆6的一端延伸至传送管4的入口处，所述第一传送螺杆6的另一端穿过混料区1箱体并与混料区1箱体外部设置的伺服电机相连，所述废料加料斗5和二苯砜加料斗7分别位于混料区1箱体顶部的两端，其中二苯砜加料斗7位于混料区1出口一侧，所述二苯砜加料斗7底部设有调节阀8；
所述加热熔融区2包括第二传送螺杆9、熔融槽10、二苯砜循环管路11和加热电偶棒12，所述第二传送螺杆9横卧在加热熔融区2的底部，所述第二传送螺杆9底部设有熔融槽10，所述熔融槽10通过加热熔融区2箱体底部的支撑杆支撑固定，所述第二传送螺杆9的一端穿过加热熔融区2的箱体侧壁并与加热熔融区2箱体外部设置的伺服电机相连，所述第二传送螺杆9的另一端延伸至加热熔融区2和分离区3的连通区域并与熔融槽10的一端通过轴承支架活动连接，所述加热熔融区2的入口处分别设有上挡板201和下挡板202；
所述分离区3包括三级筛网13、导流槽14、二苯砜循环管路11和加热电偶棒12，所述三级筛网13位于加热熔融区2和分离区3连通处的下方，所述导流槽14位于三级筛网13的下方通过箱体底部设置的支撑杆固定，所述分离区3向侧壁底部开设有与导流槽14衔接的导流槽出口；
所述二苯砜循环管路11布设于加热熔融区2和分离区3的箱体外部并横贯加热熔融区2和分离区3，所述二苯砜循环管路11分别与加热熔融区2箱体顶部和分离区3箱体顶部形成多处贯通；
所述加热电偶棒12均匀布设于加热熔融区2箱体底面的内部、分离区3箱体底面的内部以及与加热熔融区2箱体底面连接的分离区3箱体侧壁的内部；
所述三级筛网13包括设置于箱体内部的第一级筛网1301、第二级筛网1302和第三级筛网1303，贯穿箱体的筛动轴1304，以及设置于箱体外部的传动轴1305、从动轴1306和偏心转轴1307，所述第二级筛网1302位于第一级筛网1301下方，所述第三级筛网1303位于第二级筛网1302下方，所述第一级筛网1301、第二级筛网1302和第三级筛网1303分别固定在其下方的筛动轴1304上，每级筛网下设置两根筛动轴1304，所述筛动轴1304穿过传动轴1305并与传动轴1305通过螺栓固定连接，所述从动轴1306的一端与传动轴1305的一端转动连接，所述从动轴1306的另一端与偏心转轴1307的偏心轴转动连接，所述偏心转轴1307的另一端与箱体外部的伺服电机连接，所述第一级筛网1301、第二级筛网1302和第三级筛网1303在竖直方向上错位布置，每级筛网相对上一级筛网向熔融态聚醚醚酮树脂流动方向错位，所述第一级筛网1301、第二级筛网1302和第三级筛网1303由上至下筛网目数依次增加，所述第一级筛网1301、第二级筛网1302和第三级筛网1303的目数依次为5目、10目、20目，所述筛动轴1304上、与箱体的贯穿孔之间套设有保护套1308。
实施例2、用实施例所述的装置对废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料进行循环利用的方法按以下步骤进行：
步骤1：按照废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料所含杂质种类(混凝土、泥土等)进行分类，用碾压机将杂质碾压为颗粒后筛分，将得到的不含杂质的废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料切割成形状规整、尺寸均匀的片材，然后用高压水冲洗，高压水的压力为2MPa，冲洗3次，30℃下干燥3天后得到待分离废料；
步骤2：开启伺服电机，将步骤1得到的待分离废料和二苯砜分别由废料加料斗5和二苯砜加料斗7同时加入，通过调节阀8控制二苯砜的下料速率，使二苯砜与待分离废料中聚醚醚酮的质量比为1：1，待分离废料经第一传送螺杆6传送至二苯砜加料斗7下方与二苯砜在混料区1内混合，然后进入加热熔融区2，加热熔融区2内熔融温度为360℃±2℃；
步骤3：开启加热电偶棒12，待分离废料和二苯砜混合物在加热熔融区2内熔融，熔融态待分离废料经第二传送螺杆9传送至分离区3，分离区3内温度为385℃±1℃，部分二苯砜挥发经二苯砜循环管路11回到传送管4底部循环利用；
步骤4：开启伺服电机使熔融态待分离废料经三级筛网13筛分，剩余少部分二苯砜再次挥发后经二苯砜循环管路11回到传送管4底部循环利用，熔融态树脂经导流槽14由导流槽出口流出箱体，三级筛网13上的纤维用刮板手动清理出箱体，实现纤维与树脂的分离，完成废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用。
Claims (10)
1.一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用装置，其特征在于，该装置包括混料区(1)、加热熔融区(2)和分离区(3)，所述加热熔融区(2)的一侧与混料区(1)通过传送管(4)连通，所述传送管(4)是由呈钝角的两段管构成的一体结构，所述传送管(4)的一端设置在混料区(1)箱体的底部并垂直于混料区(1)箱体，所述传送管(4)的另一端与加热熔融区(2)左上角的入口相连通，所述加热熔融区(2)的另一侧与分离区(3)相连通，所述分离区(3)位于加热熔融区(2)的右下方；
所述混料区(1)包括废料加料斗(5)、第一传送螺杆(6)、二苯砜加料斗(7)和调节阀(8)，所述第一传送螺杆(6)横卧在混料区(1)内，所述第一传送螺杆(6)的一端延伸至传送管(4)的入口处，所述第一传送螺杆(6)的另一端穿过混料区(1)箱体并与混料区(1)箱体外部设置的伺服电机相连，所述废料加料斗(5)和二苯砜加料斗(7)分别位于混料区(1)箱体顶部的两端，其中二苯砜加料斗(7)位于混料区(1)出口一侧，所述二苯砜加料斗(7)底部设有调节阀(8)；
所述加热熔融区(2)包括第二传送螺杆(9)、熔融槽(10)、二苯砜循环管路(11)和加热电偶棒(12)，所述第二传送螺杆(9)横卧在加热熔融区(2)的底部，所述第二传送螺杆(9)底部设有熔融槽(10)，所述熔融槽(10)通过加热熔融区(2)箱体底部的支撑杆支撑固定，所述第二传送螺杆(9)的一端穿过加热熔融区(2)的箱体侧壁并与加热熔融区(2)箱体外部设置的伺服电机相连，所述第二传送螺杆(9)的另一端延伸至加热熔融区(2)和分离区(3)的连通区域并与熔融槽(10)的一端活动连接；
所述分离区(3)包括三级筛网(13)、导流槽(14)、二苯砜循环管路(11)和加热电偶棒(12)，所述三级筛网(13)位于加热熔融区(2)和分离区(3)连通处的下方，所述导流槽(14)位于三级筛网(13)的下方通过箱体底部设置的支撑杆固定，所述分离区(3)向侧壁底部开设有与导流槽(14)衔接的导流槽出口；
所述二苯砜循环管路(11)布设于加热熔融区(2)和分离区(3)的箱体外部并横贯加热熔融区(2)和分离区(3)，所述二苯砜循环管路(11)分别与加热熔融区(2)箱体顶部和分离区(3)箱体顶部形成多处贯通；
所述加热电偶棒(12)均匀布设于加热熔融区(2)箱体底面的内部、分离区(3)箱体底面的内部以及与加热熔融区(2)箱体底面连接的分离区(3)箱体侧壁的内部；
所述三级筛网(13)包括设置于箱体内部的第一级筛网(1301)、第二级筛网(1302)和第三级筛网(1303)，贯穿箱体的筛动轴(1304)，以及设置于箱体外部的传动轴(1035)、从动轴(1306)和偏心转轴(1307)，所述第二级筛网(1302)位于第一级筛网(1301)下方，所述第三级筛网(1303)位于第二级筛网(1302)下方，所述第一级筛网(1301)、第二级筛网(1302)和第三级筛网(1303)分别固定在其下方的筛动轴(1304)上，所述筛动轴(1304)穿过传动轴(1305)并与传动轴(1305)通过螺栓固定连接，所述从动轴(1306)的一端与传动轴(1305)的一端转动连接，所述从动轴(1306)的另一端与偏心转轴(1307)的偏心轴转动连接，所述偏心转轴(1307)的另一端与箱体外部的伺服电机连接。
2.根据权利要求1所述的一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用装置，其特征在于，所述加热熔融区(2)的入口处分别设有上挡板(201)和下挡板(202)。
3.根据权利要求1所述的一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用装置，其特征在于，所述第二传送螺杆(9)的另一端延伸至加热熔融区(2)和分离区(3)的连通区域并与熔融槽(10)的一端通过轴承支架活动连接。
4.根据权利要求1所述的一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用装置，其特征在于，所述第一级筛网(1301)、第二级筛网(1302)和第三级筛网(1303)在竖直方向上错位布置，所述第一级筛网(1301)、第二级筛网(1302)和第三级筛网(1303)由上至下筛网目数依次增加，所述第一级筛网(1301)、第二级筛网(1302)和第三级筛网(1303)的目数依次为5目、10目、20目。
5.根据权利要求1所述的一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用装置，其特征在于，所述筛动轴(1304)上与箱体的贯穿孔之间套设有保护套(1308)。
6.利用如权利要求1-5任意一项权利要求所述的装置进行废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用的方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：
步骤1：按照废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料所含杂质种类进行分类，用碾压机将杂质碾压为颗粒后筛分，将得到的不含杂质的废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料切割成形状规整、尺寸均匀的片材，然后用高压水冲洗，干燥后得到待分离废料；
步骤2：开启伺服电机，将步骤1得到的待分离废料和二苯砜分别由废料加料斗(5)和二苯砜加料斗(7)同时加入，通过调节阀(8)控制二苯砜下料速率，待分离废料经第一传送螺杆(6)传送至二苯砜加料斗(7)下方与二苯砜在混料区(1)内混合，然后进入加热熔融区(2)；
步骤3：开启加热电偶棒(12)，待分离废料和二苯砜混合物在加热熔融区(2)内熔融，熔融态待分离废料经第二传送螺杆(9)传送至分离区(3)；
步骤4：开启伺服电机使熔融态待分离废料经三级筛网(13)筛分，熔融态树脂经导流槽(14)由导流槽出口流出箱体，实现纤维与树脂的分离，完成废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用。
7.根据权利要求6所述的一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用方法，其特征在于，步骤1中所述高压水的压力为1MPa～3MPa，冲洗次数为2～3次，所述干燥温度为20～40℃，时间为2～3天。
8.根据权利要求6所述的一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用方法，其特征在于，步骤2中所述通过调节阀(8)控制二苯砜的下料速率，使二苯砜与废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料中聚醚醚酮的质量比为(0.8～1)：1，步骤2中所述加热熔融区(2)内熔融温度为360℃±2℃。
9.根据权利要求6所述的一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用方法，其特征在于，步骤3中所述分离区(3)内温度为385℃±1℃，步骤3中部分二苯砜挥发经二苯砜循环管路(11)回到传送管(4)底部循环利用。
10.根据权利要求6所述的一种废弃碳纤维增强聚醚醚酮复合材料循环利用方法，其特征在于，步骤4中剩余少部分二苯砜再次挥发后经二苯砜循环管路(11)回到传送管(4)底部循环利用，步骤4中三级筛网(13)上的纤维用刮板手动清理出箱体。
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