CN114182452A - 具有防并丝干燥装置的碳纤维上浆系统及上浆干燥工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有防并丝干燥装置的碳纤维上浆系统及上浆干燥工艺，其解决了现有碳纤维上浆后并丝黏连导致成品碳纤维的毛丝多、丝幅宽度不均匀以及上浆量不均的技术问题，其设有上浆槽，所述上浆槽上部依次装设有喷淋管、压缩空气吹扫管和分丝槽辊，所述喷淋管与所述上浆槽连通，所述上浆槽与所述喷淋管之间设有柱塞计量泵；所述上浆槽前后设有导丝辊；所述上浆槽后部设有分层卧式干燥炉，所述分层卧式干燥炉设有热风循环风机，每层所述分层卧式干燥炉前后两端均设有导丝辊。本发明可广泛应用于碳纤维生产领域。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维生产技术领域，特别是涉及一种具有防并丝干燥装置的碳纤维上浆系统及上浆干燥工艺。
背景技术
碳纤维是一种新型复合材料，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、传热和热膨胀系数小等优异性能。碳纤维复合材料既可作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用。因此，近年来碳纤维的应用的发展十分迅速，在航空航天、汽车、能源、建筑、运动器材等众多领域均得到了广泛的应用。在碳纤维碳化生产过程中，上浆处理和上浆干燥是非常重要的一道工序，上浆的目的是赋予碳纤维集束性、耐磨性、抗吸水性等，以便于碳纤维的后续应用。
上浆工序直接决定了碳纤维的上浆均匀性、碳纤维丝束的宽度和外表形态，对碳纤维的后续应用有重要的影响。如果碳纤维的上浆量不均匀、碳纤维丝束的宽度和外表形态不规整，那么在将碳纤维制造成预浸料或编织成织物时，其工艺性会比较差，预浸料和编织物的形态难以精确控制，进而影响最终复合材料的性能。
目前的国产碳纤维上述问题非常突出，在生产过程中大多使用的是浸润式上浆工艺，对于多余浆剂的去除基本为挤压辊的方法。浸入式上浆工艺中碳纤维上的毛丝容易在槽内浆液中分散、漂浮，容易吸附在运行的碳纤维中，导致上浆量不均匀，毛丝多等；使用挤压辊式去除浆剂由于需要使用胶辊与不锈钢辊进行加力挤压，则容易损伤碳纤维，导致毛丝的产生。上浆后由于上浆剂具有粘性，由于相邻位号的纤维距离较近(约为1mm左右)因而会导致上浆后并丝黏连的情况，从而导致成品碳纤维的毛丝多、丝幅宽度不均匀以及上浆量不均等问题。因此，现有的碳纤维上浆工艺已成为制约国产碳纤维质量的一个重要因数。
发明内容
本发明为了解决现有碳纤维上浆后并丝黏连导致成品碳纤维的毛丝多、丝幅宽度不均匀以及上浆量不均的技术问题，提供一种具有防并丝干燥装置的碳纤维上浆系统及上浆干燥工艺。
本发明提供一种具有防并丝干燥装置的碳纤维上浆系统，设有上浆槽，所述上浆槽上部依次装设有喷淋管、压缩空气吹扫管和分丝槽辊，所述喷淋管与所述上浆槽连通，所述上浆槽与所述喷淋管之间设有柱塞计量泵；所述上浆槽前后设有导丝辊；所述上浆槽后部设有分层卧式干燥炉，所述分层卧式干燥炉设有热风循环风机，每层所述分层卧式干燥炉前后两端均设有导丝辊。
优选地，所述上浆槽上端设有收集浆液的广口，下端设有过滤浆液中碳纤维毛丝的过滤装置。
优选地，所述喷淋管设有上浆上喷淋管和上浆下喷淋管，所述上浆上喷淋管和上浆下喷淋管分别布置在碳纤维丝束上下两面；所述喷淋管沿管道方向开有直线型喷淋缝隙，所述喷淋管喷淋方向与碳纤维丝丝束运行方向夹角为30°至150°。
优选地，所述压缩空气吹扫管设有两个压缩空气吹扫管分别布置在碳纤维丝束上下两面；所述压缩空气吹扫管沿管道方向开有直线型吹扫缝隙，所述压缩空气吹扫管吹扫方向与碳纤维丝丝束运行方向夹角为30°至150°。
优选地，所述导丝辊为光辊，直径在200mm-350mm之间，表面光洁度Ra0.2，挠度＜1，圆度＜0.04，圆柱度＜0.05。
本发明还提供一种具有防并丝干燥装置的碳纤维上浆干燥工艺，其采用上述具有防并丝干燥装置的碳纤维上浆系统，其包括如下步骤：
(1)配置一定浓度的浆剂，将浆剂搅拌均匀后，开启柱塞计量泵打入喷淋管道进入上浆槽进行循环上浆；
(2)调节上浆下喷淋管和上浆上喷淋管的喷淋角度；
(3)开启压缩空气吹扫阀门，调节压缩空气管道吹扫角度；
(4)打开两台干燥炉循环风机和加热器，对干燥炉进行升温；
(5)将经上浆系统的碳纤维丝束进行编号，其中编号为奇数的丝束进入上层干燥炉，编号为偶数的丝束进入下层干燥炉中；
(6)牵引丝束依次通过上浆系统上浆槽两个喷淋管之间和干燥炉的辊筒、干燥炉开始对丝束进行上浆及干燥处理。
本发明具有如下有益效果：
本发明使用非浸润式的上浆工艺，采用上下结构的喷淋装置，喷淋均匀，上浆量一致性得到了极大改善，减少了过量上浆；本发明采用压缩空气吹扫管，利用压缩空气对碳纤维的上浆剂进行吹扫，克服了传统挤压辊的方式来挤出多余的上浆剂，没有摩擦，有效的降低纤维中毛丝的产生，减少了毛丝的数量；采用分丝槽辊，利用分丝槽将相邻的碳纤维丝束分离，配合设置上下两层干燥炉，避免了相邻的碳纤维丝束在干燥过程中的并丝与黏连，使得碳纤维丝束有足够的空间扩幅，由于相邻的碳丝不并黏连，使得碳纤维的毛丝量显著减少，丝幅宽度明显变宽，纤维质量明显改善。
附图说明
图1是本发明的生产流程示意图；
图2是本发明的分丝槽辊结构示意图。
附图符号说明：
1.第一导丝辊；2.分丝槽辊；3.第二导丝辊；4.第三导丝辊；5.第四导丝辊；6.第五导丝辊；7.第六导丝辊；8.上浆槽；9.上浆下喷淋管；10.上浆上喷淋管；11.压缩空气吹扫管；12.干燥炉下层；13.干燥炉上层；14.柱塞计量泵；15.精密过滤器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，以使本发明所属技术领域的技术人员能够容易实施本发明。
如图1所示，是本发明的生产流程示意图，本发明设有第一导丝辊1，分丝槽辊2，第二导丝辊3，第三导丝辊4，第四导丝辊5，第五导丝辊6，第六导丝辊7，上浆槽8，上浆下喷淋管9，上浆上喷淋管10，压缩空气吹扫管11，下层干燥炉12，上层干燥炉13，柱塞计量泵14和精密过滤器15。
其中，上浆系统包括上浆槽8，连接柱塞计量泵14的入口，柱塞计量泵14的出口连接上浆下喷淋管9和上浆上喷淋管10，形成一套浆液循环系统。通过上浆槽8将从上浆下喷淋管9和上浆上喷淋管10喷淋后多余的上浆剂和压缩空气吹扫管道吹扫下来的浆剂通过精密过滤器15进行过滤，将纤维丝束中洗下来的毛丝过滤清除，再次被吸入柱塞计量泵14形成循环回路。
上浆下喷淋管9和上浆上喷淋管10与柱塞计量泵14使用软管连接，可调节喷淋方向为与丝束运行方向呈30°至150°的角度，两个喷淋管分别平行放置于运行丝束的上下两侧与丝束运行方向垂直，两个喷淋管的管壁沿管道方向开有一列喷淋缝隙，其中上浆下喷淋管9与上浆上喷淋管10错位，上浆下喷淋管9在前，上浆上喷淋管10在后，材质为304不锈钢，两个管道依次从下而上和从上而下对纤维进行喷淋上浆。
上浆后多余浆剂的方式为使用两个管道用压缩空气吹扫的方式去除，两个压缩空气吹扫管11材质为304不锈钢，上浆吹扫管道与压缩空气供给主管路用软管连接并且可旋转调节，可调节吹扫方向为与丝束运行方向呈30°至150°的角度，分别平行放置于运行丝束的上下两侧与丝束运行方向垂直，两个吹扫管的管壁沿管道方向开有一列吹扫缝隙。
纤维丝束依次通过第一导丝辊1，分丝槽辊2，第二导丝辊3，三个辊筒依次固定在上浆槽8上，第一导丝辊1和第二导丝辊3保证纤维丝束与上浆槽8的距离，分丝槽辊将纤维丝束在上浆后处于分开的状态，保持不并丝黏连，在分丝槽辊处将纤维丝束进行编号，区分出奇偶数位号的纤维。
防并丝干燥炉包括下层干燥炉12和上层干燥炉13、四支不锈钢导丝光辊和两台热风循环风机，经过第二导丝辊3的位号为偶数的纤维经过第三导丝辊4进入下层干燥炉12经过干燥后进过第六导丝辊7进入下一工序，经过分丝槽辊2的位号为奇数的纤维经过第四导丝辊5进入上层干燥炉13经过干燥后进过第五导丝辊6进入下一工序。
本发明设有第一导丝辊1，分丝槽辊2，第二导丝辊3，第三导丝辊4，第四导丝辊5，第五导丝辊6，第六导丝辊7共7个传动辊筒，材质为304不锈钢，其中分丝槽辊2设有分丝槽，其它传动辊筒为光辊。辊筒的技术要求为：直径在200mm-350mm，表面光洁度Ra0.2，挠度(在载荷下)＜1，圆度＜0.04，圆柱度＜0.05。
本发明还提供一种碳纤维的上浆干燥工艺，包括如下步骤：
(1)配置一定浓度的浆剂，将浆剂搅拌均匀后，开启柱塞计量泵打入喷淋管道进入上浆槽进行循环上浆；
(2)调节上浆下喷淋管和上浆上喷淋管的喷淋角度；
(3)开启压缩空气吹扫阀门，调节压缩空气管道吹扫角度；
(4)打开两台干燥炉循环风机和加热器，对干燥炉进行升温；
(5)将经上浆系统的碳纤维丝束进行编号，其中编号为奇数的丝束进入上层干燥炉，编号为偶数的丝束进入下层干燥炉中；
(6)启动驱动辊筒牵引丝束依次通过上浆系统上浆槽两个喷淋管之间和干燥炉的辊筒、干燥炉开始对丝束进行上浆及干燥处理。
干燥温度在100℃至200℃之间，炉内干燥风速在2m/s-5m/s之间。
对比例
专利号为CN201320625199.8的中国专利为传统的浸润式上浆工艺，按照此专利的上浆方法进行实际试验。
实施例1
首先将配制好的浆剂搅拌均匀后经柱塞计量泵打入上浆槽内，然后调节上浆下喷淋管与丝束运行方向夹角为90°，调节上浆上喷淋管与丝束运行方向的夹角为90°；开启压缩空气吹扫阀门，调节吹扫管的吹扫方向与丝束运行方向夹角为45°；开启干燥炉两台循环风机，设定风机工艺频率均为35Hz(对应的风速为3.5m/s)，并对干燥炉两层进行升温，设定工艺温度均为140℃。将经上浆系统的T700级12K碳纤维共400束进行编号，其中编号为奇数的丝束进入上层干燥炉，编号为偶数的丝束进入下层干燥炉中；启动驱动辊筒牵引丝束依次通过上浆系统上浆槽两个喷淋管之间和干燥炉的辊筒、干燥炉开始对丝束进行上浆及干燥处理。
实施例2
采用与实施例1相同的上浆喷淋角度和干燥工艺，不同之处在于，压缩空气吹扫角度为30°。
实施例3
采用与实施例1相同的上浆喷淋角度和干燥工艺，不同之处在于，压缩空气吹扫角度为60°。
实施例4
采用与实施例1相同的上浆喷淋角度和压缩空气吹扫角度，不同之处在于，干燥炉风机工艺频率为45Hz(对应的风速为4.5m/s)，干燥炉工艺温度为160℃。
实施例5
采用与实施例1相同的上浆喷淋角度和压缩空气吹扫角度，不同之处在于，干燥炉风机工艺频率为25Hz(对应的风速为2m/s)，干燥炉工艺温度为130℃。
实施例6
采用与实施例1相同的干燥工艺和压缩空气吹扫角度，不同之处在于，上浆喷淋角度为60°。
对比例与实施例中制得的碳纤维丝束的具体参数见表1。
表1
从表1中可知，实施例1的工艺条件上浆量离散系数最小，纤维间的上浆量最稳定；丝束宽度最宽，易于编织；纤维的含水率低于0.01％，符合含水率的要求；毛丝量最少，碳纤维质量最好。总体上，使用本发明的上浆系统及防并丝干燥炉能够得到合格的上浆量和较宽的丝幅以及较少的毛丝量。
以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有防并丝干燥装置的碳纤维上浆系统，其特征是，设有上浆槽，所述上浆槽上部依次装设有喷淋管、压缩空气吹扫管和分丝槽辊，所述喷淋管与所述上浆槽连通，所述上浆槽与所述喷淋管之间设有柱塞计量泵；所述上浆槽前后设有导丝辊；所述上浆槽后部设有分层卧式干燥炉，所述分层卧式干燥炉设有热风循环风机，每层所述分层卧式干燥炉前后两端均设有导丝辊。
2.根据权利要求1所述具有防并丝干燥装置的碳纤维上浆系统，其特征在于，所述上浆槽上端设有收集浆液的广口，下端设有过滤浆液中碳纤维毛丝的过滤装置。
3.根据权利要求1所述具有防并丝干燥装置的碳纤维上浆系统，其特征在于，所述喷淋管设有上浆上喷淋管和上浆下喷淋管，所述上浆上喷淋管和上浆下喷淋管分别布置在碳纤维丝束上下两面；所述喷淋管沿管道方向开有直线型喷淋缝隙，所述喷淋管喷淋方向与碳纤维丝丝束运行方向夹角为30°至150°。
4.根据权利要求1所述具有防并丝干燥装置的碳纤维上浆系统，其特征在于，所述压缩空气吹扫管设有两个压缩空气吹扫管分别布置在碳纤维丝束上下两面；所述压缩空气吹扫管沿管道方向开有直线型吹扫缝隙，所述压缩空气吹扫管吹扫方向与碳纤维丝丝束运行方向夹角为30°至150°。
5.根据权利要求1所述具有防并丝干燥装置的碳纤维上浆系统，其特征在于，所述导丝辊为光辊，直径在200mm-350mm之间，表面光洁度Ra0.2，挠度＜1，圆度＜0.04，圆柱度＜0.05。
6.一种具有防并丝干燥装置的碳纤维上浆干燥工艺，其采用如权利要求1-5任一所述具有防并丝干燥装置的碳纤维上浆系统，其特征是，包括如下步骤：
(1)配置一定浓度的浆剂，将浆剂搅拌均匀后，开启柱塞计量泵打入喷淋管道进入上浆槽进行循环上浆；
(2)调节上浆下喷淋管和上浆上喷淋管的喷淋角度；
(3)开启压缩空气吹扫阀门，调节压缩空气管道吹扫角度；
(4)打开两台干燥炉循环风机和加热器，对干燥炉进行升温；
(5)将经上浆系统的碳纤维丝束进行编号，其中编号为奇数的丝束进入上层干燥炉，编号为偶数的丝束进入下层干燥炉中；
(6)牵引丝束依次通过上浆系统上浆槽两个喷淋管之间和干燥炉的辊筒、干燥炉开始对丝束进行上浆及干燥处理。
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