CN114507955A - 短切再生碳纤维的工业化制备装置与制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种短切再生碳纤维的工业化制备装置与制备方法，制备装置由由依次设置的供浆系统、上浆系统、控浆系统、预烘系统、短切系统和二烘系统组成。本发明体不仅使再生碳纤维实现有序均匀上浆、标准模块化连续短切，而且短切再生碳纤维在后加工过程中，具有良好的颗粒性、均一的堆积密度，易于实现连续喂料与精确计量，且在加工温度下，再生短切碳纤维还具有良好的开纤性、树脂分散性、复合界面高温稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及再生碳纤维，特别是一种短切再生碳纤维的工业化制备装置与制备方法。
技术背景
再生碳纤维的再生技术现在国内外关注的焦点仍集中于碳纤维复合材料寿命终止后的碳纤维高效回收技术、经济性与环保性能比较研究，而针对再生碳纤维的特点与后道应用装置与技术，国外已有回收碳纤维制备轻质结构用新型高性能混纺纱的研究报道；英国雪非尔大学的杰克·霍华斯(J a c k Howarth,University of sheffield)和美国北卡罗来纳州立大学的约瑟·海尔(Joseph Heil，North Carolina State University,USA)报告用再生碳纤维制作电磁屏蔽材料，但具体回收技术与装备的信息、专利极少报道。
国内再生碳纤维前处理如上浆、短切造粒、烘干、计量装置与技术，最相关的专利为CN 110042663 A---一种碳纤维束的制造方法，其权利特征关键点涉及的未上浆碳纤维的上浆剂原料品种、复合与上浆技术参数与本发明相异。
本发明所涉及的上浆剂热塑性高分子材料包含但不限于亲水性聚氨酯、聚酰胺，均为市售热塑性PI\PA\PU、PSF粉沫，经研磨、接枝化学与气相合成水性石墨稀、自制热固性环氧树脂物理共混改性、高速(7000-5000rpm)乳化自制；调配浓度5.5％～6.5％，上浆率3.0％～5.0％；上浆后的预烘温度为操作温区85±10℃；烘干时间45±15min；真空30±15Kpa；从上浆的效果上看，本发明不仅使再生碳纤维实现有序均匀上浆、标准模块化连续短切，而且使短切再生碳纤维在后加工过程中，具有良好的颗粒性、均一的堆积密度，易于实现连续喂料与精确计量，且在加工温度下，再生短切碳纤维还具有良好的开纤性、树脂分散性、复合界面高温稳定性。
发明内容
针对现有短切再生碳纤维的工业化制备中难以使再生碳纤维有序均匀上浆、上浆再生碳纤维难以实现标准化连续短切、短切的再生碳纤维难以具备规则的颗粒形态，且颗粒上浆率差异大、颗粒的堆积密度低，难以实现连续喂料与精确计量问题，本发明提供一种短切再生碳纤维的工业化制备装置与制备方法，本发明不仅使再生碳纤维实现有序均匀上浆、标准模块化连续短切，而且短切再生碳纤维在后加工过程中，具有良好的颗粒性、均一的堆积密度，易于实现连续喂料与精确计量，且在加工温度下，再生短切碳纤维还具有良好的开纤性、树脂分散性、复合界面高温稳定性。
本发明的技术解决方案如下：
一种短切再生碳纤维的工业化制备装置，其特点在于该装置由依次设置的供浆系统、上浆系统、控浆系统、预烘系统、短切系统和二烘系统组成：
所述供浆系统由搅拌器、供浆槽和供浆泵组成：其搅拌器为金属叶片式，由变频器调速控制；供浆泵为碳纤维增强PPS气动泵，位于所述的供浆槽与上浆槽之间正中部的地面上，金属螺栓固定于地面。供浆槽的底部具有出料管口阀门和排污阀门与供料泵的左侧管口连接；供料泵的进口右侧与上浆槽、控浆槽底部的排料阀门相连；供浆泵的出口左侧阀门与供浆槽顶部回流管口相连接，右侧阀门与上浆槽左侧竖立的上浆剂分配管进口相连接。
所述上浆系统由第一定容网架组合、上浆槽、上浆剂、再生碳纤维和上浆剂分配管组成：其中，第一定容网架组合N对凹柱网、凸柱网以凹柱、凸柱逆向契合组成；再生碳纤维被定量、有序地限定在所述的第一定容网架组合中；第一定容网架组合以自重水平浸没搁置在所述的上浆槽底部；上浆剂分配管位于所述的定容网架组合的左侧与上浆槽左侧内壁之间，以上下垂直方式固定在所述的上浆槽左侧内壁上下焊接的两个支架右端的抱箍内；所述的上浆剂分配管沿轴向上下均布一排同向喷嘴，该喷嘴垂直于所述的上浆槽的左侧内壁；上浆槽底部右侧具有排料管口，该排料管口通过阀门和管路与所述的供料泵的右侧管口以金属管道法兰连接。
所述控浆系统由品型夹持钢轴、压浆板、第二定容网架组合、压浆背板、控浆支架和控浆托盘组成：其中，品型夹持钢轴由一根上卡轴与两根下托轴组成，上卡压轴的左右两端分别以螺栓固定在所述的控浆支架上顶部左右两侧由外向里的横梁正中部，两个下卡托轴的左右两端分别以螺栓固定在所述的控浆支架部左右由外向里的底部横梁上；压浆板为轻质合金钢材质，其板面尺寸与定容网架端面尺寸、形状相同，其压浆动力由压缩空气驱动，压缩空气高压软管分别与压浆板正中、上部的密封短节与正下部的密封短节以金属快接头相连接；压浆背板的右侧面上、中、下部分别焊接在所述的控浆支架的右侧上、中、下横梁中部。所述的压浆板在压缩空气驱动下，由左向右移动，挤压第二定容网架组合中上浆后的再生碳纤维；挤出的上浆剂落入控浆支架底部的控浆托盘中，该控浆托盘的底部管道与供浆泵的管道法兰相连接。
所述预烘系统由真空负压烘箱、第一定容网架组合与压浆后的碳纤维构成，其中：真空烘箱排出的气体与水份经排空管道通向室外，高空排放；真空负压烘箱的四脚移动滑轮均带刷车装置。
所述短切系统由切断机、短切收料桶和PC防尘罩、预烘再生碳纤维组成。预烘再生碳纤维短切过程中产生的粉尘由PC防尘罩顶部的吸风管进入粉尘收集系统。
所述二烘系统由热风烘干机、短切再生碳纤维组成。二烘过程中产生的水汽由热风烘干机顶部的排汽管室外高空排放；热风烘干机的四脚移动滑轮均带刷车装置。
所述预烘系统、短切系统和二烘系统的排气(汽)、排粉尘管道采用带碳纤维增强塑料法兰的碳纤维增强塑料软管，连接方式为碳纤维增强塑料螺栓螺母与碳纤维增强热塑性弹性体密封垫坚固。
所述的短切再生碳纤维的工业化制备装置对再生碳纤维的制备方法，包括下列步骤：
1)上浆剂就位：关闭所述的所述的供浆槽的底部阀、供浆泵右侧阀门，启动供浆泵将浆剂经供浆槽排污阀泵入供浆槽贮存，当泵入供浆槽的上浆剂液位达到80％后，关闭排污阀门，建立供浆槽自循环，打开搅拌器，变频调整开度50％，以保持上浆剂组份均匀。
2)再生碳纤维组合安装：由N对含有定量的待上浆的再生碳纤维的凹柱网)、凸柱网以对应的凹柱、凸柱并以所述的凹柱网以AB轴水平翻转180度后契合组成第一定容网架组合，将所述的第一定容网架组合移至所述的上浆槽内，两者底部相触但不固定，其中N为4～10。
3)第一定容网架组合的再生碳纤维批次上浆：将所述的供浆槽内的上浆剂经供浆泵、上浆剂分配管同向喷嘴，垂直于所述的上浆槽左侧内壁后碰撞，湍流混合后，经反向动力变成层流，水平地进入所述的第一定容网架组合，浸润再生碳纤维，当上浆槽的液位达到80％时，建立所述上浆槽的上浆剂自循环。上浆槽浸渍时间60±15秒，取出完成浸渍后的第一定容网架组合，按前述操作，进入下一批次的第一定容网架组合未上浆再生碳纤维上浆。
4)再生碳纤维控浆：从所述的上浆槽取出所述的第一定容网架组合水平放置于控浆系统的品型夹持钢轴上，将每只凹柱网水平旋转180度，重新组合成第二定容网架组合，由右侧的压浆背板开始，依次向压浆板方向，两固定口向下，对正竖立于所述的品型夹持钢轴上至接近压浆背板的右侧面；逐步开启开大压缩空气，压力控制在0.20--0.6Mpa。所述的压浆板在压缩空气驱动下，向右移动，挤压第二定容网架组合中的上浆再生碳纤维，挤压时间为80-120秒；挤出的上浆剂落入所述的控浆支架底部下的控浆托盘中，开控浆托盘部阀门，将所述的上浆剂再经供浆泵入上浆槽中。停压缩空气，将完成控浆的第二定容网架组合单元依次取出并转运至再生碳纤维预烘工序预烘后，按前述操作，进入下一批次上浆后的第一定容网架组合控浆。
5)再生碳纤维预烘：将所述的第二定容网架组合恢复至第一定容网架组合方式。预烘工艺：操作温区85±10℃；烘干时间45±15min；真空30±15Kpa。
6)再生碳纤维短切：开启切断机，将预烘后的再生碳纤维取出，依次连续放置在所述的切断机的进料口进行切断，切断后的短切再生碳纤维经所述的导料槽落入短切收料桶。短切工艺：切断频率120±60次/min，切断长度：3-12MM；
7)短切再生碳纤维二烘：将装满再生碳纤维的短切收料桶送入二烘箱中进行二烘。二烘工艺根据上浆剂品牌不同而不同：对于PI类上浆剂：160-180℃烘60-80min，230-240℃烘20-30min；对于高温PA、PU与聚酚醛类上浆剂：160-180℃烘60-80min；对于普通PP、PU、PA或常规热固上浆剂类，100-120℃烘100-120min。
8)当供浆槽液位低于20％时，返回步骤1)，泵入调配好的上浆剂至供浆槽的液位达到80％，继续后续生产操作至完成生产任务。
9)装置清洗：完成生产任务后，将上浆系统、控浆系统内的所有浆剂泵回供浆槽内；停气动泵，停搅拌，排污管口接临时塑料软管，将供浆槽内的上剂以重力压差，流入原料桶贮存下次回用。将使用后的凹柱网、凸柱网放入上浆系统的上浆槽且向其注水液位至90％，开气动泵建立上浆系统自循环，对凹柱网、凸柱网与上浆槽进行清洗；用少量水淋洗控浆系统③的压浆背板、压浆板、品型夹持钢轴与控浆托盘；完成控浆系统清洗后，清洗水全部泵入供浆槽，建立供浆槽自循环清洗；完成供浆系统清洗后，将清洗污水通过塑料软管或桶排至化污处理池处理。
所述的本发明的主要优点：实现再生碳纤维有序、均匀上浆；上浆再生碳纤维实现标准化连续短切；短切的再生碳纤维具备规则的颗粒形态，颗粒堆积密度满足精确计量与连续喂料条件，打通再生碳纤维应用于CFRTP领域的通道。
附图说明
图1是本发明短切再生碳纤维工业化制备装置图
图2是本发明短切再生碳纤维供浆与上浆工艺流程图
图3是第一定容网架组合(7)的组合结构示意图
图4是第一定容网架变第二定容网架与其固定位置示意图
图5是再生碳纤维控浆工艺流程图
图6是第二定容网架组合变换与控浆原理图
具体实施方式
下面将结合实施例和附图，对本发明的技术方案与使用方法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，都属于本发明保护的范围。
先请参阅图1，图1是本发明短切再生碳纤维工业化制备装置图，由图可见，本发明短切再生碳纤维的工业化制备装置，由依次设置的供浆系统①、上浆系统②、控浆系统③、预烘系统④、短切系统⑤和二烘系统⑥组成；
所述供浆系统①由搅拌器1、供浆槽2和供浆泵3组成：其搅拌器1的搅拌叶处供浆槽2的中下部，为金属叶片式，由变频器调速控制；供浆泵3为碳纤维增强PPS气动泵，位于所述的供浆槽2与上浆槽4之间正中部的地面上，金属螺栓固定于地面。供浆槽2的其底部具有出料管口的阀门5和阀门5.1组成，阀门5.1与供料泵3的进口左侧阀门3.4连接，供料泵的进口右侧与上浆槽、控浆槽底部的排料阀门3.3、阀门12与出口左侧阀门13.1相连；；供浆泵3的出口左侧阀门3.1与供浆槽2顶部回流管口相连接，右侧阀门3.2与上浆槽4内左侧竖立的上浆剂分配管10进口相连接。
所述上浆系统②由第一定容网架组合7、上浆槽4、上浆剂8、再生碳纤维9和上浆剂分配管10组成：其中，第一定容网架组合7由N对凹柱网7.4、凸柱网7.2以凹柱7.3、凸柱7.1逆向契合组成，其中N为4～10；所述的再生碳纤维9被定量、有序地限定在所述的第一定容网架组合7中；所述的第一定容网架组合7以自重水平浸没搁置在所述的上浆槽4底部；所述的上浆剂分配管10位于所述的定容网架组合7的左侧与上浆槽4左侧内壁之间，以上下垂直方式固定在所述的上浆槽4左侧内壁上下焊接的两个支架右端的抱箍内；所述的上浆剂分配管10沿轴向上下均布一排同向喷嘴11，该喷嘴11垂直于所述的上浆槽4的左侧内壁；所述的上浆槽4底部右侧具有排料管口，该排料管口通过阀门12和管路与所述的供料泵3的右侧管口以金属管道法兰连接。
所述控浆系统③由品型夹持钢轴14、压浆板16、第二定容网架组合18、压浆背板19、控浆支架20和控浆托盘13组成：其中，品型夹持钢轴14由一根上卡轴与两根下托轴组成，上卡压轴的左右两端分别以螺栓固定在所述的控浆支架20上顶部左右两侧由外向里的横梁正中部，两个下卡托轴的左右两端分别以螺栓固定在所述的控浆支架20下部左右由外向里的底部横梁上；压浆板16为轻质合金钢材质，其板面尺寸与定容网架端面尺寸、形状相同，其压浆动力由压缩空气驱动，压缩空气高压软管分别与压浆板正中、上部的密封短节17与正下部的密封短节15以金属快接头相连接；压浆背板19的右侧面上、中、下部分别焊接在所述的控浆支架20的右侧上、中、下横梁中部。所述的压浆板16在压缩空气驱动下，由左向右移动，挤压第二定容网架组合18中上浆后的再生碳纤维；挤出的上浆剂21落入控浆支架20底部的控浆托盘13中，该控浆托盘13的底部管道与供浆泵3的管道法兰3.3相连接。
所述预烘系统④由真空负压烘箱23、第一定容网架组合22与压浆后的碳纤维构成，其中：真空烘箱23排出的气体与水份经排空管道23.1通向室外，高空排放；真空负压烘箱23的四脚移动滑轮均带刷车装置。
所述短切系统⑤由切断机26、短切收料桶30和PC防尘罩25、预烘再生碳纤维27组成。预烘再生碳纤维27短切过程中产生的粉尘由PC防尘罩25顶部的吸风管(25.1)进入粉尘收集系统。
所述二烘系统⑥由热风烘干机31、短切再生碳纤维32组成。二烘过程中产生的水汽由热风烘干机31顶部的排汽管31.1室外高空排放；热风烘干机31的四脚移动滑轮均带刷车装置。
所述预烘系统④、短切系统⑤和二烘系统⑥的排气(汽)、排粉尘管道采用带碳纤维增强塑料法兰的碳纤维增强塑料软管，连接方式为碳纤维增强塑料螺栓螺母与碳纤维增强热塑性弹性体密封垫坚固。
利用上述短切再生碳纤维的工业化制备装置对再生碳纤维的处理方法，其特点在于：该方法包括下列步骤：
1)上浆剂就位：关闭所述的所述的供浆槽2的底部阀5、供浆泵3右侧阀门(3.3)、(3.2)，打开阀门(5.1)、(3.1)，启动所述的供浆泵3将所述的上浆剂(8)经阀门(5.1)、(3.4)、(3.1)泵入所述的供浆槽2贮存，当泵入所述的供浆槽(2)的上浆剂(8)的液位得到80％后，关闭阀门(5.1)打开阀门(5)，建立供浆槽2自循环，打开所述的搅拌器1，变频调整开度50％，保持上浆剂8组份均匀。
2)再生碳纤维组合安装：由N对含有定量的待上浆的再生碳纤维9的凹柱网7.4、凸柱网7.2以对应的凹柱7.3、凸柱7.1并以所述的凹柱网7.4以AB轴水平翻转180度后契合组成第一定容网架组合7，将所述的第一定容网架组合7移至所述的上浆槽4内，两者底部相触但不固定，其中N为4～10。
3)第一定容网架组合7的再生碳纤维批次上浆：打开阀门3.2，关闭阀门3.1，将所述的供浆槽2内的上浆剂8经供浆泵3、上浆剂分配管10的同向喷嘴11，垂直于所述的上浆槽4左侧内壁后碰撞，湍流混合后，经反向动力变成层流，水平地进入所述的第一定容网架组合7，浸润再生碳纤维，当上浆槽4的液位达到80％时，关闭所述的气动泵阀门3.4、打开上浆槽4底部阀门12、气动泵阀门3.3，建立所述上浆槽4的上浆剂自循环。上浆工艺：上浆槽4浸渍时间60±15秒，取出完成浸渍后的第一定容网架组合7，按前述操作，进入下一批次第一定容网架组合7上浆。当上浆槽4的液位接近降到第一定容网架组合7顶部时，开启气动泵阀门3.4，补充上浆槽4的液位至80％时关气动泵阀门3.4。
4)再生碳纤维控浆：从所述的上浆槽4取出所述的第一定容网架组合7水平放置于控浆系统③的品型夹持钢轴14的底部水平钢轴上，将每只凹柱网7.4水平旋转180度，重新组合成第二定容网架组合18，由右侧的压浆背板19开始，依次向压浆板16方向，两固定口向下，对正竖立于所述的品型夹持钢轴14上至接近压浆板16的右侧面；逐步开启开大压缩空气，压力控制在0.20--0.6Mpa。所述的压浆板16在压缩空气驱动下，向右移动，在压浆背板19的背压下，挤压第二定容网架组合18中的上浆再生碳纤维，此时凹柱网7.4、凸柱网7.2的间距由2a向1a移动，挤压时间为80-120秒；挤出的上浆剂21落入所述的控浆支架20底部下的控浆托盘13中，开控浆托盘13底部阀门13.1，将所述的上浆剂21再经供浆泵3泵入所述的上浆槽4中。停压缩空气，将完成控浆的第二定容网架组合18单元依次取出并转运至再生碳纤维预烘工序预烘后，按前述操作，进入下一批次上浆后的第一定容网架组合7控浆。
5)再生碳纤维预烘：将所述的第二定容网架组合18恢复至第一定容网架组合7方式。预烘工艺：操作温区85±10℃；烘干时间45±15min；真空30±15Kpa。
6)再生碳纤维短切：开启切断机26，将预烘后的再生碳纤维取出，依次连续放置在所述的切断机26的进料口进行切断，切断后的短切再生碳纤维29经所述的导料槽落入短切收料桶30。短切工艺：切断频率120±60次/min，切断长度：1-12MM；
7)短切再生碳纤维二烘：将装满再生碳纤维的短切收料桶30送入二烘箱31中进行二烘。
8)当供浆槽2液位低于20％时，返回步骤1)，泵入调配好的上浆剂至供浆槽2的液位达到80％后，继续后续生产操作至完成生产任务。
9)装置清洗：完成生产任务后，关闭阀门3.2，打开阀门3.1，将上浆系统②、控浆系统③内的所有浆剂泵回供浆槽2内；停气动泵3，停搅拌1，阀门5.1排污管口接临时塑料软管，将供浆槽2内的上剂以重力压差，流入原料桶贮存下次回用。关阀门13.1、(3.1)，开阀门(3.2)，并将使用后的凹柱网、凸柱网放入上浆系统②的上浆槽(4)，且向其注水液位至90％，开气动泵(3)建立上浆系统②自循环，对凹柱网、凸柱网与上浆槽4进行清洗；完成上浆系统②清洗后，关阀门(3.2)，开阀门(3.1)，将上浆槽(4)清洗水全部泵入供浆槽(2)内，关阀门(12)，开阀门(13.1)用少量水淋洗控浆系统③的压浆背板19的左侧面、压浆板(16)右侧面、品型夹持钢轴(14)与控浆托盘(13)；完成控浆系统③清洗后，清洗水全部泵入供浆槽(2)内后，关阀门(13.1)、(3.3)，开阀门(3.4)与搅拌(1)，建立供浆槽(2)自循环清洗；完成供浆系统①清洗后，停气动泵(3)与搅拌(1)，开阀门(5.1)，将清洗污水通过塑料软管或桶排至化污处理池后，关闭所有阀门。
本发明短切再生碳纤维的工业化制备装置的每一系统的主要结构功能，结合短切再生碳纤维的工业化制备方法，进一步说明如下：
供浆系统①及其使用方法：所述系统见由带搅拌器1的供浆槽2与供浆泵3组成，参见图2左边，其搅拌器1的搅拌叶处供浆槽2的中下部，为金属叶片式，由变频器调速控制；供浆槽2的其底部具有出料管口的阀门5和阀门(5.1)组成，阀门(5.1)与供料泵3的进口左侧阀门3.4连接，供料泵的进口右侧与上浆槽、控浆槽底部的排料阀门(3.3)、(12)与(13.1)相连；供浆泵3的出口左侧阀门3.1与供浆槽2顶部回流管口相连接，右侧阀门3.2与上浆槽4内左侧竖立的上浆剂分配管10进口相连接。
上浆系统②及其使用方法：所述系统由上浆槽4、上浆剂8、第一定容网架组合7、再生碳纤维9、上浆剂分配管10组成，上浆系统见附图2右边，第一定容网架组合7见图3由N对凹柱网7.4、凸柱网7.2以凹柱7.3、凸柱7.1逆向契合组成，其中N为4～10；所述的再生碳纤维9被定量、有序地限定在所述的第一定容网架组合7中；所述的第一定容网架组合7以自重水平浸没搁置在所述的上浆槽4底部；所述的上浆剂分配管(10)位于所述的定容网架组合7的左侧与上浆槽4左侧内壁之间，以上下垂直方式固定在所述的上浆槽4左侧内壁上下焊接的两个支架右端的抱箍内；所述的上浆剂分配管10沿轴向上下均布一排同向喷嘴11，该喷嘴11垂直于所述的上浆槽4的左侧内壁；所述的上浆槽4底部右侧具有排料管口，该排料管口通过阀门12和管路与所述的供料泵3的右侧管口以金属管道法兰连接。
生产过程中，室温条件下，供浆泵3向其右侧上浆槽4供浆，上浆剂8经一列上浆剂分配管(10)的左向喷嘴喷11向上浆槽4的左侧内壁后减少冲击力，反向水平流经第一定容网架组合7中的每层再生碳纤维后，再经上浆槽4底部右侧的排料管口12、供浆泵3自循环60±15秒。再生碳纤维9在第一定容网架组合7内均匀定量上浆。
控浆系统③及其使用方法：所述系统由品型夹持钢轴14、压浆板16、第二定容网架组合18、压浆背板19、控浆支架20和控浆托盘13组成：其中，品型夹持钢轴14由一根上卡轴与两根下托轴组成，上卡压轴的左右两端分别以螺栓固定在所述的控浆支架20上顶部左右两侧由外向里的横梁正中部，两个下卡托轴的左右两端分别以螺栓固定在所述的控浆支架20下部左右由外向里的底部横梁上；压浆板16为轻质合金钢材质，其板面尺寸与定容网架端面尺寸、形状相同，其压浆动力由压缩空气驱动，压缩空气高压软管分别与压浆板正中、上部的密封短节17与正下部的密封短节15以金属快接头相连接；压浆背板19的右侧面上、中、下部分别焊接在所述的控浆支架20的右侧上、中、下横梁中部。所述的压浆板16在压缩空气驱动下，由左向右移动，挤压第二定容网架组合18中上浆后的再生碳纤维；挤出的上浆剂21落入控浆支架20底部的控浆托盘13中，该控浆托盘13的底部管道与供浆泵3的管道法兰3.3相连接。
完成上浆后，从上浆槽4取出第一定容网架组合7，每只凹柱网水平旋转1800度，按图4重新组合成第二定容网架组合18竖立置于品型夹持钢轴14上和压浆板16、压浆背板19之间，见图5。开启压缩空气，压力控制在0.10～0.20Mpa，压浆板16在压缩空气驱动下，向右移动，在压浆背板19背压下，挤压第二定容网架组合18中上浆的再生碳纤维；挤出的上浆剂8落入控浆支架底部20的控浆托盘13，上浆剂8再经供浆泵3泵入上浆槽4中。
预烘系统④及其使用方法：预烘系统由低温真空烘箱23与内部水平放置的完成控浆后的第二定容网架组合18两部分组成。其中，第二定容网架组合18的组合方式恢复至第一定容网架组合7的组合方式，以增大烘干面积，提高烘干效率。预烘工艺：操作温区85±10℃；烘干时间45±15min；真空30±15Kpa。
⑤短切系统及其使用方法：短切系统由再生碳纤维27、切断机26、短切收料桶30、防尘罩25(材质：PC)组成，其中，切断方式为铡刀式，刀口材质为R:CrMo steel,铬钼粉末冶金，加硬或YNG151增强陶瓷。收料桶材质为304.
短切工艺：连续切断，切断频率120±60次/min，切断长度：3-12MM。
⑥二烘系统及其使用方法：二烘由高温烘箱与预烘短切收料桶组成。二烘工艺根据上浆剂品牌不同而不同。对于PI类上浆剂：160-180℃烘60-80min，230-240℃烘20-30min；对于高温PA、PU与聚酚醛类上浆剂：160-180℃烘60-80min；对于普通PP、PU、PA或常规热固上浆剂类，100-120℃烘100-120min。
实施例1
采用本发明的短切再生碳纤维工业化制备装置及其使用方法，其组成包括：供浆①上浆②控浆③预烘④短切⑤二烘⑥共六部分组成(见图1)。为便于装置操作与效果对比，以5组1000克定容(或定型定量)网架再生碳纤维依序进行热塑性5.5％PI上浆剂上浆、控浆、预烘、短切与二烘，形成再生碳纤维成品，并以成品的颗粒均匀性、上浆均匀性、堆积密度(0.55g/cm3)与连续计量性能评价实施效果。
实施步骤如下：
1)上浆剂就位：见图2，以供浆泵(3)将5.5％PI经阀门5.1泵入供浆槽(2)贮存，至液位80％后关阀门5.1，建立供浆槽(2)自循环，打开搅拌器1，变频调整开度50％，保持上浆剂组份均匀。
2)再生碳纤维定容、组合安装：以5组2000克/组定容(或定型定量)网架共10公斤再生碳纤维重新组装成10组1000克/组组合(定义为第一定容型网架7，以下同)，第一定容型网架7由10对含有再生碳纤维的凹柱网7.4、凸柱网(7.2)以对应的凹柱7.3、凸柱7.1契合组成(见图3，凹柱网7.4以AB轴翻转180度)组合；再生碳纤维9被第一定容型网架7限制上浆过程中的空间。第一定容型网架7移至上浆槽4内，两者底部相触但不固定。
3)第一定容型网架7上浆：上浆流程见图2。通过所述的供浆泵3将所述的供浆槽2的上浆剂自循环切向所述的上浆槽4，使上浆剂浸没所述的第一定容型网架7，当上浆槽4的液位80％时，停止加料，上浆槽4的底部右侧的排料管口12与供料泵进口6三通右侧管口以第三金属管道法兰连接；供浆泵3的出口与上浆剂分配管进口10以第二金属管道法兰连接；建立上浆槽4的自循环。上浆剂8经上浆剂分配管10同向喷嘴11，垂直于上浆槽4左侧内壁后碰撞，湍流混合后，经反向动力变成层流，水平进入第一定容型网架7，浸润再生碳纤维。
4)第二定容网架组合16定容、组合安装：定容组合与控浆流程分别见图4，图5。从上浆槽4取出定容网架7，每只凹柱网水平旋转180度，按图4重新组合成第二定容网架组合，置于品型夹持钢轴14上与压浆板16、压浆背板19之间。开启压缩空气，压力控制在0.20Mpa，压浆板16在压缩空气17驱动下，向右移动，在压浆背板19的背压下，挤压第二定容网架组合18中的上浆再生碳维，此时凹柱网7.4、凸柱网7.2的间距由2a向1a移动，见图6。挤压时间为80秒；挤出的上浆剂策略落入控浆支架20底部的控浆托盘13，上浆剂21再经供浆泵3泵入上浆槽4中。
5)上浆再生碳纤维预烘：将第二定容网架组合18恢复至第一定容网架组合7，以增大烘干面积，提高烘干效率。预烘工艺：操作温区95℃；烘干时间60min；真空25Kpa。
6)预烘再生碳纤维短切：开启切断机26，将预烘后的再生碳纤维取出，依次连续放置切断机进料口进行切断，切断后的短切碳纤维(29)经导料槽落入短切收料桶30。短切工艺：连续切断，切断频率180次/min，切断长度：6MM。
7)短切再生碳纤维二烘：将装满短切碳纤维29的短切收料桶30送入二烘箱中，因为PI类上浆剂，烘干工艺设定为：180℃烘60min，235℃烘30min。
8)成品质量考察：对二烘的短切再生碳纤维的颗粒均匀性、上浆率均匀性、堆积密度与短切再生碳纤维双螺杆连续计量性能地测试，结果见效果对比表实施例1试验结果。
实施例2～实施例7
采用本发明的短切再生碳纤维工业化制备装置与操作方法。为便于装置操作与效果对比，均以5组1000克定容(或定型定量)网架再生碳纤维依序进行热塑性PI上浆剂上浆、控浆、预烘、短切、二烘与双螺杆计量，每一个新实施例在实施例1基础上只改变一个条件，具体见效果对比表试验条件。以成品的颗粒均匀性、上浆均匀性、堆积密度与连续计量性能评价实施效果见效果对比表对应的试验结果。
实施例8～实施例11
采用本发明的短切再生碳纤维工业化制备装置与操作方法。为便于装置操作与效果对比，均以5组1000克定容(或定型定量)网架再生碳纤维依序进行热塑热固性上浆剂上浆、控浆、预烘、短切、二烘与双螺杆计量，每个品种在实施例均采用实施例7条件，具体见效果对比表试验条件。以成品的颗粒均匀性、上浆均匀性、堆积密度与连续计量性能评价实施效果见效果对比表对应的试验结果。
对比例1～对比例6
采用本发明的短切再生碳纤维工业化制备装置与操作方法。为便于装置操作与效果对比，均以5组1000克定容(或定型定量)网架再生碳纤维依序进行热塑、热固性上浆剂上浆、控浆、预烘、短切、二烘与双螺杆计量，每一个对比例在实施例7基础上偏移实施例一个条件，具体见效果对比表试验条件。以成品的颗粒均匀性、上浆均匀性、堆积密度与连续计量性能评价实施效果见效果对比表对应的试验结果。
综上比较可见，采用本公开的短切再生碳纤维工业化制备装置及其使用方法，不论是热塑性上浆剂、热固性上浆剂还是复合上浆剂，所制备的短切RCF，均获得良好的颗粒与上浆均匀性、堆积密度与连续精确计量性，为RCF在RCFTP领域的应用开辟了途径。且本发明生产效率高，操作简便与安全环保，适用于热塑、热固性上浆剂短切再生碳纤维工业化制备。
表1.实施例效果对比表
注：√：合格；√√：良；√√√：优；×：不合格；××：差；×××：很差。
Claims (4)
1.一种短切再生碳纤维的工业化制备装置，其特征在于该装置由依次设置的供浆系统①、上浆系统②、控浆系统③、预烘系统④、短切系统⑤和二烘系统⑥组成，其中：所述的供浆系统①、上浆系统②、控浆系统③处于一个空间，以工业设备工艺流程依次由左向右由金属地脚螺栓固定于水平地面，间隔2-3米；预烘系统④与二烘系统⑥可以移动，依生产规模与生产节奏可处控浆系统③的右侧，按工艺流程左右布置，通过各自的移动辊刷车片锁定于水平地面，相距2-3米，也可移至专门的烘干功能空间(如烘干试验室等)，两设备左右搁置，相距1-2米；而短切系统⑤处于独立且带排尘装置的碳纤维切断空间，由金属地脚螺栓固定于水平地面。
所述供浆系统①由搅拌器(1)、供浆槽(2)和供浆泵(3)组成：其搅拌器(1)的搅拌叶处供浆槽(2)的中下部，为金属叶片式，由变频器调速控制；供浆泵(3)为碳纤维增强PPS气动泵，位于所述的供浆槽(2)与上浆槽(4)之间正中部的地面上，金属螺栓固定于地面。供浆槽(2)的其底部具有出料管口的阀门(5)和阀门(5.1)组成，阀门(5.1)与供料泵(3)的进口左侧阀门(3.4)连接，供料泵的进口右侧与上浆槽、控浆槽底部的排料阀门(3.3)、(12)与(13.1)相连；；供浆泵(3)的出口左侧阀门(3.1)与供浆槽(2)顶部回流管口相连接，右侧阀门(3.2)与上浆槽(4)内左侧竖立的上浆剂分配管(10)进口相连接。
所述上浆系统②由第一定容网架组合(7)、上浆槽(4)、上浆剂(8)、再生碳纤维(9)和上浆剂分配管(10)组成：其中，第一定容网架组合(7)由N对凹柱网(7.4)、凸柱网(7.2)以凹柱(7.3)、凸柱(7.1)逆向契合组成，其中N为4～10；所述的再生碳纤维(9)被定量、有序地限定在所述的第一定容网架组合(7)中；所述的第一定容网架组合(7)以自重水平浸没搁置在所述的上浆槽(4)底部；所述的上浆剂分配管(10)位于所述的定容网架组合(7)的左侧与上浆槽(4)左侧内壁之间，以上下垂直方式固定在所述的上浆槽(4)左侧内壁上下焊接的两个支架右端的抱箍内；所述的上浆剂分配管(10)沿轴向上下均布一排同向喷嘴(11)，该喷嘴(11)垂直于所述的上浆槽(4)的左侧内壁；所述的上浆槽(4)底部右侧具有排料管口，该排料管口通过阀门(12)和管路与所述的供料泵(3)的右侧管口以金属管道法兰连接。
所述控浆系统③由品型夹持钢轴(14)、压浆板(16)、第二定容网架组合(18)、压浆背板(19)、控浆支架(20)和控浆托盘(13)组成：其中，品型夹持钢轴(14)由一根上卡轴与两根下托轴组成，上卡压轴的左右两端分别以螺栓固定在所述的控浆支架(20)上顶部左右两侧由外向里的横梁正中部，两个下卡托轴的左右两端分别以螺栓固定在所述的控浆支架(20)下部左右由外向里的底部横梁上；压浆板(16)为轻质合金钢材质，其板面尺寸与定容网架端面尺寸、形状相同，其压浆动力由压缩空气驱动，压缩空气高压软管分别与压浆板正中、上部的密封短节(17)与正下部的密封短节(15以金属快接头相连接；压浆背板(19)的右侧面上、中、下部分别焊接在所述的控浆支架(20)的右侧上、中、下横梁中部。所述的压浆板(16)在压缩空气(17)驱动下，由左向右移动，挤压第二定容网架组合(18)中上浆后的再生碳纤维；挤出的上浆剂(21)落入控浆支架(20)底部的控浆托盘(13)中，该控浆托盘(13)的底部管道与供浆泵(3)的管道法兰(3.3)相连接。
所述预烘系统④由真空负压烘箱(23)、第一定容网架组合(22)与压浆后的碳纤维构成，其中：真空烘箱(23)排出的气体与水份经排空管道(23.1)通向室外，高空排放；真空负压烘箱(23)的四脚移动滑轮均带刷车装置。
所述短切系统⑤由切断机(26)、短切收料桶(30)和PC防尘罩(25)、预烘再生碳纤维(27)组成。预烘再生碳纤维(27)短切过程中产生的粉尘由PC防尘罩(25)顶部的吸风管(25.1)进入粉尘收集系统。
所述二烘系统⑥由热风烘干机(31)、短切再生碳纤维(32)组成。二烘过程中产生的水汽由热风烘干机(31)顶部的排汽管(31.1)室外高空排放；热风烘干机(31)的四脚移动滑轮均带刷车装置。
所述预烘系统④、短切系统⑤和二烘系统⑥的排气(汽)、排粉尘管道采用带碳纤维增强塑料法兰的碳纤维增强塑料软管，连接方式为碳纤维增强塑料螺栓螺母与碳纤维增强热塑性弹性体密封垫坚固。
2.利用权利要求1所述的短切再生碳纤维的工业化制备装置对再生碳纤维的制备方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：
1)上浆剂就位：关闭所述的所述的供浆槽(2)的底部阀(5)、供浆泵(3)右侧阀门(3.3)、(3.2)，打开阀门(5.1)、(3.1)，启动所述的供浆泵(3)将所述的上浆剂(8)经阀门(5.1)、(3.4)、(3.1)泵入所述的供浆槽(2)贮存，当泵入所述的供浆槽(2)的上浆剂(8)的液位得到80％后，关闭阀门(5.1)打开阀门(5)，建立供浆槽(2)自循环，打开所述的搅拌器(1)，变频调整开度50％，保持上浆剂(8)组份均匀。
2)再生碳纤维组合安装：由N对含有定量的待上浆的再生碳纤维(9)的凹柱网(7.4)、凸柱网(7.2)以对应的(7.3)凹柱、(7.1)凸柱并以所述的凹柱网(7.4)以AB轴水平翻转180度后契合组成第一定容网架组合(7)，将所述的第一定容网架组合(7)移至所述的上浆槽(4)内，两者底部相触但不固定，其中N为4～10。
3)第一定容网架组合(7)的再生碳纤维批次上浆：打开阀门(3.2)，关闭阀门(3.1)，将所述的供浆槽(2)内的上浆剂(8)经供浆泵(3)、上浆剂分配管(10)的同向喷嘴(11)，垂直于所述的上浆槽(4)左侧内壁后碰撞，湍流混合后，经反向动力变成层流，水平地进入所述的第一定容网架组合(7)，浸润再生碳纤维，当上浆槽(4)的液位达到80％时，关闭所述的气动泵阀门(3.4)、打开上浆槽(4)底部阀门(12)、气动泵阀门(3.3)，建立所述上浆槽(4)的上浆剂自循环。上浆工艺：上浆槽(4)浸渍时间60±15秒，取出完成浸渍后的第一定容网架组合(7)，按前述操作，进入下一批次第一定容网架组合(7)上浆。当上浆槽(4)的液位接近降到第一定容网架组合(7)顶部时，开启气动泵阀门(3.4)，补充上浆槽(4)的液位至80％时关气动泵阀门(3.4)。
4)再生碳纤维控浆：从所述的上浆槽(4)取出所述的第一定容网架组合(7)水平放置于控浆系统③的品型夹持钢轴(14)的底部水平钢轴上，将每只凹柱网(7.4)水平旋转180度，重新组合成第二定容网架组合(18)，由右侧的压浆背板(19)开始，依次向压浆板16方向，两固定口向下，对正竖立于所述的品型夹持钢轴(14)上至接近压浆板16的右侧面；逐步开启开大压缩空气，压力控制在0.20--0.6Mpa。所述的压浆板(16)在压缩空气驱动下，向右移动，在压浆背板19的背压下，挤压第二定容网架组合(18)中的上浆再生碳纤维，此时凹柱网(7.4)、凸柱网(7.2)的间距由2a向1a移动，挤压时间为80-120秒；挤出的上浆剂(21)落入所述的控浆支架(20)底部下的控浆托盘(13)中，开控浆托盘(13)底部阀门(13.1)，将所述的上浆剂(21)再经供浆泵(3)泵入所述的上浆槽(4)中。停压缩空气，将完成控浆的第二定容网架组合(18)单元依次取出并转运至再生碳纤维预烘工序预烘后，按前述操作，进入下一批次上浆后的第一定容网架组合(7)控浆。
5)再生碳纤维预烘：将所述的第二定容网架组合(18)恢复至第一定容网架组合(7)方式。预烘工艺：操作温区85±10℃；烘干时间45±15min；真空30±15Kpa。
6)再生碳纤维短切：开启切断机(26)，将预烘后的再生碳纤维取出，依次连续放置在所述的切断机(26)的进料口进行切断，切断后的短切再生碳纤维(29)经所述的导料槽落入短切收料桶(30)。短切工艺：切断频率120±60次/min，切断长度：1-12MM；
7)短切再生碳纤维二烘：将装满再生碳纤维的短切收料桶(30)送入二烘箱(31)中进行二烘。
8)当供浆槽(2)液位低于20％时，返回步骤1)，泵入调配好的上浆剂至供浆槽(2)的液位达到80％后，继续后续生产操作至完成生产任务。
9)装置清洗：完成生产任务后，关闭阀门(3.2)，打开阀门(3.1)，将上浆系统②、控浆系统③内的所有浆剂泵回供浆槽(2)内；停气动泵(3)，停搅拌(1)，阀门(5.1)排污管口接临时塑料软管，将供浆槽(2)内的上剂以重力压差，流入原料桶贮存下次回用。关阀门(13.1)、(3.1)，开阀门(3.2)，并将使用后的凹柱网、凸柱网放入上浆系统②的上浆槽(4)，且向其注水液位至90％，开气动泵(3)建立上浆系统②自循环，对凹柱网、凸柱网与上浆槽(4)进行清洗；完成上浆系统②清洗后，关阀门(3.2)，开阀门(3.1)，将上浆槽(4)清洗水全部泵入供浆槽(2)内，关阀门(12)，开阀门(13.1)用少量水淋洗控浆系统③的压浆背板19的左侧面、压浆板(16)右侧面、品型夹持钢轴(14)与控浆托盘(13)；完成控浆系统③清洗后，清洗水全部泵入供浆槽(2)内后，关阀门(13.1)、(3.3)，开阀门(3.4)与搅拌(1)，建立供浆槽(2)自循环清洗；完成供浆系统①清洗后，停气动泵(3)与搅拌(1)，开阀门(5.1)，将清洗污水通过塑料软管或桶排至化污处理池后，关闭所有阀门。
3.根据权利要求2所述的短切再生碳纤维的制备方法，其特征在于：所述的上浆剂包括PI、PA、PU与聚酚醛类高温上浆剂：普通PP、PU、PA或常规热固上浆剂。
4.根据权利要求2所述的短切再生碳纤维的制备方法，其特征在于：所述的二烘工艺根据上浆剂品牌不同而不同：对于PI类上浆剂：160-180℃烘60-80min，230-240℃烘20-30min；对于高温PA、PU与聚酚醛类上浆剂：160-180℃烘60-80min；对于普通PP、PU、PA或常规热固上浆剂类，100-120℃烘100-120min。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN115404697A (zh) * | 2022-11-02 | 2022-11-29 | 常州市宏发纵横新材料科技股份有限公司 | 一种热塑用短切碳纤维的生产方法及装置 |
| CN115772753A (zh) * | 2022-12-21 | 2023-03-10 | 江苏先诺新材料科技有限公司 | 一种聚酰亚胺纤维生产用针对纤维表面处理装置 |
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2020
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