CN114808156A - 一种连续陶瓷长丝规模化生产系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续陶瓷长丝规模化生产系统，包括沿生产方向依次设置的：陶瓷前驱体溶胶制备装置，包括双层反应釜、向双层反应釜中输送酸性介质的酸性介质储存组件、用于调整双层反应釜的加压设备、用于调整双层反应釜温度的高低温单元；连续杂化凝胶长丝成型设备包括与所述双层反应釜的出料口的计量泵、与所述计量泵连接的缓冲腔体、与缓冲腔体连接的甬道，所述甬道上通过管路分别连接有雾化器和负压机；连续杂化凝胶长丝的陶瓷化设备包括依次连接的干燥装置、预烧装置、终烧装置。与现有技术相比，本发明解决了配胶、纺丝以及陶瓷化过程的品质问题，实现了连续化的制备连续陶瓷长丝。

Description

一种连续陶瓷长丝规模化生产系统

技术领域

本发明涉及陶瓷长丝生产领域，尤其是涉及一种连续陶瓷长丝规模化生产系统。

背景技术

陶瓷纤维与传统高分子纤维相比具有高熔点、耐高温、高强度、高模量等特性，因此陶瓷纤维迅速成为耐高温材料领域中的研究热点。陶瓷纤维可分为长丝、短纤和晶须。短纤通常用作高温绝热材料；晶须则具有一些特殊光学、电学和磁学特性，可以作为功能材料使用。而与短纤相比，连续陶瓷长丝不仅具有短纤耐高温、耐腐蚀等的优异性能，而且还能纺纱和三维编织制成预制体，在复合材料中用作增强体，是良好的高温隔热耐火材料和结构增强材料，市场对连续陶瓷长丝的需求逐年增加。

连续陶瓷长丝的制备包括可纺性前驱体陶瓷溶胶的制备、杂化凝胶长丝的成型以及凝胶长丝的陶瓷化等过程。无机盐和有机金属醇盐通过水解、缩聚、浓缩等步骤获得可纺性凝胶纤维，随后利用纺丝泵将纺丝液连续的、均匀的从喷丝头挤出，纺丝细流垂直进入甬道，并在热空气中固化形成丝条，丝条经过拉伸细化形成初生长丝，最后杂化凝胶纤维经过高温煅烧获得连续陶瓷长丝。整个连续陶瓷长丝生产过程复杂，控制因素多且难以控制阻碍了连续陶瓷长丝的连续化生产。

专利CN201611154343.9公开一种陶瓷纳米纤维及其制备方法和设备，该方法包括前驱体溶胶的可控制备，采用气流法获得凝胶纤维，最后对该纤维进行烧结获得陶瓷纳米纤维。然而，该方法采用气流法获得短纤维，无法得到连续长丝，同时该设备不连续，无法规模化生产。专利CN1206397C公开一种氧化锆连续纤维制备方法及设备，该方法利用锆源溶于甲醇中获得可纺性纺丝液，利用干法纺丝获得连续前驱体纤维，热处理烧结获得氧化锆连续纤维，该方法虽可获得连续长度可达千米的纤维，但是前驱体溶胶制备、氧化锆凝胶纤维制备以及高温煅烧分别在三个对应的设备中进行，整个工艺不连续。

因此，亟需开发可规模化的可纺性溶胶制备、干法纺丝稳定成纤以及凝胶长丝的连续化煅烧等一体化连续陶瓷纤维生产设备，以实现持续、稳定、高效地高强高模连续陶瓷纤维规模化制备。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种连续陶瓷长丝规模化生产系统，解决上述配胶、纺丝以及陶瓷化过程的品质问题，以实现连续化的制备连续陶瓷长丝。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的目的是保护一种连续陶瓷长丝规模化生产系统，包括沿生产方向依次设置的：

陶瓷前驱体溶胶制备装置，包括双层反应釜、向双层反应釜中输送酸性介质的酸性介质储存组件、用于调整双层反应釜的加压设备、用于调整双层反应釜温度的高低温单元；

连续杂化凝胶长丝成型设备：包括与所述双层反应釜的出料口的计量泵、与所述计量泵连接的缓冲腔体、与缓冲腔体连接的甬道，所述甬道上通过管路分别连接有雾化器和负压机，所述甬道的输入端设有三阶式结构的喷丝板，且在喷丝板的每阶上均设有喷丝孔，缓冲腔体中可纺性前驱体溶胶经过喷丝板在甬道中形成长丝，所述甬道内部沿长度方向设有多段式温湿度控制装置；

连续杂化凝胶长丝的陶瓷化设备，包括依次连接的干燥装置、预烧装置、终烧装置，以及设于干燥装置和预烧装置之间、预烧装置和终烧装置之间、干燥装置输入端、终烧装置的输出端的传输装置，所述干燥装置与所述甬道的输出端连接。

进一步地，所述双层反应釜包括双层反应釜内层和双层反应釜外层，所述双层反应釜内层中设有超声单元、喷气板和搅拌单元；

进一步地，所述酸性介质储存组件，通过管路与所述喷气板连接，能够向双层反应釜内层输出酸性介质。

进一步地，所述加压设备通过管路与所述双层反应釜内层连接，以此给予双层反应釜内层中可纺性陶瓷前驱体溶胶压力，促进可纺性陶瓷前驱体溶胶挤出；

进一步地，陶瓷前驱体溶胶制备装置还包括冷凝管，所述冷凝管通过管路与所述双层反应釜内层连接，高低温单元通过管路与所述双层反应釜外层连接，实现双层反应釜的温度控制。

进一步地，可纺性前驱体溶胶自所述计量泵的输入端进入并泵入缓冲腔体中；

进一步地，所述缓冲腔体的输入端设有过滤器，所述缓冲腔体的输出端与所述甬道的输入端连接；

进一步地，所述缓冲腔体上连接有压力输出单元。压力输出单元为氮气瓶，所述氮气瓶通过氮气管路与缓冲腔体连接；

进一步地，所述氮气管路上有压力阀，通过控制压力阀来控制可纺性前驱体溶胶在喷丝板处的挤出速度，其中氮气加压的压力为0.5～1MPa，可纺性前驱体溶胶的挤出速度为20-350m/min。

进一步地，所述缓冲腔体内部由五级流道截面依次光滑连接而成，且二级截面流道、三级截面流道、四级截面流道、五级流道截面的平均直径依次减小；

其中一级截面流道的长度0.5～1cm，宽度为10～20cm；

二级截面流道的长度4～8cm，宽度为10～20cm；

三级截面流道的长度1～3cm，宽度为10～20cm；

四级截面流道的长度1～3cm，宽度为5～10cm；

五级流道截面的长度0.5～2cm，宽度为3～8cm。

进一步地，所述喷丝板为自外圈至中心的逐级升高的三阶结构，且相邻两阶之间通过1/4圆弧面过渡连接，且喷丝板凸出的一侧为可纺性前驱体溶胶输入侧，喷丝板凹陷的一侧为可纺性前驱体溶胶输出侧。

进一步地，所述干燥装置包括干燥箱以及设于干燥箱内的多个支撑辊和加热源，连续凝胶长丝自所述干燥装置输入，以此去除连续凝胶长丝内部残留的自由水，同时使高分子链之间进行热交联，增加连续凝胶长丝的强度；

所述预烧装置包括依次连接的第一预烧区、第二预烧区，所述第一预烧区、第二预烧区上均设有吹风组件，第一预烧区、第二预烧区逐步除去连续凝胶长丝内部的结合水和有机物；

所述第一预烧区的工作温度为200～500℃，第二预烧区的工作温度为400～700℃。

进一步地，所述终烧装置包括依次连接的晶型转变区、第一降温区和第二降温区，晶型转变区使得连续凝胶长丝内各组分发生原子间的重排而结晶，第一降温区和第二降温区依次降温以此防止连续凝胶长丝从高温到室温发生脆化；

所述晶型转变区、第一降温区、第二降温区的长度比a:a+(0.5～1):a+(1～1.5)，a>0.5m；

所述晶型转变区的温度为1000～1600℃，第一降温区的温度为900～600℃，第二降温区10的温度为500～200℃。

进一步地，所述传输装置包括第一五辊牵伸机、第二五辊牵伸机、第三五辊牵伸机、第四五辊牵伸机；

所述第一五辊牵伸机、第二五辊牵伸机分别设于干燥箱的输入端和输出端；

第三五辊牵伸机、第四五辊牵伸机分别设于预烧装置的输入端和输出端；

所述传输装置还包括第一二辊、第二二辊、第三二辊；

所述第一二辊设于第一五辊牵伸机的输入端；

所述第二二辊设于第二五辊牵伸机和第三五辊牵伸机之间；

所述第三二辊设于第四五辊牵伸机与终烧装置之间；

所述传输装置还包括转向辊和卷绕辊，转向辊和卷绕辊依次设于所述预烧装置输出端一侧。

本发明的具体机理如下：

原料加入到双层反应釜内层后，在双搅拌杆的搅拌和超声的作用下，保证原料之间搅拌充分、混合均匀。

通过监测面板显示的pH值，判断是否输送酸性介质气体，从而维持体系pH值稳定在金属醇盐的零电位点附近。保证pH值稳定在金属醇盐的零电位点附近的目的：此时缩聚反应速率最小，体系中先主要进行水解反应，等到体系由不透明变为半透明时，调节pH值使缩聚反应速率增大。

因此，体系中先主要进行水解反应，再主要进行缩聚反应，从而来保证胶粒粒径均一。

然后，利用高低温单元对双层反应釜内层进行加热，并利用冷凝管和循环冷却组件进行冷却回流，冷凝液体出口与接收口相连，保证冷却后的液体流进双层反应釜内层中，使体系中原料总量不变。冷凝回流的目的使体系中原料进一步的进行水解和缩聚反应。

当体系有半透明变为完全透明时，利用抽吸单元、冷凝管、循环冷却组件和高低温单元对体系进行减压蒸馏，将冷凝液体出口与接收瓶相连，接收蒸发出来的溶剂，并利用传感器实时监测溶胶粘度，达到具有可纺性的粘度后，即获得可纺性陶瓷前驱体溶胶；利用加压设备将可纺性陶瓷前驱体溶胶从出料口挤出。

缓冲腔体的输入端设有过滤器，缓冲腔体的输出端与甬道的输入端连接；甬道上通过管路分别连接有雾化器和负压机，甬道的输入端设有三阶式结构的喷丝板，且在喷丝板的每阶上均设有喷丝孔，缓冲腔体中可纺性前驱体溶胶经过喷丝板在甬道中形成长丝，甬道内部沿长度方向设有多段式加热，甬道的输出端外部设有卷绕筒，所述卷绕筒能够将通过甬道获得的杂化凝胶连续长丝收集。

通过干法纺丝装置制备出连续凝胶长丝，再经过传输装置、干燥装置、预烧装置和终烧装置获得长度不限且可控的连续陶瓷长丝。干燥装置的目的是在低温(80～150℃)下，一方面去除连续凝胶长丝内部的自由水，另一方面使高分子链之间进行热交联，增加连续凝胶长丝的强度；干燥箱的左右两侧各放置一个五辊来自动调节连续凝胶长丝的张力，避免长丝受力过大而断裂。

预烧装置的目的是除去连续凝胶长丝内部的结合水和有机物，此过程连续凝胶长丝体积收缩较大，为防止断裂，在预烧装置底部安装吹气板，通过风力给予连续凝胶长丝一定的浮力，减轻自身所受的重量；终烧装置的晶型转变区是指长丝内各组分发生原子间的重排而结晶；终烧装置的梯度降温区的目的是防止长丝快速从高温到室温发生脆化。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

(1)本发明中的连续陶瓷长丝规模化生产系统，在其均匀、稳定的陶瓷前驱体溶胶制备装置中，利用双搅拌杆并且两个搅拌杆上的搅拌叶相互交错分布，增加了体系中粒子之间的碰撞几率；

利用超声系统能够使颗粒物快速破碎，体系中粒子之间分布更加均匀，在双搅拌杆和超声系统的协同作用下，有利于水解和缩聚反应的进行。通过将酸性介质气体引入到反应体系中，精确控制体系中pH值；

利用高低温单元控制体系的温度；保证制备出胶粒均一并且具有可纺性的陶瓷前驱体溶胶。

(2)本发明中的连续陶瓷长丝规模化生产系统，在其均一、连续的杂化凝胶长丝成型设备中，缓冲腔体的设计，避免溶液出现湍流现象，为稳定、连续的纺丝提供保证；

缓冲腔体的恒温以及氮气加压设计，利用可纺性陶瓷前驱体溶胶的粘度对温度的敏感性，可实现更宽粘度范围的可纺性能；

喷丝板梯度出丝设计，保证长丝直径的均一性，同时，防止“粘丝”现象出现；在甬道内设计的三个温湿度控制区，相较于传统单一温度控制，通过调节溶剂的挥发速率，更易获得均一、连续的杂化凝胶长丝。

(3)本发明中的连续陶瓷长丝规模化生产系统，在其连续杂化凝胶长丝的陶瓷化设备中，通过干燥装置使高分子链之间进行热交联，给予连续凝胶长丝一定的强度，避免连续凝胶长丝在陶瓷化过程中断裂；

在去除水和有机物的过程中，长丝体积收缩大，为防止长丝断裂，通过五辊自动调节张力和在第一预烧区和第二预烧区底部吹风给予长丝一定的浮力，从而有利于获得连续陶瓷长丝；

该设备操作简单，并且能够连续化制备连续陶瓷长丝，适合于产业化的使用。

附图说明

图1为本发明中连续陶瓷长丝规模化生产系统的整体结构示意图；

图2为本发明中陶瓷前驱体溶胶制备装置的结构示意图；

图3为本发明中喷气板的截面结构示意图；

图4为本发明中杂化凝胶长丝成型设备的结构示意图；

图5为本发明中凝胶长丝成型设备的缓冲腔体示意图；

图6为本发明中杂化凝胶长丝成型设备的喷丝板正视刨面图；

图7为本发明中杂化凝胶长丝成型设备的喷丝孔俯视图；

图8为本发明的连续杂化凝胶长丝的陶瓷化设备示意图；

图9为本发明的吹风板的截面示意图

1-抽吸单元，2-冷凝管，3-液体接收口，4-电机，5-超声单元，6-加料口，7-冷凝液体出口，8-接收瓶，9-搅拌杆，10-搅拌叶，11-硅油，12-循环冷却组件，13-酸性介质储存瓶，14-喷气板，15-出料口，16-储气瓶，17-控制面板，18-传感器，19-双层反应釜；

20-水，21-高低温单元，22-双层反应釜外层，23-双层反应釜内层；

24-计量泵，25-氮气瓶，26-过滤器，27-缓冲腔体，28-喷丝板，29-甬道，30-雾化器，31-红外热源，32-负压机，33-转向轮；

271-一级截面流道，272-二级截面流道，273-三级截面流道，274-四级截面流道，275-五级流道截面，282,283-1/4圆弧面，281-喷丝孔；

34-第一二辊，35-第一五辊牵伸机，36-干燥箱，37-加热源，38-支撑辊，39-干燥箱端口；

40-第二五辊牵伸机，41-第二二辊，42-第三五辊牵伸机，43-第一预烧区，44-第二预烧区，45-风机装置，46-吹风板，47-第四五辊牵伸机，48-第三二辊，49-晶型转变区；

50-第一降温区，51-第二降温区，52-转向辊，53-卷绕辊。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法、算法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下各实施方式或实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现的对应功能而采用的常规部件或常规结构。

为实现连续化的制备连续陶瓷长丝，本发明提供了一种连续陶瓷长丝规模化生产系统，请参见图1至图9所示，其结构包括陶瓷前驱体溶胶制备装置、连续杂化凝胶长丝成型设备、连续杂化凝胶长丝的陶瓷化设备。

连续杂化凝胶长丝成型设备：包括连接所述陶瓷前驱体溶胶制备装置的出料口的计量泵24，与计量泵24通过输液管路连接的缓冲腔体4；

与缓冲腔体4连接的甬道29；以及与甬道29连接的雾化器7和负压机9。

连续杂化凝胶长丝的陶瓷化设备：包括干燥装置、预烧装置、终烧装置和传输装置。

在一些具体的实施方式中，陶瓷前驱体溶胶制备装置包括双层反应釜19，双层反应釜19分为双层反应釜内层23和双层反应釜外层22，以及布置在双层反应釜内层23的是超声单元5、喷气板14、传感器18和搅拌单元；与双层反应釜内层23连接的是酸性介质储存瓶13、加压设备和冷凝管2，与双层反应釜外层22连接的是高低温单元21，与冷凝管2连接的是抽吸单元1和循环冷却组件12。高低温单元能够对硅油11进行加热或制冷，通过将硅油11输送到双层反应釜外层22，从而控制双层反应釜内层23的温度；其中，高低温单元的控制温度范围为-30～200℃。采用的加热方式为热阻式加热或者热泵循环式加热。

更具体的实施方式中，请参见图2所示，所述双层反应釜19包括双层反应釜内层23、双层反应釜外层22、加料口6、出料口15和液体接收口3，所述液体接收口3是指当溶胶进行搅拌回流时，液体接收口3与冷凝液体出口7连接，其余时间不连接，且液体接收口3处于关闭状态。

更具体的实施方式中，请参见图2所示，所述双层反应釜内层23对气密性的要求要保证真空度在0.98MPa以上；所述双层反应釜外层22的体积占双层反应釜19总体积的1～5％。

更具体的实施方式中，请参见图2所示，所述超声单元5安装在双层反应釜内层23中心处，超声波频率范围是25～130kHz。

安装超声单元5的目的：使颗粒物在短时间内破碎并分散均匀，有利于水解和缩聚反应的进行。

更具体的实施方式中，请参见图2所示，所述搅拌装置包括两个电机4、两个搅拌杆9和若干个搅拌叶10；其中，两个搅拌杆9的安装位置处于超声单元5的两侧，且两个搅拌杆9与超声单元5的距离为双层反应釜内层23直径长度的1/4，两个搅拌杆9上的搅拌叶10相互交错分布排列。

该搅拌装置的目的是：一方面加速原料的溶解，节省反应时间；另一方面增加粒子之间相互碰撞的几率，促进水解和缩聚的进行。

更具体的实施方式中，请参见图2所示，所述布置在双层反应釜内层23的传感器18与控制面板17相连，通过传感器检测温度、粘度和pH值并将信号传输给PLC控制系统，然后在控制面板17上显示。

具体地，传感器18包括多个传感器单元，如温度传感器、电子粘度计、电子PH计。

控制面板17包括相互电连接的显示界面和微处理器，微处理器与各个传感器单元电连接。

微处理器为x86架构、ARM架构、RISC-V架构处理器中的一种。

更具体的实施方式中，请参见图2所示，所述酸性介质输送系统包括酸性介质储存瓶13和喷气板14；酸性介质为二氧化碳气体、二氧化硫气体和氯化氢气体中的一种。

更具体的实施方式中，请参见图2所示，所述喷气板14布置在双层反应釜内层23的底部，喷气板为同心圆形状，喷气板上的圆孔相互连通，圆孔分布密度为1～3个/cm²，请参见图3所示。

更具体的实施方式中，请参见图2所示，所述加压设备是指储气瓶16中装有惰性气体，所述惰性气体选择的是氮气、氩气、氦气、氖气中的一种；利用惰性气体给予粘度较高的可纺性陶瓷前驱体溶胶一定的压力，有利于可纺性陶瓷前驱体溶胶从出料口中挤出。

更具体的实施方式中，请参见图2所示，所述高低温单元是指对硅油11进行加热或制冷，通过将硅油11输送到双层反应釜外层22，从而控制双层反应釜内层23的温度；其中，高低温单元的控制温度范围为-30～200℃。采用的加热方式为热阻式加热或者热泵循环式加热。

更具体的实施方式中，请参见图2所示，所述抽吸单元1是指保证双层反应釜内层9为负压状态，真空度在0.98MPa以上；所述循环冷却组件12的作用是指对水20制冷，将水输送到冷凝管2的外管，使蒸发的气体经过冷凝管时变成液体。

其中，当溶胶进行浓缩时，冷凝液体出口7与接收瓶8连接，用于接收蒸发出来的溶剂。循环冷却组件12采用热泵循环制冷或半导体制冷方式。

在一些具体的实施方式中，请再参见图4所示，所述缓冲腔体27上部安装有过滤器26，溶胶溶液经过过滤器26，过滤掉其中的杂质，防止堵塞喷丝板28。

在一些具体的实施方式中，所述过滤器26是由黄铜丝编织的筛网，筛网的目数为500目，黄铜丝的直径为0.02mm，目的起到过滤杂质以及消除气泡的作用。

在一些具体的实施方式中，请再参见图4所示，所述缓冲腔体27顶部安装两路氮气管，利用氮气瓶2中的高纯氮气对缓冲腔体27内的可纺性陶瓷前驱体溶胶进行加压，使其从喷丝板28上喷丝孔挤出。

两路氮气管路安装有压力阀，通过控制压力阀来控制前驱体可纺溶胶的挤出速度。

在一些具体的实施方式中，控制氮气加压的压力为0.5～1MPa，可纺性溶胶的挤出速度为20-350m/min。

在一些具体的实施方式中，请再参见图5所示，所述缓冲腔体27内部设计一级截面流道271，二级截面流道272，三级截面流道273，四级截面流道274，以及五级流道截面275。在缓冲腔体27内部所有截面均采取竖直面和弧面设计，目的在于沿流道自上而下，流道逐渐变窄，并在内部无突变转折点，保证可纺性前驱体溶胶在缓冲腔体27内的流动是层流，防止紊流出现，同时下端口设计小直径流道，有利于减少气泡的出现，同时有利于可纺性前驱体溶胶从喷丝板中挤出。

在一些具体的实施方式中，所述一级截面流道271的长度0.5～1cm，宽度为10～20cm，二级截面流道272的长度4～8cm，宽度为10～20cm，三级截面流道273的长度1～3cm，宽度为10～20cm，四级截面流道274的长度1～3cm，宽度为5～10cm，五级流道截面275的长度0.5～2cm，宽度为3～8cm。

在一些具体的实施方式中，请再参见图4所示，所述缓冲腔体27外包裹一层加热装置，可调控缓冲腔体27内温度为30～90℃，目的保证纺丝过程的连续性和稳定性。

在一些具体的实施方式中，请再参见图4所示，喷丝板28安装在缓冲腔体27底部以及甬道顶部，缓冲腔体27中可纺性前驱体溶胶经过喷丝板在甬道里形成长丝。

在一些具体的实施方式中，请再参见图6所示，所述喷丝板28呈铜锣状，区别于传统圆形，弧形，方形构件，为防止流体在异形件上形成湍流，导致气泡的出现，在281，283处设计1/4圆弧面。

在一些具体的实施方式中，请再参见图6所示，所述喷丝板28分三个台阶，每个台阶上钻有喷丝孔，中间喷丝孔高于两边喷丝孔。利用微小高度差，在甬道里获得直径更加均一的长丝，同时，中间长丝先出现，早一步两边的长丝溶剂挥发，更有利于多根单丝的并丝，并防止出现粘丝现象。

在一些具体的实施方式中，请再参见图7所示，所述喷丝板28中台阶之间的高度差控制在0.2～1cm。

在一些具体的实施方式中，请再参见图7所示，所述喷丝孔281为圆形孔，直径为0.07～0.2mm；喷丝孔281的数量为100～800个。

在一些具体的实施方式中，请再参见图4所示，所述甬道29分为三个区域，所述三个区域自上而下称为纺丝区Ⅰ，纺丝区域Ⅱ和纺丝区域Ⅲ。在这三个区域温度依次递增，而湿度依次递增。同时各个纺丝区域的长度依次递减。

在一些具体的实施方式中，请再参见图4所示，所述甬道29内热源采取红外热源31加热方式，所述湿度由雾化器30控制。所述三个纺丝区域的温湿度为：纺丝区Ⅰ的温度T为30～40℃，湿度RT为35～40％；纺丝区Ⅱ的温度T为50～70℃，湿度RT为40～50％；纺丝区Ⅲ的温度T为80～100℃，湿度RT为50～55％。

在一些具体的实施方式中，所述甬道29长度为1.5m。纺丝区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域长度满足(a+2)：(a+1)：a，其中a＞0。

在一些具体的实施方式中，请再参见图4所示，在甬道29底部安装负压机，目的在于除去甬道内的溶剂外，保证连续长丝垂直向下，通过转向轮33连续凝胶长丝进入到连续杂化凝胶长丝的陶瓷化设备中进行后处理。

在一些具体的实施方式中，所述的干燥装置包括干燥箱36以及布置在干燥箱36内的若干支撑辊38和加热源37；所述的预烧装置包括第一预烧区43和第二预烧区44，以及布置在第一预烧区43和第二预烧区44内的吹风板46，与吹风板46相连的风机装置45；所述的终烧装置包括晶型转变区49、梯度降温区；

所述梯度降温区包括第一降温区50和第二降温区51；所述的传输装置包括四个五棍牵伸机、三个二辊、转向辊52和卷绕辊53。

更具体的实施方式中，请参见图所示，所述干燥箱36的长度为5～20m，所述支撑辊38位于干燥箱36的中心且平行排列，与干燥箱端口39的高度保持一致，分布密度为5～9个/m；所述支撑辊38调节转速范围为0.05～15m/min。

更具体的实施方式中，请参见图8所示，所述加热源37布置于支撑辊38的正上方和正下方，所述加热源37离支撑辊38的垂直距离为5～20cm，加热温度范围为50～200℃；加热源37可以是电加热管和红外加热管中的一种。

更具体的实施方式中，请参见图8所示，所述第一预烧区43的温度为150～300℃，第一预烧区43的长度为0.5～3m，第二预烧区44的温度为400～700℃，第二预烧区44的长度为0.5～3m；

更具体的实施方式中，请参见图8所示，所述风机装置的风量范围为0～10m³/min；所述吹风板46布置于第一预烧区43和第二预烧区44内的下方，吹风板上均匀分布有相互连通的圆形小孔，分布密度为2～5个/cm²，圆形小孔的直径为0.2～0.6cm，请参见图9所示。

更具体的实施方式中，请参见图8所示，所述晶型转变区49的温度为1000～1600℃，第一降温区50的温度为900～600℃，第二降温区51的温度为500～200℃；

更具体的实施方式中，请参见图8所示，所述晶型转变区49、第一降温区50、第二降温区51的长度比a：a+(0.5～1)：a+(1～1.5)，a>0.5m。

更具体的实施方式中，请参见图8所示，所述五辊牵伸机包括第一五辊牵伸机35、第二五辊牵伸机40、第三五辊牵伸机42和第四五辊牵伸机47，第一五辊牵伸机35和第二五辊牵伸机40位于干燥箱36的输入端和输出端，第三五辊牵伸机42位于第一预烧区43的输入端，第四五辊牵伸机47位于第二预烧区44的输出端。五辊牵伸机的作用是调节长丝的张力，避免长丝在受热过程收缩而断裂。

更具体的实施方式中，请参见图8所示，所述五辊牵伸机设备控制的张力为0.01～5N。

更具体的实施方式中，请参见图8所示，所述二辊包括第一二辊34、第二二辊41和第三二辊48，第一二辊34位于第一五辊牵伸机35的输入端，第二二辊41位于第二五辊牵伸机40的输出端，第三二辊48位于第四五辊牵伸机47的输出端；该过程的目的是夹持长丝，分段控制张力，降低长丝的断裂率。

更具体的实施方式中，请参见图8所示，所述转向辊52位于第二降温区51的右侧，卷绕辊53位于转向辊52的右侧，卷绕辊53的收卷速度为0.1～50m/min。

利用本实施例连续化的制备连续陶瓷长丝的具体过程如下：

首先，将称量好的去离子水、可电离金属盐和金属醇盐依次通过加料口6加入到双层反应釜内层23中，进行双搅拌杆9搅拌和超声3h；两个搅拌杆9的搅拌方向相反，两个搅拌杆9的搅拌速度分别为600rad/min和500rad/min，超声频率为80kHz；通过监测面板显示的pH值，判断是否要打开酸性介质储存瓶13往体系中通入氯化氢气体，从而维持pH值稳定；与酸性介质储存瓶13连接的喷气板14上的圆孔相互连通，圆孔分布密度为2个/cm²。

等到体系由不透明变为半透明时，调节pH值使缩聚反应速率增大，并进行加热搅拌回流5h；加热搅拌回流时，将冷凝液体出口7与液体接收口3连接，并开启循环冷却组件12，同时利用高低温单元21对双层反应釜内层23进行加热，加热温度为80℃；当半透明溶胶变为均相透明溶胶后，从加料口6加入水溶性聚合物粉末，并继续加热搅拌回流2h，加热温度为60℃；

最后，将冷凝液体出口7与接收瓶8连接，并将液体接收口3关闭，同时开启抽吸单元1、循环冷却组件12、搅拌装置和高低温单元21，进行减压蒸馏(温度为60℃、真空度为-0.1MPa、两个搅拌杆9的搅拌速度为100rad/min)。

通过监测面板显示粘度值，当粘度达到40Pa·s，关闭循环冷却组件、搅拌装置和高低温单元，进行真空脱泡2h，获得可纺性陶瓷前驱体溶胶；随后关闭抽吸单元，开启加压设备可以将可纺性陶瓷前驱体溶胶从出料口15挤出。

将陶瓷前驱体溶胶制备装置中获得的可纺性陶瓷前驱体溶胶，利用加压设备从出料口15挤出并利用计量泵24将粘度为40Pa·s的莫来石可纺性陶瓷前驱体溶胶进行输送，莫来石可纺性陶瓷前驱体溶胶穿过过滤器26至恒温缓冲腔体27内，温度可设定在40℃，可纺性前驱体溶胶中的杂质和气泡通过过滤器26去除。

过滤器26由黄铜丝编织的筛网，筛网的目数为500目，黄铜丝的直径为0.02mm。待莫来石可纺性陶瓷前驱体溶胶注满缓冲腔体27后，氧化铝可纺性前驱体溶胶经历缓冲腔体27中的五级流道，达到无气泡状态。

打开氮气瓶25阀门，利用高纯氮气对缓冲腔体27内的莫来石可纺性陶瓷前驱体溶胶进行施压，施加压力为0.5MPa，迫使前驱体溶胶经过喷丝板28上的各个台阶上的喷丝孔281以100m/min流出，喷丝板28上喷丝孔直径为0.1mm，喷丝孔281数量为200个。

经过自重牵引，经过提前设置温湿度的甬道29内纺丝区域Ⅰ、纺丝区Ⅱ以及纺丝区Ⅲ进行干燥，最后获得的氧化铝杂化凝胶连续长丝收集在卷绕筒10上。同时，甬道29内三个温湿度由红外热源31和雾化器30进行控制。

其中纺丝区域Ⅰ的温度为30℃，湿度为35％，纺丝区域Ⅱ的温度为50℃，湿度为40％，纺丝区域Ⅲ的温度为80℃，湿度为50％，所获得的杂化凝胶连续长丝表面均匀，直径均一，无破裂，结皮和粘丝现象。

最后将获得的连续莫来石凝胶长丝利用连续杂化凝胶长丝的陶瓷化设备进行后处理，该过程的工艺参数为：干燥箱36的长度为0.8m，干燥箱36内的支撑辊38分布密度4个/m，加热源37选择的是红外加热管，加热源37离支撑辊38的垂直距离为10cm，加热温度为130℃，支撑辊的转速为0.1m/min，第一预烧区43的温度为200℃，第一预烧区43的长度为1m，第二预烧区44的温度为400℃，第二预烧区44的长度为1m，风力装置的风量为2.5m³/min。

吹风板上均匀分布有相互连通的圆形小孔，分布密度为3个/cm²，圆形小孔的直径为0.4mm，晶型转变区49的温度为1000℃，晶型转变区49的长度为0.5m，第一降温区50的温度为800℃，第一降温区50的长度为1m，第二降温区51的温度为400℃，第二降温区51的长度为1.5m，卷绕辊53的收卷速度为0.1m/min；最终得到长度不限且可控的莫来石长丝，平均直径为15um，晶粒平均尺寸为25nm。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种连续陶瓷长丝规模化生产系统，其特征在于，包括沿生产方向依次设置的：

陶瓷前驱体溶胶制备装置，包括双层反应釜(19)、向双层反应釜(19)中输送酸性介质的酸性介质储存组件、用于调整双层反应釜(19)的加压设备、用于调整双层反应釜(19)温度的高低温单元(21)；

连续杂化凝胶长丝成型设备：包括与所述双层反应釜(19)的出料口的计量泵(24)、与所述计量泵(24)连接的缓冲腔体(27)、与缓冲腔体(27)连接的甬道(29)，所述甬道(29)上通过管路分别连接有雾化器(30)和负压机(32)，所述甬道(29)的输入端设有三阶式结构的喷丝板(28)，且在喷丝板(28)的每阶上均设有喷丝孔(281)，缓冲腔体(27)中可纺性前驱体溶胶经过喷丝板在甬道(29)中形成长丝，所述甬道(29)内部沿长度方向设有多段式加热；

连续杂化凝胶长丝的陶瓷化设备，包括依次连接的干燥装置、预烧装置、终烧装置，以及设于干燥装置和预烧装置之间、预烧装置和终烧装置之间、干燥装置输入端、终烧装置的输出端的传输装置，所述干燥装置与所述甬道(29)的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的一种连续陶瓷长丝规模化生产系统，其特征在于，所述双层反应釜(19)包括双层反应釜内层(23)和双层反应釜外层(22)，所述双层反应釜内层(23)中设有超声单元(5)、喷气板(14)和搅拌单元；

所述酸性介质储存组件通过管路与所述喷气板(14)连接，能够向双层反应釜内层(23)输出酸性介质。

3.根据权利要求2所述的一种连续陶瓷长丝规模化生产系统，其特征在于，所述加压设备通过管路与所述双层反应釜内层(23)连接，以此给予双层反应釜内层(23)中可纺性陶瓷前驱体溶胶压力，促进可纺性陶瓷前驱体溶胶挤出；

陶瓷前驱体溶胶制备装置还包括冷凝管(2)，所述冷凝管(2)通过管路与所述双层反应釜内层(23)连接；

所述高低温单元(21)通过管路与所述双层反应釜外层(22)连接，实现双层反应釜(19)的温度控制。

4.根据权利要求1所述的一种连续陶瓷长丝规模化生产系统，其特征在于，可纺性前驱体溶胶自所述计量泵(24)的输入端进入并泵入缓冲腔体(27)中；

所述缓冲腔体(27)的输入端设有过滤器(26)，所述缓冲腔体(27)的输出端与所述甬道(29)的输入端连接；

所述缓冲腔体(27)上连接有压力输出单元。

5.根据权利要求4所述的一种连续陶瓷长丝规模化生产系统，其特征在于，所述压力输出单元为氮气瓶(25)，所述氮气瓶(25)通过氮气管路与缓冲腔体(27)连接；

所述氮气管路上有压力阀，通过控制压力阀来控制可纺性前驱体溶胶在喷丝板(28)处的挤出速度，其中氮气加压的压力为0.5～1MPa，可纺性前驱体溶胶的挤出速度为20-350m/min。

6.根据权利要求1所述的一种连续陶瓷长丝规模化生产系统，其特征在于，所述缓冲腔体(27)内部由五级流道截面依次光滑连接而成，且二级截面流道(272)、三级截面流道(273)、四级截面流道(274)、五级流道截面(275)的平均直径依次减小；

其中一级截面流道(271)的长度0.5～1cm，宽度为10～20cm；

二级截面流道(272)的长度4～8cm，宽度为10～20cm；

三级截面流道(273)的长度1～3cm，宽度为10～20cm；

四级截面流道(274)的长度1～3cm，宽度为5～10cm；

五级流道截面(275)的长度0.5～2cm，宽度为3～8cm。

7.根据权利要求1所述的一种连续陶瓷长丝规模化生产系统，其特征在于，所述喷丝板(28)为自外圈至中心的逐级升高的三阶结构，且相邻两阶之间通过1/4圆弧面过渡连接，且喷丝板(28)凸出的一侧为可纺性前驱体溶胶输入侧，喷丝板(28)凹陷的一侧为可纺性前驱体溶胶输出侧。

8.根据权利要求1所述的一种连续陶瓷长丝规模化生产系统，其特征在于，所述干燥装置包括干燥箱(36)以及设于干燥箱(36)内的多个支撑辊(38)和加热源(37)，连续凝胶长丝自所述干燥装置输入，以此去除连续凝胶长丝内部残留的自由水，同时使高分子链之间进行热交联，增加连续凝胶长丝的强度；

所述预烧装置包括依次连接的第一预烧区(43)、第二预烧区(44)，所述第一预烧区(43)、第二预烧区(44)上均设有吹风组件，第一预烧区(43)、第二预烧区(44)逐步除去连续凝胶长丝内部的结合水和有机物；

所述第一预烧区(43)的工作温度为200～500℃，第二预烧区(44)的工作温度为400～700℃。

9.根据权利要求1所述的一种连续陶瓷长丝规模化生产系统，其特征在于，所述终烧装置包括依次连接的晶型转变区(49)、第一降温区(50)和第二降温区(10)，晶型转变区(49)使得连续凝胶长丝内各组分发生原子间的重排而结晶，第一降温区(50)和第二降温区(51)依次降温以此防止连续凝胶长丝从高温到室温发生脆化；

所述晶型转变区(49)、第一降温区(50)、第二降温区(51)的长度比a：a+(0.5～1)：a+(1～1.5)，a>0.5m；

所述晶型转变区(49)的温度为1000～1600℃，第一降温区(50)的温度为900～600℃，第二降温区10的温度为500～200℃。

10.根据权利要求1所述的一种连续陶瓷长丝规模化生产系统，其特征在于，所述传输装置包括第一五辊牵伸机(2)、第二五辊牵伸机(16)、第三五辊牵伸机(17)、第四五辊牵伸机(18)；

所述第一五辊牵伸机(2)、第二五辊牵伸机(16)分别设于干燥箱(3)的输入端和输出端；

第三五辊牵伸机(17)、第四五辊牵伸机(18)分别设于预烧装置的输入端和输出端；

所述传输装置还包括第一二辊(1)、第二二辊(19)、第三二辊(20)；

所述第一二辊(1)设于第一五辊牵伸机(2)的输入端；

所述第二二辊(19)设于第二五辊牵伸机(16)和第三五辊牵伸机(17)之间；

所述第三二辊(20)设于第四五辊牵伸机(18)与终烧装置之间；

所述传输装置还包括转向辊(11)和卷绕辊(12)，转向辊(11)和卷绕辊(12)依次设于所述预烧装置输出端一侧。

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