CN114892293A

CN114892293A - 碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造装置

Info

Publication number: CN114892293A
Application number: CN202210520769.0A
Authority: CN
Inventors: 杨卫民; 杜长彪; 王宇航; 廖波; 丁玉梅
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2022-05-12
Filing date: 2022-05-12
Publication date: 2022-08-12
Anticipated expiration: 2042-05-12
Also published as: CN114892293B

Abstract

本发明公开碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造装置，主要包括机架、挤出装置、料斗、计量泵、减速器、联轴器、电机、气管、旋转芯棒、吹膜模头、吹膜牵引辊、水槽、初次拉伸装置、模外层叠装置、超声锻压辊、超声波发生器、导向辊、二次拉伸装置、切丝刀盘、薄膜收卷辊和原丝收卷筒，吹膜拉伸辊、初次拉伸辊、模外层叠装置、超声锻压辊置于水槽中，在吹膜过程中通过膜内水蒸气与膜外水槽中水的吸附作用，将石墨、聚丙烯腈和二甲基亚砜混合溶液中二甲基亚砜吸附，并采用模外层叠、超声锻压技术，消除原丝纤维中因溶剂分离所产生微孔缺陷结构的问题，在保证碳纤维原丝制备产量同时，改善原丝内部结构，降低微孔数量与尺寸，提升碳纤维原丝的质量。

Description

碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造装置

技术领域

本发明涉及一种碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造技术，属于碳纤维原丝制造领域。

背景技术

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维是上个世纪六十年代迅速发展起来的新型军民两用工业材料，因其兼具高比强度、高比模量、抗疲劳、优良的尺寸稳定性、高导热性和低热膨胀系数等优异性能，被广泛应用于卫星、运载火箭、战术导弹、宇宙飞船等军工行业中，是不可替代的核心战略材料。同时，在广大工业中，高性能碳纤维是高端装备制造升级的关键基础材料。

目前，聚丙烯腈基原丝制备技术包括湿法纺丝、凝胶纺丝、干法纺丝、干喷湿纺和静电纺丝等。然而，在现有的碳纤维原丝制备技术中碳纤维的微孔结构是碳纤维原丝制备技术中普遍存在的问题。碳纤维微孔结构是影响其拉伸强度最主要的原因，微孔缺陷的产生，一方面是由于石墨化过程中，高温下原子活性高，气态产物分子从纤维中溢出，造成微孔结构缺陷，另一方面是由于原丝自身含有微孔，并在后续制备环节中进一步扩大，从而影响了碳纤维的强度。

因此如何改进碳纤维原丝制备技术，改善原丝内部结构，降低微孔数量与尺寸，提升原丝质量，是目前高强碳纤维原丝制备急需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有的碳纤维原丝制备技术中，碳纤维表面存在微孔缺陷结构，从而影响原丝的质量问题，提出一种碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造技术，利用环形吹膜模头、模外层叠、超声锻压技术制备碳纤维原丝，从而改善原丝内部结构，降低微孔数量与尺寸，提升原丝质量。

本发明的技术方案：碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造装置，主要包括机架、挤出装置、料斗、计量泵、减速器、联轴器、电机、气管、旋转芯棒、吹膜模头、吹膜牵引辊、水槽、初次拉伸装置、模外层叠装置、超声锻压辊、超声波发生器、导向辊、二次拉伸装置、切丝刀盘、薄膜收卷辊和原丝收卷筒，吹膜牵引辊、水槽、初次拉伸装置、模外层叠辊、超声锻压辊、二次拉伸装置及切丝装置各部分按顺序水平依次排列，其中吹膜拉伸辊、初次拉伸辊、模外层叠装置、超声锻压辊置于水槽中，挤出装置依靠机架固定在水槽上方，挤出模头与水槽中液面刚好接触。挤出装置主要包括料斗、计量泵、减速器、联轴器、电机、气管、旋转芯棒，其中旋转芯棒依靠联轴器、减速器与电机连接，并由电机提供动力，使其高速旋转。在吹膜装置中，在料斗中加入预先配置好的石墨+聚丙烯腈(PAN)+二甲基亚砜(DMSO)混合溶液，混合液通过计量泵的作用下均匀连续并以一定的压力进入吹膜模头中，混合溶液中石墨组分在高速旋转的芯棒作用下高度取向，同时将水蒸气由气管充入吹膜模头中，在气泵充气作用以及吹膜牵引辊的牵引作用下，产生具有一定吹胀比的初始薄膜，在此过程中水蒸气与室温下的混合溶液相遇，水蒸气在膜泡内温度降低从而液化成小水滴，因混合溶液中二甲基亚砜(DMSO)具有易溶于水的性质，从而在膜内液滴与膜外水的吸附作用下在混合溶液中与聚丙烯腈(PAN)及取向的石墨分离，分离后薄膜会因二甲基亚砜(DMSO)的分离形成微孔结构，为了消除微孔结构，随后初始薄膜依次经过初次拉伸装置、模外层叠装置、超声锻压辊、二次拉伸装置，以达到消除微孔结构的目的。首先初始薄膜经手动牵引进入初次拉伸装置中，初次拉伸装置由多个差速辊组成，薄膜在差速辊的拉伸作用下其表面的微孔结构会随薄膜厚度的减小而有所减少，但不能完全消除微孔结构，随后经初次拉伸后的薄膜经过模外层叠装置，模外层叠装置由两对水平布置的膜外层叠辊组成，每个模外层叠辊单体表面均设有凸起的M型波纹结构，模外层叠装置中位于左端的两个模外层叠辊单体其距离略大于位于右端的模外层叠辊单体的距离，薄膜经过模外层叠装置后，其形状由平面结构变为表面有M型波纹形状的立体结构，随后M型波纹结构薄膜经过两个竖直平行布置的超声锻压辊，此时M型波纹结构薄膜形状经两辊子的锻压作用再次变为平面结构，并在的超声波作用下使薄膜表面的微孔结构得以消除，大幅度改善了薄膜的微孔缺陷结构，此时薄膜由水平位置转变为竖直位置。随后经超声锻压后的薄膜在导向辊的作用以及二次拉伸装置的牵引作用下，再次由竖直位置变回水平位置并使薄膜的厚度减小，其中导向辊的作用是改变薄膜的位置状态，二次拉伸装置的作用与初次拉伸装置的作用相同，每个差速辊中通有热水，薄膜在受热至高弹状态后，在差速辊的作用下进行二次拉伸，最后薄膜进入切丝装置中，其组成主要包括切丝刀盘、薄膜收卷辊和原丝收卷筒，其中切丝刀盘的数量可根据碳纤维原丝的尺寸合理选择，经二次拉伸装置后，薄膜收卷辊对其收卷，切丝刀盘的位置始终与薄膜收卷辊保持相切，并对薄膜收卷辊上的薄膜进行连续切丝加工，其中原丝收卷筒的数量可根据切丝刀盘的数量以及原丝制备过程中的需求确定，最终通过原丝收卷筒完成对碳纤维原丝的收集。

本发明涉及碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造装置，在吹膜过程中通入水蒸气，通过膜内水蒸气与膜外水槽中水的吸附作用，将石墨+聚丙烯腈(PAN)+二甲基亚砜(DMSO)混合溶液中二甲基亚砜(DMSO)吸附，并采用模外层叠、超声锻压技术，消除原丝纤维中因二甲基亚砜(DMSO)溶剂分离所产生微孔缺陷结构的问题。可保证碳纤维原丝制备产量的同时，改善原丝内部结构，降低微孔数量与尺寸，提升碳纤维原丝的质量。

附图说明

图1为本发明碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造装置布置图。

图2为本发明碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造装置的吹膜装置主视图。

图3为本发明碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造装置的模外层叠装置侧视图。

图4为本发明碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造装置的切丝装置俯视图。

图中：1—机架；2—吹膜装置；2-1—料斗；2-2—计量泵；2-3—减速器；2-4—联轴器；2-5—电机；2-6—气管；2-7—旋转芯棒；3—吹膜牵引辊；4—水槽；5—初次拉伸装置；6—模外层叠装置；7—超声锻压辊；8—超声波发生器；9—导向辊；10—二次拉伸装置；11—切丝刀盘；12—薄膜收卷辊；13—原丝收卷筒。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明涉及本发明碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造装置，布置图见图1所示，主要包括机架1、挤出装置2、料斗2-1、计量泵2-2、减速器2-3、联轴器2-4、电机2-5、气管2-6、旋转芯棒2-7、吹膜牵引辊3、水槽4、初次拉伸装置5、模外层叠装置6、超声锻压辊7、超声波发生器8、导向辊9、二次拉伸装置10、切丝刀盘11、薄膜收卷辊12、原丝收卷筒13。本发明中吹膜牵引辊3、水槽4、初次拉伸装置5、模外层叠辊6、超声锻压辊7、二次拉伸装置10及切丝装置各部分按顺序水平依次排列，其中吹膜拉伸辊3、初次拉伸辊5、模外层叠装置6、超声锻压辊7置于水槽4中，挤出装置依靠机架固定在水槽上方，挤出模头出口与水槽4中液面刚好接触。挤出装置主要包括料斗2-1、计量泵2-2、减速器2-3、联轴器2-4、电机2-5、气管2-6、旋转芯棒2-7，其中旋转芯棒2-7依靠联轴器2-4、减速器2-3与电机2-5连接，并由电机2-5提供动力，使其高速旋转，见图2所示。在吹膜装置2中，在料斗2-1中加入预先配置好的石墨+聚丙烯腈(PAN)+二甲基亚砜(DMSO)混合溶液，混合液通过计量泵2-2的作用下均匀连续并以一定的压力进入吹膜模头中，混合溶液中石墨组分在高速旋转的芯棒2-7作用下高度取向，同时将水蒸气由气管2-6充入吹膜装置2的挤出模头中，在气泵充气作用以及吹膜牵引辊3的牵引作用下，产生具有一定吹胀比的初始薄膜，在此过程中水蒸气与室温下的混合溶液相遇，水蒸气在膜泡内温度降低从而液化成小水滴，因混合溶液中二甲基亚砜(DMSO)具有易溶于水的性质，从而在膜内液滴与膜外水的吸附作用下在混合溶液中与聚丙烯腈(PAN)及取向的石墨分离，分离后薄膜会因二甲基亚砜(DMSO)的分离形成微孔结构，为了消除微孔结构，随后初始薄膜依次经过初次拉伸装置5、模外层叠装置6、超声锻压辊7、二次拉伸装置10，以达到消除微孔结构的目的。首先初始薄膜经手动牵引进入初次拉伸装置5中，初次拉伸装置5由3个差速辊组成，薄膜在差速辊的拉伸作用下其表面的微孔结构会随薄膜厚度的减小而有所减少，但不能完全消除微孔结构，随后经初次拉伸后的薄膜经过模外层叠装置6，模外层叠装置6由两对水平布置的膜外层叠辊组成，每个模外层叠辊单体表面均设有凸起的M型波纹结构，模外层叠装置6中位于左端的两个模外层叠辊单体其距离略大于位于右端的模外层叠辊单体的距离，见图3所示，薄膜经过模外层叠装置后，其形状由平面结构变为表面有M型波纹形状的立体结构，随后M型波纹结构薄膜经过两个竖直平行布置的超声锻压辊7，此时M型波纹结构薄膜形状经两辊子的锻压作用再次变为平面结构，并在的超声波作用下使薄膜表面的微孔结构得以消除，大幅度改善了薄膜的微孔缺陷结构，此时薄膜由水平位置转变为竖直位置。在层叠和锻压过程中，模间水压增大，有利于溶剂的继续及快速析出，在超声锻压辊后增设将层叠后的膜切边装置，在锻压后可以将层叠后的膜切边，释放模内的水，随后将经超声锻压后的薄膜在导向辊9的作用以及二次拉伸装置10的牵引作用下，再次由竖直位置变回水平位置并使薄膜的厚度减小，其中导向辊的作用是改变薄膜的位置状态，二次拉伸装置10的作用与初次拉伸装置5的作用相同，其中每个差速辊中通有热水，薄膜在受热至高弹状态后，在差速辊的作用下进行二次拉伸。最后薄膜进入切丝装置中，其组成主要包括切丝刀盘11、薄膜收卷辊12、原丝收卷筒13，见图4所示，其中切丝刀盘11的数量可根据碳纤维原丝的尺寸合理选择，经二次拉伸装置10后，薄膜收卷辊12对其收卷，切丝刀盘11的位置始终与薄膜收卷辊12保持相切，并对薄膜收卷辊12上的薄膜进行连续切丝加工，其中原丝收卷筒13的数量可根据切丝刀盘11的数量以及原丝制备过程中的需求确定，切丝后可增设水分吹干装置，使得到的原丝干燥，最终通过原丝收卷筒13完成对碳纤维原丝的收集。

Claims

1.碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造装置，其特征在于：主要包括机架、挤出装置、料斗、计量泵、减速器、联轴器、电机、气管、旋转芯棒、吹膜模头、吹膜牵引辊、水槽、初次拉伸装置、模外层叠装置、超声锻压辊、超声波发生器、导向辊、二次拉伸装置、切丝刀盘、薄膜收卷辊和原丝收卷筒，吹膜牵引辊、水槽、初次拉伸装置、模外层叠辊、超声锻压辊、二次拉伸装置及切丝装置各部分按顺序水平依次排列，其中吹膜拉伸辊、初次拉伸辊、模外层叠装置、超声锻压辊置于水槽中，挤出装置依靠机架固定在水槽上方，挤出模头出口与水槽中液面刚好接触；挤出装置主要包括料斗、计量泵、减速器、联轴器、电机、气管和旋转芯棒，其中旋转芯棒依靠联轴器、减速器与电机连接，并由电机提供动力，使其高速旋转；在吹膜装置中，在料斗中加入预先配置好的石墨、聚丙烯腈和二甲基亚砜混合溶液，混合液通过计量泵的作用下均匀连续并以一定的压力进入吹膜模头中，混合溶液中石墨组分在高速旋转的芯棒作用下高度取向，同时将水蒸气由气管充入吹膜模头中，在气泵充气作用以及吹膜牵引辊的牵引作用下，产生具有一定吹胀比的初始薄膜，初始薄膜依次经过初次拉伸装置、模外层叠装置、超声锻压辊、二次拉伸装置；超声锻压后的薄膜在导向辊的作用以及二次拉伸装置的牵引作用下，再次由竖直位置变回水平位置，最后薄膜进入切丝装置中，其组成主要包括切丝刀盘、薄膜收卷辊和原丝收卷筒，切丝刀盘的位置始终与薄膜收卷辊保持相切，并对薄膜收卷辊上的薄膜进行连续切丝加工，最终通过原丝收卷筒完成对碳纤维原丝的收集。

2.根据权利要求1所述的碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造装置，其特征在于：吹膜模头中充入的气体为水蒸气。

3.根据权利要求1所述的碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造装置，其特征在于：初次拉伸装置由多个差速辊组成，薄膜在差速辊的拉伸作用下其表面的微孔结构会随薄膜厚度的减小而有所减少。

4.根据权利要求1所述的碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造装置，其特征在于：模外层叠装置由两对水平布置的膜外层叠辊组成，每个模外层叠辊单体表面均设有凸起的M型波纹结构，模外层叠装置中位于左端的两个模外层叠辊单体其距离略大于位于右端的模外层叠辊单体的距离，薄膜经过模外层叠装置后，其形状由平面结构变为表面有M型波纹形状的立体结构，随后M型波纹结构薄膜经过两个竖直平行布置的超声锻压辊，此时M型波纹结构薄膜形状经两辊子的锻压作用再次变为平面结构。

5.根据权利要求1所述的碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造装置，其特征在于：二次拉伸装置的每个差速辊中通有热水，薄膜在受热至高弹状态后，在差速辊的作用下进行二次拉伸。

6.根据权利要求1所述的碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造装置，其特征在于：在超声锻压辊后增设将层叠后的膜切边装置。

7.根据权利要求1所述的碳纤维原丝模外层叠超声锻压降维制造装置，其特征在于：切丝后增设水分吹干装置。