CN1183815A - 收集纤维的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于收集相对直的二维形态的喷吹纺纤维的方法和装置(10)。本方法采用文丘里管(40)以防止纤维的弯曲和扭结直到纤维充分热定型。扩散室(60)可无缠结地收集纤维。

Description

收集纤维的方法和装置

I.本发明的背景和提要

A.本发明的提要

本发明提供一种用于收集和铺放大体无扭结和弯曲的喷吹纺纤维的工艺和装置。另外，本发明提供一种用于以大体上无缠结或二维形态收集纤维的方法和装置。

B.本发明的背景

用于喷吹纺丝的方法和装置已是众所周知的。通常，可纺性物质被加热到能使它流动的温度。之后这一物质通常是在压力下进入具有一个或多个毛细管的纺丝模头。该物质通过毛细管出来而成为纤维。纤维从毛细管出来后与一种拉细介质相接触，这种介质通常是气体。该拉细介质对纤维进行拉伸或拉长，使纤维在直径减小的同时长度增加。

喷吹纺丝用的模头有多种型式。两种常用的模头是环状和狭缝模头。环状模头和狭缝模头的主要不同处在于拉伸气体被引到出来的纤维上的方式。本发明对各种型式的喷吹纺丝模头具有相同的用途。

在早先的纺丝方法中，纺出的纤维在拉细之后而落到一个收集表面上。根据纤维的成分，这种方法得到的纤维是弯曲或扭结的并堆积成随机的三维堆。造成这一结果的主要因素之一被认为是由于拉伸气体围绕纤维形成湍流。

因此，本发明推出一种用于铺放及收集大体上直形的喷吹纺纤维的方法和装置。此外，本发明的方法和装置以大体无缠结方式提供纤维的二维的收集。

II.本发明的简要公开

本发明提供一种用于收集和铺放喷吹纺纤维的方法和装置。按照本发明的方法，一种可纺性物质被加热到足以使它流动的温度。达到所要求的温度后，可纺性物质在压力下进入一个喷吹纺丝模头中。然后在压力下可纺性物质通过毛细管出来而成为纤维，得到的纤维被拉伸介质拉伸。一般，拉伸介质是流动的气流。

上面的这些步骤在技术上已是众所周知的，而本发明提供一种防止喷吹纺纤维弯曲、扭结和缠结的方法和装置。按照本发明的方法，随着最初的拉伸，纤维进入并通过一个热定型区。在这一热定型区域中，纤维必须保持相对直形以便防止形成弯曲和扭结。

本发明在热定型过程中由于在纤维上保持张力而使纤维保持相对直形，以便减少或抵消湍流的影响。根据优选的实施例，纤维上的张力是当纤维通过热定型区时由纤维与第二流动气流相接触而产生的。第二流动气流是当纤维进入文丘里管或者在这之前或之后与纤维相接触。由于第二流动气流的速度比纤维的大，它使纤维保持相对直形直到纤维大体上得到热定型。根据第二流动气流的输出点、气流速度和可纺性物质的特性，第二流动气流可以进一步拉伸纤维。在此过程中，得到的纤维以相对无弯曲和扭结的形态充分热定型。

第二流动气流可以是任何气体、液体或甚至是蒸汽。此外，第二流动气流也可以是由单一的或多种的流动气流所组成。但是为本公开的目的，拉伸纤维的物质和气流将称之为第二流动气流或第二气体流动气流。

为本公开的目的，热定型区确定为纤维在这一区域中经受热定型过程。热定型区包括与毛细管出口紧紧邻接并从毛细管出口延伸一段距离的空间。热定型区的实际尺寸取决于纺丝条件、第二流动气流温度和原料特性。热定型区可以延伸到文丘里管中，但是，一般它不会延伸超过文丘里管。

从文丘里管出来之后，纤维进入一个扩散室或扩散区域。扩散室是一个使围绕纤维的气流散逸的装置。在这一方法中，当纤维被收集到位于扩散室下面的铺放表面上时，本发明减少了纤维的缠结。

本发明还提供一种生产相对直形喷吹纺纤维的装置。这一装置还提供纤维的大体无缠结的收集。这一装置包括一个文丘里管、一个扩散室或扩散区域和一个铺放或收集纤维的表面。

正如在技术上已经知道的，一个喷吹纺丝的模头有至少一个适合于产生纤维的毛细管。一般，模头中的毛细孔数量仅仅受限于经济方面的考虑。此外，一个喷吹纺丝模头还包括一个在纤维从毛细管出来时将流动气流引到纤维上去的装置。

按照本发明，位于模头下游的是文丘里管。文丘里管有一个通道，在此它接收从毛细管出来的纤维。文丘里管可以包括一个将第二流动气流引到纤维上去的装置。换句话说，一个外部装置将提供第二流动气流，它沿着纤维进入文丘里管。当纤维热定型时第二流动气流将纤维保持为一个相对直形。此外，第二流动气流也可以进一步拉伸纤维。第二流动气流可以来自一个鼓风机、真空泵或其它合适的气体输送装置。

扩散室或扩散区域位于文丘里管的下游和/或靠近于文丘里管。扩散室设计成散逸气流而不缠结纤维。在这一方法中，扩散室使纤维无缠结地落在收集表面上。用这一装置生成和收集的纤维是相对直形和无缠结的。扩散室或扩散区域也可以是文丘里管的一个整体部分或者可以是一个靠近于文丘里管的分开的装置。

本发明的装置可选择性地包括一个排气导管。排气导管靠近扩散室并包括一个铺放表面。铺放表面可以采用包括一个输送带的多种形式，以便连续生产纤维。最好铺放表面有足够的孔，以使它在存留纤维时使气体通过。

此外，本发明的装置可以包括一个连接到排气导管的真空泵。真空泵对排气气管抽真空并帮助以二维形式收集纤维。在本发明的一个实施例中，真空泵通过文丘里管抽吸足够的空气或气体以使纤维保持相对直形。最后，由真空泵产生的气体压力可以引至纺丝头以提供全部或部分用于喷吹纺丝过程的初始流动气流。

III.附图的简要说明

图1是本发明装置的一个侧剖视图，它包括模头、文丘里管、扩散室、一个排气导管和一个铺放表面。

图2是文丘里管和扩散室的一个优选实施例的侧剖视图。

IV.本发明的详细说明

A.装置

现参照附图，本发明提供一个装置10，它用于纺丝和收集相对无缠结、相对直形的二维形态的纤维。装置10包括一个喷吹纺丝模头20，一个文丘里管40，一个扩散室60和一个铺放表面65。有选择地，本发明的装置包括一个排气室80和一个输送气体的装置(未表示出)。输送气体的装置可以是真空泵、鼓风机或其它合适的装置。

正如在技术上已熟知的，纤维的纺丝需要将一可纺性材料加热到一个足以使该物质通过毛细管的温度。加热可纺性物质的装置可位于喷吹纺丝模头的外部或内部。因为喷吹纺丝的方法和装置已是众所周知的，就没有必要对这方面再作详细介绍。相反地，更详细的说明已提供在美国专利3,755,527；4,526,733；48/4,463和由Van A.Wente写的登在Indlustrial Engineering Chemistry，Vol.48第1342页(1956)的文章“超细热塑性纤维”中，在此结合作为参考。

位于模头20下游的是一个文丘里管40。一般，文丘里管40有一个约为14英寸或更短些的长度。根据纤维原料的特性，文丘里管40和模头20可以是一个单一装置或者可以由两个直接接触的装置组成。但是，最好有一段距离存在于模头20和文丘里管40之间，称为间距27。决定间距27的因素是纺出纤维的热定型特性和第二流动气流的冷却效应。一般，间距27是从约0.25英寸到约100英寸的距离。例如，在由溶剂中间相沥青纺出纤维的情况下，这一距离一般是在约2到4英寸之间。但是，对于其它的纤维原料该距离甚至可大于100英寸。溶剂化中间相沥青的制备已在美国专利5,259,947和1993年10月12日提出的、标题为“制造溶剂化中间相沥青的改进方法”的美国专利申请08/135,204中作了说明，在此结合作为参考。

对由溶剂化中间相沥青纺制的碳纤维，模头与文丘里管之间的区域一般与纤维的热定型区相一致。但是，对于某些纤维，热定型区可以延伸到文丘里管内。如前所说，热定型区是纤维在其中得到热定型的空间区域。

文丘里管40有一个通过其长度延伸的通道42。通道42有一个第一开口端41和一个第二开口端43。通道42位于毛细管22的下游以便接收纺出的纤维。文丘里管40包括两个或多个气体喷嘴44和45，用于将气流引到经过通道42的纺出纤维上。气体喷嘴44和45可以和通道42的壁齐平或者可以伸到通道42内。气体喷嘴44和45与位于文丘里管40内的集气管46保持流体连通。集气管46接收经通道47从外部气源(未画出)供给的加压气体。

在一个优选的实施例中和特别当从溶剂化中间相沥青纺制纤维时，装置10位于一个含有不起反应的介质的密封室(未表示出)内。当由溶剂化中间相沥青纺制纤维时，优选的介质是惰性气体如氮。此外，在优选的实施例中，加压的氮气通过开口端41通入到文丘里管40中。气体随纺出的纤维进入文丘里管40中并提供第二流动气流对纤维起物理稳定作用直到纤维得到充分热定型。在这种方法中，第二流动气流随纤维流经文丘里管40张紧纤维并减少或抵消湍流对纤维的影响，否则将会导致纤维弯曲和扭结。此外，这一优选实施例在文丘里管40内不再需要文丘里管内的气体喷嘴44与45、集气管46和通道47，如图2所示。

邻近并位于文丘里管40下游的是一个扩散室或扩散区域60。扩散室60接收从通道42出来的热定型纤维并提供一个散逸气流的装置。如图所示，扩散室60有一个内部通道62，该通道从接近于通道42的第一开口端63向前到第二开口端64在面积上逐渐增加。当纤维通过扩散室60时，这种围绕纤维的面积的逐渐增加，提供一个用于消耗气流速度和动能的装置。第二流动气流动能的这种逐渐消耗使围绕纤维的湍流的发展减至最小并最好消除掉。

必然地，其它的实施例可以容易地预计出会有同样的效果，包括具有恒定的内部面积但逐渐通至大气的扩散室。这些变更的实施例的例子可以包括一个带网眼的或多孔的室。另外，本发明包括作为一个单一整体装置的文丘里管和扩散室结构。此外，某些特定的加工状况需要加热扩散室60的壁，以便清除单体和/或纺丝或溶剂化溶剂在其上的凝结。

位于扩散室60下面的是一个铺放表面65。铺放表面65最好使气流自由地通过它的表面。铺放表面65可以是有小孔的筛网、板或带的形式。传送带形式的铺放表面65也许是理想的，因为它能把从装置10出来的纤维传送走使纤维得以连续生产。

装置10可有选择地包括一个排气导管80。当用排气导管80时，铺放表面65可以放在导管80之内或通过它，如附图所示。排气导管80有一个围绕扩散室60末端64的开口83。位于末端64下面的是铺放表面65。开口83使从扩散室60出来的纤维通过而到达铺放表面65上。排气导管80还有一个孔86以使气体排出到大气中。可供选择的，这些气体可以再循环到任一个气源，重新加压并应用于纺丝头20或文丘里管40中。此外，当铺放表面65是传送带时，排气导管80可以带有滚动密封82或其它的装置以便使传送带通过，以及纤维从排气导管80中出来而不会中断通过导管80的气流。

装置10可有选择地包括一个气体输送装置(未表示出)。气体输送装置有一个负压开口和一个正压开口。一般，气体输送装置是一个真空泵或鼓风机并与排气导管80联合使用，负压开口与排气导管的开口86相连接。在这种结构中，一台真空泵通过收集在铺放表面65上的纤维向下抽吸辅助气体。通过纤维的气体增强以二维形态收集纤维。气体输送装置的正压开口可与喷吹纺丝模头的气源连接，以使再循环的气体用于纺丝过程中。

B.方法

继续参照附图，本发明提供一个用于铺放和收集相对直形无缠结的喷吹纺纤维的方法。本发明特别适用于由溶剂化沥青包括溶剂化中间相沥青生产碳纤维。下面的讨论将集中于由溶剂化中间相沥青纺出的纤维的收集方面，但是，精通技术者会判明本发明在所有的喷吹纺丝领域中都将适用。

本发明的方法的开始是加热可纺性物质如溶剂化中间相沥青到一个足以使它通过喷吹纺丝模头中毛细管的温度。加热和使可纺性物质通过毛细管的方法在技术上已是众所周知的，此处不再重复。还有，当喷吹纺出的纤维从喷吹纺丝模头中的毛细管出来时与流动气流相接触，在技术上也是众所周知的。在典型的狭缝式模头中，由至少两个气体通道将气体引到纤维上。在环状模头中，气体通过一个单一的围绕毛细管的通道。这二者的任一种情况，都是在纤维从毛细管出来后由流动气体拉伸它。当纤维被拉伸时它就变得更细更长。

在本发明以前，碳质沥青的喷吹纺丝一般得到弯曲和扭结的碳纤维。纤维的这种弯曲和扭结是由于流动气流的湍流造成的。由于纤维在热定型之前或热定型时已经弯曲和扭结，结果得到的纤维也是弯曲和扭结的。这样的纤维就很难收集而且一般积聚成低表观密度缠结的三维堆。

本发明的方法以实际无缠结的二维形式便利地提供相对直形纤维。按照这一方法，一旦纤维从喷吹纺丝模头出来，如前所述，它们通过一个热定型区并进入文丘里管。随同纤维进入文丘里管的是第二流动气流。第二流动气流的速度比纤维的速度高从而使纤维在热定型时处于张紧状态。由此，第二流动气流使纤维在热定型时保持大体直形。

根据纤维的组成，热定型过程一般是发生在纤维进入文丘里管之前。但是，不考虑纤维热定型区，纤维也将由于第二流动气流对它们施加的张力而保持相对无弯曲和扭结。由此，在热定型过程中第二流动气流在纤维上保持张力。在优选实施例中，气体并不使纤维产生化学变化；但是，会有一些溶剂在气体流通时被从纤维上带走。由此，纤维在保持充分无弯曲和扭结下得到充分热定型。

另一方面，如上所述，文丘里管可在内部提供第二流动气流朝向纤维。第二流动气流以上述的方法将张力施加到纤维上并使纤维保持相对直形直到纤维得到充分热定型。此外，根据可纺性物质的特性，文丘里管中的第二流动气流可使纤维进一步变细或拉伸。

为了提供有成本效益的纤维，该过程也必须防止纤维积聚到收集表面上时发生缠结。为了减少或更好是消除热定型纤维的缠结，本发明使纤维通过一个扩散室或扩散区域。如前面所讨论的，扩散室消耗第二流动气流的动能。由此，该工艺就可使纤维在无缠结的情况下落到铺放表面上，在此表面上它们就可能以相对平直的二维方式被收集起来。最好铺放表面有足够多的孔以使通过纤维的气体能通过它。

在另一个实施例中，本发明的方法进一步提供采用与真空泵或鼓风机相连接的排气导管。根据这一实施例，从扩散室出来的纤维被收集在一个位于排气导管内的多孔的铺放表面上。在一个优选的实施例中，铺放表面是一个输送带，它传送从排气导管出来的纤维通过滚动密封或真空箱。

真空泵通常以在排气导管内产生真空的方式与排气导管相连接。以这一方式，真空泵穿过收集在铺放表面上的纤维向下抽吸辅助气体。由此，真空泵加强以二维形式收集纤维。

此外，真空泵协同文丘里管可防止围绕纤维的湍流产生，无需在文丘里管中产生第二流动气流。按照该方法的这一实施例，真空泵通过纺丝头和文丘里管之间的开口抽吸足够多的气体或空气，应用负压防止围绕纤维的湍流产生，而不是由正压产生与纤维相接触的第二流动气流。第二流动气流顺着并随同纤维进入文丘里管并使纤维保持相对直形直到纤维热定型。最后，采用真空泵可使气体再循环到系统的任何部分。

对于熟悉本技术的人来说，考虑这里所揭示的本发明的详细说明或实施，本发明的其它实施例便将是很明晰的。本详细说明仅仅是作为例子加以考虑，本发明的真实范围和实质将由下列的权利要求书予以指明。

Claims (22)

1.一种用于制备相当直的喷吹纺纤维的方法包括：

应用至少一股流动气流喷吹纺制纤维；

用至少一股另外的流动气流与所述纤维相接触，使所述纤维处于张紧状态；和

在张紧状态下热定型所述纤维。

2.权利要求1的方法，具有另外的步骤为：

使所述气体和所述纤维进入一个扩散室，使所述至少一股另外的流动气流散逸；

使所述纤维从所述扩散室中出来；并收集所述纤维。

3.权利要求1的方法，包括所述纤维和所述另外的流动气流进入一个文丘里管的步骤。

4.权利要求1的方法，其中所述纤维由碳质沥青纺制。

5.权利要求1的方法，其中所述纤维由溶剂化中间相沥青纺制。

6.权利要求1的方法，其中所述至少一股另外的流动气流的速度大于所述纤维的速度。

7.一个用于制备相当直的喷吹纺纤维的方法包括：将可纺性物质加热到足以使所述物质能流动的温度，随后所述物质进入纺丝模头并通过位于所述模头内的毛细管形成纤维，并在所述纤维从毛细管出来时与至少一股气流相接触，使所述纤维拉细，其中改进方面有：

使所述纤维与至少一股另外的气流相接触，使所述纤维处于张紧状态；和

以相当直的形状热定型所述纤维。

8.权利要求7的方法，具有另外的步骤：

使所述气体和所述纤维进入一个扩散室，使所述至少一股另外的流动气流散逸；

使所述纤维从所述扩散室中出来；并收集所述纤维。

9.权利要求8的方法，包括使所述纤维和所述至少一股另外的流动气流在进入所述扩散室之前进入文丘里管的步骤。

10.权利要求7的方法，其中所述纤维离开毛细管并与一股另外的流动气流相接触之前经过距喷头的一段距离。

11.权利要求7的方法，其中所述至少一股另外的流动气流的速度大于所述纤维的速度。

12.一个用于喷吹纺纤维的装置包括：

一个喷吹纺丝模头，包括至少一个毛细孔和一个用于将至少一股气流引到出来的纤维上的装置，该毛细孔具有用于接收可纺性物质的第一开口和用于使所述物质从所述毛细管出来成为纤维的第二开口；

一个位于所述喷吹纺丝模头下游的文丘里管；

所述文丘里管包括一个通过它的通道；

所述通道有第一和第二开口端，所述第一开口端安置成能接收从所述喷吹纺丝模头出来的纤维。

13.权利要求12的装置，另外还包括：

一个位于所述文丘里管下游的扩散室；

所述扩散室有一个位于通过所述文丘里管的所述通道的所述第二开口端下游的第一开口端和一个能使所述纤维从所述扩散室出来的第二开口端。

14.权利要求12的装置，其中所述文丘里管位于距所述喷吹纺丝模头一段距离处。

15.权利要求14的装置，其中所述文丘里管与所述喷吹纺丝模头之间的所述距离小于流动气流围绕所述纤维开始发展成湍流的距离。

16.权利要求14的装置，其中所述文丘里管与所述喷吹纺丝模头之间的所述距离在约0.25英寸到100英寸之间。

17.权利要求12的装置，另外包括使第二气流进入所述文丘里管的所述通道的所述第一开口端的装置。

18.权利要求13的装置，其中所述扩散室有一个内径，该内径从第一开口端的最小直径到第二开口端的最大直径逐渐增大。

19.权利要求13的装置，另外包括一个位于所述扩散室的所述第二开口端下游的铺放表面。

20.权利要求13的装置，其中所述装置放在一个密封室之内。

21.权利要求20的装置，其中所述密封室包含有一种不起反应的介质。

22.权利要求13的装置，其中所述文丘里管和所述扩散室是一个单一装置。

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