ES2905786T3

ES2905786T3 - Conjunto de hilador para el hilado de fibras poliméricas

Info

Publication number: ES2905786T3
Application number: ES17722258T
Authority: ES
Inventors: Thomas Taylor
Original assignee: Cytec Industries Inc
Current assignee: Cytec Industries Inc
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2017-04-24
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2037-04-24
Also published as: CN109072483A; CA3021863A1; AU2017257537A1; KR20180133867A; EP3449046A1; JP2019515148A; BR112018071240A2; BR112018071240B1; US20220205138A1; US20170306527A1; KR102365855B1; AU2017257537B2; CN109072483B; US11306413B2; MX2018012944A; JP7159053B2; EP3449046B1; WO2017189438A1; US11885042B2

Abstract

Un conjunto de hilador para el hilado de fibras poliméricas, que comprende los siguientes componentes: (a) una tapa (10) provista de un puerto de entrada (11) y una superficie inferior ensanchada (10a) que se ensancha hacia afuera desde el puerto de entrada (11) en la dirección de flujo; (b) un hilador (13) que tiene una parte central, teniendo dicha parte central numerosos canales de flujo de hilado a través de su espesor; y (c) una guía de flujo (15) con una geometría estrechada montada en una cavidad definida por la tapa (10) y el hilador (13), teniendo dicha guía de flujo (15) un vértice que se orienta al puerto de entrada (11), una base que se orienta al hilador (13) y una o más superficies de lado que se estrechan hacia el vértice, formando dicha(s) superficie(s) un ángulo agudo con la base; en el que un paso de flujo divergente está definido por la(s) superficie(s) de lado que se estrecha(n) de la guía de flujo (15) y la superficie inferior ensanchada de la tapa, dicho paso de flujo divergente rodea la(s) superficie(s) de lado que se estrecha(n) de la guía de flujo (15) y se encuentra en comunicación fluida con el puerto de entrada, y la base de la guía de flujo (15) se separa de una superficie superior del hilador (13), creando un espacio que está en comunicación fluida con el paso de flujo divergente.

Description

DESCRIPCIÓN

Conjunto de hilador para el hilado de fibras poliméricas

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La FIG. 1 ilustra un conjunto de hilador de acuerdo con una realización de la presente divulgación.

Las FIG. 2A y 2B muestran una vista en perspectiva y una vista en sección transversal, respectivamente, de una guía de flujo con forma de cono de acuerdo con una realización de la presente divulgación.

La FIG. 3muestra una correspondiente tapa que se puede unir de manera separable a la guía de flujo mostrada en la FIG. 2A.

La FIG. 4 muestra un conjunto parcial de la guía de flujo con forma de cono mostrada en la FIG. 2A unido a la correspondiente tapa mostrada en la FIG. 3.

La FIG. 5 ilustra un hilador, un filtro y un anillo en forma de O de acuerdo con una realización de la presente divulgación.

La FIG. 6 muestra una vista parcial y en sección transversal de los canales de flujo del hilado en un hilador de acuerdo con una realización de la presente divulgación.

La FIG. 7 muestra un conjunto de hilador de acuerdo con otra realización de la presente divulgación.

La FIG. 8 ilustra el paso de flujo de la materia prima a través del conjunto de hilador de la presente divulgación.

La FIG. 9 ilustra el paso de flujo de la materia prima a través del mismo conjunto de hilador sin una guía de flujo, a modo de comparación.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

En el hilado de fibras, se extruye una solución polimérica en estado líquido o un polímero en estado fundido a través de pequeños orificios de un hilador para formar filamentos finos. Al salir del hilador se solidifican los filamentos. Después de la solidificación, se puede tirar de o se pueden estirar los filamentos para cambiar las propiedades de los filamentos.

Por lo general, los diseños de troqueles de hilado con hueco de aire incorporan un plato rompedor y un filtro de distribución para distribuir el material dopado de polímero a través del área húmeda del hilador. No se tiene en cuenta la distribución del material dopado de polímero de manera que permita al operador evaluar rápida y fácilmente la calidad del material dopado que sale del troquel, de modo que se proporcione suficiente tiempo para purgar el sistema de suministro de polímero de burbujas de aire y geles de polímero. Además, el típico diseño de troquel permite que se introduzca el material dopado en la cavidad de hilador de modo que haya un alto riesgo de que el aire quede atrapado en la cavidad de hilador de modo que las burbujas de aire tarden mucho más en romperse y esto de como resultado defectos de hilado horas e incluso días después del inicio.

La información pertinente a estos temas se describe en los documentos US 3847522, US 4072457 y US 5513973.

En el presente documento se desvela un dispositivo para el hilado de fibras poliméricas y, más particularmente, un conjunto de hilador. En algunas realizaciones, el hilador es capaz de presentar el material dopado de polímero como una película anular adecuada para la inspección visual de geles o burbujas de aire antes de la instalación del hilador y de suministrar el material dopado al hilador después de la instalación de tal manera que se evite que tenga ningún aire en la cavidad por encima del hilador de modo que se pueda lograr un buen hilado más rápidamente.

El conjunto de hilador desvelado en el presente documento se puede usar en métodos de hilado de fibras convencionales, incluyendo el hilado por fundición, hilado en húmedo, hilado en seco e hilado en húmedo por chorro seco.

En el hilado en seco, se extruye una solución de polímero, denominada “material dopado”, a través del hilador en una zona calentada en la que se evapora el disolvente. Este es un proceso más lento que el enfriamiento de las fibras hiladas por fundición y, como resultado, tiende a producir fibras con propiedades no uniformes y una sección transversal menos circular.

El hilado en húmedo por chorro seco es idéntico al hilado en seco, excepto en que el material dopado de polímero se extruye a través del hilador en un baño de coagulación líquido que contiene una mezcla de disolvente/no disolvente denominada coagulante. El disolvente es casi siempre el mismo que el usado en el material dopado y el no disolvente es normalmente agua.

La presente invención desvela, de acuerdo con la reivindicación 1, un conjunto de hilador para hilar fibras poliméricas, que comprende: (a) una tapa provista de un puerto de entrada y una superficie inferior ensanchada que se ensancha hacia afuera desde el puerto de entrada en la dirección de flujo; (b) un hilador que tiene una parte central, teniendo dicha parte central numerosos canales de flujo de hilado a través de su espesor; y (c) una guía de flujo con una geometría estrechada montada en una cavidad definida por la tapa y el hilador, teniendo dicha guía de flujo un vértice que se orienta al puerto de entrada, una base que se orienta al hilador y una o más superficies de lado que se estrechan hacia el vértice, formando dicha(s) superficie(s) un ángulo agudo con la base; en el que un paso de flujo divergente está definido por la(s) superficie(s) de lado estrechada/s de la guía de flujo y la superficie inferior ensanchada de la tapa, dicho paso de flujo divergente rodea la(s) superficie(s) lateral(es) estrechada(s) de la guía de flujo y está en comunicación fluida con el puerto de entrada, y la base de la guía de flujo se separa de una superficie superior del hilador, creando un espacio que está en comunicación fluida con el paso de flujo divergente.

La FIG. 1 ilustra una realización del conjunto de hilador de la presente divulgación. Los componentes principales del conjunto de hilador incluyen una tapa 10 con un puerto de entrada 11, una carcasa 12, que se sujeta de manera desmontable a la tapa 10, un hilador 13 con una pluralidad de canales de flujo de hilado, un filtro 14 que se apoya sobre el hilador y una guía de flujo 15 con una geometría estrechada. El puerto de entrada 11 se extiende a través del espesor de la tapa 10 y, en algunas realizaciones, se localiza en el centro. La guía de flujo 15 se monta en la cavidad definida por la tapa 10 y el hilador 13. La guía de flujo 15 se une de manera desmontable a la tapa 10 a través de los separadores 15a, pero no se fija ni se conecta de manera mecánica al hilador 13.

Todavía con referencia a la FIG. 1, la guía de flujo 15 tiene una geometría estrechada con un vértice (o pico) dirigido hacia el extremo de salida del puerto de entrada 11, una base que se orienta al filtro 14 y una o más superficies de lado estrechadas hacia el vértice. La geometría estrechada de la guía de flujo puede ser una forma cónica o piramidal. La tapa 10 tiene una superficie inferior 10a ensanchada que se ensancha hacia afuera desde el puerto de entrada 11 en la dirección de flujo y se separa de la(s) superficie(s) estrechada(s) de la guía de flujo 15, creando un hueco anular. El hueco anular puede ser sustancialmente constante a lo largo de la mayoría de la(s) superficie(s) estrechada(s) de la guía de flujo 15. En algunas realizaciones, este hueco puede estar en el intervalo de 0.5 a 10.0 mm. En conjunto, la superficie inferior 10a ensanchada de la tapa 10 y la guía de flujo 15 definen un paso de flujo divergente que está en comunicación fluida con el puerto de entrada 11. La base de la guía de flujo 15 se separa del hilador 13, definiendo un espacio en comunicación fluida con el paso de flujo divergente. En una realización, la base de la guía de flujo 15 es plana o sustancialmente plana y se orienta paralela a la superficie de entrada del hilador 13, que también es plana o sustancialmente plana. La expresión “sustancialmente plana”, tal como se usa en el presente documento, abarca las superficies que no son perfectamente planas. El espacio entre la base de la guía de flujo y la superficie de entrada del hilador tienen una altura de hueco de 1 a 20 mm. En realizaciones alternativas, la base de la guía de flujo puede tener una superficie curvada, por ejemplo, una superficie convexa.

En una realización, la superficie inferior 10a ensanchada de la tapa 10 corresponde a la forma de la guía de flujo 15. Por ejemplo, la guía de flujo 15 puede ser cónica en cuanto a la forma y la superficie inferior 10a ensanchada puede tener una forma cónica truncada, como un embudo. Una guía de flujo con forma de cono ejemplar se ilustra mediante las FIG. 2A y 2B (vista en perspectiva y en sección transversal, respectivamente) y una tapa correspondiente se muestra en la FIG. 3. Con referencia a las FIG. 2A y 2B, la guía de flujo 15 tiene una pluralidad de separadores 15a sobre su superficie cónica 15a para proporcionar el hueco necesario entre la superficie inferior 10a ensanchada y la guía de flujo 15. En esta realización, los separadores son estructuras tubulares cortas (FIG.

2A), que se alinean axialmente con los orificios de tornillo en la guía de flujo (FIG. 2B). Los orificios de tornillo se extienden desde la base de la guía de flujo hasta los separadores. Aunque se muestran cuatro separadores, el número de separadores no se limita a los mismos. Se proporcionan orificios ciegos en la tapa 10 (FIG. 3) para ajustarse a los separadores sobre la guía de flujo 15 y para recibir los tornillos que se extienden desde la guía de flujo. A fin de unir la guía de flujo 15 a la tapa 10, los tornillos se enroscan desde la base de la guía de flujo 15, a través de los separadores tubulares y hacia los orificios ciegos en la tapa 10.

Con referencia a la FIG. 2B, la superficie cónica 15b de la guía de flujo 15 forma un ángulo agudo 0 (inferior a 90

grados) con respecto a la base. El ángulo agudo 0 puede ser de 10-90 grados y, en algunas realizaciones, de 15-45 grados. En una realización alternativa, la guía de flujo 15 puede tener una forma piramidal con una superficie inferior poligonal y tres o más superficies inclinadas triangulares, formando cada una un ángulo agudo 0 con la base, y la superficie inferior 10a ensanchada de la tapa 10 puede tener una forma piramidal truncada con una pluralidad de superficies poligonales de conexión que corresponden a las superficies inclinadas de la guía de flujo 15.

Aunque se muestra que la tapa 10 en la FIG. 3 tiene una forma circular con perímetros circulares (o bordes periféricos), debe entenderse que resultan posibles otras formas y geometrías externas. Por ejemplo, la tapa 10 puede tener perímetros cuadrados u otros poligonales. Asimismo, la carcasa 12 puede variar en cuanto a la forma siempre y cuando se adapte a las formas y la geometría externa de la tapa 10 y el hilador 13.

Con referencia de nuevo a la FIG. 1, la carcasa 12 se sujeta de manera desmontable a la tapa 10 de tal manera que estos dos componentes se puedan separar entre sí con relativa facilidad. Una manera de proporcionar tal unión desmontable es proporcionar a la tapa 10 de distribución y la carcasa 12 superficies enroscadas complementarias en las que estas se acoplen entre sí. De esta manera, la carcasa 12 se puede atornillar y desatornillar de la tapa 10 como un fijador de tuerca y tornillo. Como alternativa, la carcasa 12 anular se puede sujetar de manera desmontable a la tapa de distribución usando fijadores convencionales, tales como abrazaderas, una disposición de pernos avellanados y otros medios de fijación convencionales. La tapa 10 y la carcasa 12 se pueden fabricar a partir de metal, cerámica o materiales compuestos (por ejemplo, resina o plástico reforzados con fibras cortadas o continuas). El hilador puede estar fabricado a partir de metal o cerámica.

La FIG. 4 muestra un conjunto parcial de la guía de flujo 15 con forma de cono mostrada en la FIG. 2A acoplado a la tapa 10 correspondiente mostrada en la FIG. 3. El conjunto parcial mostrado en la FIG. 4 (sin la carcasa 12 desmontable y el hilador 13) es opcionalmente funcional “tal como está” durante una etapa de purgado preliminar, en la que la materia prima para el hilado de fibras (por ejemplo, la solución de polímero o el polímero en estado fundido) se introduce de manera continua a presión en el puerto de entrada 11, haciendo que la materia prima fluya a través del paso de flujo divergente entre la tapa 10 y la guía de flujo 15. El material descargado se encuentra en forma de película tubular delgada. Esta etapa de purgado preliminar se puede llevar a cabo durante un período de tiempo predeterminado, por ejemplo, de 15 a 90 minutos, para permitir al operador que inspeccione visualmente la materia prima antes de la instalación del hilador 13 y la carcasa 12 anular. Resulta deseable un polímero en estado fundido o una solución de polímero transparente para el hilado de filamentos de fibras poliméricas. Por tanto, podrían observarse cualquier burbuja de aire, gel de polímero u otras impurezas no deseables en la solución de polímero o el polímero en estado fundido y, si se observan tales impurezas, la instalación del hilador podría retrasarse hasta que la solución de polímero o el polímero en estado fundido fuera transparente y estuviera libre de cualquier heterogeneidad. Esta etapa de purgado preliminar asegura que un hilador no se instale antes de tiempo y, de esa manera, se puede lograr un hilado estable más rápidamente de lo que sería posible de otra manera.

En la realización mostrada en la FIG. 1, el hilador 13 tiene un reborde 13a que sobresale y la carcasa 12 está configurada para acoplar el reborde que sobresale del hilador 13 a una parte periférica de la tapa 10. A tal fin, el extremo inferior de la carcasa 12 anular tiene una parte de pestaña 12a que se extiende hacia dentro sobre la que se apoya el reborde 13a. El hilador 13 se soporta y mantiene en su lugar mediante la carcasa 12, pero no se une de manera permanente o mecánica a la misma mediante ningún mecanismo de fijación. El filtro 14 se apoya de manera libre sobre la superficie de entrada de fluido del hilador 13, cubriendo los canales de flujo de hilado. Opcionalmente, se dispone una junta 16 delgada entre el reborde 13a y la parte de pestaña 12a para crear la altura de hilador correcta con respecto a la superficie inferior de la carcasa 12. La junta 16 se ajusta a la forma de la parte de pestaña 12a, por ejemplo, esta puede tener forma de anillo cuando la carcasa 12 está configurada para alojar un hilador con forma circular. En algunas realizaciones, se confina un sello 17 elástico, por ejemplo, una junta tórica entre el reborde 13a del hilador 13 y la parte inferior periférica de la tapa 10 para formar un sello fluido entre la tapa 10 y el hilador 13, evitando de este modo que la fuga de la solución/masa fundida de polímero fluya a través del conjunto de hilador.

La FIG. 5 muestra, como componentes separados, el hilador 13, el filtro 14 y el sello 17 elástico de acuerdo con una realización. El hilador 13 tiene una parte central rodeada por el reborde 13a que sobresale y esta parte central está provista de un gran número de canales de flujo de hilado que se extienden a través del espesor. La región central tiene un área superficial que es mayor que el área superficial de la base de la guía de flujo. En esta realización, el hilador 13 tiene una parte central rodeada por el reborde 13a que sobresale y la parte central está provista de un gran número de canales de flujo de hilado que se extienden a través del espesor. El sello 17 elástico se ajusta a la forma del reborde 13a que sobresale del hilador 13. En esta realización, el sello 17 es una junta tórica. El filtro puede tener una forma circular que se ajusta a la forma del hilador 13. Se debe entender que el hilador 13, el filtro 14 y el sello 17 pueden tener otras formas geométricas diferentes a la circular, tal como se muestra en la FIG. 5. Por ejemplo, estos componentes pueden tener perímetros cuadrados o poligonales.

El filtro 14 no se une de manera permanente al hilador 13 y se puede reemplazar de manera fácil. Asimismo, el filtro 14 es permeable al líquido, particularmente la solución de polímero y el polímero en estado fundido de baja viscosidad, y puede estar en la forma de una malla de metal, un material no tejido, un disco de partículas sinterizadas o un tejido tejido compuesto de fibras celulósicas, poliméricas o metálicas. El filtro se puede fabricar a partir de cualquier material inerte que sea inerte a la solución/masa fundida de polímero que fluya a través del conjunto de hilador. Los ejemplos de tales materiales inertes incluyen metal, celulosa o polímero.

La junta 16 se puede fabricar a partir de aluminio, acero inoxidable, politetrafluoroetileno (PTFE), polietileno, particularmente, polietileno de alta densidad (HDPE) y cualquier otro material resistente que sea química y térmicamente impermeable al entorno de hilado. El sello 17 elástico, por ejemplo, la junta tórica, se fabrica a partir de un material flexible, tal como EPDM (caucho de monómero de etileno propileno dieno), silicona, politetrafluoroetileno (PTFE) o polietileno (PE), aluminio blando o cualquier otro material compresible que sea compatible con la solución/masa fundida de polímero que vaya a usarse.

La FIG. 6 es una vista en sección transversal en despiece de los canales de flujo de hilado en el hilador de acuerdo con una realización. Los canales de flujo del hilador pueden tener formas en secciones transversales circulares, pero resultan posibles otras formas, tales como ovales, cuadradas, de triángulo, de pentágono y otras poligonales. El número de canales de flujo de hilado puede variar ampliamente en función del método de hilado, la materia prima y el mercado final de la fibra. En cuanto al hilado en húmedo que usa una solución de polímero, el número de canales de flujo de hilado puede ser de al menos 1000, por ejemplo, en el intervalo de 3000 a 75000. En cuanto al hilado en húmedo por chorro seco, el intervalo puede ser de 100 a 10000. En cuanto al hilado por fundición que usa un polímero en estado fundido, el número de canales de flujo de hilado puede estar en el intervalo de 25 a 100,000. En cuanto a los canales de flujo con secciones transversales circulares, el diámetro de las aberturas en el lado de entrada (“aberturas de entrada”) del hilador es mayor que el diámetro de aquellas en el lado de salida (“aberturas de salida”), tal como se muestra en la FIG. 6. En una realización, el diámetro de las aberturas de entrada puede ser de 10 a 100 veces el de las aberturas de salida. Por ejemplo, las aberturas de entrada pueden tener un diámetro en el intervalo de 1000-15000 pm y las aberturas de salida pueden tener un diámetro en el intervalo de 40-500 pm. La longitud de los canales de flujo de hilado (es decir, el espesor de la parte central del hilador en la que se localizan los canales de flujo) puede estar en el intervalo de 2 a 50 mm. La densidad de las aberturas de entrada en la región de superficie superior del hilador 13 puede estar en el intervalo de 5 a 200 aberturas/cm2. De manera similar a las aberturas no circulares, el tamaño (tal como se determina mediante el perímetro) de las aberturas de entrada puede ser mayor que el tamaño de las aberturas de salida, por ejemplo, de 10 a 100 veces mayor.

La FIG. 7 muestra una realización alternativa del conjunto de hilador. En esta realización, una tapa 20 con un puerto de entrada 21 se acopla a un hilador 22 directamente (sin la carcasa 12 mostrada en la FIG. 1) y el hilador 22 no tiene un reborde que sobresale. Los orificios enroscados complementarios (23a en la tapa 20 y 23b en el hilador 22) se proporcionan a través de la tapa y el hilador para alojar los pernos enroscados (no mostrados) para el acoplamiento de la tapa al hilador. Una guía de flujo 24 estrechada se monta en la cavidad definida por la tapa 20 y el hilador 22. Un sello elástico 25, por ejemplo, una junta tórica, se coloca entre la tapa 20 y el hilador 22 para proporcionar un sello fluido. La tapa 20 y la guía de flujo 24 están configuradas para definir un paso de flujo divergente que está en comunicación fluida con el puerto de entrada 21, tal como se ha descrito anteriormente con referencia a la FIG. 1. Asimismo, la guía de flujo 24 se une de manera desmontable a la tapa 20 a través de separadores (no mostrados por simplificar), tal como se ha descrito anteriormente con referencia a las FIG. 1, 2A y 2B. El hilador 22 tiene una superficie rebajada sobre la que se puede colocar un filtro (no mostrado por simplificar). El filtro es tal como se ha descrito anteriormente con referencia a la FIG. 5. La superficie rebajada 22a del hilador se orienta a la base de la guía de flujo 24 y contiene numerosas aberturas, que corresponden a los canales de flujo de hilado del hilador. Los canales de flujo de hilado en el hilador son tal como se han descrito anteriormente. Cuando el hilador 22 se desacopla de la tapa 20, el conjunto parcial de la tapa 20 y la guía de flujo 24 pueden funcionar en una etapa de purgado preliminar, tal como se describe con referencia a la FIG. 4.

El paso de flujo de la materia prima (en lo sucesivo en el presente documento “material dopado de polímero”) a través del conjunto de hilador de la presente divulgación se ilustra mediante la FIG. 8. En la operación, el material dopado de polímero se introduce de manera continua a presión en el puerto de entrada 30 de la tapa 31. Durante la operación, el puerto de entrada 30 se conecta a un suministro de polímero, que proviene típicamente de una bomba dosificadora (no mostrada). Desde el puerto de entrada 30, el material dopado de polímero fluye a través de la trayectoria F de flujo divergente que rodea la superficie estrechada (por ejemplo, la cara cónica) de la guía de flujo 32, después fluye alrededor del perímetro de la base de la guía de flujo hacia el espacio S entre la base de la guía de flujo y el hilador 33, rellenando este espacio S. El material dopado de polímero rellena el espacio S radialmente hacia adentro desde el perímetro de la base de la guía de flujo hacia el centro de este espacio. Cualquier aire atrapado en el paso F de flujo y el espacio S se expulsa en primer lugar a través de los canales de flujo de hilado no obstruidos en el hilador 33. Cuando el espacio S se rellena por completo con el material dopado de polímero y la presión en el mismo alcanza un determinado nivel, el material dopado pasa a través del filtro (no mostrado) y se extruye a través de los muchos canales de flujo de hilado en el hilador 33, formando filamentos de polímero continuos en el lado de salida del hilador 33. Cabe destacar que el espacio S no se obstruye con ninguna estructura intermedia que pueda evitar que el material dopado de polímero pase a través de todos los canales de flujo en el hilador.

La FIG. 9 muestra cómo fluiría el material dopado de polímero a través del mismo conjunto de hilador mostrado en la FIG. 8 sin la guía de flujo 32, tal como una comparación. En esta situación, el material dopado de polímero rellena la cavidad C (definida mediante la tapa 31 y el hilador 33) desde el centro hacia afuera, lo que hace que las bolsas de aire queden atrapadas en la cavidad sin una manera de escapar, a menos que se arrastren en el material de polímero que sale de los canales de flujo de hilado. Como consecuencia, el arrastre de aire en el material provoca la rotura en los filamentos descargados o las gotas de polímero en lugar de los filamentos continuos.

El conjunto de hilador descrito en el presente documento se puede usar en un proceso de hilado en húmedo o hilado en húmedo por chorro seco (también conocido como “hilado con hueco de aire”) para producir fibras de precursor de poliacrilonitrilo (PAN), que se pueden convertir posteriormente en fibras de carbono. A fin de preparar fibras de precursor de PAN, se forma una solución de polímero de PAN (denominada “material dopado” de hilado) como etapa inicial. El material dopado de hilado puede contener una concentración de polímero en el intervalo del 5 %-28 % en peso (preferentemente, del 15 % al 25 %) basada en el peso total de la solución. En el caso del hilado en húmedo, el material dopado extrudido a través del hilador se introduce directamente en un baño de coagulación líquido para formar filamentos. Los orificios del hilador determinan el número de filamentos deseado de la fibra de PAN (por ejemplo, 3,000 orificios para las fibras de carbono 3K). En el hilado con hueco de aire, se mantiene un hueco de aire vertical de 1 a 50 mm, preferentemente de 2 a 15 mm, entre el hilador y el baño de coagulación. En el hilado con hueco de aire, el material dopado extrudido del hilador se introduce en un hueco de aire antes de coagularse en el baño de coagulación. El líquido de coagulación usado en estos procesos de hilado es una mezcla de disolvente y no disolvente. Típicamente, se usa agua o alcohol como no disolvente. La relación del disolvente y no disolvente y la temperatura de baño se usa para ajustar la velocidad de solidificación de los filamentos extrudidos en la coagulación.

En algunas realizaciones, los filamentos hilados se retiran después del baño de coagulación mediante rodillos a través de un baño de lavado para retirar el exceso de coagulante y se estiran en baños de agua caliente para conferir orientación molecular a los filamentos, tal como la primera etapa de control del diámetro de fibra. Los filamentos estirados se secan después, por ejemplo, sobre rodillos de secado. Los rodillos de secado pueden estar compuestos de una pluralidad de rodillos giratorios dispuestos en serie y en configuración de serpentín, sobre los que los filamentos pasan secuencialmente de rodillo a rodillo y con suficiente tensión para proporcionar estiramiento o relajación a los filamentos en los rodillos. Al menos algunos de los rodillos se calientan por medio de vapor presurizado que se hace circular internamente o a través de los rodillos o elementos de calentamiento eléctricos dentro de los rodillos. A fin de convertir las fibras de precursor de PAN en fibras de carbono, las fibras de precursor de PAN se someten a oxidación y carbonización.

El conjunto de hilador desvelado en el presente documento se puede usar en un método de hilado por fundición si el polímero se puede fundir hasta una viscosidad baja adecuada sin degradación. Este método es adecuado para el hilado de fibras termoplásticas a partir de polímeros, tales como fibras de polipropileno, nilón y poliéster. En el hilado por fundición, se introduce un polímero en estado fundido presurizado en el puerto de entrada y se extruye a través del hilador en un medio gaseoso, tal como aire, en el que las fibras extrudidas se enfrían, produciendo filamentos continuos sólidos. Los filamentos se colocan para orientar las moléculas de polímero y para mejorar las propiedades de tracción de las fibras resultantes.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un conjunto de hilador para el hilado de fibras poliméricas, que comprende los siguientes componentes:

(a) una tapa (10) provista de un puerto de entrada (11) y una superficie inferior ensanchada (10a) que se ensancha hacia afuera desde el puerto de entrada (11) en la dirección de flujo;

(b) un hilador (13) que tiene una parte central, teniendo dicha parte central numerosos canales de flujo de hilado a través de su espesor; y

(c) una guía de flujo (15) con una geometría estrechada montada en una cavidad definida por la tapa (10) y el hilador (13), teniendo dicha guía de flujo (15) un vértice que se orienta al puerto de entrada (11), una base que se orienta al hilador (13) y una o más superficies de lado que se estrechan hacia el vértice, formando dicha(s) superficie(s) un ángulo agudo con la base;

en el que

un paso de flujo divergente está definido por la(s) superficie(s) de lado que se estrecha(n) de la guía de flujo (15) y la superficie inferior ensanchada de la tapa, dicho paso de flujo divergente rodea la(s) superficie(s) de lado que se estrecha(n) de la guía de flujo (15) y se encuentra en comunicación fluida con el puerto de entrada, y

la base de la guía de flujo (15) se separa de una superficie superior del hilador (13), creando un espacio que está en comunicación fluida con el paso de flujo divergente.

2. El conjunto de hilador de la reivindicación 1, que comprende, adicionalmente, un filtro (14) que se apoya de manera libre sobre la parte central del hilador (13), siendo dicho filtro (14) permeable al líquido.

3. El conjunto de hilador de la reivindicación 1 o 2, en el que la base de la guía de flujo tiene una superficie con un área superficial, y la parte central del hilador (13), donde se localizan los numerosos canales de flujo de hilado, tiene un área superficial superior que es mayor que el área superficial de la base de la guía de flujo.

4. El conjunto de hilador de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la guía de flujo (15) tiene una forma de cono con una base circular, y opcionalmente, la superficie inferior ensanchada de la tapa (10a) tiene una forma de cono truncado.

5. El conjunto de hilador de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la guía de flujo (15) tiene una forma piramidal con una base poligonal y una pluralidad de paredes de lado poligonales que forman un ángulo agudo con la base, y opcionalmente, la superficie inferior ensanchada de la tapa (10a) tiene una forma piramidal truncada.

6. El conjunto de hilador de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el área superficial superior del hilador (13) comprende numerosas aberturas de entrada que se ajustan a los numerosos canales de flujo de hilado y el hilador (13) tiene un área superficial inferior que comprende numerosas aberturas de salida que se ajustan a los numerosos canales de flujo de hilado y en el que el diámetro de las aberturas de entrada es mayor que el diámetro de las aberturas de salida.

7. El conjunto de hilador de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la guía de flujo (15) se fija de manera desmontable a la tapa (10) al tiempo que se separa de la superficie inferior ensanchada de la tapa.

8. El conjunto de hilador de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

en el que la guía de flujo (15) está provista de una pluralidad de separadores espaciados (15a) sobre su(s) superficie(s) de lado que se estrecha(n) para proporcionar una separación entre la(s) superficie(s) de lado que se estrecha(n) y la superficie inferior ensanchada de la tapa, y

en el que la guía de flujo (15) se fija de manera desmontable a la tapa (10) mediante tornillos que se extienden a través de los separadores (15a).

9. El conjunto de hilador de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la superficie superior de la parte central del hilador es plana o sustancialmente plana y la base de la guía de flujo (15) es plana o sustancialmente plana y se orienta sustancialmente paralela a dicha superficie superior.

10. El conjunto de hilador de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el número de canales de flujo de hilado en el hilador (13) se encuentra en el intervalo de 100 a 100.000 o de 25 a 100.000.

11. El conjunto de hilador de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, adicionalmente, una carcasa (12) que está configurada para soportar el hilador (13) y acoplar el hilador (13) a la tapa (10), en el que la carcasa (12) se sujeta de manera desmontable a la tapa (10).

12. El conjunto de hilador de acuerdo con la reivindicación 11, en el que el hilador (13) tiene un reborde que sobresale (13a) que rodea su parte central y la carcasa (12) tiene una parte de pestaña que se extiende hacia dentro (12a) sobre la que se coloca el reborde que sobresale (13a), y que comprende, adicionalmente, una junta tórica elástica confinada entre el reborde que sobresale (13a) del hilador (13) y una parte inferior periférica de la tapa (10) para formar un sello fluido (17) entre los mismos.

13. El conjunto de hilador de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende, adicionalmente, una junta alojada entre el reborde que sobresale (13a) del hilador y la parte de pestaña (12a) de la carcasa (12).

14. El conjunto de hilador de acuerdo con la reivindicación 11, en el que la carcasa (12) y la tapa (10) comprenden superficies enroscadas complementarias en las que estas se acoplan entre sí de modo que la carcasa (12) se puede torcer dentro o fuera del acoplamiento con la tapa (10).

15. El conjunto de hilador de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10,

en el que la tapa (20) y el hilador (22) están provistos de orificios enroscados complementarios(23a en la tapa 20 y 23b en el hilador 22) para alojar pernos enroscados de tal manera que la tapa (20) se acopla al hilador (22) mediante pernos enroscados que se extienden a través de dichos orificios enroscados (23a en la tapa 20 y 23b en el hilador 22), y

en el que el hilador (22) se puede desacoplar de la tapa (20) mediante el desacoplamiento de los pernos de la tapa (20).

16. Un método para el hilado de fibras que usa el conjunto de hilador citado de nuevo en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, y 15, comprendiendo dicho método:

alimentar de manera continua una materia prima en forma de solución de polímero o polímero en estado fundido al puerto de entrada (30) del conjunto de hilador y expulsar la materia prima a través de los numerosos canales de flujo de hilado en el hilador (33), formando una pluralidad de filamentos continuos, en el que la materia prima fluye desde el puerto de entrada (30) a través del paso de flujo divergente y, después, radialmente hacia dentro en el espacio entre la base de la guía de flujo y la superficie superior del hilador (33), rellenando dicho espacio, y opcionalmente,

comprende, adicionalmente, una etapa de purgado preliminar anterior a la alimentación de la materia prima al puerto de entrada, comprendiendo la etapa de purgado preliminar:

alimentar de manera continua una materia prima en forma de solución de polímero o polímero en estado fundido a través de un conjunto parcial, que comprende la guía de flujo (32) fijada a la tapa (31), pero no comprende el hilador (33) durante un período de tiempo, haciendo que la materia prima fluya a través del paso de flujo divergente;

inspeccionar la materia prima que se descarga del paso de flujo divergente,

en el que dicha etapa de purgado preliminar se produce antes del ensamblado del conjunto de hilador completo que incluye el hilador (33).

17. D Un método para hilar fibras utilizando el conjunto de hilador de una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, comprendiendo dicho método:

alimentar de manera continua una materia prima en forma de solución de polímero o polímero en estado fundido al puerto de entrada (30) del conjunto de hilador y expulsar la materia prima a través de los numerosos canales de flujo de hilado en el hilador (33), formando una pluralidad de filamentos continuos, en el que la materia prima procedente del puerto de entrada (30) fluye a través del paso de flujo divergente y, después, radialmente hacia dentro en el espacio entre la base de la guía de flujo y la superficie superior del hilador (33), rellenando dicho espacio, y opcionalmente,

alimentar de manera continua una materia prima en forma de solución de polímero o polímero en estado fundido a través de un conjunto parcial, que comprende la guía de flujo (32) fijada a la tapa (31), pero no comprende el hilador (33) o la carcasa (12), durante un período de tiempo, haciendo que la materia prima fluya a través del paso de flujo divergente;

inspeccionar la materia prima que se descarga del paso de flujo divergente,

en el que dicha etapa de purgado preliminar se produce antes del ensamblado del conjunto de hilador completo que incluye el hilador (33) y la carcasa (12).

18. Uso del conjunto de hilador citado de nuevo en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15 en un método de hilado de fibras para formar filamentos de fibras continuos, preferentemente, filamentos de fibras de carbono continuos.