在增压蒸汽环境中拉伸丙烯腈系纤维的装置以及用于所述装置的自动拉入设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在增压蒸汽环境中拉伸丙烯腈系纤维的装置，尤其是用作碳纤维制造工艺中的前体的丙烯腈系纤维，并且涉及一种用于所述装置的自动拉入设备。
【背景技术】
[0002]碳纤维是由细丝构成的，该细丝通常是连续的或者具有预定长度，其具有
2.5-12 μπι的直径，优选5-7 μπι的直径，并主要是由碳原子构成的。碳原子在晶体基体中相互键连，其中各个晶体在更大或更小程度上是沿着纤维的纵向轴线对准的，从而相比于其尺寸赋予纤维极高的耐受力。
[0003]数千条碳纤维然后相互聚集以形成线或绳，然后直接使用或者在织布机中织成织物。对因此获得的纱线或织物孕镶树脂，一般是环氧树脂，然后将其模制成非常轻的具有高耐受力的复合物产品。
[0004]碳纤维在有机和无机纤维之间具有过度点；事实上，它们开始是由通过热-机械处理和热解改性的有机纤维制造的，在此过程中，首先发生的是各条纤维内的分子段的重新定向，接着在更高的温度下，去除氧、氢和大部分的氮，以便于最终的纤维含有高于90%甚至高达99%的碳，余量是氮。
[0005]目前，碳纤维是通过对人造纤维(工业用人造丝，实验用木质素)或者合成物(世界产量至少90%聚丙烯腈，还有ΡΒ0以及实验用的、其他热塑性纤维)进行改性生产的或者由原油蒸馏或焦油蒸馏的残留物(沥青)生产的。
[0006]在碳纤维是通过对聚丙烯腈(PAN)合成纤维进行改性来获得的情况下，本发明包括在该领域中，其中初始的聚丙烯腈纤维(所谓的前体)必须具有合适的化学组成、特定的分子定向和特定的形态，以便于最终的碳纤维具有令人满意的结构并且从该碳纤维可以获得机械特征。赋予源丙烯腈系纤维的分子定向，通过不同的拉伸处理，事实上对结构均匀性具有积极影响，因此对最终碳纤维的韧性和弹性模量具有积极影响；然而，在拉伸操作过程中在纤维中引起的应力必须不能过高，因为在这种情况下会在纤维表面和内部产生结构缺陷。
[0007]聚丙烯腈合成纤维的分子取向和形态的所需变化是通过在高温下对纤维进行机械拉伸处理实现的。传统上，这种拉伸操作是在热水(湿法拉伸)中执行的，然后在12-60蒸汽加热辊子组上进行回缩保持处理，纤维在所述辊子组上延伸。这些辊子具有受控的速度和温度以便于首先纤维被逐渐烘干，然后稳定化并塌缩。通过该最后的过程，旨在将微间隙填充，这些微间隙是通过在水中扩散而移除纺丝溶剂以及通过水的后续蒸发而在纤维内产生的。
[0008]上面阐述的这种装置广泛地用在纺织工业中，但是当PAN纤维然后必须用作碳纤维的前体时该装置不能令人满意，因为由于后续的处理步骤，通过湿法处理，其不可能达到好的分子取向所需的高的最终拉伸比。事实上，仅在高温(从120°C到190°C)下饱和蒸汽在丙烯酸聚合物上的塑化动作才能获得这种拉伸比(在最终的不再可湿拉伸的纤维上从
1.2到4)，在所获得的纤维的质量方面，由于后续纤维氧化和碳化步骤的需求，拉伸比能够获得最佳的效果。
[0009]事实上，许多更早的专利已经提出了在饱和或过热的蒸汽环境中执行拉伸操作。事实上当拉伸区域中存在饱和蒸汽时，在纤维绳中可以获得非常快而均匀的凝结潜热的传递。同时，高温下在纤维上形成的凝结水在该纤维上具有塑化效果，从而能够增加拉伸比而不需要将拉伸应力增加到会在纤维中引入结构缺陷的水平。通常采用适度的蒸汽过热来防止拉伸装置内过早凝结的危险。
[0010]利用增压饱和或过热蒸汽在合适的装置中执行拉伸操作，其中使要被处理的纤维在供应有保护或过热蒸汽的腔室内延伸；所述腔室在纤维入口和出口开口处包括通常是迷宫式的蒸汽密封件以限制蒸汽损失。除了蒸汽消耗的局限性之外，当设计这些装置时必须解决的另一个主要问题在于运行的纤维与该装置的固定部件之间可能发生的偶然的磨损接触，这种接触由于表面破坏、局部过热或接触点下游增大的应力当然造成纤维不理想的磨损，这种磨损可能造成各条细丝撕断。这然后会触发进一步的擦磨和堵塞，进而甚至会导致整个绳的破损。
[0011]根据拉伸腔室的截面形状，当前已知的拉伸装置可以基本上分成三类:
[0012]1.具有小尺寸圆形截面拉伸腔室的装置，这些腔室的直径等于相邻绳ο的延伸轴线之间的距离或者至多等于所述距离的两倍，该腔室是由一个或多个管状元件构成的，单条纤维绳在每个管状元件中延伸；
[0013]2.具有大尺寸圆形截面拉伸腔室的装置，它们的布置与蒸汽收集器类似，但是在其端部处设有迷宫式密封件，其易于容纳多条并排的纤维绳。所述装置中包含大量蒸汽，结果延长了填充和清空时间，以及难以控制装置的热变形，非常大地限制了其发展，因此在该描述中不再对它们进行进一步的讨论。
[0014]3.具有低高度矩形截面拉伸腔室的装置，其易于容纳多条并排的纤维绳。
[0015]Toray Industries 公司的 JP-2008-214795 和 JP-2008-240203 披露了第一种装置，其中在0.45-0.70MPa下在增压蒸汽腔室中处理支数为3.0-6.0分特克斯的4K-12K纤维绳。输出的拉伸后的纤维具有0.5-1.5分特克斯的支数。
[0016]Mitsubishi Rayon 公司的 JP-2009-256820 和 W0-2012-108230 披露了矩形腔室装置，其中处理多条并排的绳。当该装置在其操作温度(140°C)下时定义了迷宫式密封件的单个元件的优选尺寸值(高度/节距比低于0.3)，和上、下密封件之间的距离(〈0.5mm)。还描述了不同类型的硬化结构，以便于限制该装置的热变形。
[0017]Kolon公司的KR-2012-0090126披露了另一种矩形腔室拉伸装置。
[0018]Mitsubishi Rayon公司的W0-2012-120962披露了一种矩形腔室装置，其中在压力密封件的区域中进一步设有竖直隔离物，该竖直隔离物在横向上限制了每条绳的延伸路径，以便于限制蒸汽损失和避免相邻绳之间的任何相互作用。
[0019]具有圆形截面拉伸腔室的第一种装置相比于其他方案具有更低机械应力的优点，因此它们减小了其机械结构的厚度。容纳单条绳，迷宫式密封件可以具有严格限制到绳延伸需求的开口，该开口可以具有圆形形状以及可以成形为直线狭缝。第一形状是将进出该装置的绳入口和出口区域中自由区域减到最小从而将蒸汽损失减到最少但是迫使本身是平面的绳变成圆形的形状。相反，不产生涡流的密封件的制造在这些装置中是复杂和昂贵的，此外，不允许打开所述装置，结果不能监视内部除非拆卸元件。圆形截面密封件此外必须具有小的直径(<3mm)以便于没有过多的蒸汽损失，这对于处理大于3K-6K的绳是不合适的。甚至在将多个管状腔室连接到单个装置中的情况下，也是低生产率的装置。
[0020]矩形腔室拉伸装置不是更简单的构造；此外，能够容纳多条平的相互并排的绳，每条绳具有大尺寸，例如24K，可以容易获得高的生产率。相反，通过用于绳入口和出口的宽的矩形开口的蒸汽损失是显著的，这意味着更高的运行成本。此外，在矩形腔室装置中，该装置在其达到操作温度时经历的热膨胀是非常高的，确切地说是由于该装置本身大的长度和宽度尺寸；这些膨胀(不像在具有圆形截面腔室的装置中发生的)关于绳路径是非对称的。因此容易在横向和纵向上发生装置拱起和扭曲，这增加了被处理的纤维与该装置固定部件之间擦磨接触的可能性，已经发现了磨损和纤维可能断裂的问题。
[0021]最后，在上述所有类型的装置中，最开始的拉入操作由于拉伸腔室的封闭结构及其用于绳子自由通过的大长度和低高度而具有大的工作强度。在绳断裂的情况下，因此必然导致生产线中止，以便然后能够继续绳的新的拉入。该缺陷在矩形腔室拉伸装置的情况下当然是更严重的，其中绳断裂必然造成在所有其他仍然完整的绳上的处理的中断以便断裂绳的拉入操作继续推进，或者造成断裂的绳的整个生产废弃直到批量生产结束，两种选择都需要高的经济成本。
[0022]在纺织衍生工厂中，前体一般是大规模制造的，单条纤维聚集成包含高达300，000条单丝的束或绳；在这种工厂中制造的最小的绳例如包含48，000条丝(所谓的48K)。对于这种工厂，采用正如之前所述的圆形腔室(一个腔室一条绳)拉伸系统是不可行的，因此必须在矩形腔室拉伸装置中对它们进行必要的处理。类似地，现存的工厂尤其是为了制造低旦绳而设立的，其中制造是生产1K、3K、6K和12Κ绳的小规模或中规模生产。在这些工厂中，绳子在增压饱和蒸汽环境中的拉伸可以在具有圆形截面腔室的装置中执行的，当然是每个腔室具有单条绳子。
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