专利名称：一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于长纤化学纤维蒸汽定型装置，具体是一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置。
背景技术：
碳纤维因其高比强度、高比模量、耐热、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变等优异特性而被作为一种增强材料广泛应用于航空航天、国防建设等领域，其中，聚丙烯腈基碳纤维的应用最为广泛，产量也最高。高性能聚丙烯腈基碳纤维的主要原料是聚丙烯腈原丝，原丝的质量在很大程度上决定着最终碳纤维的质量。原丝在生产过程中，经过热水牵伸、干燥致密化和高压蒸汽牵伸之后，纤维内部存在较大的热应力，处于不稳定状态。这就需要对纤维进行松弛热定型，允许纤维收缩3% 8 %左右，局部链段解取向，而整个大分子链仍保持对纤维轴的择优取向。有些大分子链，一部分在晶区，另一部分在非晶区，晶界则是应力集中处，通过解取向或产生弯曲，自然回缩， 消除应力，使其处于热力学稳定状态。热定型的结果是使纤维的伸长显著增加，沸水收缩率降低。如果不进行热定型或热定型不足，纤维在放置过程中会慢慢地进行自然回缩，使纤维上出现一棱一棱的收缩皱痕，影响最终碳纤维性能和工艺性。热定型温度在玻璃化温度之上，热定型时间约为数十秒，应与温度匹配。现有的热定型设备有采用电热板或红外板加热，也可采用管式热定型炉，此类设备与方法的优点是热定型腔内温度稳定、波动小，缺点是加热环境为干热环境，而干热气氛使得纤维内外受热不均勻，热定型后丝束质品质较差；另一类设备结构是采用蒸汽加热，其箱体结构采用开合式，箱体内均布若干蒸汽喷嘴雾化器，蒸汽在进入热定型管内时进行雾化减压，即可保证热定型的温度，又可提供湿热气氛使纤维内外受热均勻。同时，水分子也可渗透到PAN分子链中，使得分子链之间的作用力减弱，从而易于热应力的释放，此时，在牵伸作用力下，可实现均勻的解取向和自然回缩，以提高纤维经热定型后的产品稳定性。有时，为调节蒸汽品质，也可在蒸汽进入热定型管前加水以调节蒸汽的干度。此类设备的缺点是在热定型过程中，由于蒸汽压力的波动或保压不稳定，导致定型箱内压力和温度波动较大，同时，由于此时纤维属于收缩状态，丝束张力较小，在蒸汽的吹动下，丝束摆幅较大，容易导致丝束产生毛丝，影响原丝品质。同时，此类设备在引丝过程中，频繁开启箱体，也导致温度波动较大，效率较低，引丝操作中，过高的蒸汽温度也易弓I发烫伤等安全事故。
发明内容
为克服现有蒸汽热定型装置存在的引丝操作不方便，热定型过程中易产生较多毛丝、温度波动较大、存在烫伤安全隐患的不足，本发明提出了一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置。本发明包括热定型管、连接管路和蒸汽雾化组件；蒸汽雾化组件包括过滤座、定位套、喷嘴压盖、连接座、蒸汽喷嘴、第一滤网和第二滤网。其中，热定型管的外表面包裹有保温层。在热定型管上部固装有两套与蒸汽管道连接的蒸汽雾化组件。在热定型管的两侧均固定有端盖。端盖的中心有走丝孔。两块出入口调节板分别安装在走丝孔的上方和下方。在热定型管一侧表面安装有两个过滤座。在过滤座内铺有第一滤网，在第一滤网上铺有第二滤网。热定型管的另一侧表面安装有排水管道；两个连接座分别安装在过滤座内。两个蒸汽管的一端分别装入两个连接座的内孔的另一端，通过连接座的内孔与蒸汽喷嘴连通。两个蒸汽管的另一端与蒸汽分配管连通。蒸汽管道的一端与蒸汽分配管连通，另一端通过蒸汽调节阀与蒸汽发生器连通。两个过滤座安装孔的中心垂直于热定型管的轴线，并位于同一垂直面上。将喷嘴压盖固定在过滤座上表面；将定位套放置在在第二滤网上。两个底板分别位于两个连接座的下端面处。两个蒸汽喷嘴分别位于两个连接座的内孔的一端，被安装在两个底板的中心孔上。底板、连接座与喷嘴压盖通过螺栓固连在一起。调节板通过调节螺栓固定在两个端盖上；调节板两端有条形通孔；所述的出入口调节板的宽度大于走丝孔的半径。在过滤座内中部，环过滤座的内壁有固定过滤网的凸台；在过滤座的一端端面上有固定喷嘴压盖的螺纹孔；过滤座的另一端形状与热定型管上的圆形孔断面一致；定位套一端端面有端板，端板的中心有贯通孔，该贯通孔的孔径与过滤座一端端面上凸台内孔的孔径一致；蒸汽喷嘴的喷口为“十”字形，喷口宽度为0. 5mm。蒸汽管道的一端与蒸汽分配管连通，另一端与蒸汽发生器连通。本发明的蒸汽雾化组件采用蒸汽节流喷嘴，且喷嘴在热定型管的上部，距离腔体有一定距离，双层滤网分级过滤，一是可以过滤掉蒸汽中所带的颗粒杂质，以有效保护纤维，提高聚丙烯腈原丝的纯度；二是经过双层过滤网缓冲作用，蒸汽压力减小，作用面积扩大，所以蒸汽进入热定型管后，可大大降低蒸汽对丝束的吹扫，可有效降低原丝生产过程中产生的毛丝。由于本发明在热定型管进出口端盖设计有出入口调节板，可根据丝束的K数大小，蒸汽的泄露程度，可有效调节出入口大小，以保证腔体内部的压力和温度。由于本发明采用的多级蒸汽调节、多级过滤，实现热定型管内压力、温度的稳定， 可有效提高聚丙烯腈原丝的品质和质量稳定性。本发明在工作时，预先在热定型腔内预埋一根丝束，用于引丝，使得引丝方便、快捷、平稳，提高了生产效率，避免操作人员被烫伤。
附图1是本发明结构示意图的主视图；附图2是本发明结构示意图的侧视图；附图3是本发明蒸汽雾化组件的结构示意图；附图4是调节板的配合示意图；附图5是过滤座的结构示意图；附图6是定位套的结构示意图；附图7是蒸汽喷嘴的结构示意图；其中，a是蒸汽喷嘴的主视图，b是蒸汽喷嘴的底视图。图中
1.支架2兹汽管道3兹汽分配管4.调节球阀5.排水管道6.蒸汽管7.保温层8.端盖9.出入口调节板10.过滤座11.定位套12.喷嘴压盖13.连接座14塞汽喷嘴15.第一滤网16.第二滤网17.丝束18执定型管19.压力表20.蒸汽调节阀21.支架底座22.底板23菡汽发生器
具体实施例方式本实施例是用于聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型的装置，如图1、图2所示，包括热定型管18、连接管路和蒸汽雾化组件。蒸汽雾化组件包括过滤座10、定位套11、喷嘴压盖12、连接座13、蒸汽喷嘴14、第一滤网15和第二滤网16。其中，热定型管18的外表面包裹有保温层7。在热定型管18上部固装有两套与蒸汽管道连接的蒸汽雾化组件。在热定型管的两侧均固定有端盖8 ；端盖8的中心有走丝孔。两块矩形出入口调节板9分别安装在走丝孔的上方和下方。为了在热定型管18上安装蒸汽雾化组件，在热定型管18 —侧表面有两个过滤座 10的安装孔，并且两个过滤座安装孔的中心垂直于热定型管18的轴线，并位于同一垂直面上；在与过滤座安装孔相对应的热定型管的另一侧表面有排水管道5的安装孔。在过滤座 10内部铺一层第一滤网15，在第一滤网15上铺一层第二滤网16，两层滤网形成分级过滤。 将定位套11放置在在第二滤网16上，通过定位套11压紧两层滤网。将喷嘴压盖12固定在过滤座10上表面。两个过滤座10分别安装在热定型管18上的安装孔内。两个定位套 11分别安装在过滤座10内。两个底板22分别位于两个连接座13的下端面处。两个蒸汽喷嘴14分别位于两个连接座13的内孔的一端，被安装在两个底板22的中心孔上。通过螺栓将底板22、连接座13与喷嘴压盖12固连。两个蒸汽管6的一端分别装入两个连接座13 的内孔的另一端，通过连接座13的内孔与蒸汽喷嘴14连通。两个蒸汽管6的另一端与蒸汽分配管3连通。蒸汽管道2的一端与蒸汽分配管3连通，另一端通过蒸汽调节阀20与蒸汽发生器23连通。聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置安装在支架1上，支架1固定在支架底座 21上。热定型管18采用不锈钢无缝圆管制成。在热定型管18的外表面包裹有岩棉保温层7 ；保温层7的外表面用不锈钢板包覆。在热定型管18 —侧表面有两个过滤座10的安装孔，并且两个过滤座安装孔的中心垂直于热定型管18的轴线，并位于同一垂直面上；在与过滤座安装孔相对应的热定型管的另一侧表面有排水管道5的安装孔。在排水管道5的一端配接有调节球阀4。如图4所示。调节板9通过调节螺栓固定在两端盖8上。调节板9为一矩形不锈钢板，两端加工有条形通孔，通过该条形孔可调节调节板9的位置以调节热定型管18出入口的大小，以保证热定型管18内的压力和温度。所述的出入口调节板9的宽度大于走丝孔的半径。如图3所示，蒸汽雾化组件包括过滤座10、定位套11、喷嘴压盖12、连接座13、蒸汽喷嘴14、15目滤网15、20目滤网16组成。如图5所示，过滤座10为不锈钢金属套，在过滤座10内中部，环过滤座10的内壁有凸台，用于放置固定过滤网。在过滤座10的一端端面上有固定喷嘴压盖12的螺纹孔。过滤座10的另一端形状与热定型管18上的圆形孔断面一致，并与热定型管18上的圆形孔配
I=I O如图6所示，定位套11为圆形薄壁筒，用聚四氟乙烯制成。一端端面有端板，端板的中心有贯通孔，该贯通孔的孔径与过滤座10 —端端面上凸台内孔的孔径一致。喷嘴压盖12包括连接座13、蒸汽喷嘴14和通蒸汽的蒸汽管6。如图7所示，蒸汽喷嘴14为中空回转体。蒸汽喷嘴14内孔的一端为等径孔，另一端为锥形孔。蒸汽喷嘴14 锥形孔一端的端面有“十”字形的开缝，形成了蒸汽喷嘴14的喷口 ；喷口宽度为0.5mm。所述的“十”字形喷口的中心与蒸汽喷嘴14的中心重合。蒸汽在经过蒸汽喷嘴14的减压和雾化，压力减小，而经过第一滤网15和第二滤网16的分级过滤，一是可以进一步过滤掉蒸汽中所带的颗粒杂质，以有效保护纤维，提高聚丙烯腈原丝17的纯度；二是经过双层过滤网的缓冲作用，此时的蒸汽压力减小，作用面扩大，能够降低蒸汽对丝束的吹扫，有效降低原丝生产过程中产生较多的毛丝。装配蒸汽雾化组件时，在过滤座10内部中段圆形凸台上铺一层第一滤网15，在第一滤网15上铺一层第二滤网16，两层滤网形成分级过滤。将定位套11放置在在第二滤网 16上，通过定位套11压紧两层滤网。将喷嘴压盖12通过螺钉固定在过滤座10上表面。如图1所示，连接管路包括蒸汽管道2、蒸汽分配管3、调节球阀4、蒸汽调节阀20。蒸汽管道2为不锈钢无缝管，管道外包裹由保温材料。蒸汽管道2的一端与蒸汽分配管3连通，另一端管道上安装有压力表19和蒸汽调节阀20。蒸汽调节阀20为DN25的不锈钢截止阀。经过精密过滤的蒸汽经蒸汽管道2进入蒸汽分配管3，分为两路，经不锈钢蒸汽管6，进入蒸汽管前有调节球阀4可进行控制，随后蒸汽就进入蒸汽分配组件。机架1是由Φ 57不锈钢管焊接而成的结构件，用于固定和支撑腔体组件以及其它功能零部件，支架底座21与支架1焊接，用以设备与地面之间的固定，配有高度调节螺栓。本实施例在工作时，预先在热定型腔18内预埋一根丝束。当实验生产丝束17从前道工序到达蒸汽定型装置后，与预埋丝束打结，在热定型腔18出口进行牵伸，实现丝束的引丝操作。丝束17穿过热定型装置后，引丝进入牵伸罗拉装置。随后调节蒸汽调节阀20 和调节球阀4，调节蒸汽压力至工艺需要压力，等热定型设备温度提升和稳定后，在高温湿热环境下，聚丙烯腈纤维自然回缩，消除应力，从而使其处于热力学稳定状态，实现聚丙烯腈纤维的蒸汽热定型。
权利要求
1.一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置，其特征在于，包括热定型管、连接管路和蒸汽雾化组件；蒸汽雾化组件包括过滤座、定位套、喷嘴压盖、连接座、蒸汽喷嘴、第一滤网和第二滤网；其中，热定型管的外表面包裹有保温层；在热定型管上部固装有两套与蒸汽管道连接的蒸汽雾化组件；在热定型管的两侧均固定有端盖；端盖的中心有走丝孔； 两块出入口调节板分别安装在走丝孔的上方和下方；在热定型管一侧表面安装有两个过滤座；在过滤座内铺有第一滤网，在第一滤网上铺有第二滤网；热定型管的另一侧表面安装有排水管道；两个连接座分别安装在过滤座内；两个蒸汽管的一端分别装入两个连接座的内孔的另一端，通过连接座的内孔与蒸汽喷嘴连通；两个蒸汽管的另一端与蒸汽分配管连通；蒸汽管道的一端与蒸汽分配管连通，另一端通过蒸汽调节阀与蒸汽发生器连通。
2.如权利要求1所述一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置，其特征在于，两个过滤座安装孔的中心垂直于热定型管的轴线，并位于同一垂直面上。
3.如权利要求1所述一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置，其特征在于，将喷嘴压盖固定在过滤座上表面；将定位套放置在在第二滤网上；两个底板分别位于两个连接座的下端面处；两个蒸汽喷嘴分别位于两个连接座的内孔的一端，被安装在两个底板的中心孔上；底板、连接座与喷嘴压盖通过螺栓固连在一起。
4.如权利要求1所述一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置，其特征在于，调节板通过调节螺栓固定在两个端盖上；调节板两端有条形通孔；所述的出入口调节板的宽度大于走丝孔的半径。
5.如权利要求1所述一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置，其特征在于，在过滤座内中部，环过滤座的内壁有固定过滤网的凸台；在过滤座的一端端面上有固定喷嘴压盖的螺纹孔；过滤座的另一端形状与热定型管上的圆形孔断面一致；定位套一端端面有端板，端板的中心有贯通孔，该贯通孔的孔径与过滤座一端端面上凸台内孔的孔径一致；蒸汽喷嘴的喷口为“十”字形，喷口宽度为0. 5mm。
6.如权利要求1所述一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置，其特征在于，蒸汽管道的一端与蒸汽分配管连通，另一端与蒸汽发生器连通。
全文摘要
一种聚丙烯腈基碳纤维原丝蒸汽热定型装置。在热定型管上部固装有两套与蒸汽管道连接的蒸汽雾化组件。在热定型管的两侧均固定有端盖。端盖的中心有走丝孔。两块出入口调节板分别安装在走丝孔的上方和下方。在热定型管一侧表面安装有两个过滤座。在过滤座内铺有第一滤网和第二滤网。热定型管的另一侧表面安装有排水管道；两个连接座分别安装在过滤座内。两个蒸汽管一端与蒸汽喷嘴连通，另一端与蒸汽分配管连通。蒸汽管道的两端分别与蒸汽分配管和蒸汽发生器连通。本发明通过滤网有效保护纤维，提高聚丙烯腈原丝的纯度，降低原丝生产过程中产生的毛丝。通过出入口调节板有效调节出入口大小，以保证腔体内部的压力和温度。
文档编号D06B23/20GK102337648SQ20111017020
公开日2012年2月1日 申请日期2011年6月23日 优先权日2011年6月23日
发明者沈涛, 王 华, 王增加, 门海泉, 韩笑, 高峰阁 申请人:西安康本材料有限公司