用于湿法纺丝的凝固浴槽的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于湿法纺丝的凝固浴槽，主要解决现有技术中存在的凝固浴内温度场不均匀、浓度场不均匀，毛丝数量多，纤维断头率高和纤维不匀率高的问题。本实用新型采用一种用于湿法纺丝的凝固浴槽，包括：主体槽体、凝固液分配板、凝固液溢流板、凝固液挡板、凝固液进口和出口，其中凝固浴槽两侧和两头都有封板，封板为夹层，夹层里面为保温材料。凝固液分配板和凝固液溢流板上均有圆孔，凝固液分配板上的圆孔直径一致，分布均匀；凝固液溢流板上的圆孔直径下小上大，分布下密上疏的技术方案，较好地解决了该问题，可用于聚丙烯腈基碳纤维原丝的湿法纺丝生产中。
【专利说明】用于湿法纺丝的凝固浴槽
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种用于生产碳纤维用聚丙烯腈原丝的湿法纺丝过程的生产设 备，具体来说是一种生产碳纤维用聚丙烯腈原丝的凝固浴槽。
【背景技术】
[0002] PAN基碳纤维是一种人工合成的无机纤维。它是由丙烯腈和共聚单体，经过聚合、 纺丝、预氧化和碳化等一系列工艺处理后得到的纤维状聚合物。纺丝过程中PAN分子主要 发生物理变化，形成白色的纤维状原丝，预氧化过程中，PAN原丝逐渐演变成某种耐热的含 氧结构，经碳化后，得到含碳量极高的碳纤维。由于碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温 和耐化学腐蚀等性能，因此它的应用领域及其广泛。
[0003] 优质PAN原丝是制造高性能碳纤维的首要必备条件，也是影响碳纤维质量最关键 的因素之一。生产优质PAN原丝对纺丝设备和工艺提出了很高的要求，尤其是对工艺参数 的要求尤其严苛。纺丝过程中，凝固过程是纤维结构形成的一个重要过程，不同凝固条件下 生成的初生纤维的结构是不同的。PAN溶液湿法纺丝凝固成型过程是纤维内部微孔产生的 关键步骤，因此，纺丝凝固条件对碳纤维性能起着决定性的影响。除微孔外，在纺丝过程中 的不合理的凝固工艺也是导致初生纤维不均匀的关键因素之一。湿法纺丝的凝固工艺参数 包括凝固浴温度、浓度和负牵伸等。
[0004] 传统湿法纺丝生产PAN原丝的过程中，所用的凝固浴槽主要由主体槽体、分配板 和溢流板组成，其中溢流板为实心无孔钢板。该种结构的凝固浴槽，在凝固液循环的过程 中，上层流体更新的速度快，中层流体更新的速度慢，下层流体几乎不更新，造成了温度场 和浓度场在高度方向上的不均匀性。最严重情况下，在喷丝板坚直方向3cm(约等于喷丝板 的直径）的间隔下，凝固液温度的上下差距在5?7°C ;凝固液浓度的上下差距在0. 5%以 上。传统结构设计带来的温度场和浓度场的不均匀性，会引起在高度方向上不同位置成形 后的初生纤维结构和性能的差异性，由此遗传下去，造成原丝毛丝增多，断头率变高，CV值 变大。
[0005] -种新型的用于湿法纺丝的凝固浴槽，引入了新型结构的溢流板和挡板，克服了 传统凝固浴槽设计的缺陷，提高了坚直方向上凝固浴槽内温度场和浓度场的均匀性，减少 了原丝中毛丝的数量，降低了原丝断头率和CV值。
[0006] 专利CN200720103930. 5介绍了一种用于湿法纺丝的凝固浴槽，该凝固浴 槽的主要特点是凝固浴进口位于槽体的两端，凝固浴出口位于槽体的中间。专利 CN201120577206. 2涉及一种干喷湿纺用凝固浴槽，它可以方便快捷地调节凝固液液位高 度，使凝固浴槽能够适应较大范围的纺丝速度。上面两篇专利都不同程度的存在凝固浴内 温度场不均匀、浓度场不均匀，毛丝数量多，纤维断头率高和纤维不匀率高的问题。 实用新型内容
[0007] 本实用新型所要解决的技术问题是现有技术中存在的凝固浴内温度场不均匀、浓 度场不均匀，毛丝数量多，纤维断头率高和纤维不匀率高的问题，提供了一种用于湿法纺丝 的凝固浴槽，该凝固浴槽具有在凝固液循环过程中，该结构的凝固浴槽可以保证凝固液的 温度场和浓度场在高度方向上的均匀性，减少原丝中毛丝的数量，降低原丝断头率和纤维 不匀率的优点。
[0008] 为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：一种用于湿法纺丝的 凝固浴槽，包括主体槽体1、凝固液分配板2、凝固液溢流板3、凝固液挡板4、凝固液入口 5 和凝固液出口 6 ;其中凝固液入口 5位于主体槽体1的左侧下方，凝固液出口 6位于主体槽 体1右侧下方；凝固液分配板2位于凝固液入口 5的右侧，凝固液挡板4位于凝固液出口 6 的左侧，凝固液溢流板3位于凝固液挡板4的左侧。
[0009] 上述技术方案，优选方案为：所述的封板优选为夹层，夹层里面优选为保温材料； 所述的保温材料优选为硅酸铝岩棉；所述凝固液挡板优选可拆卸；所述凝固液的循环量优 选为1200L/h到2500L/h之间；所述凝固液分配板上优选分布有为圆孔，在板上呈现矩阵式 分布，且所述圆孔的直径一致；所述凝固液溢流板上优选分布有圆孔；所述凝固液溢流板 上分布的圆孔位于同一层的孔直径一致，不同层的孔直径不一致，圆孔在凝固液溢流板上 的分布不均匀；所述凝固液溢流板上分布的圆孔，最下层的圆孔直径优选小于〇. 2cm ;往上 每层，当溢流板的高度每升高lcm时，圆孔直径的增加值优选不大于0. 5cm ;所述凝固液溢 流板上分布的圆孔的数目，往上每升高一层，横向的孔数目的减少值优选不少于1，且每层 的孔数目优选不少于1。
[0010] 采用本发明的凝固浴槽用于湿法纺丝，凝固液从入口流入，经分配板后进入凝固 浴槽，然后液位慢慢升高，当液位没过溢流板和凝固液挡板的高度后，撤掉凝固液挡板，将 凝固液循环量调节至合适的流量，开始纺丝。
[0011] 本实用新型用于生产碳纤维用聚丙烯腈原丝的湿法纺丝过程中，可以保证凝固 液的温度场和浓度场在高度方向上的均匀性，减少原丝中毛丝的数量，降低原丝断头率和 纤维不匀率的，得到的PAN原丝性能可达断头率1. 1%，单丝拉伸强度5.09cN/dtex，CV值 10. 69% ;单丝断裂伸长率14. 18%，CV值13. 48%，取得了较好的技术效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为本实用新型结构沿图2中AA 7的剖视图；
[0013] 图2为本实用新型结构的俯视图；
[0014] 图3为位于本实用新型结构左侧的分配板示意图；
[0015] 图4为位于本实用新型结构右侧的溢流板示意图；
[0016] 图中，1为主体槽体；2为凝固液分配板；3为凝固液溢流板；4为凝固液挡板；5为 凝固液入口；6为凝固液出口。
[0017] 下面通过具体实施例进一步说明。
【具体实施方式】
[0018] 【实施例1】
[0019] 凝固条件：凝固浴槽体积200L，温度为60°C，浓度为69% (wt% )的DMS0(二甲基 亚砜）水溶液作为凝固液，循环量为1600L/h，计量泵转速9r/min，3. Occ/r，喷丝板3K，孔 径60 μ m，凝固浴牵伸为-30%，采用挡板作为溢流板。经过测量，坚直方向3cm间隔，浓度 差异为0. 6 %，温度差异为6°C。得到的PAN原丝性能如下：毛丝可见，断头率5. 5 %，单丝 拉伸强度6. 41cN/dtex，CV值14. 40% ;单丝断裂伸长率8. 36%，CV值13. 76%。
[0020] 【实施例2】
[0021] 凝固条件：凝固浴槽体积200L，温度为55°C，浓度为65% (wt%)的DMS0(二甲基 亚砜）水溶液作为凝固液，循环量为1800L/h，计量泵转速10r/min，3. Occ/r，喷丝板3K，孔 径60 μ m，凝固浴牵伸为-30 %，采用新型的分配板和溢流板，液位达到溢流板高度后撤掉 挡板。经过测量，坚直方向3cm间隔，浓度差异为0. 3%，温度差异为1. 5°C。得到的PAN原 丝性能如下：毛丝可见，断头率3. 8%，单丝拉伸强度5. 03cN/dtex，CV值8. 83% ;单丝断裂 伸长率 12. 78%，CV 值 9. 38%。
[0022] 【实施例3】
[0023] 凝固条件：凝固浴槽体积200L，温度为45°C，浓度为71% (wt% )的DMSO(二甲基 亚砜）水溶液作为凝固液，循环量为2000L/h，计量泵转速8r/min，3. Occ/r，喷丝板3K，孔 径60 μ m，凝固浴牵伸为-30 %，采用新型的分配板和溢流板，液位达到溢流板高度后撤掉 挡板。经过测量，坚直方向3cm间隔，浓度差异为0. 1%，温度差异为1. 2°C。得到的PAN原 丝性能如下：毛丝可见，断头率2. 5%，单丝拉伸强度5. 67cN/dtex，CV值11. 67% ;单丝断 裂伸长率 12. 22%，CV 值 13. 35%。
[0024] 【实施例4】
[0025] 凝固条件：凝固浴槽体积200L，温度为60°C，浓度为75% (wt% )的DMSO(二甲基 亚砜）水溶液作为凝固液，循环量为2200L/h，计量泵转速10r/min，3. Occ/r，喷丝板3K，孔 径55 μ m，凝固浴牵伸为-30 %，采用新型的分配板和溢流板，液位达到溢流板高度后撤掉 挡板。经过测量，坚直方向3cm间隔，浓度差异为0. 15%，温度差异为1. 6°C。得到的PAN 原丝性能如下：毛丝可见，断头率1. 1%，单丝拉伸强度5. 09cN/dtex，CV值10.69% ;单丝 断裂伸长率14. 18 %，CV值13. 48 %。
[0026] 【实施例5】
[0027] 凝固条件：凝固浴槽体积200L，温度为35°C，浓度为66% (wt% )的DMSO(二甲基 亚砜）水溶液作为凝固液，循环量为1900L/h，计量泵转速6r/min，3. Occ/r，喷丝板3K，孔 径60 μ m，凝固浴牵伸为-30 %，采用新型的分配板和溢流板，液位达到溢流板高度后撤掉 挡板。经过测量，坚直方向3cm间隔，浓度差异为0.25%，温度差异为2. 2°C。得到的PAN 原丝性能如下：毛丝可见，断头率1. 6%，单丝拉伸强度5. 79cN/dtex，CV值8. 65% ;单丝断 裂伸长率11.86%，CV值9. 64%。
[0028] 【实施例6】
[0029] 凝固条件：凝固浴槽体积200L，温度为58°C，浓度为72% (wt% )的DMSO(二甲基 亚砜）水溶液作为凝固液，循环量为2400L/h，计量泵转速10r/min，3. Occ/r，喷丝板3K，孔 径55 μ m，凝固浴牵伸为-30 %，采用新型的分配板和溢流板，液位达到溢流板高度后撤掉 挡板。经过测量，坚直方向3cm间隔，浓度差异为0. 12%，温度差异为1. 7°C。得到的PAN 原丝性能如下：毛丝可见，断头率1.6%，单丝拉伸强度6. 62cN/dtex，CV值7. 03% ;单丝断 裂伸长率12. 35 %，CV值7. 46 %。
[0030] 【比较例1】
[0031] 凝固条件：凝固浴槽体积200L，温度为48°C，浓度为75% (wt%)的DMS0(二甲基 亚砜）水溶液作为凝固液，循环量为1400L/h，计量泵转速10r/min，3. Occ/r，喷丝板3K，孔 径55 μ m，凝固浴牵伸为-30%，采用传统的凝固液分配板和没有开孔的溢流板，经过测量， 坚直方向3cm间隔，浓度差异为4%，温度差异为7°C。得到的PAN原丝性能如下：毛丝可 见，断头率13%，单丝拉伸强度4. 1 lcN/dtex，CV值22. 46%;单丝断裂伸长率6. 55%，CV值 37. 46%。
[0032] 【比较例2】
[0033] 凝固条件：凝固浴槽体积200L，温度为55°C，浓度为69% (wt% )的DMSO(二甲基 亚砜）水溶液作为凝固液，循环量为3000L/h，计量泵转速20r/min，4. 2cc/r，喷丝板12K，孔 径60 μ m，凝固浴牵伸为-50%，不使用凝固液分配板，使用凝固液挡板作为溢流板，经过测 量，坚直方向3cm间隔，浓度差异为8%，温度差异为9°C。得到的PAN原丝性能如下：毛丝 可见，断头率22%，单丝拉伸强度3. 08cN/dtex，CV值33. 68% ;单丝断裂伸长率12. 86%， CV 值 46. 96%。
[〇〇34] 由比较例和实施例可以看出，采用新型的凝固液分配板和溢流板后，提高了坚直 方向上凝固浴槽内温度场和浓度场的均匀性，减少了原丝中毛丝的数量，降低了原丝断头 率，原丝的力学性能提高，纤维不匀率降低。
【权利要求】
1. 一种用于湿法纺丝的凝固浴槽，包括主体槽体（1)、凝固液分配板（2)、凝固液溢流 板（3)、凝固液挡板（4)、凝固液入口（5)和凝固液出口（6);其中凝固液入口（5)位于主体 槽体（1)的左侧下方，凝固液出口（6)位于主体槽体（1)右侧下方；凝固液分配板（2)位于 凝固液入口（5)的右侧，凝固液挡板（4)位于凝固液出口（6)的左侧，凝固液溢流板（3)位 于凝固液挡板⑷的左侧。
2. 根据权利要求1所述的用于湿法纺丝的凝固浴槽，其特征在于所述凝固浴槽两侧和 两头都有封板，封板为夹层，夹层里面为保温材料。
3. 根据权利要求2所述的用于湿法纺丝的凝固浴槽，其特征在于所述的保温材料为硅 酸错岩棉。
4. 根据权利要求1所述的用于湿法纺丝的凝固浴槽，其特征在于所述的凝固液挡板可 拆卸。
5. 根据权利要求1所述的用于湿法纺丝的凝固浴槽，其特征在于所述的凝固液的循环 量为1200L/h到2500L/h之间。
6. 根据权利要求1所述的用于湿法纺丝的凝固浴槽，其特征在于所述的凝固液分配板 上分布有圆孔，在板上呈矩阵式分布。
7. 根据权利要求1所述的用于湿法纺丝的凝固浴槽，其特征在于凝固液溢流板上分布 有圆孔。
8. 根据权利要求7所述的用于湿法纺丝的凝固浴槽，其特征在于凝固液溢流板上分布 的圆孔数目，往上每升高一层，横向的孔数目的减少值不少于1，且每层的孔数目不少于1。
9. 根据权利要求7或8所述的用于湿法纺丝的凝固浴槽，其特征在于所述的凝固液溢 流板上的圆孔位于同一层的孔直径一致，不同层的孔直径不一致，圆孔在凝固液溢流板上 的分布不均匀。
10. 根据权利要求9所述的用于湿法纺丝的凝固浴槽，其特征在于凝固液溢流板上分 布的圆孔，最下层的圆孔直径小于0. 2cm ;往上每层，当溢流板的高度每升高lcm时，圆孔直 径的增加值不大于0. 5cm。
【文档编号】D01D13/02GK203878252SQ201420245111
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】王贺团, 沈志刚, 屠晓萍, 张静 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院