喷丝组件和纺丝组件的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种纺丝原液的过滤和分配装置，主要解决现有技术中存在的纺丝原液可纺性差、第一凝固浴内掉丝多和原丝断头率高的问题。本实用新型通过采用一种喷丝组件，包括纺丝原液的过滤装置和分配装置，其中，纺丝原液的过滤装置包括包边、至少一层第一支撑层、至少一层第一过滤层、至少一层第二过滤层、至少一层第二支撑层；第一支撑层、第一过滤层、第二过滤层和第二支撑层位于包边的凹槽内，并由包边固定为一体，第一支撑层和第二支撑层位于过滤装置的两侧，第一过滤层和第二过滤层位于过滤装置的中间；纺丝原液的分配装置包括分配板，用于分配经过滤装置过滤后的纺丝原液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湿法纺丝的工业生产中。
【专利说明】 喷丝组件和纺丝组件
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种喷丝组件和纺丝组件，具体来说是一种用于湿法纺丝生产聚丙烯腈原丝的喷丝组件和纺丝组件。
【背景技术】
[0002]PAN基碳纤维具有高比强度、高比模量、耐烧蚀、导电、导热等优异性能，因此其作为功能材料和结构材料在体育器材、建筑补强和航空航天等诸多领域得到广泛应用。PAN基碳纤维的生产包括原丝纺制、预氧化和碳化等过程，其中原丝的质量成为制约我国碳纤维发展的“瓶颈”。PAN基碳纤维原丝的纺制包括凝固、牵伸、水洗和干燥致密化等诸多工序，其中最关键的是纺丝原液的凝固。而在过滤、计量和挤出的过程中，纺丝原液的结构和形态对其凝固有重要的影响。
[0003]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。
[0004]毛萍君等人(文献见《合成纤维工业》，2001年第30卷第I期)指出，PAN聚合物溶液的可纺性、纺丝稳定性、纺丝最佳工艺条件以及纤维质量控制都与原液的流变性能密切相关，温度是影响高聚物流体的流动性质的重要因素之一。因此，纺丝原液的流变行为(如粘度)对温度的依赖性极大。
[0005]聚丙烯腈原丝的制备涉及原液的制备和原液的纺丝两个大过程，其中原液的制备包括聚合，脱单和脱泡三道道工序，原液的纺丝包括原液的过滤、计量、凝固、热水牵伸、水洗、上油、干燥致密化、蒸汽牵伸、热定型和卷绕等十几道工序。凝固对纤维成形非常重要，它是由原液细流向初生纤维转变的关键步骤。原液细流进入凝固液(二甲基亚砜/水溶液)中，由于原液细流内的二甲基亚砜浓度比凝固液高，原液细流内的二甲基亚砜向外扩散进入凝固液内；又由于原液细流内的水浓度比凝固液低，凝固液内的水向内扩散进入原液细流内。双扩散作用使得原液细流内的聚合物相分离，形成初生纤维。
[0006]在纺丝过程中，纺丝原液经计量泵计量后，进入鹅颈管内的过滤网进行过滤，这是开始纺丝前的最后一道过滤。这道过滤最重要，也是精度最要，要求最严格的一道过滤。它主要是去除纺丝原液中最后剩余的杂质，以及可能对纺丝产生影响的微凝胶的过滤。最后这道过滤，是在纺丝压力极高的情况下进行的，因此对过滤网的材质要求很高，它必须经受高纺丝压力的冲击而不变形。同时，过滤杂质和过滤微凝胶对过滤网的规格也提出了很高的要求。
[0007]纺丝原液在鹅颈管内经过过滤后，进入分配板内进行重新分配，然后开始纺丝。根据流体动力学的分析，在传统的鹅颈管中，靠近管壁的纺丝原液几乎不流动，而鹅颈管中心的纺丝原液速度最大。纺丝原液的轴向流动速度在径向上呈抛物线分布。流动速度呈抛物线分布的纺丝原液经喷丝板挤出后，很容易造成喷丝板中心和喷丝板边缘上的原液细流的线速度不同，这对凝固成型和纺丝稳定性会产生严重的负面影响。
实用新型内容
[0008]本实用新型所要解决的技术问题之一是纺丝原液可纺性差、第一凝固浴内掉丝多和原丝断头率高的问题，提供了一种喷丝组件，包括纺丝原液的过滤和分配装置。该组件用于聚丙烯腈基碳纤维原丝湿法纺丝的工业生产中。具有纺丝原液的可纺性好、第一凝固浴内的掉丝少和原丝的断头率低的优点。
[0009]本实用新型所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一所对应的纺丝组件。
[0010]为解决上述技术问题之一，本实用新型所采用的技术方案如下:一种喷丝组件，包括纺丝原液的过滤装置和纺丝原液的分配装置，其中，纺丝原液的过滤装置包括包边、至少一层第一支撑层、至少一层第一过滤层、至少一层第二过滤层、至少一层第二支撑层；第一支撑层、第一过滤层、第二过滤层和第二支撑层位于包边的凹槽内，并由包边固定为一体，第一支撑层和第二支撑层位于过滤装置的两侧，第一过滤层和第二过滤层位于过滤装置的中间；纺丝原液的所述分配装置包括分配板，用于分配经过滤装置过滤后的纺丝原液。
[0011]上述技术方案中，所述第一支撑层和第二支撑层的材质优选为钢。
[0012]上述技术方案中，所述第一支撑层和第二支撑层的过滤目数独立优选为10?100目。
[0013]上述技术方案中，所述第一过滤层和第二过滤层的材质优选为钢丝。
[0014]上述技术方案中，所述第一过滤层和第二过滤层的过滤目数优选不同，第一过滤层的过滤目数优选为1600?3000目，第二过滤层的过滤目数优选为3000?7000目。
[0015]上述技术方案中，所述第一支撑层和第二支撑层的钢丝的直径优选为80?500 μ m0
[0016]上述技术方案中，所述分配板上的开孔形状优选为圆形，开孔的分布优选符合环形阵列分布。
[0017]上述技术方案中，所述分配板中心的开孔的孔直径优选为5?10mm，环状阵列分布的环数优选为η = 3?10，第η环上开孔的直径优选为第(η_1)环上开孔的直径的1/2。
[0018]上述技术方案中，所述分配板的环状阵列分布中，第η环上上开孔的数目优选为第(η-1)环上开孔的数目的2倍，且η大于2。
[0019]上述技术方案中，所述的分配板中心的开孔的直径优选为5?10mm，环状阵列分布的环数优选为5?10。
[0020]上述技术方案中，所述的第一支撑层和第二支撑层的过滤精度更优选为35?60目。
[0021]上述技术方案中，所述的第一过滤层的过滤精度更优选为2000?3000目，第二过滤层的过滤精度更优选为4000?6000目。
[0022]上述技术方案中，所述的第一支撑层和第二支撑层的钢丝的直径都更优选为80 ?200 μ mD
[0023]上述技术方案中，所述的分配板中心的开孔的直径更优选为8?10mm，环状阵列分布的环数优选为5。
[0024]为了解决上述技术问题之二，本实用新型采用的技术方案为:一种纺丝组件，包括喷丝板、喷丝头和上述技术方案中任一所述的喷丝组件。
[0025]上述技术方案中，所述纺丝组件的具体安装可以采用现有技术中的方法，本领域技术人员可以进行常规选择。
[0026]纺丝原液由管道输送到过滤装置前，管道的材质耐纺丝原液的腐蚀，管道的截面形状和过滤装置的截面形状相同。纺丝原液先经过过滤装置过滤后，再进入分配装置进行分配。
[0027]采用本实用新型的技术方案，能提高纺丝原液的可纺性，减少第一凝固浴内的掉丝量，降低原丝的断头率，取得了较好的技术效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本实用新型结构的过滤装置示意图。
[0029]图2为本实用新型结构的第一支撑层示意图。
[0030]图3为本实用新型结构的第二支撑层示意图。
[0031]图4为本实用新型结构的第一过滤层示意图。
[0032]图5为本实用新型结构的第二过滤层示意图。
[0033]图6为本实用新型结构的分配装置示意图。
[0034]图中，I为包边，2为第一支撑层，3为第一过滤层，4为第二过滤层，5为第二支撑层；6为分配板。
[0035]下面通过具体实施例进一步说明。
【具体实施方式】
[0036]【实施例1】
[0037]第一支撑层和第二支撑层的钢丝直径为100 μ m，第一支撑层和第二支撑层的过滤精度相同，为50目；第一过滤层过滤精度2000目，第二过滤层过滤精度5000目；分配板的开孔形状为圆形，开孔数符合环状阵列分布，共5环，第一环孔直径10mm，孔数目I个；第二环孔直径5mm，孔数目4个；第三环孔直径2.5mm，孔数目8个；第四环孔直径1.25mm，孔数目16个；第五环孔直径0.625mm，孔数目32个。纺丝发现，第一凝固浴牵伸60%时初生纤维无断丝，纺丝100小时第一凝固浴内收集掉丝质量0.13g，原丝的断头率为8%。。
[0038]【实施例2】
[0039]第一支撑层和第二支撑层的钢丝直径为80 μ m，第一支撑层和第二支撑层的过滤精度相同，为10目；第一过滤层过滤精度1600目，第二过滤层过滤精度3000目；分配板的开孔形状为圆形，开孔数符合环状阵列分布，共3环，第一环孔直径5mm，孔数目I个；第二环孔直径2.5mm，孔数目16个；第三环孔直径1.25mm，孔数目32个。纺丝发现，第一凝固浴牵伸55%时初生纤维无断丝，纺丝96小时第一凝固浴内收集掉丝质量0.46g，原丝的断头率为5%。。
[0040]【实施例3】
[0041]第一支撑层和第二支撑层的钢丝直径为500 μ m，第一支撑层和第二支撑层的过滤精度相同，为100目；第一过滤层过滤精度3000目，第二过滤层过滤精度7000目；分配板的开孔形状为圆形，开孔数符合环状阵列分布，共5环，第一环孔直径8mm，孔数目1个；第二环孔直径4臟，孔数目8个；第三环孔直径2mm，孔数目16个；第四环孔直径1mm，孔数目32个；第五环孔直径0.5mm，孔数目64个。纺丝发现，第一凝固浴牵伸70%时初生纤维无断丝，纺丝89小时第一凝固浴内收集掉丝质量0.77g，原丝的断头率为13%0。
[0042]【实施例4】
[0043]第一支撑层和第二支撑层的钢丝直径为200 μ m，第一支撑层和第二支撑层的过滤精度不同，第一支撑层为10目，第二支撑层为100目；第一过滤层过滤精度2000目，第二过滤层过滤精度5000目；分配板的开孔形状为圆形，开孔数符合环状阵列分布，共5环，第一环孔直径8mm，孔数目1个；第二环孔直径4臟，孔数目8个；第三环孔直径2mm，孔数目16个；第四环孔直径1mm，孔数目32个；第五环孔直径0.5mm，孔数目64个。纺丝发现，第一凝固浴牵伸50%时初生纤维无断丝，纺丝98小时第一凝固浴内收集掉丝质量1.06g，原丝的断头率为14%。。
[0044]【实施例5】
[0045]第一支撑层和第二支撑层的钢丝直径为200 μ m，第一支撑层和第二支撑层的过滤精度不同，第一支撑层为100目，第二支撑层为10目；第一过滤层过滤精度2500目，第二过滤层过滤精度5500目；分配板的开孔形状为圆形，开孔数符合环状阵列分布，共5环，第一环孔直径10mm，孔数目1个；第二环孔直径5mm，孔数目4个；第三环孔直径2.5mm，孔数目8个；第四环孔直径1.25mm，孔数目16个；第五环孔直径0.625mm，孔数目32个。纺丝发现，第一凝固浴牵伸95%时初生纤维无断丝，纺丝105小时第一凝固浴内收集掉丝质量0.50g，原丝的断头率为9%。。
[0046]【实施例6】
[0047]第一支撑层和第二支撑层的钢丝直径为300 μ m，第一支撑层和第二支撑层的过滤精度不同，第一支撑层为50目，第二支撑层为80目；第一过滤层过滤精度2000目，第二过滤层过滤精度6000目；分配板的开孔形状为圆形，开孔数符合环状阵列分布，共5环，第一环孔直径10mm，孔数目1个；第二环孔直径5mm，孔数目4个；第三环孔直径2.5mm，孔数目8个；第四环孔直径1.25mm，孔数目16个；第五环孔直径0.625mm，孔数目32个。纺丝发现，第一凝固浴牵伸85%时初生纤维无断丝，纺丝110小时第一凝固浴内收集掉丝质量1.03g，原丝的断头率为5%。。
[0048]【比较例】
[0049]过滤装置无支撑层，过滤层为1层，过滤精度6000目，过滤层有金属包边，分配板开孔形状为圆形，开孔数符合环状阵列分布，分配板上所有的开孔直径为3_，环数为5，第一环孔数目1，第二环孔数目3，第三环孔数目7，第四环孔数目13，第五环孔数目19。纺丝发现，第一凝固浴牵伸85%时初生纤维有明显断丝，纺丝48小时第一凝固浴内收集掉丝质量为8.05g，原丝断头率50%。。
[0050]由比较例和实施例6可以看出，采用本发明的技术方案，能提高纺丝原液的可纺性，减少第一凝固浴内的掉丝量，降低原丝的断头率，取得了较好的技术效果。
【权利要求】
1.一种喷丝组件，包括纺丝原液的过滤装置和分配装置，其中，过滤装置包括包边(1)、至少一层第一支撑层(2^至少一层第一过滤层(3^至少一层第二过滤层(4)、至少一层第二支撑层(5)；第一支撑层(2^第一过滤层(3^第二过滤层(4)和第二支撑层(5)位于包边(1)的凹槽内，并由包边(1)固定为一体，第一支撑层(2)和第二支撑层(5)位于过滤装置的两侧，第一过滤层(3)和第二过滤层(4)位于过滤装置的中间；所述分配装置包括分配板(6),用于分配经过滤装置过滤后的纺丝原液。
2.如权利要求1所述喷丝组件，其特征在于所述第一支撑层(2)和第二支撑层(5)的材质为钢。
3.如权利要求1所述喷丝组件，其特征在于所述第一支撑层(2)和第二支撑层(5)的过滤目数独立选为10?100目。
4.如权利要求1所述喷丝组件，其特征在于所述第一过滤层(3)和第二过滤层(4)的材质为钢丝。
5.如权利要求1所述喷丝组件，其特征在于所述第一过滤层(3)和第二过滤层(4)的过滤目数不同，第一过滤层的过滤目数为1600?3000目，第二过滤层的过滤目数为3000 ?7000 目。
6.如权利要求1所述喷丝组件，，其特征在于所述第一支撑层(2)和第二支撑层(5)的钢丝的直径为80?500 VIII。
7.如权利要求1所述喷丝组件，其特征在于所述分配板(6)上的开孔形状为圆形，开孔的分布符合环形阵列分布。
8.如权利要求7所述喷丝组件，其特征在于所述分配板￠)中心的开孔的孔直径为5?10臟，环状阵列分布的环数为II = 3?10，第II环上开孔的直径为第(11-1)环上开孔的直径的1/2。
9.如权利要求7所述喷丝组件，其特征在于所述分配板(6)的环状阵列分布中，第II环上上开孔的数目为第(11-1)环上开孔的数目的2倍，且!1大于2。
10.一种纺丝组件，包括喷丝板、喷丝头和权利要求1?9任一所述的喷丝组件。
【文档编号】D01D1/10GK204251780SQ201420702956
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】王贺团, 沈志刚, 屠晓萍, 张静, 赵微微 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