一种用于碳纤维原丝洗涤的碳纤维水洗机的制作方法

本发明属于新材料生产技术领域。更具体地，本发明涉及一种用于碳纤维原丝洗涤的碳纤维水洗机。

背景技术：

碳纤维是目前已大量生产高性能纤维中一种具有最高比强度和最高比模量的纤维，具有出色的力学性能和化学稳定性，是新一代复合材料的首选增强纤维。这些特性是其它主要结构材料(金属及其合金)所无法比拟的。我国国防战略和航空航天最为迫切需求这种材料，例如新一代隐身战斗机、导弹、卫星等以及风电、采油、汽车、高铁、建筑补强、桥梁建设等民用高端制造领域，都会大量需求高性能碳纤维复合材料。

碳纤维生产工艺环节多、条件苛刻，每个工艺环节都很重要，单体聚合、凝固纺丝后，纤维原丝中仍含有一定量的溶剂，如果不把残留在原丝中的溶剂除去，容易导致纤维手感粗硬、色泽灰暗、发粘，干燥和热定型时纤维容易发黄，进一步会影响到后续预氧化过程，因此需要通过水洗过程除去残留在纤维原丝中的溶剂。水洗工艺使用的水必须是去离子水，用水量要保证水洗后纤维中的溶剂含量小于0.1％。水洗温度升高有利于丝束中溶剂分子向水中扩散，及水分子向丝束中渗透以达到洗净的目的，但随着水温提高，热耗随之增大，一般控制在温度70～80℃。

通常采用浸渍法、喷淋法、超声法三种洗涤方式对碳纤维原丝进行洗涤，其中浸渍法和喷淋法较为常用。

JP平6-173155.19941描述过碳纤维洗涤方法及其装置，其结果表明喷淋法水洗效果优于浸渍法；实际上，浸渍法随着水洗段数增加，残留溶剂浓度几乎线性降低，直至稳定。喷淋法第一段水洗效果最好，后续几段对水洗效果影响较小。另外，浸渍法水洗设备使用的辊需要浸没在水洗液中，在保证这种辊转动灵活时它的转动轴与水洗槽密封相当困难。喷淋法水洗设备采用槽辊结构，容易造成碳纤维表面机械损伤，并且碳纤维断头纤维缠辊时很难清理，并且这种方法水使用量大，生产成本增加。

目前，国内碳纤维生产过程中水洗设备也存在上述这些问题。CN201020535382公开了一种水洗机，其包括箱体、设置在箱体顶部的第一喷淋组件、位于箱体内且固定在箱体上的多个传动辊以及设置箱体底部的水洗槽等；这种结构的水洗机会影响碳纤维的力学性能，并且清洗效率较低。

针对现有技术存在的这些技术缺陷，本发明人在总结现有技术的基础之上，通过大量实验研究与分析终于完成了本发明。

技术实现要素：

[要解决的技术问题]

本发明的目的是提供一种用于碳纤维原丝洗涤的碳纤维水洗机。

[技术方案]

本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明涉及一种用于碳纤维原丝洗涤的碳纤维水洗机，该水洗机包括机架1与多级水洗槽。该水洗机在机架1前部安装多级水洗槽、在机架1上安装驱动辊与导向辊，而在机架1后部安装两组传动系统；

机架1是一个用角钢制成的框架，机架1在两侧设置左焊接箱体1-1与右焊接箱体1-2；在左焊接箱体1-1下部安装左底座1-1-1，在右焊接箱体1-2下部安装右底座1-2-1，左焊接箱体1-1与右焊接箱体1-2由横撑1-3连接起来；多级水洗槽是由水洗槽以两端错位与平行叠加的方式安装组成的；

所述的水洗槽由双层槽体40、保温槽盖40-3、联结板40-4、液位板41、挡流板42、溢流板43、流出管47与放净管48组成；其中双层槽体40由上槽体40-1与下槽体40-2组成；

在水洗槽内平行安装液位板41、挡流板42与溢流板43；液位板41和溢流板43的下边和两侧边都与双层槽体40内壁密封连接；挡流板42下边与上槽体40-1底部之间留有间隙，它的两侧边与双层槽体40内壁密封连接，它的上边高于液位板41和溢流板43的上边；由液位板41与双层槽体40左侧壁构成洗水注入腔44，由溢流板43与双层槽体40右侧壁构成洗水流出腔46，液位板41同时与位于它右侧的挡流板42构成水洗纤维通道45；在每个水洗槽左侧壁与右侧壁之间按照与水洗槽纵轴平行的方向设置联结板40-4；

双层槽体40的洗水流出腔46通过流出管47与下一级双层槽体40的洗水注入腔44相连，洗水注入腔44与下槽体40-2底面与放净管48相连；

在多级水洗槽中，在双层槽体40上方相互平行安装驱动辊21-26，在最上级水洗槽两端上方各安装一个驱动辊25,26，而其余各级水洗槽只是在洗水流出腔46上方安装驱动辊21-24；

在双层槽体40的联结板上在液位板41与挡流板42之间固定安装导向辊30-39，每个联结板40-4上固定安装一个导向辊；导向辊悬于双层槽体40中，导向辊子下边缘处于洗水液面之下，而上边缘处于洗水液面之上；

安装在两个箱体后面的两组传动系统由伺服电机与减速器组成，驱动辊之间通过同步带传递动力。

根据本发明的一种优选实施方式，所述的水洗槽是一种由两层硬质材料层以及处于它们之间的中间保温材料层组成的长方形槽。

根据本发明的另一种优选实施方式，所述的硬质材料具有耐腐蚀性。

根据本发明的另一种优选实施方式，所述水洗机在上端安装补水槽2，在补水槽与水洗槽之间安装补水截止阀2-1与补水流量计2-2。

根据本发明的另一种优选实施方式，在最下级水洗槽放净管48通过排水截止阀48-1与排水流量计48-2与外界相通。

根据本发明的另一种优选实施方式，在碳纤维水洗机的补水槽和水洗槽中设置热电偶与可调功率电加热管。

根据本发明的另一种优选实施方式，在补水槽和水洗槽中的水洗液温度变动范围是±1℃。

根据本发明的另一种优选实施方式，所述驱动辊与导向辊的外表面是平面或凹槽形。

根据本发明的另一种优选实施方式，所述驱动辊与导向辊的外表面是经过常规表面电镀硬铬、抛光与精磨处理的表面。

根据本发明的另一种优选实施方式，所述驱动辊与导向辊的外表面粗糙度Ra不大于0.1。

下面将更详细地描述本发明。

本发明涉及一种用于碳纤维原丝洗涤的碳纤维水洗机，该水洗机包括机架1与多级水洗槽。该水洗机在机架1前部安装多级水洗槽、在机架1上安装驱动辊与导向辊，而在机架1后部安装两组传动系统；

机架1是一个用角钢制成的框架，机架1在两侧设置左焊接箱体1-1与右焊接箱体1-2；在左焊接箱体1-1下部安装左底座1-1-1，在右焊接箱体1-2下部安装右底座1-2-1，左焊接箱体1-1与右焊接箱体1-2由横撑1-3连接起来；多级水洗槽是由水洗槽以两端错位与平行叠加的方式安装组成的。

左焊接箱体1-1与右焊接箱体1-2是截面为长方形的柱状箱体。左底座1-1-1与右底座1-2-1的结构是底板加侧板固定连接的刚性整体结构。所述箱体与底座是以嵌入方式连成一体的。

如附图1所示，多级水洗槽由水洗槽11、水洗槽12、水洗槽13、水洗槽14与水洗槽15组成，它们以平行叠加方式由上至下依次叠放，同时每级水洗槽的洗水流出腔46下部设有流出口，流出口连接流出管47，流出管47另一端接入下一级水洗槽的洗水注入腔44，它与洗水流出腔46是两端错位配置的。

根据本发明，所述的水洗槽是一种由两层硬质材料层以及处于它们之间的中间保温材料层组成的长方形槽。所述的硬质材料具有耐腐蚀性，本发明使用的硬质材料例如是不锈钢、合金、或其它复合材料，这些硬质材料都是目前市场上销售的产品。本发明使用的保温材料例如是岩棉保温毡、玻璃棉、聚氨酯泡沫或酚醛泡沫材料，这些保温材料都是目前市场上销售的产品。长方形水洗槽的短边与长边的比通常是1:3～6。

所述的水洗槽由双层槽体40、保温槽盖40-3、联结板40-4、液位板41、挡流板42、溢流板43、流出管47与放净管48组成；其中双层槽体40由上槽体40-1与下槽体40-2组成；

在水洗槽内平行安装液位板41、挡流板42与溢流板43；液位板41和溢流板43的下边和两侧边都与双层槽体40内壁密封连接；挡流板42下边与上槽体40-1底部之间留有间隙，它的两侧边与双层槽体40内壁密封连接，它的上边高于液位板41和溢流板43的上边；由液位板41与双层槽体40左侧壁构成洗水注入腔44，由溢流板43与双层槽体40右侧壁构成洗水流出腔46，液位板41同时与位于它右侧的挡流板42构成水洗纤维通道45；在每个水洗槽左侧壁与右侧壁之间按照与水洗槽纵轴平行的方向设置联结板40-4；

双层槽体40的洗水流出腔46通过流出管47与下一级双层槽体40的洗水注入腔44相连，洗水注入腔44与下槽体40-2底面与放净管48相连；

在多级水洗槽中，在双层槽体40上方相互平行安装驱动辊21-26，在最上级水洗槽两端上方各安装一个驱动辊25,26，而其余各级水洗槽只是在洗水流出腔46上方安装驱动辊21-24；

在双层槽体40的联结板上，在液位板41与挡流板42之间固定安装导向辊30-39，每个联结板40-4上固定安装一个导向辊；导向辊悬于双层槽体40中，导向辊子下边缘处于洗水液面之下，而上边缘处于洗水液面之上。在导向辊内部安装陶瓷轴承，固定在联结板40-4上。

在本发明中，所述驱动辊与导向辊的外表面是平面或凹槽形。从设备加工成本、洗涤效果与实际操作方面考虑，优选地是平面。辊材质没有特别限制，通常选用金属材质，例如碳钢、奥氏体不锈钢等。

为了减小辊表面对纤维的机械损伤，同时提高辊本身的耐腐蚀性，通常需要对其辊进行表面处理。

优选地，所述驱动辊与导向辊的外表面是经过常规表面电镀硬铬、抛光与精磨处理的表面，使所述驱动辊与导向辊的外表面粗糙度Ra不大于0.1。有关外表面粗糙度Ra的概念可以参见文献GB/T 1031-2009《表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值》。

根据本发明，所述的水洗机在上端安装补水槽2，在补水槽与水洗槽之间安装补水截止阀2-1与补水流量计2-2。

本发明使用的补水截止阀2-1是目前市场上销售的产品，例如由上海标一阀门有限公司以商品名J41H系列销售的产品。

本发明使用的补水流量计2-2是目前市场上销售的产品，例如由成丰流量仪表有限公司以商品名LZB系列销售的产品。

根据本发明，在最下级水洗槽放净管48通过排水截止阀48-1与排水流量计48-2与外界相通。

本发明使用的排水截止阀48-1是目前市场上销售的产品，例如由上海标一阀门有限公司以商品名J41H系列销售的产品。

本发明使用的排水流量计48-2是目前市场上销售的产品，例如由成丰流量仪表有限公司以商品名LZB系列销售的产品。

在本发明中，在碳纤维水洗机的补水槽和水洗槽中设置热电偶与可调功率电加热管。本发明使用热电偶的作用主要在于检测补水槽和水洗槽中洗水温度，并且借助由钧义志诚科技有限公司以商品名HGY控温销售的温度控制系统，通过可调功率电加热管，将在补水槽和水洗槽中的水洗液温度变动范围控制在±1℃，其严格控制温度的基本目的在于保证水洗液的温度恒定，避免温度不均对纤维性能造成影响。

安装在两个箱体后面的两组传动系统由伺服电机与减速器组成，驱动辊之间通过同步带传递动力。

本发明使用的伺服电机是永磁同步型交流伺服电机，速度的瞬间微量变化可通过伺服驱动器上的闭环算法实时进行纠正，使速度平稳性得到保证，它是目前市场上销售的产品，例如由日本富士电机公司以商品名Alphasmart销售的产品。

本发明使用的减速器是一种适合各种伺服电机，效率高、性价比高的行星齿轮减速器，它是目前市场上销售的产品，例如由德国Eisele公司以商品名DPL系列销售的产品。

在本发明中，传递动力所使用的同步带是单面梯形齿同步带，传动准确、平稳，工作时无滑动，具有恒定的传动比。

为了保证初生纤维在水洗过程中不再引入新的杂质离子，并保证水洗过程能顺利进行，本发明水洗机凡是与水洗液、初生纤维有接触的部件，都要求这些部件具有一定的耐腐蚀性，具体材质可以根据实际进行选择，这对于本技术领域的技术人员而言不存在任何技术困难。

[有益效果]

本发明的有益效果是：

本发明水洗机由五级水槽错位叠加而成，既增加了水洗时间，又最大程度地节省设备占地面积；本发明水洗槽的液位板、挡流板、溢流板设计使水洗槽内的去离子水处于一种特有的流动状态，并且与碳纤维丝束移动方向相反，强化了水洗过程；

本发明水洗槽两端错位分布，从而减少了驱动辊所用的个数，减少纤维与辊子的接触面积，降低了由于摩擦生成毛丝的几率；本发明补水槽及水洗槽内水温可调，控制温度从而控制溶剂扩散速度，提高水洗效率，还有助于在不同工艺条件下进行试验；

本发明水洗机所用去离子水由上一级水洗槽流入下一级水洗槽重复利用，增加水洗效果的同时还有助于降低成本；本发明水洗机还具有结构简单，日常维护方便，便于操作的优点。

【附图说明】

图1是本发明用于碳纤维原丝洗涤的碳纤维水洗机的结构示意图；

图2是本发明碳纤维水洗机水洗槽的结构示意图；

图中：

1-机架、1-1-左焊接箱体、1-2-右焊接箱体、1-1-1-左底座、1-2-1-右底座、1-3-横撑、2-补水槽、2-1-补水截止阀、2-2-补水流量计、11-第一水洗槽、12-第二水洗槽、13-第三水洗槽、14-第四水洗槽、15-第五水洗槽、21-第一驱动辊、22-第二驱动辊、23-第三驱动辊、24-第四驱动辊、25-第五驱动辊、26-第六驱动辊、30-第一导向辊、31-第二导向辊、32-第三导向辊、33-第四导向辊、34-第五导向辊、35-第六导向辊、36-第七导向辊、37-第八导向辊、38-第九导向辊、39-第十导向辊、40-双层槽体、40-1-上槽体、40-2-下槽体、40-3-保温槽盖、40-4-联结板、41-液位板、42-挡流板、43-溢流板、44-洗水注入腔、45-水洗纤维通道、46-洗水流出腔、47-流出管、48-放净管、48-1-排水截止阀、48-2-排水流量计。

【具体实施方式】

通过下述实施例将能够更好地理解本发明。

实施例1：本发明用于碳纤维原丝洗涤的碳纤维水洗机

该实施例的实施方式如下：

本发明用于碳纤维原丝洗涤的碳纤维水洗机在机架1前部安装多级水洗槽、在机架1上安装驱动辊与导向辊，而在机架1后部安装两组传动系统；该水洗机在机架1前部安装多级水洗槽、在机架1上安装驱动辊与导向辊，而在机架1后部安装两组传动系统；

机架1是一个用角钢制成的框架，机架1在两侧设置左焊接箱体1-1与右焊接箱体1-2；在左焊接箱体1-1下部安装左底座1-1-1，在右焊接箱体1-2下部安装右底座1-2-1，左焊接箱体1-1与右焊接箱体1-2由横撑1-3连接起来；多级水洗槽是由水洗槽以两端错位与平行叠加的方式安装组成的。

如附图1所示，多级水洗槽由水洗槽11、水洗槽12、水洗槽13、水洗槽14与水洗槽15组成，它们以平行叠加方式由上至下依次叠放，同时每级水洗槽的洗水流出腔46下部设有流出口，流出口连接流出管47，流出管47另一端接入下一级水洗槽的洗水注入腔44，它与洗水流出腔46是两端错位配置的。

如附图2所示，所述的水洗槽由双层槽体40、保温槽盖40-3、联结板40-4、液位板41、挡流板42、溢流板43、流出管47与放净管48组成；其中双层槽体40由上槽体40-1与下槽体40-2组成；

在水洗槽内平行安装液位板41、挡流板42与溢流板43；液位板41和溢流板43的下边和两侧边都与双层槽体40内壁密封连接；挡流板42下边与上槽体40-1底部之间留有间隙，它的两侧边与双层槽体40内壁密封连接，它的上边高于液位板41和溢流板43的上边；由液位板41与双层槽体40左侧壁构成洗水注入腔44，由溢流板43与双层槽体40右侧壁构成洗水流出腔46，液位板41同时与位于它右侧的挡流板42构成水洗纤维通道45；在每个水洗槽左侧壁与右侧壁之间按照与水洗槽纵轴平行的方向设置联结板40-4；

双层槽体40的洗水流出腔46通过流出管47与下一级双层槽体40的洗水注入腔44相连，洗水注入腔44与下槽体40-2底面与放净管48相连；

在多级水洗槽中，在双层槽体40上方相互平行安装驱动辊21-26，在最上级水洗槽两端上方各安装一个驱动辊25,26，而其余各级水洗槽只是在洗水流出腔46上方安装驱动辊21-24；

在双层槽体40的联结板上，在液位板41与挡流板42之间固定安装导向辊30-39，每个联结板40-4上固定安装一个导向辊；导向辊悬于双层槽体40中，导向辊子下边缘处于洗水液面之下，而上边缘处于洗水液面之上。在导向辊内部安装陶瓷轴承，固定在联结板40-4上。

所述的水洗机在上端安装补水槽2，在补水槽与水洗槽之间安装补水截止阀2-1与补水流量计2-2。

在最下级水洗槽放净管48通过排水截止阀48-1与排水流量计48-2与外界相通。

在本发明中，在碳纤维水洗机的补水槽和水洗槽中设置热电偶与可调功率电加热管。本发明使用热电偶检测补水槽和水洗槽中洗水温度，并且借助由钧义志诚科技有限公司以商品名HGY控温销售的温度控制系统，通过可调功率电加热管，将在补水槽和水洗槽中的水洗液温度变动范围控制在±1℃。

安装在两个箱体后面的两组传动系统由日本富士电机公司以商品名Alpha smart销售的伺服电机与由德国Eisele公司以商品名DPL系列销售的减速器组成，驱动辊之间通过同步带传递动力。

本发明水洗机在运行前将五个水洗槽注满热去离子水，液面与液位板41齐平。正常运行时，新鲜去离子水从最上方的补水槽2内经补水截止阀2-1与补水流量计2-2流入第一水洗槽11的洗水注入腔，洗水注入腔液位超过液位板后流入水洗通道，因为挡流板上边位置高于液位板和溢流板上边，洗水通过挡流板下方间隙后从溢流板上边流出，水洗通道内的洗水处于一种特别的流动状态。进入洗水流出腔的洗水经流出端的流出孔和流出管，进入下一级水洗槽12的洗水注入腔，按此流动方式，洗液依次由最上级水洗槽流入下方的水洗槽，最后经水洗槽15的流出孔排出，排出后回收。洗水浓度由上而下依次降低，每个水洗槽内的浓度分布为纤维丝束进入端较高，纤维丝束拉出端浓度较低，而且从补水槽内不断有纯去离子水补入，保证每个洗水槽内的浓度为一个固定值；水洗槽内洗水液的流动方向与纤维的走丝方向相反，可以增强水洗效果。工作结束后留存在洗水注入腔和水洗通道内的洗水液可经放净孔，放净管排净。所有水洗槽的排净支管，连接在两个排净总管上，两个排净总管分别安装在两个箱体侧面。支管上安装排净阀，可对五个水洗槽分别排净。

一号电机加减速机通过连件安装在机架底部，电机带动驱动辊21转动，驱动辊21的转轴上安装同步带齿轮，通过同步带带动驱动辊23转动，驱动辊23转轴上同样安装同步带齿轮，通过同步带带动驱动辊25转动，三个驱动辊的转动方向一致，从水洗机正面观测均为逆时针转动。二号电机加减速机通过连件安装在机架底部，电机带动驱动辊22转动，驱动辊22的转轴上安装同步带齿轮，通过同步带带动驱动辊24转动，驱动辊24转动方向与驱动辊22一致，为顺时针方向转动，驱动辊26由驱动辊24的转轴通过同步带及反向齿轮带动，驱动辊26的转动方向与驱动辊25一致。电机的启停与转速由上位机控制。