一种大丝束多纺位聚丙烯腈纤维蒸汽加压牵伸装置及方法与流程

本发明涉及一种大丝束多纺位聚丙烯腈纤维蒸汽加压牵伸装置及方法，属于大丝束纤维的牵伸领域。

背景技术：

碳纤维作为一种高性能纤维，广泛应用于航空航天、战略武器、交通、能源、建筑、体育器材、医疗器械、机械工业等领域。碳纤维可分为大丝束和小丝束，目前市场上大丝束碳纤维发展迅速，主要原因是：1）市场需求，小丝束碳纤维价格高，限制它的应用，同时24K以上碳纤维的性能也可满足航天、航空工业的需求，性能和价格比占有一定的优势；2）可大量生产，碳纤维原料成本较低。聚丙烯腈原丝丝束量愈大，价格愈低；3）大丝束碳纤维制造加工成本较低。制备高性能大丝束碳纤维的关键是生产高性能、大丝束原丝。大丝束聚丙烯腈基原丝在纺丝过程中，饱和加压牵伸是纤维牵伸的主要阶段。在饱和蒸汽加压牵伸过程中，利用高压饱和水蒸气的高温和水分子的增塑作用，纤维可以实现较高的牵伸倍数，实现纤维细旦化，提高原丝的取向度，从而改善原丝的力学性能。

现有的蒸汽加压牵伸方法及装置主要适用于小丝束高倍牵伸，且只有一个温区，无法应用于大丝束纤维生产，无法保证大丝束纤维均匀、高倍牵伸要求，达不到快速牵伸的目的，无法实现高倍牵伸后大丝束纤维无明显毛丝毛团，且不适用于高速纺丝。大丝束牵伸装置可以提高纤维的质量，提高效率、节约能源和降低成本。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种大丝束多纺位聚丙烯腈纤维蒸汽加压牵伸装置及方法，能实现大丝束快速高倍牵伸的多纺位聚丙烯腈纤维蒸汽加压牵伸方法，并应用于大丝束聚丙烯腈原丝的纺丝过程中。

本发明提供了一种大丝束多纺位聚丙烯腈纤维蒸汽加压牵伸装置，包括饱和蒸汽加压牵伸装置，该装置包括壳体，壳体内设有依次连接的第一消声腔、第一减压腔、第一预热腔、第二减压腔、牵伸腔、第三减压腔、第二预热腔、第四减压腔、第二消声腔，相邻两腔室之间密封；壳体内中部设有纤维通道穿过每个腔室；第一消声腔端部设有多纺位进丝口，第二消声腔端部设有多纺位出丝口；

牵伸腔位于壳体的中部，牵伸腔和第一、第二预热腔的上方设有测压口和测温口，下方设有进气口，牵伸腔、第一、第二预热腔、第一、第二消声腔中间的纤维通道上设有孔，第二、第三减压腔上方设有测压管，二、第三减压腔中间纤维通道的中部开有纵向的孔并与测压管和排冷凝水口相连，第一、第二、第三、第四减压腔中间的纤维通道中装有密封组件，第一、第二消声腔上方设有排气口，每个腔室下方均设有排冷凝水口。

上述装置中，所述的牵伸腔、两个预热腔、四个减压腔和两个消声腔位于同一水平面上。

上述装置中，所述的纤维通道为多个通道平行排列，多个纤维通道位于腔体的中部且均匀分布于同一水平面上。

上述装置中，所述的多纺位出丝口和多纺位进丝口分别与相应的纤维通道相连并位于同一水平面上。

上述装置中，所述的密封组件是迷宫式陶瓷密封组件，由多个迷宫式陶瓷密封件串联组成，该密封组件为外圆内方形结构。密封组件紧密摆放在第一、第二、第三、第四减压腔中的各个纺丝通道内，且通过限位环将密封组件固定。

进一步地，所述消声腔与减压腔连接处的密封组件中设有限位环，限位环位于纤维通道管壁内侧。所述预热腔与减压腔的连接处的密封组件中设有限位管，限位管位于纤维通道管壁内侧。

上述装置中，所述位于牵伸腔、第一、第二预热腔中的纤维通道上的孔为水蒸汽入口，消声腔中的纤维通道上的孔为水蒸汽出口。

本发明的大丝束蒸汽加压牵伸方法是通过以下步骤实现的：

（1）纤维丝束由牵伸装置多纺位进丝口进入纤维通道，依次进入第一消声腔、第一减压腔、第一预热腔、第二减压腔以及牵伸腔；纺丝通道中水蒸汽在密封组件和腔体的作用下，压力和温度阶梯式升高，从而使大丝束纤维在进入压力恒定的高压水蒸汽牵伸区前充分的、均匀的预热；预热均匀的大丝束纤维在高压水蒸汽中可以实现1.2-4倍的牵伸倍率；

（2）实现牵伸的纤维丝束再由另一端的第三减压腔、第二预热腔、第四减压腔、第二消声腔穿出，水蒸汽在陶瓷密封组件的作用下，压力梯度地降至常压；实现高倍率牵伸的同时减少纤维结构的缺陷，提高纤维的取向度，减少甚至避免毛丝毛团产生。

上述方法中，纤维贯穿于蒸汽加压牵伸装置的通道中，每个纺位的通汽量为10-100千克/每小时，通道温度保持在100-160℃范围内；纤维在牵伸装置的出口速度是入口速度的1.2到4倍，纤维在通道中的运行速度为50－400米/分钟。拉伸介质为饱和或过热水蒸汽，水蒸汽的压力为0.15-0.60MPa。

本发明的有益效果：

1.本发明的大丝束蒸汽加压牵伸方法，可实现大丝束聚丙烯腈纤维在高压水蒸汽中高倍、均匀牵伸，提高纤维的取向度，减少甚至避免毛丝毛团产生。

2.本发明的大丝束蒸汽加压牵伸方法是通过蒸汽加压牵伸装置实现的，该装置设有预热腔，可以使大丝束在牵伸前充分、均匀预热。

3.本发明所涉及的蒸汽加压牵伸装置中采用迷宫式密封装置进行密封，该密封装置为外圆内方形结构，可以使大丝束均匀的与蒸汽接触。

4.本发明所涉及的蒸汽加压牵伸装置两端设有消声腔，可以有效的减少噪音污染。

5.本发明所涉及的蒸汽加压牵伸装置设有多个排冷凝水口和排气口，使冷凝水和残余气体顺利排出，降低水蒸汽含水率。

6.本发明所涉及的蒸汽加压牵伸装置为多纺位，纺位数可达20个，可实现20束丝同时牵伸，可以显著提高生产效率。

附图说明

图1为本发明大丝束多纺位聚丙烯腈纤维蒸汽加压牵伸装置的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为本发明装置的迷宫式陶瓷密封组件结构图；

图4为图1中B处迷宫式陶瓷密封组件结构的示意图；

图5为图3左视图；

图6为图1中E处聚丙烯腈纤维通道结构示意图；

图7为图6的左视图；

图8为图1中D处聚丙烯腈纤维通道在牵伸腔与减压腔接触面的连接图；

图9为图1中A处聚丙烯腈纤维通道中迷宫式陶瓷密封组件的限位环；

图10为图1中C处聚丙烯腈纤维通道在预热腔与减压腔接触面的连接图；

图11为图1中F图聚丙烯腈纤维通道结构示意图；

图12为图11的左视图。

图中，1聚丙烯腈纤维通道；2多纺位进丝口；3第一消声腔；4第一排气口；5第一减压腔；6第一预热腔；7第一测温口；8第一测压口；9第二减压腔；10第一测压管；11牵伸腔；12第二测温口；13第二测压口；14第三减压腔；15第二测压管；16第二预热腔；17第三测压口；18第三测温口；19第四减压腔；20第二排气口；21第二消声腔；22多纺位出丝口；23排冷凝水口；24第一进气口；25壳体；26第二进气口；27第三进气口；28密封组件；29外圆内方形陶瓷；30穿丝口；31纤维通道管壁；32水蒸汽进出纤维通道孔；33限位环；34限位管。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

一种大丝束多纺位聚丙烯腈纤维蒸汽加压牵伸装置，包括饱和蒸汽加压牵伸装置，该装置包括壳体25，壳体内设有依次连接的第一消声腔3、第一减压腔5、第一预热腔6、第二减压腔9、牵伸腔11、第三减压腔14、第二预热腔16、第四减压腔19、第二消声腔21，相邻两腔室之间密封；壳体内中部设有聚丙烯腈纤维通道1穿过每个腔室；第一消声腔3端部设有多纺位进丝口2，第二消声腔21端部设有多纺位出丝口22；

牵伸腔11位于壳体25的中部，牵伸腔11和第一、第二预热腔的上方分别设有第二测压口13、第一测压口8、第三测压口17以及第二测温口12、第一测温口7、第三测温口18，下方设有第二进气口26、第三进气口27、第一进气口24；牵伸腔、第一、第二预热腔、第一、第二消声腔中间的纤维通道上设有孔，第二、第三减压腔上方分别设有第一测压管10、第二测压管15，第二、第三减压腔中间纤维通道的中部开有纵向的孔并与测压管和排冷凝水口23相连，第一、第二、第三、第四减压腔中间的纤维通道中装有密封组件28，第一、第二消声腔上方分别设有第一排气口4、第二排气口20，每个腔室下方均设有排冷凝水口23。

上述装置中，所述的牵伸腔、两个预热腔、四个减压腔和两个消声腔位于同一水平面上。

上述装置中，所述的聚丙烯腈纤维通道1为多个通道平行排列，多个纤维通道位于腔体的中部且均匀分布于同一水平面上。

上述装置中，所述的多纺位出丝口22和多纺位进丝口2分别与相应的纤维通道相连并位于同一水平面上。

上述装置中，所述的密封组件28是迷宫式陶瓷密封组件，由多个迷宫式陶瓷密封件串联组成，该密封组件为外圆内方形结构。密封组件紧密摆放在第一、第二、第三、第四减压腔中的各个纺丝通道内，且通过限位环将密封组件固定。

进一步地，所述消声腔与减压腔连接处的密封组件中设有限位环33，限位环33位于纤维通道管壁内侧。所述预热腔与减压腔的连接处的密封组件中设有限位管34，限位管34位于纤维通道管壁内侧。

上述装置中，所述位于牵伸腔、第一、第二预热腔中的纤维通道上的孔为水蒸汽入口，消声腔中的纤维通道上的孔为水蒸汽出口。

本发明的大丝束蒸汽加压牵伸方法是通过以下步骤实现的：

（1）纤维丝束由牵伸装置多纺位进丝口进入纤维通道，依次进入第一消声腔、第一减压腔、第一预热腔、第二减压腔以及牵伸腔；纺丝通道中水蒸汽在密封组件和腔体的作用下，压力和温度阶梯式升高，从而使大丝束纤维在进入压力恒定的高压水蒸汽牵伸区前充分的、均匀的预热；预热均匀的大丝束纤维在高压水蒸汽中可以实现1.2-4倍的牵伸倍率；

（2）实现牵伸的纤维丝束再由另一端的第三减压腔、第二预热腔、第四减压腔、第二消声腔穿出，水蒸汽在陶瓷密封组件的作用下，压力梯度地降至常压；实现高倍率牵伸的同时减少纤维结构的缺陷，提高纤维的取向度，减少甚至避免毛丝毛团产生。

上述方法中，纤维贯穿于蒸汽加压牵伸装置的通道中，每个纺位的通汽量为10-100千克/每小时，通道温度保持在100-160℃范围内；纤维在牵伸装置的出口速度是入口速度的1.2到4倍，纤维在通道中的运行速度为50－400米/分钟。拉伸介质为饱和或过热水蒸汽，水蒸汽的压力为0.15-0.60MPa。