陶瓷先驱体聚合物纺丝熔体的均粘/脱泡一体装置及方法与流程

本发明属于纤维制备领域，具体涉及一种特别针对陶瓷先驱体聚合物纺丝熔体的均粘/脱泡一体的装置及方法。

背景技术：

连续sic纤维、si3n4纤维、sibn(c)纤维等高性能连续陶瓷纤维由于其具有耐高温、高强度、高模量和特殊的电磁特性等特点，是航空航天军事等领域应用的关键原材料。先驱体转化法是制备高性能连续陶瓷纤维的常用方法，其步骤是先合成聚碳硅烷、聚碳硅烷和聚硅氮烷等陶瓷先驱体聚合物，再经熔融纺丝、不熔化和高温热解，即可制备连续陶瓷纤维。

陶瓷先驱体聚合物的熔融纺丝是制备连续陶瓷纤维的关键步骤，因为其原纤维的品质是决定最终续陶瓷纤维性能的关键。通常情况下，陶瓷先驱体聚合物是一类粘温敏感性较高的材料，也就是说，微小的温度变化，都有可能使其粘度发生较大变化，所以，纺丝时希望聚合物熔体尽量均等的温度（后面简称均温），只有这样，才能保证聚合物熔体在每处的粘度一致，有利于纤维成型而提高原丝的品质。

另一方面，纺丝熔体在加热熔融和（或）输送过程中会存在气泡，先驱体聚合物中存在的小分子部分，在高温熔融过程中也会产生部分气泡，较大的气泡通过喷丝孔会造成纺丝细流的中断与形变。较小的气泡虽然有可能不使纤维断裂，但会残留在纤维中，造成原丝维缺陷，最终该缺陷可遗传在陶瓷纤维中，最终影响成品陶瓷纤维的强度。所以，纺丝熔体在进入喷丝组件之前，必须彻底脱出熔体中的气泡及残余部分小分子。但是由于纺丝熔体的粘度大，气泡脱出有一定难度。

目前，一般采用升高温度加适当减压的方法，使静置在熔融釜中的纺丝熔体缓慢脱泡。温度升高后，熔体粘度下降，有利于小分子气体逸出。减压能减少液面和液压内差，有利于小分子和气泡的膨化、扩散脱出。显然，这种方法脱泡效率低，生产能力不高，也不能使熔体实现均匀和彻底的脱泡。另一方面，由于熔融釜体积较大，加热一般是靠釜壁外的热媒或电加热体完成，其转热是由釜壁传向釜体中心，这样势必造成内外温度差异，熔体的温度均一性较差，从而导致熔体的粘度均一性不够，对纤维纺丝造成不利影响，使原丝品质下降。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种脱泡和均温效果好的陶瓷先驱体聚合物纺丝熔体的均粘/脱泡一体的装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

陶瓷先驱体聚合物纺丝熔体的均粘/脱泡一体装置，包括脱泡釜体，脱泡釜体的顶部设有釜体上盖，脱泡釜体的内壁面和釜体上盖的下表面围成的密闭空腔为脱泡釜内腔，脱泡釜体的上部或者釜体上盖设有供料计量泵，脱泡釜体的底部设有纺丝计量泵，脱泡釜内腔中从上至下依次设置有一号伞形导流面、二号反伞形导流面、三号伞形导流面、四号导流均温弧形面，一号伞形导流面、二号反伞形导流面、三号伞形导流面均与脱泡釜体的内壁连接，一号伞形导流面与脱泡釜体内壁的连接处设有第一溢流缝，二号反伞形导流面的中心设有收集孔，收集孔为通孔，三号伞形导流面与脱泡釜体内壁的连接处设有第二溢流缝，四号导流均温弧形面为脱泡釜体下部的弧形内壁面；一号伞形导流面、二号反伞形导流面、三号伞形导流面和四号导流均温弧形面均以脱泡釜体的中轴线左右对称。

进一步，釜体上盖上安装有惰性气氛入管和第一真空连接管，惰性气氛入管和第一真空连接管上均装有阀门，惰性气氛入管的一端外接惰性气氛储罐，惰性气氛入管的另一端连通脱泡釜内腔，第一真空连接管的一端外接真空系统，第一真空连接管的另一端连通脱泡釜内腔。

进一步，脱泡釜体的内壁面和脱泡釜体的外壁面之间热媒内腔，热媒内腔以脱泡釜体的中轴线左右对称；脱泡釜体的上部设有与热媒内腔连通的热媒入口，脱泡釜体的下部设有与热媒内腔连通的热媒出口，脱泡釜体的外壁面外围设有保温层，热媒入口和热媒出口贯穿保温层。

进一步，一号伞形导流面上装有第一通气管，第一通气管的上端伸出至一号伞形导流面的上方，第一通气管的下端伸出至二号反伞形导流面的上方；三号伞形导流面上装有第二通气管，第二通气管的上端伸出至三号伞形导流面的上方，第二通气管的下端伸入四号导流均温弧形面围成的空间内；

脱泡釜体上设有第二真空连接管和第三真空连接管，第二真空连接管和第三真空连接管对称设于脱泡釜体的中轴线两侧，第二真空连接管的上端和第三真空连接管的上端均伸出至一号伞形导流面的上方，第二真空连接管的上端和第三真空连接管的下端均伸出至三号伞形导流面的上方。

使用如前所述陶瓷先驱体聚合物纺丝熔体的均粘/脱泡一体装置进行均粘/脱泡的方法，包括如下步骤：

步骤1，将均粘/脱泡一体装置的热媒入口与热媒循环系统的热媒出口连接，均粘/脱泡一体装置的热媒出口与热媒循环系统的热媒入口连接，热媒循环系统为现有成熟系统，根据待纺聚合物的软化点设定热媒温度，热媒温度比待纺聚合物的软化点高80℃～120℃；启动热媒循环系统保温1-4小时，热媒经热媒入口流入热媒内腔中，保温温度等于热媒温度；

将均粘/脱泡一体装置的第一真空连接管外接真空系统，打开第一真空连接管上的阀门，开启真空系统，当均粘/脱泡一体装置的脱泡釜内腔中的真空度为-70kpa～-85kpa时，关闭第一真空连接管上的阀门；将惰性气氛入管外接惰性气氛储罐，打开惰性气氛入管上的阀门，往脱泡釜内腔中充入惰性气体，惰性气体的充入速率为1-10l/min，根据脱泡釜内腔的容积和惰性气体的充入速率求得脱泡釜内腔中充满惰性气体所需的时间，当脱泡釜内腔中充满惰性气体时，再次开启第一真空连接管上的阀门；惰性气氛入管持续向脱泡釜内腔中充入惰性气体，脱泡釜内腔中多余的惰性气体从第一真空连接管流出；

步骤2，进料。启动供料计量泵，待纺聚合物熔体通过供料计量泵泵入脱泡釜内腔中；供料计量泵的转速根据纺丝计量泵的转速确定，供料计量泵的的转速与纺丝计量泵的转速匹配，供料计量泵的转速比纺丝计量泵的转速快3%-7%；

步骤3，第一级脱泡。纺丝熔体即通过供料计量泵泵入脱泡釜内腔中的待纺聚合物熔体，在重力作用下均匀流布在一号伞形导流面上，形成0.5mm-3.5mm（优选为1.5mm～2.0mm）的薄膜，熔体在一号伞形导流面上的流动摊膜过程中，由于聚合物熔体变薄，熔体中的小分子气体和部分气泡破裂而实现第一级脱泡。

步骤4，第二级脱泡。从一号伞形导流面上流下的熔体，经一号伞形导流面与脱泡釜体内壁连接处的第一溢流缝流下，流经釜壁后，直接流入2号反向伞形导流面壁，形成0.5mm-3.5mm（优选为1.5mm～2.0mm）厚的薄膜，熔体在二号反伞形导流面上的流动摊膜过程中，熔体中残留的小分子气体和部分气泡破裂，再次实现脱泡，此为第二级脱泡。

步骤5，第三级脱泡。从二号反伞形导流面上流下的熔体，经二号反伞形导流面中心的收集孔流下，直接流入三号伞形导流面，形成0.5mm-3.5mm（优选为1.5mm～2.0mm）厚的薄膜，熔体在三号伞形导流面上的流动摊膜过程中，熔体中残留的小分子气体和部分气泡破裂，再次实现脱泡，此为第三级脱泡。

一号伞形导流面、二号反伞形导流面和三号伞形导流面主要用于脱泡，同时附带均温作用。在第一级脱泡、第二级脱泡和第三级脱泡过程中，熔体分别流经一号伞形导流面、二号反伞形导流面和三号伞形导流面时，由于釜体的对称性（具体是指一号伞形导流面、二号反伞形导流面和三号伞形导流面以脱泡釜体的中轴线左右对称，以及热媒内腔以脱泡釜体的中轴线左右对称），从而对于一号伞形导流面、二号反伞形导流面和三号伞形导流面，在同一水平截面上的各点与热媒内腔中的热媒之间的传热距离一致，因而一号伞形导流面的同一水平截面上的各点的温度一致、二号反伞形导流面的同一水平截面上的各点的温度、三号伞形导流面的同一水平截面上的各点的温度一致，所以，熔体在一号伞形导流面、二号反伞形导流面和三号伞形导流面的流动摊膜过程中，溶体的受热路径相同，同一水平截面上的溶体的受热温度也相同，从而在第一级脱泡至第三级均泡的过程中实现了均温。

步骤6，均温+第四级脱泡。四号导流均温弧形面使得脱泡釜内腔的容积增大的同时，加大了聚热面积，因而四号导流均温弧形面主要用于均温均粘，同时附带脱泡作用。从三号伞形导流面上流下的熔体，经三号伞形导流面与脱泡釜体内壁连接处的第二溢流缝流下，直接流入四号导流均温弧形面，溶体流经聚热面积大的四号导流均温弧形面时，由于釜体的对称性（具体是指四号导流均温弧形面以脱泡釜体的中轴线左右对称，以及热媒内腔以脱泡釜体的中轴线左右对称），使得四号导流均温弧形面在同一水平截面上的各点与热媒内腔中的热媒之间的传热距离一致，因而四号导流均温弧形面的同一水平截面上的各点的温度也一致，所以，熔体在四号导流均温弧形面的流动摊膜过程中，四号导流均温弧形面上的溶体的受热路径相同，同一水平截面上的溶体的受热温度也相同，又由于四号导流均温弧形面的聚热面积大，所以熔体在四号导流均温弧形面的流动摊膜过程中能实现比第一级脱泡至第三级脱泡过程好的均温效果；

流入四号导流均温弧形面的溶体，在四号导流均温弧形面上形成0.5mm-3.5mm（优选为1.5mm～2.0mm）厚的薄膜，熔体在四号导流均温弧形面上的流动摊膜过程中，熔体中残留的小分子气体和部分气泡再次破裂，再次实现脱泡，此为第四级脱泡。

所述步骤3中，纺丝熔体在一号伞形导流面（3）上形成1.5mm～2.0mm（进一步优选为1.8mm）厚的薄膜；所述步骤4中，熔体在2号反向伞形导流面（4）上形成1.5mm～2.0mm（进一步优选为1.8mm）厚的薄膜；所述步骤5中，熔体在三号伞形导流面（5）上，形成1.5mm～2.0mm（进一步优选为1.8mm）厚的薄膜；所述步骤6中，溶体在四号导流均温弧形面（6）上形成1.5mm～2.0mm（进一步优选为1.8mm）厚的薄膜，以利于在获得较好的脱泡效果和均温效果的同时兼具较好的脱泡效率（即单位时间内完成脱泡的纺丝溶体量）。

通过控制供料计量泵的速率，可以控制纺丝熔体在各号伞形导流面、反伞形导流面和导流均温弧形面上的流体厚度。

熔体在第一级脱泡、第二级脱泡、第三级脱泡和第四级脱泡的过程中，由于一号伞形导流面、二号反伞形导流面、三号伞形导流面和四号导流均温弧形面均以脱泡釜体的中轴线左右对称，以及热媒内腔以脱泡釜体的中轴线左右对称，所以熔体流经的历程和受热的历程一致，因而熔体的剪切历史相同；而熔体的粘度由温度和剪切历史决定，所以，熔体经一号伞形导流面、二号反伞形导流面、三号伞形导流面和四号导流均温弧形面的均温以及相同的剪切历史后，熔体在四号导流均温弧形面流出并进入纺丝计量泵时，熔体的温度和粘度是均等的（即进入纺丝计量泵的溶体的温度是相同的，进入纺丝计量泵的溶体的粘度也是相同的）。也就是说，步骤3-步骤6的流动后，在实现脱泡的同时，也同步完成了熔体的均粘过程。至此，熔体在经过以上的第一级脱泡至第四级脱泡的过程后，同时实现了聚合物熔体的均粘和脱泡。

步骤7，启动纺丝计量泵，熔体进入脱泡釜体底部的纺丝计量泵，再经纺丝计量泵泵入纺丝组件，开始纺丝。

一号伞形导流面与脱泡釜体内壁的连接处设有第一溢流缝，三号伞形导流面与脱泡釜体内壁的连接处设有第二溢流缝，具体见附图2，确保釜体热量传给相应导流面的同时，熔体能以薄膜形式流入下一个导流面。

所述第一通气管、第二通气管、第二真空连接管和第三真空连接管的目的是确保釜内各处都能与真空相连，以及确保釜内各处都能充入惰性气体，确保小分子和气泡能有效排出。

本发明的有益效果是：本发明替代现有的搅拌真空脱泡法，通过所述4级脱泡（即第一级脱泡、第二级脱泡、第三级脱泡、第四级脱泡）和四级均温（即第一级脱泡至第四级脱泡过程中的均温），可将陶瓷先驱体聚合物纺丝熔体内的气泡脱离干净的同时，实现熔体的均温均粘，提高了脱泡效率和熔体粘度均一性，能有效避免后续纺丝过程中的纺丝细流的中断、形变和纤维断裂，减少了原丝维缺陷，有效提高成品陶瓷纤维的性能。脱泡釜体内充入惰性气体有利于避免熔体与空气中的氧气发生化学反应。

附图说明

图1是本发明陶瓷先驱体聚合物纺丝熔体的均粘/脱泡一体装置的断面结构示意图。

图2是图1所示均粘/脱泡一体装置的一号伞形导流面与釜体相连处的俯视图。

图中：1、脱泡釜体；10、热媒入口；11、热媒出口；2、釜体上盖；21、惰性气氛入管；22、第一真空管；23、供料计量泵；3、一号伞形导流面；31、第一通气管；4、二号反伞形导流面；5、三号伞形导流面；51、第二通气管；6、四号导流均温弧形面；61、第二真空连接管；62、第三真空连接管；63、纺丝计量泵；100、脱泡釜内腔；200、热媒内腔；7、保温层。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

参照图1，陶瓷先驱体聚合物纺丝熔体的均粘/脱泡一体装置，包括脱泡釜体1，脱泡釜体1的顶部设有釜体上盖2，脱泡釜体1的内壁面和釜体上盖2的下表面围成的密闭空腔为脱泡釜内腔100，脱泡釜体1的上部或者釜体上盖2设有供料计量泵23，脱泡釜体1的底部设有纺丝计量泵63，脱泡釜内腔100中从上至下依次设置有一号伞形导流面3、二号反伞形导流面4、三号伞形导流面5、四号导流均温弧形面6，一号伞形导流面3、二号反伞形导流面4、三号伞形导流面5均与脱泡釜体1的内壁连接，一号伞形导流面3与脱泡釜体1内壁的连接处设有第一溢流缝8，二号反伞形导流面4的中心设有收集孔，收集孔为通孔，三号伞形导流面5与脱泡釜体1内壁的连接处设有第二溢流缝（图中未示出），四号导流均温弧形面6为脱泡釜体1下部的弧形内壁面；一号伞形导流面3、二号反伞形导流面4、三号伞形导流面5和四号导流均温弧形面6均以脱泡釜体1的中轴线左右对称。

本实施例中，釜体上盖2上安装有惰性气氛入管21和第一真空连接管22，惰性气氛入管21和第一真空连接管22上均装有阀门，惰性气氛入管21的一端外接惰性气氛储罐，惰性气氛入管21的另一端连通脱泡釜内腔100，第一真空连接管22的一端外接真空系统，第一真空连接管22的另一端连通脱泡釜内腔100。

本实施例中，脱泡釜体1的内壁面和脱泡釜体1的外壁面之间热媒内腔200，热媒内腔200以脱泡釜体1的中轴线左右对称；脱泡釜体1的上部设有与热媒内腔200连通的热媒入口10，脱泡釜体1的下部设有与热媒内腔200连通的热媒出口11，脱泡釜体1的外壁面外围设有保温层7，热媒入口10和热媒出口11贯穿保温层7。

本实施例中，一号伞形导流面3上装有第一通气管31，第一通气管31的上端伸出至一号伞形导流面3的上方，第一通气管31的下端伸出至二号反伞形导流面4的上方；三号伞形导流面5上装有第二通气管32，第二通气管32的上端伸出至三号伞形导流面5的上方，第二通气管32的下端伸入四号导流均温弧形面6围成的空间内；

脱泡釜体1上设有第二真空连接管61和第三真空连接管62，第二真空连接管61和第三真空连接管62对称设于脱泡釜体1的中轴线两侧，第二真空连接管61的上端和第三真空连接管62的上端均伸出至一号伞形导流面3的上方，第二真空连接管61的上端和第三真空连接管62的下端均伸出至三号伞形导流面5的上方。

使用如前所述陶瓷先驱体聚合物纺丝熔体的均粘/脱泡一体装置进行均粘/脱泡的方法，包括如下步骤：

本实施例中，待脱泡的熔体是碳化硅纤维的先驱体聚合物聚碳硅烷（pcs），其软化点为230℃。

步骤1，将均粘/脱泡一体装置的热媒入口10与热媒循环系统的热媒出口连接，均粘/脱泡一体装置的热媒出口11与热媒循环系统的热媒入口连接，根据待纺聚合物的软化点设定热媒温度，设定热媒温度为330℃；启动热媒循环系统保温2小时，热媒经热媒入口流入热媒内腔中，保温温度等于热媒温度；

将均粘/脱泡一体装置的第一真空连接管22外接真空系统，打开第一真空连接管22上的阀门，开启真空系统，当均粘/脱泡一体装置的脱泡釜内腔100中的真空度为-75kpa时，关闭第一真空连接管22上的阀门；将惰性气氛入管21外接惰性气氛储罐，打开惰性气氛入管21上的阀门，往脱泡釜内腔100中充入惰性气体，本实施例中惰性气体具体选用为氮气，惰性气体的充入速率为5l/min，根据脱泡釜内腔的容积和惰性气体的充入速率求得脱泡釜内腔100中充满惰性气体所需的时间，当脱泡釜内腔100中充满惰性气体时，再次开启第一真空连接管22上的阀门；惰性气氛入管持续向脱泡釜内腔100中充入惰性气体，脱泡釜内腔100中多余的惰性气体从第一真空连接管22流出；

步骤2，启动供料计量泵23，供料计量泵23的速度为25rpm，待纺聚合物熔体通过供料计量泵23泵入脱泡釜内腔100中；

步骤3，纺丝熔体即通过供料计量泵23泵入脱泡釜内腔100中的待纺聚合物熔体，在重力作用下均匀流布在一号伞形导流面3上，形成1.8mm厚的薄膜，熔体在一号伞形导流面3上的流动摊膜过程中，由于聚合物熔体变薄，熔体中残留的小分子气体和部分气泡破裂，实现第一级脱泡；

步骤4，从一号伞形导流面流下的熔体，经一号伞形导流面3与脱泡釜体1内壁连接处的第一溢流缝8流下，流经釜壁后，直接流入2号反向伞形导流面4，形成1.8mm厚的薄膜，熔体在二号反伞形导流面上的流动摊膜过程中，熔体中残留的小分子气体和部分气泡破裂，实现第二级脱泡；

步骤5，从二号反伞形导流面4上流下的熔体，经二号反伞形导流面4中心的收集孔流下，直接流入三号伞形导流面5，形成1.8mm厚的薄膜，熔体在三号伞形导流面5上的流动摊膜过程中，熔体中残留的小分子气体和部分气泡破裂，实现第三级脱泡；

一号伞形导流面3、二号反伞形导流面4和三号伞形导流面5主要用于脱泡，同时附带均温作用。在第一级脱泡、第二级脱泡和第三级脱泡过程中，熔体分别流经一号伞形导流面3、二号反伞形导流面4和三号伞形导流面5时，由于釜体的对称性（具体是指一号伞形导流面3、二号反伞形导流面4和三号伞形导流面5以脱泡釜体1的中轴线左右对称，以及热媒内腔200以脱泡釜体1的中轴线左右对称），从而对于一号伞形导流面3、二号反伞形导流面4和三号伞形导流面5，在同一水平截面上的各点与热媒内腔中的热媒之间的传热距离一致，因而一号伞形导流面3的同一水平截面上的各点的温度一致、二号反伞形导流面4的同一水平截面上的各点的温度、三号伞形导流面5的同一水平截面上的各点的温度一致，所以，熔体在一号伞形导流面3、二号反伞形导流面4和三号伞形导流面5的流动摊膜过程中，溶体的受热路径相同，同一水平截面上的溶体的受热温度也相同，从而在第一级脱泡至第三级均泡的过程中实现了均温。

步骤6，四号导流均温弧形面6使得脱泡釜内腔100的容积增大的同时，加大了聚热面积，因而四号导流均温弧形面6主要用于均温均粘，同时附带脱泡作用。从三号伞形导流面5上流下的熔体，经三号伞形导流面5与脱泡釜体1内壁连接处的第二溢流缝（图中未示出）流下，直接流入四号导流均温弧形面6，溶体流经聚热面积大的四号导流均温弧形面6时，由于釜体的对称性（具体是指四号导流均温弧形面6以脱泡釜体1的中轴线左右对称，以及热媒内腔200以脱泡釜体1的中轴线左右对称），使得四号导流均温弧形面6在同一水平截面上的各点与热媒内腔中的热媒之间的传热距离一致，因而四号导流均温弧形面6的同一水平截面上的各点的温度也一致，所以，熔体在四号导流均温弧形面6的流动摊膜过程中，四号导流均温弧形面6上的溶体的受热路径相同，同一水平截面上的溶体的受热温度也相同，又由于四号导流均温弧形面的聚热面积大，所以熔体在四号导流均温弧形面6的流动摊膜过程中能实现比第一级脱泡至第三级脱泡过程好的均温效果；

流入四号导流均温弧形面6的溶体，在四号导流均温弧形面6上形成1.8mm厚的薄膜，熔体在四号导流均温弧形面6上的流动摊膜过程中，熔体中残留的小分子气体和部分气泡再次破裂，再次实现脱泡，此为第四级脱泡。

步骤7，开启纺丝计量泵63，纺丝计量泵的速度为24rpm，熔体进入脱泡釜体1底部的纺丝计量泵63，再经纺丝计量泵63泵入纺丝组件，开始纺丝。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处在于：

待脱泡的熔体是含铝碳化硅纤维的先驱体聚合物聚铝碳硅烷（pacs），其软化点为220℃。

根据待纺聚合物的软化点设定均粘/脱泡一体装置的热媒内腔200中的热媒温度，设定热媒温度为310℃，启动热媒循环系统保温时间3小时。当均粘/脱泡一体装置的脱泡釜内腔100中的真空度为-80kpa，关闭第一真空连接管22上的阀门。供料计量泵23的速度为20rpm，纺丝计量泵泵速为19rpm。

其余同实施例1。

本发明方案所公开的技术手段与装置，不仅限于上述技术手段，还包括由以上技术特征等同替换所组成的技术方案。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。