一种大丝束PAN基碳纤维原丝传质传热装置及方法与流程

本发明属于碳纤维生产领域，具体涉及一种大丝束pan基碳纤维原丝传质传热装置及方法。

背景技术：

碳纤维作为一种高新技术材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、高电导和热导等优点，广泛应用于航空、汽车、文体等领域。聚丙烯腈基碳纤维原丝是制备碳纤维的重要原料，原丝的品质对碳纤维质量起到决定性作用。

硫氰酸钠一步法制备碳纤维是通常采用硫氰酸钠为溶剂，丙烯腈、第二单体丙烯酸甲酯、第三单体衣康酸为原料，偶氮二异丁腈为引发剂进行三元聚合反应，经过脱单、脱泡后得到聚丙烯腈聚合液。聚合原液经过计量后，通过喷丝头进入凝固浴形成初生纤维，初生纤维经过预热浴进行预热处理和牵伸，然后进入水洗，再经过上油、干燥等过程得到碳纤维原丝。

初生纤维在凝固浴中凝固成型以后，由于凝固过程中双扩散的作用，会有一部分溶剂残留在纤维丝束内，这部分残留在丝束内部的溶剂杂质，若不洗涤干净，后续会对原丝的结构产生影响，进而会影响碳纤维的质量。由于初生纤维的结构不稳定，而且强度较低，因而需要经过进一步的水浴牵伸和蒸汽牵伸，在水浴牵伸时，水不仅有进一步洗涤残留溶剂的作用，还可以作为介质，对纤维进行增塑，有利于高倍牵伸。牵伸完成后，对纤维丝束进行上油处理，上油的均匀一致性，阻止单丝之间相互粘连，减少单丝之间表面摩擦，对丝束干燥和后续预氧化具有重要作用。

大丝束碳纤维原丝因其水洗牵伸效果不均匀、原丝上油不均匀、原丝强度不稳定等，直接影响碳纤维品质。

技术实现要素：

本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。

为克服现有技术的问题，本发明提供一种大丝束pan基碳纤维原丝传质传热装置，包括循环水槽、传质传热模块以及循环组件；其中：

所述循环水槽内设有分流器，所述循环水槽的两端均设有导丝辊组；

所述传质传热模块固定在所述分流器的上方，所述传质传热模块具有喷嘴；

循环组件与所述循环水槽、传质传热模块相连，用于将所述循环水槽内的浴液或油剂输送至所述传质传热模块。

可选地，所述传质传热模块通过软管与所述循环组件相连，所述装置进一步包括气缸和旋转臂，所述旋转臂的一端固定在所述气缸的活塞杆上，另一端与所述传质传热模块相连。

可选地，所述传质传热模块的喷嘴与所述分流器之间的间距通过感应装置确定。

可选地，所述循环组件包括过滤器、传质传热循环泵；所述过滤器设置在循环水槽底部的管口，另一端通过进口管道与传质传热循环泵相连，所述传质传热循环泵通过出口管道与传质传热模块相连。

可选地，所述出口管道上设有第一压力变送器和流量计。

可选地，所述过滤器包括相连的第一过滤器、第二过滤器。

可选地，所述循环组件进一步包括出口过滤器，所述出口过滤器与所述传质传热循环泵的出口端相连，所述出口过滤器的出口端和入口端分别设有第一压力变送其和第二压力变送器。

可选地，所述传质传热模块的喷嘴为宽窄可调的缝隙。

可选地，所述分流器包括半圆管或弧状管，所述半圆管或弧状管的轴线与丝束的行进方向垂直。

本发明提供一种大丝束pan基碳纤维原丝传质传热方法，优选采用上述装置进行，包括：

使原丝纤维丝束浸入到循环水槽，并从设置在循环水槽内的分流器的上方通过；

调整位于循环水槽上方的传质传热模块与分流器之间的间距；

使循环水槽内的浴液或油剂输送至传质传热模块，由传质传热模块上的喷嘴均匀喷出穿过丝束。

大丝束碳纤维原丝因其水洗牵伸效果不均匀、原丝上油不均匀、原丝强度不稳定等，直接影响碳纤维品质。

本发明提供的大丝束pan基碳纤维原丝传质传热装置及方法，水洗牵伸效果均匀、原丝上油均匀、原丝强度稳定，提升了碳纤维品质。

附图说明

图1为本发明实施例提供的大丝束pan基碳纤维原丝传质传热装置的结构示意图。

图2为图1所示的大丝束pan基碳纤维原丝传质传热装置的的分流器与传质传热模块的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

如图1、图2所示，本发明提供一种大丝束pan基碳纤维原丝传质传热装置，包括导丝辊组10、循环水槽20、分流器30、循环组件以及传质传热模块50。

其中：

导丝辊组10为两组，分别位于循环水槽20的两端，用于将初生纤维丝束浸入到循环水槽20中。循环水槽20用于灌水浴溶液或油剂，优选地，循环水槽20上设有溢流口。

分流器30设置在循环水槽20的底部，穿过初生纤维丝束的细流在半圆管分流缓冲，强制加快纤维丝束内溶剂和热量的交换。本实施例中分流器30为半圆管分流器，包括半圆管31、位于半圆管31底部的固定支脚33以及设置在半圆管与固定支脚之间的格栅板35。通过固定支脚33将半圆管31固定在循环水槽20的底部。半圆管分流器的轴向是与丝束的行进方向垂直。一般地，半圆管31的根数可以自行设定，例如是两根。此外，半圆管也可以是其他类似的圆弧状。

循环组件与循环水槽20及传质传热模块50相连，用于将循环水槽20内的水浴溶液或油剂进行循环。本实施例中，循环组件包括过滤器41、传质传热循环泵42。过滤器41设置在循环水槽20底部的管口，另一端通过进口管道61与传质传热循环泵42相连。传质传热循环泵42通过出口管道与传质传热模块50相连。可选地，在出口管道62上设有第一压力变送器43、流量计44，流量计的流量范围0～25m³/h。

传质传热模块50安装在分流器的上方，在具体实施时，传质传热循环泵为立式离心泵，电机为变频电机，传质传热装置控制单元由plc控制。传质传热模块50具有与该分流器30相对的喷嘴51，传质传热模块的喷嘴51和半圆管分流器顶部之间的间距为30mm。纤维丝束从传质传热模块和半圆管分流器之间穿过。

传质传热模块的喷嘴为宽窄可调的缝隙。本实施例中，传质传热模块设有三条喷嘴，喷嘴间隙可调，可调范围1～6mm。更具体地，三条喷嘴是由4条长条板拼接形成的三条缝隙，其中两条长条板的固定螺栓孔为长条孔，通过固定螺栓位置调节长条板之间的间距，实现喷嘴大小的调节。

实施例2：

与实施例1不同的是，本实施例中，过滤器41包括相连的第一过滤器47、第二过滤器48，也就是说，从循环水槽20出来的水需要依次通过第一过滤器47、第二过滤器48才会进入传质传热循环泵43。第一过滤器47、第二过滤器48的过滤精度1000～3000μm。第一过滤器设置在水槽底部，为锥形过滤器，第一过滤器过滤精度低，用来过滤较大的杂质和断丝。第二过滤器过滤精度比第一过滤器高，用来过滤较小的杂质。第二过滤器设置在管道上，为篮式过滤器。

本实施例中，设置两道过滤，从而在清理其中一道滤网时，另一道滤网在工作，起到保护机泵的作用。

实施例3：

与实施例1或实施例2不同的是，本实施例中，循环组件包括出口过滤器45，出口过滤器45与传质传热循环泵42的出口端相连。出口过滤器45的过滤精度400～600μm。优选地，在出口过滤器45与传质传热循环泵42的出口端之间设有第二压力变送器46，也就是说，此时，第二压力变送器46位于出口过滤器45的入口端，为过滤器前压力变送器；第一压力变送器43位于出口过滤器45的出口端，为过滤器后压力变送器。

本实施例中，通过第一压力变送器43、第二压力变送器45实时检测过滤器的压差，判断过滤器堵塞情况，及时提醒操作人员清理滤网，并且压力过高或过低时，可以控制停循环泵，起到保护循环泵的作用。

实施例4：

在上述任一实施例的基础上，本实施例中，传质传热模块50通过软管63与出口管道62相连，使传质传热模块50可以升降操作。优选地，大丝束pan基碳纤维原丝传质传热装置进一步包括气缸64，气缸64的活塞杆与旋转臂65相连，通过气缸64可以控制传质传热模块50的升降。旋转臂65的中部可转动地连接在支点上，旋转臂65能绕支点上下运动。

传质传热模块的喷嘴51和半圆管分流器顶部之间的间距可以通过感应装置进行确认，感应装置是利用现有的气缸磁性开关，检测气缸行程的位置。最低位置就是指喷嘴距离半圆管分流器30mm的位置。

本发明将循环水槽内的溶液，经过过滤器过滤，由传质传热循环泵输送至传质传热模块，传质传热模块栅格将循环溶液分配成均匀的细流喷射穿过纤维丝束，穿过丝束的细流在半圆管分流缓冲，强制加快纤维丝束内溶剂和热量的交换。

实施例5：

本发明提供一种大丝束pan基碳纤维原丝传质传热方法，可以采用本发明任一实施例提供的大丝束pan基碳纤维原丝传质传热装置实现，包括步骤：

s1、准备工作；

将循环水槽灌满浴液或油剂，打开传质传热循环泵进口阀门，处于备用状态。一般地，先纤维丝束先水浴牵伸，然后再上油，可以分为两个循环水槽分段进行。

s2、使原丝纤维丝束浸入到循环水槽，并从设置在循环水槽内的分流器的上方通过。

在具体操作时，可以通过操作气缸升降，将传质传热模块位置处于抬起状态，

s3、调整位于循环水槽上方的传质传热模块与分流器之间的间距。

当原丝纤维丝束通过水浴牵伸或上油时，放下传质传热模块处于最低位置。本实施例中，通过安装在气缸上的感应装置检测传质传热模块的位置，如果传质传热模块没有在最低位置，控制单元将操控传质传热模块到位，使传质传热模块的喷嘴和半圆管分流器顶部之间的间距为30mm。

s3、使循环水槽内的浴液或油剂输送至传质传热模块，由传质传热模块上的喷嘴均匀喷出穿过丝束。

更具体地，启动传质传热循环泵运行，打开循环泵出口阀，浴液或油剂经过循环泵出口过滤器输送至传质传热模块，由传质传热模块上的喷嘴均匀喷出穿过丝束。穿过纤维丝束的浴液或油剂，回到循环水槽，完成循环。

此外，根据给定的流量值自动调整循环泵的频率，确保输出流量稳定；同时，持续检测参数的状况，包括传质传热模块的位置、循环泵出口过滤器前后压差、流量、循环泵运行信号和变频器的错误信号，检测到这些参数有偏差，控制单元停止循环泵并生成一个错误信息。

需要说明的是，循环泵的启停、传质传热模块的升降可以自动控制，也可以通过手动按钮操作，循环泵的频率通过电位器调整。

在硫氰酸钠一步法制备碳纤维原丝时，在热水浴中实现低倍初牵伸，热水牵伸多采用多级串联牵伸，逐步施加张力细化，通过水浴牵伸后，丝束均匀被拉伸，无断丝数增加，可判断水浴牵伸已到位。

下面通过具体的实例和对比例阐述本发明的效果：

硫氰酸钠法制备碳纤维原丝通常采用硫氰酸钠为溶剂，凝固浴凝固成型的初生纤维，通过多级串联水浴牵伸循环水槽，逐级施加张力进行牵伸。纤维丝束通过导丝辊组牵引，穿过水浴牵伸循环水槽和上油。

在实例1中：循环水槽水浴温度65℃，上油温度25℃，操作图1传质传热模块处于最低位置，启动传质传热循环泵，设定循环流量10m³/h，传质传热模块喷嘴间隙调整为4mm，循环槽溶液和油剂经传质传热模块上的喷嘴均匀喷出穿过纤维丝束，经过传质传热模块喷淋洗涤的纤维丝束，分析检测水浴牵伸后丝束中溶剂含量为2.9％，干燥后丝束油剂含量为1.52％。

在实例2中：循环水槽水浴温度65℃，上油温度25℃，操作图1传质传热模块处于最低位置，启动传质传热循环泵，设定循环流量15m³/h，传质传热模块喷嘴间隙调整为4mm，循环槽溶液和油剂经传质传热模块上的喷嘴均匀喷出穿过纤维丝束，经过传质传热模块喷淋洗涤的纤维丝束，分析检测水浴牵伸后丝束中溶剂含量为2.4％，干燥后丝束油剂含量为1.67％。

在实例3中，循环水槽水浴温度85℃，上油温度25℃，操作图1传质传热模块处于最低位置，启动传质传热循环泵，设定循环流量15m³/h，传质传热模块喷嘴间隙调整为4mm，循环槽溶液和油剂经传质传热模块上的喷嘴均匀喷出穿过纤维丝束，经过传质传热模块喷淋洗涤的纤维丝束，分析检测水浴牵伸后丝束中溶剂含量为1.9％，干燥后丝束油剂含量为2.32％。

在实例4中，循环水槽水浴温度85℃，上油温度25℃，操作图1传质传热模块处于最低位置，启动传质传热循环泵，设定循环流量15m³/h，传质传热模块喷嘴间隙调整为1mm，循环槽溶液和油剂经传质传热模块上的喷嘴均匀喷出穿过纤维丝束，经过传质传热模块喷淋洗涤的纤维丝束，分析检测水浴牵伸后丝束中溶剂含量为1.4％，干燥后丝束油剂含量为2.76％。

在对比例中，循环水槽水浴温度85℃，上油温度25℃，不使用传质传热模块喷淋洗涤，分析检测水浴牵伸后丝束中溶剂含量为3.48％，干燥后丝束油剂含量为1.26％。

通过实施例和对比例的数据可以看出，本发明提供的大丝束pan基碳纤维原丝传质传热装置及方法可以有效对水浴牵伸洗涤增塑，利于高倍牵伸，本装置和方法可以有效提高丝束上油，明显提高碳纤维原丝的质量。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。