一种超声雾化蒸汽辅助双辊碳纤维干燥加热装置的制作方法

本发明涉及一种超声雾化蒸汽辅助双辊碳纤维干燥加热装置，属于干燥装置制备技术领域。

背景技术：

碳纤维一般是以聚丙烯腈为先驱体，经过高温炭化和石墨化处理而得到的碳含量在95%以上的一种无机非金属材料。其具有密度低、强度高等一系列优异特点，因此以其作为增强体的树脂基复合材料具有广泛的应用。碳纤维树脂基复合材料的界面性能取决于碳纤维的表面结构与特性，如表面官能团，表面粗糙度，表面能及比表面积等等。然而碳纤维属于乱层石墨结构，二维相对有序，三维无序，石墨层面彼此扭曲，构成了“皮-芯”结构的碳纤维，芯部石墨层小且排列紊乱，蜿蜒曲折，孔隙率高，存在大量褶皱；由芯层到皮层，排列逐步有序，结构越来越均匀，称为过渡区；纤维表皮层的石墨条带排列紧密有序，呈纤维取向排列，表面微晶尺寸增大，且缺陷较少，这种结构导致碳纤维表面呈惰性，活性碳原子少，表面能低，碳纤维表面无法实现与树脂的良好润湿，更不能产生化学键合和机械锁合作用，最终复合材料的界面性能及整体性能的提升与发挥也将无法实现。

高性能碳纤维原丝是生产高性能碳纤维的前提。而碳纤维原丝干燥技术则是影响碳纤维原丝质量的重要环节。其中干燥致密化工艺所用装置由于工艺条件严格，设备结构复杂，技术含量高，是制造高性能pan原丝的关键装置。当前干燥致密化一般在上油后用热辊或热风进行。热风干燥主要是以热空气为介质通过对流方式对湿性丝束进行烘干。设备一般采用链板式烘干机，烘干机共分4个温区，每个温区环境场都由干、湿球进行温湿度控制。这种干燥致密化好处就是温度调节比较方便，但是环境场温湿度容易不均匀和不稳定。而且，为了保持生产过程中的稳定性，必须不断将热风循环和更换，从而增加能耗。热辊干燥是目前纺丝工艺中应用最为普遍的方法。一般采用一段或多段热辊干燥工艺。若采用一段式热辊干燥，干燥温度需要140℃以上才能实现干燥致密化，这样易导致碳化丝脆断。因此国内普遍采用多段式热辊干燥致密化工艺以改善脆断现象（如九辊干燥机、十七辊干燥机等）。

热辊干燥根据加热的方法不同可分为3种类型。第1种是向辊套空腔内直通蒸气加热辊筒；第2种是电感先加热辊内液体介质，再由液体把热量传导到辊的表面；第3种是工频电感应直接加热辊筒。第1种方法其装置虽然结构简单，但是辊面温度不均匀，难以控制，且环境场温湿度也不稳定，原丝内水分子逸走速度不同，易产生皮芯结构，致使原丝在预氧化过程中由于皮心结构而脆断，另外，蒸汽来源不同，同一台装置通入不同的蒸汽，效果也会不同。第2种方法由于是液体介质受热蒸发后，按冷凝原理对辊进行恒温，采用传感器在液体腔内与辊同步旋转，虽在一定程度上提高了辊面温度的均匀性和精准性，但由于腔内是液气两相共存，相平衡过程不易控制，且能耗较大。第3种工频电感应直接加热辊筒方法是1990年代初推出的技术，其工作原理是通过给感应线圈中通以工频电流而产生工频电磁场，在旋转热辊壳体的二次导体中将产生涡流，利用涡流在二次导体中产生的大量热实现对辊面加热的目的。此方法温度恒定，精度高，但是会对其他生产设备的信号产生干扰，损耗多且维护不方便。液态是物质的三种形态之一，人类在日常生活和工业生产中，通过三大物质形态的相互转换来达到一定的预期目的。雾化是液体被转变成微小液滴（如水蒸气、雾滴）的过程。雾化装置是喷雾干燥装置中的核心部件，又称雾化器。雾化器用于将稀料转变成微小液滴形式，雾化器的雾化性能对喷雾干燥装置最终回收所得的固体微颗粒的尺寸及特性具有决定性的影响。故人们对雾化器的研究成为喷雾干燥装置研究的热点。早期的雾滴生成方式是通过高温辅助蒸发的方式，将稀料加热到其沸点温度，使稀料蒸发生成雾滴。但是，这种方法只适用于能完全溶解于水的物质，对于会产生悬浊液或乳浊液这样的物质，传统的蒸发雾化的方法并不适用。为了克服蒸发雾化器的这一缺点，人们想到了用某些附加的驱动力来代替传统雾化器单纯靠高温蒸发进行雾化的方式。因此，采用雾化结合干燥装置的技术设计是解决现有装置干燥碳纤维时致密化温度不均匀、难控温或温度精准差的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题：针对现有干燥装置干燥致密化温度不均匀、难控温或温度精准差的问题，提供了一种超声雾化蒸汽辅助双辊碳纤维干燥加热装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种超声雾化蒸汽辅助双辊碳纤维干燥加热装置，其特征在于，主要包括温度变送器、加热箱体，其中，在加热箱体底部安装有可自由滑动的万向轮，在加热箱体中分成上下两层，在底层电机室中安装有伺服电机，在加热箱体的上层，与温度变送器装置为超声雾化辅助装置，在超声雾化辅助装置水平的正前方，安装有双辊加热辊，其中，在加热箱体顶部，还设有与超声雾化辅助装置相连的储水罐，在加热箱体上表面，设置有可调出气孔，在加热箱体内部，连接双辊加热辊、超声雾化辅助装置和温度变送器的是通过主轴进行连接的，主轴通过轴承固定在加热箱体轴承座上，两端装有唇形密封圈，在主轴的右侧，分成两根双辊加热辊，双辊加热辊与主轴通过螺母进行连接，同时在双辊加热辊表面安装有包裹在双辊加热辊表面的陶瓷包覆套。

一种超声雾化蒸汽辅助双辊碳纤维干燥加热装置主要加热步骤为：将需要干燥的碳纤维置于双辊加热辊表面，通过伺服电机运作，带动温度变送器，通过温度变送器内部的加热组件进行加热处理，并由主轴方向对干燥主室进行加热处理，同时通过储水罐将储存的水输送至超声雾化辅助装置中，通过主轴中加热网络，将水分蒸发成水蒸气并再次通过超声雾化辅助装置中分别置于上下部分的雾化喷头将水蒸气超声振荡成细小的水蒸气分子，从而进一步提高水分子的分散体系，提高干燥主室中干燥的均匀和稳定性能，最终，在干燥主室中，整体环境中存在的水蒸气复合陶瓷包覆套整体加热，进一步提高材料的加热效率，通过主轴端口设置的压强检测装置，对温度和加热功率进行控制，当水蒸气压强到达临界值时，打开可调出气孔，卸压并降温，最终完成碳纤维的干燥步骤。

所述的伺服电机为动力源，通过伺服电机的运作，使双辊加热辊进行顺时针方向的转动，控制双辊加热辊转动速率为45～55r/min。

所述的主轴为空心结构，电加热管填充在主轴内部。

所述的双辊加热辊总共有两根，每个双辊加热辊表面分布有陶瓷包覆套，包覆部分为锥面结构，并通过压紧螺母实现紧安装，每层陶瓷包覆套表面上分布有10～15个大小相同的散热孔。

所述的双辊加热辊为不锈钢材质，在热态状况下与陶瓷包覆套相套紧贴。

所述的温度变送器设定温度范围在90～140℃之间。

所述的加热箱体内部压强范围控制在0.25～0.30mpa之间。

所述的可调出气孔直径为75～80mm。

所述的超声雾化辅助装置雾化功率为200～300w。

本发明与其他方法相比，有益技术效果是：

（1）本发明技术装置采用包覆陶瓷套包覆至加热辊，通过陶瓷包覆层具有的优异导热性能，均匀分布在加热辊辊筒表面，而且安装时导热陶瓷层与不锈钢加热辊辊筒均结合度较高，充分保证了导热陶瓷层与辊筒的贴合性，因此充分保证了加热辊辊筒表面的温度均匀性，有效提高本发明装置中干燥辊筒的包覆均匀性能。

本发明装置采用蒸汽复合表面干燥的方法，通过将加热水份形成蒸汽后，经超声振荡形成细小蒸汽水珠并形成稳定均匀的分散体系并弥散至材料干燥装置内部，有效改善传统技术中，干燥装置的辊面温度不均匀、难以控制的现象，且环境场温湿度稳定可控，原丝内水分子逸走速度通过调节湿度进行有效控制，降低材料产生皮芯结构的现象，有效改善碳纤维材料在在预氧化过程中由于皮心结构而脆断的现象，通过超声装置对材料进行振荡分散，有效均匀分散蒸汽并使其弥散，进一步提高干燥装置的干燥效率和均匀性能。

本发明装置所采取的技术方案，保证了加热辊辊筒表面的温度均匀性及温度控制高精准性，改善了干燥致密化条件，而且操作方便，环保低耗，保证了纤维干燥致密化的同时，消除了“失透”现象，预防了并丝问题，抑制了皮芯结构的形成，解决了碳纤维的脆性问题，提高了纤维的勾结强度，进一步改善本发明技术方案中碳纤维材料的干燥效率，同时本发明装置材料体积小，易操作和控制，采用电加热装置进行加热，通过调整温度并控制采取固态继电器作为一次控制单元，加热负载为阻抗性负载，因此在有效保证了温度控制的高精确性外，干扰少，同时本发明装置整个安装结构通过简单螺母进行拆装，维护更换简单方便，电加热管价格低廉，也在一定程度上减少了成本投入。

附图说明

图1为本发明超声雾化蒸汽辅助双辊碳纤维干燥加热装置左视切面。

其中，1、温度变送器；2、加热箱体；3、伺服电机；4、电加热控制室；5、超声雾化辅助装置；6、干燥主室；7、万向轮；8、底层电机室；9、雾化喷头；10、储水罐；11、双辊加热辊；13、压强检测装置；15、可调出气孔；17、陶瓷包覆套。

图2为本发明超声雾化蒸汽辅助双辊碳纤维干燥加热装置半剖面图。

其中，7、万向轮；10、储水罐；11、双辊加热辊；12、观察舱门；15、可调出气孔；18、散热孔。

图3为本发明超声雾化蒸汽辅助双辊碳纤维干燥加热装置温度变送器结构示意图。

其中，14、加热组件；16、主轴。

具体实施方式

一种超声雾化蒸汽辅助双辊碳纤维干燥加热装置，其特征在于，主要包括温度变送器1、加热箱体2，其中，在加热箱体2底部安装有可自由滑动的万向轮7，在加热箱体2中分成上下两层，在底层电机室8中安装有伺服电机3，在加热箱体2的上层，与温度变送器1装置为超声雾化辅助装置5，在超声雾化辅助装置5水平的正前方，安装有双辊加热辊11，其中，在加热箱体2顶部，还设有与超声雾化辅助装置5相连的储水罐10，在加热箱体2上表面，设置有可调出气孔15，在加热箱体内部，连接双辊加热辊11、超声雾化辅助装置5和温度变送器1的是通过主轴16进行连接的，主轴16通过轴承固定在加热箱体2轴承座上，两端装有唇形密封圈，在主轴16的右侧，分成两根双辊加热辊11，双辊加热辊11与主轴16通过螺母进行连接，同时在双辊加热辊11表面安装有包裹在双辊加热辊11表面的陶瓷包覆套17；一种超声雾化蒸汽辅助双辊碳纤维干燥加热装置主要加热步骤为：将需要干燥的碳纤维置于双辊加热辊11表面，通过伺服电机3运作，带动温度变送器1，通过温度变送器1内部的加热组件14进行加热处理，并由主轴16方向对干燥主室6进行加热处理，同时通过储水罐10将储存的水输送至超声雾化辅助装置5中，通过主轴中加热网络，将水分蒸发成水蒸气并再次通过超声雾化辅助装置5中分别置于上下部分的雾化喷头9将水蒸气超声振荡成细小的水蒸气分子，从而进一步提高水分子的分散体系，提高干燥主室6中干燥的均匀和稳定性能，最终，在干燥主室6中，整体环境中存在的水蒸气复合陶瓷包覆套17整体加热，进一步提高材料的加热效率，通过主轴16端口设置的压强检测装置13，对温度和加热功率进行控制，当水蒸气压强到达临界值时，打开可调出气孔15，卸压并降温，最终完成碳纤维的干燥步骤。所述的伺服电机3为动力源，通过伺服电机3的运作，使双辊加热辊11进行顺时针方向的转动，控制双辊加热辊11转动速率为45～55r/min。所述的主轴16为空心结构，电加热管填充在主轴16内部。所述的双辊加热辊11总共有两根，每个双辊加热辊11表面分布有陶瓷包覆套17，包覆部分为锥面结构，并通过压紧螺母实现紧安装，每层陶瓷包覆套17表面上分布有10～15个大小相同的散热孔18。所述的双辊加热辊11为不锈钢材质，在热态状况下与陶瓷包覆套17相套紧贴。所述的温度变送器1设定温度范围在90～140℃之间。所述的加热箱体2内部压强范围控制在0.25～0.30mpa之间。所述的可调出气孔15直径为75～80mm。所述的超声雾化辅助装置5雾化功率为200～300w。