CN108060463B - 制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供的制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件，括原料进口板，原料进口板的下方依次布置有圆环形混合多孔板、集合分散板、混合多孔板、混合分配板、喷丝板和组件外套。熔融聚合物进入组件后，首先进过同心圆迷宫型S型结构的流道，使得进入纺丝组件的熔融聚合物在此进行了初步的混合；其次再通过一系列圆孔形混合流道的分散、集合、混流等流动过程，使其进一步混合均匀；最后在通过多层过滤网，使其内部残余气泡破裂，大粒径颗粒细化、让熔融聚合物的混合更均匀；从而使纺出的纤维品质提高，纤维性能的一致性和纺丝过程的稳定性得到改善。

Description

制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件。

背景技术

碳纤维具有密度小，强度大，模量高，导热好的优点，是先进复合材料最重要的增强体，是高新科技领域中新型工业材料的典型代表，经过几十年的发展历程，逐渐形成了以聚丙烯腈碳纤维为主的高强碳纤维和中间相沥青基高模碳纤维。由于石墨晶体结构沿纤维轴高度取向，中间相沥青基碳纤维具有高模量，高导热的特点，加上其具有负的热膨胀系数，故其特别适合用于制备高导热以及对尺寸稳定精度高的复合材料，应用于卫星，导弹及太空温差大的环境。

现有的技术通过可纺中间相沥青制备碳纤维长丝，但是合成的中间相沥青原料是混合物，其中有各种的轻组分，以及在合成和调制中间相沥青原料时混入的其他微量杂质，因而在纺丝过程中会出现流道堵塞、断丝频繁，性能不稳，丝径不一等缺陷。现有的纺丝组件功能单一，结构简单，无法解决原料中的上述问题，不能进一步提高碳纤维的品质，很难满足现有的国内军工航空航天及民用市场对高性能碳纤维的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件，解决了现有纺丝组件在纺丝过程中出现的流道堵塞、断丝频繁、性能不稳和丝径不一的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件，包括原料进口板，原料进口板的下方依次布置有圆环形混合多孔板、集合分散板、混合多孔板、混合分配板和喷丝板，其中，原料进口板上开设有原料进口流道，原料进口板和圆环形混合多孔板之间设置有S型结构的流道；圆环形混合多孔板和集合分散板之间设置有圆柱形结构的第一空腔；集合分散板和混合多孔板之间设置有圆锥形结构第二空腔；混合多孔板和混合分配板之间设置有圆柱形结构的第三空腔，混合分配板和喷丝板之间设置有圆锥形结构的的第四空腔；集合分散板和混合多孔板之间设置有第一过滤网，混合多孔板和混合分配板之间设置有第二过滤网，混合分配板和喷丝板之间设置有第三过滤网。

优选地，原料进口板的一端端面上以原料进口流道为中心向外延伸开设有三个环形槽，分别为第一环形槽、第二环形槽和第三环形槽，其中，第三环形槽的槽宽大于第二环形槽和第一环形槽的槽宽。

优选地，圆环形混合多孔板的一端端面设置有三个圆环形结构的凸台，所述凸台与原料进口板上的三个环形槽内相配合形成S型结构的流道；

圆环形混合多孔板上开设有与原料进口板上的第三环形槽位置相对应的呈环形阵列布置的第一圆孔形混合流道；所述第一圆孔形混合流道用于连通S型结构的流道和第一空腔。

优选地，集合分散板的一端端面上开设有圆柱结构的第一凹槽；集合分散板的另一端端面上开设有圆锥结构的第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽之间通过开设在集合分散板中心位置的第二圆孔形混合流道连通。

优选地，混合多孔板上开设有呈环形阵列布置的第三圆孔形混合流道。

优选地，混合分配板的上端面和混合多孔板的下端面之间形成有圆柱形结构的第三空腔；混合分配板的下端端面是圆锥形结构的第三凹槽，混合分配板中心开设有呈圆形阵列布置的第四圆孔形混合流道。

优选地，喷丝板的上端端面和混合分配板下端面的第三凹槽之间形成有圆锥形结构的第四空腔；喷丝板上开设有呈环形阵列布置的喷丝孔。

优选地，原料进口板、圆环形混合多孔板、集合分散板、混合多孔板、混合分配板和喷丝板通过组件外套紧固连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件，熔融聚合物进入组件后，首先进过同心圆迷宫型S型结构的流道，在这个流动过程中，熔融聚合物沿着流道壁反复爬升、下降、扩散、混合，使得进入纺丝组件的熔融聚合物在此进行了初步的混合；其次再通过一系列圆孔形混合流道的分散、集合、混流等流动过程，使其进一步混合均匀；最后在通过多层过滤网，使其内部残余气泡破裂，大粒径颗粒细化、让熔融聚合物的混合更均匀；使熔融聚合物到达纺丝组件喷丝孔时，已经经过了反复的内部混合、杂质及凝胶的多层过滤、聚合物在多个流道中的反复交叉混合，保证了各个喷丝孔处的聚合物内部压力基本相同，熔融聚合物混合均匀，杂质凝胶过滤干净，从而使纺出的纤维品质提高，纤维性能的一致性和纺丝过程的稳定性得到改善。

同时，采用片层组合结构，每一个片层结构实现一种功能，每一个结构单元外形结构参数相同或者相近，可实现自由组合、更换、调整。本发明纺丝组件集成了混合、过滤、均压等功能，每一个功能由相应的结构单元实现，可根据具体的纺丝工艺要求，自由组合结构单元。而且可随时改进设计，增加或者删减功能模块，根据原丝性能要求，更换不同的功能结构单元，可以实现纺丝组件的多场合使用。本产品在设计之初就考虑了通用化和模块化要求，留有可随时更换的对接窗口，以适应各种纺丝工艺变化。同时本发明纺丝组件提高了整体的使用寿命，在长期使用中无论那个结构出现问题和故障，可随时更换。不会再出现因一个小缺陷导致整个纺丝组件报废的情况，节约了成本，也提高了生产效率。

附图说明

图1是纺丝组件结构的主视图；

其中，1、原料进口板；2、圆环形混合多孔板；3、集合分散板；4、混合多孔板5、混合分配板；6、喷丝板；61、喷丝孔；7、组件外套；Ⅰ、第一过滤网；Ⅱ、第二过滤网；Ⅲ、第三过滤网；Ⅳ、密封垫；Ⅴ、碳纤维。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件(以下简称纺丝组件)，具有使熔融聚合物流动、混合、过滤、均压的功能。具体包括原料进口板1、圆环形混合多孔板2、集合分散板3、混合多孔板4、混合分配板5、喷丝板6、组件外套7、第一过滤网Ⅰ、第二过滤网Ⅱ、第三过滤网Ⅲ、密封垫Ⅳ、碳纤维Ⅴ。

其中，上述的原料进口板1位于整个纺丝组件的最上端，其下面是圆环形混合多孔板2。

圆环形混合多孔板2下面是集合分散板3。

集合分散板3下面是混合多孔板4，两者之间设置有第一过滤网Ⅰ。

混合多孔板4下面是混合分配板5，两者之间设置有第二过滤网Ⅱ。

混合分配板5下面是喷丝板6，两者之间设置有第三过滤网Ⅲ。

原料进口板1、圆环形混合多孔板2、集合分散板3、混合多孔板4、混合分配板5、喷丝板6都安装在组件外套7中，原料进口板1与组件外套7之间设置有密封垫Ⅳ。

纺丝组件组装完成后，通过螺钉压紧固定，使上述的结构单元、功能单元统一成整体，组成了制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件。

具体地，原料进口板1为两阶台阶式结构，组件外套7与原料进口板1的大端下端面相接触，且通过紧固螺丝连接。

原料进口板1的中心位置开设有原料进口流道，原料进口流道是熔融聚合物进入纺丝组件的通道，其流道过流截面为圆形。

同时，原料进口板1的一端端面上以原料进口流道为中心向外延伸开设有三个环形槽，分别为第一环形槽、第二环形槽和第三环形槽，其中，第三环形槽的槽宽大于第一环形槽和第二环形槽的槽宽。三个环形槽构成熔融聚合物进行反复混合的空间，熔融聚合物在此进行均压、混合、缓冲后，由此流出到下一结构单元。

圆环形混合多孔板2的一端端面设置有三个圆环形结构的凸台，所述凸台***至原料进口板1上的环形槽内，使得原料进口板1与圆环形混合多孔板2的交接处形成以原料进口流道为中心向外延伸的S型结构的流道，熔融聚合物在此进行反复的混合均质，最后熔融聚合物通过圆环形混合多孔板2上的第一圆孔形流道流入下一结构单元。

圆环形混合多孔板2上还开设有三个环形流道，所述三个环形流道置于第三环形槽的下方，通过三个环形槽使得S型结构的流道与第一空腔连通。

集合分散板3的一端端面上开设有圆柱结构的第一凹槽；集合分散板3的另一端端面上开设有圆锥结构的第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽之间通过开设在集合分散板3中心位置的第二圆孔形混合流道连通。

集合分散板3上的第一凹槽和圆环形混合多孔板2的下端面之间形成有圆柱形结构的第一空腔，集合分散板3的下端端面开设有圆锥形结构的第二凹槽，集合分散板3中心位置开设有第二圆孔形流道，用于导通集合分散板3的上下空腔；圆孔形流道过流截面为圆形，熔融聚合物在此集聚后进入下一结构单元。

混合多孔板4的上端面和集合分散板3下端面的第二凹槽之间形成有圆锥型结构的第二空腔；同时，混合多孔板4上开设有呈环形阵列分布的第三圆孔形流道，上端面设置有第一过滤网Ⅰ，熔融聚合物在此混合、过滤后进入下一结构单元。

混合多孔板4的下端面和混合分配板5的上端面之间形成有圆柱形结构的第三空腔，所述第三空腔内设置有第二过滤网Ⅱ；混合分配板5的下端端面是圆锥形结构的第三凹槽，混合分配板5中心开设有呈圆形阵列布置的第四圆孔形混合流道，熔融聚合物在此继续混合、过滤后进入下一结构单元。

喷丝板6的上端端面和混合多孔板5下端面的第三凹槽之间形成有圆锥形结构的第四空腔，第四空腔内设置有第三过滤网Ⅲ，喷丝板6上有呈圆环阵列分布的第五圆孔形混合流道—喷丝孔61，熔融聚合物通过第三过滤网Ⅲ过滤后，从喷丝孔61流出，完成纺丝。

上述的原料进口板1、圆环形混合多孔板2、集合分散板3、混合多孔板4、混合分配板5、喷丝板6、依次从上到下安装到组件外套7中，用密封垫Ⅳ密封，通过螺钉将上述结构单元压紧固定。

组件外套7为圆柱薄壁结构，其上端面与原料进口板1通过螺丝紧固连接，其下端面设置有定位凸台，得到定位凸台卡装在喷丝板6的下端面。

本发明的技术优点：

1.片层组合结构，实现功能单元模块化。

本发明制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件(以下简称纺丝组件)，采用片层组合结构，每一个片层结构实现一种功能，每一个结构单元外形结构参数相同或者相近，可实现自由组合、更换、调整。

本发明纺丝组件集成了混合、过滤、均压等功能，每一个功能由相应的结构单元实现，可根据具体的纺丝工艺要求，自由组合结构单元。而且可随时改进设计，增加或者删减功能模块，根据原丝性能要求，更换不同的功能结构单元，可以实现纺丝组件的多场合使用。本产品在设计之初就考虑了通用化和模块化要求，留有可随时更换的对接窗口，以适应各种纺丝工艺变化。

同时本发明纺丝组件提高了整体的使用寿命，在长期使用中无论那个结构出现问题和故障，可随时更换。不会再出现因一个小缺陷导致整个纺丝组件报废的情况，节约了成本，也提高了生产效率。

2.结构简单，配合紧凑，功能齐全。

本发明纺丝组件，空间尺寸小，结构布局合理，结构简单，易于加工成型。每个结构单元之间配合可靠，易于安装拆卸。

本发明纺丝组件集成了对熔融聚合物的混合、均压、过滤等功能，使熔融聚合物到达纺丝组件喷丝孔时，已经经过了反复的内部混合、杂质及凝胶的多层过滤、聚合物在多个流道中的反复交叉混合，保证了各个喷丝孔处的聚合物内部压力基本相同，熔融聚合物混合均匀，杂质凝胶过滤干净，从而使纺出的纤维品质提高，纤维性能的一致性和纺丝过程的稳定性得到改善。

3.熔融聚合物在纺丝组件中的理化性质均匀。

本发明纺丝组件采用多种混合流动方式，经过多次反复混合、分散、集合、分配等流动过程，使熔融聚合物中各组分分布更均一，理化性能更均衡，提高了碳纤维原丝性能的一致性。

熔融聚合物进入组件后，首先进过同心圆迷宫型流道，在这个流动过程中，熔融聚合物沿着流道壁反复爬升、下降、扩散、混合，使得进入纺丝组件的熔融聚合物在此进行了初步的混合；其次再通过一系列圆孔形混合流道的分散、集合、混流等流动过程，使其进一步混合均匀；最后在通过多层过滤网，使其内部残余气泡破裂，大粒径颗粒细化、让熔融聚合物的混合更均匀，达到喷丝孔处的压力更均一。

4.熔融聚合物到达喷丝孔时杂质凝胶少。

本发明纺丝组件采用多层过滤方式，有三个过滤层，层层过滤，使熔融聚合物中的杂质凝胶到达喷丝孔之前剔除干净。

过滤方式是金属过滤网过滤，金属过滤网的目数不同，由小到大依次从上到下排列，使不同粒径的杂质在不同的金属过滤网过滤，防止了熔融聚合物中的杂质在某一个过滤网上大量堆积，提高了过滤网的使用效率和周期。

本发明制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件，原料进口板1位于整个纺丝组件的第一层(最上层)，与第二层的圆环形混合多孔板2配合。圆环形混合多孔板2与第三层的集合分散板3配合。集合分散板3与第四层的混合多孔板4配合，之间设置有第一过滤网Ⅰ。混合多孔板4与第五层的混合分配板5配合，之间设置有第二过滤网Ⅱ。混合分配板5与第六层的喷丝板6配合，之间设置有第三过滤网Ⅲ。

同时原料进口板1、圆环形混合多孔板2、集合分散板3、混合多孔板4、混合分配板5、喷丝板6是依次从上到下安装在组件外套7中，用密封垫Ⅳ密封，通过螺钉将上述结构单元压紧固定。

再将纺丝组件安装到纺丝箱体中，升温至纺丝工作温度。

熔融聚合物通过原料进口板1的原料进口流道进入到纺丝组件，在由同心圆混合流道组成的同心圆迷宫型流道空间内反复爬升、下降、扩散、混合后，到达混合均压缓冲空间，在此汇合整流后，流入到圆环形混合多孔板2的第一圆孔形混合流道，熔融聚合物在这里分散后，进入到集合分散板3的圆柱形结构的第一空腔内，熔融聚合物又在此进行集聚混合，再从第二圆孔形混合流道流入到圆锥形结构的第二空腔内，熔融聚合物在此空间内混合、缓冲、均压。在经过第一过滤网Ⅰ过滤后，流入到混合多孔板4内，熔融聚合物在这里又分散后，经第二过滤网Ⅱ过滤后，流入至混合分配板5内，在此进行分散流动，然后到达喷丝板6上端的圆锥形第四空腔内，熔融聚合物在此空间内混合、缓冲、均压后，经第三过滤网Ⅲ过滤，流入至喷丝板6中喷丝孔61中，再从喷丝孔61中挤出，通过下游设备牵伸，最终纺出中间相沥青基碳纤维原丝Ⅴ。

Claims (8)

1.制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件，其特征在于：包括原料进口板(1)，原料进口板(1)的下方依次布置有圆环形混合多孔板(2)、集合分散板(3)、混合多孔板(4)、混合分配板(5)和喷丝板(6)，其中，原料进口板(1)上开设有原料进口流道，原料进口板(1)和圆环形混合多孔板(2)之间设置有S型结构的流道；圆环形混合多孔板(2)和集合分散板(3)之间设置有圆柱形结构的第一空腔；集合分散板(3)和混合多孔板(4)之间设置有圆锥形结构第二空腔；混合多孔板(4)和混合分配板(5)之间设置有圆柱形结构的第三空腔，混合分配板(5)和喷丝板(6)之间设置有圆锥形结构的的第四空腔；集合分散板(3)和混合多孔板(4)之间设置有第一过滤网(Ⅰ)，混合多孔板(4)和混合分配板(5)之间设置有第二过滤网(Ⅱ)，混合分配板(5)和喷丝板(6)之间设置有第三过滤网(Ⅲ)；

喷丝板(6)上开设有呈环形阵列布置的喷丝孔(61)。

2.根据权利要求1所述的制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件，其特征在于：原料进口板(1)的一端端面上以原料进口流道为中心向外延伸开设有三个环形槽，分别为第一环形槽、第二环形槽和第三环形槽，其中，第三环形槽的槽宽大于第二环形槽和第一环形槽的槽宽。

3.根据权利要求2所述的制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件，其特征在于：圆环形混合多孔板(2)的一端端面设置有三个圆环形结构的凸台，所述凸台与原料进口板(1)上的三个环形槽内相配合形成S型结构的流道；

圆环形混合多孔板(2)上开设有与原料进口板(1)上的第三环形槽位置相对应的呈环形阵列布置的第一圆孔形混合流道；所述第一圆孔形混合流道用于连通S型结构的流道和第一空腔。

4.根据权利要求1所述的制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件，其特征在于：集合分散板(3)的一端端面上开设有圆柱结构的第一凹槽；集合分散板(3)的另一端端面上开设有圆锥结构的第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽之间通过开设在集合分散板(3)中心位置的第二圆孔形混合流道连通。

5.根据权利要求1所述的制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件，其特征在于：混合多孔板(4)上开设有呈环形阵列布置的第三圆孔形混合流道。

6.根据权利要求1所述的制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件，其特征在于：混合分配板(5)的上端面和混合多孔板(4)的下端面之间形成有圆柱形结构的第三空腔；混合分配板(5)的下端端面是圆锥形结构的第三凹槽，混合分配板(5)中心开设有呈圆形阵列布置的第四圆孔形混合流道。

7.根据权利要求1所述的制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件，其特征在于：喷丝板(6)的上端端面和混合分配板(5)下端面的第三凹槽之间形成有圆锥形结构的第四空腔。

8.根据权利要求1所述的制备中间相沥青基碳纤维的多流道均压混合纺丝组件，其特征在于：原料进口板(1)、圆环形混合多孔板(2)、集合分散板(3)、混合多孔板(4)、混合分配板(5)和喷丝板(6)通过组件外套(7)紧固连接。

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