CN111549395B - 一种沥青纤维原位开卷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高性能纤维制造技术领域，尤其涉及一种沥青纤维原位开卷的方法。该方法在收卷过程中，将沥青纤维顺次进行上油集束处理和干燥处理；在开卷过程中，在沥青纤维表面形成静电层，沥青纤维在静电和重力协同作用下完成连续开卷；开卷后，对沥青纤维进行除静电处理。该方法克服了已有机械开卷技术的不足，开卷驱动力较常规机械力易于控制，对纤维基本无损伤，可设计性强，适合工程化的生产节拍。
Description
技术领域
本发明涉及高性能纤维制造技术领域，尤其涉及一种沥青纤维原位开卷的方法。
背景技术
沥青基碳纤维具备轻质高强、高导热、高模量、热膨胀系数低、高温性能好等优点，在国防军工、航空航天、轨道交通和高端制造业上具有广泛的应用。熔融纺丝是沥青基碳纤维制备的关键环节，所纺的沥青纤维经过后续的氧化、碳化和石墨化处理最终变成碳纤维产品。由于沥青纤维强度很低，约为10～50MPa，脆性大，无法像聚丙烯腈原丝(强度约500MPa)进行连续的纺丝、牵伸和氧化等工艺过程，往往需要纺丝收卷后利用开卷方式进行后续的氧化过程。由于沥青纤维本征的硬脆特征，采用机械力开卷时极易产生纤维损伤，从而导致后续碳纤维产品强度大幅降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种沥青纤维原位开卷的方法，该方法克服了已有机械开卷技术的不足，开卷驱动力较常规机械力易于控制，对纤维基本无损伤，可设计性强，适合工程化的生产节拍。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种沥青纤维原位开卷的方法，包括以下步骤：
1)在收卷过程中，将沥青纤维顺次进行上油集束处理和干燥处理；
2)在开卷过程中，在沥青纤维表面形成静电层，沥青纤维在静电和重力协同作用下完成连续开卷；
3)开卷后，对沥青纤维进行除静电处理。
作为优选，所述沥青纤维的种类包括各向同性沥青纤维和中间相沥青纤维中的一种或两种。
作为优选，步骤1)中所述上油集束处理选用水溶性功能基改性的聚二甲基硅氧烷进行，所述功能基为苯基、氨基、环氧基或聚醚基。
作为优选，步骤1)中所述干燥处理的温度为30～80℃，时间为1～5h。
作为优选，步骤2)中所述开卷为干燥处理后的沥青纤维在收卷方向转动并进行空气吹扫，形成静电层，然后引出沥青纤维线头，在沥青纤维丝筒的3点钟方向开卷，垂落高度为1～5m后，进行收卷方向的反向转动。
作为优选，所述空气吹扫的空气湿度≤30％，风速为2～5m/s，风口截面宽度为2～5mm，吹风时间为5～20min。
作为优选，所述转动的速度为30～60m/min。
作为优选，步骤3)中所述除静电处理为开卷后的沥青纤维落在输送带上接地除静电。
作为优选，所述输送带的材质为钢铁、铝合金或C/C复合材料。
作为优选，所述输送带的速度为0.1～0.5m/min。
本发明与现有技术相比具有以下积极效果：
沥青纤维本身硬脆易损伤，机械开卷力需要控制得很微小且力度极为精确，容错率低，装备的设计、制造和维护成本高昂。本发明利用干燥的空气吹扫沥青纤维表面，通过控制风速、风量和湿度使沥青纤维表面产生适量的静电，静电力在纤维开卷时施加一种微弱的斥力驱动纤维丝束分离；与此同时，利用沥青纤维本身的重力作为开卷的另一种驱动力，静电力和重力协同诱导作用保证沥青纤维的开卷是一个适度柔和、连续、低成本投入的工程化方法。
沥青纤维吹落后利用导电材质的输送带除去静电，避免了静电力产生的负面作用，输送速度根据开卷速度和沥青纤维的铺排状态调节，直接可进入后续氧化工段，可操作性强，适合高节奏的生产节拍。另外，采用人工干预的退绕方式，每个工位产量为0.2km/h；采用本发明的退绕方式可实现长时间连续退绕，产品质量稳定，每个机位的产量为2.7km/h，产能大幅提升。
具体实施方式
本发明提供了一种沥青纤维原位开卷的方法，包括以下步骤：
1)在收卷过程中，将沥青纤维顺次进行上油集束处理和干燥处理；
2)在开卷过程中，在沥青纤维表面形成静电层，沥青纤维在静电和重力协同作用下完成连续开卷；
3)开卷后，对沥青纤维进行除静电处理。
在本发明中，所述沥青纤维优选熔融纺丝制备的沥青纤维，其种类优选包括各向同性沥青纤维和中间相沥青纤维中的一种或两种。
在本发明中，步骤1)中所述上油集束处理优选水溶性功能基改性的聚二甲基硅氧烷进行，所述功能基优选为苯基、氨基、环氧基或聚醚基。
在本发明中，所述沥青纤维进行上油集束处理后，优选卷绕在绝缘材质的圆筒上，圆筒的直径优选为200～500mm，进一步优选为300～400mm，材质优选为PVC、聚四氟、有机玻璃等绝缘工程塑料。
在本发明中，步骤1)中所述干燥处理的温度优选为30～80℃，进一步优选为40～70℃，更进一步优选为50～60℃；时间优选为1～5h，进一步优选为2～4h，更进一步优选为3h；干燥处理后的沥青纤维表面不存在游离水分。
在本发明中，步骤2)中所述开卷优选在开卷机上进行，干燥处理后的沥青纤维在收卷方向转动并进行空气吹扫，形成静电层，然后引出沥青纤维线头，在沥青纤维丝筒的3点钟方向开卷，垂落高度为1～5m后，进行收卷方向的反向转动；其中垂高度可进一步优选为2～4m。
在本发明中，所述空气吹扫的空气湿度优选≤30％，进一步优选≤20％；风速优选为2～5m/s，进一步优选为3～4m/s；风口截面宽度优选为2～5mm，进一步优选为3～4mm；长度与丝筒长度相同；吹风时间优选为5～20min，进一步优选为10～15min。
在本发明中，所述转动的速度优选为30～60m/min，进一步优选为35～50m/min，更进一步优选为40～45m/min。
在本发明中，步骤3)中所述除静电处理优选开卷后的沥青纤维落在输送带上接地除静电。
在本发明中，所述输送带的材质为导电材质，优选为钢铁、铝合金或C/C复合材料。
在本发明中，所述输送带的速度优选为0.1～0.5m/min，进一步优选为0.2～0.4m/min，更进一步优选为0.3m/min。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
1)收卷过程：熔融纺丝制备中间相沥青纤维，使用苯基改性的聚二甲基硅氧烷水溶液进行上油集束处理，将其卷绕在直径为300mm的PVC圆筒上进行干燥处理，干燥处理的温度为50℃，时间为2h。
2)开卷过程：将干燥后的沥青纤维置于开卷机上，在收卷方向上转动，利用干燥空气吹扫，吹风的空气湿度为20％，风速为4m/s，风口截面宽度为3mm，长度与丝筒长度相同，吹风时间为10min，吹风后沥青纤维表面形成静电层，停止转动后在丝筒上引出沥青纤维线头，在沥青纤维丝筒的3点钟方向开卷，垂落高度为2米后，进行收卷方向的反向转动，转动速度为40m/min，沥青纤维在静电和重力协同作用下完成连续开卷。
3)除静电过程：开卷后的中间相沥青纤维落在304钢的输送带上，接地除静电，输送带的速度为0.3m/min。
实施例2
1)收卷过程：熔融纺丝制备中间相沥青纤维，使用氨基改性的聚二甲基硅氧烷水溶液进行上油集束处理，将其卷绕在直径为200mm的聚四氟圆筒上进行干燥处理，干燥处理的温度为30℃，时间为4h。
2)开卷过程：将干燥后的沥青纤维置于开卷机上，在收卷方向上转动，利用干燥空气吹扫，吹风的空气湿度为10％，风速为2m/s，风口截面宽度为2mm，长度与丝筒长度相同，吹风时间为5min，吹风后沥青纤维表面形成静电层，停止转动后在丝筒上引出沥青纤维线头，在沥青纤维丝筒的3点钟方向开卷，垂落高度为3米后，进行收卷方向的反向转动，转动速度为30m/min，沥青纤维在静电和重力协同作用下完成连续开卷。
3)除静电过程：开卷后的中间相沥青纤维落在铝合金的输送带上，接地除静电，输送带的速度为0.1m/min。
实施例3
1)收卷过程：熔融纺丝制备各向同性沥青纤维，使用环氧基改性的聚二甲基硅氧烷水溶液进行上油集束处理，将其卷绕在直径为500mm的有机玻璃圆筒上进行干燥处理，干燥处理的温度为80℃，时间为3h。
2)开卷过程：将干燥后的沥青纤维置于开卷机上，在收卷方向上转动，利用干燥空气吹扫，吹风的空气湿度为30％，风速为5m/s，风口截面宽度为5mm，长度与丝筒长度相同，吹风时间为15min，吹风后沥青纤维表面形成静电层，停止转动后在丝筒上引出沥青纤维线头，在沥青纤维丝筒的3点钟方向开卷，垂落高度为4米后，进行收卷方向的反向转动，转动速度为60m/min，沥青纤维在静电和重力协同作用下完成连续开卷。
3)除静电过程：开卷后的各向同性沥青纤维落在C/C复合材料的输送带上，接地除静电，输送带的速度为0.5m/min。
对实施例1～3所得沥青纤维的强度进行验证，具体结果见表1。
表1沥青纤维的性能
| 实施例 | 沥青纤维的强度 |
| 实施例1 | 2.4GPa |
| 实施例2 | 2.35GPa |
| 实施例3 | 2.42GPa |
采用常规的机械力开卷方式对沥青纤维进行开卷，沥青纤维束丝的强度为2GPa，通过比较机械力开卷与本发明的静电和重力协同开卷的结果可知，本发明的开卷方式可以减少沥青纤维的力学性能损伤，沥青纤维的强度可增加17.5～21％，即提供了一种适度柔和、连续、低成本投入的工程化方法。
由以上实施例可知，本发明提供了一种沥青纤维原位开卷的方法，该方法利用空气吹扫使沥青纤维表面产生静电，并利用沥青纤维本身的重力作为开卷的另一种驱动力，在静电力和重力协同诱导作用下保证沥青纤维连续开卷。同时，利用导电材质的输送带除去沥青纤维的静电，避免了静电力产生的负面作用，输送速度根据开卷速度和沥青纤维的铺排状态调节，直接可进入后续氧化工段，可操作性强，适合高节奏的生产节拍。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种沥青纤维原位开卷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在收卷过程中，将沥青纤维顺次进行上油集束处理和干燥处理；
2)在开卷过程中，在沥青纤维表面形成静电层，沥青纤维在静电和重力协同作用下完成连续开卷；
3)开卷后，对沥青纤维进行除静电处理；
步骤2)中所述开卷为干燥处理后的沥青纤维在收卷方向转动并进行空气吹扫，形成静电层，然后引出沥青纤维线头，在沥青纤维丝筒的3点钟方向开卷，垂落高度为1～5m后，进行收卷方向的反向转动；
所述空气吹扫的空气湿度≤30％，风速为2～5m/s，风口截面宽度为2～5mm，吹风时间为5～20min。
2.根据权利要求1所述的一种沥青纤维原位开卷的方法，其特征在于，所述沥青纤维的种类包括各向同性沥青纤维和中间相沥青纤维中的一种或两种。
3.根据权利要求1或2所述的一种沥青纤维原位开卷的方法，其特征在于，步骤1)中所述上油集束处理选用水溶性功能基改性的聚二甲基硅氧烷进行，所述功能基为苯基、氨基、环氧基或聚醚基。
4.根据权利要求1或2所述的一种沥青纤维原位开卷的方法，其特征在于，步骤1)中所述干燥处理的温度为30～80℃，时间为1～5h。
5.根据权利要求4所述的一种沥青纤维原位开卷的方法，其特征在于，所述转动的速度为30～60m/min。
6.根据权利要求1所述的一种沥青纤维原位开卷的方法，其特征在于，步骤3)中所述除静电处理为开卷后的沥青纤维落在输送带上接地除静电。
7.根据权利要求6所述的一种沥青纤维原位开卷的方法，其特征在于，所述输送带的材质为钢铁、铝合金或C/C复合材料。
8.根据权利要求6或7所述的一种沥青纤维原位开卷的方法，其特征在于，所述输送带的速度为0.1～0.5m/min。
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