CN112575395B - 一种杂环芳纶纤维凝固成型装置及其工艺 - Google Patents

一种杂环芳纶纤维凝固成型装置及其工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种杂环芳纶纤维凝固成型装置及其工艺，涉及高性能有机纤维制造技术领域，杂环芳纶纤维凝固成型装置包括芳纶Ⅲ纺丝聚合液水箱，收丝***，第一凝固液***和第二凝固液***，所述芳纶Ⅲ纺丝聚合液水箱连接于第一凝固液***；所述第一凝固液***包括第一凝固液箱、第一凝固液进液管路、喷丝板、U型玻璃管槽和第一凝固液回液管路；所述第二凝固***包括第二凝固液箱、第二凝固液进液管路、玻璃管、凝固液溢流槽和第二凝固液回液管路；所述收丝***包括纺丝盘、牵丝辊筒和收丝机；本发明采用全新设计凝固成型立体装置，合理利用车间立体空间，单工位的成型控制，可根据生产状况及时调整运行状态，便于监控和操作，有效节约能耗。

Description

一种杂环芳纶纤维凝固成型装置及其工艺
技术领域
本发明涉及一种杂环芳纶纤维凝固成型装置及其工艺，涉及高性能有机纤维制造技术领域。
背景技术
芳纶Ⅲ纤维(杂环芳纶)是指主链上含有芳杂环的一类对位芳纶，典型的芳杂环为苯并咪唑环。据理论计算，由对苯二胺、对苯二甲酰氯和苯并咪唑类二胺三元缩聚合成的纤维拉伸强度可达4.5～5.5GPa，且具有很高的热稳定性，全芳香聚酰胺纤维的分解温度可达550℃。而作为增强体制备树脂基高性能复合材料是芳纶最为重要的应用领域之一，芳纶增强树脂基复合材料的应用范围非常广，在航空航天、军用抗弹、体育器材、汽车和建筑等多个领域都发挥着重要作用。
芳纶Ⅲ纤维需要获得较高的力学性能就必须在其纺丝制备过程中采用湿法纺丝工艺，以缓和剧烈多级的凝固浴方式使纤维成型过程中发生双扩散作用，在初生纤维形成皮芯结构的同时又减少塑化拉伸带来的缺陷。
国内现有的生产工艺中，均采用两道不同浓度凝固浴池来连续进行芳纶Ⅲ纤维湿法纺丝初生纤维成型，需要用到带夹套加热装置的大型凝固液池和凝固液配液釜，车间占地较大，使用能耗高且运行灵活性差。通常16工位纺丝车间需要用到200㎡厂房，而设备加热运行用电不会因工位数减少而降低。
综上，一种可有效降低场地使用面积，合理利用车间立体空间，有效节约能耗的杂环芳纶纤维凝固成型装置及其工艺有待研究。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术存在的缺陷，提供一种杂环芳纶纤维凝固成型装置及其工艺，改善纤维湿法纺丝工艺状态，减少车间用地，从而降低生产制造成本。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：
一种杂环芳纶纤维凝固成型装置，包括芳纶Ⅲ纺丝聚合液水箱，收丝***，第一凝固液***和第二凝固液***，所述芳纶Ⅲ纺丝聚合液水箱连接于第一凝固液***；
所述第一凝固液***包括依次连接成回路的第一凝固液箱、第一凝固液进液管路、喷丝板、U型玻璃管槽和第一凝固液回液管路，所述喷丝板设于U型玻璃管槽中靠近芳纶Ⅲ纺丝聚合液水箱的一端；
所述第二凝固***包括依次连接的第二凝固液箱、第二凝固液进液管路、玻璃管、凝固液溢流槽和第二凝固液回液管路，所述凝固液溢流槽设于玻璃管下方，所述第二凝固液回液管路连接于第二凝固液箱；
所述收丝***包括纺丝盘、牵丝辊筒和收丝机；所述纺丝盘设于凝固液溢流槽上方，玻璃管下方；所述牵丝辊筒设于玻璃管的上方。
本发明第一凝固液箱和第二凝固液箱位于整套装置高位处；以分路的纺丝提供个多个工位凝固液。第一凝固液箱和第二凝固液箱必须位于牵丝辊筒上端，体积500-2000L；箱体内设有盘管加热装置；根据工位数的要求可分为6-100条支路。
进一步的，所述第一凝固液回液管路上设有第一转液泵；所述第二凝固液回液管路上设有第二转液泵。
进一步的，所述U型玻璃管槽远离喷丝板的一端设有导丝器。U型玻璃管槽直径为10-200mm，长度为1-2m。
进一步的，所述玻璃管竖直设置，所述玻璃管顶部连通于第二凝固液进液管路，所述玻璃管的底部设有锥状收口。玻璃管直径为10-50mm，长度为200-500mm。
进一步的，所述玻璃管的末端设于纺丝盘出丝处的上方，所述玻璃管的顶端设于牵丝辊筒进丝处的下方。
进一步的，所述牵丝辊筒由具有斜角的上下两组不锈钢辊筒组成，所述第一凝固液箱和第二凝固液箱设于牵丝辊筒上方。牵丝辊筒长度为200-500mm，直径为50-200mm。
进一步的，芳纶Ⅲ纤维凝固成型工艺，包括以下步骤：
S1、制备芳纶Ⅲ纺丝聚合液；
S2、所述芳纶Ⅲ纺丝聚合液经喷丝板喷出，进入含有低浓度凝固液的U型玻璃槽得到初生纤维；
S3、所述初生纤维经导丝器与纺丝盘的定位和牵引，再次进入含有较高浓度凝固液的玻璃管得到塑化成型的次生纤维；
S4、所述次生纤维经牵丝辊筒牵伸后洗涤，制得芳纶Ⅲ原丝。
进一步的，所述芳纶Ⅲ纤维聚合液的动力粘度为10000-100000Pa.s。
进一步的，所述第一凝固液浓度为40-60％含水量的DMAC液；第二凝固液浓度为70-90％含水量的DMAC液。
进一步的，所述纺丝盘运行速度为2-6米/分钟；牵丝辊筒运行速度为6-12米/分钟。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的芳纶Ⅲ纤维凝固液成型装置，可以实现不同单工位数运转，可根据生产状况调整运行状态，减少不必要的能耗浪费；
(2)本发明采用全新设计凝固成型立体装置，可有效降低场地使用面积，合理利用车间立体空间，单工位的成型控制，可根据生产状况及时调整运行状态，工业化集成度更高，便于监控和操作，有效节约能耗，对高性能有机纤维制造行业的发展具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图中：1、第二凝固液箱；2、第一凝固液箱；3、第一凝固液回液管路；4、第二凝固液回液管路；5、第二凝固液进液管路；6、第一凝固液进液管路；7、牵丝辊筒；8、第一转液泵；9、第二转液泵；10、玻璃管；11、纺丝盘；12、芳纶Ⅲ原丝；13、次生纤维；14、凝固液溢流槽；15、初生纤维；16、芳纶Ⅲ纺丝聚合液水箱；17、喷丝板；18、收丝机；19、U型玻璃管槽；20、导丝器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本发明的装置参数依据实际情况在数值范围内设定即可。
实施例1
一种杂环芳纶纤维凝固成型装置，如图1所示，如图1所示，包括芳纶Ⅲ纺丝聚合液水箱16，收丝***，第一凝固液***和第二凝固液***，所述芳纶Ⅲ纺丝聚合液水箱16连接于第一凝固液***；
所述第一凝固液***包括依次连接成回路的第一凝固液箱2、第一凝固液进液管路6、喷丝板17、U型玻璃管槽19和第一凝固液回液管路3，所述喷丝板17设于U型玻璃管槽19中靠近芳纶Ⅲ纺丝聚合液水箱16的一端；
所述第二凝固***包括依次连接的第二凝固液箱1、第二凝固液进液管路5、玻璃管10、凝固液溢流槽14和第二凝固液回液管路4，所述凝固液溢流槽14设于玻璃管10下方，所述第二凝固液回液管路4连接于第二凝固液箱1；
所述收丝***包括纺丝盘11、牵丝辊筒7和收丝机18；所述纺丝盘11设于凝固液溢流槽14上方，玻璃管10下方；所述牵丝辊筒7设于玻璃管10的上方。
本发明第一凝固液箱2和第二凝固液箱1位于整套装置高位处；以分路的纺丝提供个多个工位凝固液。第一凝固液箱2和第二凝固液箱1必须位于牵丝辊筒上端，体积500-2000L；箱体内设有盘管加热装置；根据工位数的要求可分为6-100条支路。
所述第一凝固液回液管路3上设有第一转液泵8；所述第二凝固液回液管路4上设有第二转液泵9。
所述U型玻璃管槽19远离喷丝板17的一端设有导丝器20。U型玻璃管槽19直径为10-200mm，长度为1-2m。
所述玻璃管10竖直设置，所述玻璃管10顶部连通于第二凝固液进液管路5，所述玻璃管10的底部设有锥状收口。玻璃管10直径为10-50mm，长度为200-500mm。
所述玻璃管10的末端设于纺丝盘11出丝处的上方，所述玻璃管10的顶端设于牵丝辊筒7进丝处的下方。
所述牵丝辊筒7由具有斜角的上下两组不锈钢辊筒组成，所述第一凝固液箱2和第二凝固液箱1设于牵丝辊筒7上方。牵丝辊筒7的长度为200-500mm，直径为50-200mm。
本发明使芳纶Ⅲ纺丝聚合液通过单工位喷丝头喷出后直接进入充满缓和凝固液的U型玻璃管槽19，发生双扩散作用形成初生纤维15后，初生纤维15束丝经导丝器20定位后被纺丝盘11向上牵引进入含有较剧烈凝固浴的玻璃管10收口端，丝束经玻璃管10内塑化拉伸后得到次生纤维13，然后通过牵丝辊筒7的旋转运行完成原丝成型。凝固成型工艺包括第一凝固成型、第二塑化拉伸成型、滚筒水洗，其目的是为了得到表面致密、无毛丝，拉伸强度达到1GPa的芳纶Ⅲ原丝12丝束。
实施例2
基于实施例1，芳纶Ⅲ纤维凝固成型工艺，包括以下步骤：
S1、制备动力粘度为50000Pa.s的芳纶Ⅲ纤维聚合液；
S2、将芳纶Ⅲ纤维聚合液按照一定流量经喷丝板17喷出进入该装置***；
S3、第一凝固液箱2中凝固液为40％含水量DMAC液；第二凝固液箱1中凝固液为70％含水量DMAC液；纺丝盘11速率为5m/min；牵丝辊筒7速率为10m/min
S4、经收丝机18取样得到1150dtex线密度型号纤维产品。
将5卷成品纤维先进行性能测试后见数据见表1；
样品编号 线密度 强度 毛丝效果
20200213-1 1144dtex 1.01GPa 无
20200213-2 1149dtex 1.04GPa 无
20200213-3 1153dtex 1.01GPa 无
20200213-4 1149dtex 1.09GPa 无
20200213-5 1150dtex 1.08GPa 无
表1
实施例3
基于实施例1，芳纶Ⅲ纤维凝固成型工艺，包括以下步骤：
S1、制备动力粘度为35000Pa.s的芳纶Ⅲ纤维聚合液；
S2、将芳纶Ⅲ纤维聚合液按照一定流量经喷丝板17喷出进入该装置***；
S3、第一凝固液箱2中凝固液为45％含水量DMAC液；第二凝固液箱1中凝固液为75％含水量DMAC液；纺丝盘11速率为6m/min；牵丝辊筒7速率为9m/min
S4、经收丝机18取样得到1150dtex线密度型号纤维产品。
将5卷成品纤维先进行性能测试后见数据见表2；
Figure BDA0002816974000000051
Figure BDA0002816974000000061
表2
实施例4
基于实施例1，芳纶Ⅲ纤维凝固成型工艺，包括以下步骤：
S1、制备动力粘度为100000Pa.s的芳纶Ⅲ纤维聚合液；
S2、将芳纶Ⅲ纤维聚合液按照一定流量经喷丝板17喷出进入该装置***；
S3、第一凝固液箱2中凝固液为60％含水量DMAC液；第二凝固液箱1中凝固液为90％含水量DMAC液；纺丝盘11速率为5m/min；牵丝辊筒7速率为10m/min
S4、经收丝机18取样得到1150dtex线密度型号纤维产品。
将5卷成品纤维先进行性能测试后见数据见表3；
Figure BDA0002816974000000062
表3
由表1-3数据可见，本发明的芳纶Ⅲ纤维凝固液成型装置及工艺，纤维质量稳定性高，且纤维成品合格率为100％；从整套装置结构示意图可以得知，其设计立体化，占地小，生产可操作性强，工业化集成度高等优势。其中生产场地的有效利用和能源消耗低对于高性能有机纤维制造行业的发展具有重要的意义。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种杂环芳纶纤维凝固成型装置，其特征在于，包括芳纶Ⅲ纺丝聚合液水箱(16)，收丝***，第一凝固液***和第二凝固液***，所述芳纶Ⅲ纺丝聚合液水箱(16)连接于第一凝固液***；
所述第一凝固液***包括依次连接成回路的第一凝固液箱(2)、第一凝固液进液管路(6)、喷丝板(17)、U型玻璃管槽(19)和第一凝固液回液管路(3)，所述喷丝板(17)设于U型玻璃管槽(19)中靠近芳纶Ⅲ纺丝聚合液水箱(16)的一端；
所述第二凝固液***包括依次连接的第二凝固液箱(1)、第二凝固液进液管路(5)、玻璃管(10)、凝固液溢流槽(14)和第二凝固液回液管路(4)，所述凝固液溢流槽(14)设于玻璃管(10)下方，所述第二凝固液回液管路(4)连接于第二凝固液箱(1)；
所述收丝***包括纺丝盘(11)、牵丝辊筒(7)和收丝机(18)；所述纺丝盘(11)设于凝固液溢流槽(14)上方、玻璃管(10)下方；所述牵丝辊筒(7)设于玻璃管(10)的上方；所述玻璃管(10)的末端设于纺丝盘(11)出丝处的上方，所述玻璃管(10)的顶端设于牵丝辊筒(7)进丝处的下方；
所述第一凝固液箱(2)和第二凝固液箱(1)均位于杂环芳纶纤维凝固成型装置的高位处，所述第一凝固液箱(2)和第二凝固液箱(1)均位于牵丝辊筒(7)上端，所述第一凝固液箱(2)和第二凝固液箱(1)内均设有盘管加热装置。
2.根据权利要求1所述的杂环芳纶纤维凝固成型装置，其特征在于，所述第一凝固液回液管路(3)上设有第一转液泵(8)；所述第二凝固液回液管路(4)上设有第二转液泵(9)。
3.根据权利要求1所述的杂环芳纶纤维凝固成型装置，其特征在于，所述U型玻璃管槽(19)远离喷丝板(17)的一端设有导丝器(20)。
4.根据权利要求1所述的杂环芳纶纤维凝固成型装置，其特征在于，所述玻璃管(10)竖直设置，所述玻璃管(10)顶部连通于第二凝固液进液管路(5)，所述玻璃管(10)的底部设有锥状收口。
5.根据权利要求1所述的杂环芳纶纤维凝固成型装置，其特征在于，所述牵丝辊筒(7)由具有斜角的上下两组不锈钢辊筒组成。
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