一種紡絲液連續(xù)凝固裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種紡絲凝固技術(shù)，具體講設(shè)及一種紡絲液連續(xù)凝固裝置及其控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫和耐腐蝕等眾多優(yōu)異性能，已在 航空航天、國(guó)防軍工W及民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。按原料分類(lèi)，碳纖維可分為聚 丙締臘（PAN)基、漸青基和粘膠基=大類(lèi)型。其中，PAN基碳纖維因其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn) 成本較低和力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)，已成為發(fā)展最快、產(chǎn)量最高、品種最多W及應(yīng)用最廣的一 種碳纖維。
[0003] 目前PAN原絲紡絲工藝主要包括濕法和干濕法兩種，其中采用二甲基亞諷值MS0) 為溶劑的濕法成型工藝?yán)w維纖度變化小、纖維上殘留的溶劑少、容易控制原絲質(zhì)量，是目前 廣泛應(yīng)用的紡絲工藝。
[0004] PAN原絲的徑向結(jié)構(gòu)即皮忍結(jié)構(gòu)的差異是決定最終碳纖維性能關(guān)鍵性因素；運(yùn)是 因?yàn)轭A(yù)氧纖維的皮忍結(jié)構(gòu)對(duì)原絲的皮忍結(jié)構(gòu)有一定的繼承和延續(xù)性，而在后續(xù)的預(yù)氧化及 碳化過(guò)程中，皮忍結(jié)構(gòu)的存在使纖維徑向的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生明顯差異，由于忍部存在大量未 反應(yīng)的聚合物分子，導(dǎo)致碳纖維反應(yīng)不充分、受力不勻及結(jié)構(gòu)不規(guī)整等，影響了碳纖維的最 終性能。同時(shí)在原絲制備過(guò)程中，皮忍結(jié)構(gòu)形成于凝固過(guò)程，其中，絲條在凝固浴槽內(nèi)部的 凝固成形條件是聚丙締臘濕法紡絲過(guò)程中最基本、最關(guān)鍵的工藝控制環(huán)節(jié)，包括浴液流動(dòng) 的穩(wěn)定性和浴液濃度穩(wěn)定，且影響凝固過(guò)程的重要因素還有溫度W及凝固工藝的設(shè)計(jì)。目 前濕法紡絲中，PAN紡絲凝固浴采用多級(jí)凝固，一般為=級(jí)，凝固浴槽可分為3段，包括噴絲 頭段、凝固浴槽中段和浴槽后段，各段凝固浴槽獨(dú)立控溫控濃，凝固浴之間用導(dǎo)漉連接，即 聚合物溶液在經(jīng)過(guò)凝固浴時(shí)分別進(jìn)了=個(gè)不同的凝固浴階段才能好凝固得到初生纖維，但 是多段凝固效率較低，因多段凝固通常在一級(jí)凝固段中，纖維已形成一定皮層，進(jìn)入第二級(jí) 凝固段，較大的濃度差會(huì)導(dǎo)致纖維皮層變厚，阻止凝固過(guò)程的進(jìn)行，在第=級(jí)凝固段中進(jìn)行 雙擴(kuò)散程度微??；故該多段凝固浴之間濃度差別較大，且各單段凝固浴濃度單一，形成皮層 后凝固效果隨時(shí)間延長(zhǎng)嚴(yán)重變差，導(dǎo)致纖維形成均勻性差的皮忍結(jié)構(gòu)，并同時(shí)增加了時(shí)間 成本且裝置復(fù)雜不易操作。 陽(yáng)0化]因此，需要提供一種針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)不足的改進(jìn)技術(shù)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)多級(jí)段凝固效果差、初生纖維徑向結(jié)構(gòu)差異較 大、成本高及生產(chǎn)工藝復(fù)雜等方面問(wèn)題，提出一種紡絲液連續(xù)凝固裝置及其控制方法，其結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作，并且能夠工業(yè)化應(yīng)用，本發(fā)明采用一級(jí)凝固，通過(guò)改變凝固浴槽構(gòu)造W 及凝固浴溶液進(jìn)出物料的方式來(lái)調(diào)節(jié)凝固浴中溶液的濃度分布，調(diào)控纖維雙擴(kuò)散進(jìn)程，通 過(guò)緩慢凝固得到結(jié)構(gòu)均一致密的初生纖維。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案：
[0007] 一種紡絲液連續(xù)凝固裝置，包括橫向設(shè)置的凝固浴槽，設(shè)置于凝固浴槽內(nèi)的噴絲 板、導(dǎo)絲輪、進(jìn)出料口、進(jìn)出水口及控溫水管，所述連續(xù)凝固裝置整體為一級(jí)凝固，且在凝固 浴槽內(nèi)部設(shè)置有多個(gè)磁力攬拌器；所述一級(jí)凝固浴槽的上下兩側(cè)均設(shè)置有保溫夾套，在所 述上側(cè)保溫夾套的中間且連通于所述凝固浴槽處設(shè)置有出料口，在所述下側(cè)保溫夾套兩端 且連通于所述凝固浴槽處設(shè)置有進(jìn)料口；所述進(jìn)料口包括高濃度進(jìn)料口和低濃度進(jìn)料口； 所述下側(cè)保溫夾套兩端且連通于所述凝固浴槽處還設(shè)置有夾套進(jìn)出水口，所述噴絲板和導(dǎo) 絲輪分別設(shè)置于凝固浴槽的左右兩端；所述控溫水管包括多個(gè)，且依次垂直設(shè)置在所述凝 固浴槽內(nèi)。
[0008] 進(jìn)一步的，一種紡絲液連續(xù)凝固控制方法，所述控制方法的步驟包括：首先，準(zhǔn)備 階段，同時(shí)打開(kāi)高、低濃度進(jìn)料口流入不同濃度的凝固浴溶液且流量相同，直至物料灌滿(mǎn)凝 固浴槽體積的4/5時(shí)關(guān)閉兩進(jìn)料口，同時(shí)利用磁力攬拌器使凝固浴槽內(nèi)濃度達(dá)到平均濃度 即C= (C1+C2)/2 ;接著，紡絲階段，同時(shí)打開(kāi)進(jìn)、出料口，且設(shè)置出料口物料流量為高、低濃 度進(jìn)料口物料流量之和。
[0009] 進(jìn)一步的，凝固過(guò)程采用一級(jí)凝固，通過(guò)在凝固浴槽兩端分別補(bǔ)加不同濃度凝固 浴溶液Cl、C2,且在濃度和溫度差的共同作用下，凝固浴溶液中的沉淀劑、良溶劑發(fā)生擴(kuò)散， 擴(kuò)散速率V只與濃度差、溫度差及溶劑本身有關(guān)，并使凝固浴濃度沿水平方向上呈現(xiàn)出梯 度分布即Cl乂X〉C2,其中，所述的凝固浴溶液之間擴(kuò)散速率的計(jì)算公式如下：
[0010] V=A?AC?r
[0011] 式中，A、n及m為自然常數(shù)，AC為通入凝固浴槽的不同凝固浴溶液的濃度差。
[0012] 進(jìn)一步的，在所述凝固浴槽中濃度梯度平衡形成時(shí)，水平方向任意距離為Ax兩 點(diǎn)處良溶劑的擴(kuò)散速率都是相等的；在凝固過(guò)程中，初生纖維與凝固浴溶液間發(fā)生雙擴(kuò)散 進(jìn)程致使凝固浴槽內(nèi)濃度變化，通過(guò)在凝固浴槽兩端補(bǔ)加新凝固浴溶液能使整個(gè)凝固浴濃 度梯度維持在動(dòng)態(tài)平衡中；新凝固浴溶液的補(bǔ)加量和夾套溫度是通過(guò)紡絲過(guò)程中初生纖維 噴絲速度確定。
[0013] 進(jìn)一步的，凝固浴槽內(nèi)的濃度改變可通過(guò)控制進(jìn)出口物料的流量速度、攬拌器轉(zhuǎn) 速、凝固浴槽夾套及水管溫度得到；凝固浴槽夾套中的水溫由獨(dú)立的循環(huán)水浴控溫，溫度控 制可用單段控溫、多段控溫和/或凝固浴槽中設(shè)置多個(gè)水管，并根據(jù)良溶劑與沉淀劑在不 同溫度下的擴(kuò)散速率計(jì)算出最佳溫度并保證凝固浴濃度在最短時(shí)間能達(dá)到平衡。
[0014] 與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有如下優(yōu)異效果：
[0015] (1)本發(fā)明提供的技術(shù)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠在生產(chǎn)線上連續(xù)生產(chǎn)，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用 性強(qiáng)，生產(chǎn)成本低。
[0016] (2)本發(fā)明將多級(jí)凝固技術(shù)設(shè)置為一級(jí)凝固，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的精細(xì)化，降低設(shè)備成 本，同時(shí)也縮短了凝固段長(zhǎng)度，減少場(chǎng)地占用。
[0017] (3)本發(fā)明通過(guò)改變凝固浴進(jìn)出口物料的流量、凝固浴內(nèi)控溫水管的溫度W及磁 力攬拌器的攬拌速率來(lái)控制凝固浴在槽內(nèi)的濃度梯度分布，并使其達(dá)到快速平衡；同時(shí)還 設(shè)計(jì)兩邊進(jìn)料，中間出料、下端進(jìn)料、上端出料的方式，更能很好實(shí)現(xiàn)物料的加速混合，滿(mǎn)足 了濃度間不發(fā)生跳躍式變化，達(dá)到均勻的梯度變化，此緩慢變化易于纖維遞進(jìn)式的連續(xù)發(fā) 生雙擴(kuò)散，最終得到徑向結(jié)構(gòu)均勻的纖維。
[0018] (4)本發(fā)明能較好的改善多級(jí)凝固存在濃度差大造成初生纖維皮忍結(jié)構(gòu)較早形 成，導(dǎo)致后續(xù)的凝固效率降低的問(wèn)題。本發(fā)明中均勻的濃度梯度有利于消除初生纖維中的 皮忍結(jié)構(gòu)，可使聚合物溶液進(jìn)入凝固浴中W緩慢的速度完成雙擴(kuò)散過(guò)程并凝固，相比于多 級(jí)凝固工藝，得到徑向結(jié)構(gòu)更為均一致密的初生纖維。
[0019] (5)本發(fā)明提供的控制方法在前期準(zhǔn)備階段調(diào)整穩(wěn)定后可減少后期的補(bǔ)水操作， 且最終凝固浴濃度適中，雜質(zhì)較少，回收簡(jiǎn)便，特別適合用于有二甲基亞諷回收設(shè)備的工 廠，能夠循環(huán)利用。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作 簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可W根據(jù)運(yùn)些附圖獲得其他的附圖。
[0021] 圖1聚丙締臘紡絲液連續(xù)凝固裝置俯視圖；
[0022] 圖2聚丙締臘紡絲液連續(xù)凝固裝置平視圖；
[002引圖中：1、噴絲板；2、控溫水管；3、出料口；4、磁力攬拌器；5、導(dǎo)絲輪；6、凝固浴槽； 7、出水口；8、低濃度進(jìn)料口；9、保溫夾套；10、凝固浴溶液；11、攬拌子；12、高濃度進(jìn)料口； 13、進(jìn)水口。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù) 的范圍。
[00巧]如圖1所示，提供了一種紡絲液連續(xù)凝固裝置，一種紡絲液連續(xù)凝固裝置，包括橫 向設(shè)置的凝固浴槽6,設(shè)置于凝固浴槽6內(nèi)的噴絲板1、導(dǎo)絲輪5、進(jìn)出料口 3、進(jìn)出水口 7及 控溫水管2,連續(xù)凝固裝置整體為一級(jí)凝固，且在凝固浴槽6內(nèi)部設(shè)置有多個(gè)磁力攬拌器4 ; 一級(jí)凝固浴槽6的上下兩側(cè)均設(shè)置有保溫夾套9,在上側(cè)保溫夾套9的中間且連通于凝固浴 槽6處設(shè)置有出料口 3,在下側(cè)保溫夾套9兩端且連通于凝固浴槽6處設(shè)置有進(jìn)料口；進(jìn)料 口包括高濃度進(jìn)料口