聚丙烯腈基碳纤维前驱体的二次拉伸设备制作方法

汪晓峰, 刘强, 沈立萍

2003年4月16日

2001年11月20日

2001年11月20日

上海市合成纤维研究所

D02J1/22GK2545221SQ0125478

聚丙烯腈 碳纤维 拉伸 前驱 二次

1.聚丙烯腈基碳纤维前驱体的二次拉伸设备，由喂入罗拉、输出罗拉、蒸汽进入管、丝束拉伸管等组成，其特征在于所述的丝束拉伸管6的细管壁上开有构成环形的一些小孔，各孔环间距为5mm，每一圆环上开有4～8个小孔，每小孔间距为1/4～1/8细管横截面周长，孔径为1mm2.如权利要求1所述的二次拉伸设备，其特征在于设有一个装有导热油9的油浴加热器10，在其中心位置的上下两端开有进、出油口各一个，同时设有连接所述进出油口的油管13、油浴低位槽11、油浴高位槽12，形成一个导热油9循环通道；另外，蒸汽进人管3插入油浴加热器10圆截面中心，蒸汽进入管3的中间部分置于加热器10外腔的油浴内，蒸汽进入管3上端与外界提供蒸汽部分相连，下端与油浴加热器内腔相通3.如权利要求1所述的二次拉伸设备，其特征在于所述油浴加热器10是外包有保温隔热套的双腔长筒封闭不锈钢容器，其内外腔之间不相通，在其内腔中心轴线上插有丝束拉伸管6，外腔内充满导热油9，在管外腔中心轴的上、下两端开有进、出油口各一个，分别与导热油循环通道相连4.如权利要求2所述的二次拉伸设备，其特征在于所述油浴低位槽11是外包有保温隔热套的不锈钢长方体封闭容器，其右侧面上开有3个小孔，分别插有5kW电热棒14一根5.如权利要求2所述的二次拉伸设备，其特征在于所述油浴高位槽12是外包有保温隔热套的敞口不锈钢圆筒，其底部开有与油管13相连的出油口，左旁侧开有与油管13相连的进油口6.如权利要求2所述的二次拉伸设备，其特征在于所述蒸汽进入管3置于油浴加热器10外腔油浴的管道形状为螺旋盘形

本实用新型涉及化学纤维制造工业中，制备聚丙烯腈基碳纤维前驱体的二次拉伸设备所制得碳纤维具有高强、高模、防热、防腐、耐磨、导电等性能，可广泛用于航天、航空、能源、交通、化工、建筑及体育器材、医疗器械等领域②背景技术在聚丙烯腈基碳纤维前驱体的制备过程中，二次拉伸是继纺丝凝固、一次拉伸、水浴、上油、干燥致密化之后，预氧化、碳化等后工序之前的中间工序经第一次拉伸干燥致密化后，纤维内部结构虽已形成一定的取向度，并且具有一定强度，但对制备高强度的碳纤维前驱体的特殊需要是不够的，因此，必须采用第二次拉伸，使纤维取得更高的取向度二次拉伸一般采用方法有热水拉伸法、蒸汽拉伸法、过热蒸汽拉伸法、干热拉伸法等，其中以过热蒸汽拉伸法为最佳本法采用高于100℃的水蒸气充满丝束拉伸管内，以加热在管内行走的丝束，通过水蒸气均匀加热后，使丝束的应力明显分散而获得均一的拉伸，同时使丝束拉伸比上限提高，丝束强度也相应提高影响丝束二次拉伸效果的因素主要是丝束拉伸温度(指丝束在拉伸行程中外界介质的温度)和丝束拉伸倍数当拉伸温度不足100℃时丝束不能得到充分拉伸而生成裂缝损伤丝，而高于280℃时丝条恶化显著，而不能制得高强度的碳纤维前驱体一般在100～280℃之间为宜，尤以100～200℃为佳拉伸倍数为2～5倍因此作为二次拉伸设备必须满足上述工艺条件原有二次拉伸设备主要有丝束拉伸部分和拉伸温度调控部分所构成丝束拉伸部分由一组喂入罗拉、一组输出罗拉、丝束拉伸管所组成，三者位置为喂入罗拉、丝束拉伸管、输出罗拉按从右到左顺序排列，并设置于平行于地面的同一直线上每组罗拉均由5个不锈钢辊筒组成，5个罗拉均按一定中心距排成“M”字形，且固定在丝束拉伸管左右两侧的传动墙板上，每组5个罗拉由同一电动机传动即罗拉转速相同，但旋转方向不同在每组罗拉内，其中位于“M”字形上端的2个罗拉旋转方向为逆时针，其余3个罗拉为顺时针输入电动机与喂入电动机的转速均可按工艺任意调整，一般输出电动机转速高于喂入电动机，使丝束在通过这两组罗拉时形成拉伸张力，即工艺中所述的拉伸倍数丝束拉伸管是插入电热丝加热器中心轴的一根不锈钢细管细管左右两端分别伸出于电热丝加热器外，处于电热丝加热器内部的那段拉伸管在蒸汽进入方向的一侧管壁上开有一排小孔，小孔间距为10mm，孔径为1mm被加热的蒸汽从小孔透入丝束拉伸管内，与行走的丝束接触拉伸温度调控部分由电热丝、电热丝加热器及蒸汽进入管所组成电热丝加热器是一个外包有保温隔热材料的双腔长筒不锈钢封闭容器，加热器的内腔中心轴线插有上述所指丝束拉伸管，其外腔内置有2根10kW螺旋盘绕的电热丝，用于加热充满内腔及拉伸管内的蒸汽，使蒸汽温度达到200℃另将蒸汽进入管插入电热丝加热器中心位置，外界蒸汽经过蒸汽进入管直通于电热丝加热器的内腔，再从内腔透入开有小孔的拉伸管内，与行走丝束接触，最后从拉伸管的两端散出上述设备利用加热器内电热丝来加热进入蒸汽，而电热丝本身受电压不稳定及电热丝缠绕不均等因素的影响，最终造成加热蒸汽温度不易均匀，甚至波动较大，不利于工艺控制；另由于拉伸管壁上只有单向单排小孔，当水蒸气透人拉伸管时，常会对在管内行走的丝束产生单方向冲击，易造成断头③发明内容本实用新型要解决问题是设计一种结构合理、控制工艺更稳定、操作简便的聚丙烯腈基碳纤维前驱体的二次拉伸设备为解决上述问题采用如下设计结构方案(1)在丝束拉伸管的细管壁上开有构成若干个环状的一些小孔，各孔环的间距为4～10mm，每一孔环上开有4～8个小孔，小孔间距为1/4～1/8细管横截面周长，孔径为1mm(2)增设一个装有导热油的油浴加热器，在其中心位置的上下两端开有进、出油口各一个，同时设有连接所述进出油口的油管、油浴低位槽、油浴高位槽，并作如下连接油浴低位槽→油管→油浴加热器底部进油口→油浴加热器顶部出油口→油管→油浴高位槽左旁侧进油口→油浴高位槽底部出油口→油管→回落于油浴低位槽如此形成一个导热油的循环通道另将蒸汽进人管螺旋盘形的中间部分置于油浴加热器外腔的油浴内，其上端与外界提供蒸汽部分相连，下端与油浴加热器内腔相通使加热后的蒸汽直接透入拉伸管壁上小孔，与在管内行走的丝束接触，当油浴低位槽内导热油被内置电热棒加热膨胀后，油浴中导热油上升至油浴加热器外腔直至油浴高位槽，由于自重导热油自动从高位槽落回低位槽，如此可往复循环，使二次拉伸温度(即蒸汽温度)自控稳定于工艺要求控制范围内，保证二次拉伸的效果(3)前述的油浴加热器为外包有保温隔热套的双腔长筒不锈钢封闭容器其内外腔之间不相通，其内腔中心轴线上插有丝束拉伸管，其外腔内充满导热油，在外腔垂直中心轴的上、下两端开有进、出油口各一个，分别与前述的导热油循环通道相连(4)前述的油浴高位槽设有外包有保温隔热套的敞口不锈钢圆筒，其底部开有与油管相连的出油口，左旁侧开有与油管相连的进油口(5)前述的油浴低位槽设有外包有保温隔热套的封闭的不锈钢长方体容器其右侧面上开有3个小孔，分别插有5kW电热棒一根用作加热整个油浴系统内导热油本实用新型优点是其一，丝束拉伸管壁开有构成环形的一些小孔，小孔分布均匀且孔总数比原设备增加4～20倍，由于蒸汽能均匀透入拉伸管，使丝束受力均匀，减少了蒸汽对丝束单向冲击而造成断头的现象，同时由于丝束受热均匀，应力明显分散，而获得均一拉伸，提高二次拉伸效果；其二，采用了传热系数大的导热油代替原电热丝，使拉伸温度均匀性提高，温差波幅小，在导热油循环通道上利用导热油受热膨胀、自重等原理达到自动控温，使丝束拉伸管内蒸汽温度能恒定于110～200℃的最佳工艺，保证二次拉伸的效果；其三，设有螺旋形的蒸汽管道，并置于油浴内，增加蒸汽在管内停留时间，使进入拉伸管的蒸汽能经充分加热后而恒定在一定范围内，达到工艺要求该设备简单、可靠、操作方便、满足碳纤维前驱体二次拉伸不同工艺要求④附图1为原二次拉伸机构结构示意图；附图2为本实用新型的二次拉伸设备结构的示意图图中1.喂入罗拉；2.输出罗拉；3.蒸汽进入管；4.电热丝；5.丝束；6.丝束拉伸管；7.电热丝加热器；8.机架；9.导热油；10.油浴加热器；11.油浴低位槽；12.油浴高位槽；13.油管；14.电热棒⑤具体实施方式本实用新型设有丝束拉伸管及拉伸温度自控循环系统等，有关部件见图2在丝束拉伸管6的细管壁上开有构成环形的一些小孔，各孔环间距为5mm，每圆环上开有6个小孔，每小孔间距为细管横截面的周长1/6，孔径为1mm另增设以油浴加热器10为主拉伸温度自动控制循环系统，油浴加热器10是外包有保温隔热套的双腔长筒封闭容器，其内外腔之间不相通，其内腔中心轴线上插有丝束拉伸管6，其管外腔内充满了导热油9，在管外腔垂直中心轴的上、下两端开有进、出油口各一个，与所述进出油口的油管13、油浴低位槽11、油浴高位槽12按如下方式连接油浴低位槽11→油管13→油浴加热器10底部进油口→油浴加热器10顶部出油口→油管13→油浴高位槽12左旁侧进油口→油浴高位槽12底部出油口→油管13→回落于油浴低位槽11如此形成了一个导热油9的循环通道另将蒸汽进入管3螺旋盘形的中间部分置于油浴加热器10外腔油浴内，其管上端与外界蒸汽提供部分相连，下端与油浴加热器10的内腔相通使加热后的蒸汽直接透入拉伸管6壁上的小孔，与丝束接触，当油浴低位槽11内导热油9被内置电热棒14加热膨胀后，油浴中导热油9上升至油浴加热器10外腔，直至油浴高位槽12，由于自重导热油9自动从高位槽12回落于低位槽11，如此往复循环，使二次拉伸温度(即蒸汽温度)恒定油浴低位槽11是外包有保温隔热套的长方体封闭不锈钢容器其右侧面上开有3个小孔，分别插有5kW电热棒一根用作加热导热油油浴高位槽12是外包有保温隔热套的敞口不锈钢圆筒，其底部开有与油管13相连的出油口，左旁侧开有与油管13相连的进油口

涉及化学纤维制造工业中制备聚丙烯腈基碳纤维前驱体的二次拉伸设备。设置开有构成环状的若干小孔的丝束拉伸管，各孔环的间距为4～10mm，每一圆环上开有4～8个小孔，孔径1mm；设有以油浴加热器为主的拉伸温度自控循环通道。油浴加热器是双腔长筒封闭容器；另将螺旋盘形蒸汽进入管的中间部分置于油浴加热器外腔油浴内，其上端与外界蒸汽提供部分相连，下端与油浴加热器内腔相通。加热后蒸汽直接透入拉伸管壁上的小孔与丝束接触。油浴低位槽内导热油加热膨胀后上升至油浴加热器外腔，直至油浴高位槽，由于自重又自动从高位槽落回低位槽，如此循环，使二次拉伸的蒸汽温度自控稳定。设备简单、可靠、操作方便、满足碳纤维前驱体的二次拉伸不同工艺要求。