一種碳纖維原絲水洗裝置及水洗方法與流程

2023-07-03 04:37:26 2

本發明屬於碳纖維水洗技術領域，具體涉及一種碳纖維原絲水洗裝置及水洗方法。

背景技術：

碳纖維由於具有輕質、高強、高模量及在非氧化氣氛下耐高溫等功能特點，是發展航空航天及軍事工業等尖端技術必不可少的新型材料。實踐證明，製備高性能聚丙烯腈基碳纖維的關鍵在於聚丙腈原絲的質量，而碳纖維原絲水洗段是影響碳纖維原絲質量的重要環節，水洗效果的好壞直接影響著碳纖維強度的高低。

碳纖維原絲如果殘留的溶劑較多，會出現以下一些弊端：導致纖維的單絲之間局部並絲，使整體絲束髮僵硬、手感性差；在預氧化加熱條件下，溶劑的塑化作用使預氧化單絲之間發生融並，影響預氧絲的質量；原絲、預氧絲的局部並絲將直接影響碳纖維的質量；影響絲條的截面形狀，因此必須要將殘留在絲條中的溶劑儘量洗掉。

聚丙烯腈碳纖維原絲水洗方式多採用浸洗、浸洗加順流、浸洗加逆流、浸洗加噴淋，屬於一維或二維水洗方式，水洗方向比較單一，原絲洗淨度較低。

目前聚丙烯腈基碳纖維原絲的水洗裝置，通常都是由水洗槽、引絲輥、驅動端組成，水洗槽採用垂直疊加或者水平串聯的方式彼此連接；水洗槽採用水平串聯，整個水洗的長度較長，不利於較小空間操作，且存在洗滌水耗量大的缺點；水洗槽採用垂直疊加要使洗滌水到達最上層的水洗槽，外接循環泵的揚程和功率必須增大，增加了動力消耗。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術的不足，提供一種碳纖維原絲水洗裝置。該裝置採用三個以上水洗槽，各水洗槽內設有獨立溫控系統，並且碳纖維原絲運動方向與洗滌水流動方向相反，能夠實現逆流洗滌，存在耗能低、廠房要求低，溫度控制精度準確，溶劑殘留量小等顯著技術優勢，清洗效果優異。

為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：一種碳纖維原絲水洗裝置，其特徵在於，包括水洗機構和傳動機構，所述水洗機構包括水洗槽，所述水洗槽的數量為至少三個，至少三個所述水洗槽在其高度方向上從上到下等距設置，各個所述水洗槽均為上部開口的槽形結構，且槽腔內均設置有獨立溫控系統，各個所述水洗槽的底部均設置有出水口，相鄰兩個水洗槽中上級水洗槽的出水口與下級水洗槽的出水口呈異側設置，相鄰兩個水洗槽中上級水洗槽的出水口與下級水洗槽的槽腔相對應；所述傳動機構包括用於對碳纖維原絲進行牽引的多個傳動輥和用於驅動多個所述傳動輥的電機，碳纖維原絲在傳動機構的傳動下自下而上運動，並在運動的過程中依次經各個水洗槽進行水洗，碳纖維原絲在各個水洗槽中的運動方向與洗滌水流動方向相反。

上述的一種碳纖維原絲水洗裝置，其特徵在於，所述水洗槽的數量為3～5個，3～5個所述水洗槽在其高度方向上從上到下排序後分為奇數級水洗槽和偶數級水洗槽，所述奇數級水洗槽底部的左側開設有左出水口，所述奇數級水洗槽內且位於左出水口的右側豎直設置有左溢流擋板，所述左溢流擋板的高度低於奇數級水洗槽的槽腔深度，所述奇數級水洗槽內且位於左出水口的上方水平設置有左濾網；所述偶數級水洗槽底部的右側開設有右出水口，所述偶數級水洗槽內且位於右出水口的左側豎直設置有右溢流擋板，所述右溢流擋板的高度低於偶數級水洗槽的槽腔深度，所述偶數級水洗槽內且位於右出水口的上方水平設置有右濾網。

上述的一種碳纖維原絲水洗裝置，其特徵在於，所述水洗槽的數量為3個，3個所述水洗槽在其高度方向上從上而下分別為：一級水洗槽、二級水洗槽和三級水洗槽，其中一級水洗槽和三級水洗槽為奇數級水洗槽，二級水洗槽為偶數級水洗槽。

上述的一種碳纖維原絲水洗裝置，其特徵在於，所述傳動機構包括第一傳動機構和第二傳動機構，所述第一傳動機構包括第一電機以及受第一電機驅動的第一傳動輥、第二傳動輥、第三傳動輥、第四傳動輥、第五傳動輥和第六傳動輥；所述第二傳動機構包括第二電機以及受第二電機驅動的第七傳動輥、第八傳動輥、第九傳動輥、第十傳動輥、第十一傳動輥和第十二傳動輥；所述第七傳動輥的下端與第一傳動輥的下端分別位於三級水洗槽槽腔內的左右兩側，所述第九傳動輥與第三傳動輥分別位於二級水洗槽槽腔內的左右兩側，所述第十一傳動輥與第五傳動輥分別位於一級水洗槽槽腔內的左右兩側。

上述的一種碳纖維原絲水洗裝置，其特徵在於，所述第一電機通過傳動帶與第一傳動輥連接，所述第一傳動輥通過傳動帶與第二傳動輥連接，所述第二傳動輥通過傳動帶與第一換向帶輪連接，所述第一換向帶輪通過傳動帶與第四傳動輥以及第一介輪連接且該傳動帶上設置有第三傳動輥，所述第四傳動輥通過傳動帶與第五傳動輥連接，所述第五傳動輥位於連接第二介輪、第三介輪與第六傳動輥的傳動帶上；所述第二電機通過傳動帶與第四介輪以及第八傳動輥連接且該傳動帶上設置有第七傳動輥，所述第八傳動輥通過傳動帶與第九傳動輥連接，所述第九傳動輥通過傳動帶與第十傳動輥連接，所述第十傳動輥通過傳動帶與第二轉向帶輪連接，所述第二轉向帶輪通過傳動帶與第十二傳動輥以及第五介輪連接且該傳動帶上設置有第十一傳動輥。

上述的一種碳纖維原絲水洗裝置，其特徵在於，所述水洗機構和傳動機構均安裝在水洗機架中，所述水洗機架安裝在基座上。

上述的一種碳纖維原絲水洗裝置，其特徵在於，至少三個所述水洗槽中，位於最底部的水洗槽的槽腔底部設置有超聲波振蕩器。

上述的一種碳纖維原絲水洗裝置，其特徵在於，所述獨立溫控系統包括電加熱管和溫控傳感器，所述電加熱管和溫控傳感器均與控制器相接。

上述的一種碳纖維原絲水洗裝置，其特徵在於，各個所述水洗槽內且位於電加熱管的上方均設置有多孔均熱板。

另外，本發明還提供了一種利用上述裝置對碳纖維原絲進行水洗的方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟：

步驟一、將碳纖維原絲安裝在所述水洗裝置的傳動輥上；

步驟二、向最頂部的水洗槽的槽腔內持續通入洗滌水，洗滌水通過設置在各個水洗槽上的出水口從上往下流動，直至各個水洗槽中均注有流動態的洗滌水；

步驟三、開啟電機，使各傳動輥在電機的驅動下帶動碳纖維原絲自下而上運動，並在運動的過程中依次經各個水洗槽進行水洗，碳纖維原絲在各個水洗槽中的運動方向與洗滌水流動方向相反，直至碳纖維原絲經過最頂部的水洗槽水洗完畢，實現碳纖維原絲的連續清洗後關閉電機，得到水洗後的碳纖維原絲。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

1、本發明採用多個(指三個以上)水洗槽，多個水洗槽在高度方向排成一列，且各出水口之間呈異側設置，從而實現多個水洗槽的「之」字形串聯方式，節約了空間，相鄰兩個水洗槽之間有等距高度差，洗滌水自上而下流動，不需要外力的驅動，節約了能源。

2、本發明各水洗槽內均設置有獨立溫控系統，能夠實現各水洗槽槽腔的溫度控制精度高(偏差±0.5℃或更小)，有利於原絲內部溶劑的擴散，實現高效水洗。

3、本發明將超聲震蕩器置於最底部的水洗槽中，使得水洗槽內的洗滌水發生波紋式的抖動，有利於絲束內殘留物迅速溢出，使碳纖維原絲洗滌的更乾淨。

4、本發明在各水洗槽中設置溢流擋板，並通過「之」字形串聯的連接方式，使上一級水洗槽內的洗滌水通過溢流擋板流溢流至下一級水洗槽，並通過補水管不斷補充乾淨的洗滌水，不斷更新洗滌水，且上一級的洗滌水比下一級的洗滌水的溶劑含量低，洗滌水入口處即原絲出口，此處保證了碳纖維原絲中溶劑含量最低。

5、本發明水洗裝置既避免了水洗槽疊加式連接導致的外接泵功率大、各級洗滌水無濃度差的缺點、水洗效果差，同時也避免了洗滌水耗量大的缺點；其採用三個以上水洗槽的「之」字形串聯方式，在各水洗槽內設有獨立溫控系統，使碳纖維原絲運動方向與洗滌水流動方向相反，能夠實現逆流洗滌，存在耗能低、廠房要求低、溫度控制精度準確、溶劑殘留量小等顯著技術優勢，清洗效果優異。

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。

附圖說明

圖1為本發明水洗裝置的結構示意圖。

圖2為本發明傳動機構的傳動示意圖。

圖3為本發明奇數級水洗槽的結構示意圖。

圖4為本發明偶數級水洗槽的結構示意圖。

附圖標記說明:

1—基座； 2—水洗機架； 3—水洗槽；

3-11—左出水口； 3-12—右出水口； 3-21—左溢流擋板；

3-22—右溢流擋板； 3-31—左濾網； 3-32—右濾網；

4—碳纖維原絲； 5-1—第一電機； 5-2—第二電機；

6-1—第一傳動輥； 6-2—第二傳動輥； 6-3—第三傳動輥；

6-4—第四傳動輥； 6-5—第五傳動輥； 6-6—第六傳動輥；

6-7—第七傳動輥； 6-8—第八傳動輥； 6-9—第九傳動輥；

6-10—第十傳動輥； 6-11—第十一傳動輥； 6-12—第十二傳動輥；

7-1—第一介輪； 7-2—第二介輪； 7-3第三—介輪；

7-4—第四介輪； 7-5—第五介輪； 8-1—第一換向帶輪；

8-2—第二換向帶輪。

具體實施方式

本發明碳纖維原絲水洗裝置通過實施例1進行描述。

實施例1

如圖1所示的一種碳纖維原絲水洗裝置，包括水洗機構和傳動機構，所述水洗機構包括水洗槽3，所述水洗槽3的數量為至少三個，至少三個所述水洗槽3在其高度方向上從上到下等距設置，各個所述水洗槽3均為上部開口的槽形結構，且槽腔內均設置有獨立溫控系統，各個所述水洗槽3的底部均設置有出水口，相鄰兩個水洗槽3中上級水洗槽3的出水口與下級水洗槽3的出水口呈異側設置，相鄰兩個水洗槽3中上級水洗槽3的出水口與下級水洗槽3的槽腔相對應；所述傳動機構包括用於對碳纖維原絲4進行牽引的多個傳動輥和用於驅動多個所述傳動輥的電機，碳纖維原絲4在傳動機構的傳動下自下而上運動，並在運動的過程中依次經各個水洗槽3進行水洗，碳纖維原絲4在各個水洗槽3中的運動方向與洗滌水流動方向相反。

通過設置多個(指三個以上)的水洗槽，多個水洗槽在其高度方向上從上到下等距設置以排成一列，且各出水口之間呈異側設置，從而實現多個水洗槽的「之」字形串聯方式，節約了空間，相鄰兩個水洗槽之間有等距高度差，洗滌水自上而下流動，不需要外力的驅動節約了能源。

優選地，所述水洗槽3的數量為3～5個，3～5個所述水洗槽3在其高度方向上從上到下排序後分為奇數級水洗槽和偶數級水洗槽；如圖3所示，所述奇數級水洗槽底部的左側開設有左出水口3-11，所述奇數級水洗槽內且位於左出水口3-11的右側設置有左溢流擋板3-21，所述奇數級水洗槽內且位於左出水口3-11的上方設置有左濾網3-31；如圖4所示，所述偶數級水洗槽底部的右側開設有右出水口3-12，所述偶數級水洗槽內且位於右出水口3-12的左側設置有右溢流擋板3-22，所述偶數級水洗槽內且位於右出水口3-12的上方設置有右濾網3-32。

通過在各水洗槽中設置溢流擋板(左溢流擋板3-21或右溢流擋板3-22)，並通過「之」字形串聯的連接方式，使上一級水洗槽內的洗滌水通過溢流擋板溢流至下一級水洗槽，並通過補水管不斷補充乾淨的洗滌水，不斷更新洗滌水，且上一級的洗滌水比下一級的洗滌水的溶劑含量低。通過在各水洗槽中設置濾網(左濾網3-31或右濾網3-32)，使洗滌水在經本級水洗槽3的水洗後進入下一級水洗之前，能夠濾除置換水中的雜質，實現下一級水洗過程中洗滌水的清潔、乾淨。

如圖1和圖2所示，本實施例中，所述水洗槽3的數量為3個，3個所述水洗槽3在其高度方向上從上而下分別為：一級水洗槽、二級水洗槽和三級水洗槽，其中一級水洗槽和三級水洗槽為奇數級水洗槽，二級水洗槽為偶數級水洗槽。

如圖1和圖2所示，所述傳動機構包括第一傳動機構和第二傳動機構，所述第一傳動機構包括第一電機5-1以及受第一電機5-1驅動的第一傳動輥6-1、第二傳動輥6-2、第三傳動輥6-3、第四傳動輥6-4、第五傳動輥6-5和第六傳動輥6-6；所述第二傳動機構包括第二電機5-2以及受第二電機5-2驅動的第七傳動輥6-7、第八傳動輥6-8、第九傳動輥6-9、第十傳動輥6-10、第十一傳動輥6-11和第十二傳動輥6-12；所述第七傳動輥的下端6-7與第一傳動輥6-1的下端分別位於三級水洗槽槽腔內的左右兩側，所述第九傳動輥6-9與第三傳動輥6-3分別位於二級水洗槽槽腔內的左右兩側，所述第十一傳動輥6-11與第五傳動輥6-5分別位於一級水洗槽槽腔內的左右兩側。

如圖1和圖2所示，所述第一電機5-1通過傳動帶與第一傳動輥6-1連接，所述第一傳動輥6-1通過傳動帶與第二傳動輥6-2連接，所述第二傳動輥6-2通過傳動帶與第一換向帶輪8-1連接，所述第一換向帶輪8-1通過傳動帶與第四傳動輥6-4以及第一介輪7-1連接且該傳動帶上設置有第三傳動輥6-3，所述第四傳動輥6-4通過傳動帶與第五傳動輥6-5連接，所述第五傳動輥6-5位於連接第二介輪7-2、第三介輪7-3與第六傳動輥6-6的傳動帶上；所述第二電機5-2通過傳動帶與第四介輪7-4以及第八傳動輥6-8連接且該傳動帶上設置有第七傳動輥6-7，所述第八傳動輥6-8通過傳動帶與第九傳動輥6-9連接，所述第九傳動輥6-9通過傳動帶與第十傳動輥6-10連接，所述第十傳動輥6-10通過傳動帶與第二轉向帶輪8-2連接，所述第二轉向帶輪8-2通過傳動帶與第十二傳動輥6-12以及第五介輪7-5連接且該傳動帶上設置有第十一傳動輥6-11。

如圖1所示，所述水洗機構和傳動機構均安裝在水洗機架2中，所述水洗機架2安裝在基座1上。

本實施例中，至少三個所述水洗槽3中，位於最底部的水洗槽3的槽腔底部設置有超聲波振蕩器。

超聲震蕩器的設置，能夠使得水洗槽3內的洗滌水發生波紋式的抖動，有利於絲束內殘留物迅速溢出，使碳纖維原絲4洗滌的更乾淨。

如圖3和圖4所示，所述獨立溫控系統包括電加熱管3-4和溫控傳感器3-6，所述電加熱管3-4和溫控傳感器3-6均與控制器相接。

所述控制器可以採用AT89C51型號或其它現有、常規型號的控制器。

各水洗槽3內均設置有獨立溫控系統，能夠實現各水洗槽3槽腔的溫度控制精度高(偏差±0.5℃或更低)，有利於碳纖維原絲4內部溶劑的擴散，實現高效水洗。

如圖3和圖4所示，各個所述水洗槽3內且位於電加熱管3-4的上方均設置有多孔均熱板3-5。多孔均熱板3-5的設置能夠使水洗槽3內的洗滌水實現加熱、換熱更為快速、均勻。

利用本發明所述碳纖維水洗裝置對碳纖維原絲進行水洗的方法通過實施例2至5進行描述。

實施例2

結合圖1至圖4，本實施例對碳纖維原絲進行水洗的方法包括以下步驟：

步驟一、將碳纖維原絲4安裝在所述水洗裝置的傳動輥上(如圖2所示)；

步驟二、向最頂部的水洗槽3的槽腔內持續通入洗滌水，洗滌水通過設置在各個水洗槽3上的出水口從上往下流動，直至各個水洗槽3中均注有流動態的洗滌水；

步驟三、開啟電機，使各傳動輥在電機的驅動下帶動碳纖維原絲自下而上運動，並在運動的過程中依次經各個水洗槽3進行水洗，碳纖維原絲4在各個水洗槽3中的運動方向與洗滌水流動方向相反，直至碳纖維原絲4經最頂部的水洗槽3水洗後離開，實現碳纖維原絲4連續清洗，清洗完畢後關閉電機，得到水洗後的碳纖維原絲4。

本實施例中，在位於最底部的水洗槽3的槽腔內設置超聲波振蕩器。具體操作時，啟動超聲震蕩器，設定超聲震蕩頻率為18kHz，該水洗槽3內的洗滌水產生波紋式的抖動，使絲束內部殘留物迅速溢出。

本實施例中，各水洗槽3中均設置有電加熱管3-4和溫控傳感器3-6。具體操作時，設定各水洗槽3中電加熱管3-4的溫度為61℃。

本實施例中，利用電機調整碳纖維原絲4的運動速率為4m/min，碳纖維原絲4在水洗槽中洗滌的總時間為5min。

利用紫外光譜以及氣相色譜對本實施例水洗後的碳纖維原絲進行分析測試，測得：經本實施例水洗後的碳纖維原絲的溶劑含量為0.09wt‰。

實施例3

結合圖1至圖4，本實施例對碳纖維原絲進行水洗的方法包括以下步驟：

步驟一、將碳纖維原絲4安裝在所述水洗裝置的傳動輥上(如圖2所示)；

步驟二、向最頂部的水洗槽3的槽腔內持續通入洗滌水，洗滌水通過設置在各個水洗槽3上的出水口從上往下流動，直至各個水洗槽3中均注有流動態的洗滌水；

步驟三、開啟電機，使各傳動輥在電機的驅動下帶動碳纖維原絲自下而上運動，並在運動的過程中依次經各個水洗槽3進行水洗，碳纖維原絲4在各個水洗槽3中的運動方向與洗滌水流動方向相反，直至碳纖維原絲4經最頂部的水洗槽3水洗後離開，實現碳纖維原絲4連續清洗，清洗完畢後關閉電機，得到水洗後的碳纖維原絲4。

本實施例中，在位於最底部的水洗槽3的槽腔內設置超聲波振蕩器。具體操作時，啟動超聲震蕩器，設定超聲震蕩頻率為19kHz，該水洗槽3內的洗滌水產生波紋式的抖動，使絲束內部殘留物迅速溢出。

本實施例中，各水洗槽3中均設置有電加熱管3-4和溫控傳感器3-6。具體操作時，設定各水洗槽3中電加熱管3-4的溫度為62℃。

本實施例中，利用電機調整碳纖維原絲4的運動速率為5m/min，碳纖維原絲4在水洗槽中洗滌的總時間為6min。

利用紫外光譜以及氣相色譜對本實施例水洗後的碳纖維原絲進行分析測試，測得：經本實施例水洗後的碳纖維原絲的溶劑含量為0.08wt‰。

實施例4

結合圖1至圖4，本實施例對碳纖維原絲進行水洗的方法包括以下步驟：

步驟一、將碳纖維原絲4安裝在所述水洗裝置的傳動輥上(如圖2所示)；

步驟二、向最頂部的水洗槽3的槽腔內持續通入洗滌水，洗滌水通過設置在各個水洗槽3上的出水口從上往下流動，直至各個水洗槽3中均注有流動態的洗滌水；

步驟三、開啟電機，使各傳動輥在電機的驅動下帶動碳纖維原絲自下而上運動，並在運動的過程中依次經各個水洗槽3進行水洗，碳纖維原絲4在各個水洗槽3中的運動方向與洗滌水流動方向相反，直至碳纖維原絲4經最頂部的水洗槽3水洗後離開，實現碳纖維原絲4連續清洗，清洗完畢後關閉電機，得到水洗後的碳纖維原絲4。

本實施例中，在位於最底部的水洗槽3的槽腔內設置超聲波振蕩器。具體操作時，啟動超聲震蕩器，設定超聲震蕩頻率為20kHz，該水洗槽3內的洗滌水產生波紋式的抖動，使絲束內部殘留物迅速溢出。

本實施例中，各水洗槽3中均設置有電加熱管3-4和溫控傳感器3-6。具體操作時，設定各水洗槽3中電加熱管3-4的溫度為65℃。

本實施例中，利用電機調整碳纖維原絲4的運動速率為6m/min，碳纖維原絲4在水洗槽中洗滌的總時間為7min。

利用紫外光譜以及氣相色譜對本實施例水洗後的碳纖維原絲進行分析測試，測得：經本實施例水洗後的碳纖維原絲的溶劑含量為0.07wt‰。

實施例5

結合圖1至圖4，本實施例對碳纖維原絲進行水洗的方法包括以下步驟：

步驟一、將碳纖維原絲4安裝在所述水洗裝置的傳動輥上(如圖2所示)；

步驟二、向最頂部的水洗槽3的槽腔內持續通入洗滌水，洗滌水通過設置在各個水洗槽3上的出水口從上往下流動，直至各個水洗槽3中均注有流動態的洗滌水；

步驟三、開啟電機，使各傳動輥在電機的驅動下帶動碳纖維原絲自下而上運動，並在運動的過程中依次經各個水洗槽3進行水洗，碳纖維原絲4在各個水洗槽3中的運動方向與洗滌水流動方向相反，直至碳纖維原絲4經最頂部的水洗槽3水洗後離開，實現碳纖維原絲4連續清洗，清洗完畢後關閉電機，得到水洗後的碳纖維原絲4。

本實施例中，在位於最底部的水洗槽3的槽腔內設置超聲波振蕩器。具體操作時，啟動超聲震蕩器，設定超聲震蕩頻率為18kHz，該水洗槽3內的洗滌水產生波紋式的抖動，使絲束內部殘留物迅速溢出。

本實施例中，各水洗槽3中均設置有電加熱管3-4和溫控傳感器3-6。具體操作時，設定各水洗槽3中電加熱管3-4的溫度為67℃。

本實施例中，利用電機調整碳纖維原絲4的運動速率為7m/min，碳纖維原絲4在水洗槽中洗滌的總時間為7min。

利用紫外光譜以及氣相色譜對本實施例水洗後的碳纖維原絲進行分析測試，測得：經本實施例水洗後的碳纖維原絲的溶劑含量為0.06wt‰。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何限制。凡是根據發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍內。