本发明专利技术公开了一种水浴牵伸装置及PAN基碳纤维原丝的生产系统，所述水浴牵伸装置包括：水浴牵伸槽，用于盛放水浴；水洗辊，设置在所述水浴牵伸槽中，部分浸没在水浴的液面以下，所述水洗辊沿初生纤维的运动方向间隔设置多个；牵伸辊组件，设置在所述水浴牵伸槽上方，对应相邻两个水洗辊之间的间隔区域设置；凝固成型的初生纤维交替绕过所述水洗辊和牵伸辊组件，进行水浴牵伸；其中，初生纤维在绕过水洗辊的下部时浸入液面以下。本发明专利技术中，初生纤维仅在停留于水洗辊下部的短时间内浸没于水浴中，缩短了逆流水洗在纤维上造成阻力的持续时长，进而减少了水流对纤维的损伤，有助于在保证原丝质量的前提下提高纺速。质量的前提下提高纺速。质量的前提下提高纺速。
【技术实现步骤摘要】
一种水浴牵伸装置及PAN基碳纤维原丝的生产系统
[0001]本专利技术属于碳纤维制造与应用
，具体地说，涉及一种水浴牵伸装置及PAN基碳纤维原丝的生产系统。
技术介绍
[0002]目前，工业化生产碳纤维按原料路线可分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类。碳纤维生产就是不断除去杂质元素（主要为H、N、O等），减少缺陷，净化、重整碳链的过程。
[0003]从粘胶纤维制取高力学性能的碳纤维必须经高温拉伸石墨化，碳化收率低（只有20～30%），技术难度大、设备复杂，成本较高，产品主要为耐烧蚀材料及隔热材料。
[0004]由沥青制取碳纤维，原料来源丰富，但因原料调制处理过程复杂、产品性能较差，亦未得到大规模发展。沥清前驱体在高压下通过计量泵进入喷丝板的小孔，再经空气冷却，最后卷绕成纤维。在此过程中，它的断裂应力有20%之多，容易断裂。沥青基碳纤维的碳化收率为80%～90%，比聚丙烯腈基碳纤维的碳化收率（50%～60%）更高，原料沥青价格也远比丙烯腈便宜，在理论上这些差别将使沥青基碳纤维的成本比聚丙烯腈基碳纤维低。
[0005]然而，要制得高性能碳纤维，原料沥青中的杂质必须完全脱除，沥青转化为中间相沥青，这使得高性能沥青基碳纤维的成本大大增加。实际上高性能沥青基碳纤维的成本反而比聚丙烯腈基碳纤维高。故目前仅限于只追求性能而不计成本的极少数领域如宇航部门使用。与聚丙烯腈基碳纤维相比，沥青基碳纤维发展相对滞后，它的应用也不如PAN基碳纤维广泛。
[0006]现有技术中，以PAN基碳纤维为主，较为普遍的生产工艺是采用DMSO为溶剂，一步法干喷湿纺制成原丝，全球采用此类工艺生产的高性能碳纤维产能、产量和消费量居首位。所述的高性能碳纤维，尤其是具有高强度的碳纤维，由于具有优异的力学性能，可用于制成风力发动机中的叶片等结构，具有良好的应用前景。
[0007]为实现高强度碳纤维的生产，需要提高PAN基碳纤维原丝的质量。同时，为满足市面上对碳纤维的大量需求，还需要在保证PAN基碳纤维原丝质量的前提下尽可能的提高生产效率。现有工艺中，通过在原丝生产过程中对纤维进行拉伸，可以提高纤维的取向度，使纤维的性能，例如断裂强度得到提升。然而，当牵伸倍数达到一定水平时，现有生产工艺的纺速即受限，采用较高纺速时很容易导致断丝，导致生产效率无法进一步提升。
[0008]有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
[0009]本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种水浴牵伸装置及PAN基碳纤维原丝的生产系统，可以缩短水浴牵伸工序中纤维在水浴中的持续停留时长而不影响水洗效果，在高纺速下也可以保证原丝质量，有利于提升生产效率。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术采用技术方案的基本构思是：
一种用于PAN基碳纤维原丝生产的水浴牵伸装置，包括：水浴牵伸槽，用于盛放水浴；水洗辊，设置在所述水浴牵伸槽中，部分浸没在水浴的液面以下，所述水洗辊沿初生纤维的运动方向间隔设置多个；牵伸辊组件，设置在所述水浴牵伸槽上方，对应相邻两个水洗辊之间的间隔区域设置；所述初生纤维交替绕过所述水洗辊和牵伸辊组件，进行水浴牵伸；其中，初生纤维在绕过水洗辊的下部时浸入液面以下。
[0011]在上述方案中，水浴牵伸装置沿初生纤维的运动方向交替设置水洗辊和牵伸辊组件，使得初生纤维交替经过绕过所述水洗辊和牵伸辊组件，进行水浴牵伸。只有在经过水洗辊下部的很短时间内，初生纤维浸入水浴中，进而纤维在水浴中的持续浸泡时长可以大幅度缩短，减少了水浴牵伸过程中纤维持续承受水阻力的时间。
[0012]通过改进水浴牵伸装置的结构，可以实现初生纤维浸泡在水中的时间缩短，且连续进入水浴中的长度也缩短，同时纤维在离开水浴液面时自身会附着一定量的水（约为纤维自身重量的2～4倍），进而在离开水浴的一段时间内也具有水洗效果。如此，避免了持续的逆流水洗对纤维的过度损伤，可以在保证原丝质量的情况下提高纺速，有利于生产效率的提升。
[0013]进一步地，所述牵伸辊组件连接驱动装置，用于驱动牵伸辊组件转动，带动初生纤维运动；所述水洗辊在初生纤维的带动下转动；所述水洗辊的直径为200～300mm，水洗辊浸入水浴中的高度为水洗辊直径的1/4～1/2，优选为水洗辊直径的1/3。
[0014]经测试发现，当水洗辊采用如上的尺寸范围，并配合水洗辊在水浴中的浸没高度，可以控制初生纤维浸入水浴中的连续长度在200～400mm，持续浸没在水浴中的时长控制在0.1～0.35s，并且在整个水浴牵伸工序中，初生纤维浸入水浴中的时间与在空气中经过的时间之比为1：4～8。此时，既可以保证水浴牵伸工序对初生纤维有效的水洗效果，又能够最大程度上保证纤维不受损伤。
[0015]进一步地，所述水浴牵伸槽包括一级水浴牵伸槽、二级水浴牵伸槽和三级水浴牵伸槽，所述牵伸辊组件包括低倍牵伸辊组件和高倍牵伸辊组件；其中，所述低倍牵伸辊组件对应第一水浴牵伸槽和第三水浴牵伸槽设置，所述高倍牵伸辊组件对应所述第二水浴牵伸槽设置。
[0016]进一步地，所述低倍牵伸辊组件为单个牵伸辊，所述初生纤维由所述牵伸辊的上方绕过；所述高倍牵伸辊组件包括两个第一牵伸辊和一个第二牵伸辊，两个第一牵伸辊沿水平方向间隔设置在同一高度，所述第二牵伸辊设置在两个第一牵伸辊之间的间隔下方；所述初生纤维交替经过所述第一牵伸辊和第二牵伸辊，其中，所述初生纤维由第一牵伸辊的上方，以及第二牵伸辊的下方绕过。
[0017]在上述方案中，初生纤维经过水浴牵伸装置时，可以先进行低倍牵伸，再进行高倍牵伸，最后再进行低倍牵伸。利用水浴牵伸工序的中间段纤维延展性良好的特性，可以实现更高的总牵伸倍数。所述高倍牵伸辊组件采用三个一组的牵伸辊，可加强牵伸拉力。
[0018]一种PAN基碳纤维原丝的生产系统，包括凝固装置，以及上述所述的水浴牵伸装置；所述凝固装置用于对纺丝原液喷丝形成的丝条进行凝固成型，得到初生纤维；由凝固装置得到的初生纤维进入水浴牵伸装置中进行水浴牵伸。
[0019]进一步地，所述凝固装置盛放有0～20℃的凝固浴液，凝固浴液的温度优选为0～10℃；所述生产系统还包括用于从所述凝固浴液中回收凝固剂的回收单元；所述回收单元包括：精馏塔，所述凝固浴液进入所述精馏塔中，提纯后的溶液由塔底排出，塔顶排出蒸汽；冷凝器，与所述精馏塔的塔顶相连，塔顶排出的蒸汽进入所述冷凝器中进行冷凝；所述凝固浴液进入精馏塔之间，先经过所述冷凝器，与塔顶排出的蒸汽换热实现所述蒸汽的冷凝。
[0020]在上述方案中，所述冷凝器中分别通过温度较低的凝固浴液和精馏塔塔顶排出的高温蒸汽，所述的凝固浴液与蒸汽进行换热。一方面，利用凝固浴液的低温对蒸汽进行冷凝，无需额外供入冷水。另一方面，凝固浴液经过所述冷凝器时，也可以由所述蒸汽获取热量实现预热，有利于后续在精馏塔中获得更高的提纯效率。
[0021]进一步地，所述精馏塔包括一级精馏塔和二级精馏塔，所述一级精馏塔排出的提纯后的溶液进入所述二级精馏塔中本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于PAN基碳纤维原丝生产的水浴牵伸装置，其特征在于，包括：水浴牵伸槽，用于盛放水浴；水洗辊，设置在所述水浴牵伸槽中，部分浸没在水浴的液面以下，所述水洗辊沿初生纤维的运动方向间隔设置多个；牵伸辊组件，设置在所述水浴牵伸槽上方，对应相邻两个水洗辊之间的间隔区域设置；凝固成型的初生纤维交替绕过所述水洗辊和牵伸辊组件，进行水浴牵伸；其中，初生纤维在绕过水洗辊的下部时浸入液面以下。2.根据权利要求1所述的用于PAN基碳纤维原丝生产的水浴牵伸装置，其特征在于，所述牵伸辊组件连接驱动装置，用于驱动牵伸辊组件转动，带动初生纤维运动；所述水洗辊在初生纤维的带动下转动；所述水洗辊的直径为200～300mm，水洗辊浸入水浴中的高度为水洗辊直径的1/4～1/2。3.根据权利要求1或2所述的用于PAN基碳纤维原丝生产的水浴牵伸装置，其特征在于，所述水浴牵伸槽包括一级水浴牵伸槽、二级水浴牵伸槽和三级水浴牵伸槽，所述牵伸辊组件包括低倍牵伸辊组件和高倍牵伸辊组件；其中，所述低倍牵伸辊组件对应一级水浴牵伸槽和三级水浴牵伸槽设置，所述高倍牵伸辊组件对应所述二级水浴牵伸槽设置。4.根据权利要求3所述的用于PAN基碳纤维原丝生产的水浴牵伸装置，其特征在于，所述低倍牵伸辊组件为单个牵伸辊，所述初生纤维由所述牵伸辊的上方绕过；和/或，所述高倍牵伸辊组件包括两个第一牵伸辊和一个第二牵伸辊，两个第一牵伸辊沿水平方向间隔设置在同一高度，所述第二牵伸辊设置在两个第一牵伸辊之间的间隔下方；所述初生纤维交替经过所述第一牵伸辊和第二牵伸辊，其中，所述初生纤维由第一牵伸辊的上方，以及第二牵伸辊的下方绕过。5.一种PAN基碳纤维原丝的生产系统，其特征在于，包括凝固装置，以及权利要求1
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4中任意一项所述的用于PAN基碳纤维原丝生产的水浴牵伸装置；所述凝固装置用于对纺丝原液喷丝形成的丝条进行凝固成型，得到初生纤维；由凝固装置得到的初生纤维进入水浴牵伸装置中进行水浴牵伸。6.根据权利要求5所述的PAN基碳纤维原丝的生产系统，其特征在于，所述凝固装置盛放有0～20℃的凝固浴液；所述生产系统还包括用于从所述凝固浴液中回收凝固剂的回收单元；所述回收单元包括：精馏塔，所述凝固浴液进入所述精馏塔中，提纯后的溶液由塔底排出，塔顶排出蒸汽；冷凝器，与所述精馏...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘海亮，宋德武，李凯，郑成军，王福余，田晶，孟祥化，张继良，王慧，
申请(专利权)人：吉林化纤集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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