一种碳纤维原丝空气处理器及生产线
阅读说明：本技术 一种碳纤维原丝空气处理器及生产线 (Carbon fiber precursor air processor and production line ) 是由 石金 钱鸿川 殷伟涛 唐俊鑫 景益敏 蔡涛 莫淦传 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了碳纤维原丝制备技术领域的一种碳纤维原丝空气处理器及生产线,碳纤维原丝空气处理器包括本体,所述本体具有空气入口和贯通所述本体的第一通道,所述第一通道内设有与所述空气入口连通的喷嘴,所述喷嘴的出口朝向所述第一通道的出口端,并与所述第一通道的轴线形成设定的夹角。碳纤维原丝空气处理器能将碳纤维原丝丝束打散成蓬松的碳纤维原丝单丝,使碳纤维原丝单丝能与蒸汽充分接触,提高了碳纤维原丝单丝牵伸后性能的均匀性。(The carbon fiber precursor air processor comprises a body, wherein the body is provided with an air inlet and a first channel penetrating through the body, a nozzle communicated with the air inlet is arranged in the first channel, and an outlet of the nozzle faces to an outlet end of the first channel and forms a set included angle with an axis of the first channel. The carbon fiber precursor air processor can break up carbon fiber precursor tows into fluffy carbon fiber precursor monofilaments, so that the carbon fiber precursor monofilaments can be fully contacted with steam, and the uniformity of the performance of the carbon fiber precursor monofilaments after drafting is improved.)
技术领域
本发明属于碳纤维原丝制备技术领域，具体涉及一种碳纤维原丝空气处理器及生产线。
背景技术
随着碳纤维需求增加以及碳纤维制备技术的更迭，碳纤维制造由当初低车速、低产能、合格率低向高车速、高产能、高产品质量转化，在转化过程中，原丝性能的稳定性将制约原丝的提速和提产。
蒸汽牵伸是原丝获得高取向度、高结晶度的关键工序，低纺速时纤维和饱和蒸汽热量交换时间长，可以轻易得到高倍牵伸所需的温度和水份场，如进一步提速，则需要更高的饱和蒸汽压力，这时则需要通过提高蒸汽牵伸箱压力，对设备制造又提出了更高的要求；丝束经干燥致密化后，因干燥原因，丝束将呈现片状，束丝内单丝不再是蓬松状态，蒸汽在高速下高倍牵伸时将更难进入丝束内部；在纤维生产过程中，单丝数量数以万计，不可避免会有单丝断裂，这部分单丝断裂的丝会形成毛丝，因未进行高倍牵伸，不具备原丝的高取向度、高结晶性能，在预氧化时成为放热集中点，造成附近单丝预氧化不均匀，不仅自身形成碳纤维毛丝，也会导致碳纤维束丝间单丝性能差异性增加；在干喷湿法生产过程中，因生产工艺特殊性，单丝在喷丝板断裂会形成胶粒，这种胶粒会导致蒸汽牵伸箱堵塞，如进入碳化设备，其影响远大于毛丝。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种碳纤维原丝空气处理器及生产线，能将碳纤维原丝丝束打散成蓬松的碳纤维原丝单丝，使碳纤维原丝单丝能与蒸汽充分接触，提高了碳纤维原丝单丝牵伸后性能的均匀性。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
第一方面，提供一种碳纤维原丝空气处理器，包括本体，所述本体具有空气入口和贯通所述本体的第一通道，所述第一通道内设有与所述空气入口连通的喷嘴，所述喷嘴的出口朝向所述第一通道的出口端，并与所述第一通道的轴线形成设定的夹角。
进一步地，在所述第一通道的入口端安装有吸入管，所述吸入管的出口端设有第一锥面；所述第一通道的内表面设有与所述第一锥面相匹配的第二锥面，所述第一锥面和所述第二锥面配合形成作为所述喷嘴的环形间隙。
进一步地，所述环形间隙的宽度为0.1～2mm。
进一步地，所述第一通道内设有储气段，所述储气段与所述吸入管围成储气腔，所述储气腔分别与所述空气入口和所述环形间隙连通。
进一步地，所述吸入管的入口端设有喇叭口。
进一步地，所述第一通道的出口端安装有进气套管，所述进气套管上设有喇叭口。
进一步地，所述吸入管的内径为8～35mm，所述第一通道的内径与所述进气套管的内径相同，且大于所述第一通道的内径。
进一步地，所述第一通道、吸入管和进气套管，其内表面的表面粗糙度均满足Ra＜0.2μm。
进一步地，所述夹角为1～25°。
第二方面，提供一种碳纤维原丝生产线，该生产线配置有第一方面所述的碳纤维原丝空气处理器，所述碳纤维原丝空气处理器的出口端与蒸汽牵伸箱的入口端连接。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
(1)本发明通过喷嘴将压缩空气喷入空气处理器的第一通道，将通过第一通道的碳纤维原丝丝束打散成蓬松的碳纤维原丝单丝，使碳纤维原丝单丝能与蒸汽充分接触，提高了碳纤维原丝单丝牵伸后性能的均匀性；
(2)本发明通过空气处理器将碳纤维原丝丝束打散成蓬松的碳纤维原丝单丝，实现同等牵伸条件下生产线提速；
(3)本发明通过空气处理器将碳纤维原丝丝束打散成蓬松的碳纤维原丝单丝，使其中的胶粒脱落，不再带入蒸汽牵伸箱以及碳化工序，有效降低蒸汽牵伸箱堵塞和提升碳纤维品质；
(4)本发明通过空气处理器将碳纤维原丝丝束打散成蓬松的碳纤维原丝单丝，在蒸汽牵伸前的单丝断裂产生的毛丝也会经空气处理器后掉落，进一步降低碳纤维毛丝数量，提升碳纤维品质。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种碳纤维原丝空气处理器的平面结构示意图；
图2是图1中环形间隙的局部放大图；
图3是使用本发明实施例提供的一种碳纤维原丝空气处理器处理碳纤维原丝的处理效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
如图1～图3所示，一种碳纤维原丝空气处理器，包括本体1，本体1具有空气入口11和贯通本体1的第一通道12，第一通道12内设有与空气入口11连通的喷嘴，喷嘴的出口朝向第一通道12的出口端，并与第一通道12的轴线形成设定的夹角。
在第一通道12的入口端安装有吸入管2，吸入管2的出口端设有第一锥面21；第一通道12的内表面设有与第一锥面21相匹配的第二锥面13，第一锥面21和第二锥面13配合形成作为喷嘴的环形间隙。
本实施例中环形间隙的宽度为0.1～2mm，即第一锥面21和第二锥面13之间的间距为0.1～2mm；环形间隙与第一通道12的轴线形成的夹角为1～25°，能保证在将碳纤维原丝丝束打散成蓬松的碳纤维原丝单丝的同时，又可以将蓬松的碳纤维原丝单丝快速排出空气处理器。
本实施例中，第一通道12内设有储气段，储气段与吸入管2围成储气腔14，储气腔14分别与空气入口11和环形间隙连通，储气腔14能保证环形间隙在各个方向上均能具有基本相等的空气压力。
本实施例中，吸入管2与本体1通过螺纹连接，在本体1和吸入管2之间安装有密封环22，用于防止压缩空气泄露。吸入管2的入口端设有喇叭口23，用于增大吸入管2的吸入口面积，方便碳纤维原丝丝束被吸入。
本实施例中，第一通道12的出口端安装有进气套管3，进气套管3上设有喇叭口31，方便蓬松的碳纤维原丝单丝和压缩空气顺利排出。
本实施例中，吸入管2的内径为8～35mm，第一通道12的内径与进气套管3的内径相同，且大于吸入管2的内径。
本实施例中，第一通道12、吸入管2和进气套管3，其内表面均进行镜面抛光，表面粗糙度均满足Ra＜0.2μm，可避免碳纤维原丝单丝与第一通道12、吸入管2或进气套管3之间发生勾连，造成空气处理器堵塞。
本实施例中，本体1通过螺栓6与固定台5连接。本实施例中，碳纤维原丝丝束是在干燥致密化后形成的集束的，成片状，不分散的。
使用时，压缩空气(2～15bar)由与空气入口11连接的进气管(直径5～20mm)4进入储气腔14，继而进入环形间隙，此时进气截面积缩小，气流流速变大；碳纤维原丝丝束7经吸入管2进入空气处理器，环形间隙与碳纤维原丝丝束7之间存在夹角，压缩空气经环形间隙后对碳纤维原丝丝束7在吸入管2处形成吸力，碳纤维原丝丝束7被不断吸入，压缩空气经环形间隙后截面积瞬间放大，碳纤维原丝丝束7在压缩空气作用下被吹散，形成蓬松的碳纤维原丝单丝8，如图3所示。
本实施例中所示的碳纤维原丝为干喷湿法12K-48K原丝以及湿法12-50K原丝。本实施例通过喷嘴将压缩空气喷入空气处理器的第一通道，将通过第一通道的碳纤维原丝丝束打散成蓬松的碳纤维原丝单丝，使碳纤维原丝单丝能与蒸汽充分接触，提高了碳纤维原丝单丝牵伸后性能的均匀性；通过空气处理器将碳纤维原丝丝束打散成蓬松的碳纤维原丝单丝，使其中的胶粒脱落，不再带入蒸汽牵伸箱以及碳化工序，有效降低蒸汽牵伸箱堵塞和提升碳纤维品质；通过空气处理器将碳纤维原丝丝束打散成蓬松的碳纤维原丝单丝，在蒸汽牵伸前的单丝断裂产生的毛丝也会经空气处理器后掉落，进一步降低碳纤维毛丝数量，提升碳纤维品质；本实施例通过空气处理器将碳纤维原丝丝束打散成蓬松的碳纤维原丝单丝，实现同等牵伸条件下生产线提速。
实施例二：
基于实施一所述的一种碳纤维原丝空气处理器，本实施例提供一种碳纤维原丝生产线，该生产线配置有实施例一所述的碳纤维原丝空气处理器，所述碳纤维原丝空气处理器的出口端与蒸汽牵伸箱的入口端连接。
碳纤维原丝在干燥致密化后形成片状碳纤维原丝丝束，集束的、片状的碳纤维原丝丝束经过空气处理器后，在压缩空气作用下，单丝瞬间分散，丝束不再是集束的片状，此时丝束进入蒸汽牵伸箱，饱和蒸汽将更易进入丝束内部，快速提供蒸汽牵伸所需的热量和水分子，实现同等牵伸条件下生产线提速。特别是在生产T700以上24K以上大丝束，蒸汽牵伸是必须的工序，丝束经过空气处理器后，将有效把大丝束内部纤维进行分散，实现大丝束单丝在蒸汽牵伸后性能均匀。
干喷湿纺原丝内部不可避免会产生一定的胶粒，胶粒粘连或夹杂在单丝表面，当其经过空气处理器后，单丝被打散，胶粒将脱落，不再带入蒸汽牵伸箱以及碳化工序，有效降低蒸汽牵伸箱堵塞和提升碳纤维品质。
同样，在蒸汽牵伸前的单丝断裂产生的毛丝也会经空气处理器后掉落，进一步降低碳纤维毛丝数量，提升碳纤维品质。
下面通过几个具体的应用实例进一步说明本实施例的有益效果。
实例1湿纺T700级50K大丝束原丝空气处理器，进气套管和吸入管两端均为喇叭口形状，内部抛光后Ra＜0.2，环形间隙间距为0.2mm，环形间隙与丝束运行方向的锐角夹角为10°(即环形间隙与第一通道的轴线形成的夹角为10°)。压缩空气的进气管直径为10mm，压缩空气压力8bar，丝束通道直径(即吸入管的内径)为32mm。使用位置：干燥致密化与蒸汽牵伸箱之间。
生产速度80m/min，蒸汽牵伸箱压力4.5bar。使用前、后生产线运行与原丝性能对比结果见表1：
表1
从表1的对比结果可知，使用空气处理器后，大丝束断丝数量减少，毛丝数量下降明显，单丝强度、模量下降至1％左右。
实例2湿纺T700级24K原丝空气处理器，进气套管和吸入管两端均为喇叭口形状，内部抛光后Ra＜0.05，环形间隙间距为1.5mm，环形间隙与丝束运行方向的锐角夹角为18°。压缩空气的进气管直径为8mm，压缩空气压力5bar，丝束通道直径为15mm。使用位置：干燥致密化与蒸汽牵伸箱之间。
对比前后空气处理器对生产线提速的影响，结果如表2所示：
表2
从表2的对比结果可知，将生产线速度由90m/min提高至150m/min，未使用空气处理器时，相同蒸汽压力下，断丝数量增加，单丝强度、模量cv值变大；通过提高蒸汽牵伸箱压力运行状况稍有好转；使用空气处理器后运行状况与90m/min相当。
实例3干喷湿纺T800级12K原丝空气处理器，进气套管和吸入管两端均为喇叭口形状，内部抛光后Ra＜0.02，环形间隙间距为0.8mm，环形间隙与丝束运行方向的锐角夹角为2°。压缩空气的进气管直径为6mm，压缩空气压力5bar，丝束通道直径为10mm。使用位置：干燥致密化与蒸汽牵伸箱之间。
对比使用前、后效果，如表3所示：
表3
从表3的对比结果可知，对于干喷湿法原丝，使用空气处理前可以有效将胶粒和毛丝清除，有效降低原丝毛丝数量，以及降低原丝单丝强度、模量cv值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
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