工业级氧化铝连续纤维千孔纺丝甬道及集束装置
阅读说明：本技术 工业级氧化铝连续纤维千孔纺丝甬道及集束装置 (Industrial-grade alumina continuous fiber multi-hole spinning channel and bundling device ) 是由 关克田 孙树人 房海燕 于 2020-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了工业级氧化铝连续纤维千孔纺丝甬道及集束装置,属于氧化铝纺丝设备技术领域。本发明所述的千孔纺丝甬道及集束装置中吸液装置的一端和给液装置相连,另一端和喷丝板组件相连；喷丝板组件和上侧环形吹风装置位于甬道体的上部,且上侧环形吹风装置位于喷丝板组件的外侧；侧面环形吹风装置、环形加热装置位于甬道体的两侧,且侧面环形吹风装置位于环形加热装置的上部；上油装置的中心轴和横杆的中心轴在同一条直线上；加捻装置位于上油装置的下部,送风装置位于加捻装置的下部,牵伸装置位于送风装置的下部。通过本发明的装置可以使得纤维平均直径控制达到9μm±1.5μm水平,解决了纺丝过程中一直无法解决的飘丝、断丝的难题。(The invention discloses an industrial-grade alumina continuous fiber multi-hole spinning channel and a bundling device, and belongs to the technical field of alumina spinning equipment. One end of a liquid suction device in the multi-hole spinning channel and the bundling device is connected with a liquid supply device, and the other end of the liquid suction device is connected with a spinneret plate component; the spinneret plate assembly and the upper annular air blowing device are positioned at the upper part of the channel body, and the upper annular air blowing device is positioned at the outer side of the spinneret plate assembly; the lateral annular air blowing device and the annular heating device are positioned at two sides of the channel body, and the lateral annular air blowing device is positioned at the upper part of the annular heating device; the central shaft of the oiling device and the central shaft of the cross rod are on the same straight line; the twisting device is positioned at the lower part of the oiling device, the air supply device is positioned at the lower part of the twisting device, and the drafting device is positioned at the lower part of the air supply device. The device of the invention can control the average diameter of the fiber to reach the level of 9 mu m +/-1.5 mu m, and solves the difficult problems of filament floating and filament breakage which can not be solved in the spinning process.)
技术领域
本发明涉及工业级氧化铝连续纤维千孔纺丝甬道及集束装置，属于氧化铝纺丝设备技术领域。
背景技术
氧化铝纤维是一种高性能新型无机纤维，其主要成分是Al2O3。氧化铝纤维属于高性能陶瓷纤维，具有高强度、高模量、耐高温以及良好的抗氧化性能，能够在氧化或还原气氛中保持良好的化学稳定性，同时还具有热导率小、热膨胀系数低、抗热震性好等优点。目前，氧化铝纤维的制备工艺主要采用溶胶-凝胶法。正常纺丝一般采用顶部环形吹风，通过调节甬道进气的干湿空气流量和吸风流量来控制甬道的湿度，使其保持出丝状态，湿度测试点接近甬道壁。但是在喷丝孔圈数较多(4圈～6圈)的情况下，将湿度调节到内外圈都不滴液、不断丝的状态很难，主要表现为绕滚(湿度过高会导致滴液，湿度过低会拉断纤维，拉断后也会滴液现象)，甚至会出现最外圈的纤维出现拉断(过干)的现象，而内圈仍然不时出现滴液(过湿)的现象，这样就导致溶剂不能有效挥发，不能满足多头以及大批量生产的需求。
针对氧化铝工业级纺丝的特点，纺丝甬道是纤维原丝成型及品质高低的关键影响因素，其中温度、湿度、气流控制是高性能纤维原丝稳定生产的核心技术，是国内大多数企业进行氧化铝纤维连续化纺丝尚需解决的难题。
发明内容
为了解决上述至少一个问题，本发明通过根据热质传递过程和溶剂挥发速率和拉伸速率的匹配，制备出一种氧化铝纤维专用纺丝甬道，使得纤维平均直径控制达到9μm±1.5μm水平，解决了纺丝过程中一直无法解决的飘丝、断丝的难题。
本发明的第一个目的是提供一种工业级氧化铝连续纤维千孔纺丝甬道及集束装置，所述装置包括给液装置、吸液装置、喷丝板组件、甬道体、上侧环形吹风装置、侧面环形吹风装置、环形加热装置、上油装置、横杆、加捻装置、送风装置、牵伸装置；其中吸液装置的一端和给液装置相连，另一端和喷丝板组件相连；喷丝板组件和上侧环形吹风装置位于甬道体的上部，且上侧环形吹风装置位于喷丝板组件的外侧；侧面环形吹风装置、环形加热装置位于甬道体的两侧，且侧面环形吹风装置位于环形加热装置的上部；喷丝板组件、上侧环形吹风装置、侧面环形吹风装置、环形加热装置和甬道体的中心轴在同一条直线上；上油装置的中心轴和横杆的中心轴在同一条直线上，且位于甬道体的下部，与甬道体的中心线垂直；加捻装置位于上油装置的下部，送风装置位于加捻装置的下部，牵伸装置位于送风装置的下部，牵伸装置的牵伸钳口、送风装置的中心轴、加捻装置的中心轴、甬道体的中心轴、横杆的中点在同一条直线上。
在本发明的一种实施方式中，所述的工业级氧化铝连续纤维千孔纺丝甬道及集束装置还包括压力监测计、液体流速检测器，压力监测计、液体流速检测器位于吸液装置上，且位于给液装置和喷丝板组件的之间，作用是保证给液装置给液均匀。
在本发明的一种实施方式中，所述的送风装置包括进气口和固定支架，进气口和固定支架位于送风装置的两侧中部；送风装置的风速为0.1～0.3m/s。
在本发明的一种实施方式中，所述的喷丝板组件是圆柱管形喷丝头，中部是空心的，圆柱管的截面是均匀分布的通孔(千孔)；通孔的作用是纺丝液纺丝，中间空心的作用是贯通热流空气；中部的直径是喷丝板组件直径的1/5～3/5。
在本发明的一种实施方式中，所述的工业级氧化铝连续纤维千孔纺丝甬道及集束装置还包括湿度检测点；湿度检测点位于甬道体上部与侧面环形吹风装置之间；作用是检测甬道体内的湿度。
在本发明的一种实施方式中，所述的给液装置是盛放氧化铝纺丝液的容器；吸液装置是吸液管；牵伸装置是牵伸罗拉。
在本发明的一种实施方式中，所述的上油装置是氟醚油上油。
在本发明的一种实施方式中，所述的加捻装置是圆盘状，作用是利用圆盘上的转子将喷出的纤维束进行加捻，将纤维集束成纤维束。
在本发明的一种实施方式中，所述的甬道体的长度为8～10m。
在本发明的一种实施方式中，所述的甬道体的湿度控制在70％～75％。
在本发明的一种实施方式中，所述的吸液装置的流速(纺丝液的流速)为18～22L/min。
在本发明的一种实施方式中，所述的上侧环形吹风装置的风速为0.3～0.7m/s，风力为1级；高度为40～60mm。
在本发明的一种实施方式中，所述的侧面环形吹风装置的风速为0.3～0.5m/s，风力为1级；高度为50～70mm。
在本发明的一种实施方式中，所述的喷丝板组件的中心热空气的流速为0.7～1.0m/s。
在本发明的一种实施方式中，所述的环形加热装置的作用是保证甬道体的温度为25～30℃。
本发明的第二个目的是提供一种氧化铝纤维的纺丝方法，所述的方法是采用本发明所述的工业级氧化铝连续纤维千孔纺丝甬道及集束装置。
本发明所述的工业级氧化铝连续纤维千孔纺丝甬道及集束装置的作用原理：
吸液装置将给液装置中的氧化铝纺丝液吸入喷丝板组件，通过压力监测计、液体流速检测器控制纺丝液流入喷丝板组件的速度；之后纺丝液经过喷丝板组件引出纤维，纤维进入甬道体内，上侧环形吹风装置、侧面环形吹风装置、环形加热装置对甬道体内进行吹风、加热，喷丝板组件的中心流出热气体，使得湿度检测点检测到的甬道体内的湿度控制在70％～75％，温度控制在25℃～30℃；在这样的环境下，分散的纤维按照特定的路径引出甬道体，之后在上油装置进行上油，解决纤维的粘丝问题；然后将纤维引入加捻装置中加捻成纤维束，增加纤维之间的抱合性；之后在送风装置以及牵伸装置中吹丝牵伸，同时进气口进气，使气流均匀作用于丝束，减少丝束之间的相互缠结，同时提高生产效率，达到工业化氧化铝纤维的生产。
本发明的有益效果：
(1)本发明对喷丝板组件进行改进，使其中间空边上打眼，中间灌热空气，解决纤维喷丝过程中存在的内湿外干问题。
(2)本发明对纺丝甬道进行设计，使甬道加长至8～10m，加大可纺纤维的湿度区间，能较快调整到良好的纺丝状态，减少滴液现象，在甬道体中设置湿度检测点，使甬道体中湿度控制在70％～75％，温度控制在25℃～30℃，提升纤维丝细度，减少湿度的影响而产生的断头现象，保证纤维的均匀性。
(3)本发明的甬道体中气流分布形式上采用上部环形吹风、喷丝板组件中心吸风并伴随侧面环形加热的循环操作，使大量溶剂得到有效的挥发，并及时被气流析出，保持甬道内的温湿度平衡，减少吹吸风对纤维的影响，同时使气流均匀作用于丝束，减少丝束之间的相互缠结，同时提高生产效率，达到工业化氧化铝纤维的生产。
(4)在甬道体外先对纤维进行氟醚油上油，一般是对纤维先集束，后上油；本发明采用先上油操作，这样可以解决纤维粘死等问题，减少纤维断头或纤维不匀现象；在上油操作后对纤维进行加捻集束，与以往先牵伸后加捻不同，这样操作的目的是增加纤维之间的抱合性，为后道烧结脱散等提供支撑；之后对纤维束进行牵伸，改变集束牵伸的方式，直接单独使用送风装置牵伸，降低纺丝的难度。
附图说明
图1为本发明工业级氧化铝连续纤维千孔纺丝甬道及集束装置的结构图；
图2为工业级氧化铝连续纤维千孔纺丝甬道正视图；
图3为喷丝板组件的俯视图；
其中，给液装置1、吸液装置2、压力监测计3、液体流速检测器4、喷丝板组件5、上侧环形吹风6、湿度检测点7、甬道体8、侧面环形吹风装置9、环形加热装置10、上油装置11、横杆12、加捻装置13、送风装置14、进气口15、固定支架16、牵伸装置17。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。
实施例1
一种工业级氧化铝连续纤维千孔纺丝甬道及集束装置，所述装置包括给液装置1、吸液装置2、喷丝板组件5、甬道体8、上侧环形吹风装置6、侧面环形吹风装置9、环形加热装置10、上油装置11、横杆12、加捻装置13、送风装置14、牵伸装置17；其中吸液装置2的一端和给液装置1相连，另一端和喷丝板组件5相连；喷丝板组件5和上侧环形吹风装置6位于甬道体8的上部，且上侧环形吹风装置6位于喷丝板组件5的外侧；侧面环形吹风装置9、环形加热装置10位于甬道体8的两侧，且侧面环形吹风装置9位于环形加热装置10的上部；喷丝板组件5、上侧环形吹风装置6、侧面环形吹风装置9、环形加热装置10和甬道体8的中心轴在同一条直线上；上油装置11的中心轴和横杆12的中心轴在同一条直线上，且位于甬道体8的下部，与甬道体8的中心线垂直；加捻装置13位于上油装置11的下部，送风装置14位于加捻装置13的下部，牵伸装置17位于送风装置14的下部，牵伸装置17的牵伸钳口、送风装置14的中心轴、加捻装置13的中心轴、甬道体8的中心轴、横杆12的中点在同一条直线上。
进一步地，所述的工业级氧化铝连续纤维千孔纺丝甬道及集束装置还包括压力监测计3、液体流速检测器4，压力监测计3、液体流速检测器4位于吸液装置2上，且位于给液装置1和喷丝板组件5的中间，作用是保证给液装置给液均匀。
进一步地，所述的送风装置14包括进气口15和固定支架16，进气口15和固定支架16位于送风装置14的两侧中部；送风装置14的风速为0.1～0.3m/s。
进一步地，所述的喷丝板组件5是圆柱管形喷丝头，中部是空心的，圆柱管的截面是均匀分布的通孔(千孔)；通孔的作用是纺丝液纺丝，中间空心的作用是贯通热流空气；中部的直径是喷丝板组件直径的1/5～3/5。
进一步地，所述的工业级氧化铝连续纤维千孔纺丝甬道及集束装置还包括湿度检测点7；湿度检测点7位于甬道体8上部与侧面环形吹风装置9之间；作用是检测甬道体内的湿度。
进一步地，所述的给液装置1是盛放纺丝液的容器；吸液装置2是吸液管；牵伸装置17是牵伸罗拉。
进一步地，所述的上油装置11是氟醚油上油。
进一步地，所述的加捻装置13是圆盘状，作用是利用圆盘上的转子将喷出的纤维束进行加捻，将纤维集束成纤维束。
进一步地，所述的甬道体8的长度为8～10m。
进一步地，所述的甬道体8的湿度控制在70％～75％。
进一步地，所述的环形加热装置的作用是保证甬道体的温度在25～30℃。
进一步地，所述的吸液装置2的流速(纺丝液的流速)为18～22L/min。
进一步地，所述的上侧环形吹风装置6的风速为0.3～0.7m/s，风力为1级；高度为40～60mm。
进一步地，所述的侧面环形吹风装置9的风速为0.3～0.5m/s，风力为1级；高度为50～70mm。
进一步地，所述的喷丝板组件5的中心热空气的流速为0.7～1.0m/s。
所述的工业级氧化铝连续纤维千孔纺丝甬道及集束装置的作用原理：
吸液装置2将给液装置1中的氧化铝纺丝液吸入喷丝板组件5，通过压力监测计3、液体流速检测器4控制纺丝液流入喷丝板组件5的速度；之后纺丝液经过喷丝板组件5引出纤维，纤维进入甬道体8内，上侧环形吹风装置6、侧面环形吹风装置9、环形加热装置10对甬道体8内进行吹风、加热，喷丝板组件5的中心流出热气体，使得湿度检测点7检测到的甬道体8内的湿度控制在70％～75％，温度控制在25℃～30℃；在这样的环境下，分散的纤维按照特定的路径引出甬道体8，之后在上油装置11进行上油，解决纤维的粘丝问题；然后将纤维引入加捻装置13中加捻成纤维束，增加纤维之间的抱合性；之后在送风装置14以及牵伸装置17中吹丝牵伸，同时进气口15进气，使气流均匀作用于丝束，减少丝束之间的相互缠结，同时提高生产效率，达到工业化氧化铝纤维的生产。
实施例2
一种氧化铝纤维的纺丝方法，所述的方法是采用实施例1所述的工业级氧化铝连续纤维千孔纺丝甬道及集束装置。
其中，所述的甬道体8的长度为8m；所述的甬道体8的湿度控制在75％，温度为25℃；所述的吸液装置2的流速(纺丝液的流速)为20L/min；所述的上侧环形吹风装置6的风速为0.4m/s，风力为1级；高度为50mm；所述的侧面环形吹风装置9的风速为0.4m/s，风力为1级；高度为60mm；所述的喷丝板组件5的中心热空气的流速为0.8m/s。
将得到的纤维之后进行烧结，烧结工艺为在空气气氛下对纤维进行分阶段烧结。第1阶段为低速低温烧结：以较低的升温速率(10℃/min)将纤维缓慢加热至700℃，保温30min；随后进行第2阶段快速高温烧结：以较高的升温速率(60/min)将纤维从700℃加热至指定温度1100℃，保温一段时间后取出，空气冷却，得到具有一定微观结构的氧化铝纤维。
将得到的纤维进行性能测试，测试30组取平均值，测试结果为：纤维细度为0.9dtex，纤维直径为5.26μm。同时采用XQ-1C型高强高模纤维强伸度仪测定纤维的强伸性(按照国家标准《GB/T 14344-2008化学纤维长丝拉伸性能试验方法》，夹持距离为500mm，拉伸速度为500mm/min，预加张力为0.05cN/dtex)，测试结果：断裂强度为2.89GPa。
对照例1
调整喷丝板组件5中间为实心，其他和实施例2保持一致，得到氧化铝纤维。
测试结果发现：纺丝过程中纤维粘连，断头严重。
对照例2
调整纺丝甬道体8的长度为5m，其他和实施例2保持一致，得到氧化铝纤维。
测试结果发现：纺丝过程中纤维粘连，出现滴液现象，纤维质量较差。
对照例3
调整加捻和上油的顺序，先加捻后上油，其他和实施例2保持一致，得到氧化铝纤维。
测试结果发现：纺丝过程中纤维粘连，断头严重。
对照例4
调整牵伸和加捻的顺序，先牵伸再加捻，其他和实例2保持一致，得到氧化铝纤维。
测试结果发现：在后续烧结工艺中纤维易脱散，导致纤维之间抱合性差。
对照例5
调整纺丝液的流速为30L/min，其他和实施例2保持一致，得到氧化铝纤维。
测试结果发现：纺丝过程中纤维粘连严重。
对照例6
调整纺丝液的流速为10L/min，其他和实施例2保持一致，得到氧化铝纤维。
测试结果发现：纺丝过程中纤维断头严重。
对照例7
调整上侧环形吹风装置6的风速为2m/s或0.1m/s，其他和实施例2保持一致，得到氧化铝纤维。
测试结果发现：纺丝过程中纤维无法按照路径纺丝，导致纤维之间粘连严重。
对照例8
调整侧面环形吹风装置9的风速为2m/s或0.1m/s，其他和实施例2保持一致，得到氧化铝纤维。
测试结果发现：纺丝过程中纤维无法按照路径纺丝，导致纤维之间粘连严重。
对照例9
调整纺丝组件5中部的直径仅为纺丝组件的1/6，其他和实施例2保持一致，得到氧化铝纤维。
测试结果发现：热空气无法及时排出，导致甬道体内热空气过多，纤维之间粘连严重。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的技术和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
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