用于湿法纺丝的凝固浴槽及聚丙烯腈纺丝原液凝固成型方法

摘要

本发明涉及一种用于湿法纺丝的凝固浴槽及聚丙烯腈纺丝原液凝固成型方法，主要解决现有技术中存在的凝固浴内导向辊缠丝和溢流槽内断丝多的问题。通过采用一种用于湿法纺丝的凝固浴槽，包括：包括鹅颈管、整流板、喷丝头、整流罩A、导向辊、整流罩B、溢流板和主体槽体；其中，所述整流板在主体槽体内左侧设置；溢流板在主体槽体内右侧设置；所述鹅颈管设置在主体槽体左端，所述鹅颈管连接有喷丝头的一端位于整流板的右侧，喷丝头上罩有设置走丝通道的整流罩A；整流罩B在主体槽体右侧，可部分处于凝固液面上方，整流罩B中设有走丝通道的技术方案，较好地解决了该问题，可用于聚丙烯腈基碳纤维原丝的湿法纺丝生产中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于生产碳纤维用聚丙烯腈原丝的湿法纺丝设备，具体来说是一种实现凝固工艺的凝固浴槽，特别是一种用于湿法纺丝的凝固浴槽及聚丙烯腈纺丝原液凝固成型方法。

背景技术

PAN基碳纤维是一种人工合成的无机纤维。它是由丙烯腈和共聚单体，经过聚合、纺丝、预氧化和碳化等一系列工艺处理后得到的纤维状聚合物。纺丝过程中PAN分子主要发生物理变化，形成白色的纤维状原丝，预氧化过程中，PAN原丝逐渐演变成某种耐热的含氧结构，经碳化后，得到含碳量极高的碳纤维。由于碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温和耐化学腐蚀等性能，因此它的应用领域及其广泛。

优质PAN原丝是制造高性能碳纤维的首要必备条件，也是影响碳纤维质量最关键的因素之一。生产优质PAN原丝对纺丝设备和工艺提出了很高的要求，尤其是对工艺参数的要求尤其严苛。纺丝过程中，凝固过程是纤维结构形成的一个重要过程，不同凝固条件下生成的初生纤维的结构是不同的。PAN溶液湿法纺丝凝固成型过程是纤维内部微孔产生的关键步骤，因此，纺丝凝固条件对碳纤维性能起着决定性的影响。除微孔外，在纺丝过程中的不合理的凝固工艺也是导致初生纤维不均匀的关键因素之一。湿法纺丝的凝固工艺参数包括凝固浴温度、浓度和负牵伸等。

传统湿法纺丝生产PAN原丝的过程中，所用的凝固浴槽主要由主体槽体、分配板和溢流板组成。当凝固工艺不合理时，造成刚成形的初生纤维在凝固液流动场的扰动作用下发生断丝；刚成形的初生纤维，在凝固浴内受到张力的拉伸作用，也容易发生断丝；凝固纤维离开凝固浴后，从液体环境进入空气氛围，温度差和张力的共同作用，也容易使凝固丝条发生断丝。这些不同的诱因，引起凝固丝条被部分拉断或者完全拉断。部分拉断的丝条缠绕在导向辊上，完全拉断的丝条随着凝固液的流动，被带到凝固液的溢流口，致使凝固浴的溢流口内，经过一定时间的积累后，就收集到很多的断丝。断丝是初生纤维的重要缺陷，由此遗传下去，造成原丝毛丝增多，断头率变高，CV值变大。

一种用于湿法纺丝的凝固浴槽，引入了整流罩，降低了流动场和温度差对断丝产生的影响；增加了导向辊在高度方向上的调节和主、被动的动力调节，克服了张力场对断丝产生的影响；消除了凝固浴内导向辊缠丝和溢流槽内断丝多的现象。

专利CN201410430911.8介绍了一种湿法纺丝凝固浴槽，本发明涉及合成纤维湿法纺丝凝固成形设备，特备涉及一种聚丙烯腈(PAN)基碳纤维原丝的湿法纺丝凝固浴槽，按丝束行走方向包括浴液入口缓冲区、甬道区、浴液出口汇集区三部分，其特征是：甬道区各甬道为两侧立面、底部半圆扫略面斜槽，中段变径区采用流线型缩径方式，后段稳流区半圆扫略地面沿丝束行进方向呈一定的倾斜坡度，本发明的有益效果是可有效减小浴液上下层浓度差，实现丝束各部分均匀一致成形，减小丝束单丝间离散。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是现有技术中存在的凝固浴内导向辊缠丝和溢流槽内断丝多的问题。提供了一种用于湿法纺丝的凝固浴槽，该凝固浴槽具有引入了整流罩，降低了流动场和温度差对断丝产生的影响；增加了导向辊在高度方向上的调节和主、被动的动力调节，克服了张力场对断丝产生的影响；消除了凝固浴内导向辊缠丝和溢流槽内断丝多的现象。

本发明所要解决的技术问题之二是提供一种聚丙烯腈纺丝原液凝固成型方法，采用上述解决技术问题之一所述的用于湿法纺丝的凝固浴槽。

本发明所要解决的技术问题之三是提供一种聚丙烯腈原丝制备方法，采用上述解决技术问题之一所述的用于湿法纺丝的凝固浴槽进行凝固成型。

为解决上述技术问题之一，本发明所采用的技术方案如下：一种用于湿法纺丝的凝固浴槽，包括鹅颈管3、整流板4、喷丝头5、整流罩A 6、导向辊7、整流罩B 8、溢流板9 和主体槽体11；其中，所述整流板4在主体槽体11内左侧设置；溢流板9在主体槽体11 内右侧设置；所述鹅颈管3设置在主体槽体左端，所述鹅颈管连接有喷丝头5的一端位于整流板4的右侧，喷丝头上罩有设置走丝通道的整流罩A 6；整流罩B 8在主体槽体11右侧，可部分处于凝固液面上方，整流罩B中设有走丝通道，导向辊7用于引导走丝进入整流罩B内的走丝通道或引导进入整流罩B内的走丝离开整流罩B。

上述技术方案中，所述“左侧”、“右侧”是基于本发明附图1、图2所示的描述，或沿走丝方向为由左向右而言，不应理解为对本发明的绝对限定。

上述技术方案中，所述的整流罩A 6优选为轴对称结构，一端与连接喷丝头的鹅颈管 3或喷丝头密闭连接，另一端敞开供出丝用；进一步优选：所述整流罩A 6的断面形状和喷丝头的断面相同，对称轴和出丝方向平行。

上述技术方案中，所述的整流罩A 6四周的壁面上优选开有小孔，供液体扩散。

上述技术方案中，所述鹅颈管可以悬挂固定或支撑固定，进一步优选：所述凝固浴槽还优选包括旋转轴1、螺栓2；鹅颈管3由旋转轴1活动固定，由设置于主体槽体上的螺栓2支撑。

上述技术方案中，所述的鹅颈管3绕旋转轴1在竖直平面内的旋转角度优选小于180°；进一步优选为0～120°，更优选为大于0°。

上述技术方案中，所述的鹅颈管3的高度优选可由螺栓2调节，鹅颈管3的高度主要是调整喷丝头4的高度和喷丝的方向。

上述技术方案中，所述的喷丝头4的出丝方向与水平方向的夹角优选通过螺栓2和旋转轴1在0～10°范围内调整，进一步优选为0～5°范围内，更进一步优选大于0°。

上述技术方案中，所述的用于湿法纺丝的凝固浴槽还优选可以包括卷曲辊10，用于引导走丝进入下步工序。

上述技术方案中，所述的导向辊7的高度优选可调整，使导向辊7可以完全位于凝固液面以下或部分位于凝固液面以上或完全位于凝固液面以上；进一步优选：所述的导向辊 7完全位于凝固液面以下或者部分位于凝固液面以上时，导向辊7为被动辊；所述导向辊7完全位于凝固液面以上时，导向辊7为主动辊，且导向辊7表面的线速度与卷曲辊表面的线速度相同；更优选为：所述的导向辊7的下沿和喷丝头中心的连线所在的平面和喷丝头的表面垂直。

上述技术方案中，所述的整流罩B 8优选为中空圆柱形，两端敞开供走丝用，整流罩的轴向线与走丝的方向平行。

本发明通过上述特殊设计的凝固浴槽，该凝固浴槽具有引入了整流罩，降低了流动场和温度差对断丝产生的影响；增加了导向辊在高度方向上的调节和主、被动的动力调节，克服了张力场对断丝产生的影响；消除了凝固浴内导向辊缠丝和溢流槽内断丝多的现象。

为了解决上述技术问题之二，本发明采用的技术方案为：一种聚丙烯腈纺丝原液凝固成型方法，采用上述解决技术问题之一所述技术方案中任一所述的用于湿法纺丝的凝固浴槽，聚丙烯腈纺丝原液由喷丝头喷出，经整流罩A的走丝通道进入凝固浴，再经整流罩B内的走丝通道后，由卷曲辊导向后续工序。

上述技术方案中，所述凝固成型方法对工艺条件和纺丝原液并无特殊限定，本领域技术人员可根据湿法纺丝工艺加以利用，例如但不限定所述聚丙烯腈纺丝原液中聚丙烯腈的分子量优选为7万到15万，纺丝原液粘度优选为40Pa·s到120Pa·s。

为了解决上述技术问题之三，本发明采用的技术方案为：一种聚丙烯腈原丝制备方法，包括采用上述解决技术问题之一所述技术方案中任一所述的用于湿法纺丝的凝固浴槽将聚丙烯腈纺丝原液进行凝固成型的步骤。

上述技术方案中，所述聚丙烯腈原丝制备方法并无特殊限定，本领域技术人员可根据湿法纺丝工艺加以利用，例如但不限定所述凝固成型步骤中聚丙烯腈纺丝原液中聚丙烯腈的分子量优选为7万到15万，纺丝原液粘度优选为40Pa·s到120Pa·s。

采用本发明的技术方案，用于生产碳纤维用聚丙烯腈原丝的湿法纺丝过程中，可以保证降低了流动场和温度差对断丝产生的影响，克服了张力场对断丝产生的影响；消除了凝固浴内导向辊缠丝和溢流槽内断丝多的现象，取得了较好的技术效果。

附图说明

图1的本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图(喷丝头上扬5°)；

图3为本发明所采用的比较例的结构示意图；

图1中，1为旋转轴；2为螺栓；3为鹅颈管；4为整流板；5为喷丝头；6为整流罩 A；7为导向辊；8为整流罩B；9为溢流板；10为卷曲辊；11为主体槽体。

下面通过具体实施例进一步说明。

具体实施方式

【实施例1】

凝固浴槽：使用并调节螺栓，在二维平面内，使喷丝头的出丝方向与水平方向的夹角为3°；初生纤维在水平方向上上扬3°，调节导向辊的高度，使其部分浸入凝固液中；使凝固浴槽内初生纤维在水平方向上上扬3°；在二维平面内使导向辊的下沿和喷丝头中心的连线，始终和喷丝头的表面保持垂直，导向辊为被动辊，且使用整流罩A和整流罩B，纺丝24小时后，导向辊和卷曲辊上面无缠丝，凝固浴溢流槽内收集掉落的纤维，经除溶剂并烘干后，掉丝的质量为0.2677g。

【实施例2】

凝固浴槽：使用并调节螺栓，在二维平面内，使喷丝头的出丝方向与水平方向的夹角为5°；初生纤维在水平方向上上扬5°，调节导向辊的高度，使其完全位于凝固液的液面上方；使凝固浴槽内初生纤维在水平方向上上扬5°；在二维平面内使导向辊的下沿和喷丝头中心的连线，始终和喷丝头的表面保持垂直，导向辊为主动辊，导向辊表面的线速度与卷曲辊表面相同，且使用整流罩A和整流罩B，纺丝24小时后，导向辊和卷曲辊上面无缠丝，凝固浴溢流槽内收集掉落的纤维，经除溶剂并烘干后，掉丝的质量为0.1557g。

【实施例3】

凝固浴槽：使用并调节螺栓，在二维平面内，使喷丝头的出丝方向与水平方向的夹角为0°；初生纤维的方向保持水平，调节导向辊的高度，使其完全浸入凝固液中；使凝固浴槽内初生纤维的方向水平；在二维平面内使导向辊的下沿和喷丝头中心的连线，始终和喷丝头的表面保持垂直，导向辊为被动辊，且使用整流罩A和整流罩B，纺丝24小时后，导向辊和卷曲辊上面无缠丝，凝固浴溢流槽内收集掉落的纤维，经除溶剂并烘干后，掉丝的质量为0.3112g。

【实施例4】

凝固浴槽：使用并调节螺栓，在二维平面内，使喷丝头的出丝方向与水平方向的夹角为4°；初生纤维在水平方向上上扬4°，调节导向辊的高度，使其完全位于凝固液的上方；使凝固浴槽内初生纤维在水平方向上上扬4°；在二维平面内使导向辊的下沿和喷丝头中心的连线，始终和喷丝头的表面保持垂直，导向辊为主动辊，导向辊表面的线速度与卷曲辊表面相同，且使用整流罩A和整流罩B，纺丝24小时后，导向辊和卷曲辊上面无缠丝，凝固浴溢流槽内收集掉落的纤维，经除溶剂并烘干后，掉丝的质量为0.1733g。

【实施例5】

凝固浴槽：使用并调节螺栓，在二维平面内，使喷丝头的出丝方向与水平方向的夹角为1°；初生纤维在水平方向上上扬1°，调节导向辊的高度，使其完全位于凝固液中；使凝固浴槽内初生纤维在水平方向上上扬1°；在二维平面内使导向辊的下沿和喷丝头中心的连线，始终和喷丝头的表面保持垂直，导向辊为被动辊，且使用整流罩A和整流罩B，纺丝24小时后，导向辊和卷曲辊上面无缠丝，凝固浴溢流槽内收集掉落的纤维，经除溶剂并烘干后，掉丝的质量为0.1254g。

【实施例6】

凝固浴槽：使用并调节螺栓，在二维平面内，使喷丝头的出丝方向与水平方向的夹角为2°；初生纤维在水平方向上上扬2°，调节导向辊的高度，使其部分浸入凝固液中；使凝固浴槽内初生纤维在水平方向上上扬2°；在二维平面内使导向辊的下沿和喷丝头中心的连线，始终和喷丝头的表面保持垂直，导向辊为被动辊，且使用整流罩A和整流罩B，纺丝24小时后，导向辊和卷曲辊上面无缠丝，凝固浴溢流槽内收集掉落的纤维，经除溶剂并烘干后，掉丝的质量为0.4225g。

【比较例1】

凝固浴槽：凝固浴槽的结构示意图如图3，不使用调节螺栓2，调节导向辊的高度，使其部分浸入凝固液中；使凝固浴槽内初生纤维的的方向在水平方向上上扬3°；导向辊为被动辊，且不使用整流罩A和整流罩B，纺丝24小时后，导向辊和卷曲辊上面有大量的纤维缠辊，凝固浴溢流槽内收集掉落的纤维，经除溶剂并烘干后，掉丝的质量为3.3578g。

由比较例1和实施例1可以看出，采用本发明的凝固浴槽后，可以保证降低了流动场和温度差对断丝产生的影响，克服了张力场对断丝产生的影响，消除了凝固浴内导丝辊缠丝和溢流槽内断丝多的现象。