[发明专利]一种聚丙烯腈基碳纤维原丝高压水蒸汽牵伸装置

说明书

技术领域

本发明专利涉及聚丙烯腈基碳纤维原丝制备技术领域，具体涉及一种聚丙烯腈基碳纤维原丝的高压水蒸汽牵伸装置。

背景技术

碳纤维具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温和耐腐蚀等众多优异性能，已在航空航天、国防军工以及民用工业的众多领域得到广泛应用。按原料路线，碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基三大类型。其中，PAN基碳纤维因其生产工艺简单、生产成本较低和力学性能优良的特点，已成为发展最快、产量最高、品种最多以及应用最广的一种碳纤维。

众所周知，高性能PAN原丝是制备高性能PAN基碳纤维的前提。高性能PAN原丝应具有直径细且均匀、取向度高、强度高、毛丝少和缺陷少等特点。在实际生产中，为了减小PAN原丝的直径，提高其取向度和强度，通常采用高压水蒸气牵伸机对PAN原丝进行高倍拉伸。高压水蒸气牵伸机主要包括蒸汽牵伸室，PAN原丝在蒸汽牵伸室中经过高压水蒸汽牵伸，使其直径大幅减小，取向度和强度显著提高。高压水蒸气牵伸机是生产高性能PAN原丝必不可少的关键设备。其对PAN原丝的性能、质量和生产成本都影响很大。

但是，利用高压水蒸气牵伸机对PAN原丝进行牵伸时，蒸汽牵伸室内部的高压蒸汽易从丝束的入口与出口大量泄露到牵伸室外部，引起牵伸室内部的压力、温度、湿度等不稳定，导致丝束上产生绒毛或断丝等。另外，高压水蒸气的泄露还增大了能量成本。

为了抑制高压水蒸气从蒸汽牵伸室内部向外泄露，目前采用的方法是：沿丝束运行方向，在蒸汽牵伸室的前后两端，即丝束的入口端与出口端，设置迷宫式密封室，简称迷宫密封室；迷宫密封室内平行排列着多级板片，构成迷宫板，各级板片之间存在空隙，并且各级板片的长度方向与纤维丝束的运行方向垂直。高压蒸汽进入迷宫式密封室，通过迷宫式板片间的各空隙时消耗能量，从而大大降低了高压蒸汽的漏出量。

根据纤维丝束运行孔道的形状，可以将高压水蒸气牵伸机分为两种类型。一种是圆形孔道的管式高压水蒸气牵伸机，另一种是方形孔道的狭缝式高压水蒸气牵伸机。如中国专利ZL200920234462.4公开了一种管式高压水蒸气牵伸机，日本专利JP2001140161公开了一种狭缝式高压水蒸气牵伸机。

管式高压水蒸气牵伸机的每条孔道只运行一束纤维，因而可以避免丝束之间发生缠结和相互干扰。当一束纤维出现问题时，可以单独停车处理，不影响其它丝束继续生产。但其无法满足规模化工业生产中对多丝束(十束以上甚至几十束)PAN原丝同时进行蒸气牵伸的要求。而且，受其管式结构的限制，不易打开和拆卸。一旦在蒸气密封室出现毛丝积累和断丝，清理毛丝和重新引丝都很难操作。除此之外，其圆形的丝束出入口要求丝束必须收窄幅宽，或者卷边，因而影响PAN原丝的牵伸效果。

狭缝式高压水蒸气牵伸机可以在同一方形孔道内同时运行多束PAN原丝，生产效率高。而且，其一般采用上下分离的双层结构，在需要清理毛丝和重新引丝的时候，可直接打开箱体进行操作，非常便捷。而且，丝束可以保持扁平状态，不会发生卷边，牵伸效果较好。但是，当一束纤维出现问题时，只有整体停车才能进行处理，因而影响其它丝束的正常生产。更为严重的是，同时运行的多个丝束相互之间容易发生缠结和相互干扰。

为了克服丝束之间发生缠结和相互干扰的缺点，中国专利CN201280012293.4公开了一种改进的狭缝式高压水蒸气牵伸机。其在相邻丝束间沿丝束排列方向设置了多个与丝束平行的金属分隔板，将整个运行孔道分割成若干个孔道，每个孔道只运行一束纤维，因而避免了丝束之间发生缠结和相互干扰。

但是，受与丝束运行方向平行的金属分隔板的长度的影响，该高压水蒸汽牵伸机的迷宫密封部的级数受到限制。为了抑制蒸汽泄漏量，只能尽量减小纤维丝束运行孔道的高度。但是，在高压水蒸气牵伸过程中，由于受到高压水蒸气的冲击，丝束不可避免地会发生微小的颤动，降低丝束运行孔道的高度易导致丝束与出入口和迷宫密封喷嘴发生摩擦，产生毛丝。而一旦产生毛丝，毛丝易与金属分隔板发生更大地摩擦，进而导致毛丝积累和发生断丝。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述现有聚丙烯腈基碳纤维原丝高压水蒸气牵伸机的不足，提供一种新型的聚丙烯腈基碳纤维原丝高压水蒸气牵伸装置，利用该装置能够实现同时对多丝束聚丙烯腈原丝进行高倍牵伸，并且毛丝产生少、牵伸效果好、蒸汽泄露量小，有助于提高聚丙烯腈原丝的性能和质量，并降低生产成本。