[发明专利]一种纺丝液连续凝固装置及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纺丝凝固技术，具体讲涉及一种纺丝液连续凝固装置及其控制方法。

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各个领域得到广泛应用。按原料分类，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。

目前PAN原丝纺丝工艺主要包括湿法和干湿法两种，其中采用二甲基亚砜(DMSO)为溶剂的湿法成型工艺纤维纤度变化小、纤维上残留的溶剂少、容易控制原丝质量，是目前广泛应用的纺丝工艺。

PAN原丝的径向结构即皮芯结构的差异是决定最终碳纤维性能关键性因素；这是因为预氧纤维的皮芯结构对原丝的皮芯结构有一定的继承和延续性，而在后续的预氧化及碳化过程中，皮芯结构的存在使纤维径向的化学反应发生明显差异，由于芯部存在大量未反应的聚合物分子，导致碳纤维反应不充分、受力不匀及结构不规整等，影响了碳纤维的最终性能。同时在原丝制备过程中，皮芯结构形成于凝固过程，其中，丝条在凝固浴槽内部的凝固成形条件是聚丙烯腈湿法纺丝过程中最基本、最关键的工艺控制环节，包括浴液流动的稳定性和浴液浓度稳定，且影响凝固过程的重要因素还有温度以及凝固工艺的设计。目前湿法纺丝中，PAN纺丝凝固浴采用多级凝固，一般为三级，凝固浴槽可分为3段，包括喷丝头段、凝固浴槽中段和浴槽后段，各段凝固浴槽独立控温控浓，凝固浴之间用导辊连接，即聚合物溶液在经过凝固浴时分别进了三个不同的凝固浴阶段才能好凝固得到初生纤维，但是多段凝固效率较低，因多段凝固通常在一级凝固段中，纤维已形成一定皮层，进入第二级凝固段，较大的浓度差会导致纤维皮层变厚，阻止凝固过程的进行，在第三级凝固段中进行双扩散程度微小；故该多段凝固浴之间浓度差别较大，且各单段凝固浴浓度单一，形成皮层后凝固效果随时间延长严重变差，导致纤维形成均匀性差的皮芯结构，并同时增加了时间成本且装置复杂不易操作。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术多级段凝固效果差、初生纤维径向结构差异较大、成本高及生产工艺复杂等方面问题，提出一种纺丝液连续凝固装置及其控制方法，其结构简单，便于操作，并且能够工业化应用，本发明采用一级凝固，通过改变凝固浴槽构造以及凝固浴溶液进出物料的方式来调节凝固浴中溶液的浓度分布，调控纤维双扩散进程，通过缓慢凝固得到结构均一致密的初生纤维。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种纺丝液连续凝固装置，包括横向设置的凝固浴槽，设置于凝固浴槽内的喷丝板、导丝轮、进出料口、进出水口及控温水管，所述连续凝固装置整体为一级凝固，且在凝固浴槽内部设置有多个磁力搅拌器；所述一级凝固浴槽的上下两侧均设置有保温夹套，在所述上侧保温夹套的中间且连通于所述凝固浴槽处设置有出料口，在所述下侧保温夹套两端且连通于所述凝固浴槽处设置有进料口；所述进料口包括高浓度进料口和低浓度进料口；所述下侧保温夹套两端且连通于所述凝固浴槽处还设置有夹套进出水口，所述喷丝板和导丝轮分别设置于凝固浴槽的左右两端；所述控温水管包括多个，且依次垂直设置在所述凝固浴槽内。

进一步的，一种纺丝液连续凝固控制方法，所述控制方法的步骤包括：首先，准备阶段，同时打开高、低浓度进料口流入不同浓度的凝固浴溶液且流量相同，直至物料灌满凝固浴槽体积的4/5时关闭两进料口，同时利用磁力搅拌器使凝固浴槽内浓度达到平均浓度即C＝(C₁+C₂)/2；接着，纺丝阶段，同时打开进、出料口，且设置出料口物料流量为高、低浓度进料口物料流量之和。

进一步的，凝固过程采用一级凝固，通过在凝固浴槽两端分别补加不同浓度凝固浴溶液C₁、C₂，且在浓度和温度差的共同作用下，凝固浴溶液中的沉淀剂、良溶剂发生扩散，扩散速率V只与浓度差、温度差及溶剂本身有关，并使凝固浴浓度沿水平方向上呈现出梯度分布即C₁>Cx>C₂，其中，所述的凝固浴溶液之间扩散速率的计算公式如下：

V＝A·ΔCⁿ·T^m

式中，A、n及m为自然常数，ΔC为通入凝固浴槽的不同凝固浴溶液的浓度差。