一种碳纤维原丝水洗装置及水洗方法与流程

本发明属于碳纤维水洗技术领域，具体涉及一种碳纤维原丝水洗装置及水洗方法。

背景技术：

碳纤维由于具有轻质、高强、高模量及在非氧化气氛下耐高温等功能特点，是发展航空航天及军事工业等尖端技术必不可少的新型材料。实践证明，制备高性能聚丙烯腈基碳纤维的关键在于聚丙腈原丝的质量，而碳纤维原丝水洗段是影响碳纤维原丝质量的重要环节，水洗效果的好坏直接影响着碳纤维强度的高低。

碳纤维原丝如果残留的溶剂较多，会出现以下一些弊端：导致纤维的单丝之间局部并丝，使整体丝束发僵硬、手感性差；在预氧化加热条件下，溶剂的塑化作用使预氧化单丝之间发生融并，影响预氧丝的质量；原丝、预氧丝的局部并丝将直接影响碳纤维的质量；影响丝条的截面形状，因此必须要将残留在丝条中的溶剂尽量洗掉。

聚丙烯腈碳纤维原丝水洗方式多采用浸洗、浸洗加顺流、浸洗加逆流、浸洗加喷淋，属于一维或二维水洗方式，水洗方向比较单一，原丝洗净度较低。

目前聚丙烯腈基碳纤维原丝的水洗装置，通常都是由水洗槽、引丝辊、驱动端组成，水洗槽采用垂直叠加或者水平串联的方式彼此连接；水洗槽采用水平串联，整个水洗的长度较长，不利于较小空间操作，且存在洗涤水耗量大的缺点；水洗槽采用垂直叠加要使洗涤水到达最上层的水洗槽，外接循环泵的扬程和功率必须增大，增加了动力消耗。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种碳纤维原丝水洗装置。该装置采用三个以上水洗槽，各水洗槽内设有独立温控系统，并且碳纤维原丝运动方向与洗涤水流动方向相反，能够实现逆流洗涤，存在耗能低、厂房要求低，温度控制精度准确，溶剂残留量小等显著技术优势，清洗效果优异。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种碳纤维原丝水洗装置，其特征在于，包括水洗机构和传动机构，所述水洗机构包括水洗槽，所述水洗槽的数量为至少三个，至少三个所述水洗槽在其高度方向上从上到下等距设置，各个所述水洗槽均为上部开口的槽形结构，且槽腔内均设置有独立温控系统，各个所述水洗槽的底部均设置有出水口，相邻两个水洗槽中上级水洗槽的出水口与下级水洗槽的出水口呈异侧设置，相邻两个水洗槽中上级水洗槽的出水口与下级水洗槽的槽腔相对应；所述传动机构包括用于对碳纤维原丝进行牵引的多个传动辊和用于驱动多个所述传动辊的电机，碳纤维原丝在传动机构的传动下自下而上运动，并在运动的过程中依次经各个水洗槽进行水洗，碳纤维原丝在各个水洗槽中的运动方向与洗涤水流动方向相反。

上述的一种碳纤维原丝水洗装置，其特征在于，所述水洗槽的数量为3～5个，3～5个所述水洗槽在其高度方向上从上到下排序后分为奇数级水洗槽和偶数级水洗槽，所述奇数级水洗槽底部的左侧开设有左出水口，所述奇数级水洗槽内且位于左出水口的右侧竖直设置有左溢流挡板，所述左溢流挡板的高度低于奇数级水洗槽的槽腔深度，所述奇数级水洗槽内且位于左出水口的上方水平设置有左滤网；所述偶数级水洗槽底部的右侧开设有右出水口，所述偶数级水洗槽内且位于右出水口的左侧竖直设置有右溢流挡板，所述右溢流挡板的高度低于偶数级水洗槽的槽腔深度，所述偶数级水洗槽内且位于右出水口的上方水平设置有右滤网。

上述的一种碳纤维原丝水洗装置，其特征在于，所述水洗槽的数量为3个，3个所述水洗槽在其高度方向上从上而下分别为：一级水洗槽、二级水洗槽和三级水洗槽，其中一级水洗槽和三级水洗槽为奇数级水洗槽，二级水洗槽为偶数级水洗槽。

上述的一种碳纤维原丝水洗装置，其特征在于，所述传动机构包括第一传动机构和第二传动机构，所述第一传动机构包括第一电机以及受第一电机驱动的第一传动辊、第二传动辊、第三传动辊、第四传动辊、第五传动辊和第六传动辊；所述第二传动机构包括第二电机以及受第二电机驱动的第七传动辊、第八传动辊、第九传动辊、第十传动辊、第十一传动辊和第十二传动辊；所述第七传动辊的下端与第一传动辊的下端分别位于三级水洗槽槽腔内的左右两侧，所述第九传动辊与第三传动辊分别位于二级水洗槽槽腔内的左右两侧，所述第十一传动辊与第五传动辊分别位于一级水洗槽槽腔内的左右两侧。

上述的一种碳纤维原丝水洗装置，其特征在于，所述第一电机通过传动带与第一传动辊连接，所述第一传动辊通过传动带与第二传动辊连接，所述第二传动辊通过传动带与第一换向带轮连接，所述第一换向带轮通过传动带与第四传动辊以及第一介轮连接且该传动带上设置有第三传动辊，所述第四传动辊通过传动带与第五传动辊连接，所述第五传动辊位于连接第二介轮、第三介轮与第六传动辊的传动带上；所述第二电机通过传动带与第四介轮以及第八传动辊连接且该传动带上设置有第七传动辊，所述第八传动辊通过传动带与第九传动辊连接，所述第九传动辊通过传动带与第十传动辊连接，所述第十传动辊通过传动带与第二转向带轮连接，所述第二转向带轮通过传动带与第十二传动辊以及第五介轮连接且该传动带上设置有第十一传动辊。

上述的一种碳纤维原丝水洗装置，其特征在于，所述水洗机构和传动机构均安装在水洗机架中，所述水洗机架安装在基座上。

上述的一种碳纤维原丝水洗装置，其特征在于，至少三个所述水洗槽中，位于最底部的水洗槽的槽腔底部设置有超声波振荡器。

上述的一种碳纤维原丝水洗装置，其特征在于，所述独立温控系统包括电加热管和温控传感器，所述电加热管和温控传感器均与控制器相接。

上述的一种碳纤维原丝水洗装置，其特征在于，各个所述水洗槽内且位于电加热管的上方均设置有多孔均热板。

另外，本发明还提供了一种利用上述装置对碳纤维原丝进行水洗的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将碳纤维原丝安装在所述水洗装置的传动辊上；

步骤二、向最顶部的水洗槽的槽腔内持续通入洗涤水，洗涤水通过设置在各个水洗槽上的出水口从上往下流动，直至各个水洗槽中均注有流动态的洗涤水；

步骤三、开启电机，使各传动辊在电机的驱动下带动碳纤维原丝自下而上运动，并在运动的过程中依次经各个水洗槽进行水洗，碳纤维原丝在各个水洗槽中的运动方向与洗涤水流动方向相反，直至碳纤维原丝经过最顶部的水洗槽水洗完毕，实现碳纤维原丝的连续清洗后关闭电机，得到水洗后的碳纤维原丝。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用多个(指三个以上)水洗槽，多个水洗槽在高度方向排成一列，且各出水口之间呈异侧设置，从而实现多个水洗槽的“之”字形串联方式，节约了空间，相邻两个水洗槽之间有等距高度差，洗涤水自上而下流动，不需要外力的驱动，节约了能源。

2、本发明各水洗槽内均设置有独立温控系统，能够实现各水洗槽槽腔的温度控制精度高(偏差±0.5℃或更小)，有利于原丝内部溶剂的扩散，实现高效水洗。

3、本发明将超声震荡器置于最底部的水洗槽中，使得水洗槽内的洗涤水发生波纹式的抖动，有利于丝束内残留物迅速溢出，使碳纤维原丝洗涤的更干净。

4、本发明在各水洗槽中设置溢流挡板，并通过“之”字形串联的连接方式，使上一级水洗槽内的洗涤水通过溢流挡板流溢流至下一级水洗槽，并通过补水管不断补充干净的洗涤水，不断更新洗涤水，且上一级的洗涤水比下一级的洗涤水的溶剂含量低，洗涤水入口处即原丝出口，此处保证了碳纤维原丝中溶剂含量最低。

5、本发明水洗装置既避免了水洗槽叠加式连接导致的外接泵功率大、各级洗涤水无浓度差的缺点、水洗效果差，同时也避免了洗涤水耗量大的缺点；其采用三个以上水洗槽的“之”字形串联方式，在各水洗槽内设有独立温控系统，使碳纤维原丝运动方向与洗涤水流动方向相反，能够实现逆流洗涤，存在耗能低、厂房要求低、温度控制精度准确、溶剂残留量小等显著技术优势，清洗效果优异。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明水洗装置的结构示意图。

图2为本发明传动机构的传动示意图。

图3为本发明奇数级水洗槽的结构示意图。

图4为本发明偶数级水洗槽的结构示意图。

附图标记说明:

1—基座； 2—水洗机架； 3—水洗槽；

3-11—左出水口； 3-12—右出水口； 3-21—左溢流挡板；

3-22—右溢流挡板； 3-31—左滤网； 3-32—右滤网；

4—碳纤维原丝； 5-1—第一电机； 5-2—第二电机；

6-1—第一传动辊； 6-2—第二传动辊； 6-3—第三传动辊；

6-4—第四传动辊； 6-5—第五传动辊； 6-6—第六传动辊；

6-7—第七传动辊； 6-8—第八传动辊； 6-9—第九传动辊；

6-10—第十传动辊； 6-11—第十一传动辊； 6-12—第十二传动辊；

7-1—第一介轮； 7-2—第二介轮； 7-3第三—介轮；

7-4—第四介轮； 7-5—第五介轮； 8-1—第一换向带轮；

8-2—第二换向带轮。

具体实施方式

本发明碳纤维原丝水洗装置通过实施例1进行描述。

实施例1

如图1所示的一种碳纤维原丝水洗装置，包括水洗机构和传动机构，所述水洗机构包括水洗槽3，所述水洗槽3的数量为至少三个，至少三个所述水洗槽3在其高度方向上从上到下等距设置，各个所述水洗槽3均为上部开口的槽形结构，且槽腔内均设置有独立温控系统，各个所述水洗槽3的底部均设置有出水口，相邻两个水洗槽3中上级水洗槽3的出水口与下级水洗槽3的出水口呈异侧设置，相邻两个水洗槽3中上级水洗槽3的出水口与下级水洗槽3的槽腔相对应；所述传动机构包括用于对碳纤维原丝4进行牵引的多个传动辊和用于驱动多个所述传动辊的电机，碳纤维原丝4在传动机构的传动下自下而上运动，并在运动的过程中依次经各个水洗槽3进行水洗，碳纤维原丝4在各个水洗槽3中的运动方向与洗涤水流动方向相反。

通过设置多个(指三个以上)的水洗槽，多个水洗槽在其高度方向上从上到下等距设置以排成一列，且各出水口之间呈异侧设置，从而实现多个水洗槽的“之”字形串联方式，节约了空间，相邻两个水洗槽之间有等距高度差，洗涤水自上而下流动，不需要外力的驱动节约了能源。

优选地，所述水洗槽3的数量为3～5个，3～5个所述水洗槽3在其高度方向上从上到下排序后分为奇数级水洗槽和偶数级水洗槽；如图3所示，所述奇数级水洗槽底部的左侧开设有左出水口3-11，所述奇数级水洗槽内且位于左出水口3-11的右侧设置有左溢流挡板3-21，所述奇数级水洗槽内且位于左出水口3-11的上方设置有左滤网3-31；如图4所示，所述偶数级水洗槽底部的右侧开设有右出水口3-12，所述偶数级水洗槽内且位于右出水口3-12的左侧设置有右溢流挡板3-22，所述偶数级水洗槽内且位于右出水口3-12的上方设置有右滤网3-32。

通过在各水洗槽中设置溢流挡板(左溢流挡板3-21或右溢流挡板3-22)，并通过“之”字形串联的连接方式，使上一级水洗槽内的洗涤水通过溢流挡板溢流至下一级水洗槽，并通过补水管不断补充干净的洗涤水，不断更新洗涤水，且上一级的洗涤水比下一级的洗涤水的溶剂含量低。通过在各水洗槽中设置滤网(左滤网3-31或右滤网3-32)，使洗涤水在经本级水洗槽3的水洗后进入下一级水洗之前，能够滤除置换水中的杂质，实现下一级水洗过程中洗涤水的清洁、干净。

如图1和图2所示，本实施例中，所述水洗槽3的数量为3个，3个所述水洗槽3在其高度方向上从上而下分别为：一级水洗槽、二级水洗槽和三级水洗槽，其中一级水洗槽和三级水洗槽为奇数级水洗槽，二级水洗槽为偶数级水洗槽。

如图1和图2所示，所述传动机构包括第一传动机构和第二传动机构，所述第一传动机构包括第一电机5-1以及受第一电机5-1驱动的第一传动辊6-1、第二传动辊6-2、第三传动辊6-3、第四传动辊6-4、第五传动辊6-5和第六传动辊6-6；所述第二传动机构包括第二电机5-2以及受第二电机5-2驱动的第七传动辊6-7、第八传动辊6-8、第九传动辊6-9、第十传动辊6-10、第十一传动辊6-11和第十二传动辊6-12；所述第七传动辊的下端6-7与第一传动辊6-1的下端分别位于三级水洗槽槽腔内的左右两侧，所述第九传动辊6-9与第三传动辊6-3分别位于二级水洗槽槽腔内的左右两侧，所述第十一传动辊6-11与第五传动辊6-5分别位于一级水洗槽槽腔内的左右两侧。

如图1和图2所示，所述第一电机5-1通过传动带与第一传动辊6-1连接，所述第一传动辊6-1通过传动带与第二传动辊6-2连接，所述第二传动辊6-2通过传动带与第一换向带轮8-1连接，所述第一换向带轮8-1通过传动带与第四传动辊6-4以及第一介轮7-1连接且该传动带上设置有第三传动辊6-3，所述第四传动辊6-4通过传动带与第五传动辊6-5连接，所述第五传动辊6-5位于连接第二介轮7-2、第三介轮7-3与第六传动辊6-6的传动带上；所述第二电机5-2通过传动带与第四介轮7-4以及第八传动辊6-8连接且该传动带上设置有第七传动辊6-7，所述第八传动辊6-8通过传动带与第九传动辊6-9连接，所述第九传动辊6-9通过传动带与第十传动辊6-10连接，所述第十传动辊6-10通过传动带与第二转向带轮8-2连接，所述第二转向带轮8-2通过传动带与第十二传动辊6-12以及第五介轮7-5连接且该传动带上设置有第十一传动辊6-11。

如图1所示，所述水洗机构和传动机构均安装在水洗机架2中，所述水洗机架2安装在基座1上。

本实施例中，至少三个所述水洗槽3中，位于最底部的水洗槽3的槽腔底部设置有超声波振荡器。

超声震荡器的设置，能够使得水洗槽3内的洗涤水发生波纹式的抖动，有利于丝束内残留物迅速溢出，使碳纤维原丝4洗涤的更干净。

如图3和图4所示，所述独立温控系统包括电加热管3-4和温控传感器3-6，所述电加热管3-4和温控传感器3-6均与控制器相接。

所述控制器可以采用AT89C51型号或其它现有、常规型号的控制器。

各水洗槽3内均设置有独立温控系统，能够实现各水洗槽3槽腔的温度控制精度高(偏差±0.5℃或更低)，有利于碳纤维原丝4内部溶剂的扩散，实现高效水洗。

如图3和图4所示，各个所述水洗槽3内且位于电加热管3-4的上方均设置有多孔均热板3-5。多孔均热板3-5的设置能够使水洗槽3内的洗涤水实现加热、换热更为快速、均匀。

利用本发明所述碳纤维水洗装置对碳纤维原丝进行水洗的方法通过实施例2至5进行描述。

实施例2

结合图1至图4，本实施例对碳纤维原丝进行水洗的方法包括以下步骤：

步骤一、将碳纤维原丝4安装在所述水洗装置的传动辊上(如图2所示)；

步骤二、向最顶部的水洗槽3的槽腔内持续通入洗涤水，洗涤水通过设置在各个水洗槽3上的出水口从上往下流动，直至各个水洗槽3中均注有流动态的洗涤水；

步骤三、开启电机，使各传动辊在电机的驱动下带动碳纤维原丝自下而上运动，并在运动的过程中依次经各个水洗槽3进行水洗，碳纤维原丝4在各个水洗槽3中的运动方向与洗涤水流动方向相反，直至碳纤维原丝4经最顶部的水洗槽3水洗后离开，实现碳纤维原丝4连续清洗，清洗完毕后关闭电机，得到水洗后的碳纤维原丝4。

本实施例中，在位于最底部的水洗槽3的槽腔内设置超声波振荡器。具体操作时，启动超声震荡器，设定超声震荡频率为18kHz，该水洗槽3内的洗涤水产生波纹式的抖动，使丝束内部残留物迅速溢出。

本实施例中，各水洗槽3中均设置有电加热管3-4和温控传感器3-6。具体操作时，设定各水洗槽3中电加热管3-4的温度为61℃。

本实施例中，利用电机调整碳纤维原丝4的运动速率为4m/min，碳纤维原丝4在水洗槽中洗涤的总时间为5min。

利用紫外光谱以及气相色谱对本实施例水洗后的碳纤维原丝进行分析测试，测得：经本实施例水洗后的碳纤维原丝的溶剂含量为0.09wt‰。

实施例3

结合图1至图4，本实施例对碳纤维原丝进行水洗的方法包括以下步骤：

步骤一、将碳纤维原丝4安装在所述水洗装置的传动辊上(如图2所示)；

步骤二、向最顶部的水洗槽3的槽腔内持续通入洗涤水，洗涤水通过设置在各个水洗槽3上的出水口从上往下流动，直至各个水洗槽3中均注有流动态的洗涤水；

步骤三、开启电机，使各传动辊在电机的驱动下带动碳纤维原丝自下而上运动，并在运动的过程中依次经各个水洗槽3进行水洗，碳纤维原丝4在各个水洗槽3中的运动方向与洗涤水流动方向相反，直至碳纤维原丝4经最顶部的水洗槽3水洗后离开，实现碳纤维原丝4连续清洗，清洗完毕后关闭电机，得到水洗后的碳纤维原丝4。

本实施例中，在位于最底部的水洗槽3的槽腔内设置超声波振荡器。具体操作时，启动超声震荡器，设定超声震荡频率为19kHz，该水洗槽3内的洗涤水产生波纹式的抖动，使丝束内部残留物迅速溢出。

本实施例中，各水洗槽3中均设置有电加热管3-4和温控传感器3-6。具体操作时，设定各水洗槽3中电加热管3-4的温度为62℃。

本实施例中，利用电机调整碳纤维原丝4的运动速率为5m/min，碳纤维原丝4在水洗槽中洗涤的总时间为6min。

利用紫外光谱以及气相色谱对本实施例水洗后的碳纤维原丝进行分析测试，测得：经本实施例水洗后的碳纤维原丝的溶剂含量为0.08wt‰。

实施例4

结合图1至图4，本实施例对碳纤维原丝进行水洗的方法包括以下步骤：

步骤一、将碳纤维原丝4安装在所述水洗装置的传动辊上(如图2所示)；

步骤二、向最顶部的水洗槽3的槽腔内持续通入洗涤水，洗涤水通过设置在各个水洗槽3上的出水口从上往下流动，直至各个水洗槽3中均注有流动态的洗涤水；

步骤三、开启电机，使各传动辊在电机的驱动下带动碳纤维原丝自下而上运动，并在运动的过程中依次经各个水洗槽3进行水洗，碳纤维原丝4在各个水洗槽3中的运动方向与洗涤水流动方向相反，直至碳纤维原丝4经最顶部的水洗槽3水洗后离开，实现碳纤维原丝4连续清洗，清洗完毕后关闭电机，得到水洗后的碳纤维原丝4。

本实施例中，在位于最底部的水洗槽3的槽腔内设置超声波振荡器。具体操作时，启动超声震荡器，设定超声震荡频率为20kHz，该水洗槽3内的洗涤水产生波纹式的抖动，使丝束内部残留物迅速溢出。

本实施例中，各水洗槽3中均设置有电加热管3-4和温控传感器3-6。具体操作时，设定各水洗槽3中电加热管3-4的温度为65℃。

本实施例中，利用电机调整碳纤维原丝4的运动速率为6m/min，碳纤维原丝4在水洗槽中洗涤的总时间为7min。

利用紫外光谱以及气相色谱对本实施例水洗后的碳纤维原丝进行分析测试，测得：经本实施例水洗后的碳纤维原丝的溶剂含量为0.07wt‰。

实施例5

结合图1至图4，本实施例对碳纤维原丝进行水洗的方法包括以下步骤：

步骤一、将碳纤维原丝4安装在所述水洗装置的传动辊上(如图2所示)；

步骤二、向最顶部的水洗槽3的槽腔内持续通入洗涤水，洗涤水通过设置在各个水洗槽3上的出水口从上往下流动，直至各个水洗槽3中均注有流动态的洗涤水；

步骤三、开启电机，使各传动辊在电机的驱动下带动碳纤维原丝自下而上运动，并在运动的过程中依次经各个水洗槽3进行水洗，碳纤维原丝4在各个水洗槽3中的运动方向与洗涤水流动方向相反，直至碳纤维原丝4经最顶部的水洗槽3水洗后离开，实现碳纤维原丝4连续清洗，清洗完毕后关闭电机，得到水洗后的碳纤维原丝4。

本实施例中，在位于最底部的水洗槽3的槽腔内设置超声波振荡器。具体操作时，启动超声震荡器，设定超声震荡频率为18kHz，该水洗槽3内的洗涤水产生波纹式的抖动，使丝束内部残留物迅速溢出。

本实施例中，各水洗槽3中均设置有电加热管3-4和温控传感器3-6。具体操作时，设定各水洗槽3中电加热管3-4的温度为67℃。

本实施例中，利用电机调整碳纤维原丝4的运动速率为7m/min，碳纤维原丝4在水洗槽中洗涤的总时间为7min。

利用紫外光谱以及气相色谱对本实施例水洗后的碳纤维原丝进行分析测试，测得：经本实施例水洗后的碳纤维原丝的溶剂含量为0.06wt‰。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。