用于纤维纺丝热牵伸处理的凹槽结构的制作方法

1.本实用新型涉及聚丙烯腈纤维制造技术领域，具体地涉及一种用于纤维纺丝热牵伸处理的凹槽结构。

背景技术：

2.聚丙烯腈(polyacrylonitrile
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pan)纤维自实现工业化生产以来，因其性能优良，原料充足，得到了快速发展。目前，碳纤维由于其优异的力学性能、耐腐蚀性、耐高温等特性在军事工业、轨道交通、风力发电、建筑等领域备广泛应用。
3.随着碳纤维应用领域的增加，聚丙烯腈纤维作为碳纤维生产的主要原料其需求量日益增加，聚丙烯腈纤维的纺丝方法主要有湿法纺丝、干湿法纺丝、冻胶纺丝、静电纺丝法，其中湿法纺丝和干喷湿法纺丝是聚丙烯腈纤维采用的重要纺丝方法之一。
4.聚丙烯腈纤维湿法纺丝流程如下：配置纺丝原液
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溶胀溶解
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过滤
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脱泡
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纺丝凝固成形
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水洗及热水牵伸
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上油
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干燥致密化
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高温高压蒸汽牵伸
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热定型。其中，热牵伸的主要目的是提高纤维大分子的取向度，改善纤维的物理机械性能。但是目前湿法纺丝热水牵伸过程容易出现长短丝，长短丝的出现影响聚丙烯腈纤维预氧化过程纤维受力的均匀性，甚至在预氧化过程出现纤维熔断现象的发生，从而影响后续碳化过程质量的稳定性，导致碳纤维成品质量下降。

技术实现要素：

5.在聚丙烯腈纤维纺丝生产线上，纤维经过热水牵伸时，由于热水的波动出现丝束变宽的现象，丝束过宽导致纤维成品出现长短丝，本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的纤维成品出现长短丝问题，提供一种用于纤维纺丝热牵伸处理的凹槽结构，能够稳定待拉伸纤维丝束周围的热水流场，从而提高纤维收幅效果减少因热水的波动出现长短丝，进而提高纤维成品的质量的稳定性。
6.为了实现上述目的，本实用新型提供一种用于纤维纺丝热牵伸处理的凹槽结构，所述凹槽结构包括：
7.槽壁，围绕形成凹槽，所述凹槽用于盛放热牵伸介质，所述热牵伸介质用于为待拉伸纤维丝束的拉伸处理提供温度支持；
8.顶端具有开口的拉伸通道，设置在所述凹槽内且沿纤维丝束拉伸方向延伸，用于为在所述通道内进行拉伸处理的所述待拉伸纤维丝束提供稳定的热牵伸介质流场；
9.牵伸件，设置在所述拉伸通道的两端，用于为所述待拉伸纤维丝束提供牵伸力。
10.优选地，所述拉伸通道设置有多个，多个所述拉伸通道沿垂直所述纤维丝束拉伸方向间隔设置。
11.优选地，所述拉伸通道整体长度l为1～4m。
12.优选地，所述拉伸通道的两端的端口形成为入口端和出口端。
13.优选地，所述入口端设置为喇叭形扩口结构。
14.优选地，所述出口端设置为喇叭形扩口结构。
15.优选地，位于入口端和出口端之间的拉伸通道的宽度尺寸为a，a为(x+5)～(x+20)mm，其中x为(待拉伸纤维丝束中纤维的根数*进入凹槽5时的纤维直径/13)。
16.优选地，所述入口端的内壁与位于入口端和出口端之间的拉伸通道的内壁的夹角为α，165
°
≤α≤177
°
。
17.优选地，所述出口端的内壁与位于入口端和出口端之间的拉伸通道的内壁的夹角为β，147
°
≤β≤160
°
。
18.优选地，所述凹槽内可拆卸地设置有底座，所述底座的上表面设置有至少一条滑槽，所述滑槽沿垂直所述纤维丝束拉伸方向设置；
19.所述滑槽内滑动设置有滑块，所述滑块的伸出端连接拉伸通道底端，使得所述拉伸通道能够沿垂直所述纤维丝束拉伸方向移动。
20.优选地，所述牵伸件包括设置在所述拉伸通道的入口端侧的第一牵伸件和设置在所述拉伸通道的出口端侧的第二牵伸件；
21.其中，所述第一牵伸件设置为用于挤出初生纤维的喷丝口，所述喷丝口包括多个喷丝孔；
22.所述第二牵伸件设置为连接在槽壁上的滑轮或导辊。
23.优选地，所述喷丝口包括2000-50000个喷丝孔。
24.通过上述技术方案，本实用新型的凹槽结构通过在凹槽内设置拉伸通道，能够稳定待拉伸纤维丝束周围的流场，从而提高纤维收幅效果减少因热牵伸介质的波动出现长短丝，进而提高纤维成品的质量的稳定性，本实用新型对于解决聚丙烯腈纤维纺丝生产线热牵伸分散导致纤维长短丝的问题具有很大意义，存在较大工业应用价值。
附图说明
25.图1是本实用新型具体实施方式的用于纤维纺丝热牵伸处理的凹槽结构的俯视图；
26.图2是图1中增加了牵伸件的e-e方向的剖视图；
27.图3是图1中f-f方向的剖视图。
28.附图标记说明
29.1底座；2拉伸通道；3滑块；4滑槽；5凹槽；6喷丝口；7第二牵伸件。
具体实施方式
30.以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
31.在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指相对于附图所示的上、下、左、右；“内、外”是指相对于腔体或轴心的内外。本实用新型中，长短丝指的是指纤维在生产过程中由于纤维丝束变宽导致同一束纤维出现长短不一的现象发生。
32.如图1-图3所示，本实用新型第一方面提供一种用于纤维纺丝热牵伸处理的凹槽结构，凹槽结构包括：
33.槽壁，围绕形成凹槽5，凹槽5用于盛放热牵伸介质，热牵伸介质用于为待拉伸纤维丝束的拉伸处理提供温度支持，槽壁上开设有用于流通热牵伸介质的热牵伸介质入口和热牵伸介质出口；
34.顶端具有开口的拉伸通道2，设置在凹槽5内且沿纤维丝束拉伸方向延伸，用于为在通道2内进行拉伸处理的待拉伸纤维丝束提供稳定的热牵伸介质流场；
35.牵伸件，设置在拉伸通道2的两端，用于为待拉伸纤维丝束提供牵伸力。
36.需要说明的是，纤维浸没在热牵伸介质(例如热水)中进行拉伸时，会随热牵伸介质的波动出现丝束变宽的现象，而丝束过宽导致产生长短丝从而影响纤维受力的均匀性和纤维成品质量的稳定性，本实用新型中通过在凹槽5内设置拉伸通道2，待拉伸纤维丝束在拉伸通道2的一端进入，另一端伸出，被牵引件提供的拉力沿拉伸通道2的轴向拉伸，其中，拉伸通道2框定了待拉伸纤维丝束周围的热牵伸介质，避免热牵伸介质随拉伸通道2外的热牵伸介质的流动(例如热牵伸介质流入或流出凹槽5)而产生波动，以此稳定待拉伸纤维丝束周围的液体流场，从而提高纤维收幅效果减少因液体波动出现长短丝，进而提高纤维成品的质量的稳定性。
37.在本实用新型的一些实施例中，拉伸通道2设置有多个，多个拉伸通道2沿垂直纤维丝束拉伸方向间隔设置，拉伸通道2的数量为n+1，其中，n为纤维丝束的数量；每个拉伸通道2的横截面可以为半矩形、半圆形、半椭圆形或半多边形。这样，多个拉伸通道2可以增加纤维丝束拉伸处理的处理量，以提高拉伸效率。
38.如图1所示，根据本实用新型的一种优选的实施方式，拉伸通道2的两端的端口形成为入口端和出口端；入口端设置为喇叭形扩口结构，也就是入口端设置为沿纤维丝束拉伸方向逐渐缩小的渐缩结构；所述出口端设置为喇叭形扩口结构，也就是出口端设置为沿纤维丝束拉伸方向逐渐扩大的渐扩结构。如此具有稳定导流、减少对纤维损伤、减少断丝的优势。
39.在本实用新型的一些实施例中，入口端的内壁与位于入口端和出口端之间的拉伸通道2的内壁的夹角为α，165
°
≤α≤177
°
，优选170
°
≤α≤172
°
。采用前述参数能够稳定导流、减少入口水流对纤维损伤、减少断丝。
40.在本实用新型的一些实施例中，出口端的内壁与位于入口端和出口端之间的拉伸通道2的内壁的夹角为β，147
°
≤β≤160
°
，优选153
°
≤β≤155
°
。采用前述参数能够稳定导流、减少出口水流对纤维损伤、减少断丝。
41.在本实用新型的一些实施例中，形成为渐缩结构的入口端的内壁的最大宽度尺寸和/或形成为渐扩结构的出口端的内壁的最大宽度尺寸为b，位于入口端和出口端之间的拉伸通道2的宽度尺寸为a，其中，b＝2*a；进一步地，a为(x+5)～(x+20)mm，优选(x+10)～(x+14)mm，其中，x为(待拉伸纤维丝束中纤维的根数*热牵伸处纤维的直径/13)mm。采用前述参数能够稳定水流、减少长短丝现象的产生。
42.在本实用新型的一些实施例中，x的范围可以为2～100mm，优选4～60mm，但本实用新型中x不仅局限于上述数值范围。
43.在本实用新型的一些实施例中，拉伸通道2的整体长度l为1～4m，优选2.0～2.5m。
44.在本实用新型的一些实施例中，拉伸通道2的顶端面距离丝束所在的拉伸面的高度差≥10mm；采用前述参数能够使纤维处于稳定流场中，有效减少长短丝现象的产生。
45.在本实用新型的一些实施例中，相邻拉伸通道2的中心距c大于b。
46.在本实用新型的一些实施例中，牵伸件包括设置在拉伸通道2的入口端侧的第一牵伸件和设置在拉伸通道2的出口端侧的第二牵伸件7；
47.其中，第一牵伸件设置为用于挤出初生纤维的喷丝口6，喷丝口6采用现有技术中具有多个喷丝孔的喷丝板结构，优选喷丝孔的数量为2000-50000个；第二牵伸件7设置为连接在槽壁上的滑轮或导辊；
48.喷丝口6连通纺丝原液进料管线，喷丝口6可以贯穿设置在槽壁上也可以通过弯折的管道伸入凹槽5中设置(这样可以根据实际需要移动喷丝口6在凹槽中的位置)，喷丝口6浸没在热牵伸介质中，喷丝孔喷出的纤维形成纤维丝束，纤维丝束穿过拉伸通道2卷绕在喷丝口6对面的滑轮或者导辊上并被向上拉出凹槽5。
49.在本实用新型的一些实施例中，凹槽5内可拆卸地设置有底座1，底座1为上大下小的圆台形或棱台形，方便稳固放置；底座1的上表面设置有至少一条滑槽4，滑槽4沿垂直纤维丝束拉伸方向设置；滑槽4内滑动设置有滑块3，滑块3的伸出端连接拉伸通道2底端，使得拉伸通道2能够沿垂直纤维丝束拉伸方向移动。这样，可以跟随喷丝口6的移动相应地移动拉伸通道2的位置，同时底座1可拆卸，方便根据纺丝需求更换不同尺寸的拉伸通道，同时方便清洗凹槽结构，保证纺丝环境的清洁。
50.本实用新型第二方面提供本实用新型的凹槽结构在聚丙烯腈纤维纺丝中的应用，优选在丝束为3k-50k的聚丙烯腈纤维生产线中的应用。
51.本实用新型第三方面提供一种聚丙烯腈纤维的热牵伸方法，该热牵伸方法在本实用新型的凹槽结构中进行；热牵伸包括：
52.使待拉伸聚丙烯腈纤维丝束在牵伸件的牵伸作用下，在凹槽5内的拉伸通道2形成的稳定的热牵伸介质流场中进行拉伸，以此提高聚丙烯腈纤维热水牵伸均匀性，提高聚丙烯腈纤维的收幅效果，减少因液体波动出现长短丝，有利于聚丙烯腈纤维预氧化和碳化的顺利进行，进而提高纤维成品的质量的稳定性。
53.本实用新型中，热牵伸介质的温度为(tg+1)～(tg+6)℃，优选(tg+3)～(tg+4)℃，其中，tg为纤维的玻璃化转变温度，由此具有合适的牵伸温度，具有减少温度不合适导致牵伸对纤维造成损伤的优势。
54.本实用新型中，热牵伸介质选自水或饱和水蒸气。
55.本实用新型中，待拉伸聚丙烯腈纤维丝束为喷丝口6中由聚丙烯腈原液经挤出后成形的初生纤维丝束。需要说明的是，本实用新型中的聚丙烯腈纺丝液可以通过市售得到或是通过本领域常规方法制备得到，例如使用聚丙烯腈单体、其他共聚单体在引发剂和溶剂等助剂的存在下进行聚合反应得到，其中，聚丙烯腈纺丝液的具体组成以及合成聚丙烯腈纺丝液的其他共聚单体、引发剂和溶剂等助剂的具体种类对本实用新型的技术效果没有影响，本实用新型对此不作过多赘述。
56.本实用新型中，优选聚丙烯腈原液的纺丝溶剂选自硫氰酸钠、n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或二甲基乙酰胺中的至少一种。
57.本实用新型中，优选初生纤维丝束的热牵伸倍数为4～10，优选6～8。由此具有减少过度牵伸和避免牵伸不够，避免牵伸对纤维力学性能影响的优势。
58.本实用新型第四方面提供一种本实用新型的热牵伸方法制备的聚丙烯腈基碳纤
维原丝。
59.需要说明的是，聚丙烯腈纤维经过本实用新型的热牵伸方法处理后再采用现有技术中的上油、干燥致密化、高温高压蒸汽牵伸、热定型处理后，卷绕得到聚丙烯腈基碳纤维原丝。
60.相比于现有技术，采用本实用新型制备的聚丙烯腈基碳纤维原丝出现较少的长短丝，具有更高的物理机械性能和更稳定的质量。
61.下面通过实施例来说明本实用新型，但本实用新型并不局限于此。
62.以下实施例1-实施例6在图1-图3所示的用于纤维纺丝热牵伸处理的凹槽结构中进行，包括：
63.围绕形成凹槽5的槽壁，槽壁上开设有用于流通热水的热牵伸介质入口和热牵伸介质出口；位于热水液面下的凹槽5内可拆卸地设置有棱台形底座1，底座的上表面开设有至少2条垂直丝束拉伸方向的滑槽4，滑槽4中设置有滑块3，滑块3能够沿滑槽4的轴滑动，滑块4的伸出端连接拉伸通道2的底端；拉伸通道2顶端具有开口形成为横截面为半矩形的槽形结构，位于两端的入口端和出口端设置为大致的喇叭形；拉伸通道2的入口端的一侧安装有多个喷丝孔的喷丝口6，喷丝口6浸没在热水液面下且连通聚丙烯腈原液进料管，喷丝口6挤出的成形的初生纤维丝束卷绕过位于拉伸通道2出口端侧的导辊，在拉伸通道2中进行拉伸。
64.实施例1-实施例6中以硫氰酸钠为纺丝溶剂，其中聚丙烯腈纺丝液固含量为12.3％，纤维的玻璃化转变温度tg为90℃，但是本实用新型并不局限于此。
65.实施例1
66.热牵伸介质为热水，热水温度为94℃，热牵伸倍数为6倍。
67.凹槽结构中，入口端的内壁与拉伸通道2的内壁的夹角α为170
°
，出口端的内壁与拉伸通道2的内壁的夹角β为153
°
，x为4mm，位于出口端和入口端之间的拉伸通道2的宽度a为14mm，拉伸通道2的长度l为2m，喷丝口6的喷丝孔数为3000个。
68.结果见表1。
69.实施例2
70.热牵伸介质为热水，热水温度为93℃，热牵伸倍数为8倍。
71.凹槽结构中，入口端的内壁与拉伸通道2的内壁的夹角α为172
°
，出口端的内壁与拉伸通道2的内壁的夹角β为155
°
，x为30mm，位于出口端和入口端之间的拉伸通道2的宽度a为44mm，拉伸通道2的长度l为2.5m，喷丝口6的喷丝孔数为24000个。
72.结果见表1。
73.实施例3
74.热牵伸介质为热水，热水温度为92℃，热牵伸倍数为9倍。
75.凹槽结构中，入口端的内壁与拉伸通道2的内壁的夹角α为174
°
，出口端的内壁与拉伸通道2的内壁的夹角β为157
°
，x为8mm，位于出口端和入口端之间的拉伸通道2的宽度a为25mm，拉伸通道2的长度l为3m，喷丝口6的喷丝孔数为6000个。
76.结果见表1。
77.实施例4
78.热牵伸介质为热水，热水温度为91℃，热牵伸倍数为10倍。
79.凹槽结构中，入口端的内壁与拉伸通道2的内壁的夹角α为177
°
，出口端的内壁与拉伸通道2的内壁的夹角β为160
°
，x为15mm，位于出口端和入口端之间的拉伸通道2的宽度a为35mm，拉伸通道2的长度l为4.0m，喷丝口6的喷丝孔数为12000个。
80.结果见表1。
81.实施例5
82.热牵伸介质为热水，热水温度为95℃，热牵伸倍数为5倍。
83.凹槽结构中，入口端的内壁与拉伸通道2的内壁的夹角α为168
°
，出口端的内壁与拉伸通道2的内壁的夹角β为150
°
，x为15mm，位于出口端和入口端之间的拉伸通道2的宽度a为23mm，拉伸通道2的长度l为1.5m，喷丝口6的喷丝孔数为12000个。
84.结果见表1。
85.实施例6
86.热牵伸介质为热水，热水温度为96℃，热牵伸倍数为4倍。
87.凹槽结构中，入口端的内壁与拉伸通道2的内壁的夹角α为165
°
，出口端的内壁与拉伸通道2的内壁的夹角β为147
°
，x为51mm，位于出口端和入口端之间的拉伸通道2的宽度a为56mm，拉伸通道2的长度l为4m，喷丝口6的喷丝孔数为50000个。
88.结果见表1。
89.比较例1
90.与实施例1不同的是，不采用本实用新型的拉伸通道2，热牵伸倍数为10倍，结果见表1。
91.比较例2
92.与实施例1不同的是，不采用本实用新型的拉伸通道2，热水温度为92℃，热牵伸倍数为8倍，喷丝口6的喷丝孔数为12000个，结果见表1。
93.比较例3
94.与实施例1不同的是，不采用本实用新型的拉伸通道2，热水温度为96℃，热牵伸倍数为6倍，喷丝口6的喷丝孔数为50000个，结果见表1。
95.表1
[0096][0097]
与现有技术相比，本实用新型能够提高聚丙烯腈纤维热水牵伸均匀性，减少纤维在成型过程中长短丝的产生，在纤维长度为10m时长短丝≤2处。
[0098]
以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于此。在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，
包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本实用新型所公开的内容，均属于本实用新型的保护范围。

技术特征：

1.一种用于纤维纺丝热牵伸处理的凹槽结构，其特征在于，所述凹槽结构包括：槽壁，围绕形成凹槽(5)，所述凹槽(5)用于盛放热牵伸介质，所述热牵伸介质用于为待拉伸纤维丝束的拉伸处理提供温度支持；顶端具有开口的拉伸通道(2)，设置在所述凹槽(5)内且沿纤维丝束拉伸方向延伸，用于为在所述拉伸通道(2)内进行拉伸处理的所述待拉伸纤维丝束提供稳定的热牵伸介质流场；牵伸件，设置在所述拉伸通道(2)的两端，用于为所述待拉伸纤维丝束提供牵伸力。2.根据权利要求1所述的凹槽结构，其特征在于，所述拉伸通道(2)设置有多个，多个所述拉伸通道(2)沿垂直所述纤维丝束拉伸方向间隔设置。3.根据权利要求1或2所述的凹槽结构，其特征在于，所述拉伸通道(2)长度l为1～4m。4.根据权利要求1或2中任意一项所述的凹槽结构，其特征在于，所述拉伸通道(2)的两端的端口形成为入口端和出口端；所述入口端设置为喇叭形扩口结构；和/或所述出口端设置为喇叭形扩口结构。5.根据权利要求4所述的凹槽结构，其特征在于，位于入口端和出口端之间的拉伸通道(2)的宽度尺寸为a，a为(x+5)mm～(x+20)mm，其中，x为(待拉伸纤维丝束中纤维的根数*进入凹槽时的纤维直径/13)mm。6.根据权利要求4所述的凹槽结构，其特征在于，所述入口端的内壁与位于入口端和出口端之间的拉伸通道(2)的内壁的夹角为α，165
°
≤α≤177
°
。7.根据权利要求4所述的凹槽结构，其特征在于，所述出口端的内壁与位于入口端和出口端之间的拉伸通道(2)的内壁的夹角为β，147
°
≤β≤160
°
。8.根据权利要求1所述的凹槽结构，其特征在于，所述凹槽(5)内可拆卸地设置有底座(1)，所述底座(1)的上表面设置有至少一条滑槽(4)，所述滑槽(4)沿垂直所述纤维丝束拉伸方向设置；所述滑槽(4)内滑动设置有滑块(3)，所述滑块(3)的伸出端连接拉伸通道(2)底端，使得所述拉伸通道(2)能够沿垂直所述纤维丝束拉伸方向移动。9.根据权利要求1所述的凹槽结构，其特征在于，所述牵伸件包括设置在所述拉伸通道(2)的入口端侧的第一牵伸件和设置在所述拉伸通道(2)的出口端侧的第二牵伸件(7)；其中，所述第一牵伸件设置为用于挤出初生纤维的喷丝口(6)，所述喷丝口(6)包括多个喷丝孔；所述第二牵伸件(7)设置为连接在槽壁上的滑轮或导辊。10.根据权利要求9所述的凹槽结构，其特征在于，所述喷丝口(6)包括2000-50000个喷丝孔。

技术总结

本实用新型涉及聚丙烯腈纤维制造技术领域，公开了一种用于纤维纺丝热牵伸处理的凹槽结构，所述凹槽结构包括：槽壁，围绕形成凹槽，所述凹槽用于盛放热牵伸介质，所述热牵伸介质用于为待拉伸纤维丝束的拉伸处理提供温度支持；顶端具有开口的拉伸通道，设置在所述凹槽内且沿纤维丝束拉伸方向延伸，用于为在所述通道内进行拉伸处理的所述待拉伸纤维丝束提供稳定的热牵伸介质流场；牵伸件，设置在所述拉伸通道的两端，用于为所述待拉伸纤维丝束提供牵伸力。本实用新型能够稳定待拉伸纤维丝束周围的热水流场，从而提高纤维收幅效果减少因热水的波动出现长短丝，进而提高纤维成品的质量的稳定性。的稳定性。的稳定性。