碳纤维工业化上浆装置的制作方法

本实用新型涉及碳纤维生产装备，具体涉及一种碳纤维工业化上浆装置。

背景技术：

碳纤维无法单独使用，其高性能与多功能是通过与其它材料复合才能体现。无上浆剂保护的碳纤维卷绕成锭后在后道复合材料加工应用中无法完成退绕，因而也失出其使用价值。而上浆剂的使用对碳纤维复合材料的物理及化学特性的影响有：(1)将分散的碳纤维集合成一束，利于纺织、运输与后道退绕；(2)在碳纤维表面形成一层保护膜，增加脆性碳纤维韧性与耐摩擦性，减少碳纤维断丝或开裂；(3)在碳纤维表面引入活性基团，使碳纤维、上浆剂和基体之间易于浸润并形成牢固的界面化学键作用力，避免或减少复合材料后加工与成品制件缺陷。

碳纤维上浆方法主要有浸渍法、喷涂法等。浸渍法碳纤维上浆方法操作简单：碳纤维通过进入上浆剂浸渍，通过控制上浆剂的种类、浓度与碳纤维的浸渍时间来使碳纤维达到浸润，是国内外工业化碳纤维生产的主流上浆工艺路线；喷涂法是用喷枪将上浆剂喷射到碳纤维的表面，然后经过烘箱烘干后，挥发掉溶剂，在纤维表面形成保护膜，该工艺因需要复杂的环保措施与碳纤维上浆剂保护膜不均匀且对运行中的碳纤维产生侧向冲击未被产业化应用。

碳纤维上浆剂能否均匀涂覆在碳纤维的表面与碳纤维的性能品质高低、是否能工业化安稳生产与能否顺利进入后道市场应用密切相关。国产碳纤维现存的毛断丝现象、优级品率难以达到百分之百且上浆后的碳纤维的外观、退绕性、分纤性、同级产品的束丝强度与日本东丽碳纤维仍存有一定差距的主要问题之一是现有浸渍工艺上浆装置的上浆效率与上浆均匀性有待改进。

现有工业化碳纤维上浆装置为五辊上浆槽，其中两辊部分或全部浸渍于上浆剂中，浸渍后的碳纤维在上浆剂中经历两只上浆剂导辊两次扩幅挤压上浆，完成上浆后碳纤维再经一对控将辊对上浆后的碳纤维进行上浆挤压，挤压压力来自工厂压缩空气管网压力。因压缩空气用户较多，导致管网压力经常处于波动状态，因此导致对上浆碳纤维上的上浆剂挤出量造成波动，从而导致碳纤维单丝上浆均匀性与上浆率波动。

国内发明专利‘试验用碳纤维上浆装置’(cn105525466a)涉及到上浆工艺装置流程与示意图，特别是对上浆槽的导辊、扩幅装置、上浆液循环泵、溢流口、上浆管道、上浆管口位置均有述及，但其上浆槽类型是常规长方矩形，该槽导轨辊扩幅性能差，且仅有恒定液位功能，无排液能力，该上浆装置试验结束后，浸渍辊下部的上浆剂无法使用且排污清理困难；其导辊是四辊两浸渍辊，无控制上浆剂含量的上浆剂压辊，但限定了陶瓷材质，预计该上浆装置因无压辊，将导致碳纤维烘干能耗极高；其涉及到上浆液循环泵，但该泵仅打循环，无具体泵型、技术参数及其它功能限定；其溢流口、上浆管口有前后位置要求，但无具体高度限定；该发明专利为实验装置，最大生产能力为六个锭位(6束碳纤维)。

cn105348768a专利‘碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法及装置，涉及的制备方法与装置为碳纤维退浆装置，其它退浆后进行电渡后未进行上浆，直接进入模头造粒。

国外现无专门的工业化上浆装置报道，相近专利文献中：三菱丽阳株式会社cn1537188a--碳纤维用上浆剂、使用该上浆剂的碳纤维上浆方法、上浆剂处理过的碳纤维和使用该碳纤维的编织物发明专利中的上浆方法只涉及上浆剂原料组成、ph区域与用途，对浸渍方法与装置未作介绍；三菱丽阳cn104603351a发明专利报道了一种树脂增强用碳纤维束及其制造方法以及碳纤维增强热塑性树脂组合物与成型品中仅涉及上浆剂基团类别、组份、上浆时间与上浆槽浸长，并未其它工艺、装置信息；

jp2014139360a：sizingagentappliedcarbonfiber,itsmanufacturingmethod,andcarbonfiberreinforcedthermoplasticresincomposition-上浆剂及其制造方法，碳纤维、碳纤维增强热塑性树脂组合物-发明专利保护了其有优异储存稳定性、粘附性、耐热性和耐低温与恶劣的工作环境特长的上浆剂组成、超声波处理上浆剂涂覆碳纤维的方法；

us20040197555a1：sizingagentforcarbonfiber,methodforsizingcarbonfiberbysaidsizingagent,sizedcarbonfiberandknittedorwovenfabricusingsaidcarbonfibe---碳纤维用上浆剂，使用该上浆剂对碳纤维进行上浆的方法，上浆的碳纤维以及使用该碳纤维的针织物或机织织物---发明专利涉及一种能够赋予碳纤维足够的收敛性与均匀丝束分散性且其织物易于水性浸渍的专用(针对短切的碳纤维)上浆剂组成、上浆方法、ph范围内，但无具体上浆工艺路线与上浆装置限制说明。

随着市场对高性能、低成本、多品种碳纤维需求量越来越大，发明具有扩幅性能好、上浆效率高、上浆均匀、上浆率稳定、节能环保的新型工业化上浆装置成为碳纤维生产商满足市场要求与增强产品竞争力的一种新方式。

技术实现要素：

本实用新型提供一种碳纤维工业化上浆装置。本装置能便捷的嫁接工业化生产线，实验表明采用本实用新型装置进行碳纤维上浆，碳纤维丝束展丝扩幅效率高、上浆剂浸渍速度快、上浆均匀且单丝网状分丝性能好，且整个上浆生产过程无电能消耗，无废上浆剂排放。

本实用新型目的技术解决方案如下：

一种碳纤维工业化上浆装置，其特点在于由上浆系统、供浆系统、控浆系统和基架系统四部分组成，所述的上浆系统处于装置的上部；供浆系统的上浆剂贮槽与循环供料泵处于所述的上浆系统的正下部，所述的控浆系统处于上浆系统的左上部；所述的基架系统的下部容纳所述的供浆系统，所述的基架系统的上部支撑所述的供浆系统与控浆系统，处于上述三个系统的底部与外围；

所述的上浆系统由上浆剂供料管、一只星型导引辊、一只星型上浆辊、x轴水平仪与y轴水平仪、一只上浆槽组成，所述的上浆槽为槽底中部为弧凹形的上浆槽，处于上浆系统的最下部，所述的上浆槽的左右槽侧各有两只支撑耳，四只支撑耳将所述的上浆槽搁置在基架最高y轴方向的两根槽钢上，溢流管为一垂直穿过上浆槽弧凹左前平底的焊接短管；该溢流管的上部溢流口高度比所述的上浆槽的槽口低；上浆槽自循环进料管位于所述的上浆槽弧凹底部的正中心，是垂直向下带球阀的焊接短节；所述的星型导引辊处于弧凹上浆槽的右上部，直接插入由螺栓紧固于所述的基架的最高x轴前后两根槽钢最右方的两个支撑轴承内，并以定位键固定所述的星型导引辊与轴承；所述的星型上浆辊处于弧凹上浆槽的上中部，直接插入由螺栓紧固于基架最高x轴前后两根槽钢中部的两个支撑轴承内，并以定位键固定所述的星型导引辊，所述的星型导引辊与星型上浆辊的辊轴处同一水平；所述的上浆剂供料管从上浆槽后右方，从下至上达到所述的上浆系统的上空，向左右一分为二后，再向前延伸至星型上浆辊、星型导引辊的正上方中间位置后，管口向下；上浆剂供料管在上浆槽后面，由抱箍固定于星型上浆辊、星型导引辊之间一段槽钢上；所述的x轴水平仪、y轴水平仪分别以螺栓固定在基架最高x、y向的前槽钢、左槽钢上；

所述的所述供浆系统由上浆剂贮槽、大循环进料管、回流短管、供料泵、循环进料管、供料泵进料管、供料泵进料软管和供料泵供料软管组成，所述的上浆剂贮槽为长方体贮槽放置于所述的基架底板的左侧；所述的大循环进料管焊接在所述的上浆剂贮槽后侧的内壁，其下管口插入所述的上浆剂贮槽的底部，其上部高出贮槽槽口一分为二，一路水平管为供料泵进料管，其与供料泵进料软管快插接头相连，一路直立短管与循环进料管通过带快捷头的软管相连；所述的回流管焊接在所述的贮槽左侧内壁，其下管口插入贮槽之内液面之上，所述的回流管的上管口高出贮槽槽口并与所述的溢流管的下管口以通过带快捷头的软管相连；所述的供料泵为隔膜泵，放置在所述的基架底板所述的上浆剂贮槽的右侧中部；所述的供料泵的进口与所述的大循环进料管以塑料软管相连，所述的供料泵的出口与所述的上浆剂供料管金属软管的螺纹连接；所述的供料泵外接压缩空气；

所述的控浆系统处于上浆系统的星形上浆辊的左上方，由一只控浆托辊、控浆压辊、控浆压辊支架、控浆配重所组成；所述的控浆托辊在星型上浆辊的左侧，直接插入两个可x轴移动的轴承内并以定位键固定；所述控浆压辊支架在控浆托辊的左前、左后部，分别焊接在基架最左侧最高x、y轴前后槽钢交汇的两只角上，均由直立支架、金属半圆活页、可旋转轴承与配重挂架、吊链组成：所述的金属半圆活页的一页由螺钉固定于直立支架中部右侧，另一页由螺栓螺母固定于金属短节的左端，金属短节右端的上面以螺钉固定滚珠轴承且右端的外侧焊接配重挂架，控浆压辊直接插入控浆压辊支架上可旋转短节上的轴承中，所述控浆配重在控将压辊与控浆托辊上下垂直对正接触的生产过程中，通过自身上部的挂钩与配重挂架的挂钩相连接，以自身重量垂挂于配重挂架前后两侧；停产与处理毛丝绕辊过程中，控浆配重从配重挂架取下，放置于的挂钩与吊链上的挂钩相钩链；

所述的基架系统由下部基架与上部基架焊接而成，所述的上部基架支撑所述的上浆系统与控浆系统；所述的下部基架由配重块、底板、万向滚轮和长杆螺钉组成；所述的万向滚轮带锁定开关，处于装置的最底部；所述的底板位于所述的万向滚轮之上、供浆系统与配重块之下；所述的配重块均分为二，置于贮槽右侧供料泵的前后对称位置；长杆螺钉旋进所述的基架底部的四只支脚内。

所述的基架系统材质为槽钢；上浆剂接触设备的材质为碳纤维接触的材质，板壁厚3mm加筋增强；所述的碳纤维接触的材质为渗n渡铬，镜面光洁；轴承滚珠的材质为硬质不锈钢；所述快捷头材质为碳纤维接触的材质；所有软管材质为金属丝增强透明塑料。

本实用新型的有益效果是：

1、能顺利进入碳纤维生产流程中设备间的操作空间；

2、快速便捷的实现装置的定位、水平与对批量碳纤维张力保持装置稳定；导辊设计满足：设计的星型导辊对上浆剂中浸渍的碳纤维具有递进扩幅展丝效果，选用的材质与光洁度保持碳纤维产生毛丝与绕辊；

3、本实用新型装置的性能满足：①适合不同类型与品种的上浆剂上浆，可替代现有工业化五辊上浆槽，也可与其串、并联使用；②上浆效率高，上浆均匀；③上浆率稳定易控；④具有上浆剂用完能力，无上浆废液排放，不用电，节能环保。⑤既能实现工业化碳纤维批量生产，又可进行单束碳纤维科研试验。

采用本实用新型进行碳纤维上浆，碳纤维丝束展丝扩幅效率高、上浆剂浸渍速度快、上浆均匀且单丝网状分丝性能好，且整个上浆生产过程无电能消耗，无废上浆剂排放。

附图说明

图1是本实用新型碳纤维工业化上浆装置示意图

图2是本实用新型碳纤维工业化上浆装置上浆原理图

图3是基架整体结构4与其上部支撑连接方式示意图

图4是局部放大图，其中(a)为图3局部一控浆支撑放大结构示意图，(b)为局部二固定轴承放大结构示意图。

图5是星型导引辊16、上浆辊17结构示意图

图6是控浆辊支撑结构与运行轨迹示意图

图7是上浆槽结构示意图

图8是上浆系统就位结构示意图

图9是上浆剂供料管金属软管18结构示意图

图10是气动泵27(带丝扣金属软管、塑料软管)结构连接示意图

图11是金属丝增强透明塑料软管9结构连接示意图

图12是上浆剂贮槽11结构示意图

具体实施方式

下面将结合本实用新型的组合、部件与实施例中的附图，对本实用新型的技术方案与使用方法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型实施例，本领域其它技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

本实用新型提供的碳纤维工业化上浆装置，如图1所示，其组成包括：上浆系统1、供浆系统2、控浆系统3、基架系统4四部分组成，

所述的上浆系统1处于装置的上部；供浆系统2的上浆剂贮槽与循环供料泵处于所述的上浆系统1的正下部，所述的控浆系统3处于上浆系统1的左上部；所述的基架系统4的下部容纳所述的供浆系统2，所述的基架系统4的上部支撑所述的供浆系统2与控浆系统3，处于上述三个系统的底部与外围；

所述的上浆系统1，请参阅图2，由上浆剂供料管20、一只星型导引辊17、一只星型上浆辊16、x轴水平仪5与y轴水平仪6、一只上浆槽19组成，所述的上浆槽19为槽底中部为弧凹形的上浆槽，处于上浆系统1的最下部，所述的上浆槽19的左右槽侧各有两只支撑耳，四只支撑耳将所述的上浆槽19搁置在基架最高y轴方向的两根槽钢上，溢流管7为一垂直穿过上浆槽弧凹左前平底的焊接短管；该溢流管7的上部溢流口高度比所述的上浆槽19的槽口低；上浆槽自循环进料管24位于所述的上浆槽19弧凹底部的正中心，是垂直向下带球阀的焊接短节；所述的星型导引辊17处于弧凹上浆槽19的右上部，直接插入由螺栓紧固于所述的基架4的最高x轴前后两根槽钢最右方的两个支撑轴承内，并以定位键固定所述的星型导引辊17与轴承；所述的星型上浆辊16处于弧凹上浆槽19的上中部，直接插入由螺栓紧固于基架最高x轴前后两根槽钢中部的两个支撑轴承内，并以定位键固定所述的星型导引辊17，所述的星型导引辊17与星型上浆辊16的辊轴处同一水平；所述的上浆剂供料管18(参见图9)从上浆槽19后右方，从下至上达到所述的上浆系统1的上空，向左右一分为二后，再向前延伸至星型上浆辊16、星型导引辊17的正上方中间位置后，管口向下；上浆剂供料管18在上浆槽19后面，由抱箍固定于星型上浆辊16、星型导引辊17之间一段槽钢上；所述的x轴水平仪5、y轴水平仪6分别以螺栓固定在基架最高x、y向的前槽钢、左槽钢上；

所述所述供浆系统2由上浆剂贮槽11、大循环进料管24、回流短管10、供料泵27(参见图10)、循环进料管22、供料泵进料管21、供料泵进料软管26和供料泵供料软管25组成，所述的上浆剂贮槽11为长方体贮槽放置于所述的基架底板的左侧；所述的大循环进料管24焊接在所述的上浆剂贮槽11后侧的内壁，其下管口插入所述的上浆剂贮槽11的底部，其上部高出贮槽槽口一分为二，一路水平管为供料泵进料管21，其与供料泵进料软管26快插接头相连，一路直立短管与循环进料管22通过带快捷头的软管29(参见图11)相连；所述的回流管10焊接在所述的贮槽左侧内壁，其下管口插入贮槽之内液面之上，所述的回流管10的上管口高出贮槽槽口并与所述的溢流管7的下管口以通过带快捷头的软管29相连；所述的供料泵27为隔膜泵，放置在所述的基架底板所述的上浆剂贮槽11的右侧中部；所述的供料泵27的进口与所述的大循环进料管24以塑料软管相连，所述的供料泵27的出口与所述的上浆剂供料管金属软管18螺纹连接；所述的供料泵27外接压缩空气；

所述的控浆系统3处于上浆系统1的星形上浆辊16的左上方，所述的控浆系统3(参见图7、图8)由一只控浆托辊15、控浆压辊12、控浆压辊支架13、控浆配重30所组成；所述的控浆托辊15在星型上浆辊16的左侧，直接插入两个可x轴移动的轴承内并以定位键固定；所述控浆压辊支架13在控浆托辊15的左前、左后部，分别焊接在基架最左侧最高x、y轴前后槽钢交汇的两只角上，均由直立支架、金属半圆活页、可旋转轴承与配重挂架14、吊链组成，参见图6：所述的金属半圆活页的一页由螺钉固定于直立支架中部右侧，另一页由螺栓螺母固定于金属短节的左端，金属短节右端的上面以螺钉固定滚珠轴承且右端的外侧焊接配重挂架14，控浆压辊12直接插入控浆压辊支架13上可旋转短节上的轴承中，所述控浆配重30在控将压辊12与控浆托辊15上下垂直对正接触的生产过程中，通过自身上部的挂钩与配重挂架14的挂钩相连接，以自身重量垂挂于配重挂架14前后两侧；停产与处理毛丝绕辊过程中，控浆配重30从配重挂架14取下，放置于的挂钩与吊链上的挂钩相钩链；

所述的基架系统4由下部基架与上部基架焊接而成，所述的上部基架支撑所述的上浆系统1与控浆系统3；所述的下部基架由配重块30、底板、万向滚轮28和长杆螺钉8组成；所述的万向滚轮28带锁定开关，处于装置的最底部；所述的底板位于所述的万向滚轮28之上、供浆系统2与配重块30之下；所述的配重块30均分为二，置于贮槽右侧供料泵27的前后对称位置；长杆螺钉8旋进所述的基架底部的四只支脚内。

为便于装置操作与效果对比，以8束碳纤维21进行热固性3％x上浆剂上浆，实施过程包括如下步骤：

1、装置就位：本装置由万向滚轮28移动至碳纤维装置碳纤维上浆工序前或工序或水洗烘干工序后。通过固定x轴水平仪5、y轴水平仪6、长杆螺钉8调整本装置的高度、水平度，完成本装置就位；

2、热固性上浆剂供浆：循环供料槽19下方的气动供料泵27从上浆剂贮槽11从底部抽出上浆剂，经上浆剂供料管20一分为二，分别从星型导引辊17、星型上浆辊16中间位置之上流下，进入并充满两只星型辊表面凹槽，全程保证两辊被上浆剂充分湿润后再流入上浆槽19。上浆剂的泵供量由气动供料泵前的调节阀23控制，调节阀开度开到上浆槽19内的上浆剂液位保持在溢流口高度。上浆槽19内超过溢流管7溢流口高度的上浆剂通过溢流管7回流至上浆贮槽11。

3、碳纤维上浆：将所取碳纤维丝束通过星型导引辊17导入上浆槽19内浸渍上浆；

4、展丝上浆：浸渍上浆剂后的碳纤维再经星型上浆辊16对浸渍中的碳纤维丝束进行四次展丝扩幅上浆，使上浆剂充分进入浸润张力状态下的碳纤维单丝；

5、控浆均匀化：展丝上浆后的碳纤维再经控浆辊15、12挤出过量的上浆剂，挤出量以控浆辊12的本身重量与两侧配制的配重14总重量控制，挤出过程对浸渍后的碳纤维丝幅进一步扩幅与上浆剂压入，同时完成对碳纤维单丝上浆量的控制，挤出多余上浆剂，并进一步对碳纤维单丝上的上浆剂分布进行均匀化；

6、上浆生产或上浆试验后期，上浆剂液位将低于上浆辊下缘无法浸渍碳纤维，此时上浆泵27将上浆剂贮槽11内的上浆剂29抽出，从星型导引辊17、星型上浆辊16上完成对碳纤维进行浸渍、扩幅上浆，直到上浆槽19、上浆剂贮槽11内的上浆槽全部用完，完成碳纤维上浆生产或上浆试验。

7、碳纤维收丝：完成上浆后的碳纤维，进入上浆后的烘干机、卷绕机进行烘干、卷绕。

8、碳纤维测试：取成品碳纤维8束，分别测试两种碳纤维的丝束宽幅/毛丝、上浆率偏差(cv)、强度偏差(cv)退绕性、分丝网状性能。结果见效果对比表1。

实施例2

采用本实用新型提供的碳纤维工业化上浆装置与使用方法(如图1)，为便于装置操作与效果对比，以8束碳纤维21进行3％pu上浆上浆，实施过程如实施例实施过程1---7。取8束成品碳纤维丝束；测试碳纤维的丝束宽幅/毛丝、上浆率偏差(cv)、强度偏差(cv)、退绕性、分丝网状性能。结果见效果对比表1。

实施例3

采用本实用新型提供的碳纤维工业化上浆装置与使用方法(如图1)，为便于装置操作与效果对比，以8束碳纤维21进行6％pu上浆上浆，实施过程如实施例实施过程1---7。取8束成品碳纤维丝束，测试两种碳纤维的丝束宽幅/毛丝、上浆率偏差(cv)、强度偏差(cv)退绕性、分丝网状性能。结果见效果对比表1。

实施例4

采用本实用新型碳纤维工业化上浆装置与使用方法(如图1)，为便于装置操作与效果对比，以100束碳纤维21进行6％(3％pu+3％x)复合上浆剂上浆，实施过程如实施例实施过程1---7。任取8束成品碳纤维丝束；任取大生产线常规热固性上浆剂x碳纤维16束，分别测试两种碳纤维的丝束宽幅/毛丝、上浆率偏差(cv)、强度偏差(cv)退绕性、分丝网状性能。结果见效果对比表1。

对比例1

采用常规工业化上浆装置，以8束碳纤维21进行3％热固性上浆剂x上浆，取8束成品碳纤维丝束，测试碳纤维的丝束宽幅/毛丝、上浆率偏差(cv)、强度偏差(cv)退绕性、分丝网状性能。结果见效果对比表1。

对比例2

采用常规工业化上浆装置，以8束碳纤维21进行6％热固性上浆剂x上浆，取8束成品碳纤维丝束，测试碳纤维的丝束宽幅/毛丝、上浆率偏差(cv)、强度偏差(cv)退绕性、分丝网状性能。结果见效果对比表1。

对比例3

采用常规工业化上浆装置，以8束碳纤维21进行6％

(3％x+3％pu)复合上浆剂上浆，取8束成品碳纤维丝束，测试碳纤维的丝束宽幅/毛丝、上浆率偏差(cv)、强度偏差(cv)、退绕性、分丝网状性能。结果见效果对比表1。

表1.效果对比表

综上比较可见，采用本实用新型碳纤维工业化上浆装置，不论是热塑性上浆剂、热固性上浆剂还是复合上浆剂，均表现出具有上浆效率高、上浆均匀、上浆率稳定特点，且本实用新型上浆装置不产生废液，不消耗电能，生产过程节能环保，所制得的碳纤维分丝(网状)性能良好。

实验表明，采用本实用新型进行碳纤维上浆，碳纤维丝束展丝扩幅效率高、上浆剂浸渍速度快、上浆均匀且单丝网状分丝性能好，且整个上浆生产过程无电能消耗，无废上浆剂排放。

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