一种超声雾化碳纤维原丝上油装置及方法

技术领域

本发明属于聚丙烯腈基碳纤维原丝生产技术领域，涉及一种超声雾化碳纤维原丝上油装置及方法。

背景技术

碳纤维原丝上油可以有效地避免纤维表面产生缺陷进而影响碳纤维性能，还可以有效解决原丝在预氧化和低温碳化过程中产生黏结、起毛和断丝。然而，传统的原丝上油是通过浸渍方式，丝束在通过油剂时会使得一些油块粘连在丝束表面，使纤维粘连在一起，影响到原丝性能；丝束在快速通过油剂时还会带走油剂，这就导致油剂的浪费，以及增加人力去清理辊子。超声雾化是利用超声波的能量作用将水或液体打散，形成几个μm到100多μm大小的微小颗粒。与传统的依靠压力和高速运动将液体粉碎成小颗粒的喷嘴不同，超声雾化喷嘴是利用较低的超声波振动能量来进行液体雾化的。液体可通过自身重力或低压液泵传送到喷嘴并实现连续或间断性雾化。与传统压力喷头相比，超声波雾化喷嘴的给液通道相对比较大，从而达到无堵塞喷雾。超声波喷头雾化颗粒大小基本上是工作频率的函数，频率越高，雾化颗粒越小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声雾化碳纤维原丝上油装置及方法。该方法采用蒸汽雾化原理，实现碳纤维原丝用油剂分散均匀，油剂浓度配比可控，原丝上油均匀、含油率稳定，进一步减少纤维表面缺陷，提高其性能。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种超声雾化碳纤维原丝上油装置，包括

油槽，油槽内设置多根导丝辊，纤维束通过导丝辊进行上油；

油罐，所述的油罐里放置浓油剂，油罐连接泵二，泵二连接流量控制器，流量控制器连接油水混合器，油水混合器连接管道二，管道二连通至油槽，油水混合器连接流量控制器三，流量控制器三连接泵三。

油槽连接管道一，泵一连接管道一，管道一连接流量控制器一，流量控制器一连接变频换热器，变频换热器连接超声波雾化喷嘴。

油槽上还设有液位控制器，当配好的油剂达到设定最高和最低液位，当液位达到最高值时，泵二和泵三自动停止抽水和抽油；当液位达到最低值，泵二和泵三自动开始抽水和抽油。

作为优选方式，变频换热器设定温度20～30℃。

作为优选方式，超声波雾化喷嘴包括喷嘴振芯、信号接收器、压片陶瓷换能器和微孔雾化片，超声波雾化喷嘴顶部为油剂入口，油剂入口连接喷嘴振芯，喷嘴振芯内侧设置信号接收器、压片陶瓷换能器，超声波雾化喷嘴底部设置微孔雾化片。

作为优选方式，信号接收器传输1～10MHz频率至压片陶瓷换能片，再将能量传至喷嘴振芯。

作为优选方式，油剂粒径D＝0.34(8×π×σ/ρ×f

作为优选方式，微孔雾化片孔目数为500～800目。

超声雾化碳纤维原丝上油方法，包括以下步骤：

将油罐里固含量20～30％的浓油剂通过泵，在经过流量控制器与通过泵，经过流量控制器的水在油水混合器中搅拌均匀，制备质量浓度为0.3～3.0％的油剂，再从管道流至油槽；待油剂达到油槽液位后，泵二和泵三停止工作，再由油槽1通过管道由泵一抽取，经过流量控制器，经变频换热器调整油剂温度，最后送至超声波雾化喷嘴中，油剂经过利用超声波的能量作用被打散成20～60μm大小的液珠，由微孔雾化片喷洒到丝束表面。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明采用超声雾化原理对聚丙烯腈基碳纤维原丝进行上油，油水配比相对于人工控制更精密，且油剂颗粒大小可控，上油后形成的油膜均匀性提升60-80％，进一步保护纤维，减少纤维粘连等问题，同时相对于传统浸润式上油，超声雾化上油的丝束不会带走油剂，节约50-80％油剂成本，也能减少仪器清理次数。丝束经过烘干工段致密化后，表面缺陷减少60-90％。

附图说明

图1是本发明超声雾化碳纤维原丝上油装置立体图。

图2是本发明超声波雾化喷嘴结构分解图。

图3是现有浸润式上油方法与本发明超声雾化上油后原丝电镜结果对比图。

图中：1-油槽；2-纤维束；3-导丝辊；4-管道一、13-管道二；5、泵一；8、泵二；10-泵三；6、流量控制器一；9、流量控制器二；11-流量控制器三；7-油罐；12-油水混合器；14-变频换热器；15-超声波雾化喷嘴；16-液位控制器；17-油剂入口；18-喷嘴振芯；19-信号接收器；20-压片陶瓷换能器；21-微孔雾化片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步阐述。

一种超声雾化碳纤维原丝上油装置，包括

油槽1，油槽1内设置多根导丝辊3，纤维束2通过导丝辊3进行上油；

油罐7，所述的油罐7里放置浓油剂，油罐7连接泵二8，泵二8连接流量控制器9，流量控制器9连接油水混合器12，油水混合器12连接管道二13，管道二13连通至油槽1，油水混合器12连接流量控制器三11，流量控制器三11连接泵三10。

油槽1连接管道一4，泵一5连接管道一4，管道一4连接流量控制器一6，流量控制器一6连接变频换热器14，变频换热器14连接超声波雾化喷嘴15。

油槽1上还设有液位控制器16，当配好的油剂达到设定最高和最低液位，当液位达到最高值时，泵二8和泵三10自动停止抽水和抽油；当液位达到最低值，泵二8和泵三10自动开始抽水和抽油。

变频换热器14设定温度20～30℃。超声波雾化喷嘴15包括喷嘴振芯18、信号接收器19、压片陶瓷换能器20和微孔雾化片21，超声波雾化喷嘴15顶部为油剂入口17，油剂入口17连接喷嘴振芯18，喷嘴振芯18内侧设置信号接收器19、压片陶瓷换能器20，超声波雾化喷嘴15底部设置微孔雾化片21。信号接收器19传输1～10MHz频率至压片陶瓷换能片20，再将能量传至喷嘴振芯18。油剂粒径D＝0.34(8×π×σ/ρ×f2)1/3，其中σ为油剂张力，ρ为油剂密度，f为频率。微孔雾化片21孔目数为500～800目。本发明所用的为本领域通用的氨基改性硅油类油剂，该油剂用于调节原丝表面摩擦性，防止或消除静电积累，并赋予原丝以平滑、柔软、抱合等特性。该油剂(羟基氨基+聚醚改性硅油)由多组分构成，以重量份数计包括以下组分：35-65份羟基氨基改性聚二甲基硅氧烷A；35-50份聚醚改性聚二甲基硅氧烷B；乳化剂C：10-20份脂肪醇聚氧乙烯醚。除了该油剂，其他油剂也可以应用到本发明中。

本发明装置包括油剂输送系统，油槽和上油装置组成。其工作原理是利用较低的超声波振动能量，将油剂打散，形成微小颗粒，油剂可通过自身重力或低压液泵传送到喷雾头并实现连续或间断性雾化，从而使油剂均匀地附着再纤维表面。油剂输送系统中，油罐里的浓油剂通过泵，在经过流量控制器与通过泵，经过流量控制器的水在油水混合器中搅拌均匀，制备浓度为0.3～3.0％的油剂，再从管道流至油槽。待油剂达到油槽液位后，抽取油水泵停止工作。油槽中油剂通过管道由泵抽取，经过流量控制器，再经过变频换热器，输送至超声波雾化喷嘴中。油槽上还设有液位控制器，当配好的油剂达到设定最高和最低液位，当液位达到最高值时，泵自动停止抽水和抽油；当液位达到最低值，泵自动开始抽水和抽油。信号接收器传输1～10MHz频率至压片陶瓷换能片，再将能量传至喷嘴振芯。油剂经过利用超声波的能量作用被打散成20～60μm大小的液珠，由微孔雾化片喷洒到丝束表面，完成上油。

实施例1

将固含量30％的浓油投入油桶中，调整流量控制器，使油水比例为1：19，配置1.5％质量浓度的油剂，经过油水混合器混合均匀后送至油槽中，再由油槽抽油泵抽取，经变频换热器调整油剂温度至20℃，最后送至超声波雾化喷嘴中，频率调整至1MHz，油剂表面张力为21×10

实施例2

将固含量30％的浓油投入油桶中，调整流量控制器，使油水比例为1：14，配置2％质量浓度的油剂，经过油水混合器混合均匀后送至油槽中，再由油槽抽油泵抽取，经变频换热器调整油剂温度至25℃，最后送至超声波雾化喷嘴中，频率调整至10MHz，油剂参数同实施例1，油剂经过超声波的能量作用被打散成27μm大小的液珠，由800目微孔雾化片喷洒到丝束表面，完成上油，经电镜观察纤维表面光滑，说明丝束表面油剂成膜性良好，含油率检测结果为0.85％，符合生产所需的要求，相较于现有的上油方式能够节省油剂成本80％。

实施例3

将固含量25％的浓油投入油桶中，调整流量控制器，使油水比例为1：12.5，配置2％质量浓度的油剂，经过油水混合器混合均匀后送至油槽中，再由油槽抽油泵抽取，经变频换热器调整油剂温度至25℃，最后送至超声波雾化喷嘴中，频率调整至10MHz，油剂参数同实施例1，油剂经过超声波的能量作用被打散成27μm大小的液珠，由800目微孔雾化片喷洒到丝束表面，完成上油，经电镜观察纤维表面光滑，说明丝束表面油剂成膜性良好，含油率检测结果为0.85％，符合生产所需的要求，相较于现有的上油方式能够节省油剂成本70％。

对比例1

将固含量为25％的浓油剂油罐中与水混合，配置浓度为1.5-2.5％的油剂。循环泵将油剂打入油槽，丝束直接通过滚轴浸渍在油剂中，2-6秒后出油槽，经过压辊，仍有油剂被带出，经电镜观察，纤维表面有油斑和油块，这说明该方法上油不均匀。原丝含油率检测结果为0.9％，现有的上油方式相较于本发明的上油方式，油剂成本增加73％。

图3是现有浸润式上油方法与本发明超声雾化上油后原丝电镜结果对比图。其中3a、b、c图为现有浸润式上油方法生产的原丝的电镜图，可以看到，纤维表面有油块、毛刺、油斑，油剂成膜性差，纤维出现并丝；图3d、e、f为超声雾化上油后生产的原丝电镜图，原丝表面无毛刺，成膜性好，无粘连现象。