В настоящем изобретении предлагается способ и устройство для собирания и укладки вытягиваемых потоком газа волокон, которые практически не имеют перегибов и перекручиваний. Кроме того, в настоящем изобретении предлагается способ и устройство для собирания волокон в практически неперепутанную или двумерную конфигурацию.
Способы и устройства для вытягивания волокон потоком газа хорошо известны. Как известно, материал, из которого получают волокна, нагревается до температуры, при которой он становится текучим. Затем этот материал пропускают, обычно под давлением, через формующую головку, которая имеет одно или несколько капиллярных отверстий. На выходе из капилляра из материала получается волокно. На вышедшее из капилляра волокно воздействуют средством для вытягивания, которое обычно представляет собой газ. Средство для вытягивания растягивает или натягивает волокно, увеличивая его длину и уменьшая диаметр.
Для изготовления вытягиваемых потоком газа волокон используются различные типы формующих головок. Обычно для этой цели используют угловые и щелевые головки. Угловые и щелевые головки отличаются по типу направления вытягивающего волокно газа на выходящее из головки волокно. Настоящее изобретение в этом отношении относится ко всем типам формующих головок с вытягиванием волокна потоком газа.
В известных способах вытяжки вытянутые волокна после удлинения попадают на подложку. В зависимости от состава материала волокон последние при этом получаются в той или иной степени изогнутыми или скрученными и хаотически собираются друг с другом в один трехмерный пучок. Одной из главных причин, от которых это зависит, является возникновение турбулентности в потоке вытягивающего волокно газа.
Таким образом, в настоящем изобретении предлагается способ и устройство для укладки и собирания по существу прямых вытягиваемых потоком газа волокон. Кроме того, предлагаемые в настоящем изобретении способ и устройство предусматривают относительно двумерное собирание волокон практически без их перепутывания друг с другом.
В настоящем изобретении предлагаются способ и устройство для укладки и собирания вытягиваемых потоком газа волокон. В соответствии с предлагаемым в настоящем изобретении способом вытягиваемый в волокно материал нагревают до температуры, достаточной для того, чтобы он стал текучим. После достижения требуемой температуры материал под давлением пропускают через формующую головку с вытягиванием волокон потоком газа. После прохождения материала под давлением через капиллярное отверстие головки из него получается волокно. Полученные волокна вытягиваются за счет воздействия на них средством для вытягивания. Обычно в качестве такого средства используется поток газа.
Хотя указанные выше операции хорошо известны в технике, тем не менее в настоящем изобретении предлагаются способ и устройство, позволяющие исключить изгиб, перекручивание и спутывание вытягиваемых потоком газа волокон. В соответствии с предлагаемым в настоящем изобретении способом волокна после первоначальной вытяжки попадают в зону термоотверждения и проходят через нее. Во избежание образования изгибов и перекручиваний волокно в этой зоне должно быть прямым.
По настоящему изобретению относительно прямолинейная форма волокна во время термоотверждения обеспечивается натяжением волокна, уменьшающим или полностью нейтрализующим влияние турбулентности. В предпочтительном варианте изобретения натяжение волокна создается за счет воздействия на него в процессе термоотверждения вторым потоком газа. Второй поток газа воздействует на волокно либо до, либо после, либо во время вхождения волокна из трубки Вентури. Поскольку скорость газа второго потока превышает скорость движения волокна, то волокно за счет этого остается относительно прямым вплоть до его окончательного термоотверждения. В зависимости от места подвода второго потока газа, скорости и свойств материала, из которого получают волокно, второй поток газа может в той или иной степени обеспечить дальнейшее удлинение волокна. На этой стадии процесса получаемое волокно по существу является полностью термоотвержденным и практически не имеет изгибов и перекручиваний.
Второй поток газа может представлять собой поток газа, жидкости или даже пара. Кроме того, второй поток газа может представлять собой не один, а несколько отдельных потоков газа. В дальнейшем, однако, говоря о составе и количестве потоков, которые создают натяжение волокна, имеется в виду второй газовый поток или второй поток газа.
В изобретении под зоной термоотверждения понимается участок, где происходит термоотверждение волокна. Зона термоотверждения расположена на участке, который непосредственно примыкает к выходу из капилляра и отходит на некоторое расстояние от него. Фактическая протяженность зоны термоотверждения зависит от режима вытягивания волокон, температуры второго потока газа и природы сырья. Зона термоотверждения может находиться в пределах трубки Вентури; однако обычно она не находится за ее пределами.
После выхода из трубки Вентури волокна попадают в диффузионную камеру или участок. В диффузионной камере происходит диссипация потока вытягивающего волокна газа. За счет этого в соответствии с настоящим изобретением уменьшается перепутывание волокон при их собирании на расположенной под диффузионной камерой и предназначенной для укладки волокон подложке.
По настоящему изобретению предлагается, кроме того, устройство для изготовления сравнительно прямых вытягиваемых потоком газа волокон. Это устройство также обеспечивает собирание волокон практически без всякого перепутывания их друг с другом. Устройство имеет трубку Вентури, диффузионную камеру или участок и подложку для укладки или собирания волокон.
Как известно, формующая головка с вытягиванием волокон потоком газа имеет по крайней мере одно формирующее волокно капиллярное отверстие. Обычно количество капилляров в головке ограничивается только экономическими соображениями. Кроме того, формующая головка с вытяжкой волокон потоком газа имеет устройство для направления потока газа на выходящие из капилляров волокна.
По настоящему изобретению под формующей головкой располагается трубка Вентури. Эта трубка имеет сквозное отверстие, в которое попадает вышедшее из капилляра волокно. Трубка Вентури может иметь устройство для создания вытягивающего волокно второго потока газа. Альтернативно этому для создания второго потока газа можно использовать внешнее устройство, которое направляет второй поток газа вдоль находящегося в трубке Вентури волокна. Второй поток газа удерживает термоотверждающееся волокно в относительно прямом состоянии. Кроме того, второй поток газа дополнительно вытягивает волокно. Источником второго потока газа может быть воздуходувка, вакуумный насос или другое создающее поток газа устройство.
Диффузионная камера или зона расположена под трубкой Вентури и/или рядом с ней. Диффузионная камера обеспечивает диссипацию потока газа без перепутывания волокон. При наличии диффузионной камеры волокна без перепутывания попадают и собираются на подложке. Получаемые и собираемые с помощью такого устройства волокна являются относительно прямыми и неперепутанными. Диффузионную камеру или участок можно выполнить как часть трубки Вентури или в виде отдельного устройства, расположенного рядом с трубкой Вентури.
Предлагаемое в настоящем изобретении устройство можно также снабдить вытяжным каналом. Вытяжной канал расположен рядом с диффузионной камерой и снабжен подложкой. Форма выполнения подложки может быть различной, в том числе в виде транспортерной ленты для осуществления непрерывного процесса производства волокон. Предпочтительно подложку выполнить пористой с возможностью прохождения газа через нее при нахождении на ней волокон.
В устройстве по настоящему изобретению также можно предусмотреть наличие вакуум-насоса, соединенного с вытяжным каналом. Создаваемое в вытяжном канале с помощью вакуум-насоса разряжение способствует собиранию волокон в двумерный формат. В одном из вариантов изобретения вакуум-насос обеспечивает прокачку через трубку Вентури такого количества воздуха или газа, которое достаточно для поддержания прямолинейной конфигурации волокон. И, наконец, соединив вакуум-насос с формующей головкой, можно использовать создаваемое им давление для образования всего или части используемого в процессе вытяжки волокна первого потока газа.
На фиг. 1 показан боковой разрез предлагаемого в изобретении устройства, включающего формующую головку, трубку Вентури, диффузионную камеру, вытяжной канал и подложку для укладки волокон.
На фиг. 2 показан боковой разрез предпочтительного варианта трубки Вентури и диффузионной камеры.
На чертежах показано предлагаемое в настоящем изобретении устройство 10 для вытягивания и собирания относительно прямых волокон в относительно неперепутанный двумерный формат. Устройство 10 состоит из головки 20 для формирования вытягиваемых потоком газа волокон, трубки Вентури 40, диффузионной камеры 60 и подложки 65 для укладки волокон. Предлагаемое в настоящем изобретении устройство может иметь вытяжную камеру 80 и устройство для создания потока движущегося газа (не показано). В качестве такого устройства можно использовать вакуум-насос, воздуходувку или другое предназначенное для этой цели устройство.
Как известно, для вытягивания волокон материал, из которого они получаются, необходимо нагреть до температуры, достаточной для его прохождения через капиллярное отверстие. Устройство для нагревания вытягиваемого в волокно материала можно расположить либо вне формующей головки, либо внутри нее. Поскольку способы и устройства для вытягивания потоком газа хорошо известны, то они подробно не описаны. Такие способы и устройства подробно описаны в патентах США 3755527; 4526733; 4818463 и в статье "Superfine Thermoplastic Fibers", Van A. Wente, Industrial Engineering Chemistry, т. 48, стр. 1342 (1956), которые включены в настоящее описание в качестве ссылок.
Под формующей головкой 20 расположена трубка Вентури 40. Обычно трубка Вентури 40 имеет длину около четырнадцати дюймов или меньше. В зависимости от исходного сырья, из которого изготавливают волокно, трубку Вентури 40 и формующую головку 20 можно выполнить либо в виде одного блока, либо в виде двух отдельных состыкованных друг с другом устройств. Предпочтительно, однако, между головкой 20 и трубкой Вентури 40 оставить некоторое свободное пространство, образованное отверстием 27. Протяженность отверстия 27 зависит от таких факторов, как определяющие способность к термоотверждению свойства вытянутого волокна и степень его охлаждения вторым потоком газа. Обычно отверстие 27 имеет протяженность приблизительно от 0,25 до 100 дюймов. В том случае, например, когда волокна вытягиваются из сольватированной мезофазной смолы, протяженность отверстия составляет приблизительно от двух до четырех дюймов. Однако для других видов сырья протяженность отверстия может даже превышать 100 дюймов. Приготовление сольватированной мезофазной смолы описано в патенте США 5259947 и в заявке на патент США 08/135204, поданной 12 октября 1993 г. и озаглавленной "Усовершенствованный способ приготовления сольватированной мезофазной смолы", которые включены в настоящее описание в качестве ссылок.
Для углеродистого волокна, вытягиваемого из сольватированной мезофазной смолы, участок между формующей головкой и трубкой Вентури является обычно зоной термоотверждения волокна. Однако для некоторых волокон их термоотверждение может происходить и внутри трубки Вентури. Как отмечено выше, зона термоотверждения представляет собой участок, где волокно становится термоотвержденным.
Трубка Вентури 40 имеет канал 42, проходящий по всей ее длине. Канал 42 имеет первый открытый конец 41 и второй открытый конец 43. Канал 42 находится под капилляром 22 и в него поступают вытягиваемые волокна. Трубка Вентури 40 может иметь два или более сопла 44 и 45, через которые на проходящие через канал 42 вытягиваемые волокна направляется поток газа. Сопла 44 и 45 можно выполнить либо выступающими в канал 42, либо заподлицо с его стенками. Сопла 44 и 45 сообщаются с коллектором 46, расположенным внутри трубки Вентури 40. В коллектор 46 сжатый газ подается по каналу 47 от внешнего источника (не показан).
В предпочтительном варианте и, в частности, когда волокна вытягиваются из сольватированной мезофазной смолы, устройство 10 расположено внутри герметичной камеры (не показана) с нейтральной атмосферой. При вытягивании волокон из сольватированной мезофазной смолы герметичную камеру целесообразно заполнить инертным газом, например, азотом. Кроме того, в предпочтительном варианте конструкции целесообразно подавать сжатый газообразный азот в трубку Вентури 40 через ее открытый конец 41. Газ вместе с вытягиваемым волокном попадает внутрь трубки и образует второй поток газа, который физически стабилизирует волокна до их окончательного термоотверждения. При этом второй поток газа, проходящий вместе с волокном через трубку Вентури 40, натягивает волокно и уменьшает или нейтрализует эффект влияния на волокно турбулентности, которая в той или иной степени является причиной возникновения в волокне перегибов и перекручиваний. Кроме того, в этом предпочтительном варианте, как показано на фиг. 2, отпадает необходимость в размещении внутри трубки Вентури сопел 44 и 45, коллектора 46 и канала 47.
Под трубкой Вентури 40 расположена примыкающая к ней диффузионная камера или участок 60. В диффузионной камере 60, в которую из канала 42 поступает термоотвержденное волокно, происходит диссипация потока газа. Как показано на чертеже, диффузионная камера 60 имеет внутренний канал 62, площадь поперечного сечения которого постепенно увеличивается от первого открытого конца 63, примыкающего к каналу 42, ко второму открытому концу 64. Такое постепенное увеличение площади поперечного сечения канала вокруг проходящего через диффузионную камеру 60 волокна обеспечивает диссипацию скорости и кинетической энергии потока газа. Такая постепенная диссипация энергии второго потока газа минимизирует и практически исключает возникновение турбулентности вокруг волокна.
Очевидно, что такой же эффект может быть достигнут и другими конструктивными решениями, в частности путем выполнения диффузионной камеры с постоянным поперечным сечением и постепенно по мере своей протяженности сообщающейся с атмосферой. Примерами таких камер могут служить сетчатые или перфорированные камеры. Кроме того, настоящее изобретение предусматривает выполнение трубки Вентури и диффузионной камеры в виде одного общего блока. Помимо этого в ряде случаев может возникнуть необходимость обеспечить нагрев стенок диффузионной камеры 60 во избежание конденсации на них мономера и/или используемого для вытягивания волокон или сольватирования смолы растворителя.
Под диффузионной камерой 60 расположена подложка 65. Подложка 65 предпочтительно выполняется таким образом, что поток газа может свободно проходить через нее. Подложку можно выполнить в виде сетки, пластины или ленты. Наиболее целесообразным является выполнение подложки 65 в виде транспортерной ленты, которая, перемещая волокна от устройства 10, позволяет осуществить непрерывный процесс производства волокон. Устройство 10 можно выполнить с вытяжным каналом 80. При наличии вытяжного канала 80 подложку 65 располагают внутри или, как показано на чертеже, она проходит через канал 80. Вытяжной канал 80 имеет отверстие 83, которое охватывает конец 64 диффузионной камеры 60. Под концом 64 расположена подложка 65. Отверстие 83 позволяет волокнам проходить через диффузионную камеру 60 и попадать на подложку 65. Вытяжной канал 80 имеет также отверстие 86, через которое осуществляется вентиляция газов в атмосферу. Эти газы могут вновь поступать к источнику газа, в котором их давление вновь повышается, после чего сжатый газ подается либо в формующую головку 20, либо в трубку Вентури 40. В том случае, когда подложка 65 выполнена в виде транспортерной ленты, вытяжной канал 80 снабжается выполненными в виде элементов качения уплотнениями 82 или другими соответствующими устройствами, позволяющими при вытяжке через этот канал газа пропускать через него транспортерную ленту вместе с собирающимися на ней волокнами, при этом не нарушается прохождение потока газа по каналу 80.
В устройстве 10 может быть предусмотрено наличие системы, обеспечивающей прохождение через него газа (не показана). Эта система должна иметь отверстие пониженного давления и отверстие избыточного давления. Обычно для создания потока газа используется вакуум-насос или воздуходувка, сторона пониженного давления которого через вытяжное отверстие 86 сообщается с вытяжным каналом 80. В такой конструкции вакуум-насос помимо всего прочего обеспечивает прохождение газа через собирающиеся на подложке 65 волокна. Прохождение газа через волокна способствует собиранию волокон в двумерный формат. Отверстие избыточного давления можно соединить с источником газа, подаваемого в формовочную головку, осуществляя рециркуляцию газа, используемого в процессе вытяжки волокон.
Ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи рассмотрен предлагаемый в настоящем изобретении способ укладки и собирания на подложке относительно прямых неперепутанных вытягиваемых потоком газа волокон. Согласно настоящему изобретению в частности предусматривается изготовление углеродистых волокон из сольватированной смолы, в том числе и из сольватированной мезофазной смолы. В дальнейшем в описании подробно рассматривается вопрос собирания волокон, вытянутых из сольватированной мезофазной смолы, однако, для любого специалиста в данной области техники очевидно, что настоящее изобретение может найти применение и в других областях, относящихся к вытяжке волокон потоком газа.
Предлагаемый в настоящем изобретении процесс начинается с нагревания вытягиваемого в волокна материала, в частности сольватированной мезофазной смолы, до температуры, достаточной для того, чтобы его можно было пропустить через капилляры в формовочной головке, предназначенной для вытягивания волокна потоком газа. Методы нагревания и пропускания вытягиваемого в волокно материала через капилляр хорошо известны в данной области технике и в данном случае подробно не описаны. Кроме того, хорошо известно, что на выходе из капилляра головки вытягиваемое потоком газа волокно подвергается воздействию потока газа. В обычной щелевой головке газ направляется на волокно по крайней мере из двух каналов. В кольцевых головках газ проходит через один канал, который расположен вокруг капилляра. В любом случае поток газа вытягивает выходящее из капилляра волокно. После вытягивания волокно становится более тонким и более длинным.
При вытяжке потоком газа волокон из углеродистой смолы известными до настоящего времени способами обычно получали изогнутые и перекрученные углеродистые волокна. Причиной таких перегибов и перекручиваний волокон является турбулентность, создаваемая потоком воздействующего на волокно газа. Поскольку образование перегибов и перекручиваний происходило до и во время термоотверждения волокна, то и готовые волокна также получались изогнутыми и перекрученными. Такие волокна с большим трудом поддаются собиранию и обычно из них образуется имеющая низкую плотность трехмерная масса, состоящая из перепутанных волокон.
Предлагаемый в настоящем изобретении способ позволяет осуществить собирание относительно прямых волокон в практически неперепутанный двумерный формат. В соответствии с этим способом вытягиваемые потоком газа волокна, вышедшие из формовочной головки, проходят через зону термоотверждения, как это описано выше, и попадают в трубку Вентури. Перемещение волокон внутри трубки Вентури происходит под действием второго потока газа. Поскольку скорость второго потока газа превышает скорость движения волокон, то процесс термоотверждения происходит в волокнах, в которых за счет этой разницы скоростей создается натяжение. Иначе говоря, второй поток газа удерживает термоотверждающиеся волокна в относительно прямолинейном состоянии.
При определенном составе волокон процесс термоотверждения происходит обычно до их попадания в трубку Вентури. Однако независимо оттого, в какой зоне происходит термоотверждение волокон, они благодаря натяжению, создаваемому вторым потоком газа, остаются сравнительно прямыми и не имеют перегибов и перекручиваний. Связано это с тем, что в процессе термоотверждения под действием второго потока газа волокна находятся в натянутом состоянии. В предпочтительном варианте газ не изменяет химический состав волокон, однако под действием потока газа из волокон удаляется некоторое количество растворителя. Таким образом, волокна полностью термоотверждаются и остаются при этом прямыми и не имеют заметных перегибов и перекручиваний.
Альтернативно этому, как было указано выше, второй воздействующий на волокна поток газа можно создать внутри трубки Вентури. Действие второго потока газа аналогично описанному выше и заключается в создании в волокнах натяжения и удерживании их в относительно прямом положении до полного термоотверждения. Кроме того, при определенном составе вытягиваемого в волокна материала второй поток газа может обеспечить в трубке Вентури дальнейшее удлинение или вытягивание волокна.
С целью снижения стоимости получаемого волокна необходимо в процессе его изготовления исключить возможность перепутывания волокна при его накапливании на подложке. Для уменьшения или предпочтительно полного исключения перепутывания термоотвержденного волокна в соответствии с настоящим изобретением волокно пропускается через диффузионную камеру или участок. Как уже было отмечено выше, в диффузионной камере происходит диссипация кинетической энергии второго потока газа. В результате этого волокна попадают на подложку неперепутанными и собираются на ней в сравнительно плоский двумерный формат. Предпочтительно подложку выполнить пористой, чтобы газ мог проходить через собирающиеся на ней волокна.
В альтернативном варианте предлагаемый в настоящем изобретении способ предусматривает использование вытяжного канала, сообщающегося с вакуум-насосом или воздуходувкой. В соответствии с этим вариантом волокна, прошедшие через диффузионную камеру, собираются на пористой подложке, расположенной внутри вытяжного канала. В предпочтительном варианте подложка выполняется в виде транспортерной ленты, которая перемещает волокна из вытяжного канала через выполненное в виде элемента качения уплотнение или находящийся под вакуумом кожух.
Вакуум-насос обычно соединяется с вытяжным каналом таким образом, чтобы внутри вытяжного канала можно было создать вакуум. В этом случае вакуум-насос прокачивает дополнительное количество газа через собирающиеся на подложке волокна. Тем самым вакуум-насос способствует собиранию волокон на подложке в двумерный формат.
Кроме того, вакуум-насос вместе с трубкой Вентури препятствует образованию турбулентности вокруг волокна и исключает необходимость создания внутри трубки Вентури второго потока газа. В этом варианте изобретения вакуум-насос прокачивает достаточное количество газа или воздуха через отверстие, расположенное между формующей головкой и трубкой Вентури, препятствуя образованию турбулентности вокруг волокна, обтекаемого вторым потоком газа, который создается в этом случае за счет пониженного, а не повышенного давления. Второй поток газа проходит внутри трубки Вентури вдоль волокна и удерживает его в прямолинейном состоянии до полного термоотверждения. Наконец, использование вакуум-насоса позволяет осуществить рециркуляцию газа в любую точку системы.
На основании приведенного выше описания и при практической реализации настоящего изобретения для специалиста в данной области очевидны и другие варианты предлагаемого устройства и способа. При этом следует иметь в виду, что в описании были рассмотрены только примеры возможного выполнения изобретения, основная идея и сущность которого изложены в приведенной формуле изобретения.
Изобретение относится к технологии получения волокон из углеродистой смолы, в том числе из сольватированной мезофазной смолы. Волокна вытягивают по крайней мере одним потоком газа с последующим дополнительным вытягиванием при воздействии на него по крайней мере одним дополнительным потоком газа, создающим в волокне натяжение, причем скорость по крайней мере одного дополнительного потока газа превышает скорость движения волокна. Волокно и дополнительный поток газа пропускают через трубку Вентури и термоотверждают находящееся под натяжением волокно. Дополнительный поток газа можно подвергнуть диссипации, пропуская его и волокно через диффузионную камеру с последующим выводом и собиранием волокна. Смолу можно подавать в капилляр формирующей волокно головки после нагревания до температуры, достаточной, чтобы смола стала текучей. Устройство для вытягивания волокон потоком газа включает формующую головку, имеющую по крайней мере один капилляр с первым отверстием, через которое попадает углеродистая смола, и вторым отверстием, из которого смола в виде волокна выходит из него, приспособление для воздействия на выходящее из капилляра волокно по крайней мере одним потоком вытягивающего газа, трубку Вентури, расположенную под головкой на расстоянии приблизительно 0,25 - 100 дюймов и имеющую сквозной канал с двумя открытыми концами, и устройство для подачи второго дополнительного потока газа в первый открытый конец сквозного канала трубки Вентури. Устройство может дополнительно содержать диффузионную камеру под трубкой Вентури. 3 с. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.
| RU 2052548 C1, 20.01.1996 | |||
| US 3452130 A, 24.06.1969 | |||
| US 4818463 A, 04.04.1989 | |||
| US 3755527 A, 28.08.1973. |
