碳纤维纺丝原液

腈纶纺丝原液精密过滤技术的研究刘强 【摘要】：碳纤维是现代国防飞机、航空航天、新型建材和高档体育用等工业所需的重要高科技术新材料,腈纶是生产碳纤维的原丝。国外碳纤维能够生产T700,国内碳纤维只能生产T300,远远落后国外水平,其主要原因是腈纶生产中的过滤环节,腈纶纺丝原液中含有的杂质特别是凝胶粒子严重影响碳纤维品质。国内现有腈纶纺丝原液过滤设备主要是板框压滤机,存在污染严重等问题且最高过滤精度为10μm,国外腈纶纺丝原液过滤采用新的过滤方式,过滤精度能达到5μm以下,因此腈纶纺丝原液过滤问题已成为亟待研究的重要问题,课题重点研究腈纶生产过程中纺丝原液凝胶粒子的精密过滤技术。 本文分析了凝胶粒子过滤机理,包括凝胶粒子性质、产生原因、主要停留位置以及影响其过滤的因素等,综合上述分析,提出一种采用深层过滤方法,使用烧结金属纤维毡的过滤介质,以及增加反冲洗模式的过滤方式。新的过滤方式既能弥补板框压滤机的缺点,又能对凝胶粒子起到很好的过滤效果。 基于新的过滤方式,并根据过滤粘胶纤维的兰精公司KKF18的工作原理图,本文设计了一种新的过滤结构,建立了Pro/ENGINEER整体模型。基于Polyflow研究了新过滤器在过滤腈纶纺丝原液的过滤机理,结果表明只要增大电动机的转矩,此过滤器能过滤腈纶纺丝原液。 压差对于凝胶粒子溶液的过滤机理具有重要影响。本文对新设计过滤器的流道和KKF 18的流道进行压差的比较,分别建立腈纶纺丝原液在圆柱孔(新过滤器)和锥形孔(KKF18)流动的数学模型,建立了圆柱孔和锥形孔的Pro/ENGINEER三维实体模型,用Polyflow软件研究了溶液通过两种模型的过滤效果,结果表明达到同一过滤效果的情况下,锥形孔支撑筒要建立的压差为1.548MPa,而圆柱孔支撑筒需建立的压差为0.35MPa,从而说明圆柱孔更适合腈纶纺丝原液的过滤。 为了分析凝胶粒子在新的过滤方式中过滤机理,本文建立了凝胶粒子在腈纶纺丝原液流动以及在过滤网被截留时的数学模型,分析表明凝胶粒子在腈纶纺丝原液中的速度、加速度与原液的速度、加速度,并且同时与凝胶粒子的粒径相关,原液的速度与加速度越大,凝胶粒子的速度也越大；凝胶粒子的粒径越大,其流动速度也越大。建立了滤网流道Gambit模型,然后用Fluent软件模拟含有凝胶粒子以及腈纶纺丝原液的两相流通过不同过滤精度的烧结金属纤维网的情况,结果验证了数学模型的正确性,表明过滤网孔径的减小即过滤精度的提高对凝胶粒子的过滤起到重要的作用。 通过对课题的研究,设计了腈纶纺丝原液过滤器,模拟了腈纶纺丝原液和凝胶粒子在过滤器中流动过程,具有工程指导价值,对碳纤维的生产有重要的意义。【关键词】：腈纶纺丝原液 凝胶粒子 精密过滤 Polyflow Fluent 【学位授予单位】：东华大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2011【分类号】：TQ342.31【目录】： 摘要5-7ABSTRACT7-11第一章 绪论11-171.1 研究背景与意义11-121.2 研究现状12-141.2.1 腈纶生产中过滤技术现状12-131.2.2 过滤对象的研究现状13-141.3 研究内容、研究方法和创新点14-171.3.1 研究内容14-151.3.2 研究方法15-161.3.3 创新点16-17第二章 凝胶粒子过滤机理研究17-272.1 凝胶粒子主要特征、产生原因与主要停留位置17-202.1.1 凝胶粒子主要特征17-192.1.2 凝胶粒子产生原因192.1.3 凝胶粒子主要停留位置19-202.2 过滤方式与过滤介质选择2

材料之王-----碳纤维碳纤维－－是由有机母体纤维（例如粘胶丝、聚丙烯腈或沥青）采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下制成的。其结果是除碳以外的所有元素都予以去除。碳纤维呈黑色，坚硬，具有强度高、重量轻等特点，是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景，综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能， 不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。 　碳纤维的用途主要是利用其"轻而强"和"轻而硬"的力学特性，广泛应用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料；利用其尺寸稳定性，应用于宇宙机械、电波望远镜和各种成型品；利用其耐疲劳性，应用于直升飞机的叶片；利用其振动衰减性，应用于音响器材；利用其耐高温性，应用于飞机刹车片和绝热材料；利用其耐药品性，应用于密封填料和滤材；利用其电气特性，应用于电极材料、电磁波屏蔽材料、防静电材料；利用其生体适应性，应用于人工骨、韧带；利用其 X-光透过性，应用于 X-光床板等。 　　此外，还可以活化成活性碳纤维，应用于各种吸附领域。具体应用例如：①钓鱼杆现年产量约1200万只，年碳纤维用量1200t；②高尔夫球杆随着轻量化和长尺寸化的要求，现已占碳纤维体育用品用途的50％，年碳纤维用量为2000t；③网球拍的年市场规模约为450万只，年碳纤维用量约500t；④飞机方面，小型商务机和直升飞机的复合材料用量已占70％一80％，军用机30％一40％，大型客机15％一20％；⑥人造卫星结构体、太阳能电池板和天线要用高模碳纤维，先进的运载火箭和导弹壳体、发射筒等要用800H和 T300碳纤维等；⑥土木建筑领域，已用于补修加工用片材、建筑部件、代钢筋材料、屋顶构架材料等；⑦能源领域，已用于汽车的压缩天然气罐和风车叶片(长达30-40m)、海底油田管道、升降机等；⑧交通运输方面，已应用于赛车、汽车传动轴、大型卡车车体等；⑨电子电器领域，已应用于增强热塑性树脂的挤出成型品，如抗静电 IC盘、笔记本电脑的筐体，具有电磁波屏蔽效果；⑩其它，还有X-射线盒、医用床板、印刷、制膜、造纸等用的各种滚轴、空气或氧气呼吸用压力容器等等。 碳纤维产业是由原丝（PAN）生产再到预浸料再到具体的终端产家这么一个产业链。目前, 原丝的售价是40元～50元/公斤,碳纤维为200元/公斤,预浸料为500元/公斤,每一级的深加工都有高幅度的增值。　　我国碳纤维的生产和使用尚处于起步阶段, 国内碳纤维生产能力仅占世界高性能碳纤维总产量的0.4％左右,国内用量的90％以上靠进口。而PAN 原丝质量一直是制约我国碳纤维工业规模化生产的瓶颈。另外,碳纤维长期以来被视为战略物资,发达国家一直对外实行封锁。因此,有关专家认为,强化基础研究是创新之本, 是发展国内碳纤维工业的根本出路。 美国联合碳化物公司（UCC）于1959年开始最早生产粘胶基碳纤维，五六十年代是粘胶基碳纤维的鼎盛时期，虽然时期已开始衰退，但是它作为耐烧蚀材料至今仍占有一席之地。1959年，日本研究人员发明了用聚丙烯腈（PAN）原丝制造碳纤维的新方法。在此基础上，英国皇家航空研究院研制出了制造高性能PAN基碳纤维的技术流程，使其发展驶入了快车道，PAN基碳纤维成为当前碳纤维工业的主流，产量占世界总产量的90%左右。1974年，美国联合碳化物公司开妈了高性能中间相沥青基碳纤维Thornel-35的研制，并取得成功。目前Thornel-P系列高性能沥青碳纤维仍是最好的产品，这样就形成了PAN基、沥青基和粘胶基碳纤维的三大原料体系。 　　世界碳纤维的主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团和美国的卓尔泰克（ZOLTEK）、阿克苏（AKZO）、阿尔迪拉（ALDILI）和德车的SGL公司等。其中日本三大集团占世界生产能力的75%。世界CT型碳纤维总生产能力为22100吨/年，LT型碳纤维总生产能力为9550吨/年；实际生产量约为7000吨/年。 　　在20世纪90年代中期以前，军事工业、航天与航空工业与体育休闲业一直是CT型碳纤维的主要市场。自1996年美国成功地将LT型碳纤维工为化以后，CT型碳纤维与LT型碳纤维竞争十分激烈。 　　当前世界上PAN基炭纤维正处于迅速增长的发展期：产品性能趋向于高性能化，T700S加快取代T300作通用级炭纤维；产量增加较快，1996~2000增长48.1%；航天航空和体育用品用量增加稳定，民用工业用量增幅较大，已超过前两者，特别是随着大丝束炭纤维的大规模生产，价格的降低，民用工业需求增加迅猛。