УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОЙ ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ДЛИННОМЕРНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области производства углеродных волокон, в частности к устройствам непрерывной термоокислительной стабилизации длинномерных волокнистых материалов.
3
Известен способ термоокислительной стабилизации волокон при помощи обдувки материала горячим воздухом. Волокна многократно проходят зоны окисления, через которые продувают воздух с температурой 180-300°С. Поток воздуха используется для темперирования волокна, выполняет роль окислителя, отводит газообразные продукты пиролиза и экзотермическое тепло, выделяющееся при протекании реакций окисления. Процесс продолжают 1,5-10 ч до достижения плотности окисленного волокна 1,3-1,44 г/см.
Устройства для реализации этого способа содержат камеру термоокислительной стабилизации с транспортирующими роликами, средства для циркуляции горячего воздуха и отсоса газовоздушной смеси [1].
Кроме того, устройства могут содержать, например, дополнительное оборудование для формирования волокна, в виде фильер, и средств предварительной обработки, в виде камеры для электростатической обработки волокна [2].
В качестве дополнительного оборудования устройства могут предусматривать, например, средство подачи воздуха, выполненное так, что горячий воздух является направляемым к противолежащей технологической камере стороне обводных роликов, так что горячий воздух обтекает соответствующий обводной ролик и волокна до их входа в технологическую камеру [3].
Помимо прочего, может быть предусмотрена система измерения расхода, посредством которой может быть сформирован профиль потока рабочей атмосферы в условиях обработки и который содержит, по меньшей мере, одну сенсорную систему для определения скорости потока, причем сенсорная система расположена в области датчика между двумя соседними волокнистыми коврами [4].
Наиболее близким по техническому решению (прототип) является камера для непрерывной температурной обработки длинномерного материала, содержащая рабочую часть проходного типа для входа и выхода материала, направляющие валы, средства подачи окислителя, газовой среды и удаления продуктов пиролиза, и нагревательные элементы, в которой рабочая часть состоит из последовательно соединенных секций в виде герметично соединенных между собой центральных, входных и выходных модульных секций с каналами, при этом входные и выходные модульные секции герметично прикреплены торцами к входному и выходному шлюзовым коробам, нижняя секция герметично изолирована, а каналы секций, кроме второй снизу, закрыты на торцах газовыми затворами [5].
Недостатком устройства является отсутствие возможности использования других видов волокон, кроме полиакрилонитрильных (ПАН), заявленных в патенте. Кроме того, требует совершенствования система создания условий термостабилизации волокон.
Целью данного технического решения является диверсификация сырья, используемого в устройстве и снижение энергозатрат процесса окислительной термостабилизации за счет контроля и автоматического регулирования таких параметров как: давление (разрежение) в камерах устройства, температура на входе и выходе волокна из устройства, натяжение волокна, содержание окисляющего агента в газовой среде на входе и выходе.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное решение, заключается в получении непрерывного волокна со стабильными физико-механическими характеристиками из других, отличных от прототипа видов волокон, например, термопластичных волокон (поликапроамидных, ПКА, ПА-6), кроме того, техническое решение способствует увеличению выхода продукта, минимизации энергетических и тепловых потерь, а также улучшению экологической обстановки.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройство непрерывной термоокислительной стабилизации длинномерных волокнистых материалов, содержащее корпус, технологические камеры термостабилизации, как минимум, одно средство организации протока нагревающей (окисляющей) среды (вентилятор, дымосос, эжектор и т.д.), направляющие ролики, предлагается включить дополнительно, как минимум, одну камеру подогрева для сушки и (или) полимеризации (поликонденсации) аппрета (аппретов) и (или) огнезащитных пропиток (покрытий) поступающего на окислительную термостабилизацию волокна.
Кроме того, устройство термоокислительной стабилизации (устройство) включает, как минимум, два средства контроля температуры, установленные на входе и выходе волокна из камер термостабилизации, как минимум, одно средство контроля натяжения волокна. Ошибки в выдержке температурного режима, а также в кратности вытяжки могут обеспечить некачественную окислительную термостабилизацию волокон, что в дальнейшем может отразиться на физико-химических характеристиках полученных углеродных волокон, а также выходе продукта. Кроме того, контроль температуры предупреждает энергетические потери.
При этом устройство оборудовано, как минимум, одним средством контроля пониженного давления (разрежения), что обеспечивает эффективный отвод отработавших газов в выходной патрубок. Таким образом, достигается направленное движение окисляющего агента, организуется управляемый подсос атмосферного воздуха, что способствует уменьшению выбросов.
Вместе с тем устройство включает, как минимум, три газоаналитических прибора, определяющих содержание окисляющего агента в газовой среде на входе и выходе, а также готовность материала к подаче в камеры термостабилизации из камеры сушки. Поддержание на необходимом уровне рабочей концентрации окисляющего агента позволяет увеличить выход продукта, улучшить его физико-механические характеристики, минимизировать энергетические потери.
В том числе устройство оснащено микроконтроллерным программным управлением с блоком сигнализации и блокировки, а также как минимум, одним клапаном (шибером, заслонкой) на одну камеру термостабилизации с автоматическим приводом, обеспечивающим регулирование состава газовой среды, температуры и давления в камерах устройства.
Введение в конструкцию устройства перечисленных выше средств обеспечивает решение поставленной задачи.
Предложенное техническое решение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид заявленного устройства.
Работа устройства непрерывной термоокислительной стабилизации длинномерных волокнистых материалов осуществляется следующим образом:
Перед началом работы обрабатываемый материал с подающего устройства с помощью тянущих 2 и направляющих вальцов 3 протягивают через все каналы устройства непрерывной термоокислительной стабилизации и закрепляют на приемном устройстве. При протяжке волокна система обеспечивает задание и автоматическое поддержание скорости движения и силы натяжения волокна.
Для снижения теплопотерь устройство непрерывной термоокислительной стабилизации футеровано теплоизоляцией 4. В нижнюю часть устройства интегрирована камера сушки 1, снабженная тянущими аппаратами 2, что обеспечивает диверсификацию сырья, используемого в устройстве. Сушка и (или) полимеризация (поликонденсация) предварительно обработанного аппретом (аппретами) и (или) огнезащитной пропиткой (покрытием) длинномерного волокнистого материала осуществляется нагретыми отходящими газами из камер термостабилизации 5, которые движутся в камере сушки 1 противотоком, обеспечивая, в том числе энергоэффективность устройства. Температура в камере сушки 1 на входе волокнистого материала регистрируется датчиками температуры и автоматически поддерживается на уровне 150-180°С. Степень готовности материала к подаче в камеры термостабилизации определяется газоанализатором, установленным в камере сушки 1.
Термоокислительная стабилизация длинномерного волокнистого материала производится в камерах термостабилизации 5 в среде окисляющего агента, который циркулирует противотоком по отношению к движению материала при помощи средства организации протока 6 (вентилятора, эжектора, дымососа и т.д.). Подогретая до 270-300°С обрабатывающая газовая среда перемещается вниз по камерам термостабилизации 5, создавая градиент температур за счет теплообмена с волокнистым материалом. В случае отклонения температурного режима от нормального, регулировку на каждом уровне проводят с помощью электрических нагревателей 7 и контролируемого подсоса атмосферного воздуха при помощи клапанов 8. Количество камер термоокислительной стабилизации 5 зависит от производительности устройства, т.е. от требуемой скорости окисления. После проходов камер 5 и транспортирующих роликов 3 окисленный длинномерный волокнистый материал выводят из устройства и подвергают дальнейшей обработке.
Часть отработавших газов из устройства, при помощи средства организации протока 6 (вентилятора, эжектора, дымососа и т.д.), установленного на входе волокнистого материала в камеру сушки, направляют на газоочистку, остальное - на циркуляцию. Расположение средств организации протока 6 позволяет создать пониженное давление, что исключает рассеивание газообразных веществ через отверстия камеры в окружающую среду.
Для контроля концентрации окисляющего агента, а также готовности материала к подаче в камеры термостабилизации, как минимум на входе и на выходе из устройства, а также на выходе из камеры сушки, установлены газоанализаторы. В том числе в устройстве установлены, как минимум, один датчик контроля пониженного давления (разрежения), два датчика контроля температуры на входе и выходе волокна из камер устройства и средство контроля натяжения волокна. При недостаточной (избыточной) концентрации окисляющего агента, изменения установленных температур среды, давления и других параметров, сигнал подается на модуль микроконтроллерного управления, обеспечивающий контроль, управление, сигнализацию и блокировку.
Источники информации:
1. Конкин, А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы / А.А. Конкин. - М.: Химия, 1974. - с. 200-205.
2. Способ термостабилизации пековых волокон: пат. 2001166 Рос. Федерация: МПК D01F 9/155 / Варшавский В.Я., Лялюшкин А.Я.; заявитель и патентообладатель Варшавский В.Я. - №5030444/05; заявл. 03.03.92; опубл. 15.10.93, Бюл. №37 - 38. - 3 с.
3. Окислительная печь: пат. 2585644 Рос. Федерация: МПК D01F 9/12, D01F 9/32, F26B 13/00, F27B 9/00 / Майнекке Л., Бернер К., Бальцер М.; заявитель и патентообладатель Айзенманн СЕ - №2013139660/05; заявл. 12.01.12; опубл. 27.05.16, Бюл. №15. - 27 с.
4. Oxidation furnace: пат. 2017122664 США: МПК D01F 9/32; F27B 9/28; G01F 1/46 / Lars М.; заявитель и патентообладатель Eisenmann SE - №15/319,985; заявл. 16.06.15; опубл. 4.05.17. - 18 с.
5. Камера для непрерывной температурной обработки длинномерного волокнистого материала: пат. 2423561 Рос. Федерация: МПК D01F 9/22 / Бучнев Л.М., Вербец Д.Б., Конюшенков А.А., Каверов А.Т.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита "НИИграфит" - №2009144473/21; заявл. 02.12.09; опубл. 10.07.11, Бюл. №19. - 7 с.