无浆碳纤维三维防捻转向工业化装置
技术领域
本实用新型涉及碳纤维生产装备领域，具体涉及一种无浆碳纤维三维防捻转向工业化装置
背景技术
无浆碳纤维是各种用途、牌号成品碳纤维的前驱体，是碳纤维生产流程中上浆工序之前、高温碳化之后再经电化学表面刻蚀与水洗烘干工序处理的一种中间品。相对于成品碳纤维外表面有上浆剂保护膜保护与碳化炉工序之前的预氧丝、原丝有机分子链内有柔性基团保护，原生无浆碳纤维是一种无任何保护措施的高度取向的脆性最大的石墨片层骨架材料，其结构在无上浆剂保护情况下极易在三维转向过程中被导辊、导轮的跳动、不平滑转动、不光洁表面、侧向磨擦、垂直于取向既垂直于碳纤维运行方向的扭转与加捻所破坏，获取不易。传统的热固性碳纤维、新出现的热塑性碳纤维与电渡碳纤维、正在开发的陶瓷碳纤维等均需要原生无浆碳纤维，正因此，原生无浆碳纤维也是未来应用潜力最大、应用场景最多也是最难获取的一个新碳纤维品种。
日本三菱丽阳报道了一种‘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’(CN104603351A)专利中仅介绍了碳纤维表面上的上浆剂基团类别主要组份、上浆时间与上浆槽浸长，并未涉及原生无浆碳纤维的来源、状态与装置信息；专利‘试验用碳纤维上浆装置’(CN 205398940 U)涉及到上浆流程、碳纤维纱架，但并未对原生无浆碳纤维的来源作出说明，也未对碳纤维纱架形状、特征、性能、功能、使用方法与材质等权利作进一步要求；专利‘碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法及装置’(CN105348768A)涉及的制备方法与装置为碳纤维退浆、电渡后再上浆。实际应用中一部用户直接使用热固性上浆剂碳纤维来增强热塑性树脂，由于热固上浆剂与热塑性树脂的相容性差，其复合材料因复合界面性能较差无法显著提高材料性能，上浆剂不能承受280℃以上工艺温度，无法增强高温热塑性树脂。而采用500-700℃左右的温度保护氛围中将碳纤维表面的热固性上浆剂裂解，这一退浆过程将使碳纤维的性能不同程度下降，退浆后的碳纤维再进行热塑性上浆剂上浆，不仅生产成本高，退浆处理后的废液因无法回收而成为环保隐患，其复合材料的性能也无法稳定与最优。
传统分丝梳对碳纤维表面产生强力磨擦，纱架、导辊与导轮的跳动、表面光洁度与轴承的不平滑转动以及在碳纤维三维转向过程中对碳纤维产生的扭转或加捻行为损伤碳纤维结构与性能，同时，由于属于非专用原生无浆碳纤维三维转向临时借用装置，其外型尺寸难以在现场准确就位，且就位后会影响部分相邻碳纤维的正常运行。此外，碳纤维的三维转向张力所造成的分丝齿变形与纱架方位失稳反过来会加剧碳纤维运行轨迹跑偏、丝束锭位号失序，而磨擦所造成的毛丝与缠辊迅速造成分丝梳堵齿，导辊导轮纱架轴承卡顿，生产难以为继。
随着市场对高性能低成本热塑性上浆剂碳纤维需求越来越急迫，需求量越来越大，实用新型简洁实用、低成本、性能不受损伤、质量稳定、安全环保的工业化批量生产热塑性碳纤维的方法与装置成为碳纤维生产商满足市场要求与拓展碳纤维应用的当务之急。
利用现有热固性碳纤维生产线上的无浆碳纤维与配套资源，直接批量生产性能无损无浆碳纤维是一种最优方法。但现有工业化碳纤维生产装置的工艺流程与设备控制均已固定，设备间距小，设备操作、维修空间有限，现有分丝梳、移动纱架、倾侧罗拉以及它们的组合均无法实现无浆碳纤维在线无损三维转向。因此，获得无浆碳纤维关键技术是首要获取装置---无浆碳纤维三维防捻转向装置----的外形、材质、表面与性能必须避免对原生无浆碳纤维的脆性骨架造成伤害。
实用新型内容
本实用新型公开一种无浆碳纤维三维防捻转向工业化装置，为获取无损原生无浆碳纤维提供一种首要设备。
本实用新型的技术解决方案如下：
一种无浆碳纤维三维防捻转向工业化装置，其特点在于组成包括碳纤维导引系统(1)、导丝轮组固定系统(2)、导丝轮组(3)、基座系统(4)和张力测试与警报系统(5)，所述的碳纤维导引系统(1)处于装置的最上部；导丝轮组固定系统(2)处于装置的中部槽钢矩形支架(22)左侧面；基座系统(4)处于装置的最下部；
所述的基座系统(4)由基座架(16)、基座底板、万向滚轮(17)、长杆螺钉(18)、配重块(21)组成，所述的基座架(16)为槽钢矩形支架，该基座架(16)的底部放置所述的基座底板，基座底板放置配重块(21)；配重块(21)为25公斤的方型铸铁；所述的基座架底部的前后X向槽钢的两端的底部，以螺栓固定四只带刹车的万向滚轮(17)；
所述导丝轮组固定系统(2)由导丝轮组(3)、导丝轮组固定板(11)、中部槽钢矩形支架(22)构成，所述的中部槽钢矩形支架(22)的四只支脚焊接在所述的基座架(16)顶部的前后X方向的槽钢上；所述的导丝轮组固定板(11)为长方形板块，板块上按固定的间隔分布着用于固定的圆孔孔阵，导丝轮组固定板(11)以螺栓固定在所述的中部槽钢矩形支架(22)的左侧两支架上；所述的导丝轮组(3)由数量不等的同规格导丝轮组成，每只导丝轮又由轮轴(12)与带轴承的凹轮(13)组成，轮轴(12)的一端带螺纹，由导丝轮组固定板(11)右侧垂直插入导丝轮组固定板(11)的圆孔后，以螺帽在导丝轮组固定板(11)的左侧将轮轴(12)固定，所述的轮轴(12)的另一端垂直插入所述的凹轮(13)中，凹轮(13)在轮轴(12)上可自由旋转；
所述的碳纤维导引系统(1)由导引辊(9)、固定式X轴水平仪(10)、Y轴水平仪(6)、丁字尺(7)和张力仪组成，所述的导引辊(9)以轴承(8)支撑，以螺栓固定在所述的中部槽钢矩形支架(22)的顶部X、Y平面正中间位置；所述的固定式X轴水平仪(10)、Y轴水平仪(6)分别以螺栓固定在中部槽钢矩形支架(22)顶部前面的X向槽钢上、左侧Y向横梁上；所有碳纤维导丝轮凹槽(13)中线均与导引辊外一侧外径切线处于同一个垂直面；所述的丁字尺(7)为可折叠式丁字尺，为碳纤维丝束与导引罗拉专用对正专用工具；所述的张力仪为为手持式张力仪。
所述的导引辊与辊轴的连接方式为聚醚醚酮注射成型包覆金属辊轴；辊轴两端分别插入支撑轴承后，调整导引辊的辊轴，使其处在两支撑轴承的中部位置，再在辊轴凹槽内插入定位固定键而固定。
所述的导丝轮组固定板、导丝轮组、万向滚轮的材质为碳纤维增强聚醚醚酮。
所述的导引辊为聚醚醚酮圆辊，辊轴为带定位凹槽的园形实芯2205双相钢金属棒，支撑轴承为2205双相钢金属滚珠轴承.
所述的报警器为纱线绕辊报警器。
装置其整体外形为上小下大品字形，Z轴总高度限定在1500-1700MM区间可调。
本实用新型的技术效果如下：
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对正、定位、水平与对抗批量碳纤维张力保持装置稳定。
③导辊、导轮与轴承的材质选用相互之间转动摩(磨)擦以及与碳纤维表面接触时，具有耐磨性好、摩擦系数低与光洁度保持持久的新材料。
④三维转向过程对热固性碳纤维的正常运行与产品质量无影响；转向部件施与每束碳纤维张力方向均为碳纤维石墨片层取向方向，性能无损；三维转向过程杜绝了传统分丝梳、倾斜导辊、纱架给碳纤维带来的磨擦、加捻、张力不匀、锭位错乱；具有导辊、转向导轮缠辊报警；
⑤该装置移动、安装与操作安全、便捷；静音运行、节能环保；
⑥可根据后道工序与现场空间需要，一个或多个三维转向装置串并联组合使用。
优选地，所述装置的导引罗拉由导引辊、辊轴与支撑轴承组成。其中，导引辊与辊轴的连接方式为聚醚醚酮包覆金属辊轴一次注射成型，导引辊直径DN＝50-150MM，长度L＝900-950MM圆辊；辊轴为带定位凹槽的园形实芯金属棒，辊轴轴径DN20-0.03-25-0.03MM，材质为2205双相钢，轴长度L＝950-2000MM圆轴；支撑轴承为2205双相钢金属滚珠轴承与304轴承支架组成，轴承内径DN20+0.03-25+0.03；辊轴两端分别插入支撑轴承后，调整导引辊至两支撑轴承的中部，再在两端辊轴的凹槽内插入定位固定键固定导引罗拉。导引辊、辊轴、轴承内三个表面光洁度大于或等0.8。
本实用新型装置串联使用实现无浆碳纤维多次无损转向，并联使用实现无浆碳纤维转向数量能力翻倍。
本装置解决了传统转向装置在原生无浆碳纤维三维转向过程中的上述问题，实现原生无浆碳纤维结构性能无损有序转向，可批量获得性能完好无损的热塑性上浆剂、陶瓷上浆剂与石墨化碳纤维前驱体，为高效、环保、低成本批量生产热塑性上浆剂碳纤维、陶瓷上浆剂碳纤维与石墨碳纤维创造首要条件。
附图说明
图1为本实用新型无浆碳纤维三维防捻转向工业化装置整体结构示意图(三维)；
图2是碳纤维导引系统导引罗拉结构示意图(三维)；
图3是导引罗拉辊轴与支撑轴承连接结构示意图；
图4是X、Y轴水平仪结构示意图(三维)；
图5是丁字尺结构示意图(三维)；
图6是导丝轮组固定系统中部5#槽钢矩形支架结构示意图(三维)；
图7是导丝轮组固定板拼接结构示意图(三维)；
图8是导丝轮结构示意图(三维)；
图9是基座系统基座架结构示意图(三维)；
图10是长杆螺钉与基座架支脚装配结构示意图(三维)；
图11是万向滚轮结构示意图(三维)；
图12是带手柄的配重外形示意图(三维)。
图13导丝辊自由罗拉
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。基于本实用新型中的实施例，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。
先请参阅图1，图1为本实用新型无浆碳纤维三维防捻转向工业化装置整体结构示意图，由图可见，本实用新型无浆碳纤维三维防捻转向工业化装置，包括碳纤维导引系统1、导丝轮组固定系统2、导丝轮组3、基座系统4和张力测试与警报系统5，所述的碳纤维导引系统1处于装置的最上部；导丝轮组固定系统2处于装置的中部槽钢矩形支架22左侧面；基座系统4处于装置的最下部；
所述的基座系统4由基座架16、基座底板、万向滚轮17、长杆螺钉18、配重块21组成，所述的基座架16为槽钢矩形支架，该基座架16的底部放置所述的基座底板，基座底板放置配重块21；配重块21为25公斤的方型铸铁；所述的基座架底部的前后X向槽钢的两端的底部，以螺栓固定四只带刹车的万向滚轮17；
所述导丝轮组固定系统2由导丝轮组3、导丝轮组固定板11、中部槽钢矩形支架22构成，所述的中部槽钢矩形支架22的四只支脚焊接在所述的基座架16顶部的前后X方向的槽钢上；所述的导丝轮组固定板11为长方形板块，板块上按固定的间隔分布着用于固定的圆孔孔阵，导丝轮组固定板11以螺栓固定在所述的中部槽钢矩形支架22的左侧两支架上；所述的导丝轮组3由数量不等的同规格导丝轮组成，每只导丝轮又由轮轴12与带轴承的凹轮13组成，轮轴12的一端带螺纹，由导丝轮组固定板11右侧垂直插入导丝轮组固定板11的圆孔后，以螺帽在导丝轮组固定板11的左侧将轮轴12固定，所述的轮轴12的另一端垂直插入所述的凹轮13中，凹轮13在轮轴12上可自由旋转；
所述的碳纤维导引系统1由导引辊9、固定式X轴水平仪10、Y轴水平仪6、丁字尺7和张力仪组成，所述的导引辊9以轴承8支撑，以螺栓固定在所述的中部槽钢矩形支架22的顶部X、Y平面正中间位置；所述的固定式X轴水平仪10、Y轴水平仪6分别以螺栓固定在中部槽钢矩形支架22顶部前面的X向槽钢上、左侧Y向横梁上；所有碳纤维导丝轮凹槽13中线均与导引辊外一侧外径切线处于同一个垂直面；所述的丁字尺7为可折叠式丁字尺，为碳纤维丝束与导引罗拉专用对正专用工具；所述的张力仪为为手持式张力仪。
实施例1
采用本实用新型提供的无浆碳纤维三维防捻转向工业化装置(如图1)，其组成包括：碳纤维导引系统1、导丝轮组固定系统2、导丝轮组3、基座系统4以及张力测试与警报系统5组成，为便于装置操作说明，增加一个三维方向坐标19。进行8束碳纤维一次三维防捻转向：操作过程如下：⑴装置就位：本装置由万向滚轮17移动至碳纤维装置碳纤维上浆工序前或烘干工序、或水洗工序、或高碳炉之后批量碳纤维丝束之下就位，通过折叠丁字尺将导引辊9的轴向与所取碳纤维丝束的运行方向900垂直对正固定。通过导丝轮组固定板11的Y轴移动与过折叠丁字尺7判定实现导丝轮组20的每只导轮与每束碳纤维在同一垂直平面对正固定。通过长杆锣钉18、固定X轴水平仪10、Y轴水平仪6调好设备高度与水平度，使X、Y轴两只水平仪倾斜角度显示为00，通过紧固螺钉15保持高度与水度度固定。通过手持张力仪测定每束碳纤维的张力，计算出引入150根碳纤维的丝束最大张力，再测试出本装置在总张力Y轴水平方向作用下不移动不倾侧本装置所需加放配重块21的总重与块数。再将8只导丝轮的轮轴12按图7方式分别插入导丝轮组固定板十字孔20中固定。
⑵碳纤维引入：完成装置就位后，碳纤维由导引罗拉9逐束引入。
③碳纤维防捻转向：每丝碳纤维由各自对应的导丝轮凹轮13的凹槽引导，实现三维转向。
一次三维转向过程中，观察碳纤维对未转向碳纤维的影响、碳纤维的转身次数、转身角度、在设备上的正常运行时间、断毛丝率、碳纤维连续生产的有序性与连续性，并测试经本装置三维转向后每丝碳纤维的束丝强度损失率，结果见效果对比表1。
实施例2
采用一台本实用新型提供的无浆碳纤维三维防捻转向工业化装置如图1，其组成中除去丁字尺。进行8束碳纤维三维防捻转向，转向操作过程均同实施例1操作。
三维转向过程中，观察碳纤维对未转向碳纤维的影响、转向角度、在设备上的正常运行时间、断毛丝率、碳纤维连续生产的有序性与连续性，并测试经本装置三维转向后每丝碳纤维的束丝强度损失率，结果见效果对比表1。
实施例3
采用一台本实用新型提供的无浆碳纤维三维防捻转向工业化装置如图1，其组成中导丝轮组更换为同等直径的导丝辊自由金属罗拉(见图13)。进行8束碳纤维三维防捻转向：转向操作过程均同实施例1操作。
三维转向过程中，观察碳纤维对未转向碳纤维的影响、碳纤维的转身次数、转身角度、在设备上的正常运行时间、断毛丝率、碳纤维连续生产的有序性与连续性，并测试经本装置三维转向后每丝碳纤维的束丝强度损失率，结果见效果对比表1。
对比例1
采用一台本实用新型提供的无浆碳纤维三维防捻转向工业化装置(如图1)。进行8束碳纤维一次三维防捻转向：
操作过程调整X轴水平仪10水平度为00，调整导引辊9的轴向与所取碳纤维丝束的运行方向900，Y轴水平仪6为300，其它均同实施例1。
一次三维转向过程中，观察碳纤维对未转向碳纤维的影响、碳纤维的转身次数、转身角度、在设备上的正常运行时间、断毛丝率、碳纤维连续生产的有序性与连续性，并测试经本装置三维转向后每丝碳纤维的束丝强度损失率，结果见效果对比表1。
对比例2
采用一台本实用新型提供的无浆碳纤维三维防捻转向工业化装置(如图1)。进行8束碳纤维一次三维防捻转向：
操作过程调整X轴水平仪10水平度为00，调整导引辊9的轴向与所取碳纤维丝束的运行方向600，Y轴水平仪6为00，其它均同实施例1。
一次三维转向过程中，观察碳纤维对未转向碳纤维的影响、碳纤维的转身次数、转身角度、在设备上的正常运行时间、断毛丝率、碳纤维连续生产的有序性与连续性，并测试经本装置三维转向后每丝碳纤维的束丝强度损失率，结果见效果对比表1。
对比例3
采用传统一台分丝梳，进行8束碳纤维一次三维防捻逐步转向。
操作过程：每束碳纤维占用一格分丝间隔，通过水平偏转分丝梳实施三维转向。
一次三维转向过程中，观察碳纤维对未转向碳纤维的影响、碳纤维的转身次数、转身角度、在设备上的正常运行时间、断毛丝率、碳纤维连续生产的有序性与连续性，并测试经本装置三维转向后每丝碳纤维的束丝强度损失率，结果见效果对比表1。
对比例4
采用一只传统罗拉，进行8束碳纤维一次三维防捻转向。操作过程：以一只平行罗拉分出8束碳纤维，以8束碳纤维间距中心点为圆心，Y轴方向向Z轴将罗拉倾斜300，以改变碳纤维运行二维运行平面。
一次三维转向过程中，观察碳纤维对未转向碳纤维的影响、碳纤维的转身次数、转身角度、在设备上的正常运行时间、断毛丝率、碳纤维连续生产的有序性与连续性，并测试经本装置三维转向后每丝碳纤维的束丝强度损失率，结果见效果对比表1。
表1.效果对比表
综上比较可见，采用本实用新型提供的无浆碳纤维三维防捻转向工业化装置，按实施例1实施，可安稳长周期实现批量碳纤维三维转向，整个转向过程不影响工业化生产线上其它碳纤维的正常生产，转向后的碳纤维得性能无损。
