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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。


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