CN113564753A - 一种基于气流冲击和静电的纤维分散收集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气流冲击和静电的纤维分散收集装置及方法，其中，纤维分散收集装置包括顺次连接的冲击分散单元和静电收集单元；所述的冲击分散单元包括依次连接的压力存储容器、压力释放装置和纤维团簇容器；所述的静电收集单元包括收集高电势极、收集低电势极和对应的第一高压电源。利用本发明，可以解决纤维在气相中的分散与收集问题，不会造成碳纤维的损伤和结构破坏，能够保持碳纤维的分散状态，利于后续再利用。

Description

一种基于气流冲击和静电的纤维分散收集装置及方法

技术领域

本发明属于纤维制备技术领域，尤其是涉及一种基于气流冲击和静电的纤维分散收集装置及方法。

背景技术

纤维增强热塑性复合材料广泛应用于汽车，建筑，航空航天等领域，具有低密度、耐蚀性和优异的机械性能。而短切纤维由于低制造成本、可加工形状的多样性以及高比强度等优点，其复合材料在普通黑体材料、超级电容、高性能散热材料等应用领域表现出优异的性能。

大部分纤维由于高长径比和强范德华引力造成了无法避免的团聚现象，而纤维的分散性是保证纤维增强热塑性复合材料性能的关键。

目前已经开发了众多在液相中的纤维分散技术，如添加液相分散剂、动子/定子离心分散、极端压降产生的高压缩比流体等方法。

如公开号为CN105818398A的专利申请公开了一种采用生物基来源表面改性剂多巴胺与生物基增稠剂共同作用的液相分散方法，该方法虽然绿色环保，但存在处理时间长且易对纤维表面造成破坏的问题。

除了液相分散方式，也有很多在气相中分散纤维的方法，如公开号为CN110963779A的中国专利文献公开了一种将莫来石纤维棉加入紫砂泥料的分散方法，以紫砂泥料和莫来石纤维棉为原料，使用SD-JR08D型小型旋叶破碎机、UBE-V0.4L型行星式球磨机、JJ-1型定时电动搅拌机、双旋叶混炼机、ZLDL1400-4T-6K型中温炉，经破碎、分散、搅拌、抽滤、混炼、成型、烧成，得到内部均匀存在莫来石纤维的紫砂陶器。

但是在气相中，现有的球磨过程会将2mm纤维的聚团完全分散成为300μm的单根纤维，造成长纤维的断裂。所以，开发一种简单快捷、对纤维表面无损伤且不改变纤维原有尺寸的分散收集方法很有必要。

发明内容

本发明提供了一种基于气流冲击和静电的纤维分散收集装置及方法，采用气流冲击分散和静电收集，解决纤维在气相中的分散与收集问题。

一种基于气流冲击和静电的纤维分散收集装置，包括顺次连接的冲击分散单元和静电收集单元；

所述的冲击分散单元包括依次连接的压力存储容器、压力释放装置和纤维团簇容器；

所述的静电收集单元包括收集高电势极、收集低电势极和对应的第一高压电源。

进一步地，所述的压力储存容器包括但不限于容积式压缩机、活塞式压缩机、回转式压缩机、离心式压缩机、螺杆压缩机、气体钢瓶中的一种或组合。

进一步地，纤维团簇容器中设有冲击挡板，通过冲击挡板提高分散程度。

进一步地，所述的压力释放装置包括压力释放关停装置和压力释放口；

压力释放关停装置用于在单位时间内启动和截止压力释放，包括但不限于限压阀、减压阀、电磁阀等中的一种或组合；压力释放口用于形成高压冲击气流，压力释放口发形状包括但不限于圆形、方形和网孔中的一种或组合；压力存储容器的储存压力与压力释放口面积的比值不小于8×10⁶kPa/m²。

所述静电收集单元中的收集高电势极、收集低电势极可以为导电材料，也可以在导电材料表面覆盖绝缘介质层。

进一步地，所述静电收集单元的尾部连接有旋风除尘器。

可选择地，冲击分散单元和静电收集单元之间还设有荷电单元，所述的荷电单元包括荷电高压极、荷电低电势极以及对应的第二高压电源。

可选择地，所述的荷电单元和静电收集单元设置在同一模块中，此时，所述的第一高压电源和第二高压电源也可以用同一个电源代替。

本发明还提供了一种基于气流冲击和静电的纤维分散收集方法，采用上述不带荷电单元的纤维分散收集装置，包括：

(1)向压力存储容器内积累气体压力，在单位时间内通过压力释放装置向纤维团簇释放压力，通过高压气流冲击实现纤维团簇的解团分散；

(2)解团分散后的纤维随气流进入静电收集单元，向静电收集单元施加高电压，纤维表面荷电后被低电势极收集。

本发明中，待分散的纤维包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、超高分子量纤维中的一种或多种组合，纤维可以为0.1mm～20mm间任意长度的组合。

步骤(1)中，向压力储存容器中积累的压力范围为100～800kPa；压力释放的单位时间范围为0.1ms～10s。

步骤(2)中，向静电收集单元施加高电压包括但不限于直流、交流、脉冲中的一种或组合，高电压的极性可以为正极性或负极性中的一种，高电压与零电位的差距范围为1～80kV。

本发明还提供了另一种基于气流冲击和静电的纤维分散收集方法，采用上述带有荷电单元的纤维分散收集装置，包括：

(1)向压力存储容器内积累气体压力，在单位时间内通过压力释放装置向纤维团簇释放压力，通过高压气流冲击实现纤维团簇的解团分散；

(2)解团分散后的纤维随气流进入荷电单元，在荷电高压极和荷电低电势极间施加正极性直流高压电，纤维在荷电单元带上电荷；

(3)经过荷电单元的纤维进入静电收集单元，在收集高电势极和收集低电势极之间施加高电压，纤维表面荷电后被收集低电势极收集。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过短时间内向纤维团簇释放高压流体实现了纤维的气相分散，显著提高了纤维分散的效率。

2、本发明中所采用气流和高压电不会造成碳纤维的损伤和结构破坏。

3、本发明采用高压静电方式收集碳纤维，能够保持碳纤维的分散状态，利于后续再利用。

附图说明

图1为本发明实施例中带荷电单元的纤维分散收集装置结构图；

图2为本发明实施例中不带荷电单元的纤维分散收集装置结构图；

图3为本发明实施例中荷电单元和静电收集单元一体式的纤维分散收集装置结构图；

图4为本发明实施例的分散收集效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1

如图1所示，一种基于气流冲击和静电的纤维分散收集装置，包括依次顺次连接的冲击分散单元、荷电单元和静电收集单元；静电收集单元的尾部连接有旋风除尘器9。

冲击分散单元包括依次连接的压力存储容器1、压力释放装置和纤维团簇容器4；其中，压力释放装置包括压力释放关停装置2和压力释放口3。本实施例中，压力存储容器1采用容积式压缩机，压力释放关停装置2采用限压阀，压力释放口3的形状为圆形。

荷电单元包括荷电高压极5、荷电低电势极6以及对应的第二高压电源。其中，荷电低电势极6置于上、下两端面，荷电高压极5置于中间位置。

静电收集单元包括收集高电势极8、收集低电势极7和对应的第一高压电源。其中，收集低电势极7置于上、下两端面，高电势极8置于中间位置。

利用本实施例的纤维分散收集装置进行纤维分散收集方法的，包括以下步骤：

S01，向压力存储容器1中积累100kPa气体压力，在0.1ms内通过压力释放关停装置2以及压力释放口3向纤维团簇容器4中的3mm碳纤维纤维团簇释放压力，通过高压气流冲击实现纤维团簇的解团分散。

S02，解团分散后的纤维随气流进入荷电单元，在荷电高压极5和荷电低电势极6间施加30kV的正极性直流高压电，纤维在荷电单元带上电荷。

S03，经过荷电单元的纤维进入静电收集单元，在静电收集单元的收集高电势极8和收集低电势极7之间施加20kV的脉冲负极性高压，纤维被低电势极收集。

S04，未被收集的纤维经过尾气处理单元的旋风分离器9进行尾气处理，确保对环境不会造成污染。

S05，收集后的分散纤维可以通过在高电势极和低电势极间施加10kV的负直流电压实现再利用。

实施例2

区别于实施例1，本实施例中，纤维分散收集装置不带旋风分离器9，压力存储容器1采用气体钢瓶，压力释放关停装置2采用减压阀，压力释放口3为方形。

利用本实施例的纤维分散收集装置进行纤维分散收集方法的，包括以下步骤：

S01，向压力存储容器1中积累200kPa气体压力，在1s内通过压力释放关停装置2以及压力释放口3向纤维团簇容器4中的20mm芳纶纤维纤维团簇释放压力，通过高压气流冲击实现纤维团簇的解团分散。

S02，解团分散后的纤维随气流进入荷电单元，在荷电高压极5和荷电低电势极6间施加10kV的负极性交流高压电，纤维在荷电单元带上电荷。

S03，经过荷电单元的纤维进入静电收集单元，在静电收集单元的收集高电势极8和收集低电势极7之间施加30kV的直流正极性高压，纤维被低电势极收集。

S04，收集后的分散纤维可以通过在高电势极和低电势极间施加5kV的正直流电压实现再利用。

实施例3

如图2所示，相比于实施例1，本实施中，不带荷电单元和旋风分离器9。压力存储容器1采用活塞式压缩机，压力释放关停装置2采用电磁阀，压力释放口3采用网孔。

利用本实施例的纤维分散收集装置进行纤维分散收集方法的，包括以下步骤：

S01，向压力存储容器1中积累800kPa气体压力，在8s内通过压力释放关停装置2以及压力释放口3向纤维团簇容器4中的6mm尼龙纤维纤维团簇释放压力，通过高压气流冲击实现纤维团簇的解团分散。

S02，解团分散的纤维进入静电收集单元，在静电收集单元的收集高电势极8和收集低电势极7之间施加60kV的脉冲正极性高压，纤维被低电势极收集。

S03，收集后的分散纤维可以通过在高电势极和低电势极间施加15kV的脉冲负极性电压实现再利用。

实施例4

如图3所示，相比于实施例1，本实施例中，荷电单元和静电收集单元设置在同一模块中，且公用一个高压电源。压力存储容器1采用离心式压缩机，压力释放关停装置2采用限压阀，压力释放口3为圆形。

利用本实施例的纤维分散收集装置进行纤维分散收集方法的，包括以下步骤：

S01，向压力存储容器1中积累300kPa气体压力，在4s内通过压力释放关停装置2以及压力释放口3向纤维团簇容器4中的15mm玻璃纤维纤维团簇释放压力，通过高压气流冲击实现纤维团簇的解团分散；

S02，解团分散的纤维进入荷电单元和静电收集单元组成的同一个模块中，荷电高压极和收集高电势极共用同一电源，在荷电高压极5和荷电低电势极6间、收集高电势极8和收集低电势极7之间施加20kV的正极性直流高压电，纤维被收集低电势极7收集。

S03，收集后的分散纤维可以通过在高电势极和低电势极间施加6kV的脉冲正极性电压实现再利用。

如图4所示，为本发明的分散收集效果图，可以看出，采用本发明的装置和方法，能够保持碳纤维的分散状态，利于后续再利用。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于气流冲击和静电的纤维分散收集装置，其特征在于，包括顺次连接的冲击分散单元和静电收集单元；

所述的冲击分散单元包括依次连接的压力存储容器、压力释放装置和纤维团簇容器；

所述的静电收集单元包括收集高电势极、收集低电势极和对应的第一高压电源。

2.根据权利要求1所述的基于气流冲击和静电的纤维分散收集装置，其特征在于，所述的压力储存容器包括但不限于容积式压缩机、活塞式压缩机、回转式压缩机、离心式压缩机、螺杆压缩机、气体钢瓶中的一种或组合。

3.根据权利要求1所述的基于气流冲击和静电的纤维分散收集装置，其特征在于，所述的压力释放装置包括压力释放关停装置和压力释放口；

压力释放关停装置用于在单位时间内启动和截止压力释放，压力释放口用于形成高压冲击气流；压力存储容器的储存压力与压力释放口面积的比值不小于8×10⁶kPa/m²。

4.根据权利要求1所述的基于气流冲击和静电的纤维分散收集装置，其特征在于，所述静电收集单元的尾部连接有旋风除尘器。

5.根据权利要求1所述的基于气流冲击和静电的纤维分散收集装置，其特征在于，冲击分散单元和静电收集单元之间还设有荷电单元，所述的荷电单元包括荷电高压极、荷电低电势极以及对应的第二高压电源。

6.根据权利要求5所述的基于气流冲击和静电的纤维分散收集装置，其特征在于，所述的荷电单元和静电收集单元设置在同一模块中。

7.一种基于气流冲击和静电的纤维分散收集方法，其特征在于，采用权利要求1～4任一所述的纤维分散收集装置，包括：

(1)向压力存储容器内积累气体压力，在单位时间内通过压力释放装置向纤维团簇释放压力，通过高压气流冲击实现纤维团簇的解团分散；

(2)解团分散后的纤维随气流进入静电收集单元，向静电收集单元施加高电压，纤维表面荷电后被低电势极收集。

8.根据权利要求7所述的基于气流冲击和静电的纤维分散收集方法，其特征在于，步骤(1)中，向压力储存容器中积累的压力范围为100～800kPa；压力释放的单位时间范围为0.1ms～10s。

9.根据权利要求7所述的基于气流冲击和静电的纤维分散收集方法，其特征在于，步骤(2)中，向静电收集单元施加高电压包括但不限于直流、交流、脉冲中的一种或组合，高电压的极性可以为正极性或负极性中的一种，高电压与零电位的差距范围为1～80kV。

10.一种基于气流冲击和静电的纤维分散收集方法，其特征在于，采用权利要求5或6所述的纤维分散收集装置，包括：

(1)向压力存储容器内积累气体压力，在单位时间内通过压力释放装置向纤维团簇释放压力，通过高压气流冲击实现纤维团簇的解团分散；

(2)解团分散后的纤维随气流进入荷电单元，在荷电高压极和荷电低电势极间施加正极性直流高压电，纤维在荷电单元带上电荷；

(3)经过荷电单元的纤维进入静电收集单元，在收集高电势极和收集低电势极之间施加高电压，纤维表面荷电后被收集低电势极收集。

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