均匀分散长切碳纤维的双速双向搅动装置及其方法与流程

1.本发明涉及无机纤维分散技术领域，尤其是涉及一种均匀分散长切碳纤维的双速双向搅动装置及其方法。


背景技术：

2.碳纤维是一种高强度、高模量的新型纤维材料，质量比金属铝轻、强度却高于钢铁，并且具有耐高温、耐腐蚀等特点，在航空航天、国防军工和民用方面都是重要材料。碳纤维很少直接应用，通常经深加工制备成新产品或复合材料使用，碳纤维纸便是其中一种深加工制品。碳纤维纸是目前制备质子交换膜燃料电池气体扩散层的重要基体材料，其结构和性能对质子交换膜燃料电池的性能产生极其重要的影响。
3.碳纤维具有石墨乱层结构，导致碳纤维表面活性基团少，表面活性低，憎水性强，不易良好分散。因此，如何使碳纤维良好分散于水中是湿法制造碳纤维纸过程中的关键因素。由于纤维长度对碳纤维在水中分散性能影响很大，较长的纤维长度使碳纤维在水中容易相互打结，较大的自身质量也使得纤维沉降时间缩短，从而影响了成纸的匀度和强度。因此，目前国内外工艺对碳纤维进行分散基本都采用长度小于20mm的短切碳纤维，以期达到较好的分散效果。但由于短切碳纤维相互间结合力较小，采用短切碳纤维制成的碳纤维纸强度较低、柔韧性差、易断裂，严重限制了碳纤维纸在某些重要领域的应用。目前常用液体搅伴方法若用于碳纤维的分散，高速旋转的搅伴桨叶很容易撞击并打断碳纤维使其长度参差不齐，从而影响制备碳纤维纸、碳纤维复合材料的性能。因此常用液体搅伴方法并不适用于碳纤维的分散，尤其是长切碳纤维。针对上述的问题，若采用长度在20mm～50mm之间的长切碳纤维用于制备碳纤维纸，则可大大提高了碳纤维纸的强度和性能，更容易生产制造出高性能碳纤维纸，从而进一步拓宽碳纤维纸的应用领域。但是，目前并未见能适用于均匀分散20mm～50mm之间的长切碳纤维的搅动设备装置。
4.因此设计出一种均匀分散长切碳纤维的装置，对于制备高性能碳纤维纸、碳纤维复合材料具有十分重要的意义，这已成为业内十分关注的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种分散速度快、分散匀度高、沉降时间长、结构简单、操作方便的均匀分散长切碳纤维的双速双向搅动装置及方法。
6.本发明的目的是通过下述的技术方案加以实现的：
7.本发明所述一种均匀分散长切碳纤维的双速双向搅动装置，包括分散液容器、内置旋转分散板、内板转轴、第一减速箱、第一电动机、外置旋转分散板、外板空心转轴、皮带轮传动机构、第二减速箱、第二电动机、吊篮、升降杆、液压升降平台；
8.所述分散液容器是用于盛装长切碳纤维和分散液的敞口容器；所述内置旋转分散板是板面上布置多排通流孔的方形平板，该平板的顶部中心与竖直设置的内板转轴下端固定连接；所述内板转轴上端与第一减速箱输出端连接，第一减速箱输入端与第一电动机输
出端连接；所述外置旋转分散板是板面上布置多排通流孔的呈回字形的方形平板，外置旋转分散板中部的方形通孔内框将所述内置旋转分散板包围；所述外板空心转轴竖直设置并与外置旋转分散板的顶部中心固定连接，所述内板转轴位于所述外板空心转轴内；所述皮带轮传动机构的主动轮连接所述第二减速箱的输出端，第二减速箱的输入端连接第二电动机输出端，皮带轮传动机构的从动轮设于外板空心转轴上；所述内置旋转分散板和外置旋转分散板位于所述分散液容器内；所述第一减速箱、第一电动机、第二减速箱和第二电动机位于所述吊篮内；吊篮固定安装在所述升降杆上，所述液压升降平台与升降杆连接并控制升降杆上下移动。
9.进一步的：
10.所述内置旋转分散板是板面上均匀布置多排相同尺寸通流孔的方形平板，所述外置旋转分散板是板面上均匀布置多排相同尺寸通流孔的呈回字形的方形平板。
11.所述内置旋转分散板的通流孔径的尺寸为待分散长切碳纤维长度的1.5～3倍。
12.所述外置旋转分散板的通流孔径的尺寸为待分散长切碳纤维长度的1.2～2.5倍。
13.本发明所述一种均匀分散长切碳纤维的双速双向搅动装置的方法，采用上述所述一种均匀分散长切碳纤维的双速双向搅动装置，包括以下步骤：
14.1)操作液压升降平台调整升降杆的位置，使安装在升降杆上的吊篮处于分散液容器的正上方空间位置，进一步操作液压升降平台向下移动升降杆及吊篮使内置旋转分散板和外置旋转分散板完全浸入到分散液容器的液体中为止；
15.2)启动第一电动机通过第一减速箱调整转速后，带动内板转轴和内置旋转分散板做顺时针或逆时针旋转运动；
16.3)启动第二电动机通过第二减速箱调整转速后，带动皮带轮传动机构的主动轮做旋转运动；皮带轮传动机构的从动轮带动外板空心转轴和外置旋转分散板做旋转运动。当外置旋转分散板与内置旋转分散板处于相同方向旋转时，外置旋转分散板与内置旋转分散板采用不同的转速；当外置旋转分散板与内置旋转分散板处于相反方向旋转时，外置旋转分散板与内置旋转分散板采用相同或不同的转速；
17.4)分散过程结束后，关停第一电动机和第二电动机，操作液压升降平台向上移动升降杆及吊篮使内置旋转分散板和外置旋转分散板撤离分散液容器。
18.进一步：
19.所述分散液容器盛装的待分散长切碳纤维，其长度最好为20～50mm之间。
20.与现有技术比较，本发明具有如下有益效果：
21.1、分散速度快，分散匀度高。本发明在内置旋转分散板和外置旋转分散板的共同作用下，分散液容器内的流体穿过上述两种分散板的通流孔作高速湍流射流流动，使伴随流体运动的长切碳纤维受到强烈的扰动并被分散。另外，因内置旋转分散板与外置旋转分散板的转动速度不同和旋转方向不同或两者之一不同，使流体在容器内作复杂的变速变向运动，由此伴随流体运动的长切碳纤维受到更全面有效的扰动作用，可以得到良好均匀的分散效果，特别适合长切碳纤维(如20mm～50mm之间)的分散。
22.2、沉降时间长。本发明在旋转分散板的作用下，长切碳纤维随流体做旋转运动，形成的离心力作用有利于克服自身重量的影响从而使长切碳纤维的沉降时间延长。
23.3、结构简单，操作方便。本发明的核心元件内置旋转分散板和外置旋转分散板的
结构设计简单，容易制作和安装，生产成本低。本发明涉及的设备少、运行操作少，通过操作升降机构和控制电动机的转动速度及转动方向即可实现各种不同的分散效果，容易实现控制，操作简单易行，维护保养方便。
24.本发明与常用液体搅伴方法进行对比具有很大的区别。常用液体搅伴方法若用于碳纤维的分散，高速旋转的搅伴桨叶很容易撞击并打断碳纤维使其长度参差不齐，从而影响制备碳纤维纸、碳纤维复合材料的性能。因此常用液体搅伴方法并不适用于碳纤维的分散，尤其是长切碳纤维。本发明内置旋转分散板和外置旋转分散板的结构设计使其高速旋转中也不会对长切碳纤维的局部产生冲击力，很好地维护了长切碳纤维的原状。另外本发明内置旋转分散板和外置旋转分散板的结构设计使液体的流场发生了高速湍流射流流动和复杂的变速变向运动，这是常用液体搅伴方法不能实现的，该方式也使得长切碳纤维得到了良好均匀的分散效果。
25.综上所述，本发明具有分散速度快、分散匀度高、沉降时间长、结构简单，操作方便等特点，并很好地维护了长切碳纤维的原状，故适用于碳纤维尤其是长切碳纤维的分散过程。
附图说明
26.图1为本发明所述一种均匀分散长切碳纤维的双速双向搅动装置的结构示意图；
27.图2为图1中的部分部件的立体示意图。
28.图中标记：1-分散液容器；2-内置旋转分散板；3-内板转轴；4-第一减速箱；5-第一电动机；6-外置旋转分散板；7-外板空心转轴；8-皮带轮传动机构；9-第二减速箱；10-第二电动机；11-吊篮；12-升降杆；13-液压升降平台
具体实施方式
29.如图1和2所示，本发明是一种均匀分散长切碳纤维的双速双向搅动装置，包括分散液容器1、内置旋转分散板2、内板转轴3、第一减速箱4、第一电动机5、外置旋转分散板6、外板空心转轴7、皮带轮传动机构8、第二减速箱9、第二电动机10、吊篮11、升降杆12、液压升降平台13。
30.所述分散液容器1是用于盛装长切碳纤维和分散液的敞口容器；所述内置旋转分散板2是板面上均匀布置多排相同尺寸通流孔的方形平板，该平板的顶部中心与竖直设置的内板转轴3下端固定连接；所述内板转轴3上端与第一减速箱4输出端连接，第一减速箱4输入端与第一电动机5输出端连接；所述外置旋转分散板6是板面上均匀布置多排相同尺寸通流孔的呈回字形的方形平板，外置旋转分散板6中部的方形通孔内框将所述内置旋转分散板2包围；所述外板空心转轴7竖直设置并与外置旋转分散板6的顶部中心固定连接，所述内板转轴3位于所述外板空心转轴7内；所述皮带轮传动机构8的主动轮连接所述第二减速箱9的输出端，第二减速箱9的输入端连接第二电动机10输出端，皮带轮传动机构8的从动轮设于外板空心转轴7上；所述内置旋转分散板2和外置旋转分散板6位于所述分散液容器1内；所述第一减速箱4、第一电动机5、第二减速箱9和第二电动机10位于所述吊篮11内；吊篮11固定安装在所述升降杆12上，所述液压升降平台13与升降杆12连接并控制升降杆12上下移动。
31.所述内置旋转分散板2的通流孔径的尺寸为待分散长切碳纤维长度的1.5～3倍。所述外置旋转分散板6的通流孔径的尺寸为待分散长切碳纤维长度的1.2～2.5倍。所述外置旋转分散板6的外边缘根据实际情况可安装边刮板(图中未画出)，底边缘可安装底刮板(图中未画出)。
32.本发明是一种均匀分散长切碳纤维的双速双向搅动装置的方法，它包括以下几个步骤：
33.1)操作液压升降平台13调整升降杆12的位置，使安装在升降杆12上的吊篮11处于分散液容器1的正上方空间位置，进一步操作液压升降平台13向下移动升降杆12及吊篮11使内置旋转分散板2和外置旋转分散板6完全浸入到分散液容器1的液体中为止。
34.2)启动第一电动机5通过第一减速箱4调整转速后，带动内板转轴3和内置旋转分散板2做顺时针或逆时针旋转运动。
35.3)启动第二电动机10通过第二减速箱9调整转速后，带动皮带轮传动机构8的主动轮做旋转运动；皮带轮传动机构8的从动轮带动外板空心转轴7和外置旋转分散板6做旋转运动。当外置旋转分散板6与内置旋转分散板2处于相同方向旋转时，外置旋转分散板6与内置旋转分散板2采用不同的转速；当外置旋转分散板6与内置旋转分散板2处于相反方向旋转时，外置旋转分散板6与内置旋转分散板2可采用相同或者不同的转速。
36.4)在内置旋转分散板2和外置旋转分散板6的共同作用下，分散液容器1内的流体穿过上述两种分散板的通流孔作高速湍流射流流动，使伴随流体运动的长切碳纤维受到强烈的扰动并被分散。另外，因内置旋转分散板2与外置旋转分散板6的转动速度和旋转方向不同或者两者之一不同，使流体在容器内作复杂的变速变向运动，由此伴随流体运动的长切碳纤维受到更全面有效的扰动作用，进一步达到充分分散的目的。
37.5)分散过程结束后，关停第一电动机5和第二电动机10，操作液压升降平台13向上移动升降杆12及吊篮11使内置旋转分散板2和外置旋转分散板6撤离分散液容器1。
38.以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。