芳綸1414纖維生產(chǎn)中采用螺桿聚合合理性的探究

摘 要:聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺(芳綸1414的原料)由對(duì)苯二甲酰氯與對(duì)苯二胺聚合而成，本文從聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺在螺桿中聚合的產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性以及聚合工藝的的安全性等方面進(jìn)行分析，說明了聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺采用螺桿聚合的合理性。

關(guān)鍵詞:芳綸1414纖維聚合安全連續(xù)化

中圖分類號(hào):TQ342文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)09(a)-0024-01

引言

芳綸1414是聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺經(jīng)過液晶溶液干噴-濕紡制得的高強(qiáng)、高模纖維，是當(dāng)前世界上最重要的高科技纖維。要獲得高質(zhì)量的芳綸1414纖維，必須要提供高質(zhì)量的聚合體。采用合理的設(shè)備確保對(duì)苯二甲酰氯與對(duì)苯二胺聚合的安全與穩(wěn)定，進(jìn)而確保其聚合的質(zhì)量及進(jìn)行成本的控制。

1聚合工藝及流程

芳綸1414聚合工藝流程:將無水氯化鈣烘干，并將其加入到脫水的N-甲基吡咯烷酮中，強(qiáng)烈攪拌使之形成乳液(濃度為7%左右，以下稱N-甲基吡咯烷酮溶液)。在N-甲基吡咯烷酮溶液中投入一定比例的對(duì)苯二甲酰氯與對(duì)苯二胺(3∶5)，打入預(yù)聚釜進(jìn)行預(yù)聚合，將預(yù)聚液通過計(jì)量泵注入聚合反應(yīng)器--主螺桿中，通過另一臺(tái)計(jì)量泵補(bǔ)足與對(duì)苯二胺相等克分子的對(duì)苯二甲酰氯的N-甲基吡咯烷酮溶液，使之在螺桿中攪拌混勻，進(jìn)行充分反應(yīng)。用氫氧化鈣溶液將反應(yīng)所得聚合體中的氯化氫中和，并洗去聚合體中的溶劑和氯化鈣，烘干即得聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺成品。

聚合反應(yīng)的主要設(shè)備是為管式、釜式、塔式反應(yīng)器，反應(yīng)方式有間歇式低溫溶液縮聚法外，同時(shí)還有在螺桿擠壓機(jī)中的連續(xù)縮聚和氣相縮聚等。

在芳綸1414生產(chǎn)中，一般采用的聚合設(shè)備為反應(yīng)釜或螺桿擠壓機(jī)。螺桿聚合主要有以下優(yōu)點(diǎn)。

2螺桿聚合的安全性

對(duì)苯二甲酰氯與對(duì)苯二胺的聚合工藝是一個(gè)高危工藝(根據(jù)安監(jiān)局文件，聚合等15種反應(yīng)屬高危工藝)，反應(yīng)具有相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)性。要想獲得安全穩(wěn)定的生產(chǎn)，其采用的聚合設(shè)備必須能進(jìn)行嚴(yán)格和穩(wěn)定的控制。

2.1 排除空氣與水分

在對(duì)苯二甲酰氯與對(duì)苯二胺的聚合投料前，所有管道用氮?dú)膺M(jìn)行沖洗，以排除空氣與水分。一旦投料，所有容器與管道都用氮?dú)獗Ｗo(hù)，以防止各種副反應(yīng)的產(chǎn)生。同時(shí)因?yàn)镹-甲基吡咯烷酮的閃點(diǎn)較低，與空氣(氧氣)隔斷可有效地防止閃燃。采用螺桿聚合器，相比反應(yīng)釜而言，空氣與水分要容易排除。

2.2 聚合溫度控制

聚合的危險(xiǎn)性，主要控制聚合的進(jìn)程，而控制進(jìn)程，主要在于控制聚合的溫度。在螺桿聚合中，我們主要采用以下方法:預(yù)聚合時(shí)，預(yù)聚液冷凍降溫，控制預(yù)反應(yīng)程度。在進(jìn)入螺桿主反應(yīng)器后，螺桿夾套分段控制溫度，進(jìn)料段用熱水用于加熱，至中段后用冷凍水降溫，保證隨時(shí)帶走反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，確保溫度不會(huì)失控上升。螺桿的直徑比反應(yīng)釜要小得多，相對(duì)要容易控制反應(yīng)物料的溫度。

2.3 聚合速度控制和壓力控制

反應(yīng)主螺桿采用低速運(yùn)行方式，如失控時(shí)反應(yīng)增速，會(huì)造成壓力增加，螺桿旋轉(zhuǎn)的扭力增加，電機(jī)設(shè)定自動(dòng)停止保護(hù);同時(shí)螺桿出口為半開放狀態(tài)，易于泄壓，保證不會(huì)超壓形成噴料現(xiàn)象。這點(diǎn)用反應(yīng)釜聚合較難做到。

2.4 及時(shí)中和氯化氫

對(duì)苯二甲酰氯與對(duì)苯二胺的聚合反應(yīng)是一個(gè)縮合聚合反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)克分子的氯化氫氣體，氯化氫氣體是一種危害氣體，為防止其隨意流動(dòng)，我們?cè)诼輻U出料口處加裝了噴淋裝置，并在受料倉(cāng)內(nèi)加入氫氧化鈣溶液攪拌中和，避免其對(duì)人體與環(huán)境的影響。利用螺桿式反應(yīng)器易于做到連續(xù)化出料，氯化氫的中和比較容易。

2.5 安全聯(lián)鎖

將以上所述的溫度、壓力及扭力控制接入中心控制室，配以警報(bào)、警燈，以提醒人員及時(shí)觀察與處理。

3 聚合產(chǎn)品的質(zhì)量控制

對(duì)苯二甲酰氯與對(duì)苯二胺的聚合，為了保證質(zhì)量，我們進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，采用了以下的辦法處理。

3.1 排除雜質(zhì)

對(duì)苯二甲酰氯與對(duì)苯二胺的聚合是一個(gè)縮合聚合反應(yīng)，一旦遇到水分或空氣，即會(huì)封閉自由基，停止聚合，所以為了減少空氣與水分對(duì)聚合的影響，借助氯化鈣的N-甲基吡咯烷酮溶液在螺桿中進(jìn)行聚合反應(yīng)。

所有物料的輸送都借助于封閉的管道，所有容器均采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，并在開車前用氮?dú)鉀_凈管道。

3.2 控制溫度與壓力，控制反應(yīng)速度與時(shí)間

在預(yù)聚釜進(jìn)行預(yù)聚合時(shí)，預(yù)聚液外夾套用冷凍水降溫，來控制反應(yīng)的速度并使單體逐步聚合，控制其一定的分子量。隨后通過嚴(yán)格控制克分子比的對(duì)苯二甲酰氯的補(bǔ)加，在進(jìn)入螺桿接觸預(yù)聚液時(shí)，在螺桿的強(qiáng)烈攪拌與剪切下，控制反應(yīng)程度，使單體分子與預(yù)聚體逐步均勻反應(yīng)，分子量逐步上升，并達(dá)到足夠的聚合體黏度。同時(shí)通過對(duì)螺桿轉(zhuǎn)速的設(shè)定，可控制反應(yīng)時(shí)間的一致。

3.3 嚴(yán)格單體配比

為控制分子量及分子量的分布，我們將聚合分步進(jìn)行，第一步進(jìn)行預(yù)聚合，此時(shí)對(duì)聚合對(duì)苯二甲酰氯與對(duì)苯二胺按3∶5進(jìn)行，第二步將預(yù)聚液通過計(jì)量泵注入聚合反應(yīng)器--主螺桿，通過另一臺(tái)計(jì)量泵補(bǔ)足與對(duì)苯二胺相等克分子的對(duì)苯二甲酰氯，以使分子量逐步上升，達(dá)到紡絲可用的粘度范圍。

3.4 及時(shí)洗凈溶劑與烘干

聚合反應(yīng)有一定的可逆性，我們?cè)诔隽峡冢皶r(shí)將產(chǎn)生的氯化氫用水吸收并用氫氧化鈣中和，以保證反應(yīng)向聚合的方向進(jìn)行。

去除反應(yīng)產(chǎn)生的氯化氫后，聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺中還含有大量的N-甲基吡咯烷酮溶液，聚合體在此溶液中會(huì)逐步降解，所以在出料后要迅速進(jìn)行洗料，保證聚合體分子量的穩(wěn)定并回收大量的N-甲基吡咯烷酮。將中和后的混合物進(jìn)行清洗，以便進(jìn)行聚合體、溶劑和物料的分離，并將物料的灰分下降至500mg/kg以下。使之滿足紡絲所需的條件。

4 流程控制與成本控制

聚合反應(yīng)在螺桿中形成生產(chǎn)連續(xù)化生產(chǎn)后，聚合體的清洗、干燥等環(huán)節(jié)也具備了連續(xù)化的條件。

采用螺桿生產(chǎn)，同一時(shí)間內(nèi)參與反應(yīng)的物料量少，溫度等條件容易控制均勻，升溫及保溫、冷卻等公用工程也較小，可減少大量的公用工程投資。同時(shí)當(dāng)反應(yīng)質(zhì)量未能控制，及時(shí)調(diào)整工藝時(shí)所浪費(fèi)的原料較少，停機(jī)清理耗費(fèi)少。

相對(duì)使用釜式反應(yīng)器而言，聚合用螺桿生產(chǎn)比較易于進(jìn)行生產(chǎn)流程控制和生產(chǎn)成本控制。

5 結(jié)語

通過以上措施，可以得到黏度(比濃對(duì)數(shù)黏度)在6.5以上，灰分在500mg/kg以下的芳綸1414聚合體，成本、質(zhì)量和生產(chǎn)流程控制在國(guó)內(nèi)同行中處于領(lǐng)先水平。在我們的國(guó)產(chǎn)紡絲機(jī)上，完全可以紡制成質(zhì)量不低于美國(guó)、日本同類產(chǎn)品的芳綸1414纖維。聚合過程采用螺桿反應(yīng)器進(jìn)行比較合理。

但目前為止，螺桿聚合的產(chǎn)量仍較低。我們?cè)O(shè)想可以通過增大螺桿直徑的辦法來增加產(chǎn)量，也可以加快進(jìn)料速度，用疊加螺桿來保證反應(yīng)時(shí)間的辦法來增加產(chǎn)量。

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