干噴濕紡在PPTA樹脂紡絲過程中的應(yīng)用探討

摘要：文章主要介紹干噴濕紡紡絲工藝應(yīng)用在PPTA（聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺）纖維紡絲過程中所涉及到的一些問題，其中包括紡絲組件結(jié)構(gòu)、凝固浴參數(shù)設(shè)置對(duì)紡絲的影響，并且針對(duì)出現(xiàn)的一些問題提出改進(jìn)看法。

關(guān)鍵詞：干噴濕紡;PPTA纖維；凝固浴；凝固成纖過程

中圖分類號(hào)：TQ340.64文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2012）08-0179-02

干噴濕紡是紡絲工藝的一種，這種工藝的主要特征是紡絲原液經(jīng)噴絲孔噴出后，不是立即進(jìn)入凝固浴，而是先經(jīng)過一小段空氣層（一般應(yīng)小于20～30 mm）再進(jìn)入凝固浴進(jìn)行雙擴(kuò)散、相分離和形成纖維絲束。一般而言，空氣層可以是空氣，也可以是其它惰性氣體，對(duì)芳香族聚合物樹脂進(jìn)行紡絲，不需要采用惰性氣體即可。相對(duì)于濕紡來說，采用干噴濕紡工藝，紡絲原液細(xì)流能在空氣中經(jīng)受顯著的噴絲頭拉伸，拉伸區(qū)長(zhǎng)度遠(yuǎn)超過液流脹大區(qū)的長(zhǎng)度，在長(zhǎng)距離內(nèi)發(fā)生的液流軸向形變速度梯度變化不大，在脹大區(qū)也不會(huì)產(chǎn)生很劇烈的形變，因而纖維絲束不容易斷裂，因而能夠適應(yīng)在較高的紡絲速度下進(jìn)行紡絲。

PPTA樹脂屬于溶致性液晶聚合物，其液晶聚合物分子的分子主鏈剛硬，分子之間堆砌緊密，且在成型過程中高度取向，因此比較適合采用干噴濕紡的紡絲工藝。

1紡絲組件

紡絲組件是紡絲成形的主要部分， 紡絲組件壓力降的大小則表征了紡絲熔體的流變性和可紡性， 同時(shí)也從側(cè)面反映了紡絲組件結(jié)構(gòu)的合理性。干噴濕紡紡絲組件通常由組件殼體、組件蓋板、過濾材料、分配板、密封墊以及噴絲板（噴絲帽）等多個(gè)部件組成，在干噴濕紡生產(chǎn)線上，經(jīng)過初步過濾及計(jì)量泵計(jì)量后的熔體在一定的壓力下進(jìn)入到組件內(nèi)，在組件內(nèi)經(jīng)過進(jìn)一步精過濾和混合，最后從噴絲孔內(nèi)擠出成形。

干噴濕紡紡絲組件的過濾一般多采用燭芯式結(jié)構(gòu)，其具體形式為在中空骨架材料的外面包覆符合工藝要求的不銹鋼燒結(jié)氈，紡絲熔體在一定壓力作用下滲透通過不銹鋼燒結(jié)氈，而雜質(zhì)則留置在不銹鋼燒結(jié)氈內(nèi)層，從而起到過濾作用。過濾后的熔體進(jìn)入分配板小孔，分配板一方面將熔體均勻分配到各噴絲板毛細(xì)孔，同時(shí)，還起到了對(duì)過濾材料的支承和防止噴絲板變形的作用。通過分配板后，熔體經(jīng)過噴絲板的毛細(xì)孔被擠出形成絲條。

一般情況下，干噴濕紡的組件在過濾層上方以及噴絲板和分配板之間都存在一些空腔，用來貯存一定量的熔體，以便熔體連續(xù)均勻地通過過濾層和供給噴絲板各毛細(xì)孔。

在目前PPTA紡絲的實(shí)際生產(chǎn)過程中，受國(guó)內(nèi)目前總體技術(shù)水平的限制，我們的紡絲組件設(shè)計(jì)未采用噴絲板，而是采用了噴絲帽。由于PPTA幾乎不溶于濃硫酸以外的各種溶劑，而濃硫酸對(duì)大多數(shù)材質(zhì)的腐蝕性又非常強(qiáng)，考慮到防腐問題，目前我們所選的噴絲帽材質(zhì)為金屬鉭，為采用1～1.2 mm厚度的板材沖壓成型后再激光鉆孔而制作成的。由于噴絲帽總體厚度不大，承壓能力不強(qiáng)，為避免在較高壓力下噴絲帽產(chǎn)生變形，從而影響紡絲質(zhì)量，紡絲組件的總體壓力設(shè)計(jì)不宜過高。

此外，在設(shè)計(jì)紡絲組件時(shí)，還需注意分配板結(jié)構(gòu)的合理性對(duì)保證紡絲組件總體性能所帶來的影響。通常情況下，分配板安放在噴絲板（噴絲帽）的上方，物料通過分配板上開設(shè)的小孔進(jìn)入噴絲板（噴絲帽），由于孔的截面積遠(yuǎn)小于紡絲組件的內(nèi)腔截面面積，所以在保證分配板能夠均勻分配物料的同時(shí)，紡絲組件內(nèi)腔的壓力大大升高，這種狀況勢(shì)必會(huì)降低紡絲組件以及其它相關(guān)設(shè)備密封的可靠性。通過對(duì)各種紡絲組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，我們發(fā)現(xiàn)，分配板的存在，對(duì)于改善大截面圓形紡絲組件以及大截面矩形紡絲組件分配物料的均勻性，尤其是針對(duì)內(nèi)腔直徑大于100 mm的紡絲組件或者同等截面積的矩形紡絲組件，是非常有幫助的，究其原因，主要還是物料經(jīng)過過濾，輸送到過濾材料和分配板之間的空腔時(shí)，由于阻力的存在，物料首先會(huì)均勻地布滿整個(gè)空腔，然后才會(huì)通過分配板小孔向后輸送。但是，對(duì)于較小截面積的紡絲組件，這種優(yōu)勢(shì)非常不明顯，其原因是，對(duì)于較小截面積的組件，尤其是對(duì)于采用噴絲帽直徑不大于50 mm的小組件，只要施加一個(gè)非常小的阻力，或者即使不施加相應(yīng)的阻力，物料也會(huì)很容易地充滿噴絲帽上方的空腔，從而保證了出絲的均勻性。有鑒于此，我們認(rèn)為對(duì)于采用噴絲帽結(jié)構(gòu)的紡絲組件設(shè)計(jì)來說，取消分配板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全可以滿足正常紡絲需求，這一點(diǎn)通過試驗(yàn)已經(jīng)得以驗(yàn)證。對(duì)于PPTA樹脂的紡絲，采用帶有分配板結(jié)構(gòu)的紡絲組件，組件壓力接近10 MPa，而未使用分配板的紡絲組件，正常紡絲的組件壓力僅為2.5～4 MPa。

2凝固成纖過程

PPTA纖維干噴濕紡的凝固過程非常快，在幾秒內(nèi)即可完成，時(shí)間雖然短，但是紡絲原液細(xì)流進(jìn)入凝固浴的前幾秒對(duì)凝固相分離及成纖結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的。在空氣段，由于紡絲原液與外界的溶劑質(zhì)量分布差別巨大，擠出的紡絲原液細(xì)流中的溶劑急速揮發(fā)（蒸發(fā)），從而在纖維絲束表面形成了薄薄致密層，具有高固質(zhì)量分布致密表皮的細(xì)流進(jìn)入凝固浴后，可抑制雙擴(kuò)散速度，阻止了大孔的生成，最終生成沉淀結(jié)構(gòu)微細(xì)而致密的凝固纖維絲束。

在噴絲孔出口處，紡絲原液承受的壓力急劇降低至常壓，纖維絲束會(huì)相應(yīng)膨大，由于干噴濕紡可實(shí)現(xiàn)正牽伸，此時(shí)可把膨大部分牽伸變細(xì)后才進(jìn)入凝固浴，這樣紡出的纖維絲束表面較平滑且無溝槽，因此，在連續(xù)穩(wěn)定紡絲的前提下，應(yīng)該盡可能設(shè)置比較長(zhǎng)的空氣段。一般來說，空氣段的高度可在3～30 mm之間選擇，這取決于紡絲原液的性質(zhì)、噴絲孔徑以及凝固浴參數(shù)等。

對(duì)于PPTA纖維的干噴濕紡，凝固浴一般采用低溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比和低溫凝固。低溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比可加大溶劑與紡絲原液細(xì)流之間的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差，加速擴(kuò)散；而低溫又抑制擴(kuò)散速度，有利沉淀結(jié)構(gòu)微細(xì)致密化。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，凝固浴的溶液濃度一般控制在10%以下，而凝固浴溫度則控制在5～10℃以內(nèi)。

3干噴濕紡工藝的常見問題

對(duì)于PPTA纖維的干噴濕紡，最常見的問題就是“糊板”。“糊板”是指紡絲原液被擠出噴絲孔后鋪展在噴絲板表面的一種現(xiàn)象，這是影響連續(xù)紡絲的一大技術(shù)難題。從“糊板”的面積來說，紡絲原液鋪展的范圍有局部的，也有大面積的，但不管屬于哪種情況，都必須停止紡絲以進(jìn)行處理。

形成“糊板”的原因有很多，但要解決或者改善這個(gè)問題，主要還需從以下幾個(gè)方面著手。

3.1表面張力的影響

在干噴濕紡時(shí)，噴絲板對(duì)被擠出紡絲原液細(xì)流存在表面張力。正常紡絲過程中，如果噴絲板的表面張力大于紡絲原液細(xì)流的表面張力時(shí)，紡絲原液細(xì)流就容易鋪展在噴絲板表面，形成“糊板”，要解決這個(gè)問題，一方面，可以從降低噴絲板的表面能著手，解決措施是對(duì)噴絲板表面進(jìn)行高度拋光，通過降低表面粗糙度和減小表面積來降低噴絲板的表面能；另一方面，在工藝條件許可范圍內(nèi)，通過適當(dāng)提升紡絲原液的粘度或者保持紡絲原液的粘度在一定的范圍內(nèi)，盡量提高紡絲原液細(xì)流的表面張力。

3.2噴絲孔長(zhǎng)徑比的影響

噴絲孔的長(zhǎng)徑比越大，紡絲原液在噴絲孔通道中停留時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于紡絲原液彈性形變的松弛，從而使最大膨脹直徑減小，減少“糊板”發(fā)生的幾率。因此，在許可范圍內(nèi)，噴絲孔的長(zhǎng)徑比越大越好，一般要求長(zhǎng)徑比≥1.5。

除此之外，在紡絲過程中，當(dāng)然還有其它因素也會(huì)誘發(fā)“糊板”，比如斷絲，斷絲后斷頭的紡絲原液細(xì)流要自然回縮，為使體系自由能最低，必然要形成表面積最小的液態(tài)球狀物，從而形成局部“糊板”；再比如堵孔，如果紡絲原液過濾不到位，大的溶膠暫時(shí)堵孔，在壓差作用下，它將逐步變形，最終被擠出噴絲孔后形成局部“糊板”；另外，如果噴絲板表面發(fā)生溫度變化，尤其是向低溫變化時(shí)，紡絲原液的粘度增大，可導(dǎo)致擠出細(xì)流發(fā)生不穩(wěn)態(tài)的畸變，往往會(huì)造成斷流而引發(fā)“糊板”。

4結(jié)語

目前，國(guó)內(nèi)已建成多條PPTA樹脂生產(chǎn)線，但均未實(shí)現(xiàn)完全工業(yè)化生產(chǎn)，相信今后隨著研究的進(jìn)一步深入，PPTA的工業(yè)化紡絲指日可待。

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