聚乙烯醇纖維噴絲板的腐蝕與防腐研究

文/周健 田宗杰（安徽皖維高新材料股份有限公司）

噴絲板是化纖紡絲設備中至關重要的工藝生產部件，是保證纖維產品質量和生產穩定性的重要條件，在紡絲過程中將精確計量過的紡絲溶液通過噴絲板上的微孔能夠噴擠出具有一定粗細和質地細密的纖維束。在紡絲過程中，噴絲板可能接觸堿、酸、有機物等腐蝕性物質，從而影響噴絲板的性能和微孔結構，可能造成纖維產品質量的波動，甚至是停產。因此，對噴絲板進行保養和維護是每個化纖企業都要掌握的關鍵技術。

一、聚乙烯醇纖維噴絲板的腐蝕現象

聚乙烯醇纖維是一種綠色、高性能纖維，其生產過程主要包括聚乙烯醇溶解、過濾、脫泡，制成聚乙烯醇原液后經噴絲板形成紡絲后進入凝固浴工序，脫出其中的溶劑，形成初生纖維。在此過程中，噴絲板接觸的物質主要有聚乙烯醇水溶液，凝固浴中的氫氧化鈉、硫酸鈉等凝固劑。聚乙烯醇纖維噴絲板又稱金板，其主要材質是黃金和鉑金，其中黃金占70%，鉑金占30%，重120 g 左右。使用一段時間后，噴絲板表面會附著一層黑色粉末狀物質，且噴絲板重量日漸降低，據統計平均日減重0.17 g。新噴絲板使用7 天后表面就會出現凹坑麻點，失去原來的光潔度，噴絲孔逐漸變大，嚴重影響高強高模纖維產品質量，直至無法紡絲。

二、噴絲板腐蝕原因分析

噴絲板在生產過程中接觸的物料主要有芒硝（硫酸鈉）、聚乙烯醇（PVA），噴絲板發生腐蝕可能是凝固浴或原液中有某種成分與黃金、鉑金發生化學反應，導致噴絲板腐蝕而減重。因此，選擇可能的腐蝕性物質（氯離子、氟離子、氰根離子、硫離子等）進行對比試驗。

1.確定腐蝕物質試驗

配制100 ml 凝固浴，分別加入下列試劑后，放入噴絲板薄片，浸泡10 天后，測量噴絲板薄片減重情況，結果如表1 所示。

表1 不同試劑浸泡10 天后噴絲板薄片減重情況

從試驗數據看，氰根離子對噴絲板腐蝕性最大，其次是氯離子。

2.腐蝕影響程度試驗

配制100 ml 凝固浴，分別加入0.26 g、0.52 g、1.04 gNaCN，浸泡7 天后，金板減重情況如表2 所示。

表2 不同濃度NaCN 浸泡10 天后金板減重情況

從表2 可知，氰根離子濃度越高，腐蝕量越大。

3.驗證試驗

配制100 ml 凝固浴，加入0.05 gNaCN，添加H2O2做對比試驗，噴絲板薄片浸泡8 天后減重對比結果如表3所示。

表3 對比試驗浸泡8 天后金板片減重情況

從表3 可知，加入H2O2后，氰根被消除，金板基本上不腐蝕，而沒有加H2O2時金板減重較大，這進一步說明氰根離子對金板有腐蝕作用。

4.氰根離子來源分析

一是對芒硝、各種添加劑進行分析，其中均沒有氰根離子；二是對凝固浴進行分析，其中氰根離子濃度是14～17 ppm；三是分析PVA 中的氰根離子濃度，是2～4 ppm。經過分析，聚乙烯醇樹脂聚合時使用偶氮二異丁腈（AIBN）作為引發劑，偶氮二異丁腈殘留在PVA 中，受熱分解產生氰根。偶氮二異丁腈是一種有機化合物，化學式為C8H12N4，其結構式為：

氰根在堿性條件下很穩定，而凝固浴是強堿性的，因此凝固浴中氰根濃度不斷增加。

通過上述試驗及分析確定金板減重的原因是：PVA中殘留氰根，在紡絲過程中進入凝固浴，并不斷積累，與噴絲板發生化學反應導致腐蝕，使得噴絲板減重。

5.腐蝕機制研究

金由于與氰根離子發生絡合作而降低了氧化電位，從而能在堿性條件下被空氣中的氧氣氧化，生成可溶性的鹽而溶解。金在氰化物溶液中的溶解反應方程式為：

試驗后，可以看到腐蝕的噴絲板表面有黑色粉末，這是因為黃金被腐蝕溶解后，鉑金不發生反應，表面黑色粉末是鉑黑。

三、噴絲板防腐蝕對策研究

1.消除凝固浴中的氰根離子

可采用化學法消除凝固浴中的氰根，即在凝固浴中添加H2O2去除氰根離子。H2O2的作用原理是，首先把氰根氧化為氰酸根，氰酸根再水解成碳酸銨，其反應式為：

把H2O2加入凝固浴，30 分鐘后凝固浴中的氰根含量降到1 ppm。間斷添加H2O2，2 小時檢驗一次，保持凝固浴中的氰根含量在1～2 ppm。通過一周的實施結果對比，金板減重情況大為減緩，由實施前的平均每塊每天減重0.17 g 降到平均每塊每天減重0.02 g，新金板也不再發黑，效果十分顯著。

也可添加甲醛去除氫根離子，其作用原理是：有機氰化物與甲醛反應，生成有機胺類化合物和甲酸。反應過程如下所示：

2.去除PVA 中的氰根離子

去除PVA 中的氰根離子是從源頭消除氰根的辦法，即在PVA 聚合時不使用偶氮引發劑。

過氧化新戊酸叔丁酯（BPV）分子式為C9H18O3，是一種過氧化物，受熱極易分解，產生活性基團，遇到單體醋酸乙烯后，可迅速開始鏈引發、鏈增長、鏈轉移和鏈終止。

其結構式如下：

過氧化新戊酸叔丁酯緩慢分解時，產生兩種自由基，一種是叔丁基，另一種是新戊氧基，其中新戊氧基或可進一步裂變生成丙酮和甲基。

因此，過氧化新戊酸叔丁酯分解產生的自由基團共有三種（叔丁基、新戊氧基、甲基），在引發醋酸乙烯時，高分子鏈的末端基團為叔丁基、新戊氧基、甲基，沒有氰根存在。

采用BPV 替代偶氮二異丁腈作為引發劑，生產的PVA 中氰根含量為零，用BPV 生產的PVA 被用于紡絲，凝固浴中氰根含量為0.5～1.0 ppm，每塊噴絲板板每天腐蝕減重在0.001～0.003 g。

四、結論及建議

（1）致使聚乙烯醇纖維紡絲過程中所用的噴板發生腐蝕的原因是氰根離子的存在，氰根離子濃度越高對噴絲板的腐蝕性越大。

（2）可以采用在凝固浴中添加氧化劑的方法消除凝固浴中的氰根離子，以保障生產穩定。

（3）采用過氧化新戊酸叔丁酯替代偶氮二異丁腈作為聚乙烯醇生產的催化劑可將凝固浴系統中的氰根離子濃度降到最低程度，能有效防止噴絲板腐蝕。

（4）不銹鋼材料與氰根離子不發生反應，在聚乙烯醇纖維生產中不會發生腐蝕現象，且其制作及維護成本均大大低于金板，建議采用新型不銹鋼材質制備噴絲板取代金板用于聚乙烯醇纖維的生產。