影響聚己內酰胺切片質量的主要因素

劉 然

（陽煤集團太原化工新材料有限公司，山西 清徐 030400）

0 引言

通過對切片相對黏度、水分含量和二氧化鈦用量等指標的分析，探討了影響聚己內酰胺切片質量的因素。隨著聚丙烯酰胺的分子量的不斷增大，分子間作用力也同步增大，從而提高了聚丙烯酰胺的黏度，提高了其拉伸黏度，從而提高了熔體的可紡性，提高了纖維的整體均勻性[1]。在螺桿擠出機上，可逆反應由正向反應向正向進行，且隨著含水率升高，紡絲液中的動態平衡反應會不斷加快至縮聚反應。二氧化鈦含量增加，促使熔體流動性下降，影響聚己內酰胺可紡性能和纖維結構均勻性[2]。因此，為驗證以上三種因素對聚己內酰胺質量的影響，采用試驗分析法進行驗證分析，確認不同因素的影響機理。

1 材料及設備

1.1 試驗材料

1）切片相對黏度因素影響試驗中涉及試驗切片均來源于廣東美達錦綸股份公司，相關切片的含水率（質量分數，下同）控制在0.02%，二氧化鈦含量（質量分數，下同）控制在0%，低聚物含量（質量分數，下同）則需要控制在0.3%。

2）切片含水率因素影響試驗中涉及材料包括相對黏度為2.4，含水量分別為0.02%、0.04%、0.06%，二氧化鈦含量為0.3%，低聚物含量為0.27%的切片。

3）切片二氧化鈦含量因素影響試驗中涉及試驗切片的相對黏度、含水率、二氧化鈦含量以及低聚物含量需要分別控制為2.4、0.04%、0.25%、0.3%、0.15%。

1.2 試驗設備

主要試驗設備包括紡絲設備、卷繞設備、強伸機等，相關設備均采用行業常用設備。此外，試驗中采用卡爾-費休滴定裝置、分析天平、加熱爐、電位滴定裝置、電磁攪拌加熱器、電容式條干均勻度儀、卷縮儀、染色機、測色儀、標準光源對色燈箱、聲速取向測量儀等設備。

2 樣品制備

采用擠壓機和卷繞裝置，在相同的工藝條件下，采用熔體紡絲技術，獲得了78dtex/24 f 規格的聚己內酰胺試樣。

3 表征分析與工藝條件

1）纖維強伸度及變異系數測試：對已制得的聚丙烯酰胺試樣進行拉伸，測定拉伸和變化系數。在特定的測試中，沿著試件的長度均勻地拉伸，直到試樣破裂，或者應力載荷、伸長應變達到一個預先確定的數值，確定在這個過程中，試樣的一致性和試樣的伸長率[3]。

2）纖維聲速取向測試：采用超聲定向測量裝置，在25 ℃、濕度為60%的條件下，利用光纖細度和預張力的關系公式F=10D=1g，隨機選取一條不定向的長絲，用一端固定，另一端施加拉力，測試其定向系數因子。

3）切片含水率測定：首先，精準成熟3 g 樣品，將樣品置于165 ℃加熱爐，通入150 mL/min 氮氣加熱20 min，加熱過程中樣品揮發的水分經由氮氣帶入到裝有無水甲醇的滴定杯中吸收[4]，采用K·F 試劑測定甲醇的水分含量，再根據測定水分含量確認切片含水率。

4）纖維取向度測定：光纖的定向用廣角X 光確定。在此基礎上，利用大角度X 射線衍射儀測量待測試樣的衍射圖樣[5]，獲得通常在衍射圖樣赤道線上Debye 圓環的強度分布曲線（半高-寬參量），從而得到試樣的大分子鏈取向程度和微觀晶粒定向程度。

試驗工藝中焊絲溫度為255 ℃、冷卻風速為0.45 m/s、GR1 為1 650 m/min、GR2 為4 420 m/min、網絡氣壓為3.5 bar、定型溫度為150 ℃、卷繞速度為4 300 m/min。

4 結果與討論

4.1 切片相對黏度

根據切片相對黏度因素影響試驗參數及試驗工藝進行試驗測試，具體試驗周期為一個月。試驗采用每天一次的測試頻率，對同一批次的生產線試樣進行切片樣本測定，測定的指標有試樣的斷裂強度、纖維強伸度和樣品變異系數等。具體試驗測試結果如圖1所示。

圖1 不同切片相對黏度下聚己內酰胺日測斷裂強度變異系數

根據試驗結果可知，隨著切片相對黏度的持續提升，試樣的抗拉強度、拉伸性能均有一定程度的提高，而試樣的斷裂強度、斷裂伸長率均有一定程度的降低。在高分子理論研究的基礎上，通過改變分子鏈長度，提高分子間的相互作用力，提高熔融態的黏度，提高熔融態的可紡絲能力，從而保證纖維組織的均勻性，從而降低纖維的斷裂強度、斷裂伸長率的變化。反之，則樣品纖維斷裂強度和斷裂伸長率持續下降，斷裂強度變異系數、斷裂伸長率變異系數不斷增加。綜合分析后確認原材料最佳黏度為2.4～2.8。

鋼制安全殼（C V，Containment Vessel）是核電站反應堆第三道安全屏障，也是最后一道安全屏障。我國在建的AP1000三代核電機組，現場鋼制安全殼的焊接所采用的仍然是傳統的手工焊，焊工勞動強度高，焊接效率低；同時，手工焊接容易受工作環境、焊工狀態等諸多因素的影響，焊縫質量不夠穩定。在西方發達國家，自動焊工藝已成功應用于核電機組鋼制安全殼的拼裝焊接。因此，為適應我國核電產業快速發展、縮短安裝周期、提高焊接質量，有必要研究核電站鋼制安全殼自動焊工藝，并逐步應用于工程建設中。

4.2 切片含水率

切片含水率試驗過程與切片相對黏度試驗過程大致相同，差異點僅在于將切片相對黏度因素影響試驗參數調整為切片含水率因素影響試驗參數。具體試驗結果如圖2 所示。

圖2 不同含水率下聚己內酰胺日測斷裂強度變異系數

根據試驗結果可知，在樣品切片含水率過高時，樣品纖維的變異系數將表現出下降態勢。總體來說，當試樣切片的水分含量較高時，聚丙烯酰胺紡絲液會發生水解，部分分子鏈段斷裂，分子量分布變寬。同時，紡絲液中所產生的小分子組分不能被高效地排出，并以微泡的形式滯留在纖維中，直接影響了整個熔體的均勻性，從而降低了纖維的斷裂強度、斷裂伸長率的變化。另外，由于聚己內酰胺是一種可逆的平衡反應，當切片的水分含量很小時，其動態平衡反應就會傾向于縮聚，從而導致部分分子量增加，分子量分布變寬，進一步加劇變異系數下降問題。綜合分析后確認原材料切片含水率和包裝儲存切片含水率應分別控制在0.03%～0.04%和0.04%。

4.3 切片二氧化鈦含量

切片二氧化鈦含量試驗過程同上，具體試驗結果如圖3 所示。

圖3 不同二氧化鈦含量下聚己內酰胺日測斷裂強度變異系數

根據試驗結果可知，隨著二氧化鈦含量的持續增加，聚己內酰胺纖維斷裂強度變異系數和斷裂伸長率變異系數均表現為持續增大的態勢。具體來說，二氧化鈦在聚合物體系中發揮增塑作用，但同時也會增加聚己內酰胺熔體的雜質含量，促使聚己內酰胺熔體黏度增加，可紡性能和均勻性下降。在二氧化鈦含量較少時，聚己內酰胺的結晶性能和熱穩定性能變化較小，但在二氧化鈦含量相對較高時，聚己內酰胺紡絲拉伸均勻性下降，進而導致纖維變異系受到影響。相比較而言，在無二氧化鈦的情況下，纖維的取向程度較高，相應的纖維組織也較均勻。

5 結論

通過試驗分析法，以聚己內酰胺原材料為研究對象，分別以黏度、含水率、二氧化鈦含量三種影響因素進行試驗分析，進而獲取以下試驗結果。

1）隨著切片相對黏度的持續提升，樣品斷裂強度和斷裂伸長率也隨之增長，但樣品斷裂強度變異系數和斷裂伸長率變異系數則隨之下降。綜合分析后確認原材料最佳黏度為2.4～2.8。

2）在樣品切片含水率過高時，樣品纖維的變異系數將表現出下降態勢。綜合分析后確認原材料切片含水率和包裝儲存切片含水率應分別控制在0.03%～0.04%和0.04%。

3）隨著二氧化鈦含量的持續增加，聚己內酰胺纖維斷裂強度變異系數和斷裂伸長率變異系數均表現為持續增大的態勢。綜合分析后確認最佳條件下原材料中應不含有二氧化鈦。