紡絲熔融晶體制作及脫泡工藝

宋靖(福建申馬新材料有限公司，福建 福州 350500)

0 引言

PPTA采用干-濕法紡絲的過程，需要將PPTA粉狀樹脂溶解在濃硫酸中，制成溶致性液晶漿料，熔融晶體漿料經(jīng)紡絲計量泵送入噴絲組件，從噴絲板出來的細(xì)絲經(jīng)凝固浴、酸洗、拉伸、干燥、上油、卷繞等過程，最終成為產(chǎn)品絲。

1 熔融晶體漿料的制備

如圖1所示，熔融晶體漿料的制作過程如下：

圖1 熔融液晶漿料制備過程示意圖

淺黃色灰分1 000 mg/L以下合格的粉狀樹脂，黏度6.5 Pa·s左右，經(jīng)過旋風(fēng)干燥器烘干后，水分控制在5%以下，用氮氣輸送至樹脂槽a中備用。

將98%的硫酸與105%的發(fā)煙酸，調(diào)配成100.2%的濃硫酸，用泵送至硫酸槽b中備用。

樹脂槽a中的粉狀PPTA樹脂，與硫酸槽b中的濃硫酸按一定比例，分別通過計量表后，再分別通過螺桿加料機加入螺桿混合器c。在螺桿混合器控制轉(zhuǎn)速60 r/min，粉狀樹脂與硫酸經(jīng)過擠壓、摻混、溶解，逐步從松散的混合狀變成粗糙的糊狀。在螺桿混合器的前半段，溫度因為物料擠壓、摩擦而升高，可以通過螺桿外側(cè)的盤管通熱水的方式對溫度進行調(diào)節(jié)，維持物料溫度從前到后、從60～90 ℃逐步升高；螺桿的后半段用低壓蒸汽進行加熱至并維持在100 ℃，螺桿混合器內(nèi)不斷混合的糊狀物料經(jīng)過加熱后，逐步變成熔融狀態(tài)的較為均勻的粘稠晶體狀，可以稱為熔融晶體了。但此時的晶體漿料仍然是不均勻的，可以觀察到漿料中還存在呈沙粒狀的泛白的顆粒物，那是尚未溶解的樹脂顆粒。

漿料從螺桿混合器擠出，水平進入攪拌槽d中。在攪拌槽d中，基本成為晶體狀溶液的漿料進行充分?jǐn)嚢?、混合、溶解，消除顆粒狀物料，并且通過真空系統(tǒng)除去逸出的大部分揮發(fā)組分，形成均一的、具有光澤的晶體。

攪拌槽d中的溶致性晶體漿料，經(jīng)泵送入脫泡槽e中。在脫泡槽e中，溶致性晶體漿料自上而下，被拉成細(xì)條狀，經(jīng)過真空系統(tǒng)去除殘余的揮發(fā)組分后，落入槽底，成為可用于下游紡絲的熔融晶體。這種晶體經(jīng)紡絲計量泵f送入紡絲組件，進行紡絲。

考慮硫酸環(huán)境，或者硫酸析出三氧化硫，均對碳鋼設(shè)備具有腐蝕性，要求螺桿腔體、軸、轉(zhuǎn)子(嚙合塊)等使用不銹鋼材質(zhì)或者合金材料。攪拌槽、攪拌器、攪拌槽的真空泵、連接管線需要使用不銹鋼材質(zhì)或合金材料。脫泡槽、脫泡槽的真空泵、連接管線需要使用不銹鋼材質(zhì)或合金材料。尾氣吸收槽需要使用不銹鋼材質(zhì)。

攪拌槽d的真空泵1抽出的揮發(fā)組分，與脫泡槽e的真空泵2抽出的揮發(fā)組分，分別經(jīng)尾氣吸收槽，除去酸性揮發(fā)物后，尾氣直接排空。

晶體漿料脫泡的動力來自真空系統(tǒng)。所不同的是，在攪拌槽d中，漿料通過加熱和抽真

空進行脫泡；在脫泡槽e中，漿料通過維持較高溫度、拉成細(xì)線狀和抽真空進行脫泡。

在漿料配制過程中，雙螺桿混合器是核心設(shè)備，其功能是粉狀樹脂及酸液的進料、固液混合、固液分散均質(zhì)、消泡、加壓擠出，物料配比、螺桿系統(tǒng)調(diào)控決定著漿料的品質(zhì)。這里需要注意以下4點：

(1)硫酸需要經(jīng)過過濾。硫酸在運輸、儲存過程中會夾帶一些雜質(zhì)、鐵銹、金屬屑等，這些雜質(zhì)不濾除，會夾帶在漿料中，堵塞噴絲孔，造成絲束黏連、斷絲、脹絲等，還會造成絲束局部色澤變暗，影響紡絲及成絲質(zhì)量。

(2)進料樹脂和硫酸的配比應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制。酸液偏少，則熔融效果差，漿料夾雜未熔融的樹脂顆粒，漿料溶致性狀差，流動性差，嚴(yán)重的會堵塞噴絲孔，絲束黏連、斷絲等。酸液偏多，會降低漿料的黏度，增加脫泡難度，降低可紡性，最終影響成絲的綜合品質(zhì)。

(3)螺桿混合器的轉(zhuǎn)速應(yīng)適當(dāng)控制，轉(zhuǎn)速過大，會過度剪切樹脂顆粒，造成高剪切應(yīng)力，而且會造成局部摩擦升溫過快，破壞樹脂的結(jié)構(gòu)和取向，最終會影響漿料的可紡性和成絲的品質(zhì)。轉(zhuǎn)速過低，則樹脂與硫酸混合不足，螺桿混合器流動性變差，甚至出現(xiàn)堵料現(xiàn)象，影響液晶漿料的形成。

(4)螺桿混合器的溫度也要嚴(yán)格控制，溫度過低，增加剪切應(yīng)力，而且因為螺桿嚙合塊局部摩擦造成溫差過大，直接破壞樹脂的結(jié)構(gòu)和取向，降低漿料品質(zhì)；溫度過高，則導(dǎo)致熔融過程加劇，降低漿料黏度，影響可紡性和成絲品質(zhì)。

2 攪拌槽的脫泡

雙螺桿混合器將粉狀的樹脂與硫酸混合，并不會破壞樹脂的聚合度，但混合并不充分，不是均一狀態(tài)。在螺桿混合器的后半程采用水浴加熱，混合漿料受熱后流動性增強，黏稠度、光澤度增加。不過，從螺桿混合器出來的漿料里裹雜著粉狀樹脂，直觀上呈現(xiàn)沙粒狀，并夾帶少量氣體。由于濃硫酸揮發(fā)出來的氣體及飽和水分，還有粉狀樹脂夾帶的氮氣和水分，經(jīng)加熱后逐部釋放。所以，從螺桿混合器進入攪拌槽肩部的漿料會有輕微的霧狀現(xiàn)象。

攪拌槽呈圓柱狀，側(cè)進側(cè)出，進出、料口分別位于徑向兩端。攪拌器安裝在上部中心位置，轉(zhuǎn)速80 r/min。攪拌槽外盤管采用蒸汽加熱，維持在100 ℃，以保持穩(wěn)定的黏度、大分子取向和流動性。一臺液環(huán)真空泵，維持壓力為60 kPa，從攪拌槽上部抽出揮發(fā)組分。攪拌槽操作120 ℃的溫度、壓強為60 kPa，保證漿料里裹雜的三氧化硫、酸霧、空氣、水分等揮發(fā)組分充分釋放，并被脫除。被真空泵抽出的揮發(fā)組分中的三氧化硫、酸霧等酸性物質(zhì)，在尾氣吸收槽中和吸收，空氣、水分等尾氣放空。

通過攪拌槽上部的觀察孔可以看到，從螺桿混合器過來的漿料顏色較為灰暗，漿料中有沙粒狀斑點；經(jīng)過充分?jǐn)嚢璨⒚摮龘]發(fā)組分的液晶漿料呈現(xiàn)出乳白色光澤，看不到沙粒狀斑點，攪拌葉片掛起的漿料拉伸較長，呈現(xiàn)韌性。

3 脫泡槽的脫泡

漿料在攪拌槽內(nèi)的揮發(fā)面積較小，較大體積、較低沸點揮發(fā)組分容易釋放和脫除，較小體積、較高沸點的揮發(fā)組分不容易釋放和脫除，所以，攪拌槽送往脫泡槽的液晶漿料，需要在脫泡槽內(nèi)進一步脫泡。

脫泡槽上部為半圓形，下部為圓錐形，來自攪拌槽的晶體漿料從脫泡槽上部進入，自上而下呈細(xì)線狀落入錐形槽底部。脫泡槽外盤管采用蒸汽加熱，維持在100 ℃，以保持漿料的性狀穩(wěn)定。一臺液環(huán)真空泵，維持壓強為40 kPa，從脫泡槽上部抽出揮發(fā)組分。

與攪拌槽的操作溫度和壓力不同，脫泡槽的操作溫度為110 ℃、壓強為40 kPa，溫度和真空度高于攪拌槽，有利于脫除在攪拌槽內(nèi)難于釋放、較高沸點的揮發(fā)組分，尤其是水分。

另外一個顯著不同點在于，漿料從脫泡槽頂部自上而下，呈細(xì)線狀落入錐形槽底，落差為6 m。這樣就極大地增加了脫泡面積，同時大幅增加了脫泡時間，使裹雜在漿料制得揮發(fā)組分充分釋放，并最大限度地被脫除。

脫泡槽維持110 ℃、40 kPa的操作條件，保證漿料里裹雜的較難揮發(fā)的組分充分釋放，并被脫除。被真空泵抽出的揮發(fā)組分中的三氧化硫、酸霧等酸性物質(zhì)，在尾氣吸收槽中和吸收，氮氣、水分等尾氣放空。

4 真空泵與尾氣吸收

攪拌槽的真空泵將攪拌槽里揮發(fā)出來的氣相抽出，同時保持?jǐn)嚢璨?0 kPa的真空狀態(tài)，易于攪拌槽內(nèi)漿料揮發(fā)組分的釋放。被抽出的揮發(fā)組分，主要是氮氣、三氧化硫、酸霧、水分等，需要在尾氣吸收槽內(nèi)中和，去除三氧化硫及酸性物質(zhì)，氮氣等氣相高出放空。

脫泡槽的真空泵將脫泡槽里揮發(fā)出來的氣相抽出，同時保持脫泡槽40 kPa的真空狀態(tài)，易于脫泡槽內(nèi)漿料揮發(fā)組分的釋放。被抽出的揮發(fā)組分，主要是三氧化硫和水分等，也需要在尾氣吸收槽內(nèi)中和，去除三氧化硫及酸性物質(zhì)。攪拌槽的真空泵和脫泡槽的真空泵均要求316L不銹鋼材質(zhì)，避免因為酸霧或者三氧化硫溶解于水成酸后對設(shè)備造成腐蝕。

液環(huán)封液采用高純水，雖然揮發(fā)組分三氧化硫會溶于水生成硫酸，且有部分酸霧也會溶于水中，但整體上液環(huán)封液的成酸濃度不會很高，因為液環(huán)泵葉輪工作過程中，與封液局部形成先升壓攜帶氣體、后減壓釋放氣體的過程，三氧化硫在封液中也存在溶解再釋放的過程。液環(huán)封液可以定期置換，用堿性溶液中和處理。

尾氣吸收槽采用316L不銹鋼或者玻璃鋼材質(zhì)。從真空泵過來的氣相管，與尾氣吸收槽內(nèi)的分布器連接。分布器侵沒在和液中，有利于吸收中和。中和液可以用稀的氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣等堿液，也可以使用碳酸氫鈉溶液?？梢酝ㄟ^pH值判斷吸收液的堿性物質(zhì)消耗情況，連續(xù)控制吸收液的pH值在6～8之間，進行堿性吸收液的補加，以及中和液的排放。排除的中和液，可以根據(jù)廢水處理方案選擇直接排放或者進一步處理。