一種高剪切速率紡制聚對苯二醯對苯二胺纖維的方法
2023-08-01 01:00:01 2
專利名稱：一種高剪切速率紡制聚對苯二醯對苯二胺纖維的方法
技術領域：
本發明涉及一種紡制聚對苯二醯對苯二胺纖維的方法，特別是涉及一種高剪切速率紡制聚對苯二甲醯對苯二胺(PPTA)纖維的方法。
背景技術：
聚對苯二甲醯對苯二胺纖維是一種典型的芳香族聚醯胺纖維，又被稱為對位芳綸或PPTA纖維，具有高強高模、耐高溫、蠕變小等優異的物理機械性能，是近年來纖維材料領域中發展速度最快的一類高科技術纖維，主要是應用於產業用紡織品，特別是許多要求輕量化、高性能的產品，只能使用該種纖維。
上世紀七十年代初，由美國杜邦公司在專利USP 3,767,756中首先公開了採用幹噴-溼紡PPTA/H2SO4液晶漿液，紡制了高強高模的PPTA纖維，但存在著PPTA/H2SO4紡絲溶液在製備過程中高粘度液晶溶液攪拌和脫泡困難的技術問題，既不利於連續化的工業生產，PPTA在長時間的溶解和脫泡過程中又容易發生降解，從而影響PPTA纖維的品質。
中國專利(申請號200310109240)中公開了採用雙螺杆結構改進設計的雙螺杆擠出機，實現了PPTA在濃硫酸中的快速溶解與脫泡新工藝，避免了PPTA/H2SO4在較高溫度下長時間溶解和脫泡引起PPTA的降解，紡制出高強高模的PPTA纖維，紡絲速率為80-150米/分鐘。由於採用了普通的剪切速率和剪切應力，聚合物溶液不易形成液晶，故紡絲速度比較慢(僅80-150米/分鐘)，生產效率較低。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種高剪切速率紡制聚對苯二醯對苯二胺纖維的方法，以彌補現有技術的不足和缺陷，滿足生產和生活的需要。
為了解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是一種高剪切速率紡制聚對苯二醯對苯二胺纖維的方法，包括以下步驟(1)將特性粘度為4.5-8.5dl/g的聚對苯二甲醯對苯二胺樹脂(PPTA)和濃度大於99％的濃硫酸混合均勻，配製成聚對苯二甲醯對苯二胺的重量百分含量為14％-24％的混合溶液；(2)配製好的聚對苯二甲醯對苯二胺混合溶液通過雙螺杆擠出機，在擠出機中完成聚對苯二甲醯對苯二胺在濃硫酸中的進一步溶解形成液晶紡絲溶液，並對其進行脫泡；(3)對經雙螺杆擠出機充分混合、調節好溫度、脫盡氣泡的聚對苯二甲醯對苯二胺紡絲漿液，在擠出機機頭施加高剪切應力，經過濾、計量後，在1*103s-1-4.5*105s-1的高剪切速率下幹噴-溼紡製得到聚對苯二甲醯對苯二胺纖維。
作為優選的技術方案物料在混合筒、雙螺杆擠出機中的溫度控制在50-100℃；停留時間分別為3-50分鐘及10-60分鐘，使PPTA/H2SO4在-定的溫度範圍內的停留時間，以確保形成均勻的液晶紡絲溶液。
雙螺杆擠出機中的雙螺杆直徑為25-145mm，長徑比為30-80，螺杆轉速為10-200rpm，且雙螺杆擠出機中兩根相互嚙合的雙螺杆擠出機的前半部分，從入口到螺杆全長的30-80％之間的部分，是由各種正向螺紋套、不同旋向的捏合塊以及少量的反向螺紋套組合而成，其中捏合塊的總長度佔該部分長度的30％以上，使PPTA/H2SO4通過不斷地壓縮、膨脹及軸向反混等作用而受到強烈的剪切和反混作用，以保證物料在雙螺杆擠出機中溶解完全。
雙螺杆擠出機中雙螺杆的後半部分由沿出口方向螺距逐漸減小的螺紋套組成，使PPTA/H2SO4紡絲溶液在向出口推動過程中，壓力逐漸增大，使溶液中的氣泡向壓力低的方向逸出，從而達到脫泡的目的。
本發明的有益效果是本發明與現有技術相比具有以下優點(1)PPTA樹脂的溶解和紡絲溶液的脫泡在同一臺雙螺杆擠出機內完成，只需要30-60分鐘的時間，即可獲得充分混合、溫度調節好、氣泡脫盡的PPTA紡絲溶液，而傳統工藝中PPTA樹脂在濃硫酸中，在80-90℃下溶解至少需要3小時，漿液的脫泡則需要更長時間，往往長達十幾小時至幾十小時，因而這種快速溶解脫泡工藝有利於連續紡絲，實現產業化。
(2)雙螺杆擠機的兩根相互嚙合的螺杆，其前半部分由各種正向螺紋套、不同旋向角度的捏合塊以及少量的反向螺紋套組成。其中，捏合塊總長度佔該部分長度的30％以上，使螺杆具有很好的自清潔作用及很高的剪切速率，使物料可在短時間內即達到微觀混合，從而可以大大加速PPTA樹脂在濃硫酸中的溶解速度。
(3)雙螺杆擠出機中雙螺杆的後半部分由沿出口方向螺距逐漸減小的螺紋套組成，使PPTA/H2SO4紡絲溶液在向出口推動過程中，壓力逐漸增大，使溶液中的氣泡向壓力低的方向逸出，從而達到脫泡的目的。
(4)雙螺杆擠出機的溫度可以按照需要進行調節和控制。在雙螺杆和外部套筒之間極薄的溶液在被雙螺杆推動過程中不斷地被分割和重新組合，在極短的時間內，不斷地混合、調溫，可得到混合均勻、穩定在某一設定溫度的紡絲溶液，起到穩定紡絲、提高纖維強度的作用。
(5)對經過雙螺杆擠出機機頭的PPTA紡絲漿液施以高剪切應力，在高剪切速率下紡制PPTA纖維，一方面，有利於液晶高分子鏈的高度取向，利於得到高強高模纖維；另一方面，由於液晶高分子溶液的剪切變稀，表觀粘度下降，使紡絲過程更為流暢，可進一步提高紡速，使紡絲速率提高5-10倍，達400-1000米/分鐘。
(6)在一臺雙螺杆擠出機中，實現了PPTA樹脂的溶解、PPTA/H2SO4紡絲溶液的脫泡以及高剪切速率紡絲這三道工序，既大大縮短了溶解脫泡時間，又利於提高紡速，從而更有利於實現工業化的連續紡絲，製得高強高模的聚對苯二甲醯對苯二胺纖維。
具體實施例方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步詳細闡述。
實施例1將1.43千克特性粘度為6.5dl/g的乾燥PPTA樹脂與3.5立升100％的硫酸加入10立升的混合筒中，在85℃下，混合20分鐘後，混合物料連續擠入直徑為55mm，長徑比為60，轉速為30rpm的雙螺杆擠出機中，控制雙螺杆的溫度為85℃，其中螺杆前半部分長1400mm，後半部分長為1900mm，在雙螺杆中完成PPTA樹脂在H2SO4中的充分溶解及脫除紡絲溶液中的氣泡，經過50分鐘左右，在擠出機的機頭對充分混合、溫度調節好、氣泡脫盡的紡絲溶液施加高剪切應力，過濾後，經計量泵，以5.5×103s-1的剪切速率送入噴絲頭，噴絲板規格為Φ0.08×300孔，經5mm的空氣間隙層，進入凝固浴紡絲管，凝固浴溫度為5℃，紡絲速度為550米/分鐘，噴頭拉伸6倍，紡出的絲束經水洗中和後，送入熱處理裝置，在525℃下處理10秒鐘，再上油卷繞成筒，根據國標測定，所得PPTA纖維的拉伸強度為2.63Gpa，初始模量為184GPa，斷裂伸長為1.43％。
實施例2
將1.43千克特性粘度為4.5dl/g的乾燥PPTA樹脂與3.5立升100％的硫酸加入10立升的混合筒中，在85℃下，混合5分鐘後，混合物料連續擠入直徑為25mm，長徑比為30，轉速為10rpm的雙螺杆擠出機中，控制雙螺杆的溫度為50℃，其中螺杆前半部分長1500mm，後半部分長為1750mm，在雙螺杆中完成PPTA樹脂在H2SO4中的充分溶解及脫除紡絲溶液中的氣泡，經過35分鐘左右，在擠出機的機頭對充分混合、溫度調節好、氣泡脫盡的紡絲溶液施加高剪切應力，過濾後，經計量泵，以4.5×105s-1的剪切速率送入噴絲頭，噴絲板規格為Φ0.08×300孔，經5mm的空氣間隙層，進入凝固浴紡絲管，凝固浴溫度為5℃，紡絲速度為850米/分鐘，噴頭拉伸6倍，紡出的絲束經水洗中和後，送入熱處理裝置，在525℃下處理10秒鐘，再上油卷繞成筒，根據國標測定，所得PPTA纖維的拉伸強度為2.75Gpa，初始模量為182GPa，斷裂伸長為1.47％。
實施例3將1.43千克特性粘度為8.5dl/g的乾燥PPTA樹脂與3.5立升100％的硫酸加入10立升的混合筒中，在85℃下，混合20分鐘後，混合物料連續擠入直徑為145mm，長徑比為80，轉速為200rpm的雙螺杆擠出機中，控制雙螺杆的溫度為100℃，其中螺杆前半部分長1400mm，後半部分長為1900mm，在雙螺杆中完成PPTA樹脂在H2SO4中的充分溶解及脫除紡絲溶液中的氣泡，經過3分鐘左右，在擠出機的機頭對充分混合、溫度調節好、氣泡脫盡的紡絲溶液施加高剪切應力，過濾後，經計量泵，以1.0×103s-1的剪切速率送入噴絲頭，噴絲板規格為Φ0.08×300孔，經5mm的空氣間隙層，進入凝固浴紡絲管，凝固浴溫度為5℃，紡絲速度為550米/分鐘，噴頭拉伸6倍，紡出的絲束經水洗中和後，送入熱處理裝置，在525℃下處理10秒鐘，再上油卷繞成筒，根據國標測定，所得PPTA纖維的拉伸強度為2.51Gpa，初始模量為176GPa，斷裂伸長為1.45％。
表1為普通紡絲、快速溶解脫泡及本發明所紡制纖維的性能比較。
表1
權利要求
1.一種高剪切速率紡制聚對苯二醯對苯二胺纖維的方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)將特性粘度為4.5-8.5dl/g的聚對苯二甲醯對苯二胺樹脂和濃度大於99％的濃硫酸在混合筒中混合均勻，配製成聚對苯二甲醯對苯二胺的重量百分含量為14％-24％的混合溶液；(2)配製好的聚對苯二甲醯對苯二胺混合溶液通過雙螺杆擠出機，在擠出機中完成聚對苯二甲醯對苯二胺在濃硫酸中的進一步溶解形成液晶紡絲溶液，並對其進行脫泡；(3)對經雙螺杆擠出機充分混合、調節好溫度、脫盡氣泡的聚對苯二甲醯對苯二胺紡絲漿液，在擠出機機頭施加高剪切應力，經過濾、計量後，在1*103s-1-4.5*105s-1的高剪切速率下幹噴-溼紡製得到聚對苯二甲醯對苯二胺纖維。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於物料在混合筒、雙螺杆擠出機中的溫度控制在50-100℃；停留時間分別為3-50分鐘及10-60分鐘。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於雙螺杆擠出機中的雙螺杆直徑為25-145mm，長徑比為30-80，螺杆轉速為10-200rpm，且雙螺杆擠出機中兩根相互嚙合的雙螺杆擠出機的前半部分，從入口到螺杆全長的30-80％之間的部分，是由各種正向螺紋套、不同旋向的捏合塊以及少量的反向螺紋套組合而成，其中捏合塊的總長度佔該部分長度的30％以上。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於雙螺杆擠出機中雙螺杆的後半部分由沿出口方向螺距逐漸減小的螺紋套組成。
全文摘要
本發明公開了一種高剪切速率紡制聚對苯二醯對苯二胺纖維的方法，包括如下步驟將PPTA和濃度大於99％的濃硫酸在混合筒中混合均勻，配製成PPTA重量百分含量為14％－24％的混合溶液；配製好的PPTA混合溶液通過雙螺杆擠出機，進一步溶解形成液晶紡絲溶液，並對其進行脫泡；對充分混合、調節好溫度、脫盡氣泡的PPTA紡絲漿液，在擠出機機頭施加高剪切應力，經過濾、計量後，在1*10
文檔編號D01F6/60GK1752300SQ20051003094
公開日2006年3月29日 申請日期2005年11月2日 優先權日2005年11月2日
發明者劉兆峰, 胡祖明, 尤秀蘭, 潘婉蓮, 陳蕾, 曹煜彤 申請人:東華大學