干喷湿纺在PPTA树脂纺丝过程中的应用探讨

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇干喷湿纺在PPTA树脂纺丝过程中的应用探讨范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：文章主要介绍干喷湿纺纺丝工艺应用在ppta（聚对苯二甲酰对苯二胺）纤维纺丝过程中所涉及到的一些问题，其中包括纺丝组件结构、凝固浴参数设置对纺丝的影响，并且针对出现的一些问题提出改进看法。

关键词：干喷湿纺;PPTA纤维；凝固浴；凝固成纤过程

中图分类号：TQ340.64文献标识码：A文章编号：1006-8937（2012）08-0179-02

干喷湿纺是纺丝工艺的一种，这种工艺的主要特征是纺丝原液经喷丝孔喷出后，不是立即进入凝固浴，而是先经过一小段空气层（一般应小于20～30 mm）再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成纤维丝束。一般而言，空气层可以是空气，也可以是其它惰性气体，对芳香族聚合物树脂进行纺丝，不需要采用惰性气体即可。相对于湿纺来说，采用干喷湿纺工艺，纺丝原液细流能在空气中经受显著的喷丝头拉伸，拉伸区长度远超过液流胀大区的长度，在长距离内发生的液流轴向形变速度梯度变化不大，在胀大区也不会产生很剧烈的形变，因而纤维丝束不容易断裂，因而能够适应在较高的纺丝速度下进行纺丝。

PPTA树脂属于溶致性液晶聚合物，其液晶聚合物分子的分子主链刚硬，分子之间堆砌紧密，且在成型过程中高度取向，因此比较适合采用干喷湿纺的纺丝工艺。

1纺丝组件

纺丝组件是纺丝成形的主要部分, 纺丝组件压力降的大小则表征了纺丝熔体的流变性和可纺性, 同时也从侧面反映了纺丝组件结构的合理性。干喷湿纺纺丝组件通常由组件壳体、组件盖板、过滤材料、分配板、密封垫以及喷丝板（喷丝帽）等多个部件组成，在干喷湿纺生产线上，经过初步过滤及计量泵计量后的熔体在一定的压力下进入到组件内，在组件内经过进一步精过滤和混合，最后从喷丝孔内挤出成形。

干喷湿纺纺丝组件的过滤一般多采用烛芯式结构，其具体形式为在中空骨架材料的外面包覆符合工艺要求的不锈钢烧结毡，纺丝熔体在一定压力作用下渗透通过不锈钢烧结毡，而杂质则留置在不锈钢烧结毡内层，从而起到过滤作用。过滤后的熔体进入分配板小孔，分配板一方面将熔体均匀分配到各喷丝板毛细孔，同时，还起到了对过滤材料的支承和防止喷丝板变形的作用。通过分配板后，熔体经过喷丝板的毛细孔被挤出形成丝条。

一般情况下，干喷湿纺的组件在过滤层上方以及喷丝板和分配板之间都存在一些空腔，用来贮存一定量的熔体，以便熔体连续均匀地通过过滤层和供给喷丝板各毛细孔。

在目前PPTA纺丝的实际生产过程中，受国内目前总体技术水平的限制，我们的纺丝组件设计未采用喷丝板，而是采用了喷丝帽。由于PPTA几乎不溶于浓硫酸以外的各种溶剂，而浓硫酸对大多数材质的腐蚀性又非常强，考虑到防腐问题，目前我们所选的喷丝帽材质为金属钽，为采用1～1.2 mm厚度的板材冲压成型后再激光钻孔而制作成的。由于喷丝帽总体厚度不大，承压能力不强，为避免在较高压力下喷丝帽产生变形，从而影响纺丝质量，纺丝组件的总体压力设计不宜过高。

此外，在设计纺丝组件时，还需注意分配板结构的合理性对保证纺丝组件总体性能所带来的影响。通常情况下，分配板安放在喷丝板（喷丝帽）的上方，物料通过分配板上开设的小孔进入喷丝板（喷丝帽），由于孔的截面积远小于纺丝组件的内腔截面面积，所以在保证分配板能够均匀分配物料的同时，纺丝组件内腔的压力大大升高，这种状况势必会降低纺丝组件以及其它相关设备密封的可靠性。通过对各种纺丝组件结构进行综合分析，我们发现，分配板的存在，对于改善大截面圆形纺丝组件以及大截面矩形纺丝组件分配物料的均匀性，尤其是针对内腔直径大于100 mm的纺丝组件或者同等截面积的矩形纺丝组件，是非常有帮助的，究其原因，主要还是物料经过过滤，输送到过滤材料和分配板之间的空腔时，由于阻力的存在，物料首先会均匀地布满整个空腔，然后才会通过分配板小孔向后输送。但是，对于较小截面积的纺丝组件，这种优势非常不明显，其原因是，对于较小截面积的组件，尤其是对于采用喷丝帽直径不大于50 mm的小组件，只要施加一个非常小的阻力，或者即使不施加相应的阻力，物料也会很容易地充满喷丝帽上方的空腔，从而保证了出丝的均匀性。有鉴于此，我们认为对于采用喷丝帽结构的纺丝组件设计来说，取消分配板结构设计完全可以满足正常纺丝需求，这一点通过试验已经得以验证。对于PPTA树脂的纺丝，采用带有分配板结构的纺丝组件，组件压力接近10 MPa，而未使用分配板的纺丝组件，正常纺丝的组件压力仅为2.5～4 MPa。

2凝固成纤过程

PPTA纤维干喷湿纺的凝固过程非常快，在几秒内即可完成，时间虽然短，但是纺丝原液细流进入凝固浴的前几秒对凝固相分离及成纤结构是至关重要的。在空气段，由于纺丝原液与外界的溶剂质量分布差别巨大，挤出的纺丝原液细流中的溶剂急速挥发（蒸发），从而在纤维丝束表面形成了薄薄致密层，具有高固质量分布致密表皮的细流进入凝固浴后，可抑制双扩散速度，阻止了大孔的生成，最终生成沉淀结构微细而致密的凝固纤维丝束。

在喷丝孔出口处，纺丝原液承受的压力急剧降低至常压，纤维丝束会相应膨大，由于干喷湿纺可实现正牵伸，此时可把膨大部分牵伸变细后才进入凝固浴，这样纺出的纤维丝束表面较平滑且无沟槽，因此，在连续稳定纺丝的前提下，应该尽可能设置比较长的空气段。一般来说，空气段的高度可在3～30 mm之间选择，这取决于纺丝原液的性质、喷丝孔径以及凝固浴参数等。

对于PPTA纤维的干喷湿纺，凝固浴一般采用低溶剂质量分数配比和低温凝固。低溶剂质量分数配比可加大溶剂与纺丝原液细流之间的质量分数差，加速扩散；而低温又抑制扩散速度，有利沉淀结构微细致密化。在实际生产过程中，凝固浴的溶液浓度一般控制在10%以下，而凝固浴温度则控制在5～10℃以内。

3干喷湿纺工艺的常见问题

对于PPTA纤维的干喷湿纺，最常见的问题就是“糊板”。“糊板”是指纺丝原液被挤出喷丝孔后铺展在喷丝板表面的一种现象，这是影响连续纺丝的一大技术难题。从“糊板”的面积来说，纺丝原液铺展的范围有局部的，也有大面积的，但不管属于哪种情况，都必须停止纺丝以进行处理。

形成“糊板”的原因有很多，但要解决或者改善这个问题，主要还需从以下几个方面着手。

3.1表面张力的影响

在干喷湿纺时，喷丝板对被挤出纺丝原液细流存在表面张力。正常纺丝过程中，如果喷丝板的表面张力大于纺丝原液细流的表面张力时，纺丝原液细流就容易铺展在喷丝板表面，形成“糊板”，要解决这个问题，一方面，可以从降低喷丝板的表面能着手，解决措施是对喷丝板表面进行高度抛光，通过降低表面粗糙度和减小表面积来降低喷丝板的表面能；另一方面，在工艺条件许可范围内，通过适当提升纺丝原液的粘度或者保持纺丝原液的粘度在一定的范围内，尽量提高纺丝原液细流的表面张力。

3.2喷丝孔长径比的影响

喷丝孔的长径比越大，纺丝原液在喷丝孔通道中停留时间越长，越有利于纺丝原液弹性形变的松弛，从而使最大膨胀直径减小，减少“糊板”发生的几率。因此，在许可范围内，喷丝孔的长径比越大越好，一般要求长径比≥1.5。

除此之外，在纺丝过程中，当然还有其它因素也会诱发“糊板”，比如断丝，断丝后断头的纺丝原液细流要自然回缩，为使体系自由能最低，必然要形成表面积最小的液态球状物，从而形成局部“糊板”；再比如堵孔，如果纺丝原液过滤不到位，大的溶胶暂时堵孔，在压差作用下，它将逐步变形，最终被挤出喷丝孔后形成局部“糊板”；另外，如果喷丝板表面发生温度变化，尤其是向低温变化时，纺丝原液的粘度增大，可导致挤出细流发生不稳态的畸变，往往会造成断流而引发“糊板”。

4结语

目前，国内已建成多条PPTA树脂生产线，但均未实现完全工业化生产，相信今后随着研究的进一步深入，PPTA的工业化纺丝指日可待。

参考文献：

[1]贺福.高性能碳纤维原丝与干喷湿纺[D].上海:中国科学院上 海冶金研究所,2000.

[2]杨拯,吴清基,胡盼盼,等.芳纶1414纺丝过程中聚合体的相 对分子质量变化及其控制[J].合成纤维,2010,(4).