均一性聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的制造

摘要

本发明涉及一种均一性聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的制造方法。该方法是将PPTA树脂与98－100％的浓硫酸在异向双螺杆挤出机中充分混合后进入同向双螺杆挤出机快速溶解后，经过过滤装置、连续薄膜脱泡装置、矩形排布的喷丝孔进行干喷－湿纺制得均一性很高的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维。该方法采用异向双螺杆挤出机进行混料，进料容易，混合作用强而剪切作用弱；连续薄膜脱泡装置可实现高粘度PPTA/H2SO4液晶浆液的均匀、快速脱泡；喷丝孔采用矩形排布使喷出丝束与凝固液之间有较大的接触面积，纤维与凝固液之间的传质、传热更均匀，有利纺制均一性较高的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能纤维的制造方法，特别是涉及一种均一性聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的制造方法。

背景技术

聚对苯二甲酰对苯二胺纤维是一种典型的芳香族聚酰胺纤维，又称PPTA纤维或对位芳纶或芳纶1414，因具有高强、高模、耐高温等优异性能，成为近年来合成纤维材料中发展速度最快的一类高科技纤维，主要在产业用纺织品领域应用，特别是许多产品要求轻量化、高性能，只能使用聚对苯二甲酰对苯二胺纤维。

上世纪七十年代初，由美国杜邦公司首先发明了PPTA/H₂SO₄液晶溶液进行干喷湿纺的方法，制造了这种高强高模的PPTA纤维，但至今仍存在着PPTA/H₂SO₄纺丝浆液制备过程中高粘度溶液的搅拌和脱泡困难的技术问题，通常情况下，PPTA树脂在99-100％的硫酸中，在80-90℃下溶解，至少需要三个小时，而纺丝液晶溶液的脱泡时间则需要更的时间，达十儿小时至几十小时，不仅不利于连续化的工业生产，而且PPTA在长时间的溶解和脱泡过程中容易发生降解，从而影响PPTA纤维的强度。

中国发明专利200310109240中公开了一种半连续化制备聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的方法，将聚对苯二甲酰对苯二胺树脂和浓硫酸加入混合筒中混合后进入双螺杆挤出机，解决了聚对苯二甲酰对苯二胺树脂在浓硫酸中的溶解时间长及纺丝浆液脱泡困难的问题，但对于产业化生产来说还存在混合过程中搅拌困难及不易混合均匀的问题。

中国发明专利200510025708.3中公开了一种连续化制备聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的方法，将聚对苯甲酰对苯二胺树脂和溶剂浓硫酸连续进入双螺杆挤出机1充分混合后，再进入双螺杆挤出机2进行溶解、脱泡后，经计量、过滤、干喷-湿纺等常规步骤制得聚对苯二甲酰对苯二胺纤维。该工艺方法物料混合、调温、脱泡时间短，物料的混合均匀度高，短时间内可实现连续、稳定的纺丝，提高了生产效率。但聚对苯二甲酰对苯二胺树脂在浓硫酸中受到长时间高剪切作用，还是易发生降解，影响PPTA纤维的强度；另一方面，喷丝孔的环形排布，使纺出的丝条与凝固液接触面积相对较小，不利于丝条与凝固液之间的传质传热，不利于纺制均一性要求较高的PPTA纤维。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种均一性程度较高的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的制造方法，以弥补现有技术的不足和缺陷，进一步提高PPTA纤维的品质。

为了解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：一种均一性程度较高的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的制造方法，包括以下步骤：

(1)将比浓对数粘度为4.0-8.5dl/g的聚对苯二甲酰对苯二胺树脂与浓度为98-100％的浓硫酸连续加入异向双螺杆挤出机中进行混合，其中聚对苯二甲酰对苯二胺树脂的重量百分比为14-24％，混合温度为50-100℃，停留时间为1-10分钟：

(2)充分混合后的上述物料连续进入同向双螺杆挤出机，使其在高剪切作用下溶解完全，溶解温度为50-100℃，停留时间为10-30分钟；

(3)完全溶解的PPTA/H₂SO₄液晶浆液经过滤后，通过连续薄膜脱泡装置，使其快速均匀地脱尽浆液中的气泡：

(4)气泡脱尽的PPTA/H₂SO₄液晶浆液，经计量后，进入矩形排布的喷丝孔进行干啧-湿纺制得聚对苯二甲酰对苯二胺纤维。

作为优选的技术方案：

所述的浓硫酸采用耐腐蚀性计量泵，聚对苯二甲酰对苯二胺树脂采用失重式连续计量装置；

所述的异向双螺杆挤出机的螺杆直径为25-150mm，长径比为5-20，转速为50-250rpm，物料在其中的停留时间为1-10分钟；

所述的异向旋转的两根螺杆由深槽螺纹块组成，物料在其中有强烈的反混作用，且自清洁作用好，使物料在短时间内达观察家微观混合，同时剪切作用小，避免物料长时间高温高剪切力作用下易发生降解的问题；

所述的同向双螺杆挤出机的螺杆直径为25-150mm，长径比为20-60，螺杆转速为10-2000rpm，物料在其中的停留时间为10-30分钟；

所述的两根同向旋转相互啮合的螺杆由各种正向螺纹块、不同旋向的捏合块及少量的反向螺纹套组成，使物料在该挤出机中受到强烈的剪切作用，实现聚对苯二甲酰对苯二胺树脂的快速溶解。

所述的连续薄膜脱泡装置是一种薄膜闪蒸式脱泡装置，利用气泡比浆液轻，能在闪蒸条件下迅速上升至液膜表面而被排除，而实现连续快速排除纺丝浆液中的微小气泡。

所述的干喷-湿纺工艺的喷丝孔采用矩形排列，使喷出丝束与凝固液之间接触面积增大，比常规喷丝孔环形排列的接触面积增加20-60％，有利于纤维与凝固液之间的均匀地进行传质、传热。

本发明的优点在于：在实现聚对苯二甲酰对苯二胺树脂快速溶解的同时，避免物料受长时间、高温、高剪切力的作用，且喷丝孔采用矩形排列，有利于纤维与凝固液之间进行均匀地传质、传热，从而有利于高效地制造出高品质的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细阐述。

实施例1

分别采用耐腐蚀性计量泵和失重式连续计量装置将100％浓硫酸和聚对苯二甲酰对苯二胺树脂以71.03g/min和17.4g/min的速度加入直径为长径比为15、转速为200rpm、螺杆温度为85℃的异向双螺杆挤出机中，物料经充分混合后，进入直径为长径比为40，转速为40rpm、螺杆温度为85℃的同向双螺杆挤机中进行高剪切溶解，过滤后，通过连续薄膜脱泡装置进行连续快速脱泡，经计量后送入喷丝组件，喷丝板规格为孔，矩形4层排列，经10mm的空气间隙层，进入凝固浴纺丝管，凝固浴温度为5℃，纺丝速率为150m/min，喷头拉伸6倍，纺出的丝束经水洗中和后，送入热处理装置，在400℃下热处理10秒钟，再上油卷绕成筒，根据国际测定，所得的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的强度为2.76GPa，初始模量为208GPa，断裂伸长为1.40％。

实施例2

分别采用耐腐蚀性计量泵和失重式连续计量装置将100％浓硫酸和聚对苯二甲酰对苯二胺树脂以71.08g/min和18.5g/min的速度加入直径为长径比为15、转速为250rpm、螺杆温度为90℃的异向双螺杆挤出机中，物料经充分混合后，进入直径为长径比为40，转速为60rpm、螺杆温度为95℃的同向双螺杆挤机中进行高剪切溶解，过滤后，通过连续薄膜脱泡装置进行连续快速脱泡，经计量后送入喷丝组件，喷丝板规格为孔，矩形4层排列，经10mm的空气间隙层，进入凝固浴纺丝管，凝固浴温度为5℃，纺丝速率为300m/min，喷头拉伸6倍，纺出的丝束经水洗中和后，送入热处理装置，在400℃下热处理10秒钟，再上油卷绕成筒，根据国际测定，所得的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的强度为2.81GPa，初始模量为217GPa，断裂伸长为1.37％。

实施例3

对传统常规纺丝方法、连续纺丝方法(申请号200510025708.3)及本发明方法分别纺制2kg聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的比较结果如表1所示。

表1常规纺丝方法、连续纺丝方法及本发明方法比较

  样品 强度(GPa)强度cv(％) 模量(GPa)模量cv(％)  溶解脱泡时间  常规方法  2.62  0.70  181  1.21  12.5小时  连续化方法  2.71  0.62  182  0.95  2小时  本发明实施例1  2.76  0.24  208  0.32  2.5小时  本发明实施例2  2.81  0.15  217  0.23  2.5小时