Совершенствование технологии получения технического ПАН жгутика (стр. 2 из 7)

Скорость мокрого формования ПАН волокон зависит в первую очередь от двух факторов: величины расширения струйки прядильного раствора при выходе ее из отверстия фильеры и способности свежесформвванного студнеобразного волокна к растяжению. Остальные многочисленные параметры формования в той или иной степени определяют указанные два фактора. Их влияние можно регулировать или совсем исключить изменением конструкции прядильной машины и ее деталей.

Для оценки влияния расширения струйки рассматриваютяс два принципиально различных способа мокрого формования ПАН волокон: с вытягиванием студнеобразного волокна в осадительной ванне и без вытягивания.

При формовании по первой схеме студнеобразное волокно трудно поддается вытягиванию, поэтому скорость движения струйки, которую она приобретает после расширения, сохраняется до выхода из ванны. Это наиболее часто встречающийся в производственной практике случай. В данных условиях скорость формования целиком зависит от величины расширения струйки и определяющих ее факторов. Формование по второй схеме происходит в условиях полной реализации эффекта расширения струйки. Скорость формования в этом случае определяется только способностью свежесформованного волокна к растяжению. По такому механизму происходит формование волокон сухим методом, а также в отдельных специальных случаях (например, при формовании в воронках или через воздушную прослойку).

Одновременные измерения диаметров струек у фильеры и максимальной скорости приема нити при формовании ее из растворов полимера в разных растворителях показали четкую корреляцию между этими двумя величинами. Увеличение концентрации растворителя в осадительной ванне снижает скорость осаждения полимера из прядильного раствора и тем самым способствует развитию релаксационных процессов в вытекающей струйке, т.е. ее расширению, что, в свою очередь, приводит к снижению скорости формования. Однако это возможно лишь до определенной предельной концентрации полимера в растворе, выше которой изменяется механизм формования, т.е. волокно начинает формоваться по второй схеме вместо первой (рис.1). При уменьшении осаждающей способности осадителя точка изменения механизма формования смещается в сторону меньшего содержания растворителя в осадительной ванне.

Рис.1. Схема двух механизмов формования:

1 - без растяжения волокна; 2 - с растяжением волокна.

Увеличение молекулярного веса растворенного полимера в относительно небольших пределах - от 60 000 до 120 000, приводит к снижению скорости формования в 2,5 раза благодаря увеличению расширения струйки.

Увеличение температуры прядильного раствора уменьшает расширение струйки и соответственно позволяет увеличить скорость формования. Такое же влияние оказывают на скорость формования все параметры прядильного раствора, приводящие к снижению расширения струи [6].

1.2. Технология получения ПАН-жгутика

Мокрое формование ПАН волокон осуществляется в различных осадительных ваннах, которые по виду осадителя можно подразделить на водные и неводные, а по конструкции узла формования - на горизонтальные и вертикальные (рис.2) [6].

Рис.2. Различные схемы мокрого формования полиакрилонитрильного штапельного волокна: а - вертикальное; б - горизонтальное; в- горизонтальное с гидравлическим вытягиванием; г - формование с гидравлической насадкой.

Наиболее распространенной производственной схемой формования волокна является осаждение ПАН из растворов в водных осадительных ваннах. Применение этих ванн позволяет упростить систему регенерации растворителя и осуществить полный противоток в прядильно-отделочном агрегате, начиная с промывки и кончая осадительной ванной. Формование в водных осадительных ваннах производится, как правило, при комнатной или несколько пониженной температуре (8-15°С). В этих условиях не требуется подогревать прядильные насосики и гарнитуру.

Подача прядильного раствора в фильеру производится дозирующими шестеренчатыми насосиками. Производительность насосика может быть различной в зависимости от производимого волокна, схемы, конструкции фильерного комплекта и фильеры. В настоящее время имеется ряд шестеренчатых насосов, обеспечивающих производительность от 0,3 см³ до 300 см³ за 1 оборот. В соответствии с производительностью и размерами насосики устанавливаются на прядильной машине или отдельно в непосредственной близи от машины.

Перед поступлением в фильеру прядильный раствор проходит обычно через дополнительный фильтр свечевого типа с относительно небольшой площадью фильтрации (примерно 0,006-0,01 м²/л протекающего раствора в 1 мин).

Формование ПАН-жгутика проводят в осадительную ванну, содержащую 10±1%, 11±1% роданистого натрия с температурой 6±1°С или 9±1°С, причем направления движения прядильной струи и потока осадительной ванны совпадают. Объемный расход осадительной ванны составляет 700±100 л/ч на фильеру.

Переход прядильной струи в гелеобразное состояние осуществляется в соответствии с законом фазового равновесия. Под действием воды как осадителя прядильная струйка как система переходит в неравновесное состояние и распадается на две фазы: первая фаза с высокой концентрацией полимера представляет собой плотный каркас, обусловливающий механические свойства гель-нити; вторая (жидкая) фаза распределяется в виде микроучастков внутри каркаса геля. Образовавшаяся гель-нить легко поддается ориентационному вытягиванию.

Приемные пятивальцы, вращающиеся со скоростью 1,55-1,7 м/мин ± 1 м/мин, передают свежесформованный гель-жгутик в пластификационную ванну I ступени вытягивания. Состав ванны – 4-6% масс. роданистого натрия, температура 50±4°С, объемный расход ванны – 500 ± 100 л/ч на фильеру, кратность вытяжки 1,7±0,1.

Первые тянущие пятивальцы направляют жгутик во II пластификационную ванну, в качестве которой используют промывную воду с концентрацией роданистого натрия 0,5-2% масс. Температура ванны 93-99°С, объемный расход 500±100 л/ч на фильеру, кратность вытяжки 4,8±0,2. В пластификационных ваннах жгутик и ванна движутся по принципу противотока для более эффективного завершения коагуляции прядильной струйки.

Выходящий из пластификационной ванны жгутик подвергается двухстадийной промывке от растворителя обессоленной водой с температурой 50±4°С; обработке 3 процентным водным раствором серной кислоты (температура 18-22°С) с целью удаления химически связанного в полимере иона натрия и вторичной двухстадийной промывке обессоленной водой от следов серной кислоты и поступает на установку паровой вытяжки.

Установка паровой вытяжки включает паровую камеру, приемные и тянущие семивальцы, систему подачи теплоносителя и отвода конденсата. Давление пара в рабочей зоне ~ 100 кПа, температура 105 - 115°С, кратность вытяжки 2,5±0,23.

В результате суммарная кратность вытяжки ПАН жгутика достигает 20,5±0,5.

Влажный ориентированный жгутик проходит предварительную сушку на консольных барабанах до 20-30% остаточной влаги, обрабатывается авиважной препарацией, сушится в барабанных сушилках с усадкой 20-25% и поступает на одностороннюю приемно-намоточную машину, которая состоит из 10 секций по 3 автономных рабочих места в каждой секции, в том числе 6 мест резервных.

Готовые бобины устанавливаются на колки транспортера для подачи их на сортировку, маркировку и упаковку.

1.3. Свойства ПАН-жгутика

Линейная плотность жгутового волокна ~ 13000 текс (элементарного волокна ~0,333 текс).

Относительная разрывная нагрузка технологического ПАН жгутика достигает 50-60 сН/текс, а для жгутового волокна – 22-25 сН/текс. При этом относительное разрывное удлинение находится в пределах 22-35%.

По термостойкости ПАН волокна и нити превосходят большинство карбоцепных волокон (кроме фторсодержащих) и не уступают полиэфирным. ПАН-волокна и нити могут в течение нескольких недель эксплуатироваться при t=120-130⁰С без изменения свойств, выдерживают кратковременный прогрев до 180-200⁰С. Следует отметить, что при температурах ~150⁰С в результате деструктивных процессов волокно желтеет и в этом случае целесообразно введение ингибиторов.

Теплостойкость ПАН-волокон и нитей сравнительно низкая, так как при температурах 100⁰С и 150⁰С они теряют 20-23% и 50% исходной прочности соответственно. Однако, для ПАН нитей характерна способность к полимераналогичным превращениям при длительном выдерживании их при температурах более 200^оС в присутствии кислорода. В результате окислительных процессов происходит циклизация ПАН (рис.3, а,б), волокно чернеет и становится нерастворимым, снижается прочность, но повышается устойчивость к действию температур. Дальнейший прогрев окисленного ПАН-волокна до 1000⁰С (карбонизация) и 2000⁰С (графитация) приводит к образованию углеродного волокна (рис.3, в), которое способно эксплуатироваться при температурах 2000-3000⁰С, обладая достаточной прочностью и модулем упругости [5].

Рис.3. Процессы циклизации ПАН при термообработках:

а,б – образование гетероциклов; в – состав углеродного волокна

1.4. Технологические особенности получения ПАН волокон по диметилформамидному способу