CN102137963A - 用于生产大量高强度、高模量芳族聚酰胺单丝的工艺 - Google Patents
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Abstract
一种用于生产大量高强度、高模量芳族聚酰胺单丝的工艺，包括以下步骤：经由喷丝头中线性排列的孔口挤出含有至少15％重量百分比的芳族聚酰胺的酸溶液，从而提供单丝成丝层，使单丝成丝层经过一层非凝固流体进入凝固浴槽，然后使成丝层经过纺丝甬道，纺丝甬道具有长形截面，且至少两个相对侧平行于单丝成丝层，这些侧的长度至少与单丝成丝层的宽度一样长，以相对于单丝在介于15°与75°之间的角度沿向下方向在单丝周围以恒定的流速喷射额外的凝固液，喷射的凝固液以单丝速率的约50％至100％随同单丝成丝层通过纺丝甬道，凝固液从纺丝甬道平行于单丝成丝层的任一侧经由喷嘴通道喷射，喷嘴通道的宽度至少与单丝成丝层相同。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于生产高强度、高模量芳族聚酰胺单丝的工艺。
背景技术
本领域中公知此类工艺。首先，将芳族聚酰胺酸溶液挤出到例如空气的非凝固流体中，然后进入到例如水的凝固流体的浅浴槽中，并通过位于浴槽底部的孔口挤出。进一步的开发旨在提高纺丝速度、实现更高的产出，从而使工艺效率更高。然而，纱线质量随着纺丝速度的提高而恶化。更糟糕的是，对于纤细的细纱，有时候需要降低纺丝速度。这更进一步降低了产量。
已经认识到，由于单丝与凝固液之间大的速率差，高的纺丝速度在单丝与凝固液之间形成相当大的摩擦，从而导致单丝特性例如断裂强度的降低。
U.S.4,869860公开一种用于生产芳族聚酰胺单丝的改进工艺。在挤出之后，聚合物溶液竖直向下进入重力加速和自由下落的凝固液。虽然单丝与凝固液之间的速率差减小，但纺丝速度依然受凝固液的速率不能升高到通过重力加速达到的速率之上的事实限制。
因此，US 4,898,704公开一种生产高强度、高模量芳族聚酰胺单丝的工艺，其通过沿成丝层的每侧均匀一致地输送一凝固液射流层而凝固来自线性喷丝头的单丝成丝层。凝固液射流进一步减小单丝相对于凝固液的速度。喷嘴位于成丝层的每侧上，射流凝固器因此呈对称的构型。由于喷嘴的对称布局，直到凝固之前，单丝都没有被迫压在一起且不会与任何固体或机械表面接触。
U.S.4,298,565公开一种用于制备高强度、高模量芳族聚酰胺单丝的改进工艺，其中含有至少30g/100ml的芳族聚酰胺酸的酸溶液经喷丝头挤出到一非凝固流体层中，然后进入凝固浴槽以形成单丝，单丝穿过与喷丝头对准的纺丝甬道。额外的凝固液沿向下方向相对于单丝形成0°至85°角地对称地喷射在单丝周围。喷射的凝固液的速率可高达纱线速率的150％，优选地，凝固液的速率不超过纱线速率的85％。不会观察到纱线特性的改善，除非将喷丝头、纺丝甬道、喷嘴和纺丝甬道的延伸部分小心地对准在同一轴线上并且小心地设计和对准喷嘴元件以提供关于丝条完全对称的射流。
为在高纺丝速度下获得具有期望特性的单丝，认为对称射流是必要的，以避免在各单丝上的不均凝固状态并避免单丝粘在纺丝甬道壁上或彼此粘住。
因此，本发明的一个目的是提供一种代替采用对称射流凝固器的现有技术工艺的方案，其可通过更简单并因此更成本划算的工艺布局高速纺制高强度、高模量的芳族聚酰胺单丝。
发明内容
通过一种用于生产大量高强度、高模量芳族聚酰胺单丝的工艺实现该目的，该工艺包括以下步骤：
-经由喷丝头中线性排列的孔口挤出含有至少15％重量百分比的芳族聚酰胺的酸溶液，从而提供单丝成丝层；
-使该单丝成丝层经过一层非凝固流体进入凝固浴槽，然后
-使该成丝层经过纺丝甬道，该纺丝甬道具有长形截面，该长形截面的至少两个相对侧平行于该单丝成丝层，这些侧的长度至少与单丝成丝层的宽度一样长，
-以相对于单丝介于15°至75°之间的角度沿向下方向在单丝周围以恒定的流速喷射额外的凝固液，
-喷射的凝固液以单丝速率的约50％至100％随同单丝成丝层下移通过纺丝甬道，凝固液从纺丝甬道的平行于单丝成丝层的任一侧经由喷嘴通道喷射，该喷嘴通道的宽度至少与单丝成丝层相同。
按照公知步骤，在对通过该工艺生产的纱线进行卷绕之前，对单丝进行偏转、洗涤和/或中和及干燥。
芳族聚酰胺
如文中所用的术语“成丝层”意味着并排地对齐并大致平行的一列/一排单丝。
根据本发明的工艺利用不对称的喷嘴构型。凝固液仅在单丝的一侧喷射于单丝周围。在射流凝固器中，随同纱线喷射优选为水或水溶液的凝固液。由此减小了水/纱线的摩擦，并因此减小了纱线张力。同时，通过小心地选择射流角度可控制来自于凝固浴槽的抽吸。这提供了对浴槽稳定性的控制。同样，喷嘴可用于在分纱(thread-up)期间抽吸纱线。
虽然现有技术示出了其它方式，但可以出乎意料地发现，根据本发明的工艺——其结合线性喷丝头使用不对称的喷嘴构型——实现了高强度、高模量的芳族聚酰胺单丝，同时即使在高纺丝速度时也不损害特性。不对称的喷嘴构型足以用凝固液包覆单独的单丝并防止单丝粘在纺丝甬道壁及其它单丝上。根据本发明的工艺允许凝固单元的更简单的结构，因为其只需要一个喷嘴，这使得制造容易得多并因此降低了成本。只使用一个喷嘴而不是两个或甚至大量对称地对准的喷嘴还降低了在喷嘴出口通道处的堵塞风险，这是因为可增加喷嘴通道的高度以在甬道内获得类似的速度。假设纺丝甬道截面及流速完全相同，那么相同的流速经过单一的喷嘴通道。因此，与两个对称布置的喷嘴相比，具有与两个对称布置的喷嘴相同宽度的单个喷嘴通道的高度可加倍。喷嘴通道的增加的高度也有助于使结构更简单，这是因为以类似的精度制造狭窄的喷嘴通道要困难得多。
优选地，喷嘴宽度超过成丝层的宽度至少2.5％，更优选地至少5％，且最优选地至少10％。
根据本发明的工艺使用线性长形的喷丝头代替在一圆形区域中包括径向布置的孔口或一簇孔口的圆形喷丝头。圆形喷丝头布局导致对于大量单丝的从单丝簇或径向排列单丝的外边界至单丝簇或径向排列单丝的中心的不均匀凝固状态。
喷丝头孔口成排地布置，且每排中的孔口的位置相比于相邻排的孔口是偏移的，以便提供由均匀隔开的单丝形成的成丝层。
孔口排可以是1至25排，优选地3至15排，更优选地3至10排。喷丝头孔口优选地以0.4-1.5mm的间距隔开，并且一排中相邻孔口之间的距离与毗邻排中的孔口之间的距离相同，从而形成等边三角形间距。在优选实施例中，每排的孔口数介于50与200之间。
优选的凝固液为水溶液，优选地为水。凝固液的初始温度通常小于20℃，优选地小于10℃。
喷嘴流量有上限。当喷嘴中的速率达到纺丝速度时，在偏转辊之前的张力过低，以致纱线不会发生任何偏转，相反地，单丝将直线下行。偏转辊使纱线方向从竖直偏转成水平或反之。在根据本发明工艺的一个优选实施例中，喷射的凝固液随同单丝成丝层以单丝速率的约80％至95％下移通过纺丝甬道。
在根据本发明的工艺的另一优选实施例中，单独单丝的线密度为0.4dtex至10dtex。通过该工艺纺制的单丝数介于50与5000之间，更优选地介于500与2500之间。
单丝下移通过纺丝甬道的速率优选地介于300米/分钟与2000米/分钟之间，更优选地介于300米/分钟与1000米/分钟之间。
如果喷射的液体和/或洗涤液通过收集并供给至射流凝固器而被部分或完全地重复利用，则根据本发明的工艺是特别有利的。与对称的喷嘴布局相比，喷嘴通道高度的增加使得堵塞风险降低。
应当注意的是，根据本发明的工艺并不局限于单个喷丝头，还包含多个例如在纺丝箱体上平行延伸的喷丝头。
本发明的目的还通过一种用于生产大量高强度、高模量芳族聚酰胺单丝的工艺来实现，该工艺包括以下步骤：
-经由喷丝头挤出含有至少15％重量百分比的芳族聚酰胺的酸溶液，所述喷丝头带有布置在1至10个环形排中的孔口，从而提供单丝束，
-使该单丝束通过一层非凝固流体进入凝固浴槽，然后
-使该单丝束经过纺丝甬道，该纺丝甬道具有环形截面，纺丝甬道内壁具有一内径、且纺丝甬道外壁具有一外径，
-以相对于单丝介于15°至75°之间的角度沿向下方向在单丝周围以恒定的流速喷射额外的凝固液，
-喷射的凝固液以单丝速率的约50％至100％随同单丝成丝层下移通过纺丝甬道，凝固液经由喷嘴通道喷射，喷嘴通道沿着纺丝甬道外壁的周向或沿着纺丝甬道内壁的周向布设。
这种布局中的凝固液仅在单丝的一侧喷射于单丝周围，并因此也可认为是不对称的喷嘴构型。从纺丝甬道内径方向或纺丝甬道外径方向进行喷射。单丝因此被喷射抵靠于纺丝甬道内壁或纺丝甬道外壁。然而，该喷嘴构型足以用凝固液包覆单独的单丝并防止单丝粘在纺丝甬道壁及其它单丝上。
在该工艺的一个优选实施例中，纺丝甬道的内径为至少4mm，更优选地至少6mm，并且最优选地至少12mm。
通过上述工艺纺制的单丝数为至少250，优选地至少500。
具体实施方式
通过以下非限制性的实例更详细地说明本发明。
通过经由喷丝头挤出芳族聚酰胺酸溶液进行纺丝，喷丝头包括以1毫米的三角形间距排成三排的125个毛细管。纺丝速度为500米/分钟。在喷嘴下方，纺丝甬道中凝固液的速率为纺丝速度的80％。喷射角度为30°。
根据ASTM D885-98测量由此形成的纱线的“断裂延伸率”(EAB)和“断裂强度”(BT)。
将使用射流凝固器获得的纱线的特性与使用相同的芳族聚酰胺酸溶液、通过相同的设备但不在单丝周围喷射额外的凝固液获得的纱线进行对比。
实例I
使用喷嘴高度为0.5mm且纺丝甬道宽度为1mm的不对称喷嘴布局执行实例I。表1显示了使用和不使用喷嘴形成的纱线的特性。
表1.
实例II
使用带有两个彼此相对的喷嘴的对称喷嘴布局执行实例II。纺丝甬道宽度与实例1中相同，即1mm。由于与实例1中相同的流速现在通过两个喷嘴，所以喷嘴高度减小到0.25mm以便获得凝固液在纺丝甬道中的相同速率。表2显示了使用和不使用喷嘴形成的纱线的特性。
表2.
实例III
使用带有两个彼此相对的喷嘴的对称喷嘴布局执行实例III。本例中，喷嘴高度保持与实例I中相同，即0.5mm。与实例1中相同的流速经过各喷嘴。因此纺丝甬道中的流速与实例1相比加倍。为了获得纺丝甬道中凝固液的相同速率，将纺丝甬道宽度加倍至2mm。表3显示了使用和不使用喷嘴形成的纱线的特性。
表3.
不对称的喷嘴布局实现纱线特性与使用对称喷嘴布局相当或甚至更好的纱线。虽然实例3与实例1相比实现基本上相同的纱线特性，但对称布局所需要的凝固液流速与不对称喷嘴布局相比加倍。
Claims (6)
1.一种用于生产大量高强度、高模量芳族聚酰胺单丝的工艺，包括以下步骤：
-经由喷丝头中线性排列的孔口挤出含有至少15％重量百分比的芳族聚酰胺的酸溶液，从而提供单丝成丝层，
-使所述单丝成丝层经过一层非凝固流体进入凝固浴槽，然后
-使所述成丝层经过纺丝甬道，纺丝甬道具有长形截面，纺丝甬道的至少两个相对侧平行于所述单丝成丝层，所述侧的长度至少与所述单丝成丝层的宽度一样长，
-以相对于单丝介于15°与75°之间的角度沿向下方向在所述单丝周围以恒定的流速喷射额外的凝固液，
-喷射的凝固液以单丝速率的约50％至100％随同所述单丝成丝层下移通过所述纺丝甬道，
-凝固液从所述纺丝甬道的平行于单丝成丝层的任一侧经由喷嘴通道喷射，所述喷嘴通道的宽度至少与单丝成丝层相同。
2.根据权利要求1的工艺，其特征在于，所述喷射的凝固液以单丝速率的约80％至95％随同所述单丝成丝层下移通过所述纺丝甬道。
3.根据权利要求1或2的工艺，其特征在于，所述单丝具有0.5dtex至10dtex的线密度。
4.根据权利要求1至3中任一项的工艺，其特征在于，所述单丝的速率介于300米/分钟与2000米/分钟之间。
5.根据权利要求1的工艺，其特征在于，所述凝固液通过将其收集并供给至所述喷嘴而被部分或完全地重复利用。
6.一种用于生产大量高强度、高模量芳族聚酰胺单丝的工艺，包括以下步骤：
-经由喷丝头挤出含有至少15％重量百分比的芳族聚酰胺的酸溶液，所述喷丝头带有布置在1至10个同心环形排中的孔口，从而提供单丝束，
-使所述单丝束通过一层非凝固流体进入凝固浴槽，然后
-使所述单丝束经过纺丝甬道，所述纺丝甬道具有环形截面，纺丝甬道内壁具有内径、且纺丝甬道外壁具有外径，
-以相对于所述单丝介于15°与75°之间的角度沿向下方向在所述单丝周围以恒定的流速喷射额外的凝固液，
-使所述喷射的凝固液以单丝速率的约50％至100％随同所述单丝成丝层下移通过所述纺丝甬道，
-所述凝固液经喷嘴通道喷射，所述喷嘴通道沿着所述纺丝甬道外壁的周向或沿着所述纺丝甬道内壁的周向布设。
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