CN104328512B - 一种采用一体式溶解脱泡装置制备芳纶纺丝溶液的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用一体式溶解脱泡装置制备芳纶纺丝溶液的方法及系统，该法将干燥的PPTA树脂和液体浓硫酸加入到一体式溶解脱泡装置内，在其第一区和第二区形成带有气泡的混合溶液；再进入一体式溶解脱泡装置的第三区进行脱泡，形成初期纺丝溶液；将初期纺丝溶液输送至沉淀罐中进行真空静置，脱除残余的挥发组分，得到能够输送至纺丝单元的纺丝溶液。本法实现了将PPTA树脂在液体浓硫酸中的溶解过程和纺丝溶液脱泡过程在一台设备中完成，可得到粘度为300Pa·s以上的纺丝溶液，同时该合格纺丝溶液在15μ精度的滤网下，通过率达到95％以上，利用所得到的合格纺丝溶液可纺制强度达到21CN/dtex以上的纤维。

Description

一种采用一体式溶解脱泡装置制备芳纶纺丝溶液的方法及 系统

技术领域

本发明属于芳纶纺丝领域，具体涉及一种采用一体式溶解脱泡装置制备芳纶纺丝溶液的方法。

背景技术

芳纶是第一个有价值并且现在仍然在大量生产和使用的高性能纤维。由于其强度高、重量轻、适用温度范围宽、耐热性好、绝缘性和抗腐蚀性能良好因而赢得“合成钢丝”的美誉。被广泛用于航空航天、国防、交通、建筑等领域。

目前，全球最主要的芳纶生产商是美国杜邦公司和日本帝人公司。两家公司都采用湿法纺丝工艺，都需要使用脱泡装置。

杜邦公司使用卧式连续混合器生产芳纶纺丝溶液。据美国专利USS5599623介绍，其生产流程如下：首先将PPTA树脂和硫酸固体粉末(硫酸冷冻后破碎而成)按一定比例进行混合，然后使用失重式计量秤将芳纶和硫酸混合物加入到卧式连续混合器中，并加热使硫酸粉末逐渐融化成液体，同时PPTA树脂也逐渐溶解在硫酸中，形成混合溶液。最后对混合溶液进行脱泡处理，生产出合格的芳纶纺丝溶液。生成的纺丝溶液使用双螺杆输送装置计量输送到下游装置。该工艺的主要缺点是能耗较高，主要是由于硫酸正常情况下为液体，而在该工艺中需要将液体硫酸先冷冻成固体硫酸，固体硫酸在随后的过程中又需要被加热融化成液体，因此硫酸的相变浪费较多的能量。

日本帝人公司早期采用双螺杆挤出机生产芳纶纺丝溶液(国际专利WO2006/045517)，后来改进为采用捏合机生产芳纶纺丝溶液(国际专利WO2008/095632)。这两种工艺都是将芳纶粉体和硫酸液体分别加入到双螺杆挤出机中，通过双螺杆挤出机的作用使两种物料充分的混合、溶胀并溶解，形成混合溶液。混合溶液在双螺杆挤出机的末端脱除挥发分，生成合格的纺丝溶液。纺丝溶液由双螺杆挤出机自身计量输送到下游设备。这两种工艺的主要区别在于其加料方式不同。上述两种工艺投入使用后，帝人公司认为双螺杆挤出机在芳纶纺丝溶液的生产方面存在以下几个缺点：

(1)计量进料时容易发生小量偏差，使得纺丝溶液中的PPTA浓度存在偏差，最终导致纺丝不稳定。

(2)双螺杆挤出机的容积较小，因此PPTA纺丝溶液在其中的停留时间较短，脱泡工艺控制较难。

(3)双螺杆挤出机的设备成本较高。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提供一种采用一体式溶解脱泡装置制备芳纶纺丝溶液的方法。该方法是在一台设备中完成PPTA树脂在液体浓硫酸中的混合、溶胀和溶解，形成芳纶/浓硫酸溶液，然后脱除溶液中的空气、残留单体、三氧化硫气体以及其它低分子挥发物，形成合格的芳纶纺丝溶液。

本发明的目的可以通过以下措施达到：

一种采用一体式溶解脱泡装置制备芳纶纺丝溶液的方法，其包括如下步骤：

(1)采用失重式计量秤将干燥的PPTA树脂加入到一体式溶解脱泡装置内，在PPTA树脂加入0～10min后，采用硫酸计量泵将液体浓硫酸加入到所述一体式溶解脱泡装置内，在所述一体式溶解脱泡装置的第一区和第二区进行PPTA树脂和液体浓硫酸的混合、溶胀、溶解和初期脱泡，形成带有气泡的混合溶液；

(2)所述带有气泡的混合溶液进入所述一体式溶解脱泡装置的第三区，在该区内转子和真空作用下进行脱泡，形成初期纺丝溶液；

(3)采用计量泵将初期纺丝溶液输送至沉淀罐中进行真空静置，脱除残余的挥发组分，得到能够输送至纺丝单元的纺丝溶液；

本发明是在一体式溶解脱泡装置基础上，采用一体式溶解脱泡装置制备芳纶纺丝溶液的方法和工艺路线，利用该方法可以解决现有芳纶纺丝溶液制备过程中存在的PPTA浓度存在偏差、停留时间不可控和设备成本较高的问题，利用该方法可实现制备芳纶纺丝溶液过程中体系停留时间可控、溶解及脱泡过程可控、可以实现连续化生产等功能。本发明中的一体式溶解脱泡装置包括驱动电机、齿轮组、壳体、转子和排气室，所述转子由轴芯和桨叶构成，转子有一个以上且设于所述壳体内，所述设在轴芯上的多个桨叶通过轴套间隔设置，转子通过所述齿轮组经由所述驱动电机控制，所述壳体内部从入料口至出料口依次分为第一区、第二区和第三区，所述排气室分别设于各区的上方。

上述三个区主要按照功能来划分。第一区主要完成芳纶粉体与浓硫酸的加料及混合，保证两种物料顺畅加入，使两种物料尽快混合，同时桨叶还能把物料输送至第二区；第二区主要是完成芳纶在浓硫酸中的溶胀过程及溶解过程和初期脱泡，溶解好的混合物由桨叶输送至第三区；第三区完成混合溶液中挥发分的脱除(即脱泡)，合格的纺丝溶液由输送泵输送至下游装置。

本发明设在轴芯上的桨叶根据不同的区采用不同形态的桨叶，以完成不同的功能。本发明的桨叶一共分为桨叶A、桨叶B、桨叶C、桨叶D和桨叶E五种，各桨叶串在芯轴上，通过平键传递转矩，各桨叶之间通过轴套隔开。其中各桨叶除了搅拌反应外，桨叶A为两端具有折边的凹形桨叶，桨叶A具有较好的混合能力；桨叶B为纺锤形桨叶或锥形桨叶，桨叶B具有较好的溶解混合效果；桨叶C为长方形板状桨叶，桨叶C具有较好的混合搅拌能力；桨叶D为一边具有三角形突起的四边形板状桨叶，桨叶D具有较好的输送能力；桨叶E为长条状或梯形条状桨叶，桨叶E具有较好的拉膜效果。在本发明的装置中，第一区内轴芯上的桨叶以桨叶A和桨叶D为主，第二区内轴芯上的桨叶以桨叶B、桨叶C和桨叶D为主，第三区内轴芯上的桨叶以桨叶E为主。各区内分布的桨叶可以只由上述指出的桨叶组成，也可以中间夹杂少许其他桨叶并以上述桨叶为主。本装置对各区内桨叶的数目没有具体要求，只需根据设备的具体处理量进行安排，但各区内的主要桨叶不能缺少。另外本装置壳体内的转子可以有两个以上，各转子同向旋转。在本发明的实施例中，所采用的设备使用了两个同向旋转的转子。

在本发明中，PPTA树脂和浓硫酸的加入质量比为5～30︰95～70。

在一种优选方案中，在PPTA树脂加入一体式溶解脱泡装置内1s～10min后即向一体式溶解脱泡装置内加入液体浓硫酸。

在一种优选方案中，PPTA树脂和浓硫酸在一体式溶解脱泡装置内的处理时间为0.1～12h，进一步优选1～5h。

在一种优选方案中，一体式溶解脱泡装置壳体内的内的温度为50～90℃，优选80～90℃(各区，包括一区、二区和三区)；壳体内的绝对真空度控制在0～8000Pa(各区，包括一区、二区和三区)。

本发明一体式溶解脱泡装置内所述轴芯的转速控制在10～100rpm，优选10～50rpm。

在一种优选方案中，初期纺丝溶液在沉淀罐静置时间为0.1～4h，进一步优选0.5～2h。

在一种优选方案中，沉淀罐内的绝对真空度在0～10000Pa，优选5000～10000Pa，温度控制在50～90℃，沉淀罐内的液位控制在10～70％之间。

本发明中步骤(1)中，首先采用失重式计量秤将干燥好的PPTA树脂按照工艺设定值加入到一体式溶解脱泡装置中第一道进料口，在PPTA树脂加入，采用硫酸计量泵将液体浓硫酸按一定的量加入到一体式溶解脱泡装置中，在一体式脱泡装置的第一区和第二区完成PPTA树脂和液体浓硫酸的混合、溶胀、溶解和初期脱泡形成带有气泡的混合溶液。

在步骤(2)中，带有气泡的混合溶液在转子和真空系统的共同作用下脱除溶液中的空气、残留单体、三氧化硫气体，在一体式脱泡装置的第三区完成脱泡过程，形成初步合格的纺丝溶液；

在步骤(3)中，将初步合格的纺丝溶液采用计量泵输送至沉淀罐中静置，脱除残余的挥发分。沉淀罐中设置有真空排气系统，用于促进残余挥发分的脱除；初步合格纺丝溶液在沉淀罐中静置时间约0～4h，沉淀罐的真空度控制在5000～10000pa左右，沉淀罐的温度控制在50～90℃，纺丝液在沉淀罐的液位控制在10～70％之间。脱除残余挥发分的混合溶液即为合格的纺丝溶液，最后再使用计量泵将其输送到纺丝单元。

本发明还公开了一种一体式溶解脱泡制备芳纶纺丝溶液的系统，该系统包括失重式计量称、螺杆式计量泵一、旋转阀、一体式溶解脱泡装置、螺杆式计量泵二和沉淀罐，其中所述失重式计量称和螺杆式计量泵一分别通过管道与所述一体式溶解脱泡装置的入料口相通，所述旋转阀设于失重式计量称与一体式溶解脱泡装置的入料口之间的管路上；所述一体式溶解脱泡装置的出料口通过所述螺杆式计量泵二与所述沉淀罐的入口相连；其中所述一体式溶解脱泡装置包括驱动电机、齿轮组、壳体、转子和排气室，所述转子由轴芯和桨叶构成，转子有一个以上且设于所述壳体内，所述设在轴芯上的多个桨叶通过轴套间隔设置，转子通过所述齿轮组经由所述驱动电机控制，所述壳体内部从入料口至出料口依次分为第一区、第二区和第三区，所述排气室分别设于各区的上方。本装置中轴芯和桨叶的设置如上所述。

在一种技术方案中，齿轮组包括联轴器和传动箱，所述联轴器与驱动电机的驱动轴连接，联轴器与传动箱相连接，传动箱的输出轴分别与轴芯相连；传动箱的输出轴或轴芯的一端通过进料端轴承座支撑；壳体在进料端通过尾部密封组件密封。

本发明涉及的工艺路线和方法实现了将PPTA树脂在液体浓硫酸中的溶解过程和纺丝溶液脱泡过程在一台设备中完成，形成合格的芳纶纺丝溶液，该合格纺丝溶液的粘度降比现有技术小0.4～1.0dL/g，可得到粘度为300Pa·s以上的纺丝溶液，同时该合格纺丝溶液在15μ精度的滤网下，通过率达到95％以上，利用所得到的合格纺丝溶液可纺制强度达到21CN/dtex以上的纤维。

附图说明

图1是本发明本发明工艺装置流程示意图；

图2是一种一体式溶解脱泡装置的结构示意图；

图3是一种一体式溶解脱泡装置的结构俯视图；

图4是一种一体式溶解脱泡装置的内部构造示意图；

图中，1－干燥的PPTA树脂；2－浓硫酸；3－真空排气；4－真空排气；5－纺丝单元；6－失重式计量称；7－旋转阀；8－螺杆式计量泵一，用于计量硫酸；9-一体式溶解脱泡装置；10－螺杆式计量泵二；11－沉淀罐；12－螺杆式计量泵，13－主电机或驱动电机；14－联轴器；15－传动箱；16－进料端轴承座；17－尾部密封组件；18－筒体；19－排气室；20－中体；21－出料端轴承座；22－排料组件；23－机架，24－硫酸进料管；25－芳纶粉体进料管26－芯轴；27－桨叶A；28－轴套；29－桨叶B；30－桨叶C；31－桨叶D；32－桨叶E。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明不限于具体实施例。

如图1所示，本发明的工艺中所使用的一种一体式溶解脱泡制备芳纶纺丝溶液的系统包括失重式计量称6、螺杆式计量泵一8、旋转阀7、一体式溶解脱泡装置9、螺杆式计量泵二10和沉淀罐11，其中失重式计量称6和螺杆式计量泵一8分别通过管道与一体式溶解脱泡装置9的入料口相通，旋转阀7设于失重式计量称6与一体式溶解脱泡装置9的入料口之间的管路上，失重式计量称6用于计量并添加干燥的PPTA树脂1，螺杆式计量泵一8用于添加浓硫酸2；一体式溶解脱泡装置9的出料口通过螺杆式计量泵二10与沉淀罐11的入口相连，螺杆式计量泵二10用于输送初步合格的纺丝溶液，沉淀罐11的下部出口与螺杆式计量泵12相连接，用于输送合格的纺丝溶液至纺丝单元5，沉淀罐11的顶部设有排气口，用于真空排气4。

本装置中的核心组件之一为一体式溶解脱泡装置，它的一种结构如图2和图3所示，其包括驱动电机、齿轮组、壳体、转子和排气室。其中转子由轴芯和桨叶构成，转子有一个以上且设于壳体内，转子的两端也可以伸出壳体。多个不同类型的桨叶串在轴芯上并通过平键传递转矩，各桨叶之间通过轴套隔开。转子通过齿轮组经由所述驱动电机控制，壳体内部从入料口至出料口依次分为第一区、第二区和第三区，各区的上方分别设有排气室。

如图3所示，壳体内的转子可以有两个，各转子同向旋转。本装置中的桨叶一共分为桨叶A、桨叶B、桨叶C、桨叶D和桨叶E五种，一体大体的结构如图4所示，桨叶A为两端具有折边的凹形桨叶，桨叶B为纺锤形桨叶或锥形桨叶，桨叶C为长方形板状桨叶，桨叶D为一边具有三角形突起的四边形板状桨叶，桨叶E为长条状或梯形条状桨叶。其中第一区内轴芯上的桨叶以桨叶A和桨叶D为主，第二区内轴芯上的桨叶以桨叶B、桨叶C和桨叶D为主，第三区内轴芯上的桨叶以桨叶E为主。

本装置中的齿轮组包括联轴器和传动箱，联轴器与驱动电机的驱动轴连接，联轴器与传动箱相连接，传动箱的输出轴分别与轴芯相连；传动箱的输出轴或轴芯的一端通过进料端轴承座支撑，轴芯的另一端通过出料端轴承座支撑，在壳体的两端或只在出料端设有中体；壳体在进料端通过尾部密封组件密封，出料端也可以设有密封装置。装置在运行时，主电机或驱动电机通过联轴器与传动箱输入轴相连接，通过传动箱把转矩分配到两根输出轴上，输出轴分别与两根芯轴相连接，带动两根芯轴同向旋转，完成芳纶粉体与硫酸的混合、溶解和溶胀过程，然后由排料组件排至下游系统。工作过程中产生的气体通过排气室收集到回收系统；尾部密封的作用是密封物料及密封外部气体进入脱泡器中；一体式溶解脱泡装置的所有零部件均固定在机架上。本申请以下各实施例均在本装置上运行。

实施例1

如图1所示，一种采用一体式溶解脱泡装置制备芳纶纺丝溶液的方法，其步骤为：

(1)打开旋转阀7，启动失重式计量秤6，将20份(重量份，下同)的PPTA树脂加入到一体式溶解脱泡装置入口中，10秒后，开启硫酸计量泵将80份的硫酸液体加入到一体式溶解脱泡装置入口中。硫酸浓度104.5％，操作温度为85℃，壳体内的绝对真空度1000～3000Pa，转子转速20～40rpm。经过转子的搅拌，芳纶充分的溶解在浓硫酸中，然后由排气室将纺丝溶液中的空气、单体、三氧化硫及其它低分子挥发分排除，形成初步合格的纺丝溶液。该过程约需要2.5h。

(2)通过螺杆式计量泵将形成初步合格的纺丝溶液输送至沉淀罐中。

(3)初步合格的纺丝溶液在沉淀罐中于绝对真空度6000～8000Pa、温度80～85℃下静置1h后(沉淀罐内的液位控制在40～50％之间)，形成合格的纺丝溶液，使用螺杆式计量泵将其输送到纺丝单元。合格纺丝溶液的黏度为310Pa·s，经15μ精度的滤网过滤，通过率达到98％，利用所得到的合格纺丝溶液可纺制强度达到21CN/dtex以上的纤维。

采用本发明可以得到纺丝效果较好的纺丝溶液。由于该发明具有体系停留时间可控、停留时间分布较窄、溶解及脱泡过程可控、可以实现连续化生产、机组能耗低等优点，有利于芳纶产能的扩大。

实施例2

如图1所示，一种采用一体式溶解脱泡装置制备芳纶纺丝溶液的方法，其步骤为：

(1)打开旋转阀，启动失重式计量秤，将18份的PPTA树脂加入到一体式溶解脱泡装置入口中，10秒后，开启硫酸计量泵将82份的硫酸液体加入到一体式溶解脱泡装置入口中。硫酸浓度100.5％，操作温度为80℃，壳体内的绝对真空度1000～3000Pa，转子转速20～40rpm。经过转子的搅拌，芳纶充分的溶解在浓硫酸中，然后由排气室将纺丝溶液中的空气、单体、三氧化硫及其它低分子挥发分排除，形成初步合格的纺丝溶液。该过程约需要2.5h。

(2)通过螺杆式计量泵将形成初步合格的纺丝溶液输送至沉淀罐中。

(3)初步合格的纺丝溶液在沉淀罐中于绝对真空度6000～8000Pa、温度80～85℃下静置2h后(沉淀罐内的液位控制在40～50％之间)，形成合格的纺丝溶液，使用螺杆式计量泵将其输送到纺丝单元。合格纺丝溶液的黏度为350Pa·s，经15μ精度的滤网过滤，通过率达到98％，利用所得到的合格纺丝溶液可纺制强度达到21CN/dtex以上的纤维。

采用本发明可以得到纺丝效果较好的纺丝溶液。由于该发明具有体系停留时间可控、停留时间分布较窄、溶解及脱泡过程可控、可以实现连续化生产、机组能耗低等优点，有利于芳纶产能的扩大。

Claims (12)

1.一种采用一体式溶解脱泡装置制备芳纶纺丝溶液的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)采用失重式计量秤将干燥的PPTA树脂加入到一体式溶解脱泡装置内，在PPTA树脂加入0～10min后，采用硫酸计量泵将液体浓硫酸加入到所述一体式溶解脱泡装置内，在所述一体式溶解脱泡装置的第一区和第二区进行PPTA树脂和液体浓硫酸的混合、溶胀、溶解和初期脱泡，形成带有气泡的混合溶液；

(2)所述带有气泡的混合溶液进入所述一体式溶解脱泡装置的第三区，在该区内转子和真空作用下进行脱泡，形成初期纺丝溶液；

(3)采用齿轮泵将初期纺丝溶液输送至沉淀罐中进行真空静置，脱除残余的挥发组分，得到能够输送至纺丝单元的纺丝溶液；

其中所述一体式溶解脱泡装置包括驱动电机、齿轮组、壳体、转子和排气室，所述转子由轴芯和桨叶构成，转子有一个以上且设于所述壳体内，所述设在轴芯上的多个桨叶通过轴套间隔设置，转子通过所述齿轮组经由所述驱动电机控制，所述壳体内部从入料口至出料口依次分为第一区、第二区和第三区，所述排气室分别设于各区的上方。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于壳体内的转子有两个以上，各转子同向旋转，其中第一区内轴芯上的桨叶以桨叶A和桨叶D为主，第二区内轴芯上的桨叶以桨叶B、桨叶C和桨叶D为主，第三区内轴芯上的桨叶以桨叶E为主；所述桨叶A为两端具有折边的凹形桨叶，桨叶B为纺锤形桨叶或锥形桨叶，桨叶C为长方形板状桨叶，桨叶D为一边具有三角形突起的四边形板状桨叶，桨叶E为长条状或梯形条状桨叶。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于PPTA树脂和浓硫酸的加入质量比为5～30︰95～70；在PPTA树脂加入一体式溶解脱泡装置内1s～10min后即向一体式溶解脱泡装置内加入液体浓硫酸。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于PPTA树脂和浓硫酸在一体式溶解脱泡装置内的处理时间为0.1～12h；一体式溶解脱泡装置壳体内的温度为50～90℃；绝对真空度控制在0～8000Pa。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于PPTA树脂和浓硫酸在一体式溶解脱泡装置内的处理时间为1～5h。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于一体式溶解脱泡装置内所述轴芯的转速控制在10～100rpm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于初期纺丝溶液在沉淀罐静置时间为0.1～4h。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于初期纺丝溶液在沉淀罐静置时间为0.5～2h。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于沉淀罐内的绝对真空度在0～10000Pa，温度控制在50～90℃，沉淀罐内的液位控制在10～70％之间。

10.一种一体式溶解脱泡制备芳纶纺丝溶液的系统，其特征在于该系统包括失重式计量称(6)、螺杆式计量泵一(8)、旋转阀(7)、一体式溶解脱泡装置(9)、螺杆式计量泵(10)和沉淀罐(11)，其中所述失重式计量称(6)和螺杆式计量泵一(8)分别通过管道与所述一体式溶解脱泡装置(9)的入料口相通，所述旋转阀(7)设于失重式计量称(6)与一体式溶解脱泡装置(9)的入料口之间的管路上；所述一体式溶解脱泡装置(9)的出料口通过所述螺杆式计量泵(10)与所述沉淀罐(11)的入口相连；其中所述一体式溶解脱泡装置包括驱动电机、齿轮组、壳体、转子和排气室，所述转子由轴芯和桨叶构成，转子有一个以上且设于所述壳体内，所述设在轴芯上的多个桨叶通过轴套间隔设置，转子通过所述齿轮组经由所述驱动电机控制，所述壳体内部从入料口至出料口依次分为第一区、第二区和第三区，所述排气室分别设于各区的上方。

11.根据权利要求10所述的一体式溶解脱泡制备芳纶纺丝溶液的系统，其特征在于壳体内的转子有两个以上，各转子同向旋转，其中第一区内轴芯上的桨叶以桨叶A和桨叶D为主，第二区内轴芯上的桨叶以桨叶B、桨叶C和桨叶D为主，第三区内轴芯上的桨叶以桨叶E为主；所述桨叶A为两端具有折边的凹形桨叶，桨叶B为纺锤形桨叶或锥形桨叶，桨叶C为长方形板状桨叶，桨叶D为一边具有三角形突起的四边形板状桨叶，桨叶E为长条状或梯形条状桨叶。

12.根据权利要求10所述的一体式溶解脱泡制备芳纶纺丝溶液的系统，其特征在于所述齿轮组包括联轴器和传动箱，所述联轴器与驱动电机的驱动轴连接，联轴器与传动箱相连接，传动箱的输出轴分别与轴芯相连；传动箱的输出轴或轴芯的一端通过进料端轴承座支撑；壳体在进料端通过尾部密封组件密封。