论文部分内容阅读
扁平腈纶作为附加值较高的腈纶产品之一,在人造毛皮、动物玩具、高档服饰等领域具有非常广泛的应用。对于硫氰酸钠（NaSCN）溶剂体系,由于纺丝原液中聚丙烯腈（PAN）固含量低、纺丝流程长、凝固条件苛刻,扁平腈纶制备难度较高,纺丝过程中出现并丝、粘丝和皮芯结构等现象,导致产品存在疵点多、染色不均、扁平度低等问题,初生纤维在凝固过程中溶剂扩散的均匀性、稳定性是引起以上问题的主要原因之一,但有关PAN/NaSCN体系扁平腈纶湿法纺丝溶剂扩散动力学研究非常欠缺,造成国内扁平腈纶的开发严重滞后。本论文针对以上问题,利用Fick第一、第二定律建立了圆形、扁平腈纶溶剂扩散动力学模型,通过实验测得了不同凝固条件下的丝条内溶剂平均浓度,并反向拟合求得了上述凝固条件下的溶剂扩散系数。结合金属热处理渗碳原理建立了扁平腈纶溶剂扩散动力学模型,研究了凝固工艺对丝条内溶剂浓度分布的影响。最后,利用上述研究结果,设计了19D、27D扁平腈纶纺丝用喷丝板,并利用上述喷丝板制备了19D、27D的扁平腈纶。具体研究内容及结论如下:（1）PAN/NaSCN体系腈纶湿纺扩散动力学及不同凝固条件下扩散系数。利用Fick第二定律建立了圆形腈纶湿法纺丝扩散动力学模型,利用平均浓度和凝固时间自然对数函数的关系,反向拟合求解不同凝固条件下的扩散系数。结果表明:扩散系数与温度具有较大的相关性,纺丝原液温度升高使得丝条内溶剂小分子运动速度加快,凝固浴温度升高使得丝条最外层溶剂小分子更加剧烈,扩散系数增大,当其他凝固条件不变,纺丝原液温度由50℃升高至60℃时,扩散系数由3.19×10-8 cm2/s升高至5.54×10-8 cm2/s,同理凝固浴温度由5℃升高至15℃,扩散系数由3.03×10-8 cm2/s升高至5.06×10-8 cm2/s。溶剂浓度差是扩散驱动力,溶剂浓度差增大使扩散系数增大,但溶剂浓度差增大,扩散速度过快会导致皮芯结构的产生,在本论文的实验条件下,凝固浴浓度由10 wt%升高至20 wt%,扩散系数由4.11×10-8 cm2/s降低至2.38×10-8 cm2/s。当其他凝固条件不变,负牵伸对扩散系数的影响不大。（2）PAN/NaSCN体系扁平腈纶溶剂扩散动力学。在Fick第二定律的基础上结合金属热处理渗碳原理建立了扁平腈纶湿法纺丝溶剂扩散动力学,利用扁平腈纶湿法纺丝扩散动力学模型结合获得的扩散系数分析了不同凝固时间下在丝条内部任意位置的溶剂含量。结果表明:当凝固浴温度、凝固浴浓度、负牵伸倍数分别为5℃、14 wt%、-45%时,纺丝原液温度由50℃升高至60℃,在5s内丝条的溶剂扩散层厚度由20μm提高到35μm,当纺丝原液温度为60℃时,凝固时间的延长至60 s,溶剂扩散层厚度增加至95μm;当纺丝温度、凝固浴浓度、负牵伸倍数分别为50℃、14 wt%、-45%时,凝固浴温度由5℃升高至15℃,在5 s内初生纤维溶剂扩散层厚度由20μm减少至9μm,当凝固浴温度为15℃时,随着凝固时间的延长,溶剂扩散层厚度略有增加;当纺丝原液温度、凝固浴温度、负牵伸倍数分别为50℃、5℃、-45%时,凝固浴浓度为10 wt%,在凝固时间为5 s时,丝条溶剂扩散层厚度为55μm,随着凝固时间延长至60 s溶剂扩散层厚度增加至91μm;当凝固浴浓度升高至20 wt%,在本课题的实验条件任何凝固时间下,初生纤维都无法形成溶剂扩散层;其他凝固条件不变时,负牵伸倍数对丝条溶剂扩散层厚度影响不大,但会使相同凝固时间下丝条内部溶剂含量增加。（3）基于溶剂扩散动力学模型的扁平喷丝板设计。结合中石化安庆石化分公司扁平腈纶的纺丝工艺和纺丝装置情况,当凝固时间为7s,丝条形成溶剂扩散层的最大厚度为27μm（0.027mm）,则在上述凝固条件下可以凝固成形的扁平腈纶宽度为54μm（0.054mm）,即喷丝孔宽度应小于54μm（0.054mm）,所以19D扁平腈纶的喷丝板参数为2b=0.04 mm/2a=1.6 mm,同理27D扁平腈纶喷丝板参数为2b=0.048mm/2a=2.4 mm。（4）19D、27D扁平腈纶的制备。根据设计加工了的19D、27D扁平腈纶喷丝板,研究了凝固条件对纤维结构、扁平度、断裂强度和断裂伸长率的影响,结果表明:其他凝固条件不变时,当纺丝原液温度升高,使纺丝原液粘度降低有利于保持扁平纤维扁平度,但凝固过程出现微裂痕会引起力学性能的下降;凝固浴温度和浓度升高不利于扁平腈纶凝固成形,使得扁平度、力学性能均降低;负牵伸倍数的升高会降低扁平纤维的扁平度和力学性能。得到19D扁平腈纶较为合理的凝固工艺为:纺丝原液温度55～60℃、凝固浴浓度0℃、凝固浴浓度14 wt%、负牵伸倍数为-40～-45%;27D扁平腈纶凝固工艺为:纺丝原液温度55～60℃、凝固浴温度0℃、凝固浴浓度14 wt%、负牵伸倍数为-45～-50%。由此制得的19D扁平腈纶的扁平度为≥7、断裂强度≥1.2 c N/dtex、断裂伸长率≥11.5%,27D扁平腈纶的扁平度≥10、断裂强度≥1.6 c N/dtex、断裂伸长率≥16%。