Технология получения прядильного раствора

1.2. Технология получения прядильного раствора

Независимо от используемого растворителя при непрерывной технологии получения прядильного раствора в производстве волокна нитрон технологический процесс включает следующие основные стадии [5]:

-    подготовку мономеров и растворителя;

-    приготовление реакционной смеси;

-    полимеризацию с получением прядильного раствора;

-    демономеризацию прядильного раствора с удалением не вступивших в реакцию мономеров;

-    регенерацию не вступивших в реакцию полимеризации мономеров и передачу их на стадию приготовления реакционной смеси;

-    подготовку прядильного раствора к формованию (смешение различных партий, деаэрацию и фильтрацию).

Принципиальная технологическая схема получения прядильного раствора в производстве волокна нитрон приведена на рис.1.

В соответствии с приведенной схемой исходные мономеры (АН, МА, ИтNa) проходят через теплообменник-выравниватель температур (поз.2), по межтрубному пространству которого протекает растворитель – 50 – 52%-ный водный раствор роданистого натрия или ДМФА. Подготовленные таким образом мономеры и растворитель объемными дозаторами (поз.3) подаются в аппарат приготовления реакционной смеси – смеситель (поз.1), куда одновременно поступают инициатор процесса полимеризации – порофор и регулятор молекулярной массы – двуокись тиомочевины (ДОТ). Как правило, используют смесь ДОТ и изопропилового спирта в соотношении 2:1 с целью уменьшения количества образующегося продукта разложения ДОТ – сульфата натрия. В смеситель (поз.1) поступают также рециркулируемые мономеры.

Приготовленная реакционная смесь передается в аппарат полимеризации – реактор (поз.4). Реактор представляет собой цилиндрическую емкость с трехлопастной мешалкой. Реакционная смесь поступает в нижнюю часть реактора и заполняет весь его объем, получаемый прядильный раствор отбирается из верхней части реактора. Из реактора (поз.4) прядильный раствор ПАН, содержащий 30 – 50% не вступивших в реакцию полимеризации мономеров, проходит в аппарат отгонки мономеров – демономеризатор (поз.5), где из тонкого слоя прядильного раствора, стекающего по стенкам аппарата и тарелкам, в условиях вакуума удаляются не вступившие в реакцию мономеры. Удаленные мономеры проходят сепаратор-конденсатор мономеров (поз.6) и возвращаются в технологический цикл (поз.1) в виде рециркулируемых мономеров. А демономеризованный прядильный раствор от нескольких реакторов поступает в бак меланжирования (усреднения) (поз.7) и затем в аппарат удаления пузырьков воздуха и азота (продукта разложения порофора) – деаэратор (поз.8), работающий по тому же принципу, что и демономеризатор [7]. Деаэрированный прядильный раствор ПАН с целью завершения его подготовки к формованию фильтруется на рамных фильтр-прессах и передается в прядильно-отделочный цех на формование.

Рис.1. Принципиальная технологическая схема получения прядильного раствора в производстве волокна нитрон:

1- смеситель реагентов; 2 – выравниватель температур; 3 - дозирующая установка; 4 – реактор; 5 – демономеризатор; 6 – сепаратор-конденсатор; 7 – бак меланжирования; 8 – деаэратор; 9 – фильтр-пресс

1.3. Изменение свойств акрилонитрильных волокон при замене итаконовой кислоты в сополимере

Для получения ПАНВиН используют различные сополимеры. В отечественной технологии производства волокна нитрон получил применение тройной сополимер, в состав входят акрилонитрил, метилакрилат и итаконовая кислота.

Учитывая то, что итаконовую кислоту получают из пищевого продукта – лимонной кислоты, проводятся работы по замене итаконовой на другие сополимеры, введение которых улучшало бы накрашиваемость волокна нитрон. Так, например, рассматривалась возможность использования для этих целей металлилсульфоната, 2-акриламид-2-метилпропансульфоновой кислоты [6]. Однако из-за сложности обеспечения чистоты получаемого прядильного раствора, изменения условий полимеризации эти сополимеры не получили практического промышленного применения [4].

Ташкент­скими исследователями еще в 1990 г. установлена принципиальная возможность замены итаконовой кислоты на акри­ловую (АК) [7].

В России итаконовую кислоту не производят, и поэтому ее замена на более дешевый и недефицитный продукт чрезвычайно важна. Для решения технологических задач необходимы глубокие исследования вопросов влияния АК на процесс полимеризации, реологичес­кие свойства растворов, равномерность и интенсив­ность крашения катионными красителями.

Процесс полимеризации осуществлялся в лабора­торных условиях с моделированием производствен­ного режима (температура - 70°С, рН = 5) и сохранением некоторых компонентов состава - порофора в качестве инициатора полимеризации, ди­оксида тиомочевины - в качестве регулятора молекулярной массы и роданида натрия - в качестве растворителя.

При исследованиях изменяли продолжительность процесса полимеризации (12, 45 и 75 мин) и состав сополимера - АН:МА:АК (93,5:5,2:1,31; 92,3:5,1:2,6; 89,8:5,0:5,2 %). Образцы получали в виде пленок путем растворения сополимера в диметилформамиде с последующим отливом.

Анализ результатов показал, что оптимальной является продолжительность полимеризации 75 мин. За этот период, при содержании в сополимере 1,3% ИК, выход полимера составлял 87%. Наличие в сополимере такого же количества АК приводит к увеличению выхода полимера до 91,3%. С увеличением содержания АК в 2 и 4 раза отмечен снижение выхода полимера.

От состава сополимера зависят и его реологические свойства. Замена ИК на такое же количество АК приводит к некоторому снижению вязкости, но с увеличением количества АК вязкость возрастает, а при 4-кратном увеличении АК - возрастает значительно, затрудняя формование волокна.

При изучении свойств сформованных пленок установлено, что их линейная плотность практически не зависит от состава сополимера и соотношения компонентов в нем. По показателям механических свойств образцы на основе сополимеров с АК превосходят промышленный образец, причем их свойства значительно зависят от содержания АК в сополимере. Большей разрывной нагрузкой и удлинением обладают образцы, содержащие 2,6 % АК.

Замена одного компонента, по данным ТГА, не оказывает существенного влияния на термостой­кость сополимера. Образцы имеют анало­гичные начальные температуры термолиза: промышленный - 230°С, содержащий 1,3 и 2,6% АК - также 230°С, 5,2% АК - 235°С. После завершения основных стадий термолиза (500°С) выход карбонизованного остатка (КО) составляет у про­мышленного образца 71% (масс), у образца, содер­жащего 2,6 % АК - 72%. Однако увеличение количества АК до 5,2 % приводит к снижению выхо­да КО до 66%. Замена ИК на АК значительно уменьшает экзотермические эффекты процесса циклизации, что может положительно проявиться при переработке нитей из такого сополимера в угле­родные.

Состав сополимера анализировали методом ИК-спектроскопии. Сравнительный анализ ИК-спектров показал совпадение полос поглощения всех валентных колебаний при длине волн от 800 до 3200 см^-1. Однако отмечена большая интенсивность полос поглощения валентных колебаний групп СООН при 3640 см^-1 у волокон, содержащих 1,3% АК, по сравнению с про­мышленным образцом. Увеличение содержания АК в 2 и 4 раза практически не влияет на интенсивность частоты колебаний групп СООН. Следовательно, из­менения в спектрах поглощения связаны с химической природой АК.

Зависимость интенсивности окраски пленок катионными красителями от состава сополимера изучали путем определения коэффициента отражения в види­мой части спектра. Установлено, что при замене 1,3% ИК на такое же количество АК интенсивность окрас­ки возрастает во всей области спектра. С увеличени­ем содержания АК интенсивность окраски в еще большей степени усиливается, что может позволить сократить расход дорогостоящих красителей. Следо­вательно, без изменения технологических парамет­ров процесса, только замена ИК на АК в составе сополимера и изменение соотношения компонентов в сополимере в производстве ПАН волокон позволит:

- применить более доступный и недефицитный отечественный компонент сополимера;

- увеличите выход сополимера на 3,1 % без ухуд­шения физико-механических и физико-химических свойств волокон;

- придать волокнам большую активность при окрашивании катионными красителями.

Авторами [8-10] с целью улучшения качества и расширения ассортимента полиакрилонитрильных (ПАН) волокон, а так­же замены итаконовой кислоты (ИК) при получении во­локна нитрон предлагаются волокна на ос­нове тройного сополимеров акрилонитрила (АН) с метилакрилатом (МА) и N-винилкапролактамом (ВКЛ).

Синтез и формование волокон проводили по тех­нологическому режиму, принятому для волокна нитрон. Волокна формовали на малой лабораторной прядиль­ной установке из 13%-ных прядильных растворов сопо­лимеров в роданиде натрия.

Установлено, что при увеличении содержания ВКЛ до 8% (масс.) прочность волокон при растяжении повышается, тогда как усадка и удлинение при разрыве уменьшают­ся. Увеличение суммарного содержания вторых компо­нентов (МА и ВКЛ) до 20% не приводит к существенному изменению свойств волокон по сравнению с 10%-ным их содержанием. Этот факт, вероятно, объясняется осо­бенностями структуры волокон.

На физико-механические показатели волокон влия­ет не только состав сополимеров, но и степень пластификационной вытяжки. С ее увеличением заметно воз­растают усадка и прочность, снижаются линейная плот­ность и удлинение волокон.

При рассмотрении основных физических свойств химических волокон необходимо, прежде всего, оцени­вать их надмолекулярную структуру, которая во многом определяет эти свойства. Судя по поперечным срезам волокон на основе тройных сополимеров АН с МА и ВКЛ, все образцы имеют овальное поперечное сечение. С увеличением степени пластификационной вытяжки форма поперечного среза несколько изменяется, в целом оставаясь бобовидной. Степень однородности волокон между собой и вдоль оси по размерам, наличию дефек­тов, способности к свечению в поляризованном свете, набуханию в муравьиной кислоте значительно различа­ется в зависимости от состава сополимера и степени пластификационной вытяжки. Самым тонким, наиболее однородным, бездефектным и более ориентированным (по способности к двойному лучепреломлению) оказа­лось волокно, полученное из сополимера с высоким со­держанием ВКЛ (АН:МА:ВКЛ= 90.21:2.05:7.85). Волок­но же, содержащее 1,8% ВКЛ и 8,41% МА - наиболее дефектное, с округлым поперечным сечением и неодно­родным свечением в поляризованном свете.

Оценивая не­которые структурные характеристики волокон по дифрактограммам, установили, что структура волокон замет­но изменяется при варьировании состава сополимера. Так, с увеличением содержания ВКЛ (при пластификационной вытяжке 225%) степень кристалличности воз­растает от 64 до 87% при степени ориентации 11-23, что свидетельствует о более высокой способности к ориен­тации волокон, сформованных в данных условиях.

Сравнение результатов сорбции волокон, получен­ных из сополимеров АН:МА:ВКЛ одинакового состава, показывает, что увеличение пластификационной вытяж­ки от 225 до 340% приводит к уменьшению сорбции па­ров воды. Изменение степени пластификацион­ной вытяжки волокон влияет и на удельную поверхность и объем пор; значения этих параметров возрастают с уменьшением пластификационной вытяжки. Удельная поверхность и объем пор с увеличением содержания ВКЛ в сополимере уменьшаются.

Химическое строение нового сополимера предоп­ределяет сродство красителя к волокну, поскольку функ­циональные группы элементарных звеньев, концевые и боковые группы макромолекул являются активными цен­трами, на которых происходит физическая или химичес­кая сорбция красителя. Наиболее богаты активными группами или центрами сополимерные ПАН волокна с высоким содержанием ВКЛ, в результате чего им прису­ще повышенное сродство к дисперсным красителям. Значительное влияние на адсорбцию красителей ПАН волокном оказывает нарушение его структуры в процессе создания сополимеров АН. Активные группы мономеров, вводимые для сополимеризации, способны образовывать дополнительные связи с молекулами дисперсных красителей. Так, сомономер ВКЛ (вернее, его функциональные группы) обладает высокими адсорбци­онными и комплексообразующими способностями и поэтому высоким сродством к дисперсному красителю. Положительные полюса диполей дисперсных красите­лей могут притягиваться к отрицательным зарядам ато­мов кислорода карбоксильных групп лактамных циклов ВКЛ, которые также способны образовывать водород­ные связи с атомами водорода дисперсных красителей.

Для изучения накрашиваемости и способности сорбировать краситель, в частности дисперсный красно-фиолетовый, использовали волокна на основе сополи­мера АН:МА:ВКЛ с соотношением компонентов 90:2:8, 90:5:5 и 90:8:2, сформованные в идентичных условиях по роданидному способу с пятикратной пластификаци­онной вытяжкой. Крашение проводили при температу­ре, близкой к температуре кипения воды (373 К), в присутствии поверхностно-активного вещества ОП-10.

Процесс сорбции красителя волокнами из водных растворов ОП-10 протекает сравнительно недолго. В те­чение 90 мин достигается видимое равновесие. В выб­ранном режиме кинетика крашения, скорость сорбции и равновесное содержание красителя в волокне суще­ственно зависят от содержания ВКЛ в сополимере. С увеличением содержания ВКЛ до 8% в сополимере равновесное сорбированное содержание краси­теля в волокне (С = 22 г/кг волокна), ярко-окрашенном в выбранном режиме крашения, существенно выше, чем в волокне на основе сополимера с 2%-ным содержани­ем ВКЛ (14 г/кг) и волокне нитрон (3,9 г/кг). Таким образом, увеличение количества виниллактамных групп в сополимере позволяет получить акриловые волокна, спо­собные окрашиваться в яркие цвета дисперсными кра­сителями.

Поскольку вода является структурным пластифика­тором по отношению к сополимеру АН:МА:ВКЛ, про­цесс крашения протекает, по-видимому, в условиях, близких к переходу полимерного субстрата в высокоэластичное состояние, что также оказывает влияние на процесс сорбции красителя волокном.

Термодинамические характеристики процесса кра­шения волокон из сополимеров АН:МА:ВКЛ определя­ли, варьируя температуру от 343 до 373 К. Уста­новлено, что с повышением температуры равно­весная сорбция красителя увеличивается. Так, для во­локна на основе сополимера, содержащего 8% ВКЛ, зна­чения равновесного содержания красителя на волокне составили 14,4; 17,6 и 22,0 г/кг волокна при температуре 343, 358 и 373 К соответственно. Анало­гично влияет изменение температуры на сорбцию кра­сителя волокнами с содержанием ВКЛ 5 и 2%. Однако коэффициент диффузии в исследуемом интервале тем­пературы изменяется незначительно [9].

Характеризуя исследуемые волокна, следует учиты­вать влияние температуры на их физическую структуру. С этой точки зрения все новые волокна относятся к груп­пе гидрофобных термопластичных, не имеющих разви­той системы микропор, но способных резко увеличивать свободный объем при нагревании выше температуры стеклования. Диффузия в этих волокнах происходит в возникающем в условиях фиксации свободном объеме.

Таким образом:

- при замене ИК на ВКЛ в тройных сополимерах АН:МА:ИК получаются волокна, аналогичные по струк­туре промышленному волокну нитрон, которые обладают тем более высокой способностью к ориентации, чем боль­ше ВКЛ введено в состав сополимера;

- полученные волокна обладают высокими физико-механическими характеристиками, повышенной гидрофильностью и накрашиваемостью дисперсными красителями по сравнению с волокном нитрон;

- увеличение содержания ВКЛ в составе сополимера, а также повышение температуры способствуют повышению степени закрепления дисперсного красителя на волокне. При обычных технологических режимах окрашивания уда­ется достичь высокого содержания остаточного красителя на волокне [8-10].