纺丝熔融晶体制作及脱泡工艺

宋靖(福建申马新材料有限公司，福建 福州 350500)

0 引言

PPTA采用干-湿法纺丝的过程，需要将PPTA粉状树脂溶解在浓硫酸中，制成溶致性液晶浆料，熔融晶体浆料经纺丝计量泵送入喷丝组件，从喷丝板出来的细丝经凝固浴、酸洗、拉伸、干燥、上油、卷绕等过程，最终成为产品丝。

1 熔融晶体浆料的制备

如图1所示，熔融晶体浆料的制作过程如下：

图1 熔融液晶浆料制备过程示意图

浅黄色灰分1 000 mg/L以下合格的粉状树脂，黏度6.5 Pa·s左右，经过旋风干燥器烘干后，水分控制在5%以下，用氮气输送至树脂槽a中备用。

将98%的硫酸与105%的发烟酸，调配成100.2%的浓硫酸，用泵送至硫酸槽b中备用。

树脂槽a中的粉状PPTA树脂，与硫酸槽b中的浓硫酸按一定比例，分别通过计量表后，再分别通过螺杆加料机加入螺杆混合器c。在螺杆混合器控制转速60 r/min，粉状树脂与硫酸经过挤压、掺混、溶解，逐步从松散的混合状变成粗糙的糊状。在螺杆混合器的前半段，温度因为物料挤压、摩擦而升高，可以通过螺杆外侧的盘管通热水的方式对温度进行调节，维持物料温度从前到后、从60～90 ℃逐步升高；螺杆的后半段用低压蒸汽进行加热至并维持在100 ℃，螺杆混合器内不断混合的糊状物料经过加热后，逐步变成熔融状态的较为均匀的粘稠晶体状，可以称为熔融晶体了。但此时的晶体浆料仍然是不均匀的，可以观察到浆料中还存在呈沙粒状的泛白的颗粒物，那是尚未溶解的树脂颗粒。

浆料从螺杆混合器挤出，水平进入搅拌槽d中。在搅拌槽d中，基本成为晶体状溶液的浆料进行充分搅拌、混合、溶解，消除颗粒状物料，并且通过真空系统除去逸出的大部分挥发组分，形成均一的、具有光泽的晶体。

搅拌槽d中的溶致性晶体浆料，经泵送入脱泡槽e中。在脱泡槽e中，溶致性晶体浆料自上而下，被拉成细条状，经过真空系统去除残余的挥发组分后，落入槽底，成为可用于下游纺丝的熔融晶体。这种晶体经纺丝计量泵f送入纺丝组件，进行纺丝。

考虑硫酸环境，或者硫酸析出三氧化硫，均对碳钢设备具有腐蚀性，要求螺杆腔体、轴、转子(啮合块)等使用不锈钢材质或者合金材料。搅拌槽、搅拌器、搅拌槽的真空泵、连接管线需要使用不锈钢材质或合金材料。脱泡槽、脱泡槽的真空泵、连接管线需要使用不锈钢材质或合金材料。尾气吸收槽需要使用不锈钢材质。

搅拌槽d的真空泵1抽出的挥发组分，与脱泡槽e的真空泵2抽出的挥发组分，分别经尾气吸收槽，除去酸性挥发物后，尾气直接排空。

晶体浆料脱泡的动力来自真空系统。所不同的是，在搅拌槽d中，浆料通过加热和抽真

空进行脱泡；在脱泡槽e中，浆料通过维持较高温度、拉成细线状和抽真空进行脱泡。

在浆料配制过程中，双螺杆混合器是核心设备，其功能是粉状树脂及酸液的进料、固液混合、固液分散均质、消泡、加压挤出，物料配比、螺杆系统调控决定着浆料的品质。这里需要注意以下4点：

(1)硫酸需要经过过滤。硫酸在运输、储存过程中会夹带一些杂质、铁锈、金属屑等，这些杂质不滤除，会夹带在浆料中，堵塞喷丝孔，造成丝束黏连、断丝、胀丝等，还会造成丝束局部色泽变暗，影响纺丝及成丝质量。

(2)进料树脂和硫酸的配比应当严格控制。酸液偏少，则熔融效果差，浆料夹杂未熔融的树脂颗粒，浆料溶致性状差，流动性差，严重的会堵塞喷丝孔，丝束黏连、断丝等。酸液偏多，会降低浆料的黏度，增加脱泡难度，降低可纺性，最终影响成丝的综合品质。

(3)螺杆混合器的转速应适当控制，转速过大，会过度剪切树脂颗粒，造成高剪切应力，而且会造成局部摩擦升温过快，破坏树脂的结构和取向，最终会影响浆料的可纺性和成丝的品质。转速过低，则树脂与硫酸混合不足，螺杆混合器流动性变差，甚至出现堵料现象，影响液晶浆料的形成。

(4)螺杆混合器的温度也要严格控制，温度过低，增加剪切应力，而且因为螺杆啮合块局部摩擦造成温差过大，直接破坏树脂的结构和取向，降低浆料品质；温度过高，则导致熔融过程加剧，降低浆料黏度，影响可纺性和成丝品质。

2 搅拌槽的脱泡

双螺杆混合器将粉状的树脂与硫酸混合，并不会破坏树脂的聚合度，但混合并不充分，不是均一状态。在螺杆混合器的后半程采用水浴加热，混合浆料受热后流动性增强，黏稠度、光泽度增加。不过，从螺杆混合器出来的浆料里裹杂着粉状树脂，直观上呈现沙粒状，并夹带少量气体。由于浓硫酸挥发出来的气体及饱和水分，还有粉状树脂夹带的氮气和水分，经加热后逐部释放。所以，从螺杆混合器进入搅拌槽肩部的浆料会有轻微的雾状现象。

搅拌槽呈圆柱状，侧进侧出，进出、料口分别位于径向两端。搅拌器安装在上部中心位置，转速80 r/min。搅拌槽外盘管采用蒸汽加热，维持在100 ℃，以保持稳定的黏度、大分子取向和流动性。一台液环真空泵，维持压力为60 kPa，从搅拌槽上部抽出挥发组分。搅拌槽操作120 ℃的温度、压强为60 kPa，保证浆料里裹杂的三氧化硫、酸雾、空气、水分等挥发组分充分释放，并被脱除。被真空泵抽出的挥发组分中的三氧化硫、酸雾等酸性物质，在尾气吸收槽中和吸收，空气、水分等尾气放空。

通过搅拌槽上部的观察孔可以看到，从螺杆混合器过来的浆料颜色较为灰暗，浆料中有沙粒状斑点；经过充分搅拌并脱除挥发组分的液晶浆料呈现出乳白色光泽，看不到沙粒状斑点，搅拌叶片挂起的浆料拉伸较长，呈现韧性。

3 脱泡槽的脱泡

浆料在搅拌槽内的挥发面积较小，较大体积、较低沸点挥发组分容易释放和脱除，较小体积、较高沸点的挥发组分不容易释放和脱除，所以，搅拌槽送往脱泡槽的液晶浆料，需要在脱泡槽内进一步脱泡。

脱泡槽上部为半圆形，下部为圆锥形，来自搅拌槽的晶体浆料从脱泡槽上部进入，自上而下呈细线状落入锥形槽底部。脱泡槽外盘管采用蒸汽加热，维持在100 ℃，以保持浆料的性状稳定。一台液环真空泵，维持压强为40 kPa，从脱泡槽上部抽出挥发组分。

与搅拌槽的操作温度和压力不同，脱泡槽的操作温度为110 ℃、压强为40 kPa，温度和真空度高于搅拌槽，有利于脱除在搅拌槽内难于释放、较高沸点的挥发组分，尤其是水分。

另外一个显著不同点在于，浆料从脱泡槽顶部自上而下，呈细线状落入锥形槽底，落差为6 m。这样就极大地增加了脱泡面积，同时大幅增加了脱泡时间，使裹杂在浆料制得挥发组分充分释放，并最大限度地被脱除。

脱泡槽维持110 ℃、40 kPa的操作条件，保证浆料里裹杂的较难挥发的组分充分释放，并被脱除。被真空泵抽出的挥发组分中的三氧化硫、酸雾等酸性物质，在尾气吸收槽中和吸收，氮气、水分等尾气放空。

4 真空泵与尾气吸收

搅拌槽的真空泵将搅拌槽里挥发出来的气相抽出，同时保持搅拌槽60 kPa的真空状态，易于搅拌槽内浆料挥发组分的释放。被抽出的挥发组分，主要是氮气、三氧化硫、酸雾、水分等，需要在尾气吸收槽内中和，去除三氧化硫及酸性物质，氮气等气相高出放空。

脱泡槽的真空泵将脱泡槽里挥发出来的气相抽出，同时保持脱泡槽40 kPa的真空状态，易于脱泡槽内浆料挥发组分的释放。被抽出的挥发组分，主要是三氧化硫和水分等，也需要在尾气吸收槽内中和，去除三氧化硫及酸性物质。搅拌槽的真空泵和脱泡槽的真空泵均要求316L不锈钢材质，避免因为酸雾或者三氧化硫溶解于水成酸后对设备造成腐蚀。

液环封液采用高纯水，虽然挥发组分三氧化硫会溶于水生成硫酸，且有部分酸雾也会溶于水中，但整体上液环封液的成酸浓度不会很高，因为液环泵叶轮工作过程中，与封液局部形成先升压携带气体、后减压释放气体的过程，三氧化硫在封液中也存在溶解再释放的过程。液环封液可以定期置换，用碱性溶液中和处理。

尾气吸收槽采用316L不锈钢或者玻璃钢材质。从真空泵过来的气相管，与尾气吸收槽内的分布器连接。分布器侵没在和液中，有利于吸收中和。中和液可以用稀的氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙等碱液，也可以使用碳酸氢钠溶液。可以通过pH值判断吸收液的碱性物质消耗情况，连续控制吸收液的pH值在6～8之间，进行碱性吸收液的补加，以及中和液的排放。排除的中和液，可以根据废水处理方案选择直接排放或者进一步处理。