凝固液的配制裝置及配制方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種凝固液的配制裝置及配制方法和應(yīng)用，具體來說是一種用于濕法紡絲生產(chǎn)聚丙烯腈原絲的二甲基亞砜/水溶液的配制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二甲基亞砜(Dimethyl Sulfoxide)作為一種重要的化工原料以及性能優(yōu)良的溶劑，對聚合物有很好的溶解作用，大量用于碳纖維生產(chǎn)過程的紡絲階段。二甲基亞砜味略苦，無色無臭，毒性低，且具有較強(qiáng)的分子締合作用，是一種極為重要的非質(zhì)子極性溶劑。二甲基亞砜的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在100°C下的酸性、堿性或中性條件下能穩(wěn)定存在。但在常壓高溫下會導(dǎo)致其分解，生成微量的醛、硫醚和硫醇，并有強(qiáng)烈的不愉快氣味。二甲基亞砜呈弱堿性，在酸性條件下，由于可與酸形成氫鍵從而結(jié)合成鹽，能促進(jìn)二甲基亞砜溶液的分解。而在堿性條件下，則可以減緩二甲基亞砜的分解速率。
[0003]PAN基碳纖維是一種人工合成的無機(jī)纖維。它是由丙烯腈和共聚單體，經(jīng)過聚合、紡絲、預(yù)氧化和碳化等一系列工藝處理后得到的纖維狀聚合物。紡絲過程中PAN分子主要發(fā)生物理變化，形成白色的纖維狀原絲，預(yù)氧化過程中，PAN原絲逐漸演變成某種耐熱的含氧結(jié)構(gòu)，經(jīng)碳化后，得到含碳量極高的碳纖維。由于碳纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫和耐化學(xué)腐蝕等性能，因此它的應(yīng)用領(lǐng)域及其廣泛。
[0004]聚丙烯腈原絲的制備涉及原液的制備和原液的紡絲兩個大過程，其中原液的制備包括聚合，脫單和脫泡三道道工序，原液的紡絲包括原液的過濾、計量、凝固、熱水牽伸、水洗、上油、干燥致密化、蒸汽牽伸、熱定型和卷繞等十幾道工序。凝固對纖維成形非常重要，它是由原液細(xì)流向初生纖維轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵步驟。原液細(xì)流進(jìn)入凝固液(二甲基亞砜/水溶液)中，由于原液細(xì)流內(nèi)的二甲基亞砜濃度比凝固液高，原液細(xì)流內(nèi)的二甲基亞砜向外擴(kuò)散進(jìn)入凝固液內(nèi)；又由于原液細(xì)流內(nèi)的水濃度比凝固液低，凝固液內(nèi)的水向內(nèi)擴(kuò)散進(jìn)入原液細(xì)流內(nèi)。雙擴(kuò)散作用使得原液細(xì)流內(nèi)的聚合物相分離，形成初生纖維。
[0005]原液細(xì)流發(fā)生雙擴(kuò)散，相分離后形成初生纖維，這一過程是在凝固液中進(jìn)行的。凝固液的濃度和溫度會影響雙擴(kuò)散的速度，進(jìn)一步影響初生纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)。提高凝固液的濃度，或者降低凝固液的溫度，都會減緩雙擴(kuò)散過程的速度，這樣有利于初生纖維形成致密的結(jié)構(gòu)，從而提高最終原絲的力學(xué)性能。提高凝固液的濃度，或者提高凝固液的溫度，均有利于初生纖維的截面向圓形轉(zhuǎn)變。
[0006]聚丙烯腈基碳纖維原絲的制備路線，采用不同的依據(jù)，有不同的分類方法。根據(jù)紡絲使用的溶劑不同，可以分為二甲基亞砜法、硫氰酸鈉水溶液法、硝酸法等，根據(jù)原絲成型工藝的不同，可以分為濕法和干噴濕法。目前采用二甲基亞砜作為溶劑的濕法紡絲工藝生產(chǎn)的聚丙烯腈原絲占產(chǎn)量的絕大多數(shù)。傳統(tǒng)濕法紡絲用到的凝固液，由于配制量大，操作粗放，混合劇烈，以及設(shè)備設(shè)計方面的缺陷，因此造成凝固液的實(shí)際濃度往往比理論計算濃度低，并且凝固液渾濁，表面有少許類似油污的分解物漂浮。
[0007]專利CN201210160024公開了一種聚丙烯腈基原絲凝固浴溶液及制備方法和應(yīng)用，一種聚丙烯腈基原絲凝固浴溶液是由二甲基亞砜、水和第三組分組成，其組成為:二甲基亞砜和水按體積比為二甲基亞砜:水=(120-230):100，第三組分在二甲基亞砜水溶液中的含量為0.02mol/L?0.08mol/L。采用如下制備方法將二甲基亞砜和水按體積比二甲基亞砜:水為(120-230):100混合，于45?60°C混合均勻，得到二甲基亞砜水溶液；向二甲基亞砜水溶液中加入第三組分，第三組分在二甲基亞砜水溶液中的含量為0.02mol/L?0.08mol/L，混合均勻得到聚丙烯腈基原絲凝固浴溶液。仍具有配制量大，操作粗放，混合劇烈的缺陷，造成凝固液的實(shí)際濃度往往比理論計算濃度低，并且凝固液渾濁，表面有少許類似油污的分解物漂浮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之一是現(xiàn)有技術(shù)中存在的凝固液配制的實(shí)際濃度和理論濃度偏差大、凝固液穩(wěn)定性差的問題。提供了一種配制凝固液的循環(huán)裝置，該裝置用于配制凝固液具有提高配制凝固液濃度的準(zhǔn)確性，抑制二甲基亞砜熱分解的優(yōu)點(diǎn)。
[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之二是提供一種應(yīng)用解決技術(shù)問題之一所述循環(huán)裝置的凝固液的配制方法。
[0010]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之三是提供一種解決技術(shù)問題之一所述的凝固液的循環(huán)裝置在紡絲工藝中的應(yīng)用。
[0011]為解決上述技術(shù)問題之一，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:一種凝固液的循環(huán)裝置，包括:吹掃系統(tǒng)、配制系統(tǒng)、自循環(huán)系統(tǒng)；其中，所述自循環(huán)系統(tǒng)包括流量計(21)、循環(huán)栗(7，7’)、栗出管路(11)、循環(huán)管路(12)、回流管路(13)、文丘里射流管(6)和凝固液儲罐(9)，所述循環(huán)管路中連接至少兩個換熱器(4，4’)；所述自循環(huán)系統(tǒng)工作時，循環(huán)栗將凝固液儲罐中的液體栗出經(jīng)栗出管路、循環(huán)管路、回流管路、文丘里射流管返回到凝固液儲罐中；所述吹掃系統(tǒng)經(jīng)吹掃管路吹掃循環(huán)管路(16)用于吹掃循環(huán)管路和凝固液輸入管路；所述配制系統(tǒng)經(jīng)配制管路(9)用于將配制物料輸入凝固液儲罐。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述循環(huán)管路中優(yōu)選連接有過濾器3。
[0013]上述技術(shù)方案中，在用于紡絲工藝中，還優(yōu)選包括外循環(huán)系統(tǒng)，所述外循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)選包括流量計(21)、循環(huán)栗(7，7’)、栗出管路(11)、循環(huán)管路(12)、凝固液輸入管路(14)、凝固浴槽(8)、凝固液輸出管路(15)、文丘里射流管(6)和凝固液儲罐(9);所述外循環(huán)系統(tǒng)工作時，循環(huán)栗將凝固液儲罐中的液體栗出經(jīng)栗出管路、循環(huán)管路、凝固液輸入管路將凝固液輸入到凝固浴槽中，凝固浴槽溢流出的凝固液經(jīng)凝固液輸出管路、文丘里射流管返回凝固液儲罐中。
[0014]上述技術(shù)方案中，所述凝固液輸入管路中優(yōu)選連接有流量計量裝置，更優(yōu)選為流量計5和流量計5’。
[0015]上述技術(shù)方案中，為了在紡絲過程中保持凝固液具有恒定的濃度，所述外循環(huán)系統(tǒng)還優(yōu)選包括向凝固浴槽中溢流出的凝固液中補(bǔ)水的自動補(bǔ)水裝置I ;具體設(shè)置及其補(bǔ)水速度可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本領(lǐng)域公知常識加以選擇；所述凝固液輸出管路中優(yōu)選連接有靜態(tài)混合器2 ;補(bǔ)水和溢流出來的凝固液經(jīng)過靜態(tài)混合器2混合后進(jìn)入凝固液儲罐9。
[0016]上述技術(shù)方案中，所述凝固液輸出管路伸進(jìn)凝固液儲罐內(nèi)的管線基本位于儲罐的軸向中心；管線的下沿到儲罐底部的距離小于20厘米，更優(yōu)選為5?15厘米。
[0017]上述技術(shù)方案中，所述循環(huán)管路中設(shè)有備用管路18、備用管路19 ;以防備用。
[0018]上述技術(shù)方案中，所述吹掃系統(tǒng)優(yōu)選使用干燥氣體吹掃，更優(yōu)選為干燥氮?dú)饣蚋稍锟諝?，使所吹掃的管路中無水分存在。
[0019]上述技術(shù)方案中，所述的凝固液優(yōu)選為二甲基亞砜的水溶液。
[0020]為了解決上述技術(shù)問題之二，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種凝固液的配制方法，采用上述技術(shù)方案中任一所述的凝固液的循環(huán)裝置，包括以下步驟:
[0021](a)先清洗凝固液儲罐、循環(huán)栗、循環(huán)管路、文丘里射流管；清洗完成后，將水放空除掉；
[0022](b)使用干燥氣體吹掃循環(huán)管路，使其內(nèi)部不留有水；
[0023](c)使用配制管路，通過質(zhì)量流量計往凝固液儲罐內(nèi)注入經(jīng)計量的配制凝固液所需重量的水；
[0024](d)打開循環(huán)栗，調(diào)節(jié)一定玻璃轉(zhuǎn)子流量計的流量開始循環(huán)，并設(shè)置換熱器，控制自循環(huán)的凝固液的溫度小于40°C ;
[0025](e)使用配制管路，通過質(zhì)