УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПАРААРАМИДНОЙ ПУЛЬПЫ Российский патент 1995 года по МПК B01J19/00 B29B15/02 

Изобретение относится к технике получения пара-арамидной пульпы.

Потребности промышленности в пара-арамидной пульпе, такой как поли(пара-фенилентерефталамидная) пульпа, производимая под торговым названием Кевлар ® фирмой Е.И. Дюпон де Немур энд Ко", постоянно возрастают. Благодаря стабильности при высоких температурах, прочности и стойкости к износу, пара-арамидную пульпу все в больших масштабах используют при облицовке и прокладке трущихся деталей с тем, чтобы заменить асбест, применение которого связано с риском для здоровья. Пара-амидную пульпу используют также при получении новых типов бумаги, тонкослойных покрытий и композитов для приложений, требующих высокой прочности и стабильности при высоких температурах.

Известно устройство для получения пара-арамидной пульпы, содержащее корпус, канал для удлиняющего потока, имеющий вход и выход, средство для подачи раствора пара-арамида на вход канала, средство для подачи в корпус некоагулирующей текущей среды и трубопроводное средство.

В устройстве формование пара-арамидов является дорогостоящим и сложным процессом, так как в нем полимер растворяют в 100% серной кислоте, чтобы получить оптически анизотропный раствор для формования. Анизотропный раствор для формования продавливают через фильеры при тщательно контролируемых условиях в ванну для коагуляции. Обычно формование нити также промывают и сушат перед их механическим превращением в пульпу. Кроме того, обычно необходимо использовать специализированное оборудование для резки волокон с тем, чтобы разрезать непрерывные волокна на короткие части равной длины перед приготовлением пульпы.

Несмотря на то, что были предприняты усилия с целью получения пара-арамидной пульпы без первой стадии формования волокон, до сих пор не был предложен промышленный способ для получения пара-арамидной пульпы, пригодной для современных целей.

Целью изобретения является повышение надежности работы устройства и эффективности процесса.

Цель достигается тем, что устройство для получения пара-арамидной пульпы, содержащее корпус, канал для удлиняющего потока, имеющий вход и выход, средство для подачи раствора пара-арамида на вход канала, средство для подачи в корпус некоагулирующей текучей среды и трубопроводное средство, согласно изобретению снабжено размещенным в корпусе средством с внешней и внутренней пористыми поверхностями, а канал для удлиняющего потока расположен в последнем и выполнен сужающимся в направлении потока.

Устройство используется для образования жидкого активно полимеризующегося раствора, обеспечивает слой коагулирующей жидкости на внутренних поверхностях за счет использования пористых стенок, которые определяют по существу полностью путь удлиняющего потока для раствора. Некоагулирующая жидкость вынуждена проступать через пористые стенки, подаваемая под давлением в канал жидкой связи с внешними поверхностями пористых стенок. Чтобы предотвратить забивку пор пористых стенок, необходимо, чтобы давление некоагулирующей жидкости было избыточным относительно давления раствора, движущегося по траектории потока. В предпочтительном варианте желательно, чтобы размер пор пористых стенок был достаточно мал, чтобы количество некоагулирующей жидкости, избыточное по отношению к тому количеству, которое необходимо для эффективного снижения отложений, не подавалось в активно полимеризующийся раствор. Подходящие пористые стенки могут быть изготовлены из металла, содержащего шлак, например, из нержавеющей стали 316, или из фосфора, который является стойким к химическому воздействию раствора и в предпочтительном варианте определяет траекторию потока с линейно-скошенным, а в общем случае прямоугольным сечением.

На фиг. 1 изображен общий вид схемы установки для получения пара-арамидной пульпы в промышленных масштабах; на фиг. 2 общий вид устройства для получения пара-арамидной пульпы; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 2.

Установка содержит последовательно установленные устройства 1 для получения пара-арамидной пульпы в виде самоочищающегося полимеризатора, ленту 2 с режущим средством 3, бункерный конвейер 4, глиномялку 5 со средством для подачи каустической соды, рафинер 6 Рейтца, резервуар 7 для шлама, ленточный фильтр 8 и средство 9 для отверждения пульпы.

Устройство 1 для получения пара-арамидной пульпы содержит корпус 10, канал 11 для удлиняющего потока, имеющий вход 12 и выход 13, средство 14 для подачи раствора пара-арамида на вход 12 канала 14, средство 15 для подачи в корпус 12 некоагулирующей текучей среды и трубопроводное средство.

Кроме того, устройство 1 снабжено размещенным в корпусе 10 средством 16 с внешней и внутренней пористыми поверхностями 17 и 18, а канал 11 для удлиняющего потока расположен в последнем и выполнен сужающимся в направлении потока.

Корпус 10 имеет направленное вниз отверстие 19 для выгрузки и сообщения его со средством 16, а в полости корпуса 10 расположены приводные червячные валы 20, средства 15, соединенные с двигателем и коробкой передач (не показаны) и вращающиеся в одном направлении.

В корпусе 10 выполнены охлаждающие каналы 21, благодаря чему температуру устройства 1 можно соответствующим образом регулировать.

Корпус 10 содержит верхнюю и нижнюю части 22 и 23 и может быть легко разобран с тем, чтобы облегчить очистку и эксплуатацию. В отверстии 19 для выгрузки червячные валы 20 имеют самоочищающиеся выступы 24 в полости 25 корпуса 10, которые вместе с движущимся полимерным раствором проталкивают содержимое полости 25 в отверстие 19. Средство 16 связано с устройством 1 и соединено с нижней частью 22 корпуса 10 так, что средство 16 получает активно полимеризующийся ППД-Т раствор непосредственно из полости 25 корпуса 10.

Корпус 26 средства 16, имеющий верхнюю фланцевую области 27, как показано на фиг. 3, соединен с нижней частью 23 корпуса 10 при помощи крепежных винтов 28 или других подходящих средств.

Двухшнековые устройства 1 в общем случае имеют углубление 29 вблизи отверстия 19 для выгрузки на нижней стороне нижней части 23 корпуса 10, а фланцевые области 27 корпуса 26 средства 16 могут быть расположены в углублении 29. Вертикальное положение корпуса 26 в углублении фиксируется прокладкой 30 соответствующей толщины.

Канал 11 должен быть расположен под углом 90о к ленте 2. Толщина канала 11 убывает от входа 12 к выходу 13 в пропорции примерно 9 от 3 до 1, а выход 13 имеет ширину примерно в 5 раз больше толщины.

Пористые поверхности 17 и 18 обеспечивают образование слоя N-метилпирролидона, который проступает через них. При осуществлении, представленном на чертеже, этого достигают с использованием пространства 31, заполненного N-метилпирролидоном, которое окружает пористые поверхности 17 и 18. Пространство 31 заполняется N-метилпирролидоном при помощи подпитывающих трубопроводов 32, идущих из емкости под давлением для N-метилпирролидона (не показана), которые соединены с корпусом 26 посредством патрубков 33.

Для того, чтобы упростить конструкцию изображенного средства 16 для ориентации потока, пористые стенки 56, обеспечивающие траекторию канала 11, снабжают двумя пористыми металлическими частями. Непосредственно к полости 25 устройства 1 примыкает верхний колпачок 34, изготовленный из заготовки в виде пористой пластины из нержавеющей стали 316, имеющий размеры поp 1,0-2,0 мкм. Колпачок 34 обрабатывают таким образом, чтобы его верхняя поверхность совпадала с изгибом выступа 24 средства 1 в отверстии 19. Внутренность колпачка 34 является полой с тем, чтобы обеспечить до некоторой степени ровную толщину пористых поверхностей, примыкающих к полости 25 устройства 1 и траектории канала 11. Полая область связана жидкостью с пространством 30, заполненным N-метилпирролидоном.

Вторая часть образует больший элемент траектории канала 11 и снабжена прямоугольным (сужающимся) трубчатым элементом 35, который является цельной конструкцией из пористой нержавеющей стали, имеющей размер пор в 0,2-1,0 мкм. Трубчатый элемент 35 установлен в корпусе 26 между верхним колпачком 34 и нижним колпачком 36, имеющим направленное наружу конусообразное отверстие, которое совпадает с выходом 13 траектории канала 11. Нижний колпачок 36 присоединен к корпусу 26 винтами 37 или другими подходящими средствами. Нижние уплотнения 38 устанавливают в гнезда для уплотнений с тем, чтобы обеспечить ограничение для N-метилпирролидона в подпитывающем пространстве 31, образованном в промежутке между внешним трубчатым элементом 35 и внутренностью корпуса 26. Верхние уплотнения 39 также установлены между верхним колпачком 34 и корпусом 26, между трубчатым элементом 35 и верхним колпачком 35, с тем, чтобы также ограничить поток НМП. Контакт внешних поверхностей верхнего колпачка 34 с областями углублений нижней части 23 корпуса 10 устройства 1 помогает предотвратить утечку из пористого металла верхнего колпачка 35. На корпусе 26 имеется совокупность винтов 40, имеющих нейлоновые наконечники, с тем, чтобы обеспечить крепление трубчатого элемента 35.

Установка для получения пара-арамидной пульпы работает следующим образом.

Полученная удлиненная ориентированная лента жидкого раствора, поступающая из средства 16, направляется на конвейерную ленту 2, вязкость является достаточно высокой, чтобы ориентация отложенного раствора не нарушилась перед гелеобразованием раствора. На ленте 2 удлиненную полоску раствора инкубируют при повышенной температуре достаточно долго, чтобы раствор переходил в твердый гель перед тем, что он достигнет режущего средства 3, режущее средство 3 разрезает твердый гель из куска (не показано), имеющие заданную длину, и эти куски затем сбрасываются в бункеры бункерного конвейера 4 для дополнительного инкубирования.

Когда характеристическая вязкость пара-арамида в кусках геля достигает необходимого уровня в бункерном конвейере 4, гель выгружают в глиномялку 5, содержащую разбавленную каустическую соду. В глиномялке 5 гель уменьшается в размере и одновременно нейтрализуют и коагулируют. Полученный в результате шлам пульпы затем переносят в рафинер 6 Рейтца для последующего уменьшения размера. Шлам пульпы хранится при перемешивании в резервуаре 7 для шлама и непрерывно отводится на ленту для фильтра 8 отделения с целью промывки. Влажную лепешку пульпы затем обезвоживают для влажной упаковки и/или сушат, и измельчают для сухой упаковки в средстве 9 для отверждения пульпы. Растворитель из каустического раствора и промывочную воду извлекают для повторного использования.

Пульпа, полученная по способу, состоит по существу из коротких фибриллированных волокон пара-арамида, в предпочтительном варианте пара-арамида, в предпочтительном варианте пара-фенилтетрафталамида, содержащих пучки фибрилл субмикронного диаметра, имеющих характеристическую вязкость в области от примерно 2,0 до 4,5, так как способ не включает формование из раствора серной кислоты, пара-арамид не включает группы(моно)сульфокислоты. Диаметр волокон, напоминающих пульпу, полученных по предлагаемому способу, изменяется в пределах от менее 1 мкм до примерно 150 мкм. Длина волокон, напоминающих пульпу, полученных по предлагаемому способу, изменяется в пределах от примерно 0,2 мм до примерно 3,5 мм, но никогда не превышает интервала поперечного разреза геля. Показатель кристалличности, измеренный при помощи дифракции в рентгеновских лучах, составляет менее 50, а размер кристаллов составляет менее примерно 40 . Пульпа также характеризуется фибриллами, имеющими волнистую, сочлененную структуру. Удельная площадь поверхности этого продукта, измеренная методом газовой адсорбции, превышает примерно 2 м²/г, в отличие от удельной площади эквивалентного количества вытянутого волокна, не имеющего форму пульпы, равной менее 0,1 м²/г, что указывает на высокий уровень фибриллирования. Волокна пульпы являются более фибриллированными вдоль их длины, чем пульпа, полученная из вытянутого волокна, и они могут прилипать более надежно к материалу матрицы при таких приложениях. Когда пульпу не сушат до содержания воды ниже примерно 30% в пересчете на вес сухой пульпы "ни разу не сушенная"), волокна пульпы имеют "недоформированную" структуру, которая не может возникнуть в пульпе, полученной из формованного волокна.

Этот продукт, когда его используют в таких приложениях, как изделия, испытывающие трения, и в прокладках, неожиданным образом обеспечивает такую же эффективность, что и продукты, изготовленные из пульпы, полученной известными способами, т. е. при помощи резки и очистки формованного волокна. Это имеет место даже в том случае, когда характеристическая вязкость ниже, чем вязкость производимой промышленностью пульпы, полученной из формованного волокна.

П р и м е р 1. Описан способ получения поли(пара-фенилентерфталамидной) (ППД-Т) пульпы с использованием устройства для ориентации удлиняющего потока, имеющего пористые стенки, которые обеспечивают создание слоя N-метил пирролидона на внутренних стенках, формирующих траекторию потока, с целью минимизации образования отложения.

Устройство для ориентации удаляющего потока, имеющее линейно-сужающийся прямоугольный канал для потока, состоящий из пористых металлических пластин, устанавливают на отверстии для выгрузки размером 5 дюймов (12,7 см) с двухшнекового полимеризатора омыванием всей поверхности, имеющего рубашку, но функционирующего без охлаждающей жидкости. Устройство для ориентации потока имеет вертикальный, направленный вниз, канал для потока длиной примерно 2,5 дюйма (6,35 см) с входным отверстием 0,44 дюйма х 1,9 дюйма (1,12 х 4,83) служащий для непосредственного приема материала, выгружаемого из полимеризатора, и выходным отверстием 0,23 х 1,9 дюйма (0,58 х 4,82 см). Пористые пластины, образующие поверхности, изготовлены из пористых пластин нержавеющей стали 316 толщиной примерно 0,125 дюйма (0,31 см), имеющей пористость 0,2-1,0 мкм. Пластины поддерживаются в корпусе при помощи соответствующих трубопроводов, по которым подают N-метилпирролидон на внешние поверхности пластин.

Из полимеризатора выгружают активно полимеризующийся 9,2% (весовые) раствор поли(пара-фенилентерфталамида) в N-метил пирролидоне (НМП) и хлориде кальция (молярное отношение CaCl₂ к начальному количеству пара-фенилен диамина равно 1,38). При по-прежнему продолжающейся полимеризации ППЛ-Т-раствор продавливают через устройство для ориентации потока с объемной скоростью полимера 13,3 фунтов /ч (5,65 кг/ч). Внутреннюю поверхность пористых стенок непрерывно снабжают слоем НМП, который проступает через пористые металлические пластины с объемной скоростью приблизительно 1,7 мл/кв.дюйм/мин в пересчете на общую площадь пористых пластинок, находящуюся в контакте с ППД-Т-раствором. Характеристическая вязкость поли(пара-фенилентерфталамида) в растворе, вытекающем из устройства для ориентации потока, составляет приблизительно 2,3.

Вязкий, все еще жидкий раствор, вытекающий из устройства для ориентации потока: периодически собирают на горизонтальную пластину в то время, как пластина движется под выходным отверстием со скоростью, приблизительно равной скорости раствора, поступающего из выходного вышеупомянутого отверстия. Полости раствора после экструзии шириной приблизительно 40 с превращаются в мягкий гель. Этот гель затем разрезают на куски размером 3/8 дюйма (0,95 см) в направлении поперек течения. Разрезанные куски затем помещают в нагреватель на один час при температуре приблизительно 44^оС для повторного инкубирования.

Чтобы отделить пульпу, инкубированные куски помещают в воду в смесителе Варинга и перемешивают с высокой скоростью в течение нескольких минут. Пульпу периодически собирают на фильтре и возвращают в смеситель для короткого перемешивания с водой в течение 5 мин. Отделенный продукт пульпы состоит из высоко фибриллированной ППД-Т пульпы с характеристической вязкостью 3,1.

Использование: в технике получения пара-арамидной пульпы. Сущность изобретения: устройство для получения пара-арамидной пульпы снабжено размещенным в корпусе средством с внешней и внутренней пористыми поверхностями. Канал для удлиняющего потока расположен в средстве и выполнен в направлении потока. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПАРААРАМИДНОЙ ПУЛЬПЫ, содержащее корпус, канал для удлиняющего потока, имеющий вход и выход, стредство для подачи раствора параарамида на вход канала, средства для подачи в корпус некоагулирующей текучей среды и трубопроводное средство, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности в работе устройства и эффективности процесса, оно снабжено размещенным в корпусе средством с внешней и внутренней пористыми поверхностями, а канал для удлиняющего потока расположен в последнем и выполнен сужающимся в направлении потока.