СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФИЛАМЕНТОВ ИЗ ОПТИЧЕСКИ АНИЗОТРОПНОГО ПРЯДИЛЬНОГО РАСТВОРА И ПРЯДИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ВОЗДУШНЫМ ЗАЗОРОМ Российский патент 2007 года по МПК D01D5/06 

Описание

Данное изобретение относится к способу получения филаментов из оптически анизотропного прядильного раствора, в котором прядильный раствор экструдируют через фильеру, содержащую зону прядения с множеством прядильных отверстий, в коагуляционную ванну через щель, или диафрагму, границы которой образованы плитами с верхней и нижней сторонами, причем верхние стороны пластин являются сторонами, наиболее близко расположенными к зоне прядения, и к прядильному устройству с воздушным зазором для осуществления указанного способа.

Так, из ЕР 0904431 известен способ, из которого известно, что движение поверхности коагулянта может быть снижено, когда границы смежных отверстий имеют различную высоту («различные уровни»). Согласно примерам описания указанного патента получаются филаменты хорошей прочности. Указанный способ, однако, имеет тот недостаток, что коагуляционная ванна в процессе прядения находится еще в непрерывном движении, что является особенно затруднительным при применении в большом масштабе. Такое движение оказывает неблагоприятное воздействие на формуемые филаменты, так как филаменты в коагуляционной ванне будут слипаться вместе, превращая конечный продукт в непригодный для использования в высококачественных применениях (например, в тканых тканях или в армировании композитов).

Когда используются очень малые воздушные зазоры (скажем, меньше 4 мм), имеется риск контактирования коагулянта, который всегда имеет некоторое движение под влиянием пучка филаментов (вибраций, небольших волн и т.д.), с плитой фильеры. Когда это случается, способ может быть нарушен до такой степени, что потребуется его остановить. Поэтому, если используются очень небольшие воздушные зазоры, необходимо иметь насколько возможно самую спокойную поверхность коагуляционной ванны. Было установлено, что степень, в которой поверхность коагуляционной ванны находится в движении, значительно зависит от геометрии днища коагуляционной ванны. В частности, когда используются более двух зон прядения и соответствующее число разгрузочных отверстий в днище коагуляционной ванны, степень движения на поверхности коагулянта, может быть значительно снижена при введении геометрии согласно настоящему изобретению. Очень простым и эффективным вариантом, который обеспечивает значительное улучшение известного способа, является вариант настоящего изобретения.

Настоящее изобретение имеет своей целью создание способа, обеспечивающего высокоскоростное прядение (> 300 м/мин) множества филаментов, имеющих хорошие - очень хорошие физические свойства, причем условия способа являются такими, что коммерческое производство является возможным без нарушающего влияния поверхности коагуляционной ванны.

Указанная цель достигается посредством модификации существующего способа, как указано выше, таким образом, что расположения зоны прядения и щели, или диафрагмы, являются такими, что линия через центр зоны прядения и перпендикулярно верхним сторонам плит расположена на расстоянии (d) параллельно линии через центр щели, или диафрагмы, проекция которой имеет примерно такой же размер и форму, как проекция зоны прядения, и при этом плоскость верхней стороны одной плиты, имеющей более короткое расстояние до центра зоны прядения, чем плоскость верхней стороны другой плиты, и линия через центр зоны прядения имеет меньшее расстояние до границы плиты с верхней стороной, имеющей наибольшее расстояние до центра зоны прядения, чем до границы другой плиты.

Границы щели или диафрагмы образуются, по меньшей мере, двумя плитами, причем верхняя сторона одной плиты имеет более короткое расстояние до зоны прядения, чем верхняя сторона другой плиты. Линия, проходящая через центр зоны прядения и перпендикулярно верхним сторонам плит, имеет меньшее расстояние до границы плиты с верхней стороной, имеющей наибольшее расстояние до зоны прядения, чем до границы другой плиты. Расстояние верхней стороны плиты до зоны прядения может быть определено как наиболее короткое расстояние центра зоны прядения до плоскости верхней стороны плиты.

Неожиданно было установлено, что данный способ делает возможным получение филаментов, имеющих хорошие физические свойства при небольшом шаге (и поэтому большом числе филаментов на единицу площади) при сравнительно высокой концентрации кислоты в коагуляционной ванне, с получением экономичного способа с небольшим сбросовым потоком. Как можно видеть из примера, число слипаний, имеющих место в ходе способа (от филаментов, вступающих в контакт до образования достаточной коагуляции наружной оболочки), является низким. В коагуляционной ванне отсутствует какое-либо значительное движение. Возможное объяснение данного явления приведено ниже.

На границах разгрузочных отверстий жидкость, которая уносится уходящим пучком филаментов, задерживается или соскабливается. Благодаря инерции жидкость сохраняет (частично) свою скорость и течет параллельно днищу в направлении смежного разгрузочного отверстия. Однако поток коагулянта подходит также от направления данного смежного разгрузочного отверстия, образуя в результате наложение потоков, текущих в противоположных направлениях. Жидкость в результате повышается, и поверхность коагуляционной ванны поднимается выше точки застоя. Очевидно, запруживание коагулянта составляет значительное препятствие при выборе воздушного зазора; в конечном счете, необходимо предотвратить контактирование коагулянта с плитой фильеры.

Когда вышеуказанные потоки сходятся вместе на различных уровнях, рассмотренное запруживание не возникает. Напротив, поскольку скорость одного из потоков (т.е. потока, текущего от самой низкой границы) уже имеет составляющую, идущую в направлении поверхности жидкости, то имеет место затухание, и поверхность жидкости остается спокойной.

Когда коагуляционная ванна имеет глубину более 10 мм и менее 20 мм (предпочтительно, менее 15 мм), с одной стороны, филаменты сталкиваются только со слабым сопротивлением в ванне, и использование коагулянта является низким, и, с другой стороны, время пребывания в коагуляционной ванне является достаточно длительным для достижения требуемой коагуляции.

Способ согласно настоящему изобретению делает возможным использование сравнительно компактного прядильного устройства или оснащение существующего прядильного устройства плитами фильеры с большим числом прядильных отверстий. Например, является возможным получение 1000-3000 филаментов на пост прядения.

Вероятно благоприятные результаты получены на счет низкого сопротивления, испытываемого коагулянтом, когда он течет к сердцевине пучка филаментов (как вариант, это может быть отнесено к высокой проницаемости пучка филаментов). Сопротивление зависит от преодолеваемого пути, т.е. половины ширины пучка филаментов, и от пространства между различными филаментами (шага).

Предпочтительно, прядильные отверстия сгруппированы в более чем одной зоне прядения. Затем отдельные секции могут быть расположены одна напротив другой с тем, чтобы образовать наименее возможное препятствие подходящему потоку коагулянта и наиболее полное предотвращение нарушения режима коагуляционной ванны.

Кроме того, отдельные зоны прядения, предпочтительно, расположены так, что максимальное пространство между крайними филаментами является относительно небольшим в момент экструдирования из прядильных отверстий, так что схождение, скажем, к направляющей может быть низким.

Один высокоэффективный способ расположения зон прядения делает форму зон прядения распределенными равноудаленно по окружности с продольным направлением каждой из зон прядения, совпадающим с радиусом. Такое расположение едва ли препятствует подходящему потоку коагулянта (если вообще это имеет место) и дает низкое схождение каждого из пучков филаментов. Зоны прядения могут иметь любую заданную форму, но во многих случаях прямоугольные зоны прядения являются предпочтительными.

Для дополнительного снижения схождения в пучке филаментов или пучках филаментов предпочтительно выполнять в днище коагуляционной ванны в зоне прядения отверстие, проекция которого, предпочтительно, имеет подобную форму и является иногда уже по ширине, чем проекция зоны прядения. Если, кроме того, отверстие имеет иногда большую длину, чем зона прядения, это облегчает процесс прядения. В данном случае ни длина, ни ширина отверстия в днище коагуляционной ванны не будет давать увеличение значительного схождения пучка филаментов, и предотвращается спрессовывание филаментов вместе или опасность соскабливания по краю щели или диафрагмы. Вообще, разность длины и ширины относительно зоны прядения должна быть приемлемой. Такая разность составляет, предпочтительно, не более 60% длины и не более 100% ширины зоны прядения, более предпочтительно, не более 35% и 55% длины и ширины соответственно.

Физические свойства филаментов, полученных способом согласно настоящему изобретению, могут быть улучшены дополнительно выбором интервала расстояния, проходимого нитевидными экструдатами через газообразную инертную среду (воздушный зазор) более 0,5 мм и менее 16 мм.

В рамках данного изобретения термин «шаг» используется для указания среднего расстояния между центрами смежных прядильных отверстий.

Данное изобретение будет дополнительно пояснено на примере без ограничения данным примером и со ссылкой на чертежи, на которых:

фиг. 1 - вид снизу фильеры согласно настоящему изобретению, имеющей восемь прямоугольных зон прядения,

фиг. 2 - поперечное сечение прядильного устройства согласно настоящему изобретению,

фиг. 3 - деталь диафрагмы прядильного устройства с фиг. 2,

фиг. 4-6 - возникновение запруживаний в коагуляционной ванне согласно настоящему изобретению и в ваннах, не относящихся к данному изобретению.

Фиг. 1 - фильера 1 с восемью прямоугольными зонами прядения 2. Каждая зона прядения 2 содержит прядильные отверстия 3 (изображены только в одной из зон прядения).

На фиг. 2 показано устройство согласно настоящему изобретению, на котором может быть пояснен способ согласно изобретению. Оптически анизотропный прядильный раствор экструдируют через фильеру 1, содержащую зоны прядения 2 с множеством прядильных отверстий 3 в коагуляционную ванну 4 через щель, или диафрагму, 5, причем ее границы 6а, 6b образованы плитами 7а, 7b с верхними сторонами 8а, 8b и нижними сторонами 9а, 9b, причем верхние стороны 8а, 8b плит 7а, 7b определены как стороны, имеющие наименьшее расстояние до зоны прядения 2. Линия 10, проходящая через центр 13 зоны прядения 2 и перпендикулярно верхним сторонам 8а, 8b, расположена на расстоянии d до параллельной линии 11 через центр 14 щели или диафрагмы 5. Центр 14 определен как центр площади, которая находится между и ограничена границами 6а и 6b, и линия 15а является линией между верхними углами границ 6а и 6b, и линия 15b является линией между нижними углами границ 6а и 6b, которой площадью является щель или диафрагма 5. На фиг. 3 изображены поперечное сечение указанной площади и центр 14.

Расстояние плиты 7a, 7b до зоны прядения 2 определено как наикратчайшее расстояние плоскости верхней стороны плит 7a, 7b и перпендикулярная плоскость через центр 13 зоны прядения 2. На фиг. 4 изображено расстояние «а» между перпендикулярной плоскостью через центр 13 выпуклой зоны прядения 2 и верхней стороной плиты 7b.

В другом варианте выполнения (не показано) одна из плит является толще другой плиты. Когда нижние стороны указанных плит доводятся до одинаковой или примерно одинаковой высоты, верхние стороны плит имеют различные расстояния до центра 13 зоны прядения 2. Во всех вариантах каждая из зон прядения 2 находится в комбинации с щелью или диафрагмой 5. Одна щель или диафрагма 5 не может быть в контакте (через прядущиеся волокна) с более чем одной зоной прядения 2. Толщина каждой из плит 7a, 7b, предпочтительно, независимо выбрана между 0,5 и 5 мм.

Предпочтительно, чтобы прядильное устройство с воздушным зазором изобретения имело более короткое расстояние плиты 7b до зоны прядения 2, чем другая плита 7а до указанной зоны прядения 2, и линия 10 имела меньшее расстояние до границы 6а плиты 7а, чем до границы 6b другой плиты 7b. Расстояние d поэтому составляет, предпочтительно, 0,4-50 мм, более предпочтительно, 1-2 мм.

Было установлено, что особенно подходят плиты 7a, 7b с толщиной, которая является примерно равной расстоянию d между линией 10 и линией 11.

Особенно хорошие результаты получают, когда (проекция щели) щель, или диафрагма, 5 имеет примерно такой же размер и форму, как зона прядения 2. На практике щель или диафрагма 5 имеет такую же форму, но, предпочтительно, немного меньше, чем зона прядения 2. Кроме того, когда щель или диафрагма 5 является немного длиннее, чем зона прядения, прядение облегчается. Прядильное устройство, предпочтительно, закрыто покрывающей плитой выше щели или диафрагмы 5 (не показано).

Пример

Аналогично методике, описанной в примере 6 US 4308374 поли(парафенилентерефталамид) получали с использованием смеси N-метилпирролидона и хлорида кальция. После нейтрализации, промывки и сушки получали полимер, имеющий характеристическую вязкость 5,4.

Полимер растворяли в серной кислоте 99,8% концентрации таким образом, как описано в примере 3 US 4320081. Полученный таким образом прядильный раствор имел концентрацию полимера 19,4%.

Прядильный раствор пряли с использованием различных вариантов фильера/диафрагма (смотри фигуры 4-6).

Круглую фильеру 1 в соответствии с фильерой, рассмотренной в ЕР 0904431, имеющую наружный диаметр 90 мм, выполняли с восемью прямоугольными зонами прядения 2 (2,65 мм шириной и 18,4 м длиной), причем каждая имела 250 прядильных отверстий 3 и была распределена равноудаленно по фильере 1. Прядильные отверстия 3 имели диаметр 65 мкм и расстояние одно от другого (шаг) 0,5 мм (отношение шага к ширине зоны прядения 2, таким образом, составляло 0,5/2,65=0,19).

Прядильный раствор пряли через воздушный зазор длиной 6 мм в коагуляционную ванну. Коагулянт получали из воды, имеющей концентрацию серной кислоты 2% и температуру 13°C. Скорость прядения составляла 300 м/мин, и степень вытяжки составляла 6,8 для общего пучка волокна 3360 дтекс. Физические свойства определялись в соответствии с ASTM D885.

На 10 мм ниже поверхности коагуляционной ванны имелось восемь диафрагм (прямоугольных 1,26 мм × 24 мм), каждая из которых была расположена слегка сдвинуто ниже зоны прядения. Диафрагмные плиты 7a, 7b могут быть сдвинуты обе в то же время в одинаковом направлении перпендикулярно филаментам, по которому расположение было возможно диафрагмы 5 по отношению к зонам прядения 2. Расстояние сдвига может быть легко считано по маркировке. Указанным образом линия 10, проходящая через центр 13 зоны прядения 2 и перпендикулярно верхним сторонам 8a, 8b плит 7a, 7b, может быть установлена на расстоянии d параллельно линии 11 через центр 14 диафрагмы 5 с отклонением от -10 до +10-м (включая 0 мм, когда линии 10 и 11 совпадают друг с другом).

Когда d устанавливали на 0 мм, прядение было практически невозможным из-за сильных перемещений коагуляционной ванны с запруживаниями ванны высотой 5 мм. Это показано на фиг. 4 (сравнительный пример).

Аналогичное возникновение перемещений, дающих запруживания до 4 мм высотой, показано на фиг. 5, где зоны прядения 2 сдвинуты на расстояние d-1,5 мм в направлении плит 7b с верхними сторонами 8b, имеющими наикратчайшее расстояние до центров 13 зон прядения относительно верхних сторон 8а (сравнительный пример). Прядение было очень трудным в данном варианте, и было необходимо удлинить воздушный зазор до неприемлемых размеров.

Кроме того, было установлено значительное увеличение степени слипания (до 25% филаментов было подвергнуто слипанию).

На фиг. 6 показана ситуация, в которой зоны прядения 2 сдвинуты на расстояние d+1,5 мм в направлении плит 7а с верхними сторонами 8а, имеющими наибольшее расстояние до центров 13 зон прядения относительно верхних сторон 8b. Нарушающие перемещения коагуляционной ванны не наблюдались, и прядение было легко осуществлено. В данном варианте получена нить, имеющая линейную плотность пучка 3420 дтекс, разрывную прочность нити 2225 мН/текс и степень слипания < 1%.

Установлено, что оптимальные результаты получают при 0,5 мм<d<2 мм.

Способ и устройство могут быть использованы в химической промышленности для получения филаментов из оптически анизотропного прядильного раствора. Прядильный раствор экструдируют через фильеру, содержащую зону прядения с множеством прядильных отверстий. Далее формуемые филаменты попадают в щель или диафрагму, находящуюся в коагуляционной ванне, границы которой образованы плитами с верхними сторонами и нижними сторонами. Верхние стороны плит определены как стороны, имеющие наикратчайшее расстояние до зоны прядения. Линия проходит через центр зоны прядения и перпендикулярно верхним сторонам, проходит на расстоянии от параллельной линии через центр щели или диафрагмы. Проекция щели или диафрагмы имеет примерно такой же размер и форму, как проекция зоны прядения, и при этом плоскость верхней стороны одной плиты имеет более короткое расстояние до центра зоны прядения, чем плоскость верхней стороны другой плиты, и линия имеет меньшее расстояние до границы плиты, чем до границы плиты. Способ позволяет значительно снизить отрицательное влияние поверхности коагуляционной ванны на формуемые филаменты. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ получения филаментов из оптически анизотропного прядильного раствора, при котором прядильный раствор экструдируют через фильеру (1), содержащую зону прядения (2) с множеством прядильных отверстий (3), в коагуляционную ванну (4) через щель, или диафрагму, (5), границы которой (6а, 6b) образованы плитами (7а, 7b) с верхними сторонами (8а, 8b) и нижними сторонами (9а, 9b), причем верхние стороны (8а, 8b) плит (7а, 7b) определены как стороны, имеющие наикратчайшее расстояние до зоны прядения (2), отличающийся тем, что линия (10), проходящая через центр (13) зоны прядения (2) и перпендикулярно верхним сторонам (8а, 8b), проходит на расстоянии (d) от параллельной линии (11) через центр (14) щели, или диафрагмы, (5), проекция которой имеет примерно такой же размер и форму, как проекция зоны прядения (2), и при этом плоскость верхней стороны (8b) одной плиты (7b) имеет более короткое расстояние до центра (13) зоны прядения, чем плоскость верхней стороны (8а) другой плиты (7а), и линия (10) имеет меньшее расстояние до границы (6а) плиты (7а), чем до границы (6b) плиты (7b).2. Прядильное устройство с воздушным зазором, содержащее фильеру (1), имеющую зону прядения (2) со множеством прядильных отверстий (3) и щель, или диафрагму, (5) с границами (6а, 6b), образованными плитами (7а, 7b) с верхними сторонами (8а, 8b) и нижними сторонами (9а, 9b), причем верхние стороны (8а, 8b) плит (7а, 7b) определены как стороны, имеющие наикратчайшее расстояние до зоны прядения (2), отличающееся тем, что линия (10), проходящая через центр (13) зоны прядения (2) и перпендикулярно верхним сторонам (8а, 8b), проходит на расстоянии (d) от параллельной линии (11) через центр (14) щели или диафрагмы (5), проекция которой имеет примерно такой же размер и форму, как проекция зоны прядения (2), и при этом плоскость верхней стороны (8b) одной плиты (7b) имеет более короткое расстояние до центра (13) зоны прядения, чем плоскость верхней стороны (8а) другой плиты (7а), и линия (10) имеет меньшее расстояние до границы (6а) плиты (7а), чем до границы (6b) плиты (7b).3. Прядильное устройство с воздушным зазором по п.2, в котором толщина каждой из плит (7а, 7b) составляет независимо 0,5-5 мм.4. Прядильное устройство с воздушным зазором по п.3, в котором расстояние (d) между линией (10) и линией (11) составляет 0,4-50 мм.5. Прядильное устройство с воздушным зазором по п.4, в котором расстояние (d) между линией (10) и линией (11) составляет 1-2 мм.6. Прядильное устройство с воздушным зазором по любому из пп.2-5, в котором толщина каждой из плит (7а, 7b) примерно равна расстоянию (d) между линией (10) и линией (11).7. Прядильное устройство с воздушным зазором по п.6, в котором проекция щели или диафрагмы (5) имеет несколько большую длину, чем проекция зоны прядения (2), и является несколько уже в ширину.8. Прядильное устройство с воздушным зазором по любому из пп.2-5, в котором проекция щели или диафрагмы (5) имеет несколько большую длину, чем проекция зоны прядения (2), и является несколько уже в ширину.