СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРЯДИЛЬНОГО РАСТВОРА ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРНОГО ВОЛОКНА Российский патент 2025 года по МПК D01F6/40 D01D5/06 D01D1/02 D01D1/10 

Изобретение относится к способу и установке для получения прядильного раствора для производства полимерного волокна, в частности полиакрилонитрильного волокна.

Во многих случаях в частном и промышленном секторе сегодня требуются полимерные волокна. В настоящее время полиакрилонитрильное (далее ПАН) волокно производят в качестве прекурсора для углеродного волокна. С этой целью соответствующий исходный полимер, который представляет собой мелкодисперсный порошок, перемешивают с растворителем, нагревают, гомогенизируют, подвергают дегазации, а затем в вязкотекучем состоянии готовый прядильный раствор направляют на формование через фильеру. Известен способ изготовления волокон из п-арамида (RU 2473721 C2), в котором жидкую серную кислоту, охлажденную ниже своей точки коагуляции, предварительно соединяют с п-арамидом в смесителе. Затем эту смесь перемешивают, гомогенизируют и дегазируют по всей длине в одно- или двухшнековом месильном аппарате непрерывного действия. Устройство предполагает наличие двух аппаратов: в первом происходит предварительное смешение порошка полимера с растворителем, во втором – гомогенизация и дегазация по всей длине аппарата. Недостаток данного изобретения заключается в различии использованных исходных веществ для получения полимерного волокна, в частности полиакрилонитрильного волокна.

Также известен способ получения прядильного раствора целлюлозы (RU 2787619 C1), включающий твердофазную активацию порошкообразной исходной смеси, состоящей из целлюлозы и ММО, содержащего воду, нагревание твердофазного предраствора до перевода в гелеобразное состояние и последующее экструдирование до получения гомогенного прядильного раствора, пригодного для формования, отличающийся тем, что твердофазную активацию, нагревание до перевода в гелеобразное состояние и последующее экструдирование до получения гомогенного прядильного раствора осуществляют в одном двухшнековом экструдере, включающем три функциональные зоны с характерными для каждой из них температурным и механическим режимами: твердофазную активацию осуществляют при температуре 10-15°С; перевод в гелеобразное состояние твердой активированной смеси компонентов осуществляют при температуре 70-80°С; получение гомогенного прядильного раствора, пригодного для формования, проводят при температуре 85-90°С; при скорости вращения шнеков 60-120 об/мин, а в качестве ММО, содержащего воду, используют товарный продукт - моногидрат ММО с содержанием 13.3 мас. % воды.

Недостаток способа заключается в том, что по данному методу полиакрилонитрил необходимо расплавить, что является невозможным, так как температура плавления (~300°C) полиакрилонитрила выше температуры его разложения (~250°C). Приготовление прядильного раствора полиакрилонитрила осуществляется по мокрому и сухо-мокрому методу, которые являются растворными. Для мокрого и сухо-мокрого метода используется суспензия, полученная при предварительном смачивании порошка полиакрилонитрила диметилацетамидом (далее ДМАА).

В качестве прототипа заявленному способу выбран способ получения прядильного раствора (патент RU 2661988 С2), заключающийся в том, что получение прядильного раствора осуществляют в два этапа: на первом этапе осуществляют получение однородной суспензии путем смешивания порошка гомополимера или сополимера акрилонитрила со смесью диметилсульфоксид/вода; на втором этапе осуществляют нагревание однородной суспензии до полного растворения гомополимера или сополимера акрилонитрила и получают однородный прядильный раствор. Далее прядильный раствор подают в резервуар для хранения или в прядильную линию. Суть одного из способов преобразования суспензии в прядильный раствор заключается в том, что подают суспензию в теплообменник и быстро повышают температуру суспензии с 5°С до 110°С. Растворение суспензии и ее преобразования в прядильный раствор полимера выполняют с перерывами, постепенно нагревают всю массу суспензии.

Предложенный способ получения прядильного раствора имеет следующие недостатки: не учитывается резкий скачок динамической вязкости при переходе суспензии в прядильный раствор, что вызывает образование застойных зон; наличие локальных перегревов из-за отсутствия перемешивания, как следствие раствор имеет примеси и гели, из-за которых появляются поверхностные дефекты на волокне.

Технической задачей заявляемого изобретения является разработка способа и установки для получения прядильного раствора полиакрилонитрила, для обеспечения равномерного нагрева, перемешивания и дегазации прядильного раствора полиакрилонитрила, при этом увеличение динамической вязкости и гомогенности прядильного раствора.

Решение указанной задачи обеспечивается тем, что порошок ПАН, предварительно смоченный в охлажденном до температуры от -10°С до -5°С растворителе диметилацетамиде, направляют в виде суспензии в двухшнековый аппарат, равномерно нагревают в первой функциональной зоне аппарата при градиенте температуры 70°С – 90°С, доводят суспензию до набухания и перехода в гомогенный раствор, во второй функциональной зоне проводят дегазацию и направляют прядильный раствор на узел экструзии волокна.

До настоящего времени существующие технологии получения ПАН-волокон мокрым или сухо-мокрым способом используют вертикальные емкостные реакторы, которые имеют ограниченную скорость сдвига, наличие множества застойных зон и проблемы с обеспечением равномерного нагрева во всем объеме продукта. Решение указанных выше недостатков емкостных реакторов и улучшение качества прядильного раствора на основе ПАН при помощи двухшнекового смесительного аппарата предлагается за счет: во-первых, применения различных транспортирующих и месильных шнековых элементов, что позволит обеспечить более эффективную гомогенизацию продукта и минимизировать объём мертвых зон в смесителе; во-вторых, за счет использования специальных нагревательных элементов в корпусе аппарата в качестве нагревательных элементов используют электрические тэны, встроенные в каждый отдельный корпусный блок аппарата обеспечивающие равномерный нагрев по массе, что позволит обеспечить не только равномерный нагрев, но и требуемый градиент температуры по всему объёму устройства; в-третьих, применения системы вакуумирования, что позволит осуществлять вакуумную дегазацию и удаление газовых пузырей из прядильного раствора. Кроме того, применение нескольких секций в аппарате позволяет осуществлять его эффективное использование, гибко подстраивать конструкцию под требуемую производительность и регулировать его длину, соответственно, и объем смеси, который можно производить. Таким образом, установка может работать в непрерывном режиме и одновременно осуществлять перемешивание, гомогенизацию и дегазацию.

Еще один объект настоящего изобретения также относится к устройству для получения однородного прядильного раствора для производства ПАН-волокон по настоящему изобретению. Для иллюстрации предлагаемого способа на фиг. 1 приведена схема установки двухшнекового аппарата, где в зону А через загрузочный бункер 2 поступает суспензия порошка полиакрилонитрила в диметилацетамиде, где происходит его набухание при температуре в секциях аппарата 70-80°С; в зоне В набухшую суспензию переводят в гомогенный прядильный раствор при нагревании в секциях аппарата до 85-90°С и получают прозрачный высокогомогеннизированный прядильный раствор полиакрилонитрила в ДМАА, пригодный для формования волокон по мокрому и сухо-мокрому методам. В упомянутые две зоны входят десять секций 1, в которых проводят контроль температуры. На фиг. 2 поз. 5 показаны нагревательные элементы, которые позволяют регулировать температуру в каждой из секций аппарата; поз. 4 показаны два шнека экструдера, осуществляющие требуемое механическое воздействие на перерабатываемую суспензию; при этом движение перерабатываемой суспензии происходит от загрузочного бункера 2 в направлении выходного отверстия 6. Во время этой транспортировки суспензия подвергается равномерному нагреву и гомогенизации по длине аппарата, а дегазация осуществляется путем создания вакуума посредством вакуумного насоса 3.

Нижеследующие примеры иллюстрируют предлагаемый способ получения прядильного раствора, но никоим образом его не ограничивают.

Пример 1

Исходную смесь, содержащую 22 мас. % полиакрилонитрила, смешивают из 220 г порошка полиакрилонитрила, влажностью 1% и средним размером частиц 35 мкм, и 833 мл диметилацетамида, охлажденного до температуры -10°С. Готовую суспензию загружают в загрузочный бункер 2 многосекционного двухшнекового аппарата с диаметром шнеков 16 мм и соотношением длины шнеков к диаметру 40, (настоящее изобретение, фиг. 1). В зоне А двухшнекового аппарата, где температуры по пяти секциям отвечают следующему ряду 70→75→75→80→80°С, происходит набухание суспензии; в зоне В двухшнекового аппарата, где температура по пяти секциям отвечает ряду - 85→85→90→90→90°С, происходит полное растворение и получение гомогенного прядильного раствора полиакрилонитрила в ДМАА, пригодного для формования, при этом скорость вращения шнеков составляет 60 об/мин. Давление прядильного раствора на входе в фильеру составляет 20 бар. Для обеспечения дегазации установить значение вакуума равное 50⋅10³ Па. Производительность аппарата по готовому раствору составляет 1 кг/час. Вязкость прядильного раствора измеряют методом ротационной вискозиметрии. Данный показатель составляет 31,06 Па⋅с при скорости сдвига 1 с^-1 и температуре 85°С. Гомогенность прядильного раствора оценивают количественно как соотношение объема нерастворенных частиц к общему объему раствора при помощи сканирующего электронного микроскопа путем нанесения пробы на предметный столик. Результатом является соотношение объема нерастворенных частиц порошка к общему объему, что составляет менее 1%.

По полученным качественным характеристикам можно сделать вывод, что предложенный способ обеспечивает равномерный нагрев, перемешивание и дегазацию, при этом увеличивает динамическую вязкость и гомогенность прядильного раствора.

Пример 2

Исходную смесь, содержащую 22 мас. % полиакрилонитрила, смешивают из 220 г порошка полиакрилонитрила, влажностью 1% и средним размером частиц 35 мкм, и 833 мл диметилацетамида, охлажденного до температуры -5°С. Готовую суспензию загружают в загрузочный бункер 2 многосекционного двухшнекового аппарата с диаметром шнеков 16 мм и соотношением длины шнеков к диаметру 40, (настоящее изобретение, фиг. 1). В зоне А двухшнекового аппарата, где температуры по пяти секциям отвечают следующему ряду 70→75→75→80→80°С, происходит набухание суспензии; в зоне В двухшнекового аппарата, где температура по пяти секциям отвечает ряду - 85→85→90→90→90°С, происходит полное растворение и получение гомогенного прядильного раствора полиакрилонитрила в ДМАА, пригодного для формования, при этом скорость вращения шнеков составляет 60 об/мин. Давление прядильного раствора на входе в фильеру составляет 20 бар. Для обеспечения дегазации установить значение вакуума равное 50⋅10³ Па. Производительность аппарата по готовому раствору составляет 1 кг/час. Вязкость прядильного раствора измеряют методом ротационной вискозиметрии. Данный показатель составляет 28,08 Па⋅с при скорости сдвига 1 с^-1 и температуре 85°С. Гомогенность прядильного раствора оценивают количественно как соотношение объема нерастворенных частиц к общему объему раствора при помощи сканирующего электронного микроскопа путем нанесения пробы на предметный столик. Результатом является соотношение объема нерастворенных частиц порошка к общему объему, что составляет менее 1%.

По полученным качественным характеристикам можно сделать вывод, что предложенный способ обеспечивает равномерный нагрев, перемешивание и дегазацию, при этом увеличивает динамическую вязкость и гомогенность прядильного раствора.

Настоящее изобретение относится к способу получения прядильного раствора для производства полиакрилонитрильного волокна, а также к установке для получения прядильного раствора. Способ получения прядильного раствора для производства полиакрилонитрильных волокон заключается в смешении порошка полиакрилонитрила с охлажденным до температуры от -10 до -5°С диметилацетамидом, подаче суспензии в двухшнековый аппарат и постепенном нагреве ее в первой функциональной зоне аппарата при градиенте температуры 70-90°С, доведении суспензии до набухания и перехода в гомогенный раствор, дегазации во второй функциональной зоне при давлении 50⋅10³ Па. Установка для получения прядильного раствора состоит из корпуса, загрузочного бункера, встроенного в корпус аппарата, нагревательных элементов, двух месильных элементов, располагающихся внутри корпуса, вакуумного насоса, подключенного к аппарату, и выходного отверстия. Корпус модульный выполнен из десяти отдельных блоков, позволяющих обеспечить требуемую для производительности длину смесителя. В качестве нагревательных элементов используют электрические тэны, встроенные в каждый отдельный корпусный блок аппарата и обеспечивающие равномерный нагрев по массе. В качестве месильных элементов используют два сборочных шнека с транспортирующими и месильными шнековыми элементами. Способ и установка для получения однородного прядильного раствора для производства полиакрилонитрильных волокон позволяет увеличить динамическую вязкость и гомогенность прядильного раствора. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

1. Способ получения прядильного раствора для производства полиакрилонитрильного волокна, заключающийся в том, что порошок полиакрилонитрила предварительно перемешивают с растворителем, получают суспензию и перемешивают до образования гомогенного раствора, затем дегазируют, отличающийся тем, что порошок полиакрилонитрила смешивают с охлажденным до температуры от -10°С до -5°С диметилацетамидом, суспензию подают в двухшнековый аппарат и постепенно нагревают в первой функциональной зоне аппарата при градиенте температуры 70°С – 90°С, доводят суспензию до набухания и перехода в гомогенный раствор и дегазируют во второй функциональной зоне при давлении 50⋅10³ Па.

2. Установка для получения прядильного раствора по п.1, состоящая из корпуса, загрузочного бункера, встроенного в корпус аппарата, нагревательных элементов, двух месильных элементов, располагающихся внутри корпуса, вакуумного насоса, подключенного к аппарату и выходного отверстия, отличающаяся тем, что корпус модульный выполнен из десяти отдельных блоков, позволяющих обеспечить требуемую для производительности длину смесителя, в качестве нагревательных элементов используют электрические тэны, встроенные в каждый отдельный корпусный блок аппарата и обеспечивающие равномерный нагрев по массе, в качестве месильных элементов используют два сборочных шнека с транспортирующими и месильными шнековыми элементами.