Способ изготовления множества высокопрочных, высокомодульных нитей из ароматического полиамида
Изобретение относится к технологии производства синтетических волокон, в частности, к производству множества высокопрочных, высокомодульных нитей из ароматического полиамида. Способ включает экструдирование, по меньшей мере, 15 мас.% кислотного раствора ароматического полиамида через линейно расположенные отверстия фильеры; пропускание основы нитей через слой некоагулирующей текучей среды в коагулирующую ванну; пропускание полотна нитей через прядильную трубку, впрыскивание дополнительной коагулирующей жидкости около нитей вниз под углом от 15° до 75° относительно нитей с постоянной скоростью, составляющей приблизительно 50-100% от скорости нитей; движение подаваемой коагулирующей жидкости вниз вместе с основой нитей через прядильную трубку в коагулирующую ванну. Трубка имеет продолговатое поперечное сечение и содержит, по меньшей мере, две противоположные стороны, параллельные основе нитей, а длина этих сторон, по меньшей мере, равна ширине основы нитей. Коагулирующую жидкость впрыскивают через канал инжектора с любой одной стороны прядильной трубки, параллельной основе нитей, где канал инжектора имеет, по меньшей мере, ту же ширину, что и основа нитей. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 табл., 3 пр.
Изобретение относится к способу изготовления высокопрочных, высокомодульных нитей из ароматического полиамида.
Такие способы известны в данной области техники. Сначала кислотный раствор ароматических полиамидов экструдировали в текучую среду, не вызывающую коагуляцию, например, воздух, а затем - в неглубокую ванну жидкости, вызывающей коагуляцию, например, воды, и выводили через отверстие в дне ванны. Дальнейшее развитие способа было направлено на увеличение скорости формования, которое вело к более высокой производительности, что делало, таким образом, процесс более эффективным. Однако с увеличением скорости формования ухудшалось качество нити. Даже еще хуже, иногда приходилось снижать скорость формования при выработке чувствительных к воздействиям тонких нитей. Из-за этого производительность снижалась даже еще больше.
Признавалось, что при высоких скоростях формования создается значительное трение между нитями и жидким коагулянтом из-за большой разницы скоростей нитей и жидкого коагулянта, что вело, таким образом, к ухудшению свойств нитей, например, снижению прочности на разрыв.
В патенте США № 4869860 раскрыт усовершенствованный способ изготовления нитей из ароматического полиамида. После экструдирования раствор полимера пропускают вертикально вниз в свободно падающий и ускоряющийся под действием силы тяжести жидкий коагулянт. Хотя разница скоростей нитей и жидкого коагулянта при этом сокращена, скорость формования все еще ограничена из-за того, что скорость жидкого коагулянта не может быть увеличена выше скорости, достигаемой под действием ускорения свободного падения.
Наконец, в патенте США № 4898704 раскрыт способ изготовления высокопрочных, высокомодульных нитей из ароматического полиамида путем коагуляции основы нитей, выпускаемых из линейной фильеры, посредством подачи потока жидкого коагулянта, одинакового и равномерного, с каждой стороны основы нитей. Воздействуя потоком жидкого коагулянта, дополнительно сокращают относительную разницу скоростей нитей и жидкого коагулянта. Инжекторы для подачи потоков расположены с каждой стороны основ нитей; поточный коагулятор, таким образом, имеет симметричную конфигурацию. Благодаря симметричному расположению инжекторов нити не подталкивают друг к другу, и они не вступают в контакт с какими-либо твердыми или механическими поверхностями до тех пор, пока не осуществлена стадия коагуляции.
В патенте США № 4298565 раскрыт усовершенствованный способ изготовления высокопрочных, высокомодульных нитей из ароматического полиамида, согласно которому кислотный раствор, содержащий, по меньшей мере, 30 г ароматического полиамида на 100 мл кислоты, экструдируют через фильеру в слой текучей среды, не вызывающей коагуляции, а затем - в коагулирующую ванну, для формования нитей, которые пропускают через прядильную трубку, совмещенную в осевом направлении с фильерой. Дополнительные высокоскоростные потоки жидкого коагулянта подают симметрично относительно нитей вниз вдоль направлений, составляющих угол от 0° до 85° относительно нитей. Скорость подаваемой коагулирующей жидкости может составлять до 150% от скорости нитей, предпочтительно она не должна превышать приблизительно 85% от скорости нитей. Улучшение свойств нитей не наблюдали, если не были тщательно выставлены относительно одной оси фильера, прядильная трубка, инжектор и протяженность прядильной трубки, и если не были тщательно спроектированы и выставлены элементы инжекторов для обеспечения совершенно симметричной подачи потоков коагулирующей жидкости относительно линии нитей.
Считается, что симметричная подача впрыскиваемых потоков необходима для получения нитей с требуемыми свойствами при высоких скоростях формования, для исключения негомогенных условий коагуляции отдельных нитей и для исключения прилипания нитей к стенке прядильной трубки или друг к другу.
Таким образом, целью настоящего изобретения является создание способа, альтернативного способам-прототипам, в которых используют симметрично впрыскиваемый коагулятор, в котором обеспечивают возможность высокоскоростного формования высокопрочных, высокомодульных элементарных нитей из ароматического полиамида при использовании более простой и, следовательно, более экономически эффективной схемы производственного процесса.
Эту цель достигают, используя способ изготовления множества высокопрочных, высокомодульных нитей из ароматического полиамида, включающий стадии:
- экструдирование кислотного раствора, содержащего, по меньшей мере, 15 масс.% ароматического полиамида, через линейно расположенные отверстия в фильере, таким образом, создавая основу нитей;
- пропускание основы нитей через слой текучей среды, не вызывающей коагуляцию, в коагуляционную ванну; а затем
- пропускание основы через прядильную трубку, где прядильная трубка имеет продолговатое поперечное сечение и содержит, по меньшей мере, две противоположные стороны, параллельные основе нити, а длина этих сторон, по меньшей мере, равна ширине основы нити;
- впрыскивание дополнительной коагулирующей жидкости с постоянной скоростью около нитей вниз под углом от 15° до 75° относительно нитей;
- движение впрыскиваемой коагулирующей жидкости вниз вместе с основой нитей через прядильную трубку со скоростью, составляющей приблизительно 50-100% от скорости нитей;
где коагулирующую жидкость впрыскивают через канал инжектора с любой одной стороны прядильной трубки, параллельной основе нитей, где канал инжектора имеет, по меньшей мере, ту же ширину, что и основа нитей.
Согласно известным процедурам нити отклоняют от прямолинейного направления движения, промывают и/или нейтрализуют и высушивают до намотки нитей, изготовленных данным способом.
Ароматический полиамид
Под термином «основа нитей» при использовании в данном описании понимают множество элементарных нитей, расположенных рядом друг с другом и по существу параллельно друг другу.
В способе согласно изобретению используют форму асимметричного впрыскивания (ввода коагулирующей жидкости). Коагулирующую жидкость впрыскивают около нитей только с одной стороны нитей. Подаваемый коагулятор, коагулирующая жидкость, предпочтительно вода или водные растворы, впрыскивают вместе с нитями. Осуществляя это, уменьшают трение между водой и нитями и, таким образом, уменьшают натяжение нитей. К тому же, посредством тщательного подбора угла расположения инжектора можно управлять всасывающим действием из осадительной ванны. Этим обеспечивают возможность управления стабильностью ванны. К тому же, инжектор можно использовать для засасывания нитей во время заправки нитей.
Хотя известный уровень техники указывает на иное, может быть неожиданно установлено, что способ согласно изобретению, в котором используют асимметричную форму ввода в сочетании с линейной фильерой, позволяет получать высокопрочные, высокомодульные нити из ароматического полиамида без ухудшения свойств даже при высоких скоростях формования. Асимметричная форма ввода коагуляционной жидкости достаточна для окутывания отдельных нитей жидким коагулянтом и для предотвращения прилипания нитей к стенке прядильной трубки, а также к другим нитям. Способ согласно изобретению обеспечивает возможность использования более простой конструкции устройства для осуществления коагуляции, так как требуется только один инжектор, благодаря чему процесс изготовления становится намного более простым и, таким образом, обеспечивает возможность сокращения стоимости изготовления. Использование только одного инжектора вместо двух или даже множества симметрично выставленных инжекторов к тому же обеспечивает возможность сокращения риска закупоривания выпускного канала инжектора, так как высота инжектора может быть увеличена для получения аналогичных скоростей в трубке. Если обеспечить, чтобы поперечное сечение прядильной трубки, а также скорость потока были бы идентичными, то такой же расход потока можно обеспечить при пропуске только через один канал инжектора. Высота одного канала инжектора, имеющего ту же ширину, какую имеют два симметрично расположенных инжектора, может быть, таким образом, удвоена в сравнении с двумя симметрично расположенными инжекторами. Посредством увеличения высоты канала инжектора также может быть создана более простая конструкция, так как более узкие каналы инжектора намного более жесткие при изготовлении с аналогичной степенью точности.
Ширина инжектора предпочтительно превышает ширину основы нитей, по меньшей мере, на 2,5%, более предпочтительно, по меньшей мере, на 5%, а наиболее предпочтительно, по меньшей мере, на 10%.
В способе согласно изобретению используют линейную продолговатую фильеру вместо круглой фильеры, содержащей радиально расположенные отверстия или группу отверстий в области круга. При использовании круглой фильеры имеют место негомогенные условия коагуляции множества нитей, принадлежащих наружной пограничной группе нитей, или радиально расположенных нитей, принадлежащих центральной группе нитей, или радиально расположенных нитей.
Фильерные отверстия расположены рядами и в каждом ряду смещены относительно отверстий в смежных рядах таким образом, чтобы была обеспечена возможность формования основы равномерно отстоящих друг от друга нитей.
Множество отверстий может быть расположено в 1-25 рядов, предпочтительно - в 3-15 рядов, более предпочтительно - в 3-10 рядов. Фильерные отверстия разнесены друг от друга предпочтительно на расстоянии от 0,4 мм до 1,5 мм, а расстояние между смежными отверстиями в одном ряду является таким же, как и расстояние между отверстиями в смежных рядах, таким образом, формируют шаг между отверстиями в виде равностороннего треугольника. В предпочтительном варианте осуществления количество отверстий в ряду от 50 до 200.
Предпочтительными коагулирующими жидкостями (коагулянтами) являются водные растворы, предпочтительно - вода. Коагулянт обычно имеет исходную температуру, менее 20°C, предпочтительно - менее 10°C.
Существует верхний предел скорости впрыскиваемого потока (жидкости). Когда скорость в инжекторе достигает скорости формования, натяжение перед отклоняющим валом становится таким малым, что нити больше не отклоняются, а идут прямо вниз. С помощью отклоняющего вала нити отклоняют от вертикального направления к горизонтальному направлению, или наоборот. В предпочтительном варианте осуществления способа согласно изобретению впрыскиваемая коагулирующая жидкость движется вниз вместе с основой нитей через прядильную трубку со скоростью, составляющей от около 80% до 95% от скорости нитей.
В другом предпочтительном варианте осуществления способа согласно изобретению отдельные нити обладают линейной плотностью от 0,4 дтекс до 10 дтекс. Количество нитей, формуемых при осуществлении способа, находится в диапазоне от 50 до 5000 нитей, более предпочтительно - от 500 до 2500 нитей.
Скорость нитей, движимых вниз через прядильную трубку, предпочтительно находится в диапазоне от 300 м/мин до 2000 м/мин, более предпочтительно - от 300 м/мин до 1000 м/мин.
Способ согласно изобретению особенно благоприятен, если впрыскиваемую жидкость и/или моющую жидкость частично или полностью повторно используют путем сбора и подачи ее к вводимому коагулятору. Увеличение высоты канала инжектора в сравнении со схемой симметричного расположения инжекторов ведет к снижению риска закупоривания.
Следует отметить, что способ согласно настоящему изобретению не ограничен использованием одной фильеры, но также охватывает возможность использования множества фильер, работающих параллельно, например, установленных в коллекторе для формования.
Цель настоящего изобретения достигают также посредством использования способа изготовления множества высокопрочных, высокомодульных нитей из ароматического полиамида, включающего стадии:
- экструдирование кислотного раствора, содержащего, по меньшей мере, 15 масс.% ароматического полиамида, через фильеру с отверстиями, расположенными в 1-10 кольцевых рядов, таким образом обеспечивая пучок нитей;
- пропускание пучка нитей через слой текучей среды, не вызывающей коагуляцию, в коагуляционную ванну; а затем
- пропускание пучка нитей через прядильную трубку, где прядильная трубка имеет кольцевое поперечное сечение с внутренней стенкой прядильной трубки, имеющей внутренний диаметр, и наружной стенкой прядильной трубки, имеющей наружный диаметр;
- впрыскивание дополнительной коагулирующей жидкости с постоянной скоростью около нитей вниз под углом от 15° до 75° относительно нитей;
- движение подаваемой коагуляционной жидкости вниз вместе с основой нитей через прядильную трубку со скоростью, составляющей приблизительно 50-100% от скорости нитей;
где коагулирующую жидкость впрыскивают через канал инжектора, где канал инжектора расположен либо по окружности наружной стенки прядильной трубки, либо по окружности внутренней стенки прядильной трубки.
Поток коагулирующей жидкости при такой схеме расположения подают с высокой скоростью относительно нитей только с одной стороны нитей, и его можно, таким образом, также рассматривать как асимметричную форму ввода. Впрыскивание осуществляют по любому направлению внутреннего диаметра прядильной трубки или наружного диаметра прядильной трубки. На нити, таким образом, воздействуют подаваемым высокоскоростным потоком либо с внутренней стенки прядильной трубки, либо с наружной стенки прядильной трубки. Однако формы инжектора достаточно для окутывания отдельных нитей коагулянтом и для предотвращения прилипания нитей к стенке прядильной трубки, а также к другим нитям.
В предпочтительном варианте осуществления данного способа внутренний диаметр прядильной трубки составляет, по меньшей мере, 4 мм, более предпочтительно, по меньшей мере, 6 мм, а наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 12 мм.
Количество нитей, формуемых раскрытым выше способом, составляет, по меньшей мере, 250, предпочтительно, по меньшей мере, 500.
Настоящее изобретение пояснено более подробно в следующих примерах, не ограничивающих объем изобретения.
Вытягивание нити (прядение) осуществляли посредством экструдирования кислотного раствора ароматического полиамида через фильеру, состоявшую из 125 капилляров, расположенных в 3 ряда с треугольным шагом в 1 мм. Скорость вытягивания составляла 500 м/мин. Скорость коагулянта в прядильной трубке ниже инжектора составляла 80% от скорости вытягивания. Угол наклона инжектора составлял 30°.
«Удлинение при разрыве» (УР) и «прочность на разрыв» (ПР) полученной в результате нити измеряли согласно стандарту ASTM D885-98 (ASTM - Американское общество по испытанию материалов).
Свойства нити, полученной в результате использования впрыскиваемого коагулятора, представлены в сравнении со свойствами нити, полученной на том же оборудовании при использовании того же кислотного раствора ароматического полиамида, но без применения введения дополнительного коагулянта впрыскиванием, подаваемого к нитям.
Пример I
В Примере I осуществляли использование асимметричной схемы расположения инжектора при высоте инжектора, составлявшей 0,5 мм, и ширине прядильной трубки, составлявшей 1 мм. В Таблице 1 представлены свойства полученной в результате нити при использовании и без использования потока.
| Таблица 1 | ||
| Удлинение при разрыве (УР) | Прочность на разрыв (ПР) | |
| % | мН/текс | |
| Асимметрично впрыскиваемый коагулятор | 3,11 | 2292 |
| Сравнительный пример без использования впрыскиваемого коагулятора | 3,31 | 2067 |
| Изменения свойств, достигаемые в результате использования впрыскиваемого коагулятора | -0,20 | +224 |
Пример II
В Примере II осуществляли процесс, используя симметричную схему расположения инжекторов используя два инжектора, расположенных друг против друга. Ширина прядильной трубки была такой же, как и в Примере 1, т.е. 1 мм. Так как поддерживали такую же скорость впрыскивания коагулянта, как и в Примере 1, пропуская его через два инжектора, высоту инжектора уменьшили до 0,25 мм для получения той же скорости коагулянта в прядильной трубке. В Таблице 2 представлены свойства полученной в результате нити при использовании и без использования впрыскивания.
| Таблица 2 | ||
| Удлинение при разрыве (УР) | Прочность на разрыв (ПР) | |
| % | мН/текс | |
| Симметричное введение коагулятора | 3,42 | 2230 |
| Сравнительный пример без использования введения коагулянта | 3,37 | 2069 |
| Изменения свойств, достигаемые в результате использования введения коагулянта | +0,05 | +161 |
Пример III
В Примере III осуществляли процесс, используя симметричную схему расположения инжекторов с использованием двух инжекторов, расположенных друг против друга. В данном примере высоту инжектора сохранили такой же, как в Примере I, т.е. 0,5 мм. Через каждый инжектор коагулянт пропускали с таким же расходом, как в Примере I. Расход потока в прядильной трубке был, таким образом, удвоен в сравнении с Примером I. Для достижения такой же скорости жидкого коагулянта в прядильной трубке, ширину прядильной трубки удвоили (увеличили до 2 мм). В Таблице 3 представлены свойства полученной в результате нити при использовании и без использования впрыскивания коагулянта.
| Таблица 3 | ||
| Удлинение при разрыве (УР) | Прочность на разрыв (ПР) | |
| % | мН/текс | |
| Симметричный ввод коагулятора | 3,25 | 2355 |
| Сравнительный пример без использования ввода коагулянта | 3,44 | 2134 |
| Изменения свойств, достигаемые в результате использования ввода коагулянта | -0,19 | +221 |
Применение асимметричной схемы расположения инжектора обеспечивает возможность получения нитей со сравнимыми или даже лучшими свойствами нитей, чем при применении симметричной схемы расположения инжекторов. Хотя в Примере 3 были достигнуты в основном те же изменения свойств нитей, которые были достигнуты в сравнительном Примере 1, при симметричной схеме расположения инжекторов расход потока жидкого коагулянта должен быть в два раза больше в сравнении с расходом при применении асимметричной схемы расположения инжектора.
1. Способ изготовления множества высокопрочных, высокомодульных нитей из ароматического полиамида, включающий стадии:
- экструдирование кислотного раствора, содержащего, по меньшей мере, 15 мас.% ароматического полиамида, через линейно расположенные отверстия в фильере, таким образом, создавая основу нитей;
- пропускание основы нитей через слой текучей среды, не вызывающей коагуляцию, в коагуляционную ванну; а затем
- пропускание основы через прядильную трубку, где прядильная трубка имеет продолговатое поперечное сечение и содержит, по меньшей мере, две противоположные стороны, параллельные основе нити, а длина этих сторон, по меньшей мере, равна ширине основы нити;
- впрыскивание дополнительной коагулирующей жидкости с постоянной скоростью около нитей вниз под углом от 15° до 75° относительно нитей;
- движение впрыскиваемой коагулирующей жидкости вниз вместе с основой нитей через прядильную трубку со скоростью, составляющей приблизительно 50-100% от скорости нитей;
где коагулирующую жидкость впрыскивают через канал инжектора с любой одной стороны прядильной трубки, параллельной основе нитей, где канал инжектора имеет, по меньшей мере, ту же ширину, что и основа нитей.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что впрыскиваемая коагулирующая жидкость движется вниз вместе с основой нитей через прядильную трубку со скоростью, составляющей от около 80% до 95% от скорости нитей.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что нити обладают линейной плотностью, составляющей от 0,5 дтекс до 10 дтекс.
4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что скорость нитей находится в диапазоне от 300 м/мин до 2000 м/мин.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что коагулирующую жидкость частично или полностью повторно используют путем сбора и подачи ее в инжектор.
6. Способ изготовления множества высокопрочных, высокомодульных нитей из ароматического полиамида, включающий стадии:
- экструдирование кислотного раствора, содержащего, по меньшей мере, 15 мас.% ароматического полиамида, через фильеру с отверстиями, расположенными в 1-10 концентричных, кольцевых рядов, таким образом обеспечивая пучок нитей;
- пропускание пучка нитей через слой текучей среды, не вызывающей коагуляцию, в коагуляционную ванну; а затем
- пропускание пучка нитей через прядильную трубку, где прядильная трубка имеет кольцевое поперечное сечение с внутренней стенкой прядильной трубки, имеющей внутренний диаметр, и наружной стенкой прядильной трубки, имеющей наружный диаметр;
- впрыскивание дополнительной коагулирующей жидкости с постоянной скоростью около нитей вниз под углом от 15° до 75° относительно нитей;
- движение подаваемой коагулирующей жидкости вниз вместе с основой нитей через прядильную трубку со скоростью, составляющей приблизительно 50-100% от скорости нитей;
где коагулирующую жидкость впрыскивают через канал инжектора, где канал инжектора расположен либо по окружности наружной стенки прядильной трубки, либо по окружности внутренней стенки прядильной трубки.
