原液質量的影響分析與控制

李險峰

摘 要：腈綸聚合是采用美國氰胺公司二步法水相懸浮聚合工藝，整個工藝流程均由計算機控制，生產原料以丙烯腈（AN）為第一單體，以醋酸乙烯酯（VA）為第二單體，氧化還原體系為引發劑，巰基乙醇（β-ME）為鏈轉移劑，上述物料經聚合、終止、脫單、水洗、混合、脫水、漿化、溶解、過濾、脫泡等工序制成合格供紡原液，供紡絲生產。在每個生產工序過程中都存在著質量的控制。原液質量的控制關鍵是指溶解、脫泡?？刂频暮脡闹苯踊蜷g接地影響著腈綸纖維優級品指標。據此對原液溶解、脫泡工序原液質量的影響因素進行分析，并制定控制措施。

關鍵詞：水相懸浮聚合；丙烯腈；溶解；脫泡

1 裝置流程簡述

首先將AN和VA被配制成混合單體，將NaClO3和CuSO4·5H2O配制成氧化劑，將NaHSO3配制成還原劑，然后將包括分子量調節劑βME，WDE“A”五股物料按一定比例加入到聚合釜中，在pH=2.4±0.3，釜溫60±0.5℃的條件下發生聚合反應，生成聚丙烯腈聚合物。

從聚合釜溢流出來的聚合物，在聚合釜溢流口處加2%NaOH終止反應后，進入脫單塔中脫除其未反應的單體，回收使用，脫去單體的物料在水洗機上洗去未脫凈的殘余單體和可溶性雜質及低聚物，然后進入混合罐。

經混合罐混合后，在脫水機中脫去部分水，變成含固量45%的濾餅，進入漿化罐中和56%的冷NaSCN按一定比例混合，對聚合物進行溶脹處理。

溶脹后聚合物和熱NaSCN按一定比例進行溶解，形成均一溶液，經粗原液混合、第一次過濾，進入脫泡塔，在負壓下脫除氣泡，然后進入供紡原液貯罐，再經第二次過濾后（消光時加TiO2），制備成質量合格的原液，供給紡絲車間進行紡絲。

2 裝置工藝原理

水相沉淀聚合是指用水作為介質，單體在水中具有一定的溶解度，當水溶性引發劑引發聚合時，聚合產物不溶于水而不斷地從水相中沉淀出來。水相沉淀聚合采用水溶性氧化——還原體系。引發劑分子活化能低，聚合可在低溫度下進行，所得產物色澤較白。聚合反應的反應熱容易控制，從水相聚合得到的產品分子量分布較窄。聚合速度較快，粒子大小比較均一；聚合轉化率較高；聚合體含水量較低；漿狀液易于處理。對于紡絲溶解NaSCN濃水溶液純度要求不高，聚合所得的固體粒子，便于運輸到其它化纖廠。選用適當的氧化——還原引發系統，可使丙烯腈大分子帶上磺酸基，因此第三單體用量可減少。

對于腈綸生產來說，需要增加聚合體溶解工序，因而在工藝上首先通過聚合得到固體聚合物，再溶解制成原液，脫泡后進行紡絲。

3 原液質量影響因素分析

3.1 高聚物溶解對原液質量影響

高聚物的溶解同低分子溶解不同，低分子物質溶解時，將溶質加入溶劑中攪拌即可完全溶解，但高分子物質由于分子量大，分子間作用力也大，溶劑分子不易滲透到大分子間，不能完全消除大分子間的作用力，因此高聚物如果也像低分子物質那樣溶解就會產生沒有溶解的膠塊現象，把粉沫狀的聚丙烯腈摻進溶解溶劑NaSCN中，一些細小粒子會集成團，集團外面包上一層粘度很高溶解的聚丙烯腈，這種粘度高的溶液對溶劑進一步向里擴散起到阻礙作用，使NaSCN分子不能滲透到集團的內部，集團中間產生“白芯”，這樣外部粘度很大，而中間有“白芯”的集團，我們稱之為膠塊，大膠塊在管道的流動中會堵塞管道，小的膠塊會堵塞噴絲孔，因此膠塊的產生是我們所不希望的，為了防止膠塊的產生，高聚物溶解為二步：第一步，高聚物的溶脹即漿化；第二步，高聚物的溶液。

3.1.1 高聚物的溶脹。漿化罐的NaSCN加入由自控室控制，所謂的漿化就是溶劑分子擠進大分子鏈之間，但還不能把大分子鏈完全“拆開”只能達到使分子鏈局部“拆開”，表現在宏觀上就是高聚物吸收溶劑膨脹起來，即增加了重量也增加了體積，為防止漿化時出現膠塊，向聚合物中加入冷的NaSCN，因為溫度是表示分子運動的強度，溫度越高運動能量越大，即溶劑分子擠進大分子間的能力也越大，因此加NaSCN的溫度比較低（一般情況下在60℃左右），即NaSCN分子的動能低，只能部分進入大分子間起到溶脹作用。漿化后溶劑的濃度也影響漿化的效果，溶劑濃度越高進入大分子間的溶劑量也超高，發生溶劑的概率越大，因此溶劑的濃度不能太高，否則將在漿化階段發生溶解，為了維持NaSCN濃度的恒定，NaSCN進料理與高聚物進料（脫水機漿液進料）成比例控制。

3.1.2 聚丙烯腈高聚物溶解。漿化后的聚丙烯腈，分子間作用力已顯著減少，這時的聚丙烯腈只是體積增大，重量增加，但還沒有溶解，還需要NaSCN分子繼續滲透到聚丙烯腈中，完全拆開大分子間的作用力，為了使NaSCN分子具有足夠的能量滲透到大分子中，將NaSCN加熱到116℃左右，與聚合漿液在勻漿機中混合（溶解A＼B線各配有兩臺勻漿機，以提高溶解效果），混合后的溶解溫度控制在78℃。在溶解罐中用攪拌器攪拌均勻，NaSCN分子的需要時間，為了保證溶解時的停留時間，原液從溶解罐A＼C罐是頂部出料，溶解時停留時間為6.8小時。

3.2 脫泡對原液質量影響

聚合物的水洗，脫水是暴露在空氣中操作的，將有部分氣體混入聚合物中，另一方面在原液輸送過程中，由于機械攪拌的作用或泵的泄漏也會使原液混進空氣，原液的粘度很高，在常壓靜止狀態下，這些氣泡不易脫除，因噴絲孔的孔徑只有0.075～1毫米，直徑為0.03～0.04毫米的氣泡在原液中大量的存在，紡絲就不能正常進行，氣泡直徑大于噴絲孔直徑會造成單纖維斷裂，而形成毛絲，給紡絲帶來困難，氣泡直徑小于噴絲孔直徑，氣泡殘留在纖維內造成汽包絲，使給纖維產生空洞，在纖維的拉伸過程中，空洞纖維易斷裂，造成廢絲增加，因此為了減少毛絲和廢絲，在高真空條件下，必須將原液中的氣體脫除。

原液由輸送泵進入中空式脫泡塔，經過溢流堰，依靠重力作用沿塔壁緩慢流下，在真空脫泡的同時也有少量水分脫除，使原液聚丙烯腈濃度增加，水分脫除量的變化，使原液組分也變化，水在汽化時需要吸收熱量，使原液溫度下降，汽化的水量越多，水吸收的熱量越多，溫度下降就越大，這個溫度降即溫差表示了汽化水量的多少，在操作時，當溫差大了，減少真空度，使水的沸點增加汽化量減少，反之增加真空度，汽化量增加，從而使水汽化一定，原液的組分也就恒定了。

4 操作控制

4.1 聚丙烯腈高聚物漿液脫水和漿化操作控制

（1）脫水機濾布破損、鋼絲壓繩裂開時，及時聯系更換濾布或修理，避免物料損失和外排污水SS超標。漿化罐中NaSCN濃度增加，產生高聚物微溶。（2）避免脫水機溢流，否則造成漿化罐微溶。（3）避免脫水機底槽下料桶下料不暢通，嚴重時也能造成漿化罐微溶，在處理時還能造成含固量、NaSCN濃度降低。（4）避免攪拌不轉繼續向漿化罐進料，這樣容易造成漿化罐中物料混合不充分，局部漿液NaSCN濃度迅速上升，容易造成微溶，形成生產事故，這種事故形成的時間較短，后果嚴重。（5）發現機封泄漏及時聯系處理，避免物料泄漏造成損失，也要避免機封水向物料泄漏，是聚合物漿液含固量降低，造成生產波動。

4.2 聚丙烯腈溶解時操作控制

（1）NaSCN水溶液的濃度必需大于臨界濃度（25℃時約為35%）。（2）保證溶解溫度。（3）必須保證溢流，保證溶解時間。（4）保證NaSCN流量與漿液流量進料比例匹配。（5）保證勻漿機運行正常。（6）保證溶解罐攪拌運行正常。

4.3 原液脫泡的操作控制

（1）溫度：溫度越高，原液的粘度越小，汽泡脫除的阻力也越小，脫泡效果較好。（2）溫差：溫差是水分汽化量的度量，溫差越大，水分汽化量越大，原液中的聚合物含量增高，粘度越大，不利于紡絲，因此溫差應維持一定。（3）粘度：原液粘度越高，汽泡脫除阻力越大，脫泡效果越差。（4）薄膜厚度：原液在脫泡塔壁上形成薄膜，薄膜的厚度越小，汽泡在脫除過程中經過距離越短，脫泡效果越好。