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北化王建教授課題組:超大長徑比雙螺桿擠出機在聚丙烯腈纖維干噴濕法紡絲中的應用
2023-06-21  來源:高分子科技


  超大長徑比(>100)可提高雙螺桿擠出機的剪切、分散、混合和輸送能力,特別在高分子鏈解纏方面具有優(yōu)勢。使用150大長徑比雙螺桿擠出機實現(xiàn)了更高強度和更少缺陷PAN初生纖維的連續(xù)生產,為后續(xù)碳纖維制備提供了保障。


  雙螺桿擠出機(TSE)被廣泛用于提供添加劑、填料和液體等不同成分的均勻混合,是食品、纖維素漿、高分子化合物、化合物和含能材料連續(xù)生產線的核心。擠壓是一個連續(xù)的過程,包括在螺桿/機筒系統(tǒng)內成型或轉化材料,所涉及的機制包括傳動傳熱傳質的過程。長徑比(L/D)是關系到產品質量和擠壓過程中材料流變性能的一個非常重要的因素。增加L/D比可以容易地延長停留時間,從而提高產量、混合能力、模具壓力、熔融能力等,但也容易引起降解,影響塑料的塑化和擠出質量。應根據(jù)加工材料的物理性能和產品的質量要求,充分利用增加的L/D比的優(yōu)勢。通過對Coperion、Leistritz、Krauss-Maffei等世界頂級擠出機供應商的調查發(fā)現(xiàn),商用雙螺桿擠出機的L/D比大多為21?48。對于熱敏材料、顆粒材料和沒有高質量要求的產品(如廢物回收和造粒)的加工,建議選擇較小的L/D比。從3948的大L/D比更適合于需要更高溫度、壓力和產品質量的材料。L/D比的增加通常是有限的,因為螺桿軸將承受更大的扭矩。由于懸臂梁的結構通常應用于擠出機中,增加L/D比容易導致掃頻、異響、抖動、磨損等。L/D比超過100的可定義為超大長徑比超高長徑比。超大L/D比對于許多領域是必要的,例如聚合物復合材料/納米復合材料的復合、紡絲和反應擠出。由于缺乏具有超大L/D比的雙螺桿擠出機,人們在這些領域必須采用多個擠出循環(huán)。


  聚丙烯腈(PAN)熔點高,熱處理后產碳率高,斷裂強度高,被認為是碳纖維的首選前驅體材料。近90%的商用碳纖維都是由PAN初生纖維制成的。生產高性能碳纖維需要高質量的PAN初生纖維。然而,纖維紡絲是一個復雜且耗時的過程。從聚合物溶液中生產PAN纖維的兩種主要成熟技術是濕法紡絲和干噴濕紡法紡絲。與濕法紡絲工藝相比,干噴濕紡法紡絲過程中噴絲板與凝固浴之間的氣隙改善了分子鏈排列,使纖維獲得了更好的力學性能。此外,干噴濕紡法比濕紡法快得多,這可以降低成本。但在干噴濕紡法紡絲過程中,初生纖維會產生大量的缺陷,如雜質、微孔、表面缺陷和定向結構。初生纖維質量是決定碳纖維性能的主要因素,減少初生纖維中缺陷的尺寸和數(shù)量可以提高最終得到的碳纖維的拉伸性能。


  本文研究了將超大L/D比雙螺桿擠出機應用于PAN初生纖維干噴濕紡法紡絲工藝的可行性。通過特殊設計的支撐元件,開發(fā)出了具有超大L/D比(高達150)的創(chuàng)新型雙螺桿擠出機。它能使PAN粉末和二甲基亞砜(DMSO)溶劑均勻混合,改善分子鏈纏結,減少空隙形成。通過正交試驗,分析了紡絲液濃度、機筒溫度和螺桿轉速對聚丙烯腈初生纖維性能的影響。特別建立了6496150三個L/D比來闡明L/D比的影響。使用超大L/D比雙螺桿擠出機制備的PAN新生纖維具有致密光滑的表面和較少的微孔缺陷,展示了超高L/D比雙螺桿擠出機技術在制造高品質PAN基碳纖維方面的創(chuàng)新性和潛在的工業(yè)應用前景。 



  與常規(guī)干噴濕紡工藝中所用的間歇式混煉機相比,超大L/D比雙螺桿擠出機在混料和生產效率方面具有顯著優(yōu)勢。1可以直接將PAN粉末和溶劑添加到擠出機中,避免了在使用間歇式混煉機時需要的24小時脫氣過程,實現(xiàn)了PAN初生纖維的連續(xù)生產,生產效率可得到極大提升;2PAN/DMSO紡絲液濃度提高到30wt%(目前最高),節(jié)省了環(huán)境污染溶劑的使用量,節(jié)省了成本;3超大的L/D比使紡絲液濃度、機筒溫度和螺桿轉速的調整范圍更廣,從而能更好地控制紡絲溶液粘度;4超大L/D比增加了物料的停留時間,使物料的混合更加均勻,并且分子鏈能夠更多地解纏結,從而改善了PAN初生纖維的微觀結構和力學性能;L/D比從64增加到150時,初生纖維的拉伸強度和模量分別提高了42.1%67.2%,纖維的結晶度提高了45.5%;5150L/D比的雙螺桿擠出機制備的PAN初生纖維表現(xiàn)出更高的形態(tài)質量和更少的缺陷善的密集堆疊的橫向折疊鏈晶體層的微觀結構有助于提高拉伸強度和模量。以上結果突出了超大L/D比雙螺桿技術在生產高性能PAN初生纖維方面的潛力。為進一步提高后續(xù)碳纖維的性能提供了保障。 



  以上研究成果以Application of a Twin-Screw Extruder with an Ultra-High Length-to-Diameter Ratio in the Dry-Jet Wet Spinning Process of Polyacrylonitrile Nascent Fibers為題在材料領域權威期刊Industrial and Engineering Chemistry ResearchInd. Eng. Chem. Res. 2023, 62, 21)上發(fā)表,且被選為“補充封面論文”。該論文第一作者和通訊作者為北京化工大學王建教授。


  論文鏈接 https://doi.org/10.1021/acs.iecr.3c00509

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