影响聚己内酰胺切片质量的主要因素

刘 然

（阳煤集团太原化工新材料有限公司，山西 清徐 030400）

0 引言

通过对切片相对黏度、水分含量和二氧化钛用量等指标的分析，探讨了影响聚己内酰胺切片质量的因素。随着聚丙烯酰胺的分子量的不断增大，分子间作用力也同步增大，从而提高了聚丙烯酰胺的黏度，提高了其拉伸黏度，从而提高了熔体的可纺性，提高了纤维的整体均匀性[1]。在螺杆挤出机上，可逆反应由正向反应向正向进行，且随著含水率升高，纺丝液中的动态平衡反应会不断加快至缩聚反应。二氧化钛含量增加，促使熔体流动性下降，影响聚己内酰胺可纺性能和纤维结构均匀性[2]。因此，为验证以上三种因素对聚己内酰胺质量的影响，采用试验分析法进行验证分析，确认不同因素的影响机理。

1 材料及设备

1.1 试验材料

1）切片相对黏度因素影响试验中涉及试验切片均来源于广东美达锦纶股份公司，相关切片的含水率（质量分数，下同）控制在0.02%，二氧化钛含量（质量分数，下同）控制在0%，低聚物含量（质量分数，下同）则需要控制在0.3%。

2）切片含水率因素影响试验中涉及材料包括相对黏度为2.4，含水量分别为0.02%、0.04%、0.06%，二氧化钛含量为0.3%，低聚物含量为0.27%的切片。

3）切片二氧化钛含量因素影响试验中涉及试验切片的相对黏度、含水率、二氧化钛含量以及低聚物含量需要分别控制为2.4、0.04%、0.25%、0.3%、0.15%。

1.2 试验设备

主要试验设备包括纺丝设备、卷绕设备、强伸机等，相关设备均采用行业常用设备。此外，试验中采用卡尔-费休滴定装置、分析天平、加热炉、电位滴定装置、电磁搅拌加热器、电容式条干均匀度仪、卷缩仪、染色机、测色仪、标准光源对色灯箱、声速取向测量仪等设备。

2 样品制备

采用挤压机和卷绕装置，在相同的工艺条件下，采用熔体纺丝技术，获得了78dtex/24 f 规格的聚己内酰胺试样。

3 表征分析与工艺条件

1）纤维强伸度及变异系数测试：对已制得的聚丙烯酰胺试样进行拉伸，测定拉伸和变化系数。在特定的测试中，沿着试件的长度均匀地拉伸，直到试样破裂，或者应力载荷、伸长应变达到一个预先确定的数值，确定在这个过程中，试样的一致性和试样的伸长率[3]。

2）纤维声速取向测试：采用超声定向测量装置，在25 ℃、湿度为60%的条件下，利用光纤细度和预张力的关系公式F=10D=1g，随机选取一条不定向的长丝，用一端固定，另一端施加拉力，测试其定向系数因子。

3）切片含水率测定：首先，精准成熟3 g 样品，将样品置于165 ℃加热炉，通入150 mL/min 氮气加热20 min，加热过程中样品挥发的水分经由氮气带入到装有无水甲醇的滴定杯中吸收[4]，采用K·F 试剂测定甲醇的水分含量，再根据测定水分含量确认切片含水率。

4）纤维取向度测定：光纤的定向用广角X 光确定。在此基础上，利用大角度X 射线衍射仪测量待测试样的衍射图样[5]，获得通常在衍射图样赤道线上Debye 圆环的强度分布曲线（半高-宽参量），从而得到试样的大分子链取向程度和微观晶粒定向程度。

试验工艺中焊丝温度为255 ℃、冷却风速为0.45 m/s、GR1 为1 650 m/min、GR2 为4 420 m/min、网络气压为3.5 bar、定型温度为150 ℃、卷绕速度为4 300 m/min。

4 结果与讨论

4.1 切片相对黏度

根据切片相对黏度因素影响试验参数及试验工艺进行试验测试，具体试验周期为一个月。试验采用每天一次的测试频率，对同一批次的生产线试样进行切片样本测定，测定的指标有试样的断裂强度、纤维强伸度和样品变异系数等。具体试验测试结果如图1所示。

图1 不同切片相对黏度下聚己内酰胺日测断裂强度变异系数

根据试验结果可知，随着切片相对黏度的持续提升，试样的抗拉强度、拉伸性能均有一定程度的提高，而试样的断裂强度、断裂伸长率均有一定程度的降低。在高分子理论研究的基础上，通过改变分子链长度，提高分子间的相互作用力，提高熔融态的黏度，提高熔融态的可纺丝能力，从而保证纤维组织的均匀性，从而降低纤维的断裂强度、断裂伸长率的变化。反之，则样品纤维断裂强度和断裂伸长率持续下降，断裂强度变异系数、断裂伸长率变异系数不断增加。综合分析后确认原材料最佳黏度为2.4～2.8。

钢制安全壳（C V，Containment Vessel）是核电站反应堆第三道安全屏障，也是最后一道安全屏障。我国在建的AP1000三代核电机组，现场钢制安全壳的焊接所采用的仍然是传统的手工焊，焊工劳动强度高，焊接效率低；同时，手工焊接容易受工作环境、焊工状态等诸多因素的影响，焊缝质量不够稳定。在西方发达国家，自动焊工艺已成功应用于核电机组钢制安全壳的拼装焊接。因此，为适应我国核电产业快速发展、缩短安装周期、提高焊接质量，有必要研究核电站钢制安全壳自动焊工艺，并逐步应用于工程建设中。

4.2 切片含水率

切片含水率试验过程与切片相对黏度试验过程大致相同，差异点仅在于将切片相对黏度因素影响试验参数调整为切片含水率因素影响试验参数。具体试验结果如图2 所示。

图2 不同含水率下聚己内酰胺日测断裂强度变异系数

根据试验结果可知，在样品切片含水率过高时，样品纤维的变异系数将表现出下降态势。总体来说，当试样切片的水分含量较高时，聚丙烯酰胺纺丝液会发生水解，部分分子链段断裂，分子量分布变宽。同时，纺丝液中所产生的小分子组分不能被高效地排出，并以微泡的形式滞留在纤维中，直接影响了整个熔体的均匀性，从而降低了纤维的断裂强度、断裂伸长率的变化。另外，由于聚己内酰胺是一种可逆的平衡反应，当切片的水分含量很小时，其动态平衡反应就会倾向于缩聚，从而导致部分分子量增加，分子量分布变宽，进一步加剧变异系数下降问题。综合分析后确认原材料切片含水率和包装储存切片含水率应分别控制在0.03%～0.04%和0.04%。

4.3 切片二氧化钛含量

切片二氧化钛含量试验过程同上，具体试验结果如图3 所示。

图3 不同二氧化钛含量下聚己内酰胺日测断裂强度变异系数

根据试验结果可知，随着二氧化钛含量的持续增加，聚己内酰胺纤维断裂强度变异系数和断裂伸长率变异系数均表现为持续增大的态势。具体来说，二氧化钛在聚合物体系中发挥增塑作用，但同时也会增加聚己内酰胺熔体的杂质含量，促使聚己内酰胺熔体黏度增加，可纺性能和均匀性下降。在二氧化钛含量较少时，聚己内酰胺的结晶性能和热稳定性能变化较小，但在二氧化钛含量相对较高时，聚己内酰胺纺丝拉伸均匀性下降，进而导致纤维变异系受到影响。相比较而言，在无二氧化钛的情况下，纤维的取向程度较高，相应的纤维组织也较均匀。

5 结论

通过试验分析法，以聚己内酰胺原材料为研究对象，分别以黏度、含水率、二氧化钛含量三种影响因素进行试验分析，进而获取以下试验结果。

1）随着切片相对黏度的持续提升，样品断裂强度和断裂伸长率也随之增长，但样品断裂强度变异系数和断裂伸长率变异系数则随之下降。综合分析后确认原材料最佳黏度为2.4～2.8。

2）在样品切片含水率过高时，样品纤维的变异系数将表现出下降态势。综合分析后确认原材料切片含水率和包装储存切片含水率应分别控制在0.03%～0.04%和0.04%。

3）随着二氧化钛含量的持续增加，聚己内酰胺纤维断裂强度变异系数和断裂伸长率变异系数均表现为持续增大的态势。综合分析后确认最佳条件下原材料中应不含有二氧化钛。