劉 然

（陽煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司，山西 清徐 030400）

0 引言

通過對(duì)切片相對(duì)黏度、水分含量和二氧化鈦用量等指標(biāo)的分析，探討了影響聚己內(nèi)酰胺切片質(zhì)量的因素。隨著聚丙烯酰胺的分子量的不斷增大，分子間作用力也同步增大，從而提高了聚丙烯酰胺的黏度，提高了其拉伸黏度，從而提高了熔體的可紡性，提高了纖維的整體均勻性[1]。在螺桿擠出機(jī)上，可逆反應(yīng)由正向反應(yīng)向正向進(jìn)行，且隨著含水率升高，紡絲液中的動(dòng)態(tài)平衡反應(yīng)會(huì)不斷加快至縮聚反應(yīng)。二氧化鈦含量增加，促使熔體流動(dòng)性下降，影響聚己內(nèi)酰胺可紡性能和纖維結(jié)構(gòu)均勻性[2]。因此，為驗(yàn)證以上三種因素對(duì)聚己內(nèi)酰胺質(zhì)量的影響，采用試驗(yàn)分析法進(jìn)行驗(yàn)證分析，確認(rèn)不同因素的影響機(jī)理。

1 材料及設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

1）切片相對(duì)黏度因素影響試驗(yàn)中涉及試驗(yàn)切片均來源于廣東美達(dá)錦綸股份公司，相關(guān)切片的含水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）控制在0.02%，二氧化鈦含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）控制在0%，低聚物含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）則需要控制在0.3%。

2）切片含水率因素影響試驗(yàn)中涉及材料包括相對(duì)黏度為2.4，含水量分別為0.02%、0.04%、0.06%，二氧化鈦含量為0.3%，低聚物含量為0.27%的切片。

3）切片二氧化鈦含量因素影響試驗(yàn)中涉及試驗(yàn)切片的相對(duì)黏度、含水率、二氧化鈦含量以及低聚物含量需要分別控制為2.4、0.04%、0.25%、0.3%、0.15%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

主要試驗(yàn)設(shè)備包括紡絲設(shè)備、卷繞設(shè)備、強(qiáng)伸機(jī)等，相關(guān)設(shè)備均采用行業(yè)常用設(shè)備。此外，試驗(yàn)中采用卡爾-費(fèi)休滴定裝置、分析天平、加熱爐、電位滴定裝置、電磁攪拌加熱器、電容式條干均勻度儀、卷縮儀、染色機(jī)、測(cè)色儀、標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)色燈箱、聲速取向測(cè)量儀等設(shè)備。

2 樣品制備

采用擠壓機(jī)和卷繞裝置，在相同的工藝條件下，采用熔體紡絲技術(shù)，獲得了78dtex/24 f 規(guī)格的聚己內(nèi)酰胺試樣。

3 表征分析與工藝條件

1）纖維強(qiáng)伸度及變異系數(shù)測(cè)試：對(duì)已制得的聚丙烯酰胺試樣進(jìn)行拉伸，測(cè)定拉伸和變化系數(shù)。在特定的測(cè)試中，沿著試件的長度均勻地拉伸，直到試樣破裂，或者應(yīng)力載荷、伸長應(yīng)變達(dá)到一個(gè)預(yù)先確定的數(shù)值，確定在這個(gè)過程中，試樣的一致性和試樣的伸長率[3]。

2）纖維聲速取向測(cè)試：采用超聲定向測(cè)量裝置，在25 ℃、濕度為60%的條件下，利用光纖細(xì)度和預(yù)張力的關(guān)系公式F=10D=1g，隨機(jī)選取一條不定向的長絲，用一端固定，另一端施加拉力，測(cè)試其定向系數(shù)因子。

3）切片含水率測(cè)定：首先，精準(zhǔn)成熟3 g 樣品，將樣品置于165 ℃加熱爐，通入150 mL/min 氮?dú)饧訜?0 min，加熱過程中樣品揮發(fā)的水分經(jīng)由氮?dú)鈳氲窖b有無水甲醇的滴定杯中吸收[4]，采用K·F 試劑測(cè)定甲醇的水分含量，再根據(jù)測(cè)定水分含量確認(rèn)切片含水率。

4）纖維取向度測(cè)定：光纖的定向用廣角X 光確定。在此基礎(chǔ)上，利用大角度X 射線衍射儀測(cè)量待測(cè)試樣的衍射圖樣[5]，獲得通常在衍射圖樣赤道線上Debye 圓環(huán)的強(qiáng)度分布曲線（半高-寬參量），從而得到試樣的大分子鏈取向程度和微觀晶粒定向程度。

試驗(yàn)工藝中焊絲溫度為255 ℃、冷卻風(fēng)速為0.45 m/s、GR1 為1 650 m/min、GR2 為4 420 m/min、網(wǎng)絡(luò)氣壓為3.5 bar、定型溫度為150 ℃、卷繞速度為4 300 m/min。

4 結(jié)果與討論

4.1 切片相對(duì)黏度

根據(jù)切片相對(duì)黏度因素影響試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)工藝進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，具體試驗(yàn)周期為一個(gè)月。試驗(yàn)采用每天一次的測(cè)試頻率，對(duì)同一批次的生產(chǎn)線試樣進(jìn)行切片樣本測(cè)定，測(cè)定的指標(biāo)有試樣的斷裂強(qiáng)度、纖維強(qiáng)伸度和樣品變異系數(shù)等。具體試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同切片相對(duì)黏度下聚己內(nèi)酰胺日測(cè)斷裂強(qiáng)度變異系數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著切片相對(duì)黏度的持續(xù)提升，試樣的抗拉強(qiáng)度、拉伸性能均有一定程度的提高，而試樣的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率均有一定程度的降低。在高分子理論研究的基礎(chǔ)上，通過改變分子鏈長度，提高分子間的相互作用力，提高熔融態(tài)的黏度，提高熔融態(tài)的可紡絲能力，從而保證纖維組織的均勻性，從而降低纖維的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率的變化。反之，則樣品纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率持續(xù)下降，斷裂強(qiáng)度變異系數(shù)、斷裂伸長率變異系數(shù)不斷增加。綜合分析后確認(rèn)原材料最佳黏度為2.4～2.8。

鋼制安全殼（C V，Containment Vessel）是核電站反應(yīng)堆第三道安全屏障，也是最后一道安全屏障。我國在建的AP1000三代核電機(jī)組，現(xiàn)場(chǎng)鋼制安全殼的焊接所采用的仍然是傳統(tǒng)的手工焊，焊工勞動(dòng)強(qiáng)度高，焊接效率低；同時(shí)，手工焊接容易受工作環(huán)境、焊工狀態(tài)等諸多因素的影響，焊縫質(zhì)量不夠穩(wěn)定。在西方發(fā)達(dá)國家，自動(dòng)焊工藝已成功應(yīng)用于核電機(jī)組鋼制安全殼的拼裝焊接。因此，為適應(yīng)我國核電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展、縮短安裝周期、提高焊接質(zhì)量，有必要研究核電站鋼制安全殼自動(dòng)焊工藝，并逐步應(yīng)用于工程建設(shè)中。

4.2 切片含水率

切片含水率試驗(yàn)過程與切片相對(duì)黏度試驗(yàn)過程大致相同，差異點(diǎn)僅在于將切片相對(duì)黏度因素影響試驗(yàn)參數(shù)調(diào)整為切片含水率因素影響試驗(yàn)參數(shù)。具體試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同含水率下聚己內(nèi)酰胺日測(cè)斷裂強(qiáng)度變異系數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在樣品切片含水率過高時(shí)，樣品纖維的變異系數(shù)將表現(xiàn)出下降態(tài)勢(shì)?？傮w來說，當(dāng)試樣切片的水分含量較高時(shí)，聚丙烯酰胺紡絲液會(huì)發(fā)生水解，部分分子鏈段斷裂，分子量分布變寬。同時(shí)，紡絲液中所產(chǎn)生的小分子組分不能被高效地排出，并以微泡的形式滯留在纖維中，直接影響了整個(gè)熔體的均勻性，從而降低了纖維的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率的變化。另外，由于聚己內(nèi)酰胺是一種可逆的平衡反應(yīng)，當(dāng)切片的水分含量很小時(shí)，其動(dòng)態(tài)平衡反應(yīng)就會(huì)傾向于縮聚，從而導(dǎo)致部分分子量增加，分子量分布變寬，進(jìn)一步加劇變異系數(shù)下降問題。綜合分析后確認(rèn)原材料切片含水率和包裝儲(chǔ)存切片含水率應(yīng)分別控制在0.03%～0.04%和0.04%。

4.3 切片二氧化鈦含量

切片二氧化鈦含量試驗(yàn)過程同上，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同二氧化鈦含量下聚己內(nèi)酰胺日測(cè)斷裂強(qiáng)度變異系數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著二氧化鈦含量的持續(xù)增加，聚己內(nèi)酰胺纖維斷裂強(qiáng)度變異系數(shù)和斷裂伸長率變異系數(shù)均表現(xiàn)為持續(xù)增大的態(tài)勢(shì)。具體來說，二氧化鈦在聚合物體系中發(fā)揮增塑作用，但同時(shí)也會(huì)增加聚己內(nèi)酰胺熔體的雜質(zhì)含量，促使聚己內(nèi)酰胺熔體黏度增加，可紡性能和均勻性下降。在二氧化鈦含量較少時(shí)，聚己內(nèi)酰胺的結(jié)晶性能和熱穩(wěn)定性能變化較小，但在二氧化鈦含量相對(duì)較高時(shí)，聚己內(nèi)酰胺紡絲拉伸均勻性下降，進(jìn)而導(dǎo)致纖維變異系受到影響。相比較而言，在無二氧化鈦的情況下，纖維的取向程度較高，相應(yīng)的纖維組織也較均勻。

5 結(jié)論

通過試驗(yàn)分析法，以聚己內(nèi)酰胺原材料為研究對(duì)象，分別以黏度、含水率、二氧化鈦含量三種影響因素進(jìn)行試驗(yàn)分析，進(jìn)而獲取以下試驗(yàn)結(jié)果。

1）隨著切片相對(duì)黏度的持續(xù)提升，樣品斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率也隨之增長，但樣品斷裂強(qiáng)度變異系數(shù)和斷裂伸長率變異系數(shù)則隨之下降。綜合分析后確認(rèn)原材料最佳黏度為2.4～2.8。

2）在樣品切片含水率過高時(shí)，樣品纖維的變異系數(shù)將表現(xiàn)出下降態(tài)勢(shì)。綜合分析后確認(rèn)原材料切片含水率和包裝儲(chǔ)存切片含水率應(yīng)分別控制在0.03%～0.04%和0.04%。

3）隨著二氧化鈦含量的持續(xù)增加，聚己內(nèi)酰胺纖維斷裂強(qiáng)度變異系數(shù)和斷裂伸長率變異系數(shù)均表現(xiàn)為持續(xù)增大的態(tài)勢(shì)。綜合分析后確認(rèn)最佳條件下原材料中應(yīng)不含有二氧化鈦。