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北化王建教授课题组:超大长径比双螺杆挤出机在聚丙烯腈纤维干喷湿法纺丝中的应用
2023-06-21  来源:高分子科技


  超大长径比(>100)可提高双螺杆挤出机的剪切、分散、混合和输送能力,特别在高分子链解缠方面具有优势。使用150大长径比双螺杆挤出机实现了更高强度和更少缺陷PAN初生纤维的连续生产,为后续碳纤维制备提供了保障。


  双螺杆挤出机(TSE)被广泛用于提供添加剂、填料和液体等不同成分的均匀混合,是食品、纤维素浆、高分子化合物、化合物和含能材料连续生产线的核心。挤压是一个连续的过程,包括在螺杆/机筒系统内成型或转化材料,所涉及的机制包括传动传热传质的过程。长径比(L/D)是关系到产品质量和挤压过程中材料流变性能的一个非常重要的因素。增加L/D比可以容易地延长停留时间,从而提高产量、混合能力、模具压力、熔融能力等,但也容易引起降解,影响塑料的塑化和挤出质量。应根据加工材料的物理性能和产品的质量要求,充分利用增加的L/D比的优势。通过对CoperionLeistritzKrauss-Maffei等世界顶级挤出机供应商的调查发现,商用双螺杆挤出机的L/D比大多为21?48。对于热敏材料、颗粒材料和没有高质量要求的产品(如废物回收和造粒)的加工,建议选择较小的L/D比。从3948的大L/D比更适合于需要更高温度、压力和产品质量的材料。L/D比的增加通常是有限的,因为螺杆轴将承受更大的扭矩。由于悬臂梁的结构通常应用于挤出机中,增加L/D比容易导致扫频、异响、抖动、磨损等。L/D比超过100的可定义为超大长径比超高长径比超大L/D比对于许多领域是必要的,例如聚合物复合材料/纳米复合材料的复合、纺丝和反应挤出。由于缺乏具有超大L/D比的双螺杆挤出机,人们在这些领域必须采用多个挤出循环。


  聚丙烯腈(PAN)熔点高,热处理后产碳率高,断裂强度高,被认为是碳纤维的首选前驱体材料。近90%的商用碳纤维都是由PAN初生纤维制成的。生产高性能碳纤维需要高质量的PAN初生纤维。然而,纤维纺丝是一个复杂且耗时的过程。从聚合物溶液中生产PAN纤维的两种主要成熟技术是湿法纺丝和干喷湿纺法纺丝。与湿法纺丝工艺相比,干喷湿纺法纺丝过程中喷丝板与凝固浴之间的气隙改善了分子链排列,使纤维获得了更好的力学性能。此外,干喷湿纺法比湿纺法快得多,这可以降低成本。但在干喷湿纺法纺丝过程中,初生纤维会产生大量的缺陷,如杂质、微孔、表面缺陷和定向结构。初生纤维质量是决定碳纤维性能的主要因素,减少初生纤维中缺陷的尺寸和数量可以提高最终得到的碳纤维的拉伸性能。


  本文研究了将超大L/D比双螺杆挤出机应用于PAN初生纤维干喷湿纺法纺丝工艺的可行性。通过特殊设计的支撑元件,开发出了具有超大L/D比(高达150)的创新型双螺杆挤出机。它能使PAN粉末和二甲基亚砜(DMSO)溶剂均匀混合,改善分子链缠结,减少空隙形成。通过正交试验,分析了纺丝液浓度、机筒温度和螺杆转速对聚丙烯腈初生纤维性能的影响。特别建立了6496150三个L/D比来阐明L/D比的影响。使用超大L/D比双螺杆挤出机制备的PAN新生纤维具有致密光滑的表面和较少的微孔缺陷,展示了超高L/D比双螺杆挤出机技术在制造高品质PAN基碳纤维方面的创新性和潜在的工业应用前景。 



  与常规干喷湿纺工艺中所用的间歇式混炼机相比,超大L/D比双螺杆挤出机在混料和生产效率方面具有显著优势。1可以直接将PAN粉末和溶剂添加到挤出机中,避免了在使用间歇式混炼机时需要的24小时脱气过程实现了PAN初生纤维的连续生产,生产效率可得到极大提升;2PAN/DMSO纺丝液浓度提高到30wt%(目前最高),节省了环境污染溶剂的使用量,节省了成本;3超大的L/D比使纺丝液浓度、机筒温度和螺杆转速的调整范围更广,从而能更好地控制纺丝溶液粘度4超大L/D比增加了物料的停留时间,使物料的混合更加均匀,并且分子链能够更多地解缠结,从而改善了PAN初生纤维的微观结构和力学性能L/D比从64增加到150时,初生纤维的拉伸强度和模量分别提高了42.1%67.2%,纤维的结晶度提高了45.5%5150L/D比的双螺杆挤出机制备的PAN初生纤维表现出更高的形态质量和更少的缺陷善的密集堆叠的横向折叠链晶体层的微观结构有助于提高拉伸强度和模量。以上结果突出了超大L/D比双螺杆技术在生产高性能PAN初生纤维方面的潜力。为进一步提高后续碳纤维的性能提供了保障。 



  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为题在材料领域权威期刊Industrial and Engineering Chemistry ResearchInd. Eng. Chem. Res. 2023, 62, 21)上发表,且被选为“补充封面论文”。该论文第一作者和通讯作者为北京化工大学王建教授。


  论文链接 https://doi.org/10.1021/acs.iecr.3c00509

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(责任编辑:xu)
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