解決氨綸絲殘留有害溶劑量刻不容緩

　　目前，國內(nèi)外氨綸市場競爭殘酷，發(fā)達國家已開始明令禁止使用附帶微量溶劑殘留物的干紡氨綸絲，因此，研究氨綸纖維在紡絲甬道中傳熱機理，解決氨綸纖維內(nèi)殘留有害溶劑量，提高氨綸纖維品質(zhì)成為當(dāng)前首要解決問題。

　　1 纖維內(nèi)殘留有害溶劑的分析

　　氨綸纖維成形階段，紡絲原液與周圍熱空氣之間只有傳熱和傳質(zhì)過程，不發(fā)生任何化學(xué)變化。纖維原液從噴絲板毛細孔中壓出的紡絲液進入紡絲甬道中，通過甬道中熱空氣流作用，使原液細流中溶劑(二甲基乙酰胺)快速揮發(fā)，原液的粘度達到某一臨界值而實現(xiàn)凝固，揮發(fā)出來的溶劑蒸汽被熱空氣流帶走，原液在逐漸脫去溶劑，同時發(fā)生固化形成氨綸纖維，而固化過程中，阻礙了纖維內(nèi)部溶劑向纖維表面擴散，最終導(dǎo)致纖維內(nèi)部有害溶劑無法完全揮發(fā)。

　　2 纖維在紡絲甬道中傳熱機理的研究

　　我們還是從氨綸纖維溶劑在紡絲甬道整個過程中除去的三種機理：1)閃蒸;2)纖維內(nèi)部的擴散;3)從纖維表面向周圍介質(zhì)的對流傳質(zhì)，作分析：

　　第一區(qū)：在噴絲孔出口處，由于熱的纖維原液解壓發(fā)生離模膨脹效應(yīng)，出現(xiàn)溶劑快速閃蒸，使溶劑迅速大量揮發(fā)，離噴絲板頭約100mm絲條速度逐漸與卷繞速度相等，細流的組成、直徑、溫度、速度和粘度發(fā)生急劇變化。在高溫下溶劑從噴絲孔擠出的細流則主要依靠自身的潛熱和來自熱風(fēng)的傳熱，從原液表面急劇蒸發(fā)。

　　第二區(qū)：由于熱風(fēng)的傳熱與絲條溶劑蒸發(fā)達到平衡，此時高聚物絲條內(nèi)自由溶劑濃度大，當(dāng)溶劑從絲條芯層向表層擴散的速度低于表面溶劑蒸發(fā)速度時，絲條表面溫度上升，纖維內(nèi)溶劑分子擴散速度降低，開始影響總的動力學(xué)，進入成形的第三階段。這一階段絲條溫度實際上保持不變，主要取決于外部的對流的熱、質(zhì)交換。

　　第三區(qū)：在該區(qū)內(nèi)絲條內(nèi)部溶劑擴散速度變得更慢，隨著蒸發(fā)強度的急劇降低，絲條表面溫度上升并近熱風(fēng)溫度，在第三區(qū)絲條的固化過程基本完成。

　　3 纖維內(nèi)殘留溶劑最大化揮發(fā)途徑的研究：

　　1)從以上三個區(qū)溶劑揮發(fā)機理看：要降低氨綸纖維溶劑殘留量，必須確保絲條表皮固化前，即氨綸絲條表面溫度高于氨綸絲條中心溫度下，確保有害溶劑在上圖第一區(qū)(氨綸絲起始蒸發(fā)區(qū))、第二區(qū)(氨綸絲快速蒸發(fā)區(qū))，使內(nèi)外溶劑充分得到揮發(fā)，因此，通過增長紡絲甬道紡程，改善甬道紡絲溫度梯度，即延長紡絲甬道中傳熱機理上第一區(qū)、第二區(qū)的有效空間，可加快溶劑在絲條表皮固化前起始蒸發(fā)、和快速蒸發(fā)區(qū)的揮發(fā)量，從而有效降低氨綸纖維內(nèi)有害溶劑殘余量。

　　2)選擇沸點較低和蒸發(fā)潛熱較小的有害溶劑，其相當(dāng)于變相增加甬道紡程、改善紡絲甬道溫度梯度，和延長紡絲甬道中傳熱機理上第一區(qū)、第二區(qū)的有效空間，可加快溶劑絲條表皮固化前起始蒸發(fā)、快速蒸發(fā)區(qū)的揮發(fā)量，從而有效降低氨綸纖維內(nèi)有害溶劑殘余量。

　　3)在氨綸纖維絲條表皮固化前，絲條表面吸熱，絲條周邊空氣放熱、溫度下降，從而影響絲條表面溶劑的揮發(fā)速度。因此，在紡絲甬道紡程內(nèi)部每500mm增設(shè)一道斜流裝置(如圖 1)，該裝置在不至于使纖維絲條急劇擺動造成斷、并絲等異常情況下，適當(dāng)擾動纖維表面空氣氣流，以(1)最大限度確保氨綸纖維絲條周圍空氣充分得到甬道高溫伴管熱量的補充，從而確保熱能迅速向纖維絲條傳遞，確保溶劑揮發(fā)正常進行;(2)適當(dāng)擾動纖維表面氣流可以快速降低纖維周圍有害溶劑的濃度，加大纖維芯層與表面溶劑濃度差，即增強氣態(tài)溶劑的布朗運動，從而確保在絲條表面未完全固化前，加快溶劑從纖維芯層向表層擴散速度，有效降低纖維絲條內(nèi)部溶劑殘存率。

　　圖1 表皮固化前甬道內(nèi)壁增設(shè)斜流板示意圖

　　4)氨綸纖維成形階段，紡絲原液與周圍熱空氣之間只有傳熱和傳質(zhì)過程，不發(fā)生任何化學(xué)變化。因此，在聚合物的溶解度和紡絲原液粘度許可的條件下，盡可能提高原液濃度，以降低有害溶劑的比重，從根本上得以減少紡絲原液轉(zhuǎn)化為纖維所需揮發(fā)的溶劑量。從而，可以達到有效減少氨綸纖維內(nèi)部有害溶劑的殘存量。

　　4 結(jié)論

　　1)根據(jù)紡絲甬道中傳熱機理，延長纖維在紡絲甬道中第一區(qū)、第二區(qū)傳熱有效空間，可加快溶劑在纖維絲條表皮固化前揮發(fā)量，從而有效減少氨綸纖維內(nèi)部有害溶劑的殘存量;

　　2)通過紡絲甬道增設(shè)斜流裝置，適當(dāng)擾動纖維表面氣流，加大纖維芯層與表面溶劑濃度差，在絲條表面固化前，加快絲條內(nèi)外溶劑布朗運動，即提高溶劑從纖維芯層向表層擴散速度，從而有效減少氨綸纖維內(nèi)部有害溶劑的殘存量;

　　3)在聚合物的溶解度和紡絲原液粘度許可的條件下，盡可能提高原液濃度，并選擇沸點較低和蒸發(fā)潛熱較小的溶劑，從而有效減少氨綸纖維內(nèi)部有害溶劑的殘存量。