二氧化钛在腈纶浆液中分散性的研究

在以硫氰酸钠水溶液为溶剂, 醋酸乙烯酯为第二单体的生产中, 常常发现因消光剂二氧化钛分散度不好, 而降低了过滤效果, 损耗二氧化钛, 并产生毛丝, 影响纤维质量。因此, 研究制备二氧化钛母液的主要工艺参数, 如聚丙烯腈 (PAN) 溶液添加量, 搅拌速度, 搅拌时间, 二氧化粒度等, 以获得较高分散度的二氧化钛浆母液, 这对于改善纺丝溶液过滤性能, 降低二氧化钛的单耗, 提高纤维质量等方面具有重要的意义。

1 主要工艺条件

把二氧化钛均匀地分散到聚丙烯腈溶液中, 制备二氧化钛母液。二氧化钛母液在高剪切罐中制备, 原液加入量为1657kg, 用秤称量200kg固体Ti O2粉末, 硫氰酸钠200 kg加入高剪切罐中, 启动搅拌, 搅拌速度为960转/分, 罐内温度控制在63±2℃, 搅拌时间控制在4小时。然后取样化验, 聚丙烯腈PAN:10.5±0.5%, 二氧化钛Ti O2:11.6±0.3%, Na SCN:39.50±0.5%。

均匀的消光剂母液, 由泵输送到第一次压滤机, 过滤母液中的杂质和末分散的Ti O2颗粒, 过滤面积为24.9m2, 操作压力为1.0KPa。压滤机过滤后母液进入脱泡供料罐, 由泵输送到加热器, 加热到52±2℃, 然后进入脱泡塔中, 脱除母液中的气泡。真空度控制在6.6±1.3KPa。脱泡后的母液再经二次过滤除杂质, 过滤面积为24.1m2, 操作压力为1.0KPa, 过滤后的母液经泵打入供料罐, 经控制进料泵调节转数, 输送到在线混合器, 按着一定的比例加入纺丝原液中, 制备全消光或半消光纤维。

2 二氧化钛浆液分散度因素分析

2.1 搅拌时间对二氧化钛浆液分散度的影响

搅拌速度不论是较低还是较高, 二氧化钛粒子的沉降体积分数均随搅拌时间增加而上升至最大值, 然后又随时间的增加而逐渐变小。这是因为固体粉团粒二氧化钛在搅拌作用下, 分散在PAN的Na SCN溶液中, 且随搅拌时间的增加而分散得更均匀。另一方面, 二氧化钛吸附PAN分子速度是缓慢的, 形成PAN吸附层需要时间。但是, 当粒子的分散度达到最大值后, 增加搅拌时间, 会使已经分散的粒子相互作用, 形成桥连, 导致粒子絮凝。搅拌时间越长, 粒子相互碰撞的机会越多, 二氧化钛浆液的分散度则降低。

2.2 搅拌速度对二氧化钛浆液分散度的影响

由于聚丙烯腈原液是切力变稀流体, 在较高搅拌速度下, 可获得分散度较大的二氧化钛浆液, 这是由于搅拌叶片表观速度正比于搅拌叶片转速, 当后者速度增大时, 叶片表观剪切速度增大, 二氧化钛剪切分散使粒子分散得更细均, 从而在其它条件不变的情况下, 二氧化钛的分散度将会增加, 反之亦然。

2.3 PAN含量对二氧化钛浆液分散度的影响

随着PAN含量增加, 二氧化钛分散度降低, 再增加, 二氧化钛分散度升高, 二氧化钛浆液显示絮凝、分散、再絮凝、再分散的状态。当PAN含量在7.5-8.5% (低浓度范围) 时, 由于PAN的桥链效应, 使二氧化钛粒子絮凝, 二氧化钛稳定性变差, 分散度随PAN增加而下降。当PAN含量在8.6-9.0% (中浓度范围) 时, 二氧化钛粒子表面吸附的PAN增多, 而形成PAN吸附层。由于吸附层重迭所引起的立体化效应, 二氧化钛稳定性增强, 二氧化钛的分散度变大。当PAN在9.0-9.5%时, 二氧化钛的分散度随PAN增加而下降。这是因为吸附PAN的二氧化钛相互接近时, 且有有限扩展的PAN大分子从粒子间的间隙中被排除去, 存在PAN大分子耗损区域, 导致二氧化钛絮凝。这种絮凝称为耗损絮凝。当PAN在9.6-11.0% (高浓度) 时, 二氧化钛粒子的分散度逐渐增大到100%, 这种结果是耗损稳定化所致。

2.4 粒径及粒径分布对二氧化钛分散度的影响

二氧化钛原料的粒径及粒径分布对二氧化钛在浆液中的分散度有着直接的影响。粒径分布宽, 超粒子和起小粒子多, 二氧化钛的分散相对降低。当粒径小于0.2微米, 则粒子的比表面积大, 吸附溶剂多, 浆液发粘, 分散度反而降低, 不一定粒径越小, 分散越粘。若超大粒子个数较多, 粒子在分散介质中存在布朗运动, 发生碰撞, 聚结成较大的粒子, 较大粒子在重力作用下将会下沉, 出现聚沉现象, 导致分散度降低。不同厂家的产品, 粒径的最佳分散值因生产方法不同而不同。英国T101DE公司的A-PP2的最佳分散粒径为0.35微米, 德国Sachtleben公司的产品最佳值为0.28微米, 日本TA300最佳值为0.30微米。

3 结语

a.二氧化钛浆液中, 由于PAN浓度的不同, PAN会显示分散作用和絮凝作用。二氧化钛对PAN大分子的吸附较慢, 较长的时间有利于提高二氧化钛浆液的分散度。当搅拌速度为960r/min, PAN含量与二氧化钛含量较为接近时, 搅拌时间为4小时, 可获得一周内不沉降的二氧化钛浆液, 分散度大于98%。

b.粒径对二氧化钛浆液分散度有明显的影响。在其它条件不变情况下, 日本TA300的Ti O2粒径在0.35微米, 可获得较高分散度的二氧化钛浆液。

摘要：本文研究了聚丙烯腈溶液含量、搅拌时间、搅拌速度、二氧化钛粒径等变化时对二氧化钛在浆液中的分散性的影响。工业实验结果表明, 随着聚丙烯腈溶液添加量的变化, 二氧化钛呈现出分散和絮凝的效应。在较多的聚丙烯腈溶液存在时, 用较快的搅拌速度 (960r/min) , 较短的搅拌时 (4h) , 可获得较高分散度的二氧化钛母液。

关键词：聚丙烯腈溶液,二氧化钛浆液,分散度