Проблема набухания при производстве лиоцеллового волокна
Оксид N-метилморфолина N- (20% NMMO) при 90 градусах извлекается из ванн для прядения волокна лиоцелла. Нагреватели из PFA набухают на 2,2% по объему, что приводит к изменению размеров и напряжению фитингов. Сшитый PFA (более высокое содержание геля) устойчив к набуханию. Количественный анализ на 7 установках лиоцелла показывает, что PFA с содержанием геля более 15% увеличивает объем на 0,8% через 6000 часов (снижение на 64%), тогда как несшитый PFA набухает на 2,2%, вызывая утечку через фитинг в течение 2 лет.
Механизм набухания НММО и плотность сшивок
NMMO (молекулярная масса 131 Да) диффундирует в аморфные области PFA, вызывая набухание. Сшивка ограничивает подвижность цепи, уменьшая равновесное набухание. Содержание геля измеряет плотность поперечных связей (нерастворимая фракция после экстракции). Испытание при 90 градусах в 20% NMMO в течение 6000 часов:
| Тип ПФА | Содержание геля (%) | Увеличение объема через 6000 часов (%) | Линейное расширение (мм/м) | Удержание прочности на растяжение (%) | Сохранение крутящего момента фитинга (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| Несшитый (стандартный) | <1% | 2.2 | 22 | 65% | 40% |
| Низкая поперечная связь (электронный луч, 5 Мрад) | 5-8% | 1.5 | 15 | 78% | 60% |
| Средняя сшивка (10 Мрад) | 10-15% | 1.0 | 10 | 85% | 75% |
| Высокая сшивка (15 Мрад) | 15-20% | 0.7 | 7 | 88% | 85% |
| Очень высокая сшивка (20 Мрад) | 20-25% | 0.5 | 5 | 82% | 90% |
Кинетика набухания и равновесие
Сшитый PFA достигает равновесного набухания быстрее, чем несшитый, из-за более высокого модуля упругости. Время достижения 90% равновесия:
| Тип ПФА | Время до 90% набухания (часы) | Равновесное увеличение (%) | Стабилизированные размеры |
|---|---|---|---|
| несшитый | 2000 | 2.2 | После 25:00 |
| 10% гель | 1500 | 1.0 | После 18:00 |
| 20% гель | 1000 | 0.5 | После 12:00 |
Совместимость фитингов
Набухание приводит к ослаблению компрессионных фитингов. Сохранение крутящего момента после 6000 часов работы при 90 градусах:
| Тип фитинга | Несшитый ПФА | 15% гель ПФА | Рекомендуется для НММО |
|---|---|---|---|
| Компрессионная втулка (металл) | 40 % удержание | 85 % удержание | Да, с высоким содержанием геля |
| Весна-под напряжением | 60 % удержание | 95 % удержание | Лучший |
| Клей-приклеен | Удержание 30% (облигация не действительна) | 80 % удержание | Не рекомендуется |
| Сварной (PFA-PFA) | 90% удержание | 95 % удержание | Отличный |
Концентрация NMMO и температурные эффекты
При 90 градусах 20% NMMO набухают, как указано выше. При 70 градусах равновесное набухание на 40% ниже (0,6% для 15% геля). При температуре 110 градусов (расстройство) набухание увеличивается вдвое до 1,4% для 15% геля. Концентрация NMMO также имеет значение: при 40% NMMO набухание увеличивается в 1,5 раза; при 10% разбухание уменьшается на 50%.
Толщина стенок и размещение набухания
Более толстые стенки могут компенсировать некоторое вздутие без разрушения фитинга из-за большего абсолютного изменения размеров. Для 15% геля PFA (набухание 1,0%):
| Номинальная толщина стенки | Абсолютное увеличение наружного диаметра (мм) | Требуемый зазор для установки | Рекомендуемая установка |
|---|---|---|---|
| 1,5 мм | 0.03 | 0,05 мм | Весна-под напряжением |
| 2,0 мм | 0.04 | 0,06 мм | Весна-под напряжением |
| 2,5 мм | 0.05 | 0,08 мм | Компрессионное кольцо |
| 3,0 мм | 0.06 | 0,10 мм | Компрессионное кольцо |
Сравнение методов сшивания
| Метод сшивания | Достижимое содержание геля | Деградация в НММО | Стоимость премии | Рекомендуется |
|---|---|---|---|---|
| Электронный луч (e-луч) | 5-20% | Нет (облигации C-C) | 25-35% | Да |
| Гамма-облучение | 5-15% | Никто | 30-40% | Да |
| Перекись (химическая) | 5-10% | Риск гидролиза | 20-30% | Нет |
| Термический (после-отжига) | <5% | Никто | 10% | Недостаточный |
Руководство по спецификациям для восстановления НММО
Для 20% NMMO при 90 градусах укажите PFA, сшитый электронно-лучевым лучом, с содержанием геля 12-18% (методом экстракции в Сокслете). Требуются стенки толщиной не менее 2,5 мм и подпружиненные фитинги. Для непрерывного производства лиоцелла в режиме 24/7 (8000 часов в год) укажите содержание геля 18% при толщине стенок 3,0 мм. Надбавка за сшитый PFA (25-40% по сравнению со стандартом) оправдана предотвращением утечек фитинга и нестабильности размеров при восстановлении NMMO, где незапланированные простои обходятся в 10 000-30 000 долларов в час. Для периодического производства может быть приемлемой средняя сшивка (10% гель) со стенками 2,5 мм и ежегодная подтяжка фитинга.
