CN101289762A - 一种纤维素纤维的纺丝方法和一体化设备 - Google Patents
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Abstract
一种纤维素纤维的纺丝方法，包括以下步骤：纤维素与有机溶剂混合溶解，得到混合溶液；混合溶液通过喷丝板进入一段气隙层，用冷却风对喷出的丝束进行吹吸；丝束通过凝固液带入凝固浴中，在牵引设备的引导下所述的丝束由导丝盘导出，其中在所述的气隙层，冷却风是以多层层流风的方式对丝束进行吹吸，凝固浴的出口速度为20～150m/min，本发明还涉及一种完成上述纺丝方法的设备。采用本发明的纺丝方法和纺丝设备，最终得到的纤维素长丝或者短纤维有均匀的强度和伸长量，这种效果同样也适用于纤度高或低的纤维。
Description
技术领域
本发明涉及到一种纤维素纤维的纺丝方法和一体化设备。
背景技术
本发明涉及的纤维被称为Lyocell纤维，也就是将纤维素溶解在一种有机溶剂中，并将该溶液从喷丝板挤出所生产的一类纤维素纤维。
目前这种纤维的生产方法是首先将纤维素混合于溶剂中，再对溶液进行加热并且在降压的情况下抽取部分水分，从而使得纤维素溶解在溶剂中，溶液中的纤维素在热的状态下经喷丝板挤出形成连续的细流，这些连续的细流被空气冷却并随后进入凝固浴中，以便使液态的纤维素得以凝固形成连续丝束。然而，实践证明，现有技术的方法在长丝的形成和纤维的纺织性能方面是不令人满意的，由于喷丝板和凝固浴之间的纺丝间隙小，其间隙范围只有几厘米，从而只有在很短的时间能用于纤维的性能调整，所以难以使最终得到的纤维具有譬如均匀的纤度、均匀的强度和伸长率，无论是对于纺制纤维纤度低或高时的情况。
现有的喷丝板，在喷丝板上有多个小的孔板构成，在每个孔板上包括了许多贯穿的喷丝孔，这种喷丝板的处理量比较小，并且由于纤维在冷却过程中冷却不均匀，常常会导致生产出的纤维不均匀的情况。
为了改变这种情况，申请号为94190547.0的专利申请了一种喷丝板，其具有一个基本上设置成旋转对称结构的、在其中央有冷却气体用的进入通道的喷丝板体，一个纤维素溶液用的进入通道，一个贵金属制的，环形的经深拉伸加工出的插入式喷丝件，在该喷丝件上有相互等间距设置的喷丝孔，从径向上看，这些喷丝孔是交错设置的，这可以使纺丝过程中保持特别均匀一致的温度，由此使喷丝板挤出的细流获得均匀的冷却，喷丝件的截面为皿形(船形)结构，该喷丝板还具有一个折流板，用以将冷却气体折流穿过从喷丝孔挤出的细流，该发明由于采用了向纤维吹送气体的方式，所以影响了丝束的质量、拉伸率和伸长率，可以纺制出性能一致的纤维，然而在此发明中，由于所利用的喷丝板的面积有限，所以生产的纤维效率相对比较低。
申请号为96193341.0的专利保护了纤维素纤维的生产工艺以及实施这种工艺的设备，该方法用于实现较高的出料量，并能够加工高浓度和高粘度的纤维素溶液。这个发明中，为了能够纺出致密的丝束，在空气间隙内通过用冷却气出风来冷却喷丝板挤出的细流，然而采用该发明中吹冷却气体的方法，由于丝与丝之间是排列在同一径向上的，这就容易造成各个丝之间的受力不均匀，以至于最终得到的纤维不均匀。
在2003年4月第29卷第2期的东华大学学报中，公开题为“纺丝工艺对高相对分子质量的Lyocell的纤维素纤维性能的影响”，文中通过正交试验表明：空气间隙和喷丝板孔数对纤维素的性能会产生比较大的影响，其中空气间隙长度和拉伸比越大，纤维的拉伸强度和初始模量越高，同时喷丝板孔的数目对纤维的机械性能也有较大的影响，文中表明：喷丝板孔数越多，流经各孔的纺丝液的流动路径和内应力各不相同，得到的纤维束中的各单丝的结构差异就越大，由此会引起纤维力学性能的下降。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种纤维素纤维的纺丝方法，此方法制得的纤维束中的各单丝的均匀稳定，差异性小，同时此方法可以实现高效喷丝。
本发明的另一目的在于提供一种用于实行这种纤维素纺丝方法的设备。
本发明的一个方面提供了一种纤维素纤维的纺丝方法，它包括以下步骤：
a.纤维素进入有机溶剂混合溶解，得到混合溶液；b.混合溶液穿过喷丝板接着进入一段气隙层，用冷却风对气隙层中的纺丝细流进行吹吸；c.所述的纺丝细流进入凝固浴中，形成丝束，在牵引设备的引导下所述的丝束由导丝盘导出；其中在上述的气隙层，冷却风是以多层层流风的方式，对所述的纺丝细流进行吹吸，每层的层流风从细流的一侧吹风，在细流的另外一侧吸风。
本发明的一个优选的实施方式是通过凝固浴的丝束出口速度为20～150m/min。
本发明的一个优选的实施方式是冷却风层垂直于纺丝细流的运动方向，并且冷却风的吹、吸的方向以及温度可以调节，同是以多层层流风方式进行吹吸的冷却风的总高度m是所述的气隙层长度n的2/3～4/5。
本发明的再一个优选的实施方式是冷却风包括空气或相对于丝束呈惰性的气体。
本发明的再一个优选的实施方式是冷却风中还含有水汽，并且每层的层流风均与其上一层和下一层的层流风的方向相反或相同。
层流是流体的一种流动状态，当流体的流速很小时，流体分层流动，互不混合。在本发明中冷却风以多层层流风的方式对所述的纺丝细流进行吹吸，是指冷却风分多层对气隙层中的纺丝细流进行吹吸，而且每层上的冷却风都是以层流的方式来吹吸细流的。本发明所提供的纤维素纤维的纺丝方法中，冷却风以多层层流风的方式对丝束进行吹吸，这样得到的纤维素中的丝束具有均匀的纤度、均匀的强度和伸长量，即便对于纺制高纤度或低纤度的纤维也有良好的效果。当每层的吹吸风均与其上一层和下一层的吹吸风的方向相反的时候，可以保证每一根单丝的冷却温度和受热的情况基本均匀一致，从而使得最终所得到的丝束的性能指标均匀一致。同时根据纤维素溶液的粘度，纤维素溶液的浓度和目标丝束的纤度可以调节冷却风的水汽含量以及适宜的冷却风温度。调节凝固浴的出口速度可以方便的改变凝固浴的流速，从而可方便的调节气体间隙段喷头的拉伸比，从而满足不同的工艺要求。
本发明的另一个方面是提供了一种完成上述纤维素纤维纺丝方法的设备，上述的设备包括喷丝板，所述的混合溶液从喷丝板喷出从而形成纺丝细流；吹吸装置，从所述的吹吸装置中发出的冷却风以多层层流风的方式对纺丝细流进行吹吸；凝固浴漏斗，所述的纺丝细流在所述的凝固浴漏斗中形成丝束；导丝盘，其用于在所述的牵伸设备的引导下将所述的丝束从其中导出；其中所述的吹吸装置包括2～10层吹风口和吸风口，每层的吹风口设置在所述的细流的一侧，吸风口设置在所述的细流的另外一侧。
本发明的一个优选的实施方式是每个吹风口和吸风口均设有挡板，用于调节各层之间的层流风的方向。
本发明的一个优选的实施方式是所述的设备还包括流速调节装置，其设置在所述的凝固浴漏斗的底部，并且所述的流速调节装置的孔径为2～8cm。
本发明的一个优选的实施方式是喷丝板是以整体矩形喷丝板，其上上分布着2000～20000个大小、形状一致的喷丝孔，喷丝孔的直径为0.05～0.5mm，喷丝孔长度和直径的比为1～10。
本发明的再一个优选的实施方式是喷丝板是以整体矩形喷丝板，其上上分布着6000～15000个大小、形状一致的喷丝孔，喷丝孔的直径为0.07～0.15mm，喷丝孔长度和直径的比为2～5。此种设计的喷丝板相对于现有技术而言，丝束的生成量更多，纺丝效率更高。
本发明的另一个优选的实施方式是喷丝孔的排列在一孔阵上，孔阵的行平行于喷丝板的长边，孔阵的列与喷丝板的短边呈0～45°。
本发明的再一个优选的实施方式是吹吸装置的每层的吹风口和吸风口分别包括多个吹风和多个吸风单元。
与现有技术不同，本发明的喷丝板是一整体矩形喷丝板，其上分布着2000～20000个大小、形状一致的小的喷丝孔，喷丝孔的直径为0.05～0.5mm，喷丝孔长度和直径的比为1～10本发明中的喷丝孔是以矩阵的形式进行排列而成的孔列，孔阵的列与喷丝板的短边呈0～45°，由此可见孔与孔之间是相互错开成一定的角度，此种设计是为了保证每根单丝在空气间隙中得到的冷却风的相同或者相近的吹吸力，从而以保证每根单丝得到均匀的冷却，以至于最终的丝束均匀，无差异。
气体间隙下方的凝固浴漏斗为矩形，经流体力学计算设计而成，从而保证凝固浴液体在其中处于稳态的流动。
凝固浴底端设置有流速调节装置，通过改变该装置的孔径，可以方便的改变凝固浴的流速，从而方便的调节气体间隙段喷头的拉伸比，以满足不同的工艺要求。
采用本发明的纺丝方法和纺丝设备，最终生产得到的纤维素长丝或者短纤维有均匀的强度和伸长量，这种效果同样也适用于密度高也就是纤度小的纤维。
附图说明
图1纤维素纤维的纺丝方法，每层的层流风与上一层或下一层的方向相反。
图2纤维素纤维的纺丝方法，每层的层流风与上一层或下一层的方向相同。
图3喷丝板。
图4喷丝板的局部放大图。
图5凝固浴漏斗的侧视图
图6流速调节装置。
图7凝固浴漏斗的俯视图。
图8冷却风与喷丝板的相对位置。
具体实施方式
实施例1
参见附图1，在本方法中，采用连续纺丝原液制备装置制备的纺丝原液，其中的纤维素浓度为9％，从喷丝组件1中挤出，穿过喷丝板2，喷丝板的孔数为2000个，喷丝孔的直径为0.5mm，喷丝孔的长度和直径的比为1，所有的喷丝孔排列在一孔阵上，孔阵的行平行于喷丝板的长边，列与喷丝板的的短边呈0°，即平行于短边，接着通过一段气隙层，此处的气隙层的长度n为200mm，在这一气隙层中，纤维素纤维完成其拉伸过程，在此处，20℃的冷却空气从位于喷丝板下方的冷却气体吹吸装置3中发出，以4层层流风的方式对丝束进行吹吸，冷却气体吹吸装置包括4层的吹风口和吸风口，每层的吹风口包括6个吹风单元，用于产生层流风，每层的吸风口也包括6个吸风单元，用于将从吹风口吹出的层流风吸收，每层的吹风口和吸风口均设有档板3’，各层层流风的方向均相同，各层层流风所吹到的面积大于喷丝板的面积，层流风顺着喷丝板短边的下方进行吹吸，接着丝束通过凝固浴漏斗4中的凝固液带入凝固浴，凝固浴的流速出口速度为100m/min，在凝固浴漏斗的底端设置有一流速调节装置，流速调节装置的孔径为4cm，最后在牵引设备的引导下所述的丝束由导丝盘5导出。
最终得到的纤维素纤维的纤度为2.75分特(dtex)，纤维的断裂强度为4.52cN/dtex，纤维的断裂伸长为14.3％。
实施例2
在本方法中，采用连续纺丝原液制备装置制备的纺丝原液，其中的纤维素浓度为11％，从喷丝组件1中挤出，穿过喷丝板2，喷丝板的孔数为2000个，喷丝孔的直径为0.5mm，喷丝孔的长度和直径的比为1，所有的喷丝孔排列在一孔阵上，孔阵的行平行于喷丝板的长边，列与喷丝板的的短边呈35°，接着通过一段气隙层，此处的气隙层的长度n为150mm，在这一气隙层中，纤维素纤维完成其拉伸过程，在此处，10℃的冷却氮气从位于喷丝板下方的冷却气体吹吸装置3中发出，以2层层流风的方式对丝束进行吹吸，冷却气体产生装置包括2层的吹吸口，用于产生层流风，每层的的吹吸口均设有一档板3’，各层层流风的方向均相反，层流风顺着喷丝板短边的方向进行吹吸，接着丝束通过凝固浴漏4中的凝固液带入凝固浴，凝固浴的流速出口速度为20m/min，在凝固浴漏斗的底端设置有一流速调节装置，流速调节装置的孔径为6cm，最后在牵引设备的引导下所述的丝束由导丝盘5导出。
最终得到的纤维素纤维的纤度为3.3分特(dtex)，纤维的断裂强度为4.21cN/dtex，纤维的断裂伸长为16.7％。
实施例3
在本方法中，采用连续纺丝原液制备装置制备的纺丝原液，其中的纤维素浓度为13.5％，从喷丝组件1中挤出，穿过喷丝板2，喷丝板的孔数为6000个，喷丝孔的直径为0.25mm，喷丝孔的长度和直径的比为2，所有的喷丝孔排列在一孔阵上，孔阵的行平行于喷丝板的长边，列与喷丝板的的短边呈15°，接着通过一段气隙层，此处的气隙层的长度n为100mm，在这一气体间隙段中，纤维素纤维完成其拉伸过程，在此处，10℃的冷却空气从位于喷丝板下方的冷却气体吹吸装置3中发出，冷却气体吹吸装置包括6层的吹风口和吸风口，吹风口与纺丝细流相垂直的边的宽度与喷丝板的长边L相等，以6层层流风的方式对丝束进行吹吸，每层的吹风口包括8个吹风单元，用于产生层流风，每层的吸风口也包括8个吸风单元，用于将从吹风口吹出的层流风吸收，每层的吹风口和吸风口均设有档板3’，各层层流风的方向均相同，各层层流风所吹到的面积等于喷丝板的面积，层流风顺着喷丝板短边的方向进行吹吸，接着丝束通过凝固浴漏斗4中的凝固液带入凝固浴，凝固浴的流速出口速度为150m/min，在凝固浴漏斗的底端设置有一流速调节装置，流速调节装置的孔径为2cm，最后在牵引设备的引导下所述的丝束由导丝盘5导出。
最终得到的纤维素纤维的纤度为2.8分特(dtex)，纤维的断裂强度为4.37cN/dtex，纤维的断裂伸长为12.6％。
实施例4
参见附图，在本方法中，采用连续纺丝原液制备装置制备的纺丝原液，其中的纤维素浓度为18％，从喷丝组件1中挤出，穿过喷丝板2，喷丝板的孔数为15000个，喷丝孔的直径为0.07mm，喷丝孔的长度和直径的比为7，所有的喷丝孔排列在一孔阵上，孔阵的行平行于喷丝板的长边，列与喷丝板的的短边呈35°，接着通过一段气隙层，此处的气隙层的长度n为50mm，冷却风的总高度m为40mm，在这一气隙层中，纤维素纤维完成其拉伸过程，在此处，10℃的冷却空气从位于喷丝板下方的冷却气体吹吸装置3中发出，以4层层流风的方式对丝束进行吹吸，冷却气体产生装置包括4层的吹风口和吸风口，每层的的吹风口和吸风口均设有一档板3’，各层层流风的方向均相反，层流风顺着喷丝板短边的方向进行吹吸，接着丝束通过凝固浴漏斗4中的凝固液带入凝固浴，凝固浴的流速出口速度为120m/min，在凝固浴漏斗的底端设置有一流速调节装置，流速调节装置的孔径为3cm，最后在牵引设备的引导下所述的丝束由导丝盘5导出。
最终得到的纤维素纤维的纤度为2.06分特(dtex)，纤维的断裂强度为4.02cN/dtex，纤维的断裂伸长为13.5％。
实施例5
参见附图，在本方法中，采用连续纺丝原液制备装置制备的纺丝原液，其中的纤维素浓度为15％，从喷丝组件1中挤出，穿过喷丝板2，喷丝板的孔数为10000个，喷丝孔的直径为0.15mm，喷丝孔的长度和直径的比为4，所有的喷丝孔排列在一孔阵上，孔阵的行平行于喷丝板的长边，列与喷丝板的的短边呈30°，接着通过一段气隙层，此处的气隙层的长度n为70mm，在此处，10℃的冷却风的总高度m为56mm，在这一气隙层中，纤维素纤维完成其拉伸过程，冷却风从位于喷丝板下方的冷却气体吹吸装置3中发出，冷却空气中含有水汽，以6层层流风的方式对丝束进行吹吸，冷却气体产生装置包括6层的吹吸单元，用于产生层流风，每层的吹吸口均设有一档板3’，各层层流风的方向均相反，层流风顺着喷丝板短边的下方进行吹吸，接着丝束通过凝固浴漏斗4中的凝固液带入凝固浴，凝固浴的流速出口速度为120m/min，在凝固浴漏斗的底端设置有一流速调节装置，流速调节装置的孔径为3cm，最后在牵引设备的引导下所述的丝束由导丝盘5导出。
最终得到的纤维素纤维的纤度为1.66分特(dtex)，纤维的断裂强度为5.02cN/dtex，纤维的断裂伸长为11.5％。
实施例6
参见附图，在本方法中，采用连续纺丝原液制备装置制备的纺丝原液，其中的纤维素浓度为17％，从喷丝组件1中挤出，穿过喷丝板2，喷丝板的孔数为20000个，喷丝孔的直径为0.05mm，喷丝孔的长度和直径的比为10，所有的喷丝孔排列在一孔阵上，孔阵的行平行于喷丝板的长边，列与喷丝板的短边呈45°，接着通过一段气隙层，此处的气隙层的长度n为20mm，冷却风的总高度m为16mm，在这一气隙层中，纤维素纤维完成其拉伸过程，在此处，10℃的冷却空气从位于喷丝板下方的冷却气体吹吸装置3中发出，以10层层流风的方式对丝束进行吹吸，冷却气体产生装置包括10层的吹吸单元，用于产生层流风，每层的的吹吸口均设有一档板3’，各层层流风的方向均相反，层流风顺着喷丝板短边的方向进行吹吸，接着丝束通过凝固浴漏斗4中的凝固液带入凝固浴，凝固浴的流速出口速度为50m/min，在凝固浴漏斗的底端设置有一流速调节装置，流速调节装置的孔径为5cm，最后在牵引设备的引导下所述的丝束由导丝盘5导出。
最终得到的纤维素纤维的纤度为3.15分特(dtex)，纤维的断裂强度为3.82cN/dtex，纤维的断裂伸长为16.3％。
Claims (10)
1、一种纤维素纤维的纺丝方法，包括以下步骤：
a.纤维素进入有机溶剂混合溶解，得到混合溶液；
b.混合溶液穿过喷丝板接着进入一段气隙层，用冷却风对气隙层中的纺丝细流进行吹吸；
c.所述的纺丝细流进入凝固浴中，形成丝束，在牵引设备的引导下所述的丝束由导丝盘导出；
其特征在于：在所述的气隙层，冷却风是以多层层流风的方式，对所述的纺丝细流进行吹吸，每层的层流风从所述细流的一侧吹风，在所述细流的另外一侧吸风。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过所述凝固浴的丝束出口速度为20～150m/min。
3、根据权利1要求所述的方法，其特征在于：所述的冷却风垂直于所述的纺丝细流的运动方向，并且所述的冷却风的吹、吸的方向以及温度可以调节，同时以多层层流风方式进行吹吸的冷却风的总高度m是所述的气隙层长度n的2/3～4/5。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的冷却风包括空气或相对于丝束呈惰性的气体。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的冷却风中还含有水汽，并且每层的层流风均与其上一层和下一层的层流风的方向相反或相同。
6、一种完成权利要求1所述方法的设备，包括：
喷丝板，所述的混合溶液从所述的喷丝板喷出从而形成纺丝细流；
吹吸装置，从所述的吹吸装置中发出的冷却风，以多层层流风的方式对纺丝细流进行吹吸；
凝固浴漏斗，所述的纺丝细流在所述的凝固浴漏斗中形成丝束；
导丝盘，其用于在所述的牵伸设备的引导下将所述的丝束从其中导出；
其特征在于：所述的吹吸装置包括2～10层吹风口和吸风口，每层的吹风口设置在所述细流的一侧，吸风口设置在所述细流的另外一侧，优选在每个吹风口和吸风口均设有挡板。
7、根据权利要求6所述的设备，其特征在于所述的设备还包括流速调解装置，所述的流速调节装置设置在所述的凝固浴漏斗的底部，并且所述的流速调节装置的孔径为2～8cm。
8、根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于：所述的喷丝板是一整体矩形喷丝板，其上分布着2000～20000个大小、形状一致的喷丝孔，喷丝孔的直径为0.05～0.5mm，喷丝孔长度和直径的比为1～10，优选所述的喷丝板上分布着6000～15000个大小、形状一致的喷丝孔，喷丝孔的直径为0.07～0.15mm，喷丝孔长度和直径的比为2～5。
9、根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于所述的喷丝孔的排列在一孔阵上，所述的孔阵的行平行于所述的喷丝板的长边，孔阵的列与喷丝板的短边呈0～45°。
10、根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于：所述的吹吸装置每层的吹风口和吸风口分别包括多个吹风单元和多个吸风单元。
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