CN113227470A - 喷丝板、加热喷丝板的方法和莱赛尔纤维方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及喷丝板和加热喷丝板的方法，所述加热喷丝板的方法中的喷丝板用于从在溶剂中的纤维素溶液纺丝纤维素长丝。本发明还涉及采用这样的喷丝板的莱赛尔纤维方法。

Description

喷丝板、加热喷丝板的方法和莱赛尔纤维方法

技术领域

本发明涉及喷丝板和加热喷丝板的方法，所述加热喷丝板的方法中的喷丝板用于从在溶剂中的纤维素溶液纺丝纤维素长丝。本发明还涉及采用这样的喷丝板的莱赛尔纤维方法。

背景技术

喷丝板用于生产各种化学性质的纤维和长丝，包括纤维素衍生的纤维和长丝。这样的喷丝板的一个实例是用于莱赛尔纤维方法的喷丝板，例如具有多个喷嘴板的喷丝板，每个喷嘴板具有多个用于纺丝长丝的孔，并且喷嘴板位于在所有侧面上围绕它们的四边形框架中。这样的喷丝板例如从EP-A-0,756,025或EP-A-0,700,456中获知。

另一个实例是在WO 03/014429中公开的喷丝板。该文献公开了具有若干平的金属穿孔板的喷丝板，每个金属穿孔板具有用于纺丝长丝的若干个孔。在这种情况下，穿孔板在所有侧面上都装配在不锈钢框架部分中。这些喷丝板可以例如用于制备莱赛尔纤维和长丝。

如已知的，在纺丝之前，将用于莱赛尔纤维方法的纤维素原料在升高的温度下(通常在约70-130℃下)溶解在适当的溶剂中，以产生纺丝物料。在任选的另外的方法步骤之后，例如为了去除杂质和为了确保高度同质性，然后将该溶液送至喷丝板，以生产纤维和长丝。在莱赛尔纤维方法的这个步骤中，必须确保控制纺丝物料内的温度分布，因为纺丝物料内的温度变化可能导致与生产的纤维和长丝有关的不期望的变化。虽然这样的变化相对短纤维生产而言可能不是那么关键，但是所生产的长丝的变化引起所获得的长丝纱内的异质性，这对于长丝纱的进一步使用是有害的。

因此，对于长丝生产，重要的是确保良好的温度控制，使得纺丝物料的任何温差在尽可能小的窗口内。在这种情况下，喷丝板的形状是要考虑的重要因素。

通常可以确保圆形喷丝板(纵横比为1)或纵横比接近1的喷丝板(正方形喷丝板)中纺丝物料的温度变化可忽略。在CN 205241867 U中公开了圆形喷丝板的实例。在US 3,130,448中给出了另一个实例。在这些情况下，用热水或通过电加热元件加热喷丝板就足够了。然而，当使用纵横比大于2的喷丝板，例如以上讨论的在WO 03/14429中公开的喷丝板时，会遇到问题。

然而，这些类型的喷丝板已经被证明具有商业相关性，特别是对于高速长丝生产，因为它们能够在框架容量的最佳使用(特别是对于矩形框架)的情况下生产大量长丝(通过在喷丝板框架内使用多个喷嘴板)。然而，采用这样的喷丝板的动机与缺点相关，即对于长丝生产，其中长丝性质的变化必须尽可能小以确保高产品质量，不再可能通过使用热水或电加热装置来实现喷丝板内所需的温度控制和调节。对长丝均匀性的要求使得在给定的长丝生产中的纤度偏差必须在+/-5%以内，优选在+/-2.5%以内。

发明目的

因此，本发明寻求提供确保在用于从在溶剂中的纤维素溶液纺丝纤维素长丝的喷丝板中所需的纤度控制的方法，尤其在高生产量和高速下，该喷丝板确保长丝的良好均匀性，并且至少减少与现有技术喷丝板相关的问题。

发明内容

令人惊奇的是，该目的通过权利要求1所述的喷丝板、权利要求4所述的确保喷丝板内纺丝物料的温度控制的方法和根据权利要求5所述的生产莱赛尔纤维长丝的方法来实现。优选的实施方案在从属权利要求以及以下描述中给出。

附图说明

参考附图进一步描述本发明，其中图1是显示含有根据本发明的喷丝板的实施方案的喷丝头的横截面示意图，并且图2是显示根据本发明的喷丝板的实施方案的俯视平面图的示意图。

具体实施方式

根据本发明，术语喷丝板在此用于指定用于生产莱赛尔纤维的装置的部件，其确保纺丝物料或纺丝溶液形成为长丝，其特别包括喷嘴框架、任选的放置在框架内的单个喷嘴板以及覆盖喷嘴框架的顶部外壳，产生在长丝形成之前将纺丝物料/溶液引入其中的空间。在本发明的上下文中，术语“喷丝板”、“喷丝头”等可互换使用。然而，作为本发明的喷丝板定义的整体部分的纵横比与形成喷丝板的喷嘴部分的喷丝板部分(即，限定长丝挤出区域的部分)的纵横比有关。

在本发明的框架内，莱赛尔纤维长丝的生产从通过将纤维素溶解在溶剂中制备纺丝溶液或纺丝物料开始。用于生产莱赛尔纤维长丝的优选的溶剂是叔胺N-氧化物，以及任选地与其混合的水。然后，纤维素在叔胺N-氧化物和任选的水中的溶液在热态下借助喷丝板挤出，并在挤出过程中形成(成型)。对于长丝生产，特别是高速长丝生产，这需要纺丝物料良好的温度控制。这样的温度控制应该确保纺丝物料仅显示小的温度变化，使得所生产的长丝同样不会显示与长丝性质(特别是长丝纤度)有关的有害的变化，所述有害的变化会对最终产品(例如长丝纱)的性质具有有害的作用。

如上所述，当使用喷丝板时，该问题特别相关，所述喷丝板可以包含用于长丝挤出的多个喷嘴板，所述喷丝板原则上是纵横比大于2的矩形形状。如在权利要求中确定的并且如本文进一步描述的，本发明通过使用蒸汽来加热喷丝板克服了这些问题，使得确保在离开纺丝喷嘴之前纺丝物料的温度分布的所需均匀性。

根据本发明的发现，复丝喷丝板(优选包含多个布置在具有矩形形状的框架内的喷嘴板的喷丝板)的纵横比大于2。通过用不同纵横比的喷丝板进行试运行已经证明，喷丝板的纵横比可以高达10或更高，例如12或更高，并且甚至15或更高。只要喷丝板适于允许通过蒸汽加热喷丝板内的纺丝物料，优选通过提供通道，所述通道优选为喷丝板顶部外壳和/或喷嘴框架内的微通道，以通过将蒸汽注入这些通道中来均匀地加热喷丝板，可以确保长丝生产所需的均匀性。

能够进行蒸汽加热的实例是在喷嘴框架、喷嘴板内或甚至更靠近单个喷嘴提供通道和微通道(直径为1mm或更大)，例如通过在单个喷嘴附近提供通道。只要可以在喷丝板的相应部分内提供这些通道而不会对机械完整性具有有害的作用，就可以提供这些通道。通常，顶部外壳不是通过将蒸汽注入通道中来加热，而是通过为顶部外壳提供能够对其内表面的主要部分进行蒸汽加热的合适装置，例如通过双壁部件和加热夹套。

这里参考说明本发明的图1和图2。在图1中，显示具有用于纺丝原液的入口1的喷丝板。将纺丝原液供应到纺丝头的可加热的顶部部分2 (顶部外壳)的中心。根据本发明的一个实施方案，至少该顶部外壳提供允许蒸汽加热外壳以确保纺丝物料的温度控制的装置。金属丝网3连接到顶部外壳2，所述金属丝网3位于多孔板(breaker) (分配器板) 4上。

将四边形喷嘴板5放置在喷嘴框架7中，在本发明的一个实施方案中，该喷嘴框架优选地也适于通过蒸汽加热。喷嘴板通过针脊6彼此分开。这些针脊6同时用作多孔板4的加强。根据本发明，如果这些针脊连接到喷嘴框架也是优选的，并且此外，当这些针脊也适于通过蒸汽加热时也是优选的。

在图2中，显示喷嘴框架7和喷嘴板5的顶视图。此外，显示用于纺丝长丝的孔的行8和这些喷丝板孔的列9。线7a和7b限定了可用于实际纺丝长丝的区域，并因此限定了纵横比。

如上所述，已经发现，如果喷丝板不仅允许蒸汽加热喷丝板的顶部外壳或喷嘴框架，而且允许接近单个喷嘴板以及顶部外壳的蒸汽加热(例如通过也在单个喷嘴板被放置到其中的框架(喷嘴框架)内)则是有效的，或者如果存在的话，也在形成较大的喷嘴框架内的单个喷嘴板框架的喷嘴框架的任何部分内(使得每个喷嘴板被单个框架围绕，这相对整个喷丝板布置(即，针脊(6))的压力稳定性而言是有利的)提供用于蒸汽加热的通道。

已经令人惊讶地发现，通过使用蒸汽作为加热介质，可以确保纺丝物料内非常均匀的温度，使得获得均匀的长丝。

这里采用的术语蒸汽是指气相的水，优选干蒸汽(即不含水滴的蒸汽)和超临界蒸汽。蒸汽温度优选在105-138℃，优选110-130℃的范围内，压力为1.0-4巴，优选1.2-3.8巴，更优选1.5-3.4巴(即，不是低压蒸汽，而是优选0.2-2.8，特别是0.5-2.4巴的超压)。优选地，蒸汽是饱和蒸汽。如在实施例中特别显示的，通过使用超压，可以实现所生产的长丝的均匀性的惊人的改进。

当然，本发明还设想了加热类型的组合，例如顶部外壳的蒸汽加热和喷嘴框架的电加热等。只要根据本发明使用的喷丝板允许蒸汽加热至少顶部外壳，可以采用提供加热的方式的任何组合。

喷丝板的单个部分可以由本领域常用的材料(例如(不锈)钢)制备。由于本发明的目的是提供优异的温度控制(特别是涉及良好的传热)，优选将允许良好传热的材料用于生产喷丝板的相关部件。

单个喷嘴板的类型和形状不是关键的，例如可以采用在WO 03/014429中公开的那些。同样，在多喷嘴板喷丝板中，位于框架内的喷嘴板的数量通常不受任何限制。然而，对于本发明的喷丝板，优选多达100个，优选30-60个喷嘴板位于框架内。关于喷嘴板中孔的数量几乎没有限制。然而，通常优选在要求保护的喷丝板的情况下，单个喷嘴板具有3-1000个，优选20-300个，更优选30-120个孔用于纺丝长丝。

在优选的实施方案中，本发明提供了具有所定义的纵横比的根据本发明的喷丝头，该喷丝头含有可蒸汽加热的顶部外壳、过滤网组合、多孔板(分配器板)以及喷丝板(喷嘴框架以及如果该框架不是已经是复丝纺丝喷嘴则布置在该框架内的任选的单个喷嘴板)。有利地，喷丝头被设计成仅由一个纺丝泵供应，即纤维素溶液向喷丝头的供应用单个泵发生。在这种情况下，喷丝板内的每个喷嘴板对应于由该喷嘴板中的纺丝孔的数量所得到的长丝数量构成的一根丝线或复丝。

通常，在将纺丝物料(纺丝原液)输送到纺丝头之前将其过滤。在过滤过程中，烛形过滤器(例如细度在5-50 pm之间的金属棉(metal wool)过滤器)已经证明是有用的。也可以使用其它装置，例如纺织品或织物过滤器(网、网眼等)，只要细度与莱赛尔纤维方法所需的一样。优选烛形过滤器。在适当溶剂(例如叔胺N-氧化物)和任选的水中制备纤维素纺丝原液是本领域技术人员已知的，并且描述于例如WO 98/06754和其中引用的文献中，因此在此不需要任何进一步的说明。

在纺丝原液到达喷丝板之前，有利地引导纺丝原液通过过滤网组合，该过滤网组合例如可以由细度在15-50 pm之间的金属的编织物构成。该过滤网组合直接位于多孔板上，其后是实际的喷丝板，其由上述框架和喷嘴板组成。喷嘴板理想地已经焊接到框架中。喷丝头例如由高等级不锈钢制成。

喷丝头的可蒸汽加热的顶部外壳用于在喷丝板的整个长度和宽度上提供纺丝原液的均匀分布。在该过程中，例如通过柔性金属管或金属导管，可以将纺丝原液携带至顶部外壳的中心。优选地，这些是可加热的，例如通过提供允许引入加热介质的加热夹套或双壁结构。合适的实例是柔性双壁管，其允许例如通过水或蒸汽加热。顶部外壳的体积优选保持小体积，因为在升高的温度和较长的停留时间下纺丝原液具有朝向分解反应的趋势。另一方面，停留时间必须足够长以在整个长度和宽度上将纺丝原液保持在恒定的温度。以这种方式，确保了纺丝原液流非常均匀。因此，喷嘴板中的每个孔接收相同量的纤维素溶液，并且所得的长丝或丝线具有非常高的均匀性。就此而言，如上所述，优选不仅顶部外壳是可蒸汽加热的，而且喷嘴框架(包括提供用于固定单个喷嘴板的任何针脊)也是可蒸汽加热的。

技术人员能够通过简单的实验和相应的流变学计算来确定顶部外壳的尺寸。在顶部外壳的下面通常有其上具有金属丝网的多孔板。金属丝网或过滤网组合用于在喷丝板之前的最终过滤，并保护喷嘴板中的相对细的纺丝孔免受灰尘污染。用于纺丝长丝的孔优选直径为30-200 pm，更优选60-130 pm。此外，由金属丝网引起的流动压降用于提高在整个喷丝板的长度和宽度上关于压力、温度和同质性的纺丝原液均匀性。多孔板同样用于使纺丝原液在整个喷丝板的长度和宽度上关于压力、温度和同质性方面是均匀的，以及用于支撑金属丝网。

在优选的实施方案中，多孔板由高导热材料制成。与通常使用的多孔板或支撑板的情况不同，当使用高导热材料时，即使与流动方向成直角(横向)，并因此横跨所有纺丝位置，也可使纺丝原液的温度均匀。在此情况下，优选使用比热导率大于约50 W/(m*K)，优选大于约80 W/(m*KA)的用于多孔板的材料。这样的材料的实例是碳化硅(约100 W/(m*K))。

如前所述，喷嘴板通常单个地焊接到框架中。根据本发明的喷丝板的喷嘴板优选是平的，并且在这种情况下厚度为1-3 mm，优选约1.5-2 mm，并且被设计用于高于约60巴的压力。

由于在根据本发明的喷丝板内以及在含有该喷丝板的喷丝头内的均匀的热分布，可以以非常经济的方式生产大量的纤维素复丝，同时具有良好的质量和方法稳定性。这尤其适用于长丝的纺丝速率大于约500 m/min，优选大于800 m/min。原则上，对可达到的纺丝速率没有限制。即使以1,500-2,000 m/min的速率，仍可获得具有非常良好质量的长丝。

虽然以上主要在可蒸汽加热的喷丝板/喷丝头的背景下描述了本发明，本领域技术人员将理解，该描述同样适用于加热喷丝板的所要求保护的方法以及生产莱赛尔纤维长丝的所要求保护的方法。特别是与莱赛尔纤维长丝的生产相关，本领域技术人员将理解，通过使用如本文所述的蒸汽加热，可以实现特别是与所生产的莱赛尔纤维长丝的均匀性相关的改进，这样的改进在现有技术中既未公开也未暗示。根据本发明的用于生产莱赛尔纤维长丝的方法通常包括在段落[0023]和[0024]中所述的步骤，以及用于获得根据莱赛尔纤维方法的纺丝物料/溶液的常规制备步骤。纺丝以典型的方式进行，通常在喷丝板和凝固浴之间使用气隙。典型的后续步骤包括洗涤和纺丝后处理步骤(施加长丝表面处理剂等)，以及干燥和卷绕步骤。

实施例

在标准条件下使用相同的纺丝溶液，采用具有不同纵横比的喷丝板以及不同的喷丝板加热方式(用水(118℃)或蒸汽(118℃，1.9巴)加热，喷丝板/喷丝头的加热的区是顶部外壳和喷嘴框架)生产莱赛尔纤维长丝。评价所得长丝的长丝纤度(平均纤度以及最小纤度和最大纤度)并计算标准偏差。在本发明的上下文中，0.15或更小的标准偏差(STD)被认为是可接受的，其中优选小于0.15，特别是0.1或更小的STD值。

已经发现，对于圆形形状的喷丝板(直径为50 cm或更大)以及纵横比小于2的喷丝板，可以生产令人满意的长丝，其中STD值为约0.15，即使当使用水作为提供热的方式时。

分别使用纵横比为12和15的矩形喷丝板，水加热产生STD值大于0.15(并且在实施方案中高达0.2或更大)的长丝。与此相反，在其它条件相同的情况下，蒸汽加热喷丝板产生STD值低于0.15(在实施方案中甚至低于0.1)的长丝。

如下表中所总结的进行另外的实验。在列℃和巴中的值定义了所用加热介质的温度以及在蒸汽的情况下在给定温度下在饱和蒸汽内获得该温度所需的压力。

	用以下加热	用以下加热
							喷嘴类型	顶部外壳	喷嘴框架	纵横比	STD	℃	巴
矩形	水	-	6.1	0.211	126
							矩形	蒸汽	-	6.1	0.133	126	2.45
圆形	水	-	1	0.131	116
							矩形	蒸汽	蒸汽	11.3	0.087	118	1.9
矩形	水	-	4.5	0.166	122
							矩形	水	水	4.5	0.15	122

结果再次证实本发明的概念，即通过采用蒸汽加热，对于具有限定的纵横比的矩形喷丝板，所生产的长丝的均匀性急剧增加。即使当顶部外壳和喷嘴框架两者都用水加热时，均匀性也达不到用蒸汽加热所实现的水平。这些结果也证实，根据本发明可以实现STD值为0.14或更小，而水加热仅可获得对应于STD值为0.15或更高的长丝均匀性。

因此，本发明提供了通过蒸汽加热通过喷丝板内的温度控制来确保纤度同质性的方式。

Claims (10)

1.可蒸汽加热的喷丝板，其具有纵横比大于2的矩形形状，包含至少顶部外壳和喷嘴框架和在所述喷嘴框架内的任选的单个喷嘴板，其中将至少所述顶部外壳和/或所述喷嘴框架通过蒸汽加热。

2.根据权利要求1所述的喷丝板，其中将所述顶部外壳和所述喷嘴框架通过蒸汽加热。

3.根据权利要求1或2所述的喷丝板，其中所述喷丝板进一步包含不同于蒸汽加热的另外的加热装置。

4.控制具有矩形形状并且纵横比大于2的喷丝板内的温度的方法，其中将至少所述喷丝板的所述顶部外壳和/或所述喷嘴框架以及在所述喷嘴框架内的任选的单个喷嘴板通过蒸汽加热。

5.生产莱赛尔纤维长丝的方法，所述方法采用根据权利要求1-3中任一项所述的喷丝板，或使用根据权利要求4所述的方法。

6.根据前述权利要求中任一项所述的喷丝板或方法，其中所述喷丝板的纵横比为5-25。

7.根据前述权利要求中任一项所述的喷丝板或方法，其中采用温度为105-138℃并且压力为0.2-3.4巴的蒸汽。

8.根据前述权利要求中任一项所述的喷丝板或方法，其中所述顶部外壳和所述喷嘴框架由不锈钢制成。

9.根据前述权利要求中任一项所述的喷丝板或方法，其中所述喷丝头包含多孔板(breaker)，优选地，其中所述多孔板是可蒸汽加热的。

10.根据前述权利要求中任一项所述的喷丝板或方法，其中所述喷丝板是多喷嘴板喷丝板，其中所述喷嘴框架包含可蒸汽加热的针脊。

Images