CN114585778A - 辊表面 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及欲用于生产纤维素长丝纱线的辊的表面适配。
Description
本发明涉及欲用于生产纤维素长丝纱线的辊的表面适配(surface adaptation)。
背景
连续长丝纱线广泛用于纺织工业中以生产与由使用短纤维制得的纱线生产的织物相比具有不同特性的织物。连续长丝纱线是其中所有纤维贯穿纱线的任何长度都连续的纱线。连续长丝纱线将通常由10至300根或更多根单独长丝组成，这些单独长丝都彼此平行并在生产时平行于纱线的轴。该纱线通过挤出聚合物或聚合物衍生物的溶液或熔体并随后将生产的纱线卷绕到线轴或卷轴上或通过经由离心卷绕形成丝饼来生产。
合成聚合物连续长丝纱线是常见的。例如，尼龙、聚酯和聚丙烯连续长丝纱线用于多种多样的织物。它们通过使熔融聚合物经具有若干孔的喷丝板进行熔融纺丝来生产，所述孔的数量对应于生产的纱线中所需的长丝数量。在熔融聚合物开始凝固后，可以拉伸纱线以使聚合物分子定向并改善纱线的性质。还可以通过干法纺丝由纤维素衍生物(例如二乙酸纤维素和三乙酸纤维素)来纺制连续长丝纱线。将聚合物溶解在合适的溶剂中并随后经喷丝板挤出。溶剂在挤出后快速蒸发，使得聚合物以形成纱线的长丝形式沉淀。新生产的纱线可经拉伸以使聚合物分子定向。
生产纤维素基长丝和纤维的一种方法是所谓的莱赛尔法。莱赛尔技术是基于将纤维素木浆或其它纤维素基原料直接溶解在极性溶剂(例如N-甲基吗啉N-氧化物，下文称为“胺氧化物”)中以产生粘性的高剪切稀化溶液(其可形成一系列有用的纤维素基材料)的技术。在商业上，该技术用于生产在纺织品和非织造物工业中广泛使用的一族纤维素短纤维(可以商标TENCEL®商购自Lenzing AG, Lenzing, Austria)。还已公开了来自莱赛尔技术的其它纤维素产品，例如长丝、薄膜、套管、珠粒和非织造网幅。
EP 823945 B1公开了一种制造纤维素纤维的方法，其包括根据莱赛尔法挤出和凝固纤维素纺丝溶液，强制包括拉伸长丝并将该长丝切割成纤维素纤维的步骤，该纤维素纤维可用于各种应用领域。根据该现有技术的教导，为了获得特别是具有所需性质平衡的短纤维，拉伸凝固的纤维素长丝的工艺步骤是至关重要的。
EP 0 853 146 A2公开了一种制备纤维素基纤维的方法。根据该文献的教导，混合两种分子量迥异的不同原材料以便获得纤维。WO 98/06754公开了一种类似的方法，该方法需要首先单独溶解两种不同的原材料，随后将制备的溶液混合以获得纺丝溶液。DE 199 54152 A1公开了一种制备纤维的方法，其中使用具有相对较低温度的纺丝溶液。WO 97/23667公开了一种制造莱赛尔纤维的方法。DE 10 2005 040 001 A1公开了一种可用于生产莱赛尔纤维的装置。O.Santos等人在Journal of Food Engineering 64 (2004), 63-79中公开了关于旨在减少结垢的改性不锈钢表面的信息。
已经描述了由莱赛尔纺丝溶液生产的纤维素长丝纱线的益处(Krüger,Lenzinger Berichte 9/94, S. 49 ff.)。但是，由于纺丝效率方面的需求提高，已经尝试将莱赛尔法中的纺丝速度提高至每秒几百米的值。但是，在此类高纺丝速度下，可能出现各种问题，包括在生产的单根长丝中不令人满意的高比例缺陷，这可能导致高比例的不适于进一步使用的产品和/或导致生产停止。
在莱赛尔法过程中，在凝固浴中的初始长丝凝固后，借助各种辊将长丝和/或丝束运送到该方法的其它阶段(例如洗涤等)。初始，长丝或丝束仍易于损坏和/或在它们接触时可能不合意地彼此粘附，使得必须注意长丝或丝束在辊周围通过不会导致不期望地影响所生产的长丝。此类负面影响的实例是对辊表面不令人满意的粘附造成的滑动、长丝或丝束在辊表面上的轴向移动(即辊表面上的侧向移动，使得在相邻长丝或丝束之间可存在不期望的接触)以及对辊表面过高的粘附使得当长丝或丝束从辊表面上脱离时在这些长丝或丝束上施加机械力而造成的影响。
因此，在高速下制备连续长丝莱赛尔纱线提出了新的工艺挑战。如果可以可靠方式尽可能使该工艺过程中的滑动或其它问题最小化，这将是有益的。如果不仅在该工艺的初始阶段过程中(紧随在纺丝以及初始洗涤步骤之后)，而且在该工艺的后续阶段(例如施加附加物质，例如整理(增柔)工艺或施加油、保湿组合物等)过程中可以使这些问题最小化或完全避免这些问题，这将是尤其有益的。
发明目的
因此，本发明的目的是提供防止莱赛尔长丝或丝束出现缺陷的方法以及在莱赛尔长丝生产过程中，特别是在高速下防止制造问题(例如滑动等造成的问题)的方法。
发明概述
因此，本发明提供了如权利要求1中定义的辊以及根据权利要求2所述的方法。在权利要求3至11和说明书中，以及在用途权利要求12至15中给出了优选实施方案。
发明详述
如本领域中公知的那样，莱赛尔法包括，在制备纺丝溶液后，通过喷嘴挤出长丝，在大多数情况下接着在气隙中初始冷却，接着在浴中凝固。随后，通常通过导向辊卷取长丝或丝束以便将产品引导至其它工艺步骤，例如液体去除和洗涤步骤。同样在这些阶段过程中，借助辊将长丝或丝束移动至接下来的工艺步骤。长丝生产的附加阶段可以是向长丝或长丝纱线施加其它物质的阶段，例如施加整理剂等。
关于这些辊，特别是在离开凝固浴后卷取长丝的初始导向辊，但也对下一辊或任何其它辊，重要的是非常小心地进行这些和进一步的加工步骤以便避免长丝受到对该长丝有害的力，同时再次在与第一对辊接触过程中特别还避免长丝和/或丝束的移动以便避免其彼此接触。在凝固后的这些初始阶段过程中，该长丝仍容易受到机械冲击，以及在单根长丝和/或丝束之间容易生成不期望的接触点。因为这可能在长丝处理过程中在更下游导致问题，所以其涉及小心控制这些工艺阶段。但是，在生产速度方面不能做出妥协，因为这是涉及商业考量的最重要因素之一。但是，类似的考量也适用于该工艺的后续阶段，因为再一次，长丝或长丝纱线必须非常小心地围绕相应工艺步骤的辊来运送，特别是避免滑动，因为这也可能在后续工艺步骤过程中(当长丝已经凝固时)导致不利影响，例如长丝断裂或生产问题。
特别地，要求长丝和/或丝束经由辊运送而不滑动，因为这特别可能导致各种问题，这些问题可能需要整个工艺高度不合意地停止。
如上所述，在这方面对辊表面的这些要求并不容易满足，因为不同的要求因纤维性质而相互矛盾。此外，这些要求在上述不同的生产阶段可能不同。为了允许在没有滑动以及长丝和/或丝束没有轴向移动的情况下进行快速运送，对表面的粘附力应尽可能高。同时，在给定点处，长丝或长束必须使其从辊表面脱离(即长丝和/或丝束从辊表面释放，而不会对长丝或丝束施加不期望的高机械力)，这要求粘附力尽可能低。因此，需要找到解决方案以便满足这些相互矛盾的需求。
根据本发明，已经发现如果选择要与莱赛尔长丝或丝束接触的辊表面，使得该辊表面包含第一节段(first sections)，则可以满足这些相互矛盾的要求，该第一节段表现出表面张力使得取决于粘附到该长丝或纱线的液体，满足以下条件之一：
a)第一节段的表面张力在液体的表面张力的0.25至3.5倍、优选0.35至2.5倍、更优选0.4至0.8倍范围内，条件是该液体的表面张力为45 mN/m或更高；或
b)第一节段的表面张力在液体的表面张力的0.5至10倍、优选0.8至2.5倍、更优选1至2倍范围内，条件是该液体的表面张力小于45 mN/m。
否则，根据本发明的辊的原理设计除本文中解释的表面结构外与常见的辊设计(例如直径等)一致，从而这些细节在此不再赘述。
已经发现，通过调节如上所述的辊表面的第一节段的表面张力，有可能在相应的工艺步骤中围绕该辊引导长丝和/或纱线，而不会对长丝或纱线产生不利影响。以洗涤步骤为例，如上所述的原理是指(取水作为洗涤液，其具有大约72.8 mN/m的表面张力)，第一节段可具有254.8 mN/m至18.2 mN/m的表面张力。如果是低表面张力液体(例如增柔组合物，其例如可具有大约29 mN/m的表面张力)，则第一节段的表面张力的范围可能为14.5 mN/m至290 mN/m。在如上所述的范围内的表面张力为长丝或丝束提供所需粘附力，如上所述，这防止了滑动以及长丝和/或丝束在辊表面上的轴向移动。但是，这同时要求辊还使得能够在所需位置处使长丝或丝束容易地从辊表面上移除。如上所述的这一要求用根据上述原理选择的辊同样得到满足。
但是，该辊表面还可包含表面张力低于第一节段的表面张力的第二节段。这可以特别有助于长丝或丝束从辊表面上适当脱离，其进一步避免了关于长丝或丝束的不期望的影响，例如长丝断裂等。因此，根据本发明的辊可包含第二表面节段，其允许长丝或丝束甚至更好地从辊表面上移除或脱离，而不会对长丝或丝束造成不利影响。根据本发明，这通过在辊表面上优选以规律的间隔提供适当的脱离节段来确保，其中这些节段的特征在于其表现出低于第一节段的表面张力的表面张力。优选地，这些第二节段表现出比第一节段的表面张力低至少5%、更优选至少10%、甚至更优选至少25%的表面张力。在实施方案中，该差异为至少10 mN/m、优选至少25 mN/m。如由上文显而易见的是，第二节段的表面张力原则上可以在对第一节段限定的范围所覆盖的范围内。但是，只要第二节段的表面张力低于第一节段的表面张力，则两种类型的节段可以清楚地限定，并且有可能区分这两种类型的表面节段。
如果第二节段具有另一结构(表面结构，例如粗糙度或不同的三维结构，例如凹部或折痕)或由不同材料制成，这将更为显而易见。但是，只要提供所需较低的表面张力，该第二节段就能够实现所需目的(帮助长丝/纱线从辊上脱离)，因为在使用过程中这些差异是足够的(即使绝对值仍将在对第一节段限定的表面张力范围内)。
根据本发明，各种手段是可用的，以便提供此类脱离节段。一种可能性是在辊表面上提供折痕或凹槽，优选平行于该辊的轴线延伸。通过提供此类折痕或凹槽，辊的(理论)表面借助简单地提供不存在的表面(即空气)由用于该辊的主要高表面张力材料(满足良好的粘附所需的上述要求)改变。此类“不存在”的表面在本发明的上下文中被认为是具有低表面张力的材料。在长丝加工过程中，这些折痕或凹槽还可填充水，这同样提供了在所需范围内的表面张力。
另一选择是降低表面粗糙度，因为这也将导致脱离节段的表面张力值在如上所述的范围内。
此外，还有可能用提供在上述范围内的表面张力的材料、优选合成聚合物来填充在辊表面上提供的折痕或凹槽。以类似的方式，即通过使用低表面张力材料、优选合成聚合物，还有可能在辊表面上提供涂布节段，其提供了在所需范围内的表面张力。确保此类涂层以所需方式起作用的一种方式是填充辊材料表面中的微裂纹或微裂隙。但是，本发明同样设想了在该辊表面的宏观表面区域上也提供此类涂层。
如果提供折痕或凹槽，则优选这些折痕或凹槽具有0.5至5 mm、优选1.5至2.5 mm范围内的宽度(即垂直于辊轴的尺寸)。两个此类凹槽或折痕之间的距离可以在2至25 mm、优选2.5至10 mm、更优选3至4.5 mm范围内。该尺寸也可关于辊表面的涂层来使用，以便产生脱离点，例如通过使用合成聚合物。
由于产生脱离节段(即根据本发明的第二节段)需要额外的制造步骤，例如表面改性工艺和/或涂布工艺，所以如果大部分辊表面由第一节段制成的话，则其是优选的。因为这些节段通常由用于辊表面制造的主要材料制成，所以如果这些表面节段构成该辊表面的大部分的话，则其通常在商业上是有益的。通常第一节段相对于整个辊表面的比例为40至95%、优选50至80%，包括60至70%。在实施方案中，该辊表面仅由第一节段组成。
要在辊表面上提供的折痕和凹槽以及微裂纹或微裂隙可以根据技术人员已知的方法通过适当的表面处理方法(例如蚀刻工艺)来制备。同样，技术人员能够例如采用合成聚合物涂布该辊表面以便产生提供脱离节段的涂层。同样，提供具有降低的表面粗糙度的节段同样完全在技术人员的常规实践中。
适于辊表面的高表面张力节段的材料特别是金属，特别是铁基材料、不锈钢、铬、铝等。但是，已经发现，只要满足表面张力要求，也可以使用其它材料，例如陶瓷。如果不仅仅提供折痕或凹槽，则适于提供脱离节段的材料通常是合成聚合物，例如PVC、PA、聚烯烃、PTFE、PET、PMMA等。为了便于生产本发明所提供的辊表面，使用热塑性聚合物是优选的。
令人惊讶地，已经发现通过遵循上述指导，即通过确保用于辊表面的主要材料的表面张力在上述范围内，同时提供满足再次如上所述的表面张力要求的任选脱离节段，有可能容易地确保在莱赛尔长丝生产过程中长丝或丝束围绕辊适当地运送，而不会引起不期望的影响，例如滑动、长丝或丝束之间的接触和长丝断裂。
因此，本发明提出在莱赛尔长丝生产过程中使用如本文中限定和描述的辊，特别是作为在凝固后卷取长丝或丝束的导向辊，而且用于例如在液体去除、洗涤或干燥操作过程中使用的任何后续辊。
使用镀铬钢辊生产莱赛尔长丝。根据下述方法测定该辊的表面张力。使用具有表面张力为大约37 mN/m的表面的辊(辊的表面张力为洗涤液的表面张力的大约0.5倍)，可以生产高品质莱赛尔长丝纱线，而没有任何与长丝断裂等相关的问题，即使在高速长丝生产过程中也如此。使用表面张力为大约44、56、93和185 mN/m(即0.6、0.75、1.3和2.4倍)的辊表面获得类似结果。
已经根据Owens-Wendt-Rabel-Kaelble的方法使用来自Krüss的表面能测量装置(DSA10HS)采用相应的软件(DSA10HSAJ1H“Drop shape Ananlysis System Serial Number20012303 (Q161F800 INR.59028)”)测定了如本文中提到的表面张力值。使用至少各1滴(每滴30个测量结果)的测量结果(在液滴沉积后60秒)来计算表面张力值，使用以下三种标准液体：
- HPLC水
- 用于分析的乙二醇(纯度>99.5%，例如可获自Merck: K42538921 1331.09621.1000)
- 二碘甲烷(纯度>99%，稳定化，例如可获自Acros organics: 169830250A0390451)。
Claims (15)
1.辊，适于在莱赛尔长丝生产过程中使用，其中所述辊表面包含第一节段，所述第一节段表现出表面张力使得取决于粘附到所述长丝或纱线的液体，满足以下条件之一：
a)所述第一节段的表面张力在所述液体的表面张力的0.25至3.5倍、优选0.35至2.5倍、更优选0.4至0.8倍范围内，条件是所述液体的表面张力为45 mN/m或更高；或
b)所述第一节段的表面张力在所述液体的表面张力的0.5至10倍、优选0.8至2.5倍、更优选1至2倍范围内，条件是所述液体的表面张力小于45 mN/m。
2.选择用于莱赛尔长丝生产过程中的工艺步骤的辊的方法，其特征在于选择所述辊，使得所述辊表面包含第一节段，所述第一节段表现出表面张力使得取决于粘附到所述长丝或纱线的液体，满足以下条件之一：
a)所述第一节段的表面张力在所述液体的表面张力的0.25至3.5倍、优选0.35至2.5倍、更优选0.4至0.8倍范围内，条件是所述液体的表面张力为45 mN/m或更高；或
b)所述第一节段的表面张力在所述液体的表面张力的0.5至10倍、优选0.8至2.5倍、更优选1至2倍范围内，条件是所述液体的表面张力小于45 mN/m。
3.根据权利要求1所述的辊或根据权利要求2所述的方法，其中所述第一节段的表面张力使得满足以下条件：条件a)的所述第一节段的表面张力在所述液体的表面张力的1至1.75倍范围内；条件b)的所述第一节段的表面张力在所述液体的表面张力的0.9至5倍范围内。
4.根据权利要求1或3所述的辊或根据权利要求2或3所述的方法，其中所述辊表面包含表面张力低于所述第一节段的第二节段。
5.根据前述权利要求中任一项所述的辊或方法，其中所述第一节段由金属、优选镀铬钢制成。
6.根据权利要求4或5任一项所述的辊或方法，其中所述第二节段由合成聚合物制成。
7.根据权利要求4或5任一项所述的辊或方法，其中所述第二节段是折痕或凹槽。
8.根据前述权利要求中任一项所述的辊或方法，其中所述辊表面仅包含第一节段，或其中所述第一节段和所述第二节段基本沿所述辊轴水平延伸。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的辊或方法，其中所述第二节段显示出0.5至5 mm、优选1.5至2.5 mm的宽度。
10.根据权利要求4至9中任一项所述的辊或方法，其中所述第二节段间隔2至25 mm、优选3至4.5 mm。
11.根据前述权利要求中任一项所述的辊或方法，其中所述第一节段占所述辊表面的表面积的40至95%。
12.根据前述权利要求中任一项所述的辊的用途，其中在莱赛尔长丝生产过程中使用所述辊。
13.根据权利要求12所述的用途，其中所述辊用作在所述莱赛尔长丝或丝束离开凝固浴之后卷取这些莱赛尔长丝或丝束的导向辊。
14.根据权利要求12所述的用途，其中所述辊在液体去除和/或洗涤步骤过程中使用。
15.根据权利要求12所述的用途，其中所述辊在对所述长丝施加附加物质的过程中使用。
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