CN114775076B - 一种高性能生物基纤维的拉丝工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物基纤维加工领域，尤其涉及一种高性能生物基纤维的拉丝工艺，包括同心套设的内筒、中筒、外筒，所述内筒和中筒之间构成预热腔，中筒和内筒之间构成熔融腔，内筒的壁内开设有导流腔，内筒和中筒的外壁封装有滤板，预热腔、熔融腔和导流腔通过滤板贯通，中筒、内筒的外壁均安装有电加热板，中筒的底部连接有出丝组件，出丝组件包括具有环形内腔的丝板，环形内腔底部具有丝孔，丝孔的边缘安装有电加热环，环形内腔连通导流腔，本发明将聚乳酸原料在温度递增的预热腔、熔融腔、导流腔、环形空腔内传导，实现对聚乳酸原料分级加热，使加热温度控制更加精细，有避免低聚乳酸发生热降解，提高初生纤维的质量。

Description

一种高性能生物基纤维的拉丝工艺

技术领域

本发明涉及生物基纤维加工领域，尤其涉及一种高性能生物基纤维的拉丝工艺。

背景技术

石油基和煤基的传统塑料及大部分纤维难以在自然环境中降解，并会形成微塑料进入环境造成严重的污染，以至于越来越多的国家开始实施"禁塑令"，开发生物可降解塑料及纤维制品成为当下趋势，生物基合成纤维是含有生物基来源单体的聚合物所制成的纤维，已成为新纺织经济和可持续时尚的战略组成部分。

聚乳酸纤维是较为常见的生物基纤维材料，聚乳酸有许多突出的优点，如生物相容性好、降解产物为二氧化碳和水、不会对环境产生污染，聚乳酸制品除生物降解、生物相容性好以外、光泽度、透明性、手感和耐热性也很好，还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外线性，因此用途十分广泛。

通过熔融纺丝方式加工聚乳酸纤维是可行性较高的方式，聚乳酸熔融纺丝加工是先对聚乳酸原材加热熔融，再恒温挤出成丝，传统的加热方式采用一步加热，导致容腔内的聚乳酸受热不均，为保证材料全部熔融，所需的加热温度一般高出设定温度，而聚乳酸在较高温度下容易热降解，降低了初生纤维的质量。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的以下问题：传统的加热方式采用一步加热，导致容腔内的聚乳酸受热不均，为保证材料全部熔融，所需的加热温度一般高出设定温度，而聚乳酸在较高温度下容易热降解，降低了初生纤维的质量。

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种生物基纤维的拉丝装置，包括同心套设的内筒、中筒、外筒，所述内筒和中筒之间构成预热腔，中筒和内筒之间构成熔融腔，内筒的壁内开设有导流腔，内筒和中筒的外壁封装有滤板，预热腔、熔融腔和导流腔通过滤板贯通，中筒、内筒的外壁均安装有电加热板，中筒的底部连接有出丝组件，出丝组件包括具有环形内腔的丝板，环形内腔底部具有丝孔，丝孔的边缘安装有电加热环，环形内腔连通导流腔，电加热板、电加热环分别对预热腔、熔融腔和环形内腔的加热温度递增，用于在额定温度下逐级热熔生物基材料。

优选的，所述预热腔、熔融腔、导流腔的截面面积依次减小，初始放入预热腔内的聚乳酸原料之间具有较大间隙，聚乳酸原料在预热腔、熔融腔、导流腔之间传导形态从固体逐渐变成熔融态，其体积逐渐缩小，预热腔、熔融腔、导流腔体积逐级减小用于适应聚乳酸的体积变化，避免掺杂较多空气。

优选的，所述中筒的顶部、底部转动密封连接内筒，所述外筒的底部转动密封连接中筒，外筒与内筒固定连接，内筒顶部安装有电机，电机的轴端传动连接中筒，通过电机驱动中筒相对外筒、内筒旋转，用于增加预热腔、熔融腔内聚乳酸物料的活动强度，使聚乳酸物料在预热腔、熔融腔内均匀被加热到额定温度。

优选的，所述中筒、内筒外表面的滤板和电加热板交错分布，所述环形内腔底部的丝孔呈环形分布，所述电加热环同心设置在丝孔的边缘，进一步促进预热腔、熔融腔内的聚乳酸物料被均匀加热。

优选的，所述外筒的内壁、中筒的内壁均固定有拨料条，所述内筒的外壁、中筒的外壁位于滤板侧边固定有挡料条，挡料条与拨料条在旋转方向上间隙配合，中筒旋转下，使预热腔、熔融腔内部的挡料条与拨料条相对转动，用于压迫聚乳酸物料穿过滤板在预热腔、熔融腔、导流腔内传导，同时也用于搅拌预热腔、熔融腔内部的物料，提高加热均匀性。

优选的，所述外筒的顶部固定有直径扩大的料筒，料筒与中筒之间具有进料腔，进料腔连通预热腔，进料腔内部适配有绞龙，绞龙固定连接中筒的外壁，物料放在进料腔顶部，旋转的绞龙用于将进料腔内的聚乳酸物料向预热腔内增压传导，也为聚乳酸物料在预热腔、熔融腔、导流腔之间传导提供动力。

优选的，所述导流腔底口的外壁低于内壁，导流腔底口的外壁、内壁底部分别连接有外柔性层、内柔性层，外柔性层和导流腔底口的外壁对应位置之间构成挤压腔，外柔性层与内柔性层之间构成开合腔，开合腔连通所述环形空腔，所述内筒内部转动有轴杆，轴杆固定连接电机的轴端，轴杆底端固定有螺旋板，螺旋板边缘与挤压腔的内侧挤压接触，熔融的聚乳酸从导流腔进入挤压腔内，熔融的聚乳酸充盈挤压腔内部，内柔性层的内侧受压力作用向内凸起，电机驱动轴杆和螺旋板转动，螺旋板的边缘向下挤压内柔性层的表面，用于将挤压腔内熔融的聚乳酸撵进丝板的环形内腔内。

优选的，所述螺旋板的底部同心设置有方柱，方柱与螺旋板滑动插接，方柱的底部与丝板通过单向轴承转动连接，进行拉丝生产时，螺旋板带动方柱与丝板相对转动，开合腔内部向下传导熔融的聚乳酸，当暂停出丝时，电机驱动轴杆、螺旋板、方柱限定反转，方柱带动丝板反转一定角度，螺旋板将挤压腔内部的熔融聚乳酸向上推动一段距离，外柔性层、内柔性层在扭转下拧在一起，开合腔被挤压闭合，有效避免熔融的聚乳酸持续向下传导，也避免丝板内的高温向上传导。

一种使用所述生物基纤维拉丝装置的高性能拉丝工艺，具体步骤如下：

A、电加热板、电加热环对预热腔、熔融腔、环形空腔依次增温加热，预热腔内部的温度为150-156℃，熔融腔内部的温度为163-170℃，环形空腔内部的温度为185-188℃；

B、将聚乳酸切片料加入进料腔，通过电机驱动中筒、绞龙同步旋转，绞龙将聚乳酸切片向预热腔内传导，聚乳酸切片在预热腔内加热软化至半熔融聚乳酸，并穿过滤板进入熔融腔内，半熔融聚乳酸在熔融腔内加热成熔融聚乳酸，熔融聚乳酸穿过滤板进入导流腔内；

C、熔融聚乳酸沿着导流腔导入环形空腔内，通过电加热环将熔融聚乳酸加热至挤出状态，并通过丝孔挤出形成聚乳酸纤维丝。

与相关技术相比较，本发明提供的高性能生物基纤维的拉丝工艺具有如下有益效果：

1、本发明将聚乳酸原料在温度递增的预热腔、熔融腔、导流腔、环形空腔内传导，实现对聚乳酸原料分级加热，使加热温度控制更加精细，有避免低聚乳酸发生热降解，提高初生纤维的质量；

2、本发明通过驱动中筒相对外筒、内筒转动，配合拨料条、挡料条的设置，用于搅动预热腔、熔融腔内部的聚乳酸料，使其被加热的更加均匀，保证乳酸料在不同环节具有额定的加热温度，进一步避免热降解的情况发生；

3、本发明采用弹性的内柔性层作为挤压腔的内壁，使挤压腔充满熔融聚乳酸时向内膨胀，在螺旋板的旋转推动下向下碾压传导熔融聚乳酸，用于稳定的对出丝部位供压；

4、本发明通过外柔性层、内柔性层构成的开合腔，在停工时反转驱动5使外柔性层、内柔性层拧在一起将开合腔封闭，有效避免熔融的聚乳酸持续向下传导，也避免丝板丝板内的高温向上传导。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的绞龙安装结构示意图；

图3为本发明的预热腔与熔融腔连通结构示意图；

图4为本发明的内筒内部结构示意图；

图5为本发明的外柔性层、内柔性层安装结构示意图；

图6为本发明的滤板、电加热板分布示意图。

图中标号：1、外筒；2、中筒；3、内筒；4、电机；5、丝板；6、滤板；7、轴杆；8、电加热板；9、料筒；10、绞龙；11、预热腔；13、外柔性层；14、内柔性层；15、开合腔；16、挤压腔；17、螺旋板；18、方柱；19、拨料条；20、挡料条；21、熔融腔；22、空槽；31、导流腔；51、电加热环。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

实施例一

如图1、3-6所示，一种生物基纤维的拉丝装置，包括内筒3、中筒2、外筒1，内筒3、中筒2、外筒1由内往外依次套设，中筒2的顶部和底部通过密封轴承转动连接内筒3，外筒1的底部通过密封轴承转动连接中筒2，外筒1与内筒3固定连接，将电机4安装在内筒3顶部，电机4的轴端通过皮带和齿轮组传动连接中筒2，内筒3和中筒2之间构成预热腔11，中筒2和内筒3之间构成熔融腔21，在内筒3的壁内开设垂直向下的导流腔31，在内筒3和中筒2的外壁等角度封装多个滤板6，中筒2、内筒3的外壁等角度安装多个电加热板8，电加热板8与滤板6位置交错，预热腔11、熔融腔21和导流腔31通过滤板6贯通，出丝组件包括丝板5，丝板5内部具有贯通顶面的环形内腔，环形内腔底部呈环形状分布多个丝孔，将电加热环51同心安装在丝孔的边缘，环形内腔连通导流腔31；

开启两组电加热板8将预热腔11内部的温度加热至150-156℃，将熔融腔21内部的温度加热至163-170℃，通过电加热环51将环形空腔内部的温度加热至185-188℃，聚乳酸原料从预热腔11顶部放入其内部，通过电机4驱动中筒2相对于外筒1和内筒3转动，聚乳酸原料在预热腔11被搅动加热至半熔融状态，然后穿过第一层滤板6逐渐进入熔融腔21内部被搅动加热至熔融状态，熔融的聚乳酸原料穿过第二层滤板6进入导流腔31向下传导至环形内腔内，在丝孔边缘的熔融的聚乳酸被快速加热至挤出温度，然后经过丝孔被快速挤出成纤维丝。

在中筒的内部开设多个空槽22，空槽22将电加热板8与熔融腔21隔离，降低预热腔11、熔融腔21内部的温度传导影响。

如图6所示，预热腔11、熔融腔21、导流腔31的水平截面面积依次减小，由于初始放入预热腔11内的聚乳酸原料之间具有较大间隙，聚乳酸原料在预热腔11、熔融腔21、导流腔31之间传导形态从固体逐渐变成熔融态，其体积逐渐缩小，预热腔11、熔融腔21、导流腔31体积逐级减小用于适应聚乳酸的体积变化，避免掺杂较多空气。

如图6所示，在外筒1的内壁、中筒2的内壁均固定竖直的拨料条19，在内筒3的外壁、中筒2的外壁位于滤板6侧边固定竖直的挡料条20，而挡料条20与拨料条19在旋转方向上间隙配合，在中筒2的旋转下，使预热腔11、熔融腔21内部的挡料条20与拨料条19相对转动，用于压迫聚乳酸物料穿过滤板6在预热腔11、熔融腔21、导流腔31内传导，同时也用于搅拌预热腔11、熔融腔21内部的物料，提高加热均匀性。

如图2所示，将料筒9固定在外筒1的顶部，并且料筒9的直径大于外筒1，在料筒9与中筒2之间形成进料腔，进料腔的底部连通预热腔11，将绞龙10与中筒2的外壁固定连接，而绞龙10与进料腔的内腔尺寸适配；

物料放在进料腔顶部，旋转的绞龙10用于将进料腔内的聚乳酸物料向预热腔11内增压传导，也为聚乳酸物料在预热腔11、熔融腔21、导流腔31之间传导提供动力。

如图4-5所示，导流腔31的底口外部向下过度延伸，并且在其延伸的底端固定外柔性层13，导流腔31底口的内壁固定连接内柔性层14，在外柔性层13和导流腔31底口的外壁延伸部位之间构成挤压腔16，在外柔性层13与内柔性层14对应位置之间构成开合腔15，导流腔31、挤压腔16、开合腔15、环形空腔垂直贯通，将轴杆7从内筒3中心位置垂直设置，并且轴杆7固定连接电机4的轴端，将螺旋板17固定在轴杆7的底端，螺旋板17边缘位置与挤压腔16的内侧挤压接触，外柔性层13和导流腔31采用弹性软橡胶制成；

熔融的聚乳酸从导流腔31进入挤压腔16内，熔融的聚乳酸充盈挤压腔16内部，内柔性层14的内侧受压力作用向内凸起，电机4驱动轴杆7和螺旋板17转动，螺旋板17的边缘向下挤压内柔性层14的表面，用于将挤压腔16内熔融的聚乳酸撵进丝板5的环形内腔内，实现对聚乳酸挤压成丝。

如图4-5所示，在螺旋板17的底部同心连接方柱18，方柱18的底端通过单向轴承转动连接丝板5；

进行拉丝生产时，螺旋板17带动方柱18与丝板5相对转动，开合腔15内部向下传导熔融的聚乳酸，当暂停出丝时，电机4驱动轴杆7、螺旋板17、方柱18限定反转，方柱18带动丝板5反转一定角度，螺旋板17将挤压腔16内部的熔融聚乳酸向上推动一段距离，外柔性层13、内柔性层14在扭转下拧在一起，开合腔15被挤压闭合，有效避免熔融的聚乳酸持续向下传导，也避免丝板5内的高温向上传导；

当开合腔15被扭转闭合时会使外柔性层13、内柔性层14在长度方向上缩短，方柱18与螺旋板17垂直滑动插接，此时方柱18拉扯丝板5整体上移，用于缓解外柔性层13、内柔性层14因扭转形变产生的应力。

一种使用所述生物基纤维拉丝装置的高性能拉丝工艺，具体步骤如下：

A、电加热板8、电加热环51对预热腔11、熔融腔21、环形空腔依次增温加热，预热腔11内部的温度为150-156℃，熔融腔21内部的温度为163-170℃，环形空腔内部的温度为185-188℃；

B、将聚乳酸切片料加入进料腔，通过电机4驱动中筒2、绞龙10同步旋转，绞龙10将聚乳酸切片向预热腔11内传导，聚乳酸切片在预热腔11内加热软化至半熔融聚乳酸，并穿过滤板6进入熔融腔21内，半熔融聚乳酸在熔融腔21内加热成熔融聚乳酸，熔融聚乳酸穿过滤板6进入导流腔31内；

C、熔融聚乳酸沿着导流腔31导入环形空腔内，通过电加热环51将熔融聚乳酸加热至挤出状态，并通过丝孔挤出形成聚乳酸纤维丝。

Claims (7)

1.一种生物基纤维的拉丝装置，包括同心套设的内筒（3）、中筒（2）、外筒（1），其特征在于，所述内筒（3）和中筒（2）之间构成预热腔（11），中筒（2）和内筒（3）之间构成熔融腔（21），内筒（3）的壁内开设有导流腔（31），内筒（3）和中筒（2）的外壁封装有滤板（6），预热腔（11）、熔融腔（21）和导流腔（31）通过滤板（6）贯通，中筒（2）、内筒（3）的外壁均安装有电加热板（8），中筒（2）的底部连接有出丝组件，出丝组件包括具有环形内腔的丝板（5），环形内腔底部具有丝孔，丝孔的边缘安装有电加热环（51），环形内腔连通导流腔（31），电加热板（8）、电加热环（51）分别对预热腔（11）、熔融腔（21）和环形内腔的加热温度递增，用于在额定温度下逐级热熔生物基材料；

所述预热腔（11）、熔融腔（21）、导流腔（31）的截面面积依次减小；

所述导流腔（31）底口的外壁低于内壁，导流腔（31）底口的外壁、内壁底部分别连接有外柔性层（13）、内柔性层（14），外柔性层（13）和导流腔（31）底口的外壁对应位置之间构成挤压腔（16），外柔性层（13）与内柔性层（14）之间构成开合腔（15），开合腔（15）连通环形空腔，所述内筒（3）内部转动有轴杆（7），轴杆（7）固定连接电机（4）的轴端，轴杆（7）底端固定有螺旋板（17），螺旋板（17）边缘与挤压腔（16）的内侧挤压接触。

2.根据权利要求1所述的生物基纤维的拉丝装置，其特征在于，所述中筒（2）的顶部、底部转动密封连接内筒（3），所述外筒（1）的底部转动密封连接中筒（2），外筒（1）与内筒（3）固定连接，内筒（3）顶部安装有电机（4），电机（4）的轴端传动连接中筒（2）。

3.根据权利要求2所述的生物基纤维的拉丝装置，其特征在于，所述中筒（2）、内筒（3）外表面的滤板（6）和电加热板（8）交错分布，所述环形内腔底部的丝孔呈环形分布，所述电加热环（51）同心设置在丝孔的边缘。

4.根据权利要求3所述的生物基纤维的拉丝装置，其特征在于，所述外筒（1）的内壁、中筒（2）的内壁均固定有拨料条（19），所述内筒（3）的外壁、中筒（2）的外壁位于滤板（6）侧边固定有挡料条（20），挡料条（20）与拨料条（19）在旋转方向上间隙配合。

5.根据权利要求2所述的生物基纤维的拉丝装置，其特征在于，所述外筒（1）的顶部固定有直径扩大的料筒（9），料筒（9）与中筒（2）之间具有进料腔，进料腔连通预热腔（11），进料腔内部适配有绞龙（10），绞龙（10）固定连接中筒（2）的外壁。

6.根据权利要求1所述的生物基纤维的拉丝装置，其特征在于，所述螺旋板（17）的底部同心设置有方柱（18），方柱（18）与螺旋板（17）滑动插接，方柱（18）的底部与丝板（5）通过单向轴承转动连接。

7.一种使用如权利要求1-6任一项所述生物基纤维的拉丝装置的高性能拉丝工艺，其特征在于，具体步骤如下：

A、电加热板（8）、电加热环（51）对预热腔（11）、熔融腔（21）、环形空腔依次增温加热，预热腔（11）内部的温度为150-156℃，熔融腔（21）内部的温度为163-170℃，环形空腔内部的温度为185-188℃；

B、将聚乳酸切片料加入进料腔，通过电机（4）驱动中筒（2）、绞龙（10）同步旋转，绞龙（10）将聚乳酸切片向预热腔（11）内传导，聚乳酸切片在预热腔（11）内加热软化至半熔融聚乳酸，并穿过滤板（6）进入熔融腔（21）内，半熔融聚乳酸在熔融腔（21）内加热成熔融聚乳酸，熔融聚乳酸穿过滤板（6）进入导流腔（31）内；

C、熔融聚乳酸沿着导流腔（31）导入环形空腔内，通过电加热环（51）将熔融聚乳酸加热至挤出状态，并通过丝孔挤出形成聚乳酸纤维丝。