CN115323501B - 加工Lyocell纤维纺丝原液的成膜蒸发器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加工Lyocell纤维纺丝原液的成膜蒸发器和方法。成膜蒸发器包括驱动结构、成膜管道、负压系统和三个流体成膜混炼螺杆；三个螺杆相互啮合的设置在成膜管道内，呈并列型或三角形排列，螺杆分为多个功能区，沿其轴向依次为一个喂料加压段、五级混炼溶解段和成膜脱水段、一个混炼溶解段、一个加压输送段，成膜管道外每个功能区对应一个温控组件，成膜管道对应喂料加压段设有喂料口，成膜管道和对应成膜脱水段形成成膜脱泡室，负压系统通过成膜脱泡室与成膜管道内部相连通。本发明不仅能够实现Lyocell纤维纺丝原液的完成溶解，还能够实现原液中气泡的快速脱除，同时增强原液的压力，提高后续纺丝的生产速率。

Description

加工Lyocell纤维纺丝原液的成膜蒸发器和方法
技术领域
本发明涉及纤维纺丝技术领域，尤其涉及一种加工Lyocell纤维纺丝原液的成膜蒸发器和方法。
背景技术
Lyocell纤维，即再生纤维素纤维，是近几十年快速发展的绿色环保纤维，以天然再生纤维素为原料，通过干喷-湿纺制得。由于生产过程中使用的有机溶剂能完全回收，无污染，且制备的纤维能完全生物降解，誉为二十一世纪的环保纤维。同时，Lyocell纤维具有很强的吸湿透气性，手感柔软滑爽，稳定性好，且强度满足纺织品的一般要求。因此，Lyocell纤维备受关注，其年需求量呈快速上升的趋势。
Lyocell纤维纺丝原液的均匀和稳定是制备Lyocell纤维的关键。由于纤维素具有结晶度高、分子量较大、刚性强、氢键多等特点，因此难以直接快速溶解在甲基氧化吗啉(NMMO)有机溶剂中。目前，纤维素原料的溶解常采用间接溶解法，包括混合、浸润、膨润、溶胀、溶解5道工序，存在能耗高、周期长、设备投入大等问题。同时，制得的Lyocell纤维纺丝原液存在白芯、纤维固含量不均等问题，难以实现均匀稳定的Lyocell纤维纺丝原液制备。
因此，发展一种能够实现生产均匀稳定的Lyocell纤维纺丝原液的加工方法与装备技术，显得极为迫切。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种均匀稳定加工Lyocell纤维纺丝原液的成膜蒸发器和方法。
本发明的一种加工Lyocell纤维纺丝原液的成膜蒸发器，包括驱动结构、成膜管道、负压系统和三个流体成膜混炼螺杆；三个流体成膜混炼螺杆相互啮合的设置在所述成膜管道内，呈并列型或三角形排列，所述驱动结构与三个所述流体成膜混炼螺杆传动连接以驱动所述流体成膜混炼螺杆转动，所述流体成膜混炼螺杆分为多个功能区，沿其轴向依次为一个喂料加压段、五级混炼溶解段和成膜脱水段、一个混炼溶解段、一个加压输送段，所述成膜管道外每个功能区对应一个温控组件，所述成膜管道对应所述喂料加压段设有喂料口，所述成膜脱水段和对应的成膜管道、负压管道形成成膜脱泡室，所述负压系统通过所述成膜脱泡室与所述成膜管道内部相连通；所述成膜管道末端设有溶液流体出口连接纺丝系统。
进一步的，所述成膜组件总长度L和其外直径D的比值L/D为58～64。
进一步的，喂料加压段长度为8～10D，由6～9个正向螺旋元件组成，元件导程范围为0.75～1.5D，沿熔体输送方向导程逐渐减小。
进一步的，混炼溶解段长度为5D，由2个正向螺旋元件、2个正向捏合块元件和1个反向捏合块元件组成；2个正向螺旋元件沿熔体输送方向导程为1.5D、1D；正向捏合块元件的长度为1D，捏合片厚度为0.2D，捏合片错列角沿熔体输送方向分别为30°、60°；反向捏合块元件的长度为0.5D，捏合片厚度为0.125D，捏合片错列角沿熔体输送方向分别为-30°。
进一步的，成膜脱水段长度为3.6D，由2个导程为1.8D的正向螺旋元件组成，螺旋角32.8°，螺旋的螺槽深度为0.16D，螺棱厚度为0.18D。
进一步的，加压输送段长度为3.5～5D，所述成膜挥发段由5～7个正向螺旋元件组成，导程范围为0.5D～1D，沿熔体输送方向导程逐渐减小，最后3个为导程均为0.5D的正向螺旋元件。
一种加工Lyocell纤维纺丝原液的方法，使用上述的成膜蒸发器；
方法包括如下步骤：
(1)将纤维素浆粕投入到预混合器中，加入NMMO/水混合溶液，充分搅拌得到预混物A；浆粕与NMMO/水体系的比例为1/10-5/1，其中NMMO/水的比例为1/10-10/1；
(2)预混物A传输至所述成膜蒸发器，经喂料加压段混合均匀并建立较高的流体压力，在成膜脱水段流体压力下降并快速成膜，并由负压系统快速脱除预混物A表界面的水分，通过调控水分蒸发量精确控制NMMO/水/维素浆粕的组成，获得完全溶解的Lyocell纤维纺丝原液；再经均匀混炼后加压输送至纺丝系统。
进一步的，所述喂料加压段的温度为20-40℃，混炼溶解段的温度为30-60℃，成膜脱水段的温度为50-70℃，加压输送段的温度为30-50℃；流体成膜混炼螺杆转速为50-350r/min；负压系统的压力控制在0.1-0.9大气压；脱水时间为3-150秒。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供了一种连续制备均匀稳定Lyocell纤维纺丝原液的加工方法，该方法克服了传统加工方法难以实现长期连续稳定生产的难点，能够精准控制水分，实现纤维素浆粕的完全溶解，制得均匀稳定的Lyocell纤维纺丝原液。
(2)本发明提供的成膜蒸发器不仅能够实现Lyocell纤维纺丝原液的完成溶解，还能够实现Lyocell纤维纺丝原液中气泡的脱除，同时增强Lyocell纤维纺丝原液的压力，提高后续纺丝的生产速率。
附图说明
图1为本发明的一种加工Lyocell纤维纺丝原液的成膜蒸发器的成膜管道内部结构示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为本发明的加工Lyocell纤维纺丝原液的方法的流程图。
1、成膜管道；2、负压系统；3、流体成膜混炼螺杆；4、喂料加压段；5、混炼溶解段；6、成膜脱水段；7、加压输送段；8、温控组件；9、喂料口；10、成膜脱泡室；11、出口；12、加热块；13、冷却水通道。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1和2所示，本发明的一种加工Lyocell纤维纺丝原液的成膜蒸发器，包括驱动结构(图中未示出)、成膜管道1、负压系统2和三个流体成膜混炼螺杆3；三个流体成膜混炼螺杆3相互啮合的设置在成膜管道1内，呈并列型或三角形排列，驱动结构与三个流体成膜混炼螺杆3传动连接以驱动流体成膜混炼螺杆3转动，流体成膜混炼螺杆3分为多个功能区，沿其轴向依次为一个喂料加压段4、五级混炼溶解段5和成膜脱水段6、一个混炼溶解段5、一个加压输送段7，成膜管道1外每个功能区对应一个温控组件8，成膜管道1对应喂料加压段4设有喂料口9，成膜管道1对应成膜脱水段6设有成膜脱泡室10，负压系统2通过成膜脱泡室10与成膜管道1内部相连通；成膜管道1末端设有出口11；成膜组件总长度L和其外直径D的比值L/D为58～64。
在一种可实施的方式中，成膜组件总长度L和其外直径D的比值L/D可以为60.25。
本发明提供的成膜蒸发器不仅能够实现Lyocell纤维纺丝原液的完成溶解，还能够实现Lyocell纤维纺丝原液中气泡的脱除，同时增强Lyocell纤维纺丝原液的压力，提高后续纺丝的生产速率。
所述喂料加压段长度为8～10D，由6～9个正向螺旋元件组成，元件导程范围为0.75～1.5D，沿熔体输送方向导程逐渐减小，在一种可实施的方式中，喂料加压段4长度可以为8.75D，由7个正向螺旋元件组成，沿熔体输送方向导程分别为1.5D、1.5D、1.5D、1.25D、1.25D、1D、0.75D。导程为1.5D元件，螺旋角25.5°，螺旋的螺槽深度为0.16D，螺棱厚度为0.25D，螺棱和成膜管道1内壁间隙可以为1.2mm；导程为1.25D元件，螺旋角21.7°，螺旋的螺槽深度为0.16D，螺棱厚度为0.2D，螺棱和成膜管道1内壁间隙1.2mm；导程为1D元件，螺旋角17.7°，螺旋的螺槽深度为0.16D，螺棱厚度为0.15D，螺棱和成膜管道1内壁间隙可以为1.2mm；导程为0.75D元件，螺旋角16.0°，螺旋的螺槽深度为0.16D，螺棱厚度为0.12D，螺棱和成膜管道1内壁间隙可以为1.2mm。
喂料口9与1.5D导程的元件相对应，喂料加压段4使用多个大导程元件加大浆粕输送量，可提高产量；通过导程逐渐缩小的元件，使浆粕充分压缩，尽量减少带入成膜蒸发器内的气泡。
混炼溶解段5长度可以为5D，由2个正向螺旋元件、2个正向捏合块元件和1个反向捏合块元件组成；2个正向螺旋元件沿熔体输送方向导程为1.5D、1D；正向捏合块元件的长度为1D，捏合片厚度为0.2D，捏合片错列角沿熔体输送方向分别为为30°、60°，捏合片和成膜管道1内壁间隙可以为0.75mm；反向捏合块元件的长度为0.5D，捏合片厚度为0.125D，捏合片错列角沿熔体输送方向分别为-30°，捏合片和成膜管道1内壁间隙可以为0.5mm。
混炼溶解段5通过正向捏合块元件的高频揉搓作用，促进浆粕中未完全溶解的纤维素的溶解；通过反向捏合块元件建立较高的溶液压力。
成膜脱水段6长度可以为3.6D，由2个导程为1.8D的正向螺旋元件组成，螺旋角32.8°，螺旋的螺槽深度为0.16D，螺棱厚度为0.18D，螺棱和成膜管道1内壁间隙可以为1.2mm。
成膜脱水段6使用大导程元件使纺丝溶液快速成膜并保持低溶液压力，高效脱除溶液中的气体，提升纺丝均匀性和纤维品质。
加压输送段长度可以为3.5～5D，成膜挥发段由5～7个正向螺旋元件组成，导程范围为0.5D～1D，沿熔体输送方向导程逐渐减小，最后3个为导程均为0.5D的正向螺旋元件，在一种可实施的方式中，加压输送段7长度可以为3.5D，成膜挥发段由5段正向螺旋元件组成，沿熔体输送方向导程分别为1D、1D、0.5D、0.5D、0.5D；导程为1D元件，螺旋角17.7°，螺旋的螺槽深度为0.16D，螺棱厚度为0.15D，螺棱和成膜管道1内壁间隙1.2mm；导程为0.5D元件，螺旋角9.1°，螺旋的螺槽深度为0.16D，螺棱厚度为0.06D，螺棱和成膜管道1内壁间隙0.5mm。
通过结合成膜脱水段6元件使导程逐渐缩小建立一定的溶液压力，末端重复的小导程元件保证纺丝溶液均匀稳定输出。
其中，温控组件8可以包括加热块12、设置在成膜管道1壁内的冷却水通道13和温度传感器(图中未示出)，通过温度传感器来实时监控成膜管道1内部的温度，通过加热块12和冷却水通道13内流动的冷却水来控制内部的温度。
一种加工Lyocell纤维纺丝原液的方法，使用上述的成膜蒸发器；
如图3所示，方法包括如下步骤：
(1)将纤维素浆粕投入到预混合器中，加入NMMO/水混合溶液，充分搅拌得到预混物A；浆粕与NMMO/水体系的比例为1/10-5/1，其中NMMO/水的比例为1/10-10/1；
(2)预混物A传输至成膜蒸发器，经喂料加压段4混合均匀并建立较高的流体压力，在成膜脱水段6流体压力下降并快速成膜，并由负压系统2快速脱除预混物A表界面的水分，通过调控水分蒸发量精确控制NMMO/水/维素浆粕的组成，获得完全溶解的Lyocell纤维纺丝原液。
其中，喂料加压段4的温度为20-40℃，混炼溶解段5的温度为30-60℃，成膜脱水段6的温度为50-70℃，加压输送段7的温度为30-50℃；流体成膜混炼螺杆3转速为50-350r/min；负压系统2的压力控制在0.1-0.9大气压；脱水时间为0.3-6秒。
本发明提供了一种连续制备均匀稳定Lyocell纤维纺丝原液的加工方法，该方法克服了传统加工方法难以实现长期连续稳定生产的难点，能够精准控制水分，实现纤维素浆粕的完全溶解，制得均匀稳定的Lyocell纤维纺丝原液。
实施例1
(1)将纤维素浆粕投入到预混合器中，加入NMMO/水混合溶液，充分搅拌得到预混物A；
(2)预混物A传输至本发明的成膜蒸发器，通过调控水分蒸发量精确控制NMMO/水/维素浆粕的组成，获得完全溶解的Lyocell纤维纺丝原液。
本实施例中，纤维素浆粕与NMMO/水体系的比例为1/1，其中NMMO/水的比例为1/2。
本实施例中，成膜蒸发器的转速为200r/min，此模块的温控为20℃，其真空度为5KPa。
本实施例中，成膜蒸发器后半段能够提高流体的压力，建压后流体的压力为30MPa。
实施例2
(1)将纤维素浆粕投入到预混合器中，加入NMMO/水混合溶液，充分搅拌得到预混物A；
(2)预混物A传输至本发明的成膜蒸发器，通过调控水分蒸发量精确控制NMMO/水/维素浆粕的组成，获得完全溶解的Lyocell纤维纺丝原液。
本实施例中，纤维素浆粕与NMMO/水体系的比例为1/1，其中NMMO/水的比例为1/2。
本实施例中，成膜蒸发器的转速为300r/min，此模块的温控为30℃，其真空度为6KPa。
本实施例中，成膜蒸发器后半段能够提高流体的压力，建压后流体的压力为30MPa。
实施例3
(1)将纤维素浆粕投入到预混合器中，加入NMMO/水混合溶液，充分搅拌得到预混物A；
(2)预混物A传输至本发明的成膜蒸发器，通过调控水分蒸发量精确控制NMMO/水/维素浆粕的组成，获得完全溶解的Lyocell纤维纺丝原液。
本实施例中，纤维素浆粕与NMMO/水体系的比例为1/1，其中NMMO/水的比例为1/2。
本实施例中，成膜蒸发器的转速为200r/min，此模块的温控为20℃，其真空度为5KPa。
本实施例中，成膜蒸发器后半段能够提高流体的压力，建压后流体的压力为40MPa。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种加工Lyocell纤维纺丝原液的成膜蒸发器，其特征在于：包括驱动结构、成膜管道、负压系统和三个流体成膜混炼螺杆；三个流体成膜混炼螺杆相互啮合的设置在所述成膜管道内，呈并列型或三角形排列，所述驱动结构与三个所述流体成膜混炼螺杆传动连接以驱动所述流体成膜混炼螺杆转动，所述流体成膜混炼螺杆分为多个功能区，沿其轴向依次为一个喂料加压段、混炼溶解段和成膜脱水段两者组合有五级、一个混炼溶解段、一个加压输送段，所述成膜管道外每个功能区对应一个温控组件，所述成膜管道对应所述喂料加压段设有喂料口，所述成膜脱水段和对应的成膜管道、负压管道形成成膜脱泡室，所述负压系统通过所述成膜脱泡室与所述成膜管道内部相连通；所述成膜管道末端设有溶液流体出口连接纺丝系统；
所述流体成膜混炼螺杆总长度L和其外直径D的比值L/D为58~64；
所述喂料加压段长度为8~10D，由6~9个正向螺旋元件组成，元件导程范围为0.75~1.5D，沿熔体输送方向导程逐渐减小；
所述混炼溶解段长度为5D，由2个正向螺旋元件、2个正向捏合块元件和1个反向捏合块元件组成；2个正向螺旋元件沿熔体输送方向导程为1.5D、1D；正向捏合块元件的长度为1D，捏合片厚度为0.2D，捏合片错列角沿熔体输送方向分别为30°、60°；反向捏合块元件的长度为0.5D，捏合片厚度为0.125D，捏合片错列角沿熔体输送方向分别为-30°；
所述成膜脱水段长度为3.6D，由2个导程为1.8D的正向螺旋元件组成，螺旋角32.8°，螺旋的螺槽深度为0.16D，螺棱厚度为0.18D；
所述加压输送段长度为3.5~5D，所述加压输送段由5~7个正向螺旋元件组成，导程范围为0.5D~1D，沿熔体输送方向导程逐渐减小，最后3个为导程均为0.5D的正向螺旋元件。
2.一种加工Lyocell纤维纺丝原液的方法，其特征在于：使用权利要求1所述的成膜蒸发器；
方法包括如下步骤：
（1）将纤维素浆粕投入到预混合器中，加入NMMO/水混合溶液，充分搅拌得到预混物A；浆粕与NMMO/水体系的比例为1/10-5/1，其中NMMO/水的比例为1/10-10/1；
（2）预混物A传输至所述成膜蒸发器，经喂料加压段混合均匀并建立较高的流体压力，在成膜脱水段流体压力下降并快速成膜，并由负压系统快速脱除预混物A表界面的水分，通过调控水分蒸发量精确控制NMMO/水/维素浆粕的组成，获得完全溶解的Lyocell纤维纺丝原液；再经均匀混炼后加压输送至纺丝系统。
3.如权利要求2所述的一种加工Lyocell纤维纺丝原液的方法，其特征在于：所述喂料加压段的温度为20-40℃，混炼溶解段的温度为30-60℃，成膜脱水段的温度为50-70℃，加压输送段的温度为30-50℃；流体成膜混炼螺杆转速为50-350 r/min；负压系统的压力控制在0.1-0.9大气压；脱水时间为3-150秒。
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