CN1205364C - 纤维素纤维和纤维素复丝的生产方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由干-湿-挤压方法、使用含水氧化胺、特别是N-甲基吗啉-N-氧化物为溶剂、从纤维素材料生产纤维素纤维或长丝的方法，该方法包括下列步骤：a)用250至3000的铜铵溶液DP将纤维素或一纤维素混合物分散在含水氧化胺中，b)通过水蒸发和剪切作用、在升高温度之下将所得到的分散体转变为带有600至6000帕斯卡·秒范围内的零剪切粘度和85℃时0.3至50秒的一松弛时间的一均匀溶液，c)将该溶液供应到喷丝帽之前先通过一流动室，在该室内停留的时间至少等于纺丝温度的松驰时间，d)在每个喷丝帽内该溶液形成为至少一个毛细状体，从每个喷丝帽牵拉该毛细状体通过一不沉淀介质，然后在牵拉作用下通过一沉淀浴沉淀纤维素纤维，以及e)在沉淀浴部分的端部处偏离下降流引出纤维。本发明的特征在于：在步骤d)中，就在毛细状体束进入沉淀浴之前，用一气流处理该毛细状体束，该气流与毛细状体流呈一角度α喷射，其中45°＜α＜90°。

Description

纤维素纤维和纤维素复丝的生产方法和设备

本发明涉及一种按照用含水氧化胺、特别是以N-甲基-吗啉-N-氧化物作为溶剂的干-湿-挤压工艺从纤维素生产纤维素纤维或纤维素长丝的方法。其中a)用250至3,000范围内的铜铵溶液将纤维素或纤维素混合物分散在-含水氧化胺中，b)将这种方式得到的分散体加温，在脱水作用和剪切作用之下转变为带有600至6,000帕斯卡秒(PAs)范围内的零剪切粘度和85℃时0.3至50秒的范围内的松驰时间的一均匀溶液；c)将该溶液供应到至少一个喷丝帽和首先被引导通过一个喷丝帽或多个喷丝帽共用的一压紧室，它在那里停留的时间至少等于在纺丝温度下的它的松驰时间，d)在每块喷丝帽中该溶液形成为至少一毛细状体，每块喷丝帽的该毛线状体(或多毛细状体)在牵拉作用下通过一不沉淀的介质和通过纤维素丝在沉淀状态之下的一纺丝浴，以及e)通过从纺丝流偏转、在纺丝浴牵拉架的端部分离纤维素丝和拉出该丝。主要的申请进一步涉及按照用含水氧化胺为溶剂的干-湿-挤压工艺，用一纺丝部件生产纤维素纤维或纤维素长丝的设备。所述纺丝部件带有一喷丝帽板、多个喷丝帽和安置在一喷丝帽板之上的一共用的压紧室，喷丝帽排成一行，共用压紧室的体积满足方程式V≥V_L·λ_m，式中V代表压紧室的体积(厘米³)，V_L代表纤维素溶液的体积流量(厘米³/秒)以及λ_m代表纺丝溶液的松驰频谱的最大频率的松驰时间，并且还有由一纺丝浴泵相连的两个容器中的一纺丝浴，上述工艺还包括诸喷丝帽和在该两容器的上部容器之中的纺丝浴表面之间的一间隙，以及一引出导丝盘。

该主要申请基于这样的问题，即，提供一种纤维纺丝和复丝纱纺丝的方法和设备，该丝在一高毛细状体密度、纺丝安全和引出速度状态下具有良好的纤维机械性能。尤其，本发明的目的是，与已知方法相比改善通过各喷丝帽的体积流的光滑度和均匀度。

该主要申请说明该间隙宽度一方面在纺丝温度下、与在松驰时间频谱的最大频率处的纺丝溶液的松驰时间λ_m和引出速度Va(方程式II)有关，另方面，与两相邻喷丝帽孔之间的距离X和纺丝浴牵拉架W的长度和喷丝帽孔直径D(方程式III)有关。因为松驰时间是在一秒范围内，在该间隙中所形成的溶液的停留时间在一毫秒范围内，因此应该可以实现比以前在实际运行中的间隙宽度显著更大的间隙宽度。为了纺制纤维和长丝，该最大可设定的间隙，即，该牵拉架是具有特别重要的意义，“溶液丝”在该牵拉架上在不同程度上对应于引出比被定向，随着该间隙宽度的增长，丝的应变速度以及因此其张力下降。这对纤维机械参数、尤其是对断裂伸长和圈扯断强度有一积极作用。另一方面，随着该间隙宽度的增加，纺丝安全性下降，这是因为毛细体接触的可能性上升的缘故。这申请尤其是有关于纺制纤维，其中毛细状体的宽度总是尽可能的高。从而，最重要的是确定能满足纺丝安全，还能产生最佳纤维机械参数的一最大间隙。此外，减小丝张力是提高引出速度，尤其是对于纺制复丝的一先决条件。

在主要申请的意义上来说，本申请所解决的问题是提供在一高毛细状体密度、纺丝安全和引出速度的状态下纺制具有良好纤维机械性能的纤维和复丝的方法和设备。尤其，本发明的目的是，改善纤维机械性能，即断裂伸长和圈扯断强度，同时保持纺丝安全。本发明另一目的是，提高尤其是纺制复丝纱的引出速度。

本发明的目的由用前文中叙述的本发明的方法来达到，其中，在步骤d)中，就在毛细状体束进入纺丝浴之前，用一气体以相对毛细状体运动方向的角度α撞击该毛细状体束，该角度的范围是45°＜α＜90°。令人惊奇的发现，这允许该间隙宽度显著增加，即增加50％以上到100％，而对生产安全没有任何负面影响。由于较大的间隙所产生的在该间隙中的下降的变应速度和丝张力导致前述纤维机械参数的所需改进和增加引出速度的可能性。

本发明的目的尤其在步骤d)获得，因为，在步骤d)中，就在毛细状体束进入纺丝浴之前用一气体撞击该毛细状体束，从而在相对于该空气间隙的边界表面处的纺丝浴和该气流具有在相同方向上的碰撞分量。倘若该气流和纺丝浴的流动具有作用在相同方向的水平流动分量，这样也可以获得提高最大

间隙宽度的效果。

用到达该行毛细状体束的整个宽度的一平的水平气流适当地撞击该毛细状体束。在如此进行时，重要的是在该毛细状体束浸入纺丝浴的地方，该气体变成有效。显著减少了纺丝中断现象，该纺丝中断损害了纺丝安全性，以及几乎唯一地是由在进入纺丝、浴期间毛细状体接触引起纺丝中断。惊奇地发现，尽管毛细状体束与气流碰撞，在毛细状体束浸没时纺丝浴表面的运动是平静的。通常，可以说毛细状体束的碰撞在浸没点引起一机械作用；尤其，毛细状体束的冷却不起作用。

并且按照本发明解决了与前述类型的设备有关的问题，其中至少一宽槽喷嘴设置在该间隙中，用于毛细状体在进入纺丝浴之间撞击该毛细状体，该宽槽喷嘴有一定向为相对毛细状体运动方向成一角度α的一喷嘴槽，角度α的范围是45°＜α＜90°。该槽的宽度可以是0.05至5毫米，例如1毫米。该槽的长度至少对应于被撞击的毛细状体束的该行长度。它们较佳设置成一行(不是在顺序交错的若干行内)，从而所有毛细状体束都以相同方向被气流撞击。

较佳地，按照本发明，上述类型的设备的特征在于：上纺丝浴容器在毛细状体束的一侧具有至少一个入口孔，用于纺丝浴液体，在毛细状体束的另一侧具有至少一个溢流管，宽槽喷嘴相对于该行毛细状体束设置在与入口孔相同的一侧。这样，纺丝浴液体和该间隙中的气流具有平行的水平流动分量，这促使增加最大间隙宽度。

较佳地，宽槽喷嘴与溢流管机械相连，那里至少有一个宽槽喷嘴。这样，该气体宽槽喷嘴总是离开纺丝浴的表面有相同的(短的)距离，而与溢流管的垂直位置以及从而与该间隙宽度尺寸无关。

按照本发明，上生产纤维素纤维或纤维素长丝的设备的特征在于：该间隙宽度α和纺丝溶液的松驰时间满足下列方程式：

$a\≤[5+16{\mathrm{\λ}}_m^{0.6}]\·e^{0.002\mathrm{Va}{+}^{\frac{1}{\sqrt{N\·D}}}}---\left(\mathrm{IIa}\right)$

式中：a代表间隙宽度(毫米)，λ_m代表纺丝浴的松驰频谱最大频率处的松驰时间，V_a代表引出速度(米/分)，N代表毛细状体密度(厘米^-2)，以及D代表喷嘴孔的直径(毫米)。与主要申请中的方程式II比较增加了

项，这考虑到按照本发明由于毛细状体束就在与纺丝浴接触之前进行的撞击可实现该间隙宽度增加的缘故。显然，这间隙增加随毛细状体密度增加而变小。

较佳地，喷丝帽尺寸、间隙宽度a和纺丝牵拉架W满足下列方程式：

$X\≥\frac{a+w}{w}3.5D---\left(\mathrm{IIIa}\right)$

式中，X代表两相邻喷丝帽孔之间的距离，a代表间隙宽度，w代表纺丝浴牵拉板的长度以及D代表该喷丝帽的直径。与主要申请的方程式III比较，显示带有毛细状体束的撞击能够减小该喷嘴的两相邻喷嘴孔之间的距离的1/8，而不会对本发明的目的有任何负面影响，即保持纺丝安全，同时改善纤维的机械性能。

以下将以图表和实施例详细解释本发明。其中：

图1是带有12质量百分比的纤维素(铜铵溶液-DP480)的一纺丝溶液在纺丝温度85℃时松驰时间频谱；

图2是纤维素纤维和纤维素长丝的一生产设备的示意图；以及

图3是图2所示设备的俯视示意图。

图2和3显示了按照本发明的一纺丝设备的上纺丝溶容器1。喷丝帽6(图2中仅示出了一个)具有一压紧室，在主要申请中详细地示出和叙述了压紧室。喷丝帽6的外流侧离纺丝浴表面7有一距离，形成空气隙a。纺丝浴容器1的底面10装有按照喷丝帽6的布置的若干导丝构件11，丝束12与纺丝浴液流14一起通过所述导丝构件离开容器1。所有导丝构件11的丝束12在纺丝浴流14旁边以一角度偏置，以适当拉应力卷起。所述纺丝溶流14达到下纺丝浴容器(未示出)，并用一泵(未示出)通过管线16被泵送回、流入上纺丝浴容器1。丝束12通过纺丝浴牵拉架W，纺丝浴牵拉架从纺丝浴的表面到达导丝构件11之下丝束12与纺丝浴液流14分离的位置。管道16通入部分充填过滤体(未示出)的澄清室18，纺丝浴液流从所述澄清室通过孔口19流出进入该有效容器1。图3示出了导丝构件11设置在底面10的一行之中，诸丝束12相互平行的运行到引出导丝盘(未示出)。

纺丝浴容器1有两个溢流管9，该溢流管可调节该溢流管的高度，从而决定纺丝浴的液面高度和间隙a的宽度。在溢流管9处用保持件23连接具有一槽21的一喷管20，槽21延伸横过该行喷丝帽6和/或该行毛细状体束26。喷嘴管20在两侧有通过管道24的弱空气流，所述空气流能够通过一针阀(未示出)进行调节。该空气流25以横过整个宽度的一条线的形式离开槽口21(150毫米×1毫米出口孔)并倾斜地吹向纺丝浴表面7，从而就在毛细状体束进入纺丝浴之前与该空气流接触。该有槽喷嘴位于纺丝浴的表面上方约10毫米。

已经发现，当使用按照图2和3的设备，但首先没有通过装置20、21的在毛细状体进入纺丝浴的浸没点方向的毛细状体束的任何空气流，以及在使用四个单丝喷丝帽、即带有仅仅一个各自200微米直径孔的四个套管(thimble)喷丝帽(12.5毫米直径)时，间隙宽度a在纺丝期间能够连续在10和300毫米之间变化，而没有任何显著的纺丝中断。该纺丝设备不允许间隙宽度a＞300毫米。用在含水的N-甲基吗啉-N-氧化物中的12质量百分比的纤维素溶液进行该试验，该溶液具有图1所示的松引时间频谱和3.0秒的一λ_m。为了从该纤维素溶液的流变学的数据决定松驰时间，参考Ch.Michels，Das Papier，(1998)，第3-8页。引出速度是每分钟100米。将引出速度增加到每分钟300米，得到相同的结果。当用具有30个直径140微米的孔的喷丝帽代替套管喷丝帽时，最大无运行中断的间隙a下降到约40到60微米。

应用相同的装置，但是就在毛细状体束进入纺丝浴之间用一直线平面气流吹在毛细状体束上，最大可行的间隙宽度a能明显地从约40增加到65毫米和/或从约60增加到100毫米。除了增加最大可行的空气隙之外，可以注意到毛细状体在进入纺丝浴时有显著的沉淀。毛细状体接触的频率明显下降，纺丝中断的可能性也明显下降。

当使用具有一个90微米(μm)直径喷丝孔的喷丝帽时，最大的操作安全的可调节间隙a增加了，当使用200微米(μm)直径的喷丝帽时，所述间隙宽度下降。在转换到带有相同数目的孔的套筒喷丝帽(20毫米直径)，即用减小的毛细状体密度时，可以注意到最大可调节间隙的增加。对于每个喷丝帽有30个孔，小套管喷丝帽的毛细状体密度是N＝47厘米^-2，大的套管喷丝帽的毛细状体密度是N＝15厘米-2的毛细状体密度，但是在其它相同的条件下，最大可行的间隙宽度再次从约65增加到90毫米和/或从95增加到130毫米。这些变化可以用上述变化了的方程式IIa充分说明。在按照本发明的方法和纺丝设备的帮助之下，因此可以增加毛细状体密度而不会增加纺丝中断的风险。因此，经验公式IIIa可应用于两相邻喷丝帽孔之间的距离。

更仔细地检查就在毛细状体束进入纺丝浴之前吹在毛细状体束上的直线平面气流，可清楚知道在毛细状体流动方向上大体是层流的空气流遭受一明显的扰动。在相边界毛细状体/气流和/或空气以及毛细状体/纺丝液处有一转移中的变化。在毛细状体的浸没期间纺丝浴表面的运动是较平静的。从而，几乎仅惟一地与毛细状体进入纺丝浴期间毛细状体相互接触一起开始的纺丝中断变得基本不可能。

在以下实施例中更详细地说明本发明。

实施例

将188克云杉黄化纤维素(铜铵溶液-DP480)、10克棉绒纤维素(铜铵溶液-DP1907)和0.4克稳定剂组成的一压一湿混合物(50.2％干燥含量)分散入1850克NMMO(75％干燥含量)，并放入带有垂直捏和轴的一捏和机，和在真空下蒸馏出1255克的水以及在90℃温度下进行剪切。然后该混合物通过进一步“剪切-搅拌”，被转变成由11.0％纤维素、77.1％NMMO和11.9％的水组成的一微观均匀的纤维素溶液。在85℃纺丝温度下，该松驰时间是3.0秒，零剪切粘度是3450帕斯卡·秒。在一容器(flask)纺丝设备中该溶液形成为丝，该设备具有一温水加热的喷丝帽装载结构，它能装载四个带有12.5毫米的纺丝套管(从喷丝帽中心到喷丝帽中心的距离30毫米)或三个带有20.0毫米的纺丝套管(距离40毫米)。按照图2和3，纺丝箱置于纺丝构件之下。

对于每个试验，以没有空气撞击和按照本发明有空气撞击的两种情况确定最大间隙宽度a_max。在纺丝之后，长丝被绕成筒子、洗涤和切成许多50毫米长的短丝，然后被照射和干燥。随后对它们进行纺织检验。其结果列在表1和2中。以上面图2和3叙述的方式进行供气。喷嘴出口孔是150毫米×1毫米。就在毛细状体进入纺丝浴之前使毛细状体与空气流接触。空气喷嘴槽以一倾斜方向指向下。有槽口的喷嘴位于纺丝浴表面之上约10毫米。

这两表显示空气的喷吹允许空气间隙a明显的加宽，尤其可达至少50％直到最大200％，并且在纺丝运行中没有任何纺丝中断。这包括断裂伸长、干燥和圈扯断强度的显著改进。

                            表1

序号	套管直径(毫米)	孔的直径(毫米)	毛细状体的密度(厘米-2)	引出速度(米/分)	amax(毫米)没有                有
							1	12	0.200	---	100/300	＞300	＞300
2	12	0.140	47	100	40	60
							3	12	0.140	47	300	60	90
4	20	0.140	15	100	40	80
							5	20	0.140	15	300	60	130
6	20	0.140	15	500	80	180
							7	12	0.090	47	100	40	70
8	12	0.090	47	300	60	105
							9	20	0.090	350	100	10	30

                            表2

序号	细度(dtex)	拉伸强度干燥(cN/tex)		拉伸伸长干燥(％)		圈拉伸强度(cN/tex)
								没有	有	没有	有	没有	有
		1	1.63	41.2		17.8								19.7
2	1.62							42.5	41.5	13.3	16.9	13.9	15.9
		3	1.68	44.1	42.7	11.9	15.4							11.7	14.7
4	1.67							41.6	40.6	14.5	17.4	14.3	16.5
		5	1.61	43.2	42.4	12.7	15.9							11.9	15.1
6	1.63							44.8	43.9	10.2	14.7	9.7	14.3
		7	1.65	42.8	42.4	13.1	17.0							13.8	14.9
8	1.64							44.9	43.1	11.3	15.1	11.8	13.9
		9	1.40	43.9	43.1	12.8	16.1							14.1	15.9

1)仅仅100米./分引出速度

Claims (8)

1.由纤维素生产纤维素纤维或纤维素长丝的方法，该方法用含水氧化胺、或N-甲基吗啉-N-氧化物按照干-湿-挤压方法生产，其中：

a)用250至3000范围内的一铜铵溶液-DP将纤维素或一纤维素混合物分散在含水氧化胺中，

b)将以这种方式获得的分散体在脱水和剪切作用之下升温转变成一均匀的溶液，该溶液具有600至6000帕斯卡·秒范围内的零剪切粘度和85℃时0.3至50秒的一松驰时间，

c)将该溶液供应给至少一个喷丝帽，和首先被引导通过由一个和/或多个喷丝帽共用的一压紧室，该溶液在那里的停留时间至少等于纺丝温度下的它的松驰时间，

d)在每个喷丝帽内该溶液形成为至少一个毛细状体，每个喷丝帽的毛细状体/多个毛细状体在牵引之下通过一不沉淀介质，然后在纤维素丝沉淀的情况下通过一纺丝浴，以及

e)纤维素丝通过在纺丝浴牵引架端部的偏转与下降流分离以及引出该丝，

其特征在于：在步骤d)中，毛细状体束/多个毛细状体束就在进入纺丝浴之前被一气体撞击，该气流方向与毛细状体运行方向形成一夹角，夹角角度为α，角度α的范围是45°＜α＜90°，气体间隙宽度(a)为10-180mm。

2.一种纤维素生产纤维素纤维或纤维素长丝的方法，该方法用含水氧化胺、或N-甲基吗啉-N-氧化物按照干-湿-挤压方法生产，其中：

a)用250至3000范围内的一铜铵溶液-DP将纤维素或一纤维素混合物分散在含水氧化胺中，

b)将以这种方式获得的分散体在脱水和剪切作用之下升温转变成一均匀的溶液，该溶液具有600至6000帕斯卡·秒范围内的零剪切粘度和85℃时0.3至50秒的一松驰时间，

c)将该溶液供应给至少一个喷丝帽，和首先被引导通过由一个和/或多个喷丝帽共用的一压紧室，该溶液在那里的停留时间至少等于纺丝温度下的它的松驰时间，

d)在每个喷丝帽内该溶液形成为至少一个毛细状体，每个喷丝帽的毛细状体/多个毛细状体在牵引之下通过一不沉淀介质，然后在纤维素丝沉淀的情况下通过一纺丝浴，以及

e)纤维素丝通过在纺丝浴牵引架端部的偏转与下降流分离以及引出该丝，

其特征在于：在步骤d)中，毛细状体束就在进入纺丝浴之前被一气体撞击，在气体间隙的边界处，该气流和纺丝浴都具有平行流动分量。

3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于：毛细状体束被一平薄的水平气流撞击，该气流到达毛细状体束的整个宽度。

4.用含水氧化胺为溶液按照干-湿-挤压方法从纤维素生产纤维素纤维或纤维素长丝的设备，它带有：

具有一喷丝板、诸喷丝帽和设置在该喷丝板和该诸喷丝帽之上的一共用压紧室的一纺丝部件，所述压紧室的体积符合下列方程式：

                          V≥V_L·λ_m

式中V代表压紧室的体积，单位厘米³，V_L代表纤维素溶液的体积流量，单位厘米³/秒，λ_m代表纺丝溶液的松驰频谱的最大频率的松驰时间，

在由一纺丝浴泵相连的两个容器中的一纺丝浴，

在喷丝帽6和该两容器的上一个容器内的纺丝浴7的表面之间的一间隙，以及

一引出导丝盘，

其特征在于：在该间隙内设置有带一喷嘴槽21的至少一宽槽喷嘴，该喷嘴槽的方向与毛细状体运动方向形成一夹角，夹角角度为α，该角α的范围是45°＜α＜90°，以便在毛细状体进入纺丝浴之前撞击毛细状体26。

5.按照权利要求4的设备，其特征在于：该上纺丝浴容器1在毛细状体束26的一侧具有至少一个入口孔19，在毛细状体束的另一侧有至少一个溢流管9，相对于该行毛细状体束26，宽槽喷嘴与入口孔29设置在相同的一侧。

6.按照权利要求4或5的设备，其特征在于：宽槽喷嘴与至少一根溢流管9机械连接。

7.按照权利要求4至6中任一项权利要求的设备，其特征在于：间隙宽度a和纺丝溶液的松驰时间满足下列方程式：

$a\≤[5+16{\mathrm{\λ}}_m^{0.6}]\·e^{0.002\mathrm{Va}{+}^{\frac{1}{\sqrt{N\·D}}}}---\left(\mathrm{IIa}\right)$

式中：a代表间隙宽度，单位毫米，λ_m代表纺丝溶液的松驰频谱的最大频率的松驰时间，V_a代表引出速度，单位米/分，N代表毛细状体密度，单位厘米^-2，以及D代表喷嘴孔的直径，单位毫米。

8.按照权利要求4至7中任一项权利要求的设备，其特征在于：纺丝帽6、间隙宽度a和纺丝浴架W的尺寸符合下列方程式：

$X\≥\frac{a+w}{w}3.5D---\left(\mathrm{IIIa}\right)$

式中，X代表两相邻喷丝帽孔之间的距离，a代表间隙宽度，w代表纺丝浴牵拉板的长度，单位毫米，以及D代表该喷丝帽的直径。

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