CN1235912C - 一种在氧化胺水溶液中的纤维素悬浮液的连续制备方法及装置 - Google Patents

一种在氧化胺水溶液中的纤维素悬浮液的连续制备方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种用于在含水叔氧化胺中制备纤维素悬浮液，以用于溶纺纤维纺丝工艺的方法，其中：(a)从纤维素及一无氧化胺水相形成纤维素悬浮液，所述纤维素和无氧化胺水相的质量比为1∶3到1∶40的范围；(b)将纤维素悬浮液脱水，以形成纤维素含量在20～80质量百分比的材料；(c)将湿的纤维素材料与足够的含水氧化胺混合，并传送通过一水平剪切区域，以便在混合之后得到在液相中的、氧化胺含量为70～80质量百分比的一悬浮液，由此，使得该悬浮物基本上完全充满在剪切区域中的可以利用的径向输送空间，其特征在于：在上述的步骤(c)中，将细分散的含水氧化胺加于位于下落区中的湿的纤维素材料中，该下落区域只部分地充满纤维素材料，而与氧化胺混合的纤维素材料被引入剪切区域。

Description

一种在氧化胺水溶液中的 纤维素悬浮液的连续制备方法及装置
发明领域
本发明涉及一种用于溶纺纤维(Lyocell)纺丝方法的、在叔氧化物胺水溶液中制备纤维素悬浮液的连续制备方法，本发明也涉及一种用于上述纺丝方法的装置。
发明背景
从氧化胺的纤维素溶液和纤维素的不溶质，较好的是，从N-甲基吗啉-N-氧化物的纤维素溶液和水中制备形成纤维素和纤维素纺丝溶体的方法是已知的。在形成上述纤维素溶液后，对上述溶体进行拉伸，形成纤维素，所获得的产品用于纺织及非纺织领域的多种应用(参见w.Berger，“Options and Limits of AlternativeCellulose Dissolution and-Drawing”Lanzinger Reports 74(1994)9，pages11-18)。BASFA公司将由上述方法获得的纤维确定为通用术语“Lyocell”。
WO94/28217公开了一种用于在氧化胺水溶液中制备纤维素悬浮液的非连续制备方法，所述方法系将粉碎的纤维素和氧化胺水溶液用一卧式混合室中带有径向(辐射状)搅拌器的旋转翼进行混合。上述方法批量生产的持续时间为21分钟。然而，根据上述操作方法，由于连续的溶解步骤中的持续负荷，使得所述混合室必须二个并联操作。由此，使上述制备方法存在不利之处。再有，所述混合室的完全清空也产生困难。
WO96/33221也揭示了一种在含水N-甲基吗啉-N-(NMMO)中制备纤维素悬浮液的方法，其方法是把弄碎的纤维素和含水NMMO在一环形层混合器中混合，NMMO例如是75％质量百分比的NMMO。所形成的悬浮液被带到一分离膜挤出器中进行溶解。该环形层混合器的缺点是只能使用弄碎了的、基本上干燥的纤维素。如果纤维素中含有水，在混合器中就很难形成层状，这是因为要与NMMO溶液混合，而它是分开地被加入的。
水必须加热分离。纤维素的可溶成分影响了纺织溶液，导致纤维素产品中的性能的下降。因为悬浮液是作为一个层来传送的，相对于装置的径向截面来说，其通过量是很低的。
在DE 198 37 210.8揭示的一种制备方法中，在氧化胺溶液中形成悬浮液之前就把纤维素悬浮在水中。然后，在经过一定时间之后再从悬浮剂中部分地把它分离出来。然后，湿的纤维素材料首先在没有氧化胺的情况下，传送经过一水平剪切区域，接着，和氧化胺一起通过。此方法需要一相对较长的剪切区域，因此剪切区域的操作运行时间较长，因此，对装置的要求较高。要形成均匀的悬浮液比较复杂，因为含水氧化物必须被送入完全充满装置的可以利用空间的纤维素材料中。
发明的概述
鉴于上述问题，本发明提供了一种方法和装置，所述方法和装置用于在含水叔氧化胺中连续制备纤维素悬浮液，并且在用于溶纺纤维(Lyocell)加工工序中的悬浮液的形成及纤维素的活化时，对设备的要求较低。特别是，相对于剪切区域的容积，纤维素材料的通过量可以增加，因此悬浮液的制备时间可以期待缩短。
本发明的其它优点将在以下的描述中显示出来。
本发明是基于在含水叔氧化胺(叔氧化胺水溶液)中连续制备纤维素悬浮液以用于Lyocell生产过程中的，其中：(a)从纤维素及一无氧化胺水相形成纤维素悬浮液，所述纤维素和无氧化胺水相的质量比为1∶3到1∶40的范围；(b)将纤维素悬浮液脱水以形成纤维素含量在20～80质量百分比的材料；(c)将湿的纤维素材料与足够的含水氧化胺混合，并传送通过一水平剪切区域，以便在混合之后得到在液相中的、氧化胺含量为70～80质量百分比的一悬浮液。由此，使得该悬浮物基本上完全充满在剪切区域中的可以利用的径向输送空间。
根据本发明，本方法的特征在于：在上述的步骤(c)中，将细分散的含水氧化胺加于位于下落区中的湿的纤维素材料中。该下落区域只部分地充满纤维素材料，而与氧化胺混合的纤维素材料被引入剪切区域。
根据DE 198 37 210.8揭示的方法，纤维素材料在没有NMMO的情况下被传送和均匀的剪切区域中的第一部分是不加以利用的。而且，本发明的含水氧化胺并不进入基本上完全充满悬浮液的剪切区域，而是更主要地只进入上游的下落区。纤维素材料仅部分地充满下落区，这样，在引入氧化胺的同时，也形成了氧化胺在湿纤维素材料中的预分布。
据称，对于在下落区后面的溶液的形成，氧化胺的预分布可以缩短剪切区域，而形成均匀的悬浮液。
与DE 198 37 210.8的方法相比，本发明的方法可以缩短剪切区域将近三分之一而成本则可降低大约10～15％。
根据本发明方法的一个较佳实施例，含水氧化胺被注入下落区域。以这种方式，湿的纤维素材料的下落颗粒被含水氧化胺所包覆，从而得到一个良好的预混合，此举可以缩短在剪切装置其后进行均匀化的机构。较佳的是，被注入下落区域中的是N-甲基吗啉-N-氧化物的一水化物。
令人惊讶的是，尽管工艺步骤减少和/或悬浮液的生产时间缩短，我们发现浆的质量有了提高。这可以由在剪切区域的端部的三种物质(纤维素/NMMO/水)的纤维素颗粒的非常良好的膨胀状况来得到证实。
这里由于在下落区域中的细分散的氧化胺缩短了时间(否则要一直等到NMMO溶液作用在纤维素颗粒上)从而使颗粒的膨胀在剪切区域的端部已经进展到了相当的程度的缘故。加入到下落区域的含水氧化胺的数量与起始纤维素的数量配合在一起，从而，使所形成的悬浮液的含水相中的氧化胺的含量达到了目标范围，即70-80质量百分比。
在上述的步骤(a)中，所供应的纤维素材料(卷状或片状的)可以在一成浆器或一均匀器中用水加以分裂、破碎。在此步骤中，加入酶，氧化胺的纤维素链的反应性和/或可及度可以加以该进。在步骤(b)中的脱水步骤可以用带式压机，螺杆压实器，轮式过滤器或离心器来完成。最好是，脱水一直进行到纤维素的含量达到45％的质量百分比为止。在脱水之后仍稍有波动的水的含量，可以在运送过程中得到均衡。由于所用的含水氧化胺往往是一种从使用过的沉淀回收来的再生溶液，沉淀浴的再生可以集中在氧化胺浓度的形成使之所要求的浓度范围。在较短的剪切区域里的较短时间的剪切可以使纤维素颗粒达到足够的尺寸的缩小及均匀化，而这在环状层混合器中是无法实现的。一般说来，根据本发明可以使用氧化胺对水的摩尔比在1∶1到1∶2.2的范围内的含水氧化胺(水溶液)。例如在根据本发明的悬浮液之前和/或用酶或热预处理，用最浓的氧化胺，即IMMO-水化物与用水分离的含水纤维素一起使用。
浆的制备最好在75～100℃的温度范围内进行。在此温度范围内，纤维素的粉碎和氧化胺的分裂是较慢的。另一方面，提高的温度有利于湿纤维及氧化胺的均匀混合。加热的悬浮液可以在其后的、在真空中的水蒸发步骤中，在没有显著温度改变的情况下被带到溶液之中。
根据本发明方法的较佳实施例中，制浆是连续进行的。然后，悬浮液连续地在剪切区域的端部被连续拉出，并进入溶解工序，而用不着使用中间容器。较佳的是，剪切区域进行之中有一个储藏(standing)时间，此时间在5-3分钟的范围内，最好在10-15分钟时间内。
本发明的方法可以使用添加剂，例如稳定剂，此稳定剂也可以在下落区中与氧化胺一起使用。
本发明还基于这样一种装置，所述装置具有：(a)一混合装置，所述混合装置包括混合器件、纤维素喂入喷嘴及含水悬浮剂以及悬浮液的排放嘴；(b)一分离装置，所述分离装置与混合装置相连以将悬浮剂与纤维素部分分开；(c)剪切装置，其水平轴装有剪切器具、一用于在剪切装置的一段馈给来自分离装置的纤维素材料喂给系统、以及一在剪切装置另一端的用于悬浮液的排放嘴。
根据本发明，本发明的装置的特征在于：加料系统是一个形成下落区的下落管，所述下落管并具有朝向其管腔的喷嘴，以将含水氧化胺引入纤维素材料之中。DE 198 37 210.8的剪切装置是一用一个沟道来将具有块状形式的纤维素材料引入剪切装置之中，而本发明的加料系统形成一下落系统，通过下落系统纤维素材料往下落，因此可以喷散颗粒及含水氧化胺以便在下落区域即已形成纤维素材料与含水氧化胺的预混合，然后此预混合物被拉入剪切装置。加料系统可以是一根垂直的管道，该管道可朝向着剪切装置圆筒形地或锥形地变窄。当此预混合物进入剪切装置时，纤维素颗粒与氧化胺的混合已经远远超过用DE 198 37 210.8的方法将氧化胺引入剪切装置时的混合程度。因此本发明的装置可以大大缩短装置长度，而对纤维素颗粒在悬浮液中的膨胀状况没有任何负面影响。
较佳的是，在加料系统中设置了至少一条具有喷嘴的回路(管线)。氧化胺就从此回路喷注入下落管道。以这种方式，其优点是通过管子落下的湿的纤维素材料的颗粒或聚集的颗粒是尽可能小的。如果需要，部分脱水的纤维素材料可以在进入下落管之前先通过一粉碎器。此至少一个回路是连接于一个被加热的供应管线。这可以防止含水氧化物在线路(管道)及喷嘴中凝固。
所述剪切装置可以是一水平、多轴的反应器，例如一具有自清洁功能的热交换表面的多螺杆溶解器，一具有2～8个在同一方向旋转的啮合螺杆的反应器或一多腔室的混合器。
下面通过一个附图及一个例子详细解释说明本发明。
附图简要说明
图1是示意性地示出了实施本发明的设施。
实施例的详细描述
混合容器1内连续地装入通过喷嘴2的纤维素，及通过喷嘴3加入作为悬浮剂的水。该形成在容器1中的含水纤维素悬浮液通过管道4进入一带式压机5，在带式压机5内，所述纤维素悬浮液被脱水到含液量50％。在带式压机上获得的湿的纤维素材料呈毛绒状通过一个称重器6，并达到一管道形下落管7。此下落管7在实施例中具有一内部回路8，其喷嘴9指向管子的内部。回路8通过一被加热的供应管10加入含水NMMO。当湿的纤维素材料通过管道7下落时，它被润湿，并加进被注入的含水氧化胺，从而在下落管7的下端形成含水纤维素材料与氧化胺的混合物，下落管包括一气垫。与下落管相连的是一多轴装置11，在其中，被吸入装置的混合物，进一步由设置于轴12上的剪切及传送单元装置(未图示出)进行混合，然后被传送到排放管13。被吸入下落管7的空气及混合物以及部分水蒸气从喷嘴14中被抽出。一溶解装置连接到排放管13上。所述溶解装置的结构类似于多轴装置11。纤维素溶液在溶解装置中形成。装置11及溶解装置(未图示出)有一加热毯(未示出)以维持所需的混合或溶解温度。
实施例
在一(汽轮式)离心溶解器中，70公斤的云杉亚硫酸盐纤维素材料(Cuoxam-DP510，-纤维素含量＞90％)被碎裂，并被用一浸渍液体(液体比为1∶20)加以均匀化。悬浮液用一吸浆泵泵入一供应罐，并在50℃的温度下稀释到每升10克的浆稠度。对湿的毛绒状物施以随后的块状破碎，就制备出了具有50％的固体物质的纤维毛绒状物。然后，通过一下落管道，以每小时33.5公斤的通过量，连续引入一双螺杆装置。纤维素的均匀化在输送到称重装置的过程中进行。通过一被加热的供应管，NMMO一水化物通过下落管中的喷嘴同时加入，加入的量是每小时127.3公斤。在其后的双螺杆装置的剪切及均匀区中，纤维素/水的悬浮液被均匀地与NMMO一水化物混合。至此得到一76％含量的NMMO浆，接着在其后的蒸发工序中，可以制备具有12.9％纤维素含量的纺丝溶液。
在成浆器之后的对悬浮液的质量评估中，用ASG标准测量了纤维颗粒的膨胀状态，在浆中测得的未膨胀的纤维颗粒最多是每立方厘米(cm3)中为3颗。
按照质量标准，本发明的浆的质量达到“非常好”的标准。
由Hund，Wetzlar在V300显微镜中使用评估单元JVC视频照相机及打印器对从悬浮液形成的纺织溶液进行了质量评估，所述纺丝样品的质量以每立方厘米(cm3)中的未溶解的纤维素颗粒的数目来分等级。下面是质量的等级表：
 每cm3中未溶解纤维素颗粒的数目     质量等级
    0～5粒     1级
    6～10粒     2级
    11～15粒     3级
    15粒     不能用于纺丝
本发明的样品中不包含任何未溶解的颗粒/cm3。纤维素溶液可以完全适用于由干-湿纺丝方法的直接的纤维、长丝纱及纱片等的形成。
本发明不限于图1中所示的实施例。含水氧化胺不仅可以从下落区的周围(壳体)垂直或以一向下或向上的角度喷向下落方向，且也可以在下落管的入口7a，以与下落方向平行和/或成角度的方向喷射。
在从周围喷射的情况下，宜于在下落管9的上半部分进行喷射。下落管的进料速度与多轴装置的传送速度相配合，最好是在进入多轴装置11之前，在下落管7的最下面部分先有部分注入以便让尽量少的空气被拉入多轴装置中。

Claims (7)

1.一种用于在含水叔氧化胺中制备纤维素悬浮液，以用于溶纺纤维纺丝工艺的方法，其中：
(a)从纤维素及一无氧化胺水相形成纤维素悬浮液，所述纤维素和无氧化胺水相的质量比为1∶3到1∶40的范围；
(b)将纤维素悬浮液脱水，以形成纤维素含量在20～80质量百分比的材料；
(c)将湿的纤维素材料与含水氧化胺混合，并传送通过一水平剪切区域，以便在混合之后得到在液相中的、氧化胺含量为70～80质量百分比的一悬浮液，由此，使得该悬浮物基本上完全充满在剪切区域中的可以利用的径向输送空间，
其特征在于：在上述的步骤(c)中，将细分散的含水氧化胺加于位于下落区中的湿的纤维素材料中，该下落区域只部分地充满纤维素材料，而与氧化胺混合的纤维素材料被引入剪切区域。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，含水氧化胺是注射入下落区域中的。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，N-甲基吗啉-N-氧化胺一水化物被引入下落区域中。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在剪切区域停留的时间在5～30分钟的范围内。
5.一种用于权利要求1至4之任一项所述的方法的装置，所述装置具有：
(a)一混合装置(1)，所述混合装置包括混合器件、纤维素喂入喷嘴(2，3)及含水悬浮剂以及悬浮液的排放嘴；
(b)一分离装置(5)，所述分离装置与混合装置(1)相连以将悬浮剂与纤维素部分分开；
(c)一剪切装置(11)，其水平轴(12)装有剪切工具、一用于在剪切装置的一段馈给来自分离装置的纤维素材料喂给系统、以及一在剪切装置另一端的用于悬浮液的排放嘴(13)，其特征在于：加料系统是一个形成下落区的下落管(7)，所述下落管并具有朝向其管腔的喷嘴，以将含水氧化胺引入纤维素材料之中。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，至少有一根回路管线(8)设置在下落管(7)中。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，该回路管线(8)中，至少一根回路管线是与一被加热的管子(10)相连的。
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