CN1274889C - 挤出连续成型体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用优选包含纤维素、水、叔胺氧化物的挤压溶液制造连续成型体(11)的方法。通过挤压通道口(10)挤出挤压溶液而形成连续成型体。引导连续成型体通过气隙(12)，在该气隙中拉伸连续成型体。为了增加不圈结强度和降低纤维化倾向，本发明设想根据预定的公式控制平均加速度和/或平均热流密度。

Description

挤出连续成型体的方法

技术领域

本发明涉及一种使用挤压溶液挤出连续成型体的方法，该挤压溶液包含纤维素、水、叔胺氧化物及用于稳定纺丝原液的添加剂和/或有机或无机添加剂形式的添加剂，所述方法包括以下步骤：

传送挤压溶液通过具有预定长度和预定直径的挤压通道直到挤压通道口；

通过挤压通道口挤出挤压溶液而形成挤出的连续成型体；

引导挤出的连续成型体通过具有预定气隙高度的气隙；

加速气隙中的连续成型体。

背景技术

由上述方法制造的连续成型体可以具有线、丝或膜/箔的形状。特别是在制造具有线形的连续成型体的情况下，上述方法用作生产纺丝的纺丝方法。

举例来说，由US-4246221可以了解上述方法。该文献描述了使用纺丝喷嘴作为挤压通道口的纤维成型体的制造，文献中所完成的方法是在纺丝线离开纺丝喷嘴后利用空气引导纺丝的一种方法，在空气中拉伸纺丝。利用纺丝装置后面设置的拉伸部件施加机械拉伸力来完成所述的拉伸。

AT-395863B描述了制造纤维成型体另一方法。在该方法中将气隙高度调节到很短，纺丝喷嘴口的直径在70至150毫米之间，纺丝喷嘴通道长度在1000至1500毫米之间。通过减少气隙高度和使用特殊喷嘴结构，减少了在纤度及断线和邻近线粘附上的变化。

这些用于制造连续成型体的现有技术，在不能有目的地影响连续成型体的性能，特别是它们纤维化倾向和不圈结性方面上是不利的。

发明内容

因此本发明的目的是以改善不圈结性和降低纤维化倾向的方式，改进从挤压溶液中挤出连续成型体的公知方法。

根据本发明，该目的是在开始提到的方法中通过进行下述附加方法步骤实现的：

控制气隙高度上的连续成型体的平均加速度 a，使其值为：

$\stackrel{\‾}{a}=\frac{10}{\mathrm{\δ}{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{\mathrm{0,3}}},$

其中β是挤压通道的长度和直径的比值，其中控制参数δ的值至少为0.3。平均加速度 a的单位为米/平方秒。

利用这个简单的测量，就能达到有关不圈结性和纤维化倾向良好的基本水平。在气隙高度上取平均值的以公式表述的加速度，表示经过气隙时挤出的连续成型体在其所经过的大致距离范围内取平均值的加速度。

根据另一有益的实施方案，当控制参数δ为至少0.6时，就能改善连续成型体的机械和纺织物理性能的值。

根据本发明方法的另一实施方案，当控制参数δ为至少1.5时，就能明显地改善连续成型体的纺织特性。

根据本发明方法的一个实施方案，在控制参数δ值为至少2.2的情况下，就已获得了最小的纤维化倾向和最大的不圈结性。

根据本发明方法有益的另一改进，可以在气隙后或在凝固浴后设置传送装置，所述传送设备输送连续成型体至无拉应力的拉伸装置。根据所述平均加速度 a控制传送设备的传输速度。

按照另一有益的实施方案，当连续成型体通过气隙时，在利用本发明方法的拉伸部件的情况下，可以拉伸挤出的连续成型体。利用拉伸部件，在施加拉应力下改进挤出的连续成型体以使其能进行下一步的加工步骤。

使用拉伸部件时，按照本发明方法有益的进一步的改进，当根据加速度 a控制连续成型体的挤出速度v_E，和/或拉伸速度v_A，就能改善不圈结性同时减少纤维化倾向，在挤出速度v_E下将连续成型体从挤压通道口处排出，在拉伸速度v_A下利用拉伸部件拉伸连续成型体。

根据下面的公式尤其能控制挤出速度和/或拉伸速度：

$v_A^2-v_E^2=\mathrm{\γ}\·H\·\stackrel{\‾}{a},$

其中H是气隙高度而校正系数γ具有7至7.4的值优选7.2。v_A和v_E的单位是米/秒，H是毫米，而 a是米/平方秒。

当利用气流在气隙中拉伸连续成型体时，通过控制空气速度也能调节气隙中的加速度 a，该气流大致平行于连续成型体的挤出方向，其速度超过挤出速度。

通过控制挤出速度，拉伸速度，传送装置的传输速度和空气流速的任意组合，就能控制加速度 a。

参数β，表示挤压通道的长度和直径的比例，可以至少为2。当β值最大为150时，就能够获得有关不圈结性和纤维化倾向特别好的结果。当β值最大为100时能够改善机械特性。

关于在挤出后和在加速也就是拉伸后稳定连续成型体，在其已通过气隙后在凝固浴中湿润连续成型体。利用湿润装置在连续成型体上喷射液体或将连续成型体浸入凝固浴中，尤其能进行湿润过程。

通过进行下述附加的方法步骤也能进一步改进在开始时提到的方法：

控制气隙高度上的平均热流密度，使其值为：

$Q=\frac{\mathrm{0,004}}{\mathrm{\α}\·{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{\mathrm{0,3}}}$

其中β是挤压通道的长度和直径的比值，控制参数α的值至少为0.1，用瓦/立方毫米为计算值Q的单位。

利用这个附加的简单测量，也能达到关于不圈结性和纤维化倾向良好的基本水平。在气隙高度上取平均值的以公式表述的热流密度，表示经过气隙时挤出的连续成型体在所通过的大致距离范围内取平均值的热流密度。

按照进一步有益的实施方案，当控制参数α的值至少为0.2时，就能改善连续成型体的机械性能。

根据本发明方法的进一步实施方案，当控制参数α至少为0.5时，就能显著地进一步改善连续成型体的纺织特性。

根据本发明方法的一个实施方案，在控制参数α值至少为1.0的情况下，就已获得了最小的纤维化倾向和最大的不圈结性。

为了控制气隙中热流密度，可以改变连续成型体的温度，气隙中连续成型体周围空气的温度，或该空气流动速度。对于空气温度的降低和空气速度的增加以及连续成型体温度的升高，与此对应的气隙中热流密度就增加。在这点上，必须考虑空气速度的调节也将影响拉伸的程度。

按照本发明方法的进一步有益的实施方案，特别通过下面的测量调节气隙中热流密度Q：

控制挤压溶液的温度T_E和空气的温度T_L之间的温差ΔT＝T_E-T_L，使其值为：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{H}{d}\·\frac{\mathrm{0,004}}{\stackrel{\·}{m}\·c_E\·\mathrm{\α}\·{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{\mathrm{0,3}}}$

其中

是单位为克/秒的通过挤压通道口的挤压溶液的质量流，c_E是单位为焦耳/克·开尔文的挤压溶液的特定热容量，d是单位为孔数/平方毫米的在喷嘴盘上孔的孔密度，H是单位为毫米的气隙长度。

在进行这种控制时，能控制和调节或者挤出物的温度T_E或者气隙中提供的空气的温度T_L，或者能同时控制和调节所述的两种量。

另外，也可用关系式中所有其他的参数控制纺丝过程。

根据一个有益的实施方案，挤压溶液的特定热容量c_E至少为2.1J/(gK)，最大为2.9J/(gK)

根据进一步的实施方案，本发明方法可以包含下述附加方法步骤：

当连续成型体已离开挤压通道口时，利用挤出的连续成型体周围在挤出方向上气流的流动拉伸挤出的连续成型体，空气的流速超过连续成型体的挤出速度。

在这一步骤中，利用拉伸过程使连续成型体的聚合物纤维素成直线。利用气流，从连续成型体圆周表面小心地施加拉伸所需的拉伸力。在驱散热量的同时气流冷却连续成型体。

当利用气流在气隙中拉伸连续成型体时，通过控制空气速度也能调节气隙中的加速度 a，该气流大致平行于连续成型体的挤出方向，以超过挤出速度的速度。

下面，参考附图籍助于一个实施方案描述本发明的方法，附图中：

附图说明

图1显示了进行本发明方法用的装置。

具体实施方式

首先，参考图1描述本发明方法的步骤的顺序。

在反应容器1中制备挤压溶液2。挤压溶液包含纤维素，水和例如N-甲基吗啉-N氧化物(NMMO)的任意的叔胺氧化物，和，如果需要，用于热稳定纤维素和溶剂的稳定剂。稳定剂例如可以是下述物质：镓酸丙酯，碱性反应介质或它们的混合物。如果需要，可以包含更多的添加剂，例如氧化钛，硫酸钡，石墨，羧甲基纤维素，聚乙二醇，壳多糖，脱乙酰壳多糖，藻蛋白酸，多糖，颜料，具有抗菌效果的化合物，包含磷，卤素或氮的防火剂，活性炭，碳黑或导电碳黑，硅酸以及作为稀释剂的有机溶剂等。

泵3用于输送挤压溶液2通过管系4。

所述管系4中设置有压力补偿容器5，它补偿压力变化和/或管系4中容积流速的变化，以便能连续和均匀地向挤出头6输送挤压溶液2。

管系4设有温度调节装置(未示出)，必须籍助于该装置能够准确控制挤压溶液2的温度。因为挤压溶液的化学和物理性能明显地依赖于温度。例如，随着温度和剪切率增加，挤压溶液2的粘度降低。

管系4还必须设有防爆装置，因为挤压溶液表现出自发的发热反应趋势。防爆装置防止管系4和压力补偿容器5以及后面的挤出头6被破坏。

如果到达一定温度和挤压溶液2在死水区老化，会出现挤压溶液2的自发发热反应。为了避免后者，管系4设置成在区域中流行有益的流动条件，高粘度的挤压溶液流过该区域。

在挤出头6中，挤压溶液分配到喷嘴腔7中直至大量的纺丝毛细管8形式的挤压通道中。纺丝毛细管8排列成一行，在图1中与投影平面成直角。在这种排列的基础上，利用一个挤出头6同时生产大量的连续成型体。也能提供大量的挤出头6以便有许多行纺丝毛细管。

纺丝毛细管具有小于500毫米的内径D，优选小于250毫米。对于特殊情况的使用，其直径也可小于100毫米，优选大约50至70毫米。

纺丝毛细管长度L，挤压溶液流过该长度，是所述内径D的至少两倍长到最多100至150倍长。

用加热装置9包围纺丝毛细管8，至少是使其一定的部分包围，该加热装置的目的是能控制纺丝毛细管8的管壁温度。纺丝毛细管8的管壁温度是大约150℃。纺丝原液的温度为大约100℃。也可以任意的形式将纺丝毛细管8排列在支撑件中，从外部控制其温度，这样能获得高的孔密度。

优选使加热装置9延伸直至位于流动方向S上的挤压通道口10。以这种方式加热挤压通道的壁直至挤压通道口10。

由于挤压通道的加热，考虑到挤压溶液依赖温度的粘度，在挤压通道内壁上将形成与中心流相比具有低粘度的加热膜流。这将肯定改变挤压通道内挤压溶液的速度分步图，与现有技术相比就实现了具有改善的不圈结性和降低纤维化倾向的挤出过程。

在挤压通道中挤出挤压溶液从而在气隙12中以纺丝线的形式排出。气隙12具有在挤压溶液流动方向S上的高度H。

在挤出头6中，空气13沿着连续成型体11与挤压溶液同轴高速流动。空气13的流速可以比纺丝线的挤出速度v_E高，在该流速下连续成型体从挤压通道口10中排出。这样具有作用于连续成型体11和空气13之间的拉伸力的效果，利用该拉伸力也能拉伸连续成型体11。

在经过气隙12后，连续成型体进入凝固浴区域14，在其中用凝固溶液湿润连续成型体。或者利用喷射或者湿润装置(未示出)进行湿润，或者可替换地，将连续成型体11浸入凝固浴中。利用凝固溶液稳定挤压溶液。

在凝固浴区域14之后，利用拉伸部件15在拉伸速度v_A下拉伸连续成型体11，于是进行另一加工步骤(在此未示出)。在凝固浴区域14和拉伸部件15之间可以有各种附加的加工装置。例如，能够清洗和加压连续成型体11。

为了挤出挤压溶液，已将所述挤压溶液加热至一定温度，在该温度下挤压粘的溶液而且能够通过挤压通道和挤压通道口10以保持形状的方式挤出。在挤出后，必须在气隙12中冷却连续成型体11。出于这一目的，必须建立直接从连续成型体11到气隙12中的热流。

连续成型体11的机械性能依赖于在挤出之前或之后立即进行的方法步骤所达到的确定程度。

举例来说，能够改善连续成型体的不圈结性而且能降低纤维化倾向，而将气隙中热流密度Q控制到其值为：

$Q=\frac{\mathrm{0,004}}{\mathrm{\α}\·{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{\mathrm{0,3}}}$

其中β是挤压通道的长度L和直径D的比值而控制参数α的值至少为0.1。

可设定参数β＝L/D在2至150之间，优选值范围在50至100。

在上述公式中，α是控制参数其值至少为0.1。在进一步的变化中，控制参数α的值可以至少是0.2。优选地，控制参数α至少为0.5，根据特别优选的实施方案其值至少为1。

热流密度Q以瓦/立方毫米表示每单位体积的气隙空间的热流值，所述热流值是在气隙12的高度H上取平均值。热流密度是通过纺丝原液引入到气隙空间中的热量值，该气隙空间直接包围着长丝。气隙空间把不同的挤压通道口10连接起来，由气隙12中的连续成型体11周围的平衡体积V确定。在气隙空间V中，由连续成型体11引入的热流用从气隙空间中逃溢的热量平衡。在该热平衡中，不得不将从连续成型体离开的平衡体积中和从停留或移动的空气13中散失的热量，所述空气围绕气隙12中的连续成型体11，以及辐射热量认为是被动的热流。

在挤出或纺丝头6有大量邻近的挤压通道的情况下，独立的挤压通道的平衡体积与其他的平衡体积接壤，导致独立的连续成型体11的热流影响其他连续成型体的热流。在本发明的加工控制中将考虑相近并列的连续成型体的相互影响。

通过空气的温度和连续成型体的温度以及由连续成型体引入的热量确定热流密度Q。在本实施方案中，将挤压溶液的温度T_E和空气的温度T_L之间的温差ΔT＝T_E-T_L调节至其值为：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{H}{d}\·\frac{\mathrm{0,004}}{\stackrel{\·}{m}\·c_E\·\mathrm{\α}\·{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{\mathrm{0,3}}}$

其中

是单位为克/秒的通过挤压通道口的挤压溶液的质量流，c_E是单位为焦耳/克·开尔文的挤压溶液特殊热容量，d是单位为孔数/平方毫米的喷嘴盘上孔的孔密度，H是单位为毫米的气隙的长度。

能够或者控制连续成型体11的温度T_E或者控制空气13的温度T_L，或者同时控制两种温度。

另外，也能用关系式中所有其他的参数控制纺丝过程。

除了热流密度以外或者替代热流密度，能够调节在气隙12中以米/平方秒为单位的连续成型体11的平均加速度 a使其有下述的值：

$\stackrel{\‾}{a}=\frac{10}{\mathrm{\δ}{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{\mathrm{0,3}}},$

其中β是挤压通道的长度和直径(L/D)的比值。量δ是控制参数其值为至少0.3。在进一步的变化中，控制参数δ可以是至少0.6。优选地，控制参数δ为至少1.5，根据一个特别优选的实施方案其值为至少2.2。

气隙12中的连续成型体的平均加速度是在气隙高度H上大致取平均值。

通过改变空气13的流速，挤压通道口10处挤压溶液2的挤出速度v_E，或者拉伸部件15的拉伸速度v_A，就能调节加速度 α。

为了测定空气13的流速，可以设置检测器16。同样地，可以设置检测器17测定挤出速度v_E，和检测器18测定拉伸速度v_A。检测器16、17和18输出信号，不同的信号分别代表由所述的检测器测量的速度。将这些信号以电信号的形式提供给控制器19，该控制器处理这些信号并输出控制信号20。将控制信号20输送至泵3以调节提供给挤出头6的纺丝材料的挤出速度v_E。检测器17也可与一个精密纺丝泵(未示出)结合使用，该纺丝泵归结到挤出头6中。然而，控制信号20也可输送至用于驱动拉伸部件15的发动机21，以调节拉伸速度v_A。最后，控制信号20也可输送至供气装置(未示出)以调节空气13的速度。在此基础上，就能建立一个关于加速度 a的闭环控制的反馈控制循环。

能够独立地或与拉伸速度v_A一起控制挤出速度v_E。在根据图1的实施方案中，单独的挤出速度v_E控制，单独的拉伸速度v_A控制和两种速度的结合控制之间的切换，就能以满足下述公式的方式起效果：

$v_A^2-v_E^2=\mathrm{\γ}\·H\·\stackrel{\‾}{a},$

其中H是气隙高度而γ是其值在7至7.4之间的校正系数。校正系数的值特别是7.2。

在该实施方案中，图示的又一个传送装置25是在气隙12或者更确切地说是凝固浴区域14和拉伸部件15之间。该可任选的传送装置25以大体上无拉伸应力的方式将连续成型体输送至拉伸部件。

出于这一目的，可以使用振动或摇摆传送机形式的传送装置25，在此情况下利用有支撑的振动移动B和输送表面26小心地传送连续成型体11。

传送装置25的传送速度大致低于挤出速度v_E或拉伸速度v_A，挤出速度和拉伸速度大致相同。因此，传送装置25起到缓冲区的作用，在被拉伸部件15拉伸前，连续成型体11以几何学有规律的、堆聚的形状堆积在缓冲区上。通过不同的检测器(未示出)，也能够根据气隙中的平均加速度 a控制传送装置25的传送速度。

由于在此区域中连续成型体11的无拉伸应力传送，其中所述连续成型体在已被挤出后稳定，再一次提高了不圈结性，同时降低了纤维化倾向。

Claims (27)

1.一种使用挤压溶液挤出连续成型体的方法，该挤压溶液包含纤维素、水、叔胺氧化物及用于稳定纺丝原液的添加剂和/或以有机或无机添加剂形式的添加剂，所述方法包括以下步骤：

传送挤压溶液通过具有预定长度和预定直径的挤压通道直到挤压通道口；

通过挤压通道口挤出挤压溶液而形成挤出的连续成型体；

引导挤出的连续成型体通过具有预定气隙高度的气隙；

加速气隙中的连续成型体；

其特征在于，包括下述的工艺步骤：

控制气隙高度(H)上的连续成型体(11)的平均加速度 α，使其值为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}=\frac{10}{\mathrm{\δ}{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{0.3}},$

其中β是挤压通道的长度(L)和直径(D)的比值，其中控制参数δ的值为至少0.3。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，控制参数δ的值为至少0.6。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于，控制参数δ的值为至少1.5。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于，控制参数δ的值为至少2.2。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下述方法步骤：

根据平均加速度 α控制连续成型体(11)通过挤压通道口(10)的挤出速度ν_E。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下述方法步骤：

以基本无拉伸应力的方式在传送装置(25)上将连续成型体(11)传送至拉伸部件(15)，所述传送装置(25)设置在气隙(12)或凝固浴区域(14)后面。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于，还包括下述方法步骤：

根据所述平均加速度 α控制传送装置(25)的传送速度。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下述方法步骤：

当连续成型体(11)已通过气隙(12)后，利用拉伸部件(15)以拉伸速度ν_A拉伸挤出的连续成型体(11)。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于，还包括下述的方法步骤：

根据所述平均加速度 α控制拉伸部件(15)的拉伸速度ν_A。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下述的方法步骤：

根据下面的公式控制连续成型体(11)通过挤压通道口(10)的挤出速度ν_E和/或利用拉伸部件(15)拉伸的连续成型体(11)的拉伸速度ν_A：

${\mathrm{\ν}}_A^2-{\mathrm{\ν}}_E^2=\mathrm{\γ}\·H\stackrel{\‾}{\·\mathrm{\α}},$

其中H是气隙高度而γ是校正系数其值在7至7.4之间。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于，所述校正系数γ的值为大约7.2。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下述的方法步骤：

当连续成型体已离开挤压通道口后，利用在连续成型体周围的空气流的流动在挤出的方向上拉伸挤出的连续成型体。

13.根据权利要求12的方法，其特征在于，还包括下述的方法步骤：

根据所述平均加速度 α控制空气的速度。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于下述方法步骤：

控制气隙高度上的平均热流密度，使其值为：

$Q=\frac{\mathrm{0,004}}{\mathrm{\α}\·{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{0.3}}$

其中β是挤压通道的长度和直径的比值，控制参数α的值为至少0.1。

15.根据权利要求14的方法，其特征在于，控制参数α的值为至少0.2。

16.根据权利要求15的方法，其特征在于，控制参数α的值为至少0.5。

17.根据权利要求16的方法，其特征在于，控制参数α的值为至少1.0。

18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括下述方法步骤：

根据热流密度Q控制挤压溶液的温度T_E。

19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括下述方法步骤：

根据热流密度Q控制气隙(12)中连续成型体(11)周围的空气的温度T_L。

20.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包括下述的方法步骤：

控制挤压溶液的温度T_E和气隙(12)中连续成型体(11)周围空气的温度T_L之间的温差ΔT＝T_E-T_L，使其值为：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{H}{d}\·\frac{\mathrm{0,004}}{\stackrel{\·}{m}\·c_E\·\mathrm{\α}\·{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{\mathrm{0,3}}}$

其中

是单位为克/秒的通过挤压通道口的挤压溶液的质量流，c_E是单位为焦耳/克·开尔文的挤压溶液的特定热容量，d是单位为孔数/平方毫米的在喷嘴盘上孔的孔密度，H是单位为毫米的气隙长度。

21.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在大致保持温度T_E为常数时控制温度T_L。

22.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在大致保持温度T_L为常数时控制温度T_E。

23.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，β值至少为2。

24.根据权利要求21的方法，其特征在于，β值最多为150。

25.根据权利要求22的方法，其特征在于，β值最多为100。

26.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，挤压溶液的特定热容量c_E为至少2.1J/(gK)。

27.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，挤压溶液的特定热容量c_E为至少2.9J/(gK)。

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