CN1418266A - 用于挤压连续模制体的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于挤压连续模制体的装置、一种方法和一种成套设备，用于由一种挤压溶体例如一种含水、纤维素和氧化叔胺如N－甲基吗啉－N－氧化物(N－Methylmorpholin－N－Oxid)的挤压溶体来生产单丝或短纤维。通过调节挤压速度v到这样一个值：v＝B·T0.33·10000·(1/r2)，与已有技术的方法相比，使得连续模制体(3)的生产可以变得更加经济。如果所述行数r为：r＝[(B/v)·10000·T0.33]1/2，则可以得到一个更加经济的成套设备，其中T为以分特(dtex)为单位的纤维纤度、v是以米/分钟(m/min)为单位的挤压速度、r是挤压通道开口(12)的行数，而B是最大为4最小为0.5的操作参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种由一种挤压溶体，特别是由包含纤维素、水和氧化叔胺的挤压溶体挤压一种连续模制体的方法，该方法包括下列步骤：通过至少一个挤压头上的一组挤压通道将挤压溶体传递到一个挤压通道孔中，该挤压通道排列成预定数量的行；通过该挤压通道孔以预定的取出速度挤压该挤压溶体，以便获得各别的挤出模制体；通过一个空气间隙传递该挤出连续模制体。
背景技术
N-甲基吗啉-N-氧化物(N-Methylmorpholin-N-Oxid)(NMMO)可以被用作为所述的氧化叔胺。另外，该挤压溶体可包含用于纤维素和溶剂的热稳定性的稳定剂；另外，还可任选地包含其它的添加物或混合物，如二氧化钛(Titandioxid)、硫酸钡(Bariumasulfat)、石墨(Graphit)、羧甲基纤维素(Carboxymethylcellulosen)、聚乙二醇(Polyethylenglycole)、甲壳质(Chitin)、脱乙酰甲壳质(Chitosan)、海藻酸(Alginsure)、多糖(Polysaccharide)、染料(Farbstoffe)、抗菌化学药品(antibakteriellwirkende Chemikalien)、含磷耐焰剂(Flammschutzmittel enthaltendPhosphor)、卤素或氮(Halogene oder Stickstoff)、活性炭(Aktivkohle)、炭精块或导电炭精块(Russe oder elektrisch leitfhige Russe)、硅酸(Kieselsure)、有机溶剂(organische Lsungsmittel)以及稀释剂(Verdünnungsmittel)等。
一种不但含水和纤维素而且还含氧化叔胺如N-甲基吗啉-N-氧化物(N-Methylmorpholin-N-Oxid)(NMMO)的纤维素溶体最好作为挤压溶体。这种纤维素溶体被用于挤压连续模制体，其中所述连续模制体用作为短纤维、单丝和非织造物或纤条体，例如用于生产纺织品。
上述的方法从例如WO 93/19230中得知。喷丝头形式的挤压头用于生产纤维素纤维形式的连续模制体。在此所述的成套装置在生产纤维素纤维时已经达到了很高的经济性。然而，这样做需要在结构上做出很大的努力，因为该方法只有在鼓风动作横向于纤维素纤维的挤压方向时才是一种可盈利的方法。
在WO 95/04173的方法中，纺丝方法的经济性得到改善，其方法是采用一个在其整个表面上穿孔的环形喷嘴。然而，在WO 95/04173的设备和方法中，也需要进行鼓风操作和需要抽吸设备，因此在结构上仍需要做出很大的努力才能使该方法有更好的经济性
从WO 98/18983可知一个执行上述方法的纺丝头。在该纺丝头中，纺丝孔以预定的方式配置，以增加该方法的经济性。
在上述列举的文献和其中所包含的表格和实施例的基础上，从经济上合理的安装尺寸来看，可以估计出所需纺丝位置的数量。
以WO 95/04173所提供的信息为基础，可以计算出，当每个纺丝位置生产量约为4.5kg/h时，根据在所述文献中所描述的方法，在一个商业的设备中每个设备将需要200到1000个纺丝位置，具体数量依赖于该设备的尺寸。
除了在设计该机械和控制该设备所需要做出的巨大努力之外，以及除了用于操作该具有如此众多的单个纺丝位置的设备所需要的人力的高额花销之外，还必须首先注意到这样一个问题，该问题从NMMO方法中得知，是由纺丝或挤压溶体的有限热稳定性而引起的。
由于有大量单个的纺丝位置，其结果就是必须提供一个长而且有很宽分支的管路系统。在此管路系统中，因为长时间保持在高温状态下，纺丝物质以发热反应的形式自然发生分解的风险大大增加。为了抵卸这种风险，还需要采取其它麻烦的结构措施，例如采用爆炸防护装置。
发明内容
从已有技术所实行的解决方案来看，本发明的目的在于使已知的方法有更大经济性，而不需要在结构上做出很大的努力。
根据本发明，上述的方法是通过使该方法包括以下步骤而实现的，即：根据行数r、以分特(dtex)为单位的纤维纤度T和操作参数B，控制以米/分钟(m/min)为单位的取出速度v，根据下式取得v值：
v＝B·T0.33·10000·(1/r2)
其中操作参数B最大取值为4。
令人惊奇的是，根据该公式控制挤压速度产生了很高的经济性，并且无浪费地输出连续模制体。在本发明的方法的控制下不再需要鼓风操作，这样可以采用结构上简单的设备来执行所述方法。因此，纺丝单元变得更加便宜。
经济性得到增加，因为在根据本发明的控制中，在达到高的纺丝稳定性和可靠性的同时还能够达到的孔的最高密度。纺丝稳定性是测量该方法的操作可靠性或故障保险性的尺度。在该挤压方法中，只要所述连续模制体不被扯断也不相互粘连，就达到了高的纺丝稳定性。
通过操作参数B来考虑该纺丝稳定性：B越大，纺丝稳定性就越低，并且越可能发生操作故障。根据本发明，当B＜4时，可以观察到高的纺丝稳定性和大大增加的经济性。
大大增加的经济性的特征为，一方面，有更好的操作条件，如一个最优化的取出速率、在纺丝头中均匀的流动条件、由于在槽中较小的浸没深度而带来的操作的便利、监视工艺工程的良好可能性、喷嘴互换的方便性，在另一方向，还有由于不再需要鼓风和抽吸操作以及相关的部件和空气通道，并且因为较为简单的挤压头结构和较为简单的船式结构，而使得在结构上所做的努力较小。
在另一个进一步的改进方案中，当B最高为3.5或B最高为3时，还可以获得更大的纺丝稳定性。
虽然在操作值小于0.5时也能观察到高的纺丝稳定性，但这不再构成根据本发明的一个经济的系统。
本发明还涉及一个挤压头，所述挤压头用来由一种挤压溶体特别是含有水、纤维素和氧化叔胺的挤压溶体来挤压一种连续模制体，所述挤压头包括一组挤压通道，挤压溶体以一个挤压速率通过该通道到达一个挤压通道孔，所述挤压溶体通过所述挤压通道孔被挤压成一种连续模制体。包括所述特征的挤压头也可以由WO 93/19230、WO 95/04173和WO98/18983中得知。
如上所述，在此所述的挤压头有一个缺点，即只能在结构上做出很大的努力才能够获得高的孔密度；另外，由于其对于操作者不良的可接近性，所以包括鼓风操作和抽吸操作的传统设备的操作变得困难。在此，所述方法的高的经济性对应于高的孔密度与各纺丝位置上孔的较大数量相结合。
因此，本发明的目的是在保持对结构做较小的努力或使花费尽可能小的条件下，使一般的挤压头增加经济性。根据本发明，在保持模制体优异性能的同时还确保了方便的操作性。所述优异的性能即均匀的强度、伸长率以及不粘连到一起的模制体。
根据本发明的方法所制造的纤维产品与采用已有技术生产的Lyocell纤维具有相同的纺织纤维数据。
根据本发明，对于一般的挤压头来说，这一目的是这样达到的，即，挤压头的挤压通道孔的行数r根据纤维以分特(dtex)为单位的纤度和以米/分钟(m/min)为单位的取出速率以及操作参数B是这样确定的：
r＝[(B/v)·10,000·T0.33]1/2
其中操作参数的值最高为4。
采用这种挤压头的设计，可以使孔密度达到最大而不需要任何鼓风操作，其经济性与已有技术相比有了显著的增加。
在一个进一步的有利改进方案中，该设备的操作参数也最高为3.5或者也最高为3。对于所有的设计，操作值B都不应该降到0.5以下，因为这时纺丝系统的经济性受到损害。
最后，本发明还涉及一个挤压一种连续模制体的设备，所述设备包括至少一种根据本发明的挤压头。
例如这种设备包括：纺丝材料和化合物的生产以及生产该纺丝材料的已知的工艺步骤、在纺丝材料生产之后的工艺步骤例如过滤、以及一个或数个用于挤压溶体的供给槽、一个管路系统，该管路系统可以配备温度控制装置和卸压部件。由泵通过该管路系统将挤压溶体从供给槽输送到挤压头。最后，该设备还可能包括一个或多个补偿容器，这些补偿容器补偿所述管路系统中压力和体积流量的变化，确保对挤压头的稳定输入。
根据设备的设计，为了以给定量的纺丝材料来控制v，这样也控制纤度T，配置了一个或多个取出单元。另外，根据设备的类型，该设备由已知的机械和装置组成，这些机械和装置采用了不同的设计，用于切割、洗涤、后处理、干燥、开松、压制和包装生产出来的纤维。
在挤压的方向上，通常在挤压头的下游安置了一个空气间隙，以便让连续模制体从其中通过。由于挤压通道孔被排列成行，在一个优选的改进方案中，各连续模制体相互紧靠地形成了一个基本上为平面的宽幅幕帘。为了增加幕帘的宽度，也就是增加该方法和设备的经济性，特别是在行的方向上，与相对于该方向垂直的方向相比，挤压头可以被大大地延伸或拉长。
在越过空气间隙之后，该由各连续模制体组成的幕帘进入到一个沉降浴中，该沉降浴最好固定在盆中。在盆中该宽幅幕帘被一个转向装置转向并且被引导到一个收集装置处，在该收集装置中连续模制体基本上向一点会聚。
收集装置最好被安置在沉降浴之外。
将生产的被纺单丝束以宽幅平带或网的形式在纺丝盆中进行本发明的引导和转向的组合，与传统的已知喷丝头相比，在行的方向上各喷丝头能够做得更长一些，根据前面的已有技术，一个纺丝位置的被纺单丝都已经在纺丝浴中向一点会聚。
与宽阔或宽幅地引导根据本发明的单丝束不同，当根据已有技术，缆绳状的纤维束在纺丝浴中被会聚到一点上时，显著增加的集束角连同增加的喷嘴尺寸都产生了不利的效果。
在已有技术中，当纤维束会聚到一点上时，如果集束角较大，离开喷嘴的聚合物射流在喷嘴离开边缘处被强制转向，这会损害到挤压和纺丝过程。由于集束角的增加伴随着喷嘴尺寸的增加，所以喷嘴的尺寸受到限制。
大的集束角还影响着流动过程以及纤维束的浴位移；在大集束角的条件下，纺丝浴中出现增加的紊流和回流。
WO 96/20300通过指明了一个等式处理了这样的问题，该等式用于计算在纺丝浴中带点状转向装置的纺丝系统的最大允许集束角。然而，对于该等式来说，在大直径喷嘴的情况下，集束角的结果就是大的浸没深度。另外，大的浸没深度对操作性有负面的影响；还有，在纤维束与纺丝浴之间以及在转向装置的转向点处，磨擦力增加。
根据WO 96/20300的设计中还有一个问题，即在纤维束中纺丝浴液难于置换。对于这种带环形喷嘴的单个纺丝台来说，一个经济的设计需要多行的单丝。一个点状的转向产生了一个单丝圆锥，其纺丝浴体积必须经常被置换，以防止浓度差别过大。由于环形的形状，不仅直接包围被纺单丝的纺丝浴必须通过这些被纺单丝进行置换，还有被所述单丝圆锥所包围的纺丝浴的体积也是如此。这导致各被纺单丝上所作用的载荷增加，并且还导致紊流，该紊流影响到纺丝工艺过程。
WO 94/28218说明了另一种方法，在该文献中，从矩形的喷嘴离开的单丝束通过一个纺丝浴槽而被导向，其中所述纺丝浴槽在其下端带有一个离开开口，单丝束通过该离开开口在一点处集束并且排出该纺丝浴系统。
该系统的经济性也受到限制，因为它需要避免过大的集束角。为了保持小的集束角度，在这种类型的设计中需要具有大的浸没深度，从而带有上述所有的负面影响。另外，大的浸没深度导致在底部的离开开口处有一个高的纺丝-浴离开速度。这种高的纺丝-浴离开速度在最初的纺丝操作中以及在操作过程中都会影响纺丝工艺过程，其原因是产生了紊流。该高的浴离开速度会影响到对分开形式的单丝的处理，因为分开的单丝被该高的浴离开速度拖带，并且在纺丝浴出口以下的转向点处不是以拉伸的状态转向，而是向下弯曲。另外，要增加每个纺丝位置的单丝数量，还需要一个较大的离开开口。这样大量的纺丝浴就需要进行循环，从而产生了额外的紊流。
由于在WO 94/28218和WO 96/20300中所示的纺丝浴槽需要大的浸没深度，所以在很大程度上妨碍了在该纺丝位置上最初的纺丝操作和处理。
为了像初纺时所首先需要的那样，尽管操作员的手臂长度有限，也允许操作员沿浸没路线用手对被纺单丝束进行处理，需要另外的装置。
正如在引用的专利说明书中所述，所需的入口或者由开口(门)(在WO 94/28218中)或由提升和放下纺丝浴槽的附加提升装置(在WO96/20300中)来提供。
这些附加的装置等价于更高的费用，从而在相当程度上减小了经济性。
由于根据本发明的单丝束例如以幕帘的形式进行宽幅转向，因此可以显著地增加喷嘴长度，这样也就增加了一个纺丝位置的经济性，如上所述。
另外，由于在沉降浴中纤维束的宽幅导向使得浸没深度可以减小到满足凝结所需的程度。采用该措施，在已有技术的纺丝系统中所发现的下述问题都可以解决或消除。
-与环状喷嘴不同，矩形喷嘴不会导致一个封闭的纺丝浴圆锥，该纺丝浴圆锥必将产生附加的位移。
-在纺丝浴中单丝束的位移过程被最小化，从而避免了紊流和回流。
-纺丝浴与单丝束之间的磨擦力，从而也就是作用在转向装置上的磨擦力被最小化。
-由于在纺丝浴槽的下部进行转向，所以离开开口被省略，从而防止了在纺丝特性、紊流和处理等方向的负面影响。
-在最初纺丝加工中首先需要的入口得到相当的简化，这是由于浸没深度被大大减小的缘故，其中所述入口的用途是由手工沿着浸没路线处理被纺单丝束。
-为得到这种系统，在结构上所做的努力从而也就是所支出的花销被大大地减小。
最后，当多个根据本发明配置的挤压头被用于一个纺丝设备中时，各挤压头上可配一个转向装置，通过该转向装置使得由各挤压头生产出来的幕帘在纺丝浴中发生转向。
附图说明
根据本发明的设备以及根据本发明的方法将通过参考一个实施例进行更加详细的说明。
图1是一个示意图，显示了用于执行本发明方法的本发明设备的实施例。
图2是本发明挤压头的一个剖视示意图。
具体实施方式
首先，在图1中将说明一个实施例的结构。
图1显示了一个设备1，该设备1用于挤压一种含水、纤维素和N-甲基吗啉-N-氧化物(N-Methylmorpholin-N-Oxid)(NMMO)的挤压溶体。该挤压溶体在图1所示的设备中被纺丝成单丝形式的连续模制体，而这单丝也可以在该方法的此处没有显示的其它步骤中被切割成短纤维。所述设备1包括一排对着x-和y-方向的挤压头2。
另外，所述设备包括一个供给槽(没有显示)，其中保存着所述挤压溶体。由一个泵(没有显示)将该挤压溶体经一个优选的被加热管路系统(没有显示)从所述供给槽输送到挤压头。在该管路系统中安置了一个补偿槽(没有显示)，即使在管路系统的压力和/或体积流量发生变化的情况下，该补偿槽也能够确保对挤压头均匀输送挤压溶体。
挤压头2基本上为杆的形状。挤压溶体通过该挤压头并且在此被挤压成连续模制体3。这些连续模制体3以幕帘的形式在此离开挤压头。所述幕帘借助于一个转向装置4转向到一个收集装置6，该转向装置4安置在一个沉降浴5中。在收集装置处，该幕帘3基本上向一个单独的点会聚。这些连续模制体作为一个纤维束7从收集装置6传递到一个装置8处，在该装置8处建立了一个取出速率或速度v。
在图1所示的实施例中，转向装置4和收集装置6被设计成一个圆筒或一个辊子。该圆筒或辊子可以设计成这样，即他们静止或被动的转动或被驱动地转动。装置4和6也可以设计成有或没有侧向边界的成形支承辊子或圆筒。
一个空气通道或空气间隙8位于挤压头2和纺丝浴表面5之间，一个挤压头的连续模制体以由各连续模制体组成的基本为平面的幕帘的形式浸没到该纺丝浴表面5之中。
图2示意地显示了通过挤压头2的剖面。
挤压溶体首先通过一个收集管或集合管10被导入挤压头中。挤压通道11从该收集管分叉并且终止于一个挤压通道孔12处。
在收集管10与挤压通道11之间配置了部件13，用于使流动均匀并且均匀分配流过各挤压通道的材料。这些流动部件例如具有筛子或过滤器的形状。
在图2的挤压头中，挤压通道孔12的行数为r，这些行平行于x-方向。
流体通道孔12的行在y-方向上延伸。在图2中以示例的方式只显示了挤压通道孔12的外面两行。挤压溶体从各挤压通道孔12处沿挤压方向z被挤压。在采用本发明的杆状挤压头的条件下，在y-方向上的挤压通道孔12的数量远远大于其在x-方向上的行数。这就是为什么挤压溶体从一个挤压头2离开时基本上为一个幕帘的原因。
以一个给定的行数r和所需要的纤度T，可以通过一个控制装置(没有显示)用这样的方式来控制取出速率v：
v＝B·T0.33·10000·(1/r2)
其中B的值最高为4，T是以分特(dtex)为单位的纤维纤度T。在此范围内挤压头2的纺丝可靠性非常高，这样可以在高的纺丝稳定性的条件下得到无故障的纺丝操作。
用于调节纤维细度的取出速率以米/分钟(m/min)为单位表示。本领域熟练的技术人员将会根据毛细管直径和纤维素浓度，以这样的方式来调整通过挤压通道孔的纺丝溶体的取出速率，即使得在给定的取出速率下可以达到要求的纤维纤度。
另外，图2中的挤压头被这样设计，即对于在操作过程中标准的速率v来说，它在x-方向所具有的行数r为：
r＝[(B/v)·10000·T0.33]1/2
现在将以图1和2所示实施例的原理为基础，参考一个示例对操作参数B进行描述。
在第一变型中，挤压头2采用的行数为33，纺丝速率为v＝30m/min并且纤维的纤度T＝1.3dtex。所述挤压头的纺丝特性允许可靠的纺丝操作。
减少行数r到28不会决定性地改善纺丝特性。然而，由于较小的单丝输出而使经济性下降。
相反，在此条件下当数值r上升到40时，操作参数升至大于4的值；不再能够保证一个无故障且稳定的纺丝过程。
操作参数是由多次试验而确定的，在这些试验中，根据所采用的各喷嘴的行数，试验可达到的取出速率和产生的纤维纤度。
根据本发明，在一个纺丝台或设备1中还可以包括几个安置在x-或y-方向上的挤压头。
通过根据本发明的设计和速度的控制，在没有鼓风操作时可以确保高经济性。
Claims (19)
1.一种挤压连续模制体的方法，用于由一种挤压溶体特别是一种包括水、纤维素和氧化叔胺的挤压溶体生产单丝或短纤维，所述方法包括以下步骤：
-通过至少一个挤压头的多个挤压通道将所述挤压溶体传递到一个挤压通道孔处，所述挤压通道被配置成预定数量r的行；
-经所述挤压通道孔以一个预定的挤压速率将所述挤压溶体挤压成各被挤压的模制体；
-将所述被挤压的连续模制体传递过一个空气间隙，
其特征在于以下步骤：
-根据行的数值r、以分特(dtex)为单位的纤维纤度T和操作参数B，控制以米/分钟(m/min)为单位的挤压速率，使所述挤压速率的值为
v＝B.T.0.3310000·(1/r2)
其中所述操作参数B的值最高为4。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述操作参数的值最高为3.5。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述操作参数的值最高为3。
4.如前述权利要求任意之一所述的方法，其特征在于所述操作参数的值至少为0.5。
5.如前述权利要求任意之一所述的方法，其特征在于以下步骤：
-通过所述空气间隙(8)以幕帘(3)的形式从所述挤压头(2)中排出所述连续模制体。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于以下步骤：
-通过一个沉降浴(5)以所述幕帘(3)的形式传递所述连续模制体。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于以下步骤：
-在所述沉降浴(5)中使所述幕帘转向。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于以下步骤：
-将所述沉降浴(5)之外的所述被转向幕帘(3)基本上会聚到一点上。
9.如前述权利要求任意之一所述的方法，其特征在于以下步骤：
-将所述连续模制体在所述空气间隙(8)中穿过基本静止的空气，以便由一种挤压溶体生产单丝或短纤维。
10.一种挤压连续模制体的挤压头，用于由一种挤压溶体特别是一种包括水、纤维素和氧化叔胺的挤压溶体生产单丝或短纤维，所述挤压头包括多个挤压通道，所述挤压溶体通过所述挤压通道以一个挤压速率v被传递到一个挤压通道孔中，所述挤压溶体可以被挤压而获得一种连续模制体，以便为了由一种挤压溶体通过所述挤压通道孔生产一种单丝或短纤维，其特征在于，根据以分特(dtex)为单位的所述纤维纤度T、以米/分钟(m/min)为单位的所述挤压速率v以及根据所述操作参数B，所述挤压头(2)的所述挤压通道孔(12)的行数r为：
r＝[(B/v).10000.T0.33]1/2
其中所述操作参数B最大为4。
11.如权利要求10所述的挤压头，其特征在于所述操作参数最高为3.5。
12.如权利要求10所述的挤压头，其特征在于所述操作参数最高为3。
13.如权利要求10到12任意之一所述的挤压头，其特征在于所述操作参数至少为0.5。
14.如权利要求10到13任意之一所述的挤压头，其特征在于为了由一种挤压溶体生产单丝或短纤维，所述连续模制体以幕帘(3)的形式离开所述挤压头(2)而进入到一个空气间隙中。
15.一种挤压连续模制体的设备，用于由一种挤压溶体特别是一种包括水、纤维素和氧化叔胺的挤压溶体生产单丝或短纤维，所述设备包括至少一个挤压头，其特征在于根据权利要求10而设计所述挤压头(2)。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于一个转向装置(4)被配置在溶浴中，在所述挤压方向上，所述转向装置(4)被安置在一个空气间隙之后，所述幕帘(3)由所述转向装置转向。
17.如权利要求16所述的设备，其特征在于在所述挤压方向上，一个收集装置(6)被安置在所述转向装置(4)的下游，其中通过所述收集装置(6)，所述幕帘(3)基本上会聚成一根纤维。
18.如权利要求15到17任意之一所述的设备，其特征在于多个所述挤压头(2)被配置成基本平行的行。
19.如权利要求15到18任意之一所述的设备，其特征在于所述设备包括多个挤压头，这些所述挤压头沿x-和/或y-方向安置，并且组合形成一个纺丝位置。
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