CN1464921A - 用于挤出连续成形体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于由挤压溶液制造连续成形体(11)的方法，特别是含有纤维素、水和氧化叔胺的挤压溶液。挤压溶液通过挤压通道开孔(10)挤出成连续成形体。连续成形体通过气隙(12)导出，在气隙中连续成形体被拉伸。为了提高勾接强度并减小原纤化倾向，按照本发明建议，按照给定的公式控制平均加速度和/或平均热流密度。

Description

用于挤出连续成形体的方法

本发明涉及一种用于由挤压溶液挤出连续成形体的方法，特别是含有下列成份的挤压溶液：纤维素、水和氧化叔胺，以及用于稳定纺丝溶液的添加物或增加有机或无机形式的添加物，其中该方法包括下列步骤：

—通过具有给定长度和给定直径的挤压通道将挤压溶液传导到挤压通道开孔；

—通过挤压通道开孔将挤压溶液挤出，形成挤出的连续成形体；

—通过给定气隙高度的气隙导出连续成形体；

—在气隙中加速连续成形体。

通过上述方法制造的连续成形体可以具有丝线状、单丝状或薄膜状。对于制造丝线状连续成形体的情况，上述方法特别用作加工长丝的纺丝方法。

例如由US-4,246,221已知上述方法。在这个文献中描述了采用纺丝喷嘴作为挤压通道开孔制造纤维素成形体。其中实施了一种方法：其中在长丝从纺丝喷嘴排出之后通过空气输送。在空气中对长丝进行拉伸。拉伸是通过设置在纺丝装置后面的拉伸机构施加机械拉力实现的。

在AT-395863B中描述了另一制造纤维素成形体的方法。在这种方法中将气隙高度调整到很小。对于这种方法，纺丝喷嘴的直径为70到150微米，纺丝喷嘴的通道长度为1000到1500微米。通过缩短气隙和特殊的喷嘴配置减小纤度波动以及丝线断裂和相邻丝线之间的粘接。

由现有技术的已知方法制造连续成形体的缺陷是，不能实现针对连续成形体特性，特别是其原纤化倾向和勾接强度，的有效影响措施。

本发明的目的是，这样改进已知的由挤压溶液挤出连续成形体的方法，使勾接强度得到改善并减少原纤化倾向。

这个目的按照本发明对于上述方法由此实现，即，附加地进行下列工艺步骤：

—将基本在气隙高度上的平均热流密度Q控制在一个值： $Q=\frac{0.004}{\mathrm{\α}\·{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{0.3}},$

其中β为挤压通道的长度与直径之比，而控制参数α的值至少为0.1。

通过这个简单的措施可以对勾接强度以及原纤化倾向实现一个良好基础水平。在此，热流密度Q为基本在气隙12高度H上的、以W/mm³计的气隙空间每体积单位的平均热流值。热流密度是通过纺丝溶液加入直接围绕连续成形体的气隙空间的热量。气隙空间夹在挤压通道开孔与纺丝池上沿之间、以及由单丝形成的纺丝空间。

当控制参数α的数值在另一有利设计中为至少0.2时，能够改善连续成形体的机械和编织物理特性的数值。

当控制参数α的数值在本方法的另一有利设计中为至少0.5时，能够进一步提高连续成形体的编织物理特性。

当控制参数α的数值至少为1.0时，在本方法的设计中能够实现最小的原纤化倾向和最大的勾接强度。

为了控制气隙中的热流密度，可以改变连续成形体的温度或者在气隙中围绕连续成形体的空气温度。空气温度一般可以是周围空气的温度或沿着连续成形体流动的空气温度。在气隙中的热流密度随着空气温度的下降和空气速度的提高以及连续成形体温度的上升而增加。在此要注意的是，随着空气速度的提高也影响到拉伸率。为了简化控制，这些温度中的任一个也可以是保持恒定的。

在本方法的另一有利设计中，气隙中的热流密度Q尤其可以通过下列措施进行调整：

—将挤压溶液温度T_E与空气温度T_L之间的温度差ΔT＝T_E-T_L控制在一个值： $\mathrm{\ΔT}=\frac{H}{d}\·\frac{0.004}{\stackrel{\·}{m}\·c_E\·\mathrm{\α}\·{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{0.3}},$

其中

为挤压溶液通过挤压通道开孔的物质通量，以g/s计；c_E为挤压溶液的单位热容量，以J/gK计；d为喷嘴板上所设的通孔的孔密度，以Loch/mm²计；H为气隙的长度，以mm计。

此外，为了控制纺丝过程，也可以利用在关系式中所引的所有其它系数。

表示挤压通道长度与其直径之比的特征值β可以有利地至少为2。当β值最大为150时，则可以对于勾接强度和原纤化倾向得到特别好的数值。在此，当β值最大为100时，可以改善机械特性。

为了使连续成形体在挤出之后及加速、即拉伸之后稳定，连续成形体在穿过气隙后通过凝结浴加湿。加湿尤其可以由此进行，即，连续成形体通过加湿过程喷淋或浸入到凝结浴里面。

挤压溶液的单位热容量c_E可以有利地至少为2.1J/(gK)，最大为2.9J/(gK)。

在另一有利的设计中可以附加地进行下列工艺步骤：

—将基本在气隙高度上的连续成形体的平均加速度控制在一个值： $\stackrel{\‾}{a}=\frac{10}{\mathrm{\δ}{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{0.3}},$

其中β为挤压通道的长度与直径之比，控制参数数值δ至少为0.3。平均加速度 a的单位是m/s²。

通过附加地控制加速度将再次改善编织物理特性，如勾接强度或原纤化倾向。其中，基本在气隙高度上的平均加速度可以理解为在那个延伸段的主要区域上的加速度平均值，所述延伸段覆盖通过气隙的、挤出的连续成形体。

当控制参数数值δ在另一有利的设计中至少为0.6时，能够改善连续成形体的机械特性。

当控制参数数值δ在本方法另一有利的设计中至少为1.5时，能够以意想不到地进一步提高连续成形体的编织特性。

当控制参数数值δ至少为2.2时，在本方法的设计中能够实现最小的原纤化倾向和最大的勾接强度。

平均加速度 a可以以简单的方法通过控制连续成形体的挤出速度V_E进行控制。

在本方法的有利改进中，在气隙后面或在凝结浴后面设置输送装置，该装置将连续成形体基本无拉应力地输送到拉伸装置。可以根据平均加速度 a控制这个输送装置的输送速度。

对于按照本发明的方法，在另一有利的设计中，挤出的连续成形体在穿过气隙后可以通过拉伸装置以拉伸速度V_A进行拉伸。通过拉伸装置将挤出的连续成形体在施加拉应力的情况下输送到下一加工步骤。

在按照本发明方法的有利设计中，使用拉伸装置时，如果根据加速度 a控制连续成形体的挤出速度V_E(连续成形体以这个速度从挤压通道开孔中排出)，和/或拉伸速度V_A(连续成形体以这个速度通过拉伸装置拉伸)，则能够改善勾接强度并减少原纤化倾向。

尤其可以按照下式实现这种控制：

v_A ²-v_E ²＝γ.H. a

其中H为气隙高度，修正系数γ的数值为7至7.4之间，最好为7.2。v_A和v_E的单位为m/min，H的单位为mm，而 a的单位为m/s²。

在另一设计中本方法可以包括下列工艺步骤：

—在连续成形体从挤压通道开孔排出之后，在气隙中通过气流在挤出连续成形体的挤出方向上拉伸挤出的连续成形体，其中空气的流速大于连续成形体的挤出速度。

在这个步骤中，连续成形体的聚合分子通过拉伸过程定向。通过气流，拉伸所必需的拉力柔和地从连续成形体外表面开始施加。同时气流通过导出热量而冷却连续成形体。

如果气隙中的连续成形体通过基本平行于连续成形体挤出方向流动的空气以高于挤出速度的速度拉伸，则气隙中的加速度 a也可以通过控制空气速度进行调整。

加速度 a可以通过挤出速度、拉伸速度、输送装置的输送速度和空气流速的任意组合进行控制。

下面借助于附图所示实施例描述本发明。附图表示

图1为用于实施按照本发明方法的装置。

首先借助于图1描述按照本发明方法的流程。

在反应容器1中预备挤压溶液2。挤压溶液含有纤维素、水和氧化叔胺，例如N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)，以及必要时用于纤维素和溶液的热稳定的稳定剂。稳定剂例如可以是：没食子酸丙酯(Propylgallat)、相互间起碱化作用的介质或混合物。必要时也可以含有其它添加物，例如二氧化钛、硫酸钡、石墨、羧甲基纤维素、聚乙二醇、壳多糖、脱乙酰壳多糖、藻酸、聚糖、色素、起杀菌作用的化学试剂，含有磷、卤素或氮的阻燃剂，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。

通过泵3将挤压溶液2通过管道系统4输送。在管道系统4中设置压力平衡容器5，该压力平衡容器平衡在管道系统4中的压力流和/或体积流波动，使挤压头6能够连续且均匀地提供挤压溶液2。

管道系统4配有调温装置(未示出)，通过调温装置可以准确地控制挤压溶液2的温度。这一点是必需的，因为挤压溶液的化学和机械特性与温度密切相关。挤压溶液2的粘度随着温度的上升并随着剪切速率的增加而下降。

此外在管道系统4中存在防爆裂装置，由于挤压溶液的自发放热反应倾向，这个装置是必需的。通过防爆裂装置防止在管道系统4和压力平衡容器5和后接的挤压头6中出现损坏。

在超过一定温度以及在挤压溶液2老化时，在挤压溶液2中的自发放热反应首先在死水区产生。为了避免死水区，管道系统4在高粘度挤压溶液2通流的区域内做成有利通流的结构。

在挤压头6中，喷嘴室7中的挤压溶液被分配到多个纺丝毛细管形式的挤压通道8里面。纺丝毛细管8设置成一列，在图1中垂直于图面。因此通过挤压头6同时生产多个连续成形体。也可以配有多个挤压头6，使得形成多列纺丝毛细管。

纺丝毛细管具有小于500微米的内径D，最好小于250微米。对于特殊应用，直径也可以小于100微米，最好为50至70微米。

纺丝毛细管通流挤压溶液的长度L为至少两倍于内径D，但是最多100至150倍于内径。

纺丝毛细管8至少局部地由加热装置9包围，通过加热装置可以控制纺丝毛细管8的管壁温度。纺丝毛细管8的管壁温度约为150℃。纺丝溶液的温度约为100℃，纺丝毛细管8可以以任意形式安装在从外部调温支承体上，以产生高的孔密度。

加热装置9最好一直延伸到设在通流方向S上的挤压通道出口10。由此使挤压通道8的壁一直被加热到挤压通道出口10。

通过加热挤压通道，在其内壁上由于挤压溶液与温度有关的粘度形成一个相对于芯流低粘度的加热层流。由此使挤压溶液的速度断面图在挤压通道8和挤压过程内部这样积极地变化，从而实现比现有技术更好的勾接强度和更小的原纤化倾向。

在挤压通道8中，挤压溶液被挤压然后以长丝11的形式排出到气隙12中。气隙12在挤压溶液通流方向S上具有高度H。

在挤压头6中空气13与挤压溶液同心地以高速沿着连续成形体11导向。空气13的通流速度可以大于长丝的挤出速度V_E，连续成形体以这个挤出速度从挤压通道开孔10排出。由此使拉应力作用于连续成形体11与空气13之间的临界面上，通过拉应力也拉伸连续成形体11。

在穿过气隙12之后，连续成形体进入凝结浴区14，在凝结浴区连续成形体通过凝结液加湿。或者可以通过冲淋装置或者可以通过润湿装置(未示出)进行加湿。也可以选择将连续成形体11浸入凝结浴。通过凝结液使挤压溶液稳定。

在凝结浴区14之后，连续成形体11通过拉伸装置15以拉伸速度V_A拉伸，并继续输送到未示出的处理工序。在凝结浴区14与拉伸装置15之间可以具有不同的其它处理装置。例如洗涤和模压连续成形体11。

为了挤出，使挤压溶液置于一个温度下，在这个温度下挤出是粘滞的并因此形状稳定地通过挤压通道8和挤压通道开孔10挤出。在挤出之后连续成形体必需在气隙12中冷却。为此建立一个从连续成形体11指向气隙12的热流。

连续成形体11的机械特性直接取决于挤出之前或之后的工艺步骤。

如果将气隙中的热流密度Q控制在一个值： $Q=\frac{0.004}{\mathrm{\α}\·{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{0.3}}$ 则可以改善连续成形体的勾接强度并减少原纤化倾向，其中β为挤压通道8的长度L与直径D之比，控制参数α至少为0.1。

特征值β＝L/D可以在2至150之间，最好取值在50至100之间。

在上面的公式中α表示一控制参数，其数值至少为0.1。在另一变化中控制参数α的数值可以至少为0.2。控制参数α最好至少为0.5，尤其是最好至少为1。

其中，热流密度Q为基本在气隙12高度H上的、以W/mm³计的气隙空间每体积单位的平均热流值。热流密度是通过纺丝溶液加入直接围绕连续成形体的气隙空间的热量。气隙空间分别配属于挤压通道开孔10并由平衡体积V构成，平衡体积在气隙12中围绕连续成形体11。在气隙空间V中，由连续成形体11带入的热流与由气隙空间产生的热量平衡。在这个热平衡中，作为负热流要考虑到由平衡体积排出的连续成形体导出的热量和由静止或运动的在气隙12中围绕连续成形体11的空气13导出的热量以及辐射出去的热量。

对于具有多个相邻挤压通道8的挤压或纺丝头6，各挤压通道8的平衡体积相互邻接，使得各连续成形体11的热流相互作用。对于按照本发明的工艺控制，考虑了到相互紧邻的连续成形体的相互影响。

热流密度Q主要由空气温度以及连续成形体的温度和由连续成形体带入的热量来确定。因此对于本实施例，挤压溶液温度T_E与空气温度T_L之间的温度差ΔT＝T_E-T_L调整为： $\mathrm{\ΔT}=\frac{H}{d}\·\frac{0.004}{\stackrel{\·}{m}\·c_E\·\mathrm{\α}\·{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{0.3}}$

其中其中

为挤压溶液通过挤压通道开孔的物质通量，以g/s计；c_E为挤压溶液的单位热容量，以J/gK计；d为喷嘴板上所设的通孔的孔密度Loch/mm²；H为气隙12的长度mm。

在此，或者可以控制连续成形体11的温度T_E或者可以控制空气13的温度T_L或者也可以同时控制这两个温度。

此外，为了控制纺丝过程，也可以利用在关系式中所引的所有其它系数。

对于热流密度附加地或者代替热流密度，也可以将气隙12中的连续成形体11的平均加速度 a控制在下值，以m/s²计： $\stackrel{\‾}{a}=\frac{10}{\mathrm{\δ}{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{0.3}}$

其中β为挤压通道8的长度与直径(L/D)之比。数值δ表示控制参数，其数值至少为0.3。在另一变型方案，中控制参数δ可以至少为0.6。控制参数δ最好至少1.5，尤其是是最好至少为2.2。

连续成形体11在气隙12中的平均加速度是在气隙高度H的主要部分上的平均加速度。

加速度 a可以通过改变空气13流速、通过改变挤压溶液2在挤压通道开孔10上的挤出速度V_E或者通过改变拉伸装置15的拉伸速度V_A进行调整。在此也可以任意组合这些速度的调整。

为了测定空气13的流速，可以配置一传感器16。同样为了测定挤出速度V_E可以设置一传感器17，而为了测定拉伸速度V_A可以设置一传感器18。这些传感器16，17，18发出信号，信号分别代表由其所测出的速度。这些信号以电信号的形式输送给一控制装置19，控制装置将这些信号进行处理并输出控制信号20。这个控制信号20可以传递给泵3，以便调整输送给挤压头6的纺丝物质的挤出速度V_E。传感器17也可以与组合在挤压头6里面的精密纺丝泵(未示出)相结合。控制信号20也可以输送给控制拉伸装置15的电机21，以便调整拉伸速度V_A。最后控制信号20也可以输送给输送空气13的装置(未示出)，以便调整空气13的速度。通过这些方法可以建立起用于反馈控制加速度 a的调节回路。

挤出速度V_E独立地或与拉伸速度V_A一起进行控制。对于图1所示实施例，可以在只控制挤出速度V_E、只控制拉伸速度V_A以及联合控制两个速度之间进行转换，以满足下式：

v_A ²-v_E ²＝γ.H. a

其中H为气隙高度，修正系数γ为7至7.4之间。修正系数值尤其可以为7.2。

在本实施例中，在气隙12以及凝结浴区14与拉伸装置15之间示出另一输送装置25。这个可选择的输送装置25基本无拉应力地将连续成形体11输送到拉伸装置15。

在此，可以采用抖动或振动形式的输送器25，其中连续成形体11通过支承面或输送面26的往复运动B柔和地输送。

输送装置25的输送速度明显小于挤出速度V_E或拉伸速度V_A，挤出速度V_E或拉伸速度V_A这两个速度基本相等。所以输送装置25起到缓冲器作用，在连续成形体11被拉伸装置15拉伸之前，连续成形体11以几何形状27叠堆在输送装置上。通过相应的传感器(未示出)，输送装置25的输送速度也可以根据在气隙中的平均加速度 a进行控制。

连续成形体在这一区域中无拉应力地输送，在挤出之后在该区域中得以稳定，从而使得勾接强度再一次提高并得到明显更小的原纤化倾向。

Claims (27)

1.用于由挤压溶液，特别是含有纤维素、水和氧化叔胺的挤压溶液，挤出连续成形体的方法，该方法包括下列工艺步骤：

—通过具有给定长度和给定直径的挤压通道将挤压溶液传导到挤压通道开孔；

—通过挤压通道开孔将挤压溶液挤出，形成挤出的连续成形体；

—通过给定气隙高度的气隙导出连续成形体；

—在气隙中加速连续成形体；

其特征在于下列工艺步骤：

—将基本在气隙高度上的平均热流密度Q控制在一个值： $Q=\frac{0.004}{\mathrm{\α}\·{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{0.3}},$

其中β为挤压通道的长度与直径之比，而控制参数α的数值至少为0.1。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制参数α的数值至少为0.2。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制参数α的数值至少为0.5。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制参数α的数值至少为1.0。

5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于下列工艺步骤：

—根据热流密度Q控制挤压溶液的温度T_E。

6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于下列工艺步骤：

—根据热流密度Q控制在气隙(12)中围绕连续成形体(11)的空气温度T_L。

7.如权利要求5和/或6所述的方法，其特征在于下列工艺步骤：

—将挤压溶液温度T_E与在气隙(12)中围绕连续成形体(11)的空气温度T_L之间的温度差ΔT＝T_E-T_L控制在一个值： $\mathrm{\ΔT}=\frac{H}{d}\·\frac{0.004}{\stackrel{\·}{m}\·c_E\·\mathrm{\α}\·{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{0.3}},$

其中

为挤压溶液通过挤压通道开孔的物质通量，以g/s计；c_E为挤压溶液的单位热容量，以J/gK计；d为喷嘴板上所设的通孔的孔密度，以Loch/mm²计；H为气隙的长度，以mm计。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述数值β至少为2。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述数值β最大为150。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述数值β最大为100。

11.如权利要求5至10所述的方法，其特征在于，在温度T_E基本保持恒定的情况下对温度T_L进行控制。

12.如权利要求5至10所述的方法，其特征在于，在温度T_L基本保持恒定的情况下对温度T_E进行控制。

13.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述挤压溶液的单位热容量c_E至少为2.1J/(gK)。

14.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述挤压溶液的单位热容量c_E最大为2.9J/(gK)。

15.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于下列工艺步骤：

—将基本在气隙高度(H)上的连续成形体(11)的平均加速度控制在一个值： $\stackrel{\‾}{a}=\frac{10}{\mathrm{\δ}{\left[\frac{1}{\mathrm{\β}}\right]}^{0.3}},$

其中β为挤压通道(8)的长度(L)与直径(D)之比，而控制参数数δ的数值至少为0.3。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述控制参数δ的数值至少为0.6。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述控制参数δ的数值至少为1.5。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述控制参数δ的数值至少为2.2。

19.如权利要求15至18中任一项所述的方法，其特征在于下列工艺步骤：

—根据加速度 a控制通过挤压通道开孔(10)的连续成形体(11)的挤出速度V_E。

20.如权利要求15至19中任一项所述的方法，其特征在于下列工艺步骤：

—基本上无拉应力地将挤出的连续成形体(11)在设于气隙(12)或凝结浴区(14)后面的输送装置(20)上输送到拉伸装置(15)。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于下列工艺步骤：

—根据平均加速度 a控制输送装置(20)的输送速度。

22.如权利要求15至21中任一项所述的方法，其特征在于下列工艺步骤：

—在穿过气隙(12)之后通过拉伸装置(15)以拉伸速度V_A拉伸挤出的连续成形体(11)。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于下列工艺步骤：

—根据加速度 a通过拉伸装置(15)控制连续成形体(11)的拉伸速度V_A。

24.如权利要求15至23中任一项所述的方法，其特征在于下列工艺步骤：

—按照下式控制通过挤压通道开孔(10)的连续成形体(11)的挤出速度V_E和/或通过拉伸装置(15)的连续成形体(11)的拉伸速度V_A：

v_A ²-v_E ²＝γ.H. a

其中H为气隙高度，修正系数γ的数值为7至7.4之间。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述修正系数γ的数值为7.2。

26.如权利要求15至25中任一项所述的方法，其特征在于下列工艺步骤：

—在连续成形体从挤压通道开孔排出之后在气隙(12)中通过气流在挤出连续成形体的挤出方向上拉伸挤出的连续成形体，其中空气(13)的流速大于连续成形体(11)的挤出速度。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于下列工艺步骤：

—根据气隙(12)中的平均加速度a和/或平均热流密度Q控制空气(13)的速度。