RU214665U1

RU214665U1 - Экструдер для получения прядильного раствора целлюлозы в n-метилморфолин-n-оксиде для изготовления формованного изделия

Info

Publication number: RU214665U1
Application number: RU2022111066U
Authority: RU
Inventors: Валерий Григорьевич Куличихин; Людмила Константиновна Голова; Кирилл Владимирович Зуев; Алексей Александрович Шабеко; Михаил Валентинович Азанов; Леонид Романович Дьяченко; Дмитрий Владимирович Шульженко; Ирина Юрьевна Бессонова
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное объединение "БИОТЕХКОМПОЗИТ" (АО "НПО БИОТЕХКОМПОЗИТ")
Filing date: 2022-04-22
Publication date: 2022-11-09

Abstract

Полезная модель относится к области химии, а именно к аппаратам химической и нефтехимической промышленности и предназначена для получения прядильных растворов целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде для изготовления формованных изделий. Заявлен экструдер, выполненный из 12 секций, и оснащенный откидывающейся крышкой и двумя параллельно расположенными шнеками, содержащими наборы чередующихся транспортирующих винтовых и истирающих кулачковых элементов и вращающимися одновременно в одном направлении, при этом экструдер разделен на три функциональные зоны:

A) зону получения твердого предраствора целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде путем твердофазной активации смеси исходных компонентов, включающую с 1-ой по 5-ую секции экструдера, охлаждаемые водой температуры 10-15°С;

B) переходную зону, включающую с 6-ой по 8-ую секции экструдера, обогреваемые до температуры 70-80°С, в которой происходит интенсификация физикохимического взаимодействия целлюлозы и ММО в предрастворе;

C) зону плавления твердого предраствора с получением гомогенного прозрачного прядильного раствора, пригодного для формования, включающую с 9-ой по 12-ую секции экструдера, обогреваемые до 85-90°С, а наборы элементов шнеков включают: истирающие кулачковые элементы со смещением отдельных кулачков друг относительно друга в наборном элементе установлены на валах шнеков так, чтобы

между 2-ой и 3-ей секциями экструдера были расположены истирающие кулачковые элементы с углом 90 град., в 4-ой, 5-ой и 11-ой секциях экструдера - истирающие кулачковые элементы с углом 60 град., между 6-ой и 7-ой секциями экструдера - истирающие кулачковые элементы с углом 30 град;

транспортирующие винтовые элементы шнеков имеют различный шаг между гребнями винтов и установлены на валах шнеков таким образом, чтобы

транспортирующие винтовые элементы с шагом 20 мм были расположены во 2-ой, 3-ей, 4-ой, 5-ой и 6-ой секциях экструдера перед истирающими кулачковыми элементами;

транспортирующие винтовые элементы с шагом 10 мм - в 1-ой, 7-ой, 8-ой, 9-ой, 10-ой и 11-ой секциях экструдера после истирающих кулачковых элементов,

транспортирующие винтовые элементы с шагом 5 мм - в 12-ой секции экструдера;

при соотношении длины шнеков к их диаметру равному 48/1.

Технический результат: полезная модель обеспечивает получение качественного гомогенного прядильного раствора целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде, пригодного для формования изделий, в корпусе одного экструдера.

1 н.п., 6 фиг. , 1 табл., 8 пр.

Description

Полезная модель относится к области химии, а именно к аппаратам химической и нефтехимической промышленности, и предназначена для получения прядильных растворов целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде (ММО) для изготовления формованных изделий.

Процесс получения гидратцеллюлозного волокна «Лиоцелл» с использованием ММО в качестве растворителя целлюлозы на сегодняшний день в мировой практике является альтернативой экологически неприемлемому вискозному процессу и обеспечивает высокие механические свойства получаемых волокон, в силу чего спектр их применения достаточно широкий от текстильного ассортимента до изготовления промышленного армирующего материала для изделий из резины, таких как шины и ремни, и прекурсоров углеродных волокон.

Как правило, процесс промышленной переработки целлюлозы в волокна через растворы в ММО - «ММО-процесс», осуществляется в несколько стадий: первая стадия, обеспечивающая максимальную возможность проникновения растворителя в упорядоченные области целлюлозы, обычно проводится при обработке целлюлозы водным раствором растворителя (содержание воды 40-50%) до образования равномерной пульпы; далее следует энергоемкая стадия контролируемой отгонки избытка воды из пульпы в условиях пониженного давления и повышенной температуры до содержания воды в системе 10-13,3%, стадия гомогенизации системы до получения прядильного раствора, пропускание раствора через фильеру и формование волокон по сухо-мокрому способу. Это основные, принципиальные стадии процесса, но каждая фирма-разработчик ММО-процесса, совершенствуя технологию, включает в него определенные отличительные признаки, в том числе связанные с конструктивными особенностями устройств и аппаратов, реализующих ту или иную стадию технологии.

Из уровня техники известны промышленные устройства, включающие диспергатор для диспергирования целлюлозы в растворе ММО, содержащем 40 мас.% воды, до образования пульпы и тонкопленочный испаритель для удаления избытка воды из пульпы и получения раствора целлюлозы, описанные в патентах США №№5094690, 5534113 и 5603883.

Из уровня техники известны промышленные установки для получения раствора целлюлозы, включающие горизонтальный цилиндрический смеситель для перемешивания измельченной до плоских частиц произвольной формы целлюлозы с ММО, содержащим 22 мас.% воды, бункер-накопитель для дополнительного набухания при перемешивании в течение нескольких часов, тонкопленочный испаритель с силовым приводом для удаления воды из раствора высокой вязкости и получения прядильного раствора целлюлозы, описанные в патентах США №№5421525, 5456748, 5534113 и 5888288.

Одной из тенденций развития уровня техники в области получения прядильных растворов целлюлозы, пригодных для формования изделий, является применение экструзионных способов и соответствующих устройств - экструдеров.

Так, известна промышленная установка для получения раствора целлюлозы отгонкой избытка воды из смеси целлюлозы с ММО, содержащим 23 мас.% воды, состоящая из ряда камер, соответствующих нескольким ступеням отгонки. Камера первой ступени имеет малое число сопел сравнительно большого диаметра. По мере повышения ступени камеры количество сопел увеличивается, а диаметр отверстия сопла уменьшается (от 6.0 до 1.5 мм), чтобы увеличить площадь поперечного сечения для повышения эффективности испарения воды (патент США №5948905). В данном способе отгонка избытка воды из смеси проводилась при пониженном давлении. На восьмой, последней, стадии используется экструдер для перевода системы в раствор.

Известны промышленные установки для получения раствора целлюлозы путем отгонки воды из набухшей и диспергированной в жидких гидратах ММО целлюлозной пульпы при пониженном давлении, с последующим охлаждением полученного раствора целлюлозы и переводом его в твердый полупродукт (подобно изготовлению «чипсов»), далее подвергаемый расплавлению в экструдере, описанные в патентах США №№4142913 и 4144080.

В патенте Кореи №2002-24689 описана промышленная установка для реализации способа получения раствора целлюлозы высокой гомогенности из смеси набухшего целлюлозного порошка и жидкого ММО, включающая смеситель, в котором проводят растворение малого количества целлюлозного порошка в расплавленном N-метилморфолин-N-оксиде для снижения температуры его кристаллизации, с последующим смешением низкоконцентрированного жидкого раствора ММО и целлюлозного порошка с получением пасты, в которой протекают процессы набухания или частичного растворения целлюлозы в растворе ММО; и экструдер, в который подают пасту для полного растворения целлюлозы.

Общими недостатками рассмотренных выше технологий получения прядильного раствора целлюлозы и устройств, их реализующих, являются:

многостадийность и необходимость использования нескольких аппаратов на разных стадиях процесса;

необходимость создания оригинального оборудования для получения целлюлозной пульпы (пасты);

увеличенные размеры аппаратов для отгонки воды при пониженном давлении;

высокая энергоемкость процесса.

В патенте США №5584919 описано устройство, реализующее способ получения раствора целлюлозы с использованием твердого ММО, содержащего от 5 до 17 мас.% воды, включающее горизонтальный цилиндрический высокоскоростной смеситель для перемешивания твердого ММО и целлюлозного порошка до получения гранулированного полупродукта и экструдер для дальнейшего плавления полученного полупродукта.

Недостаток описанного устройства заключается в том, что получение раствора целлюлозы проводят в двух аппаратах - высокоскоростном смесителе и затем в экструдере, что связано с дополнительными капиталовложением и энергозатратами.

Кроме того, в высокоскоростном смесителе происходит подплавление кристаллического растворителя, инициирующее частичное растворение целлюлозы по поверхности частиц, и, как следствие, при последующем охлаждении и кристаллизации растворной оболочки - к их «ороговению» с образованием гранул. При последующем нагреве этих гранул в экструдере поверхность гранул оплавляется, создавая пленку раствора, затрудняющую доступ молекул растворителя в целлюлозную частицу, что приводит к высокой гетерогенности полученного раствора, и, соответственно, к ухудшению его качества.

Во всех рассмотренных способах получения растворов целлюлозы в ММО в той или иной степени используется экструзионное оборудование, но чаще всего на окончательном этапе получения растворов - стадии плавления и гомогенизации.

Наиболее близкое к предлагаемой полезной модели по достигаемому результату является устройство, описанное в рамках способа получения раствора целлюлозы для изготовления формованных изделий (Патент РФ 2075560, МПК D01F 2/02, 20.03.1997). По технической сущности устройство включает два экструдера для последовательного проведения двух стадий процесса.

В одном двухшнековом экструдере проводят первую стадию процесса, в которой смесь исходных компонентов подвергают интенсивному механическому воздействию с получением порошкообразного предраствора целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде. При этом используют конфигурацию шнеков, содержащую измельчающие и истирающие наборные элементы, и поддерживают температуру в экструдере не выше 15°С.

Далее полученный предраствор передают на вторую стадию в обогреваемый одношнековый экструдер, в котором используют транспортирующую конфигурацию шнека. Температуру в экструдере поддерживают не выше 120°С, что обеспечивает плавление полученного на 1 стадии предраствора, его гомогенизацию и переход в жидкий прядильный раствор, подаваемый на формовочное устройство.

Недостатком описанного устройства является то, что две обязательные стадии процесса получения раствора целлюлозы проводятся в двух экструдерах, что усложняет общую схему устройства и увеличивает объем капитальных вложений. Также необходимость переноса предраствора между стадиями приводит к его потерям и опасности ухудшения качества из-за обводнения ввиду высокой гигроскопичности ММО.

Задача предлагаемой модели заключается в разработке экструдера, способного нивелировать указанные недостатки и обеспечить проведение двух стадий процесса получения качественного прядильного раствора целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде, пригодного для формования изделий.

Поставленная задача решается тем, что предложен экструдер для получения прядильного раствора целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде для изготовления формованного изделия, выполненный из 12 секций и оснащенный откидывающейся крышкой и двумя параллельно расположенными шнеками, содержащими наборы чередующихся транспортирующих винтовых и истирающих кулачковых элементов и вращающимися одновременно в одном направлении, при этом экструдер разделен на три функциональные зоны:

B) переходную зону, включающую с 6-ой по 8-ую секции экструдера, обогреваемые до температуры 70-80°С, в которой происходит интенсификация физико-химического взаимодействия целлюлозы и ММО в предрастворе;

C) зону плавления твердого предраствора с получением гомогенного прядильного раствора, пригодного для формования, включающую с 9-ой по 12-ую секции экструдера, обогреваемые до 85-90°С,

а наборы элементов шнеков включают:

истирающие кулачковые элементы со смещением отдельных кулачков друг относительно друга в наборном элементе установлены на валах шнеков так, чтобы

между 2-ой и 3-ей секциями экструдера были расположены истирающие кулачковые элементы с углом 90 град.,

в 4-ой, 5-ой и 11-ой секциях экструдера - истирающие кулачковые элементы с углом 60 град.,

между 6-ой и 7-ой секциями экструдера - истирающие кулачковые элементы с углом 30 град;

при соотношении длины шнеков к их диаметру, равному 48/1.

Технический результат, получаемый от использования предлагаемой модели, заключается в получении качественного гомогенного прядильного раствора целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде, пригодного для формования изделий, в корпусе одного экструдера за счет интенсификации механического и термического воздействия, связанной с предлагаемой конфигурацией наборов чередующихся транспортирующих винтовых и истирающих кулачковых элементов на валах шнеков в сочетании с предлагаемым делением 12 секций экструдера на 3 функциональные зоны.

В предлагаемом устройстве используется двухшнековый экструдер LabTech LTE20-48 фирмы Engineering Company LTD, который предназначен для экструзии термопластов и их смесей.

Упомянутый экструдер ранее не применялся для получения прядильного раствора целлюлозы, пригодного для формования изделий. Конструктивные особенности экструдера LabTech LTE20-4 не содержат признаки заявляемой полезной модели, а признаки заявляемой полезной модели не известны из конструктивных особенностей известного экструдера LabTech LTE20-4.

Организация на нем совмещенного процесса твердофазной активации, растворения целлюлозы и получения гомогенного прядильного раствора для формования изделий потребовала определенных изменений конструктивных особенностей в порядке расположения наборных элементов шнеков.

На фиг. 1 представлена схема экструдера (I) в разрезе, отображающая предлагаемую для полезной модели конфигурацию шнеков экструдера и расположение транспортирующих винтовых и истирающих кулачковых элементов по термическим зонам и каждой из двенадцати секций экструдера. 1-12 - секции экструдера (I);

13ⁿ - теплообменники каждой из 12-ти секций, где n от 1 до 12 (n=1-12);

14 - откидывающаяся крышка экструдера (I);

15 - два параллельно расположенных шнека;

16 - двойной цилиндрический канал, в котором расположены шнеки (15);

Вращение шнеков (15) происходит в двойном цилиндрическом канале (16), полная длина которого составляется из 12 секций экструдера (1-12), каждая из которых снабжена отдельными теплообменниками (13", п=1-12) с возможностью установления независимого температурного режима внутри каждой секции.

Экструдер включает три функциональные зоны с различными температурными режимами, обозначенные латинскими буквами:

A) охлаждаемая зона твердофазной активации, включающая с 1-ой по 5-ую секции экструдера, охлаждаемые водой температуры 10-15°С с помощью теплообменников 13ⁿ, где n от 1 до 5, в которой происходит получение предраствора целлюлозы в ММО;

B) среднетемпературная переходная зона, включающая с 6-ой по 8-ую секции экструдера, обогреваемые до температуры 70-80°С с помощью теплообменников 13ⁿ, где n от 6 до 8, в которой происходит интенсификация физико-химического взаимодействия целлюлозы и ММО в предрастворе;

C) высокотемпературная зона плавления твердого предраствора с получением гомогенного прядильного раствора, пригодного для формования, включающую с 9-ой по 12-ую секции экструдера, обогреваемые до 85-90°С с помощью теплообменников 13ⁿ, где n от 9 до 12.

На фиг. 1 поз. 13ⁿ (n=1-12) обозначены теплообменники каждой из 12 секций экструдера;

Из фиг. 1 в поперечном разрезе видно расположение двух шнеков (15) и двойного цилиндрического канала (16), в котором вращаются шнеки.

Также на фиг. 1 отражены характерные геометрические параметры шнеков и секций экструдера, выраженные в диаметрах шнеков D (D=20 мм) так, чтобы показать соотношение длины шнеков к их диаметру, равное 48/1.

Для иллюстрации предлагаемого устройства на фиг. 2 приведены две фотографии, на которых представлены основные конструктивные элементы экструдера (I):

фиг. 2а в виде фотографии экструдера (I) в сборе с откинутой крышкой (14) корпуса экструдера (I);

фиг. 26 в виде фотографии отдельных элементов конструкции экструдера (I); при этом обозначения элементов конструкции, изображенных на фиг. 2, соответствуют их позициям на общей схеме устройства (фиг. 1):

поз. 13ⁿ (n=1-12) - нижняя часть одного из 12 теплообменников, число n соответствует номеру секции экструдера (I);

поз. 14 - откинутая крышка корпуса экструдера, образованная соединенными верхними частями теплообменников всех 12-ти секций экструдера (I); Каждая секция (поз. 1-12) состоит из разборных верхней и нижней частей (поз. 13ⁿ, n=1-12), что обеспечивает возможность открытия верхней крышки (поз. 14) экструдера в сборе.

поз. 15 - два параллельно расположенных шнека в наборе, собранных из 46-ти чередующихся транспортирующих винтовых и истирающих кулачковых элементов (поз. 15');

поз. 16 - двойной цилиндрический канал одной из 12 секций экструдера в открытом виде (нижняя его часть);

Экструдер (I) включает два идентичных соосно вращающихся шнека (15) диаметром (D) 20 мм, характеристической длиной (L/D) 48/1, абсолютной длиной 960 мм и расстоянием между центральными осями шнеков 20 мм. Общая конфигурация шнека (15) составляется из 46-ти (15') отдельных элементов различной геометрии, нанизываемых на шестигранный вал шнека.

Конфигурация шнека - порядок чередования транспортирующих винтовых и истирающих кулачковых элементов на валу шнека определяет интенсивность механического воздействия на перерабатываемое сырье.

Транспортирующие винтовые элементы шнека представляют собой винты с. диаметром D=20 мм и различным шагом (Р) между соседними гребнями (5, 10 или 20 мм), предназначенные для перемещения материала вдоль оси шнека от зоны загрузки (секция 1) к зоне экструзии (секция 12).

На фиг. 3 представлена геометрия транспортирующих винтовых элементов шнеков:

а) условная схема транспортирующего винтового элемента, совмещенная с видом в разрезе, с указанием основных геометрических параметров: Р - шаг между соседними гребнями винта, D - внешний диаметр элемента,

- длина элемента;

б) общий вид транспортирующих винтовых элементов различной геометрии: с шагом Pi - 0.25Z)=5 мм

с шагом Р₂=0.5D=10 мм

с шагом P₃=1D=20 мм

Чем меньше шаг между соседними гребнями винта, тем более высокий объемный расход материала может поддерживать транспортирующий винтовой элемент.

Наиболее универсальным является транспортирующий винтовой элемент с шагом 10 мм;

транспортирующий винтовой элемент с шагом 5 мм установлен в конечной зоне шнека для обеспечения дополнительного нагнетания давления раствора перед фильерным блоком;

транспортирующий винтовой элемент с наибольшим шагом ID установлен в тех зонах и секциях шнека, где движение материала должно быть замедлено.

Истирающие кулачковые элементы представляют собой набор эллипсообразных дисков - кулачков, длинная и короткая оси которых ортогональны центральной оси шнека, а отдельные кулачки набора смещены друг относительно друга на угол 30, 60, 90 град.

Так как отдельные кулачки не имеют угла наклона вдоль центральной оси шнека, истирающие кулачковые элементы не могут обеспечивать транспорт материала. Напротив, они задерживают и перемешивают (истирают) его между кулачками соседних соосно вращающихся шнеков.

Истираемый материал вытесняется из зоны истирающих кулачковых элементов свежими порциями сырья, подаваемыми транспортирующими винтовыми элементами, расположенными ранее. Чем меньше угол смещения отдельных кулачков друг относительно друга в наборе истирающего кулачкового элемента, тем более интенсивное механическое воздействие оказывается на материал.

На фиг. 4 представлена геометрия истирающих кулачковых элементов шнека:

а) схема смещения отдельных кулачков друг относительно друга при составлении наборов истирающих кулачковых элементов;

б) схема истирающего кулачкового элемента с относительным смещением соседних кулачков на 30 град и указанием основных геометрических параметров: D - внешний диаметр элемента,

- длина элемента;

в) общий вид истирающих кулачковых элементов с различным относительным смещением соседних кулачков в наборе: 30 град (четыре кулачка,

), 60 град (четыре кулачка,

), 90 град (пять кулачков,

).

Экструдер работает следующим образом.

Осуществляют равномерную подачу сырья (порошкообразной смеси целлюлозы и ММО) в секцию 1 экструдера (I) на транспортирующие винтовые элементы шнеков с шагом винта 10 мм.

В зоне А, включающей секции 1-5 экструдера, в условиях высоких механических нагрузок на истирающих кулачковых элементах с углом смещения кулачков 90 гр., установленных между секциями 2 и 3, и на истирающих кулачковых элементах с углом смещения кулачков 60 гр., установленных в секциях 4 и 5, проводят твердофазную активацию сырья с получением твердого предраствора целлюлозы в ММО.

Указанные истирающие кулачковые элементы создают существенное сопротивление движению материала вдоль шнеков (15). В этой связи, для предотвращения возникновения непроходимых участков, между истирающими кулачковыми элементами расположены транспортирующие винтовые. Причем, перед истирающими кулачковыми элементами установлены транспортирующие винтовые с максимальным шагом винта (20 мм), а после истирающих кулачковых элементов - транспортирующие винтовые с меньшим шагом винта (10 мм), чем обеспечивают медленную подачу и быстрый забор сырья на участках пониженной проходимости.

При проведении твердофазной активации в зоне А выделяется большое количество тепла. Чтобы избежать преждевременного подплавления перерабатываемой смеси, что приведет к ухудшению качества прядильного раствора и появлению гетерогенных включений, зону А охлаждают с помощью теплообменников секций (поз. 13ⁿ, n=1-5), через которые непрерывно прокачивают проточную воду с температурой 10-15°С для поддержания температуры в секциях 1-5 не выше 15°С.

В переходной зоне В происходит постепенный подъем температуры от секции 6 к секции 8 с помощью теплообменников секций (поз. 13ⁿ, n=6-8). Данная зона предназначена для разграничения низко- и высокотемпературных зон А и С, т.е., с одной стороны, для недопущения подплавления сырья в зоне А и, с другой стороны, для недопущения попадания сырья, не прошедшего твердофазную активацию в зону С.

В секциях 6-7 температуру поддерживают равной 70-75°С, обеспечивая пластификацию предраствора без его перехода в полностью расплавленное состояние. На этом же участке установлен набор из трех истирающих кулачковых элементов с углом смещения кулачков 30 гр., обеспечивающих очень высокие механические нагрузки и существенное замедление движения сырья. Такой «затвор» обеспечивает невозможность проскока частиц исходной смеси, не прошедших твердофазную активацию в зоне А, в высокотемпературную зону С, т.к. попадание неплавких частиц нерастворенной целлюлозы из зоны А в объем расплава в зоне С ухудшает его гомогенность, что отрицательно сказывается на формовании изделия.

Кроме этого, сочетание повышенной температуры и высоких механических нагрузок в зоне В позволяют интенсифицировать физико-химическое взаимодействие между полимером (целлюлозой) и растворителем (ММО) в предрастворе, обеспечивая снижение максимальной температуры его плавления в зоне С.

В зонах А и В, особенно на участках, где установлены истирающие кулачковые элементы, возникают наибольшие сопротивления движению материала, которые, соответственно, вносят наибольший вклад в создание нагрузки на вал двигателя. В этой связи во время задания скорости вращения шнеков (15) необходимо контролировать значение крутящего момента. Так, при скорости вращения шнеков (15) порядка 60-100 об/мин значение крутящего момента должно составлять не более 25-35% от максимального.

Стоит также отметить, что использование чрезмерно высоких скоростей вращения (более 200-250 об/мин) может приводить к возникновению локальных перегревов на участках расположения истирающих кулачковых элементов в секциях 2, 3, 4, 5, 6 и 7, что влечет за собой ухудшение гомогенности прядильного раствора.

В высокотемпературной зоне С от секции 9 к секции 12 происходит подъем температуры до финального рабочего значения 85-90°С, обеспечиваемый нагревателями секций (поз. 13ⁿ, n=9-12), полное расплавление предраствора, его гомогенизация за счет сдвиговых напряжений умеренной интенсивности на транспортирующих винтовых элементах с шагом винта 10 мм с получением гомогенного жидкого прядильного раствора целлюлозы в ММО.

На фиг. 5 представлена фотография экструдера с откинутой крышкой, полученная после тестирования вышеописанной конфигурации шнеков в сочетании с делением 12 секций экструдера на 3 температурные зоны для получения гомогенного прядильного раствора целлюлозы в ММО.

Из представленной фотографии видно, как меняется агрегатное состояние смеси по мере продвижения ее из секции в секцию, в зависимости от термической зоны:

в охлаждаемой зоне А, включающей секции экструдера 1-5, исходные компоненты смеси находятся в порошкообразном состоянии и перехода смеси целлюлозы и ММО в подплавленное или расплавленное состояние не происходит даже там, где установлены истирающие кулачковые элементы шнеков;

видно, что в переходной зоне В в условиях повышенной температуры и сохраняющихся высоких механических нагрузках реализуется переход от порошкообразного предраствора к расплавленному предраствору целлюлозы в ММО;

видно, что в высокотемпературной зоне С реализуется полное расплавление предраствора с получением гомогенного прядильного раствора целлюлозы в ММО, пригодного для формования.

Нижеследующие примеры иллюстрирует работу предлагаемого устройства для получения прядильного раствора целлюлозы, пригодного для формования изделий, но ни в коем случае не ограничивает его применение.

Получение прядильного раствора целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде для изготовления формованного изделия используют двухшнековый экструдер LTE20-48 (Labtech Engineering Co., Ltd), обладающий заявляемыми перечисленными конструктивными особенностями и техническими характеристиками, и включающий наличие температурных зон, обеспечивающих протекание перечисленных стадий процесса получения прядильного раствора, наряду с подобранным количеством и сочетанием транспортирующих винтовых и истирающий кулачковых элементов в наборе шнеков.

Перечень элементов шнека, примененных для создания изображенной на фиг. 2 конфигурации, с указанием их расположения и основных геометрических параметров, приведены в Таблице 1.

Качество полученного прядильного раствора и его пригодность к формованию оценивают по гомогенности полученного прядильного раствора, определяемую методом поляризационной оптической микроскопии: при наблюдении образца расплавленного раствора в микроскоп в режиме скрещенных поляроидов количество не расплавившихся волоконец целлюлозы не должно превышать 10% от исходного.

Пример 1. Исходную смесь, содержащую 13% целлюлозы, полученную смешением 141 г. измельченной байкальской целлюлозы со степенью полимеризации 600, содержанием α-целлюлозы 92-94%, содержанием влаги 8% и размером частиц 200-250 мкм, 870 г моногидрата ММО и 0.4 г н-пропилгаллата (антиоксидант) загружают в 1-ую секцию зоны А двухшнекового экструдера с диаметром шнеков 20 мм и соотношением L/D=48:1. При этом используют подобранное количество и сочетание транспортирующих винтовых и истирающих кулачковых элементов в наборе шнеков в соответствии с таблицей 1.

В зоне (А) экструдера, охлаждаемой до температуры 10°С происходит твердофазная активация исходной смеси за счет высоких механических нагрузок на истирающих кулачковых элементах шнеков при скорости вращения шнеков 60 об/мин.

В переходной зоне (В) температуру повышают нагреванием с помощью теплообменников до 70°С. За счет сочетания термического и механического воздействия, связанного с расположением перемещающих винтовых и истирающих кулачковых элементов шнеков, происходит интенсификация процесса в целом и частичный переход твердого предраствора в расплавленное состояние.

В зоне С температуру повышают до 85°С, за счет чего происходит плавление оставшегося предраствора и его гомогенизация.

При этом нагрузка экструдера по крутящему моменту на валу двигателя составляет 25% от максимальной.

Результаты исследования полученного раствора методом поляризационной оптической микроскопии приведены на фиг. 6 и подтверждают его высокую гомогенность и незначительное количество мелких недорастворенных волоконец целлюлозы.

Пример 2. Получение прядильного раствора осуществляют как описано в примере 1, но твердофазную активацию смеси проводят при температуре 15°С и при скорости вращения шнеков 90 об/мин, при этом в зоне В температуру поддерживают равной 75°С, а в зоне С - равной 87°С.

Величина крутящего момента на валу двигателя экструдера составляет 30% от максимального.

Результаты исследования полученного раствора методом поляризационной оптической микроскопии приведены на фиг. 6 и подтверждают его высокую гомогенность и практически полное отсутствие недорастворенных волоконец целлюлозы.

Пример 3. Получение прядильного раствора осуществляют как описано в примере 1, но твердофазную активацию смеси проводят при температуре 12°С и при скорости вращения шнеков 100 об/мин, при этом в зоне В температуру поддерживают равной 80°С, а в зоне С - равной 90°С.

Величина крутящего момента на валу двигателя экструдера составляет 35% от максимального.

Результаты исследования полученного раствора методом поляризационной оптической микроскопии приведены на фиг. 7 и подтверждают его высокую гомогенность и отсутствие недорастворенных волоконец целлюлозы.

Нижеследующие примеры иллюстрируют процесс получения смеси исходных компонентов и прядильного раствора на ее основе в условиях, отличных от заявляемых.

Пример 4 (сравнительный). Смесь целлюлозы и ММО, полученная по примеру 1, не проходит ни через одну зону экструдера, и анализируется без твердофазной активации и плавления.

Результаты исследования полученной смеси методом поляризационной оптической микроскопии показаны на микрофотографии, приведенной на фиг. 6.

Пример 5 (сравнительный). Смесь целлюлозы и ММО, не проходит зону (А) твердофазной активации и переходную зону (В) в экструдере, но проходит зону плавления (С) при температуре 85°С.

Результаты исследования полученного раствора методом поляризационной оптической микроскопии показаны на микрофотографии, приведенной на фиг. 6.

Пример 6 (сравнительный). Смесь целлюлозы и ММО, не проходит зону (А) твердофазной активации и переходную зону (В) в экструдере, но проходит зону плавления (С) при температуре 87°С.

Пример 7 (сравнительный). Смесь целлюлозы и ММО, не проходит зону (А) твердофазной активации и переходную зону (В) в экструдере, но проходит зону плавления (С) при температуре 90°С.

Пример 8 (сравнительный). Смесь целлюлозы и ММО, проходит зону (А) с применением твердофазной активации по примеру 1, но не проходит переходную зону (В) и зону плавления (С) в экструдере, и анализируется без плавления. Результаты исследования полученного раствора методом поляризационной оптической микроскопии показаны на микрофотографии, приведенной на фиг. 5.

На фиг. 5 приведены данные оптической поляризационной микроскопии (микрофотографии), характеризующие гомогенность прядильного раствора, полученного по примерам 1-3, и негомогенность систем, полученных по сравнительным примерам 4-8, где

а) микрофотография исходной смеси (пример 4);

б) микрофотография прядильного раствора, полученного по примеру 5;

в) микрофотография прядильного раствора, полученного по примеру 6;

г) микрофотография прядильного раствора, полученного по примеру 7;

д) микрофотография исходной смеси, прошедшей только стадию обработки в зоне А, (пример 8);

е) микрофотография прядильного раствора, полученного по примеру 1;

ж) микрофотография прядильного раствора, полученного по примеру 2;

з) микрофотография прядильного раствора, полученного по примеру 3.

Из представленных данных поляризационной оптической микроскопии видно, что:

при плавлении смеси целлюлозы и ММО, прошедшей обработку на предлагаемом устройстве по примерам 1-3, получается гомогенный прядильный раствор при температуре 85-90°С;

при плавлении смеси целлюлозы и ММО, не прошедшей обработку в соответствии с заявляемыми условиями по примерам 4-8 на предлагаемом устройстве, не удается получить гомогенный прядильный раствор при температуре 85-90°С.

Таким образом, в предлагаемой полезной модели процесс получения качественного гомогенного прядильного раствора целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде, пригодного для формования изделий, осуществляется в одном экструдере за счет интенсификации механического и термического воздействия, связанного с предлагаемой конфигурацией наборов чередующихся транспортирующих винтовых и истирающих кулачковых элементов на валах шнеков в сочетании с предлагаемым делением 12 секций экструдера на 3 функциональные зоны.

Claims

Экструдер для получения прядильного раствора целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде для изготовления формованного изделия, выполненный из 12 секций и оснащенный откидывающейся крышкой и двумя параллельно расположенными шнеками, содержащими наборы чередующихся транспортирующих винтовых и истирающих кулачковых элементов и вращающимися одновременно в одном направлении, при этом экструдер разделен на три функциональные зоны:
A) зону получения твердого предраствора целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде путем твердофазной активации смеси исходных компонентов, включающую с 1-ой по 5-ую секции экструдера, охлаждаемые водой температуры 10-15°С;
B) переходную зону, включающую с 6-ой по 8-ую секции экструдера, обогреваемые до температуры 70-80°С, в которой происходит интенсификация физико-химического взаимодействия целлюлозы и ММО в предрастворе;
C) зону плавления твердого раствора с получением гомогенного прозрачного прядильного раствора, пригодного для формования, включающую с 9-ой по 12-ую секции экструдера, обогреваемые до 85-90°С,
а наборы элементов шнеков включают:
истирающие кулачковые элементы со смещением отдельных кулачков относительно друг друга в наборном элементе установлены на валах шнеков так, чтобы
между 2-ой и 3-ей секциями экструдера были расположены истирающие кулачковые элементы с углом 90 град.,
в 4-ой, 5-ой и 11-ой секциях экструдера - истирающие кулачковые элементы с углом 60 град.,
между 6-ой и 7-ой секциями экструдера - истирающие кулачковые элементы с углом 30 град;
транспортирующие винтовые элементы шнеков имеют различный шаг между гребнями винтов и установлены на валах шнеков таким образом, чтобы
транспортирующие винтовые элементы с шагом 20 мм были расположены во 2-ой, 3-ей, 4-ой, 5-ой и 6-ой секциях экструдера перед истирающими кулачковыми элементами;
транспортирующие винтовые элементы с шагом 10 мм - в 1-ой, 7-ой, 8-ой, 9-ой, 10-ой и 11-ой секциях экструдера после истирающих кулачковых элементов,
транспортирующие винтовые элементы с шагом 5 мм - в 12-ой секции экструдера;
при соотношении длины шнеков к их диаметру, равному 48/1.