RU2787619C1 - Extrusion method for obtaining a spinning solution of cellulose in n-methylmorpholine-n-oxide for manufacturing a molded product - Google Patents
Extrusion method for obtaining a spinning solution of cellulose in n-methylmorpholine-n-oxide for manufacturing a molded product Download PDFInfo
- Publication number
- RU2787619C1 RU2787619C1 RU2022111065A RU2022111065A RU2787619C1 RU 2787619 C1 RU2787619 C1 RU 2787619C1 RU 2022111065 A RU2022111065 A RU 2022111065A RU 2022111065 A RU2022111065 A RU 2022111065A RU 2787619 C1 RU2787619 C1 RU 2787619C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cellulose
- mmo
- solution
- spinning solution
- solid
- Prior art date
Links
- 238000009987 spinning Methods 0.000 title claims abstract description 70
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 title claims abstract description 66
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 title claims abstract description 63
- LFTLOKWAGJYHHR-UHFFFAOYSA-N N-Methylmorpholine N-oxide Chemical compound CN1(=O)CCOCC1 LFTLOKWAGJYHHR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 49
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 38
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 21
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 claims abstract description 19
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 11
- NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N acrylonitrile Chemical compound C=CC#N NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 150000004676 glycans Polymers 0.000 claims description 5
- 229920001282 polysaccharide Polymers 0.000 claims description 5
- 239000005017 polysaccharide Substances 0.000 claims description 5
- 150000004804 polysaccharides Polymers 0.000 claims description 5
- 229920001897 terpolymer Polymers 0.000 claims description 5
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 claims description 4
- 239000008107 starch Substances 0.000 claims description 4
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 claims description 4
- GJCOSYZMQJWQCA-UHFFFAOYSA-N Xanthene Chemical compound C1=CC=C2CC3=CC=CC=C3OC2=C1 GJCOSYZMQJWQCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229920001277 pectin Polymers 0.000 claims description 3
- 239000001814 pectin Substances 0.000 claims description 3
- 235000010987 pectin Nutrition 0.000 claims description 3
- 229920001285 xanthan gum Polymers 0.000 claims description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 29
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 abstract description 8
- 238000000465 moulding Methods 0.000 abstract description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 132
- 235000010980 cellulose Nutrition 0.000 description 54
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 19
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 12
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 9
- 238000011068 load Methods 0.000 description 9
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 9
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 9
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 8
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 8
- 241000208202 Linaceae Species 0.000 description 7
- 235000004431 Linum usitatissimum Nutrition 0.000 description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 7
- 229920003043 Cellulose fiber Polymers 0.000 description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 5
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 5
- 229920001131 Pulp (paper) Polymers 0.000 description 4
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 4
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- -1 MMO monohydrate Chemical class 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 3
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 3
- 238000000399 optical microscopy Methods 0.000 description 3
- 238000001907 polarising light microscopy Methods 0.000 description 3
- 229920003124 powdered cellulose Polymers 0.000 description 3
- 235000019814 powdered cellulose Nutrition 0.000 description 3
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 2
- 229920000875 Dissolving pulp Polymers 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000005712 crystallization Effects 0.000 description 2
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 230000001603 reducing Effects 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 230000002522 swelling Effects 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 229920000433 Lyocell Polymers 0.000 description 1
- 102000014961 Protein Precursors Human genes 0.000 description 1
- 108010078762 Protein Precursors Proteins 0.000 description 1
- 229920000297 Rayon Polymers 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000003078 antioxidant Effects 0.000 description 1
- 239000003963 antioxidant agent Substances 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 1
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned Effects 0.000 description 1
- 238000010411 cooking Methods 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000008240 homogeneous mixture Substances 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003780 keratinization Effects 0.000 description 1
- 239000006193 liquid solution Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N precursor Substances N#CC(C)(C)N=NC(C)(C)C#N OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- ZTHYODDOHIVTJV-UHFFFAOYSA-N propyl 3,4,5-trihydroxybenzoate Chemical compound CCCOC(=O)C1=CC(O)=C(O)C(O)=C1 ZTHYODDOHIVTJV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000010388 propyl gallate Nutrition 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing Effects 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing Effects 0.000 description 1
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к химической технологии, в частности к процессу переработки целлюлозы по способу прямого растворения целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде (ММО).The present invention relates to chemical technology, in particular to the process of processing cellulose by the method of direct dissolution of cellulose in N-methylmorpholine-N-oxide (MMO).
Процесс получения гидратцеллюлозного волокна - «Лиоцелл» с использованием ММО в качестве растворителя 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.The process of obtaining hydrated cellulose fiber - "Lyocell" using MMO as a solvent today in world practice is an alternative to the environmentally unacceptable viscose process and provides high mechanical properties of the resulting fibers, due to which the range of their application is quite wide from a textile assortment to the manufacture of industrial reinforcing material for rubber products such as tires and belts, and carbon fiber precursors.
Из уровня техники известно, что процесс промышленной переработки целлюлозы через растворы в ММО - «ММО-процесс», осуществляется в несколько стадий: первая стадия, обеспечивающая максимальную возможность проникновения растворителя в упорядоченные области целлюлозы, достигаемая, как правило, обработкой 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 по сухо-мокрому способу. Это основные, принципиальные стадии процесса, но каждая фирма-разработчик ММО-процесса, совершенствуя технологию, включает в него определенные отличительные признаки.It is known from the prior art that the process of industrial processing of cellulose through solutions in MMO - "MMO-process", is carried out in several stages: the first stage, which provides the maximum possibility of penetration of the solvent into the ordered regions of cellulose, achieved, as a rule, by treating cellulose with an aqueous solution of a solvent ( water content 40-50%) until a uniform pulp is formed, followed by an energy-intensive stage of controlled distillation of excess water from the pulp under conditions of reduced pressure and elevated temperature to a water content in the system of 10-13.3%, the stage of system homogenization until a spinning solution is obtained, passing the solution through spinneret and molding by dry-wet method. These are the main, fundamental stages of the process, but each company that develops the MMO process, improving the technology, includes certain distinctive features in it.
Так, в патентах США №№5094690, 5534113 и 5603883 описан промышленный способ получения раствора целлюлозы диспергированием целлюлозы в ММО, содержащим 40 мас. % воды, до образования суспензии, удаления избытка воды из суспензии с помощью тонкопленочного испарителя и получения раствора целлюлозы.Thus, US Pat. % water, until a suspension is formed, excess water is removed from the suspension using a thin film evaporator and a cellulose solution is obtained.
В патентах США №№5421525, 5456748, 5534113 и 5888288 описаны промышленные способы получения раствора целлюлозы путем перемешивания измельченной до плоских частиц произвольной формы целлюлозы с ММО, содержащим 22 мас. % воды, в горизонтальном цилиндрическом смесителе, дополнительного набухания при перемешивании в течение нескольких часов в бункере-накопителе, удаления воды из раствора высокой вязкости с помощью тонкопленочного испарителя с силовым приводом для получения прядильного раствора целлюлозы.US Pat. % water, in a horizontal cylindrical mixer, additional swelling with stirring for several hours in a storage hopper, removal of water from a solution of high viscosity using a thin-film power-driven evaporator to obtain a cellulose spinning solution.
В патенте США №5948905 описан промышленный способ получения раствора целлюлозы отгонкой воды из смеси целлюлозы с ММО, содержащим 23 мас. % воды. В данном способе смесь подвергали отгонке излишка воды при пониженном давлении в процессе прохождения массы через сопло реактора диаметром 1.5-6.0 мм. Установка состоит 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, чтобы увеличить площадь поперечного сечения для повышения эффективности испарения воды. На восьмой, последней, стадии используется экструдер для перевода системы в раствор.US Pat. No. 5,948,905 describes an industrial process for producing a cellulose solution by distilling off water from a mixture of cellulose and MMO containing 23 wt. % water. In this method, the mixture was subjected to distillation of excess water under reduced pressure during the passage of the mass through a reactor nozzle with a diameter of 1.5–6.0 mm. The installation consists of a number of chambers corresponding to several stages of distillation. The first stage chamber has a small number of relatively large diameter nozzles. As the chamber stage rises, the number of nozzles increases and the nozzle opening diameter decreases to increase the cross-sectional area to improve the efficiency of water evaporation. At the eighth, last stage, an extruder is used to transfer the system into solution.
В патентах США №№4142913 и 4144080 описаны промышленные способы получения раствора целлюлозы отгонкой воды из набухшей и диспергированной в жидких гидратах ММО целлюлозной пульпы при пониженном давлении, последующем охлаждении полученного раствора целлюлозы и переводом его в твердый полупродукт (подобно изготовлению «чипсов») и дальнейшее расплавление в экструдере.US Pat. melting in the extruder.
В WO 1997/47790 описан способ получения раствора целлюлозы растворением целлюлозного порошка в жидком ММО непосредственно в двухшнековом экструдере. Раствор целлюлозы получают при подаче жидкого ММО, содержащего 12 мас. % воды, в первый цилиндр экструдера, в котором поддерживается температура 100°С; подаче целлюлозного порошка во второй цилиндр экструдера, внутри которого поддерживается температура 75°С, далее система перемещается в третий цилиндр, где при перемешивании при температуре до 120°С получается раствор.WO 1997/47790 describes a process for preparing a cellulose solution by dissolving cellulose powder in liquid MMO directly in a twin screw extruder. A solution of cellulose is obtained by filing liquid MMO containing 12 wt. % water, in the first barrel of the extruder, which maintains a temperature of 100°C; supply of cellulose powder to the second barrel of the extruder, inside which the temperature is maintained at 75°C, then the system moves to the third cylinder, where, with stirring at a temperature of up to 120°C, a solution is obtained.
В патенте Кореи №2002-24689 описан промышленный способ получения раствора целлюлозы высокой гомогенности из смеси набухшего целлюлозного порошка и жидкого ММО. Предлагается растворение малого количества целлюлозного порошка в расплавленном N-метилморфолин-N-оксиде для снижения температуры кристаллизации ММО; последующей подачи низкоконцентрированного жидкого раствора ММО и целлюлозного порошка в смешивающий аппарат; получение пасты перемешиванием без снижения давления с протеканием процессов набухания и частичного растворения целлюлозы в растворе ММО, и затем подачи пасты в экструдер для полного растворения.Korean Patent No. 2002-24689 describes an industrial process for producing highly homogeneous cellulose solution from a mixture of swollen cellulose powder and liquid MMO. It is proposed to dissolve a small amount of cellulose powder in molten N-methylmorpholine-N-oxide to reduce the crystallization temperature of MMO; subsequent supply of low-concentration liquid solution of MMO and cellulose powder in a mixing apparatus; obtaining a paste by mixing without reducing the pressure with the processes of swelling and partial dissolution of cellulose in the MMO solution, and then feeding the paste into the extruder for complete dissolution.
Всем рассмотренным выше способам присущ ряд общих недостатков: необходимость создания оригинального оборудования для получения пульпы, увеличенные размеры аппарата для отгонки воды при пониженном давлении, большое количество потребляемой энергии и т.д. Кроме того, в аналогах предложен способ получения раствора целлюлозы растворением целлюлозного порошка непосредственно в жидком ММО, содержащем около 13 мас. %, при температуре выше 85°С. Однако у данного способа существует недостаток, заключающийся в наличии недорастворенных частиц целлюлозы в полученных растворах.All the methods discussed above have a number of common disadvantages: the need to create original equipment for pulp production, increased dimensions of the apparatus for distillation of water under reduced pressure, a large amount of energy consumed, etc. In addition, the analogues proposed a method for obtaining a solution of cellulose by dissolving cellulose powder directly in liquid MMO containing about 13 wt. %, at temperatures above 85°C. However, this method has a disadvantage, which consists in the presence of under-dissolved cellulose particles in the resulting solutions.
Во всех рассмотренных способах получения растворов целлюлозы в ММО в той или иной степени используется экструзионное оборудование, но чаще всего на окончательной стадии получения растворов, стадии гомогенизации.In all the considered methods for obtaining solutions of cellulose in MMO, extrusion equipment is used to one degree or another, but most often at the final stage of obtaining solutions, the stage of homogenization.
В патенте США №5584919 описан способ получения раствора целлюлозы, включающий использование твердого ММО, содержащего от 5 до 17 мас. % воды, подачу твердого ММО и целлюлозного порошка в горизонтальный цилиндрический высокоскоростной смеситель и их перемешивание для получения гранулированного полупродукта и дальнейшее плавление полупродукта в экструдере.US Pat. No. 5,584,919 describes a method for preparing a cellulose solution, comprising the use of a solid MMO containing from 5 to 17 wt. % water, feeding solid MMO and cellulose powder into a horizontal cylindrical high-speed mixer and mixing them to obtain a granular intermediate and further melting the intermediate in the extruder.
Недостаток данного способа заключается в широком разбросе свойств получаемого раствора из-за его гетерогенности и низком выходе. При увеличении скорости процесса разброс характеристик получаемого полупродукта из-за различных условий приготовления возрастает. В высокоскоростном смесителе происходит подплавление кристаллического растворителя, инициирующее частичное растворение целлюлозы по поверхности частиц, которое приводит при последующем охлаждении и кристаллизации растворной оболочки частиц целлюлозы 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 и приводит к высокой гетерогености полученного раствора, и, соответственно, большому разбросу его свойств.The disadvantage of this method lies in the wide variation in the properties of the resulting solution due to its heterogeneity and low yield. With an increase in the speed of the process, the variation in the characteristics of the resulting intermediate increases due to various cooking conditions. In a high-speed mixer, the crystalline solvent is melted, initiating partial dissolution of cellulose over the surface of the particles, which, upon subsequent cooling and crystallization of the solution shell of cellulose particles, leads to their “keratinization” with the formation of granules. Upon subsequent heating of these granules in the extruder, the surface of the granules melts, creating a solution film that hinders the access of solvent molecules to the cellulose particle, which leads to high heterogeneity of the resulting solution, and, accordingly, a wide spread of its properties.
В результате исследований, защищенных патентом РФ №2075560, МПК D01F 2/02, 20.03.1997), разработан способ твердофазного растворения порошковой целлюлозы в твердом ММО, протекающем в условиях воздействия всестороннего сжатия и деформации твердофазной смеси. Получаемые гетерофазные предрастворы переводятся в вязкотекучее состояние нагреванием до температуры выше температуры плавления используемого ММО, образуя высококонцентрированные высокогомогенные прядильные растворы. Однако рассматриваемый процесс является периодическим, хранение твердофазных предрастворов ввиду их высокой гигроскопичности не позволяет стабилизировать температурно-временные условия их переработки в прядильные растворы.As a result of studies protected by RF patent No. 2075560, IPC
Наиболее близким к заявленному является экструзионный способ получения прядильного раствора по патенту РФ 2748551 С1, кл. МПК В 1/00, опубл. 26.05.2021), включающий смешивание порошков целлюлозы и N-метилморфолин-N-оксида, содержащего воду, твердофазную обработку полученной смеси в условиях сдвигового напряжения и давления до полной гомогенизации с получением твердого предраствора, перевод твердого предраствора в текучее состояние нагревом при 110-125°С, в котором используют льняную целлюлозу со степенью полимеризации, равной 800, содержанием альфа-целлюлозы 92 мас. % и размером частиц 201-250 мкм, а используемый для растворения N-метилморфолин-N-оксид характеризуется содержанием воды 8-10 мас. % и температурой плавления Тпл. 110-125°С.Closest to the claimed is an extrusion method for obtaining a spinning solution according to RF patent 2748551 C1, class. IPC
Твердофазную активацию порошкообразных целлюлозы и ММО ведут в одном двухшнековом экструдере, охлаждаемом до 10-15°С, при скорости вращения шнеков 50 об/мин до получения гомогенной смеси. Производительность экструдера по получаемой смеси составляет 1 кг/ч, электрическая мощность, потребляемая для экструзии, составляет 5.6 кВт, мощность, потребляемая для охлаждения, составляет 1 кВт.Solid-phase activation of powdered cellulose and MMO is carried out in one twin-screw extruder, cooled to 10-15°C, at a screw speed of 50 rpm until a homogeneous mixture is obtained. The output of the extruder for the resulting mixture is 1 kg/h, the electric power consumed for extrusion is 5.6 kW, the power consumed for cooling is 1 kW.
Затем активированную смесь целлюлозы и ММО (т.н. предраствор) переносят на стенд формования, где в другом экструдере разогревают до точки плавления 110-125°С и продавливают жидкий прядильный раствор через фильеру с получением тонких струй, из которых после коагуляции в осадительной ванне формируются гель-волокна, которые после последующей отмывки от растворителя и сушки трансформируются в готовые волокна, принимаемые на бобины. Производительность экструдера по прядильному раствору составляет 0.4 кг/ч, электрическая мощность, потребляемая для экструзии, составляет 5 кВт при скорости формования 100 м/мин, мощность, потребляемая для нагрева, составляет 6 кВт.Then the activated mixture of cellulose and MMO (the so-called pre-solution) is transferred to the molding stand, where it is heated in another extruder to a melting point of 110-125 ° C and the liquid spinning solution is forced through the spinneret to obtain thin jets, from which, after coagulation in a spinning bath gel fibers are formed, which, after subsequent washing from the solvent and drying, are transformed into finished fibers taken on bobbins. The spinning dope output of the extruder is 0.4 kg/h, the electric power consumed for extrusion is 5 kW at a forming speed of 100 m/min, the power consumed for heating is 6 kW.
Основной недостаток описанного способа заключается в проведении процесса в два этапа и в двух аппаратах, что связано с необходимостью переноса из одного аппарата в другой твердой активированной смеси полимера и растворителя, что, с одной стороны, для столь гигроскопичного растворителя, как ММО, приводит к обводнению композиции и ухудшению последующего растворения и качества прядильного раствора, а с другой - неизбежно сопровождается потерями смеси.The main disadvantage of the described method is that the process is carried out in two stages and in two apparatuses, which is associated with the need to transfer a solid activated mixture of polymer and solvent from one apparatus to another, which, on the one hand, for such a hygroscopic solvent as MMO, leads to watering composition and deterioration of the subsequent dissolution and quality of the spinning solution, and on the other hand, it is inevitably accompanied by losses of the mixture.
Кроме того, использование двух аппаратов увеличивает энергетические и материальные затраты, что снижает экономическую эффективность процесса.In addition, the use of two devices increases energy and material costs, which reduces the economic efficiency of the process.
По совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату этот способ принят за прототип.By the combination of essential features and the achieved technical result, this method is taken as a prototype.
Задача предлагаемого технического решения заключается в разработке экструзионного способа получения гомогенного прядильного раствора целлюлозы, пригодного для формования, который проходил бы непрерывно и в одном аппарате с меньшими энергетическими и материальными затратами.The objective of the proposed technical solution is to develop an extrusion method for obtaining a homogeneous spinning solution of cellulose suitable for spinning, which would take place continuously and in one apparatus with lower energy and material costs.
Поставленная задача решается тем, что предложен экструзионный способ получения прядильного раствора целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде (ММО) для изготовления формованных изделий, включающий твердофазную активацию порошкообразной исходной смеси, содержащей целлюлозу с ММО, содержащим воду, нагревание твердофазного предраствора до перевода в вязкотекучее состояние и последующее экструдирование, в котором твердофазную активацию, нагревание до перевода в вязкотекучее состояние и последующее экструдирование осуществляют в одном аппарате - двухшнековом экструдере, включающем три функциональные зоны, с характерными для каждой из них температурным и механическим режимами:The problem is solved by the fact that an extrusion method for obtaining a spinning solution of cellulose in N-methylmorpholine-N-oxide (MMO) for the manufacture of molded products is proposed, including solid-phase activation of a powdered initial mixture containing cellulose with MMO containing water, heating the solid-phase pre-solution before transferring to viscous state and subsequent extrusion, in which solid-state activation, heating until transfer to a viscous state and subsequent extrusion is carried out in one apparatus - a twin-screw extruder, which includes three functional zones, with temperature and mechanical conditions characteristic of each of them:
- твердофазную активацию осуществляют в зоне А при охлаждении смеси до температуры 10-15°С;- solid-phase activation is carried out in zone A when the mixture is cooled to a temperature of 10-15°C;
- перевод в вязкотекучее состояние активированной смеси компонентов осуществляют в зоне В при нагревании до температуры 70-80°С;- translation into a viscous state of the activated mixture of components is carried out in zone B when heated to a temperature of 70-80°C;
- получение высоко гомогенного прядильного раствора, пригодного для формования, проводят в зоне С при повышении температуры до 85-90°С при скорости вращения шнеков 60-120 об/мин, а в качестве ММО, содержащего воду, используют товарный продукт - моногидрат ММО с содержанием 13.3 мас. % воды.- obtaining a highly homogeneous spinning solution suitable for spinning is carried out in zone C with an increase in temperature to 85-90 ° C at a screw rotation speed of 60-120 rpm, and as a MMO containing water, a commercial product is used - MMO monohydrate with content of 13.3 wt. % water.
Для улучшения стабильности процесса формования путем модификации реологических свойств композиции, в частности для повышения упругости, позволяющей стабилизировать формирование жидких струй при формовании, и для приведения вязкости к необходимому коридору значении 103-104 Па⋅с, при которых облегчается течение раствора через фильеру, исходная смесь может дополнительно содержать 2-3 мас. % полисахарида, иного, чем целлюлоза, или тройного сополимера акрилонитрила. В качестве полисахарида иного, чем целлюлоза, используют или крахмал, или пектин, или ксантан.To improve the stability of the molding process by modifying the rheological properties of the composition, in particular, to increase elasticity, which makes it possible to stabilize the formation of liquid jets during molding, and to bring the viscosity to the required corridor value of 10 3 -10 4 Pa⋅s, at which the flow of the solution through the spinneret is facilitated, the initial mixture may additionally contain 2-3 wt. % polysaccharide other than cellulose or acrylonitrile terpolymer. As a polysaccharide other than cellulose, either starch, or pectin, or xanthan is used.
Технические результаты, которые могут быть получены от использования предлагаемого способа, заключаются:The technical results that can be obtained from the use of the proposed method are:
- в интенсификации процесса получения прядильного раствора целлюлозы путем совмещения двух основных стадий процесса - стадии твердофазной активации смеси порошкообразных целлюлозы и ММО, и стадии плавления твердого предраствора с образованием высоко гомогенного прядильного раствора - в одном экструзионном аппарате - двухшнековом экструдере;- in intensifying the process of obtaining a spinning solution of cellulose by combining two main stages of the process - the stage of solid-phase activation of a mixture of powdered cellulose and MMO, and the stage of melting a solid pre-solution with the formation of a highly homogeneous spinning solution - in one extrusion apparatus - a twin-screw extruder;
- в увеличении производительности как по активированной смеси, так и по готовому раствору за счет общей для двух стадий увеличенной скорости вращения шнеков;- in increasing the productivity of both the activated mixture and the finished solution due to the increased rotation speed of the screws common to the two stages;
- в оптимизации процесса получения прядильного раствора за счет исключения ряда дополнительного оборудования, необходимого для проведения второй стадии, и, как следствие, в увеличении общей экономической эффективности процесса;- in optimizing the process of obtaining a spinning solution by eliminating a number of additional equipment required for the second stage, and, as a result, in increasing the overall economic efficiency of the process;
- в упрощении процесса за счет использования товарного продукта -моногидрата ММО с температурой плавления 76°С, что позволяет снизить максимальную температуру формования до 85-90°С по сравнению с прототипом (125°С) и, как следствие, снизить энергетические и материальные затраты.- in simplifying the process through the use of a commercial product - MMO monohydrate with a melting point of 76°C, which makes it possible to reduce the maximum molding temperature to 85-90°C compared to the prototype (125°C) and, as a result, reduce energy and material costs .
Кроме того, использование моногидрата ММО в процессе получения прядильного раствора предлагаемым способом не требует его специальной обработки, как в случае использования высокоплавкого ММО с содержанием воды 8-10% и точкой плавления 110-125°С в прототипе, который необходимо кондиционировать по содержанию воды: либо увлажнять, либо осушать, что требует времени, дополнительного оборудования и, как следствие, увеличивает энергетические и материальные затраты на проведение процесса.In addition, the use of MMO monohydrate in the process of obtaining a spinning solution by the proposed method does not require its special processing, as in the case of using high-melting MMO with a water content of 8-10% and a melting point of 110-125°C in the prototype, which must be conditioned by water content: either moisten or dry, which requires time, additional equipment and, as a result, increases the energy and material costs of the process.
Для иллюстрации предлагаемого способа на фиг. 1 приведена фотография раскрытого корпуса двухшнекового экструдера после получения прядильного раствора пригодного для формования, гдеTo illustrate the proposed method in Fig. 1 is a photograph of an open housing of a twin screw extruder after a dope suitable for spinning has been obtained, where
в зоне А проводят стадию твердофазной активации смеси порошков целлюлозы и ММО при охлаждении до температуры 10-15°С;in zone A, a stage of solid-phase activation of a mixture of cellulose and MMO powders is carried out when cooled to a temperature of 10-15°C;
в зоне В активированную смесь целлюлозы и ММО (предраствор) переводят в гелеобразное состояние при нагревании до 70-80°С;in zone B, the activated mixture of cellulose and MMO (pre-solution) is transferred to a gel-like state when heated to 70-80°C;
в зоне С проводят плавление гелеобразного предраствора при нагревании до 85-90°С и получают прозрачный высокогомогенный прядильный раствор целлюлозы в ММО, пригодный для формования;in zone C, the gel-like pre-solution is melted when heated to 85-90°C and a transparent, highly homogeneous spinning solution of cellulose in MMO is obtained, suitable for molding;
В упомянутые три зоны входят 12 секций, которые на фиг. 1 обозначены:These three zones comprise 12 sections, which in FIG. 1 marked:
поз. 1-12 показаны двенадцать секций экструдера, в которых проводят контроль температуры;pos. 1-12 show twelve extruder sections in which temperature control is carried out;
поз. 13n (n=1-12) показаны теплообменники, с помощью которых проводят охлаждение или нагрев секций экструдера, где n - номер секции;pos. 13 n (n=1-12) shows the heat exchangers by which the extruder sections are cooled or heated, where n is the section number;
поз. 14 показаны два шнека экструдера, осуществляющие требуемое механическое воздействие на перерабатываемое сырье;pos. 14 shows two extruder screws that carry out the required mechanical action on the processed raw material;
при этом движение перерабатываемого сырья происходит справа налево - от секции 1 к секции 12.while the movement of the processed raw materials occurs from right to left - from
Интенсивность механического воздействия, применяемого в зоне А экструдера, оценивают и поддерживают по величине крутящего момента вала двигателя, равного 20-40% от максимально возможного. При более высоких значенях крутящего момента, возможно преждевременное подплавление порошкообразного предраствора, получаемого в зоне А и, как следствие, ухудшение качества прядильного раствора.The intensity of the mechanical action applied in zone A of the extruder is estimated and maintained by the value of the torque of the motor shaft, equal to 20-40% of the maximum possible. At higher torque values, premature melting of the powdered pre-solution obtained in zone A is possible and, as a result, deterioration in the quality of the spinning dope.
Энергозатраты на проведение предлагаемого способа оценивают как суммарное потребление электрической мощности, расходуемой электродвигателем экструдера, теплообменниками на охлаждение в зоне А и нагрев в зонах В и С.The energy consumption for carrying out the proposed method is estimated as the total consumption of electrical power consumed by the extruder electric motor, heat exchangers for cooling in zone A and heating in zones B and C.
Нижеследующие примеры иллюстрирует предлагаемый способ получения прядильного раствора, но никоим образом его не ограничивают.The following examples illustrate the proposed method for obtaining a spinning solution, but in no way limit it.
Пример 1Example 1
Исходную смесь, содержащую 13 мас. % целлюлозы, готовят смешиванием 141 г измельченной древесной целлюлозы со степенью полимеризации 600, со средним содержанием α-целлюлозы 93%, влажностью 8% и средним размером частиц 225 мкм, 870 г моногидрата ММО с температурой плавления 76°С и 0.43 г. н-пропилгаллата в качестве антиоксиданта и загружают в питатель многосекционного двухшнекового экструдера с диаметром шнеков 20 мм и соотношением длины шнеков к диаметру 48:1, снабженного системой дегазации расплава, а также прядильным насосом и фильерой на выходе.The initial mixture containing 13 wt. % cellulose, prepared by mixing 141 g of crushed wood pulp with a degree of polymerization of 600, with an average content of α-cellulose 93%, moisture content of 8% and an average particle size of 225 microns, 870 g of MMO monohydrate with a melting point of 76 ° C and 0.43 g of n- propyl gallate as an antioxidant and loaded into the feeder of a multi-section twin-screw extruder with a screw diameter of 20 mm and a ratio of screw length to diameter of 48:1, equipped with a melt degassing system, as well as a spinning pump and spinneret at the exit.
В зоне А экструдера, где температуры по пяти секциям отвечают следующему ряду 10→10→10→15→15°С, происходит твердофазная активация смеси с получением твердого предраствора; в зоне В экструдера, где температура по трем секциям отвечает ряду - 70→75→80°С, происходит переход твердого предраствора в гелеобразное состояние; в зоне С экструдера, где температура по четырем секциям отвечает ряду 85→87→90→90°С, происходит полное растворение и получение гомогенного прядильного раствора целлюлозы в ММО, пригодного для формования, при этом скорость вращения шнеков составляет 60 об/мин, а нагрузка экструдера по крутящему моменту на валу двигателя равна 20% от максимально возможной.In zone A of the extruder, where the temperatures in five sections correspond to the following
Вязкость прядильного раствора составляет 5⋅103 Па⋅с.The viscosity of the spinning solution is 5⋅10 3 Pa⋅s.
Давление прядильного раствора на входе в фильеру составляет 16 бар.The spinning solution pressure at the spinneret inlet is 16 bar.
Производительность экструдера по готовому раствору составляет 0.6 кг/час.The productivity of the extruder for the finished solution is 0.6 kg/h.
Электрическая мощность, потребляемая на экструзию, составляет 4.5 кВт, на охлаждение зоны А - 0.8 кВт, на нагрев зон В и С - 6 кВт (итого 11.3 кВт).The electric power consumed for extrusion is 4.5 kW, for cooling zone A - 0.8 kW, for heating zones B and C - 6 kW (total 11.3 kW).
Исследование полученного раствора методом поляризационной оптической микроскопии (фиг. 2) подтверждает его высокую гомогенность и практически полное отсутствие нерастворенных волоконец целлюлозы.The study of the resulting solution by polarization optical microscopy (Fig. 2) confirms its high homogeneity and the almost complete absence of undissolved cellulose fibers.
По сравнению с прототипом удается значительно снизить суммарные энергозатраты (до 36%), в основном, за счет исключения мощности, потребляемой вторым экструдером прототипа. Производительность по раствору при этом увеличивается.Compared with the prototype, it is possible to significantly reduce the total energy consumption (up to 36%), mainly due to the exclusion of the power consumed by the second extruder of the prototype. At the same time, the productivity of the solution increases.
Пример 2Example 2
Приготовление прядильного раствора, содержащего 13 мас. % целлюлозы выполняют в условиях по примеру 1, но экструзию сырья через зоны экструдера А, В и С выполняют при скорости вращения шнеков 100 об/мин, при этом нагрузка экструдера по крутящему моменту на валу двигателя составляет 30% от максимально возможной.Preparation of a spinning solution containing 13 wt. % pulp is performed under the conditions of example 1, but the extrusion of raw materials through extruder zones A, B and C is performed at a screw speed of 100 rpm, while the load of the extruder in terms of torque on the motor shaft is 30% of the maximum possible.
Вязкость прядильного раствора составляет 5⋅103 Па⋅с.The viscosity of the spinning solution is 5⋅10 3 Pa⋅s.
Давление прядильного раствора на входе в фильеру составляет 21 бар.The spinning solution pressure at the spinneret inlet is 21 bar.
Производительность экструдера по готовому раствору составляет 1.0 кг/час.The productivity of the extruder for the finished solution is 1.0 kg/h.
Электрическая мощность, потребляемая на экструзию, составляет 5.0 кВт, на охлаждение зоны А - 0.8 кВт, на нагрев зон В и С - 6 кВт (итого 11.8 кВт).The electrical power consumed for extrusion is 5.0 kW, for cooling zone A - 0.8 kW, for heating zones B and C - 6 kW (total 11.8 kW).
Исследование полученного раствора методом поляризационной оптической микроскопии (фиг. 2) подтверждает его высокую гомогенность и полное отсутствие нерастворенных волоконец целлюлозы.The study of the resulting solution by polarization optical microscopy (Fig. 2) confirms its high homogeneity and the complete absence of undissolved cellulose fibers.
По сравнению с примером 1 незначительно выросли энергозатраты на экструзию ввиду интенсификации процесса из-за увеличения скорости вращения шнеков. При этом существенно увеличивается производительность по раствору, а также давление раствора перед фильерой.Compared to example 1, energy consumption for extrusion increased slightly due to the intensification of the process due to an increase in the speed of rotation of the screws. This significantly increases the productivity of the solution, as well as the pressure of the solution in front of the spinneret.
Пример 3 (сравнительный)Example 3 (comparative)
Приготовление прядильного раствора выполняют в условиях по примеру 1, но исходная смесь содержит 20 мас. % древесной целлюлозы и высокоплавкий ММО, содержащий 10 мас. % воды и имеющий температуру плавления 105°С, а плавление в зоне С экструдера проводят с измененным температурным рядом по четырем секциям: 90→100→115→115°С, т.е. с увеличением максимальной температуры.The preparation of the spinning solution is performed under the conditions of example 1, but the initial mixture contains 20 wt. % wood pulp and high-melting MMO containing 10 wt. % water and having a melting point of 105°C, and melting in zone C of the extruder is carried out with a modified temperature series in four sections: 90→100→115→115°C, i.e. with an increase in maximum temperature.
При скорости вращения шнеков 60 об/мин нагрузка экструдера по крутящему моменту на валу двигателя составляет 40% от максимально возможной.At a screw speed of 60 rpm, the extruder torque load on the motor shaft is 40% of the maximum possible.
Вязкость прядильного раствора составляет 7⋅103 Па⋅с.The viscosity of the spinning solution is 7⋅10 3 Pa⋅s.
Давление прядильного раствора на входе в фильеру составляет 18 бар. Производительность экструдера по готовому раствору составляет 0.7 кг/час.The spinning solution pressure at the spinneret inlet is 18 bar. The productivity of the extruder for the finished solution is 0.7 kg/h.
Электрическая мощность, потребляемая на экструзию, составляет 5 кВт, на охлаждение зоны А - 0.8 кВт, на нагрев зон В и С - 7 кВт (итого 12.8 кВт).The electric power consumed for extrusion is 5 kW, for cooling zone A - 0.8 kW, for heating zones B and C - 7 kW (total 12.8 kW).
Исследование полученного раствора методом поляризационной оптической микроскопии (фиг. 3) подтверждает его гомогенность и практически полное отсутствие нерастворенных волоконец целлюлозы.The study of the resulting solution by polarization optical microscopy (Fig. 3) confirms its homogeneity and the almost complete absence of undissolved cellulose fibers.
Увеличение концентрации целлюлозы в растворе по сравнению с примером 1 приводит к существенному росту вязкости раствора и, как следствие, увеличению давления раствора перед фильерой, росту крутящего момента на валу двигателя экструдера и росту энергозатрат на экструзию. Также применение высокоплавкого ММО вынуждает использовать более высокую температуру плавления, что увеличивает энергозатраты на нагрев.An increase in the concentration of cellulose in the solution compared to example 1 leads to a significant increase in the viscosity of the solution and, as a result, an increase in the pressure of the solution in front of the spinneret, an increase in the torque on the shaft of the extruder motor and an increase in energy consumption for extrusion. Also, the use of high-melting MMO forces the use of a higher melting temperature, which increases the energy consumption for heating.
Пример 4 (сравнительный)Example 4 (comparative)
Приготовление прядильного раствора, содержащего 20 мас. % целлюлозы выполняют в условиях по примеру 3, но экструзию сырья через зоны экструдера А, В и С выполняют при скорости вращения шнеков 100 об/мин, при этом нагрузка экструдера по крутящему моменту на валу двигателя составляет 45% от максимально возможной.Preparation of a spinning solution containing 20 wt. % cellulose is performed under the conditions of example 3, but the extrusion of raw materials through extruder zones A, B and C is performed at a screw speed of 100 rpm, while the load of the extruder in terms of torque on the motor shaft is 45% of the maximum possible.
Вязкость прядильного раствора составляет 7⋅103 Па⋅с.The viscosity of the spinning solution is 7⋅10 3 Pa⋅s.
Давление прядильного раствора на входе в фильеру составляет 21 бар.The spinning solution pressure at the spinneret inlet is 21 bar.
Производительность экструдера по готовому раствору составляет 1.2 кг/час.The productivity of the extruder for the finished solution is 1.2 kg/h.
Электрическая мощность, потребляемая на экструзию, составляет 5.5 кВт, на охлаждение зоны А - 0.8 кВт, на нагрев зон В и С - 7 кВт (итого 13.3 кВт).The electric power consumed for extrusion is 5.5 kW, for cooling zone A - 0.8 kW, for heating zones B and C - 7 kW (total 13.3 kW).
Исследование полученного раствора методом поляризационной оптической микроскопии (фиг. 3) подтверждает его гомогенность и полное отсутствие нерастворенных волоконец целлюлозы.The study of the resulting solution by polarizing optical microscopy (Fig. 3) confirms its homogeneity and the complete absence of undissolved cellulose fibers.
По сравнению с примером 3 произошел рост производительности по раствору, сопровождающийся, однако, увеличением энергозатрат на экструзию.Compared to example 3, there was an increase in solution productivity, accompanied, however, by an increase in energy consumption for extrusion.
Пример 5Example 5
Приготовление прядильного раствора, содержащего 13 мас. % целлюлозы, выполняют в условиях по примеру 2, но вместо древесной целлюлозы используют льняную целлюлозу со степенью полимеризации 900, содержанием α-целлюлозы 97%, влажностью 8% и средним размером частиц 230 мкм. При скорости вращения шнеков 100 об/мин нагрузка экструдера по крутящему моменту на валу двигателя составляет 35% от максимально возможной.Preparation of a spinning solution containing 13 wt. % cellulose, performed under the conditions of example 2, but instead of wood pulp, flax pulp with a polymerization degree of 900, an α-cellulose content of 97%, a moisture content of 8% and an average particle size of 230 μm is used. At a screw speed of 100 rpm, the extruder torque load on the motor shaft is 35% of the maximum possible.
Вязкость прядильного раствора составляет 1⋅104 Па⋅с.The viscosity of the spinning solution is 1⋅10 4 Pa⋅s.
Давление прядильного раствора на входе в фильеру составляет 24 бар.The spinning solution pressure at the spinneret inlet is 24 bar.
Производительность экструдера по готовому раствору составляет 1.1 кг/час.The productivity of the extruder for the finished solution is 1.1 kg/h.
Электрическая мощность, потребляемая на экструзию, составляет 5.0 кВт, на охлаждение зоны А - 0.8 кВт, на нагрев зон В и С - 6 кВт (итого 11.8 кВт).The electrical power consumed for extrusion is 5.0 kW, for cooling zone A - 0.8 kW, for heating zones B and C - 6 kW (total 11.8 kW).
Данные оптической поляризационной микроскопии подтверждают гомогенность прядильного формования раствора.Optical polarization microscopy data confirm the homogeneity of the spinning solution.
Энергетические параметры процесса остаются аналогичными примеру 2, но ввиду значительно большей вязкости раствора льняной целлюлозы в сравнении с древесной, зафиксировано увеличение давление раствора перед фильерой на 12%.The energy parameters of the process remain similar to example 2, but due to the significantly higher viscosity of the flax pulp solution compared to wood pulp, an increase in the pressure of the solution in front of the spinneret by 12% was recorded.
Пример 6Example 6
Приготовление прядильного раствора выполняют в условиях по примеру 5, но используют исходную смесь, содержащую 12 мас. % льняной целлюлозы и 2 мас. % крахмала. При скорости вращения шнеков 100 об/мин нагрузка экструдера по крутящему моменту на валу двигателя составляет 30% от максимально возможной.The preparation of the spinning solution is performed under the conditions of example 5, but using the initial mixture containing 12 wt. % flax pulp and 2 wt. % starch. At a screw speed of 100 rpm, the extruder torque load on the motor shaft is 30% of the maximum possible.
Вязкость прядильного раствора составляет 5⋅103 Па⋅с.The viscosity of the spinning solution is 5⋅10 3 Pa⋅s.
Давление прядильного раствора на входе в фильеру составляет 20 бар.The spinning solution pressure at the spinneret inlet is 20 bar.
Производительность экструдера по готовому раствору составляет 1.0 кг/час.The productivity of the extruder for the finished solution is 1.0 kg/h.
Электрическая мощность, потребляемая на экструзию, составляет 5.0 кВт, на охлаждение зоны А - 0.8 кВт, на нагрев зон В и С - 6 кВт (итого 11.8 кВт).The electrical power consumed for extrusion is 5.0 kW, for cooling zone A - 0.8 kW, for heating zones B and C - 6 kW (total 11.8 kW).
Данные оптической поляризационной микроскопии подтверждают гомогенность прядильного формования раствора.Optical polarization microscopy data confirm the homogeneity of the spinning solution.
Энергетические затраты аналогичны примеру 5, а давление раствора перед фильерой снижено до нормального, благодаря снижению вязкости раствора целлюлозы в присутствии крахмала.Energy costs are similar to example 5, and the pressure of the solution in front of the spinneret is reduced to normal, due to a decrease in the viscosity of the cellulose solution in the presence of starch.
Пример 7Example 7
Приготовление прядильного раствора выполняют в условиях по примеру 6, но используют исходную смесь, содержащую 12 мас. % льняной целлюлозы и 2 мас. % пектина. При скорости вращения шнеков 100 об/мин нагрузка экструдера по крутящему моменту на валу двигателя составляет 30% от максимально возможной.The preparation of the spinning solution is performed under the conditions of example 6, but using the initial mixture containing 12 wt. % flax pulp and 2 wt. % pectin. At a screw speed of 100 rpm, the extruder torque load on the motor shaft is 30% of the maximum possible.
Вязкость прядильного раствора составляет 5⋅103 Па⋅с.The viscosity of the spinning solution is 5⋅10 3 Pa⋅s.
Давление прядильного раствора на входе в фильеру составляет 19 бар.The spinning solution pressure at the spinneret inlet is 19 bar.
Производительность экструдера по готовому раствору составляет 1.0 кг/час.The productivity of the extruder for the finished solution is 1.0 kg/h.
Электрическая мощность, потребляемая на экструзию, составляет 5.0 кВт, на охлаждение зоны А - 0.8 кВт, на нагрев зон В и С - 6 кВт (итого 11.8 кВт).The electrical power consumed for extrusion is 5.0 kW, for cooling zone A - 0.8 kW, for heating zones B and C - 6 kW (total 11.8 kW).
Данные оптической поляризационной микроскопии подтверждают гомогенность прядильного формования раствора.Optical polarization microscopy data confirm the homogeneity of the spinning solution.
Все энергетические параметры процесса остаются аналогичными примеру 6. Давление раствора перед фильерой ниже, чем в примере 6, ввиду большей концентрации добавки, снижающей вязкость раствора целлюлозы.All energy parameters of the process remain similar to example 6. The pressure of the solution in front of the spinneret is lower than in example 6, due to the higher concentration of the additive that reduces the viscosity of the cellulose solution.
Пример 8Example 8
Приготовление прядильного раствора выполняют в условиях по примеру 6, но используют исходную смесь, содержащую 12 мас. % льняной целлюлозы и 2.5 мас. % ксантана. При скорости вращения шнеков 100 об/мин нагрузка экструдера по крутящему моменту на валу двигателя составляет 30% от максимально возможной.The preparation of the spinning solution is performed under the conditions of example 6, but using the original mixture containing 12 wt. % flax pulp and 2.5 wt. % xanthan. At a screw speed of 100 rpm, the extruder torque load on the motor shaft is 30% of the maximum possible.
Вязкость прядильного раствора составляет 4⋅103 Па⋅с.The viscosity of the spinning solution is 4⋅10 3 Pa⋅s.
Давление прядильного раствора на входе в фильеру составляет 17 бар.The spinning solution pressure at the spinneret inlet is 17 bar.
Производительность экструдера по готовому раствору составляет 0.9 кг/час.The productivity of the extruder for the finished solution is 0.9 kg/h.
Электрическая мощность, потребляемая на экструзию, составляет 5.0 кВт, на охлаждение зоны А - 0.8 кВт, на нагрев зон В и С - 6 кВт (итого 11.8 кВт).The electrical power consumed for extrusion is 5.0 kW, for cooling zone A - 0.8 kW, for heating zones B and C - 6 kW (total 11.8 kW).
Данные оптической поляризационной микроскопии подтверждают гомогенность прядильного формования раствора.Optical polarization microscopy data confirm the homogeneity of the spinning solution.
Ввиду заметного снижения вязкости раствора целлюлозы по сравнению с примерами 5 и 6, также оказываются сниженными давление раствора перед фильерой и производительность по раствору. Энергетические параметры остаются неизменными.Due to the marked reduction in the viscosity of the cellulose solution compared to examples 5 and 6, the pressure of the solution in front of the spinneret and the productivity of the solution also turn out to be reduced. Energy parameters remain unchanged.
Пример 9Example 9
Приготовление прядильного раствора выполняют в условиях по примеру 6, но используют исходную смесь, содержащую 12 мас. % льняной целлюлозы и 3 мас. % тройного сополимера акрилонитрила.The preparation of the spinning solution is performed under the conditions of example 6, but using the initial mixture containing 12 wt. % flax pulp and 3 wt. % acrylonitrile terpolymer.
При скорости вращения шнеков 100 об/мин нагрузка экструдера по крутящему моменту на валу двигателя составляет 20% от максимально возможной.At a screw rotation speed of 100 rpm, the extruder torque load on the motor shaft is 20% of the maximum possible.
Вязкость прядильного раствора составляет 1⋅103 Па⋅с.The viscosity of the spinning solution is 1⋅10 3 Pa⋅s.
Давление прядильного раствора на входе в фильеру составляет 15 бар.The spinning solution pressure at the spinneret inlet is 15 bar.
Производительность экструдера по готовому раствору составляет 1.0 кг/час.The productivity of the extruder for the finished solution is 1.0 kg/h.
Электрическая мощность, потребляемая на экструзию, составляет 4.0 кВт, на охлаждение зоны А - 0.8 кВт, на нагрев зон В и С - 6 кВт (итого 10.8 кВт).The electrical power consumed for extrusion is 4.0 kW, for cooling zone A - 0.8 kW, for heating zones B and C - 6 kW (total 10.8 kW).
Данные оптической поляризационной микроскопии подтверждают, что прядильный раствор представляет собой эмульсию.Optical polarization microscopy data confirm that the dope is an emulsion.
В сравнении с примерами 6-8 раствор целлюлозы, содержащий тройной сополимер на основе акрилонитрила, обладает значительно меньшей вязкостью, что существенно снижает энергозатраты на экструдирование (минимальны среди всех примеров 1-9).In comparison with examples 6-8, the cellulose solution containing the acrylonitrile-based terpolymer has a significantly lower viscosity, which significantly reduces the energy consumption for extrusion (the lowest among all examples 1-9).
В таблице 1 обобщены характеристики процесса получения прядильных растворов целлюлозы по примерам 1-9 и прототипу.Table 1 summarizes the characteristics of the process for obtaining spinning solutions of cellulose in examples 1-9 and the prototype.
Можно отметить, что в сравнении с прототипом во всех примерах 1-9 удается заметно снизить суммарные энергозатраты (до 40%), в основном, за счет исключения мощности, потребляемой вторым экструдером прототипа. Производительность по раствору при этом увеличивается, особенно, при интенсификации процесса с увеличением скорости вращения шнеков до 100 об/мин: вплоть до 1.1 кг/ч (пример 5) по сравнению с 0.4 кг/ч (прототип).It can be noted that in comparison with the prototype in all examples 1-9, it is possible to significantly reduce the total energy consumption (up to 40%), mainly due to the exclusion of the power consumed by the second extruder of the prototype. The productivity of the solution in this case increases, especially when the process is intensified with an increase in the speed of rotation of the screws up to 100 rpm: up to 1.1 kg/h (example 5) compared to 0.4 kg/h (prototype).
Использование высококонцентрированных (до 20 мас. %) растворов целлюлозы и/или использование целлюлозы с высокой степенью полимеризации (например, льняной) приводит к увеличению энергозатрат на дополнительный нагрев и/или экструзию растворов в силу роста их вязкости.The use of highly concentrated (up to 20 wt %) cellulose solutions and/or the use of cellulose with a high degree of polymerization (for example, linen) leads to an increase in energy consumption for additional heating and/or extrusion of solutions due to an increase in their viscosity.
Введение в состав исходной смеси 2-3 мас. % иного полисахарида, или тройного сополимера акрилонитрила позволяет существенно снизить вязкость раствора целлюлозы и, как следствие, облегчить процесс формования и снизить энергозатраты на экструзию.Introduction to the composition of the initial mixture of 2-3 wt. % of another polysaccharide, or acrylonitrile terpolymer, can significantly reduce the viscosity of the cellulose solution and, as a result, facilitate the molding process and reduce energy costs for extrusion.
Гомогенность полученных прядильных растворов оценивают 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, не расплавленного, состояния.The homogeneity of the resulting spinning solutions is assessed by polarizing optical microscopy: when observing a sample of the molten solution through a microscope in the crossed polaroid mode, the number of unmelted cellulose fibers should not exceed 10% of the initial, unmelted state.
На фиг. 2 представлены микрофотографии, подтверждающие гомогенность растворов целлюлозы, получаемых по примерам 1-2, т.е. по предлагаемому способу, где:In FIG. 2 shows micrographs confirming the homogeneity of the cellulose solutions obtained according to examples 1-2, i.e. according to the proposed method, where:
а) микрофотография при 10°С порошкообразной исходной смеси, прошедшей только зону А твердофазной активации, по примеру 1;a) a micrograph at 10°C of a powdered initial mixture that has passed only zone A of solid-phase activation, according to example 1;
б) микрофотография при 80°С смеси, перешедшей в гелеобразное состояние, после прохождения зон А и В по примеру 1;b) micrograph at 80°C of the mixture, which has passed into a gel state, after passing through zones A and B according to example 1;
в) микрофотография при 90°С раствора, перешедшего в гомогенное расплавленное состояние, после прохождения зон А, В и С по примеру 1;c) a micrograph at 90° C. of a solution that has passed into a homogeneous molten state after passing through zones A, B and C according to example 1;
г) микрофотография при 90°С раствора, перешедшего в гомогенное расплавленное состояние, после прохождения зон А, В и С по примеру 2.d) micrograph at 90°C of a solution that has passed into a homogeneous molten state after passing through zones A, B and C according to example 2.
Из фиг. 2 видно, что по мере прохождения зон А, В и С экструдера изменяется агрегатное состояние и гомогенность системы: от порошкообразной смеси исходных компонентов до прозрачного прядильного раствора. Использование более высоких скоростей вращения шнеков при проведении процесса позволяет улучшить гомогенность получаемого прядильного раствора: сравнение микрофотографий (в) и (г) на фиг. 2, полученных в равных условиях, но по примерам 1 и 2 соответственно, отличающимся увеличением скорости вращения шнеков.From FIG. 2 shows that as the zones A, B and C of the extruder pass, the state of aggregation and the homogeneity of the system change: from a powdery mixture of initial components to a transparent spinning solution. The use of higher screw speeds during the process improves the homogeneity of the obtained dope: comparison of photomicrographs (c) and (d) in FIG. 2, obtained under equal conditions, but according to examples 1 and 2, respectively, differing in the increase in the speed of rotation of the screws.
На фиг. 3 представлены микрофотографии, подтверждающие гомогенность растворов целлюлозы, получаемых по сравнительным примерам 3-4, отличающимся от предлагаемого способа, тем, что используется высокоплавкий ММО и увеличена максимальная температура в экструдере, где:In FIG. 3 shows micrographs confirming the homogeneity of cellulose solutions obtained according to comparative examples 3-4, which differ from the proposed method in that high-melting MMO is used and the maximum temperature in the extruder is increased, where:
а) микрофотография при 10°С порошкообразной исходной смеси, прошедшей только зону А твердофазной активации, по примеру 3;a) a micrograph at 10°C of a powdered initial mixture that has passed only zone A of solid-phase activation, according to example 3;
б) микрофотография при 80°С смеси, перешедшей в гелеобразное состояние, после прохождения зон А и В по примеру 3;b) micrograph at 80°C of the mixture, which has passed into a gel state, after passing through zones A and B according to example 3;
в) микрофотография при 90°С раствора, частично перешедшего в расплавленное состояние, после прохождения зон А, В и С по примеру 3;c) a micrograph at 90° C. of a partially molten solution after passing through zones A, B and C according to example 3;
г) микрофотография при 115°С раствора, перешедшего в гомогенное расплавленное состояние, после прохождения зон А, В и С по примеру 3;d) micrograph at 115° C. of a solution that has passed into a homogeneous molten state after passing through zones A, B and C according to example 3;
д) микрофотография при 115°С раствора, перешедшего в гомогенное расплавленное состояние, после прохождения зон А, В и С по примеру 4.e) micrograph at 115°C of a solution that has passed into a homogeneous molten state after passing through zones A, B and C according to example 4.
Аналогично фиг. 2, из фиг. 3 видно, что по мере прохождения зон А, В и С экструдера изменяется агрегатное состояние и гомогенность системы: от порошкообразной смеси исходных компонентов до прозрачного прядильного раствора.Similarly to FIG. 2 from FIG. 3 shows that as the zones A, B and C of the extruder pass, the state of aggregation and the homogeneity of the system change: from a powdery mixture of initial components to a transparent spinning solution.
Однако, в отличие от предлагаемого способа, полное расплавление происходит при более высокой температуре, что связано, в первую очередь, с использованием высокоплавкого ММО в примерах 3-4, а не моногидрата ММО в примерах 1-2 и 5-9: сравнение микрофотографий (в) и (г) на фиг. 3, полученных для раствора по примеру 3, но нагретого до разной максимальной температуры.However, in contrast to the proposed method, complete melting occurs at a higher temperature, which is associated primarily with the use of high-melting MMO in examples 3-4, and not MMO monohydrate in examples 1-2 and 5-9: comparison of photomicrographs ( c) and (d) in Fig. 3 obtained for the solution according to example 3, but heated to different maximum temperatures.
В данном случае использование более высоких скоростей вращения шнеков также позволяет улучшить гомогенность прядильного раствора: сравнение микрофотографий (г) и (д) на фиг. 3, полученных в равных условиях, но по примерам 3 и 4 соответственно, отличающимся увеличением скорости вращения шнеков.In this case, the use of higher screw speeds also makes it possible to improve the homogeneity of the dope: comparison of photomicrographs (d) and (e) in Figs. 3, obtained under equal conditions, but according to examples 3 and 4, respectively, differing in the increase in the speed of rotation of the screws.
Для растворов целлюлозы, полученных по примерам 5-9, т.е. по предлагаемому способу и в температурно-механических условиях, аналогичных примеру 2, результаты анализа методом поляризационной оптической микроскопии совпадают с результатами, изображенными на фиг. 2, и полученными для примеров 1-2.For cellulose solutions obtained according to examples 5-9, i.e. according to the proposed method and under temperature-mechanical conditions similar to example 2, the results of analysis by the method of polarizing optical microscopy coincide with the results shown in Fig. 2 and obtained for examples 1-2.
Таким образом, предлагаемое техническое решение для получения прядильных растворов целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде позволяет существенно повысить интенсивность и технологичность процесса за счет проведения всех основных стадий в одном экструзионном аппарате, а также снизить материальные и энергетические затраты в некоторых случаях до 38% (пример 9).Thus, the proposed technical solution for obtaining spinning solutions of cellulose in N-methylmorpholine-N-oxide allows you to significantly increase the intensity and manufacturability of the process by carrying out all the main stages in one extrusion apparatus, as well as reduce material and energy costs in some cases up to 38% (example 9).
Claims (8)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2787619C1 true RU2787619C1 (en) | 2023-01-11 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2075560C1 (en) * | 1994-02-10 | 1997-03-20 | Всероссийский научно-исследовательский институт полимерных волокон с опытным заводом | Method of preparing pulp to manufacture molded issues |
WO2005000945A1 (en) * | 2003-06-30 | 2005-01-06 | Hyosung Corporation | A jomogeneous cellulose solution and high tenacity lyocell multifilament using the same |
RU2629173C1 (en) * | 2016-07-26 | 2017-08-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Балаково Карбон Продакшн" | Method for hydrocellulose bundle production |
RU2707600C1 (en) * | 2019-03-27 | 2019-11-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) | Method of producing spinning mixed solutions of cellulose and copolymer pan in n-methylmorpholine-n-oxide (versions) |
RU2748551C1 (en) * | 2020-10-15 | 2021-05-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) | Method for producing spinning solution based on linseed cellulose for forming hydrate cellulose fibers |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2075560C1 (en) * | 1994-02-10 | 1997-03-20 | Всероссийский научно-исследовательский институт полимерных волокон с опытным заводом | Method of preparing pulp to manufacture molded issues |
WO2005000945A1 (en) * | 2003-06-30 | 2005-01-06 | Hyosung Corporation | A jomogeneous cellulose solution and high tenacity lyocell multifilament using the same |
RU2629173C1 (en) * | 2016-07-26 | 2017-08-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Балаково Карбон Продакшн" | Method for hydrocellulose bundle production |
RU2707600C1 (en) * | 2019-03-27 | 2019-11-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) | Method of producing spinning mixed solutions of cellulose and copolymer pan in n-methylmorpholine-n-oxide (versions) |
RU2748551C1 (en) * | 2020-10-15 | 2021-05-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) | Method for producing spinning solution based on linseed cellulose for forming hydrate cellulose fibers |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4210285B2 (en) | Method for producing cellulose fiber | |
EP1033385B1 (en) | Method of producing a shaped article from a cellulose solution | |
US3324061A (en) | Preparing aqueous solutions of polypyrrolidone | |
US5032338A (en) | Method to prepare high strength ultrahigh molecular weight polyolefin articles by dissolving particles and shaping the solution | |
JP3214706B2 (en) | Method for producing homogeneous cellulose solution using N-methylmorpholine-N-oxide | |
JP4104596B2 (en) | Highly homogeneous cellulose solution and high strength lyocell fiber using the same | |
MX2013013208A (en) | Method for the production of lignin-containing precursor fibres and also carbon fibres. | |
JP7453711B2 (en) | Pretreatment of cellulose | |
US5584919A (en) | Pelletized pre-dope granules of cellulose and tertiary amine oxide, spinning solution, of cellulose and process for making them | |
RU2787619C1 (en) | Extrusion method for obtaining a spinning solution of cellulose in n-methylmorpholine-n-oxide for manufacturing a molded product | |
CN1422282A (en) | Method for producing and processing a cellulose solution | |
US20090051068A1 (en) | Method for Producing Molded Bodies from Proteins | |
CN1210566A (en) | Preparation of spinnable isotropic cellulose solution | |
KR20190049048A (en) | Eco-friendly addititives containing lyocell fibers | |
KR100540343B1 (en) | A solution containing cellulose dissolved in N-methylmorpholine-N-oxide and process for preparing the same | |
KR101888067B1 (en) | Addititives containing lyocell fibers | |
KR20220018915A (en) | Simplified and improved process for the production of acrylic fibers | |
KR101928868B1 (en) | A lyocell fiber comprising an additive having a rubber component | |
KR101888068B1 (en) | Eco-friendly addititives containing lyocell fibers | |
JP2024501697A (en) | Continuous dissolution of cellulose derivatives | |
CN111748870A (en) | Fiber material prepared from chitosan solution with pH value of 6-8 and preparation method thereof | |
RU2075560C1 (en) | Method of preparing pulp to manufacture molded issues | |
JP2672937B2 (en) | Pre-doped granules of cellulose and tertiary amine oxide and method for producing the same | |
TW202328522A (en) | Improvements relating to the cold-alkali process for the production of regenerated cellulosic shaped bodies | |
EP0727439B1 (en) | Pelletized pre-dope granules of cellulose and tertiary amine oxide, process for making them and process for making shaped articles thereof |