TW201529916A

TW201529916A - 模造體的製造方法

Info

Publication number: TW201529916A
Application number: TW103134620A
Authority: TW
Inventors: Andreas Diener; Oliver Tretzack; Andreas Grundei
Original assignee: List Holding Ag
Priority date: 2013-10-04
Filing date: 2014-10-03
Publication date: 2015-08-01
Also published as: WO2015049040A1; BR112016006237A2; CA2923780A1

Abstract

一種用一基本物質製造模造體之方法，為製造一成型溶液而將該基本物質與一溶劑混合，再將該溶劑至少部分地自該成型溶液分離，並將該成型溶液送入一成型用裝置，將該成型溶液送入一橫截面呈圓柱形或八邊形的厚膜溶解器，或者送入一由一橫截面呈圓柱形之薄膜蒸發器與一圓柱形或八邊形之厚膜溶解器所構成的組合體。

Description

模造體的製造方法

發明領域

本發明係有關於一種用一基本物質製造成型溶液之方法，為製造一成型溶液而將該基本物質與一溶劑混合，再將該溶劑至少部分地自該成型溶液分離，並將該成型溶液送入一成型用裝置。

發明背景

本文中的概念“模造體”包含所有用天然或人工基本物質製成之物體。通常藉由一用於將該基本物質變為該模造體之形狀的成型工具來實現此點。例如可採用綠色纖維(Lyocellfaser)及黏性纖維，但此點不構成任何限制或界定。綠色纖維/黏性纖維係指由基本材料纖維素構成且透過溶解法及隨後之紡絲操作而個別製成之纖維。部分模造體需要成型溶液具有高端品質，以便滿足模造體(如長絲)之品質要求。黏性纖維/綠色纖維的化學性質與棉纖維的化學性質相同。

模造體例如為短纖維、非織物(如纖維網)、混合纖維、功能化纖維及長絲(長度遠大於1米的纖維)。該等模造體100%由纖維素構成且如黏性纖維般用天然纖維素製成。模造體(如長絲)例如可用作供進一步加工成碳酸纖維的前驅物(Precursor)。混合纖維或混合為由不同起始材料之混合物構成的纖維，如纖維素與PAN(聚丙烯腈)、纖維素與熱塑性塑膠或者纖維素與聚合物。可將此等起始材料整體上溶解為成型溶液或者僅進行混合。採用功能化纖維時，在溶解過程之前、過程中或之後添加功能化材料，如銀、石蠟或碳，以便對纖維之性能產生影響。

採用綠色纖維時，藉由無毒之溶劑NMMO(N-甲基嗎啉-N-氧化物)以不在此前與苛性鈉進行反應及衍生成黃酸鹽的方式將纖維素直接且不加改變地溶解。在一經稀釋之水性NMMO槽液中對綠色纖維進行紡絲，在此過程中低於纖維素的溶度極限從而形成一絲線。為此，擠壓相應之成型溶液使其穿過紡絲噴嘴。DE 1 713 486、US-A-3 447 939或GB 8 216 566描述過此種lyocell工藝。例如在一圓柱形之豎向工作的薄膜溶解器(Filmtruder)中製造適合之成型溶液(參閱GB 08/875,437或US 5,888,288,A)，或者在一水平工作之厚膜溶解器(捏合反應器)中進行製造(參閱DE 198 37 210或WO 20/20885 A1。

在此等裝置中根據習知工藝來製造具有紡絲工藝所需之可進一步處理之黏度及相應之纖維素濃度的成型溶液。

此二用於產生製造綠色纖維用成型溶液的裝置皆並非完全適用於基本材料纖維素在溶劑NMMO中的整個溶解過程。該豎向薄膜溶解器之傳熱性極佳，但停留時間較短，故無法實現天然纖維之必要源且無法為產生完美的成型溶液而實施必要的均勻化處理。該水平式厚膜溶解器實現較長的停留時間，此點有利於溶劑滲入纖維，從而有利於實施均勻化處理以產生極佳的成型溶液。

儘管如此，現今仍在工業領域用此二裝置來製造綠色纖維用成型溶液。由於上述次最佳之條件，此二工藝中之溶解器變得愈來愈大且受其最大結構尺寸的限制。用此等裝置所能實現的生產線生產能力不高於每天50 t纖維。而對應用此項工藝來長期有效且有競爭力地製造黏性纖維或莫代爾纖維而言，每天100 t纖維的生產能力及相應生產線是必要的。

部分模造體，如長絲、混合纖維及功能化纖維需要成型溶液具有高端品質，而僅憑薄膜蒸發器是無法製成此種成型溶液的。

發明概要

本發明之目的在於對上述方法進行最佳化，從而實現更大的生產能力，如每天大於100 t纖維。

本發明的另一目的在於製成某個品質的成型溶液，以便製造長絲、碳酸纖維用前驅物、混合纖維及功能化纖維。

本發明用以達成上述目的之解決方案為，將該成型溶液送入一橫截面呈圓柱形或八邊形的厚膜溶解器，或者送入一由一橫截面呈豎向圓柱形之薄膜蒸發器與一水平式圓柱形或八邊形之厚膜溶解器所構成的組合體。

薄膜蒸發器係指在一薄膜中對溶液進行蒸發的蒸發器。薄膜蒸發器通常在真空中工作，故適於柔和地分離混合物。其工作方式如下：將液體自上而下導引至豎立之蒸發器面。蒸發器面係指在中央設有一機械攪拌系統的管件。透過該具有若干靜止或可動之攪拌葉片的攪拌系統來形成該較薄的溶液膜，該等葉片沿加熱面輕觸。透過一外部之雙護套將所需的蒸發能輸入該溶液膜。[1]http：//de.wikipedia.Org/wiki/D%C3%BCnnschichtverdampfer#cite_note-1

該儀器能在真空中極佳地工作，故其適於在低溫條件下進行柔和地蒸餾。具有可動攪拌葉片的薄膜蒸發器適用於結晶操作。

薄膜溶解器係薄膜蒸發器的別稱。溶解器除實施蒸發外還將某種物質溶解於另一物質，例如將纖維素溶解於溶劑。

厚膜溶解器係指某種混合捏合機，與薄膜溶解器不同，其並非在一薄膜中，而是透過一厚膜的表面更新來對待蒸發之介質進行蒸發。選用此種定義之目的在於與薄膜溶解器相區分。透過捏合與剪切效應將溶劑與介質(纖維素)聚合在一起。

較佳採用一橫截面呈圓柱形或八邊形的水平式厚膜溶解器，或者一由一橫截面呈圓柱形之豎向薄膜蒸發器與一橫截面呈圓柱形或八邊形之水平式厚膜溶解器所構成的組合體。該等厚膜溶解器主要指單軸式或雙軸式之所謂的“混合捏合機”。單軸與雙軸式混合捏合機存在顯著區別。具有水平式軸體之單軸混合捏合機可參閱EP 91 405 497.1。具有橫截面呈八邊形之殼體的多軸式混合與捏合機可參閱CH-A 506 322、EP 0 517 068 B、DE 199 40 521 A1或DE 101 60 535。該等公開案中，在一水平式軸體上設有若干徑向盤狀元件，且在該等盤狀體之間設有若干軸向定向之捏合桿。自另一水平式軸體呈框架狀的若干混合與捏合元件卡合在該等盤狀體之間。該等混合與捏合元件對該第一軸體的盤狀體及捏合桿進行清潔。該二軸體上的捏合桿又對殼體內壁進行清潔。

結合基本物質纖維素在NMMO中透過過程技術基於該二習知裝置對該溶解過程進行了分析。實驗表明，原則上可將該溶解過程分為三個工藝條件差別極大的階段。第一階段係自一纖維素-溶劑懸浮液(亦稱粉料)實施水蒸發，直至該纖維素之溶解的起始點，其相當於達到溶解窗，即纖維素溶解於水性NMMO中的條件，故約相當於NMMO之水合物的2.5倍。該階段需要大量熱輸入來將水蒸發，但不需要更多的停留時間，因為纖維素尚未溶解，且該懸浮液的黏度較低。

達到該溶解窗後，在第二階段中實施主溶解及所需之程度較輕的水蒸發，該主溶解過程中出現黏度迅速升高，該水蒸發約達到NMMO之水合物的1.5倍。

第三階段係對該紡絲溶液進行均勻化處理並實施一同樣程度較輕的水蒸發，其約達到水合物的0.8至1.0倍，視具體纖維素濃度而定。

結合該等用於溶解階段之裝置後，該過程技術分析表明，該薄膜蒸發器因其傳熱良好而特別適用於在該第一階段中在較小的黏度及較短的停留時間情況下實施大幅水蒸發，該厚膜蒸發器或捏合反應器則因其攪拌性能極佳、停留時間較長且對高黏度及程度較輕之水蒸發進行處理而適用於第二及第三階段。

兩個裝置係以使得該等產品空間緊密相連的方式相結合，如此一來，作為複雜接口的該等過渡位置係位於內部，遂毋需對會部分發生變化的產品稠度進行傳輸。該厚膜蒸發器或捏合反應器可順利地對該薄膜溶解器之少量滯留的波動進行補償。在某些場合下需要將該等儀器分離，以便實現不同的工藝條件(如真空)。

在本發明的一較佳實施例中，在該薄膜蒸發器上游另設有一混合器，在該混合器中將該基本物質，特別是纖維素與該溶劑進行預混合。如此便能產生一經強力充分混合的粉料。本發明較佳採用一水平式捏合反應器為混合器。

為將纖維素完全溶解於NMMO中，該溶解過程需要較長的停留時間及強力充分混合及施加剪切，以便製成高品質之成型溶液。以不高於36wt%(該成型溶液中的纖維素濃度)的纖維素濃度進行溶解還有助於製成高品質的成型溶液。藉由Masterconti法可透過稀釋來實現用於成型操作(如紡絲)的最佳黏度。

結合該等用於溶解階段之裝置後，該過程技術分析表明，該水平式之圓柱形或八邊形厚膜溶解器或前述之由薄膜溶解器與厚膜溶解器構成之組合體尤其適於製造高端品質之成型溶液。

為進一步提高該方法的生產能力而對WO 2009/098073所闡述之濃縮液加以審視。由此便能實現紡絲溶液的兩級式製造工藝，即將纖維素之濃縮液與隨後之回收操作相結合，從而進一步提高效率。

如WO 2009/098073所述，可透過光學指數(折射率)對成型溶液及/或稀釋劑之濃度進行控制。在將稀釋劑輸入成型溶液前以及/或者在成型溶液之稀釋過程中進行控制。該稀釋劑及/或該成型溶液之期望光學指數為1.45至1.52。

較佳採用一水性之氧化三級胺為溶劑或稀釋劑。但本發明並非僅限於此。本發明亦並非僅限於纖維素，而是亦將若干物質包括在內，例如，蛋白質、聚丙交酯、聚丙烯腈(PAN)或澱粉或者該等物質之混合物，其中產生混合纖維或複合物。

就本發明之方法而言，製造何種模造體具有次要意義。較佳係製造長絲、纖維網或長絲紗線。亦可用來製造混合纖維、功能化纖維、薄膜、中空纖維、膜片或諸如此類。可用製造纖維用習知紡絲噴嘴、縫式噴嘴或中空線紡絲噴嘴來將該溶液成型為期望之纖維素模造體。亦可在成型操作完畢後，即在將經成型之溶液輸入凝固槽前，將其拉長。

為使模造體獲得期望品質，可在成型操作完畢後不將該纖維烘乾或者不完全烘乾，且將其略微拉長乃至完全不拉長。在成型溶液製成後採用此項生產特徵能在無應力的情況下實現模造體之烘乾。

1，6‧‧‧輸入管

2‧‧‧薄膜蒸發器

3‧‧‧直接式過渡件

4‧‧‧捏合反應器

5‧‧‧排放裝置

7‧‧‧泵體

8‧‧‧成型裝置

9‧‧‧氣室連接管

10‧‧‧冷凝器

圖1係為本發明之用一基本物質，特別是用再生原料製造模造體之方法的框圖。

較佳實施例之詳細說明

本發明之更多優點、特徵及細節由以下對較佳實施例之描述並結合附圖給出；該附圖中的唯一一張圖為本發明之用一基本物質，特別是用再生原料製造模造體之方法的框圖。

經由輸入管1將所需之纖維素或經預混合之纖維素粉料輸入薄膜蒸發器2。此種豎向之圓柱形儀器例如被GB 08/875,437或US 5,888,288揭露。可選地，亦可將該纖維素粉料直接輸入捏合反應器4。

採用薄膜蒸發器2時，在該薄膜蒸發器中對該懸浮液進行濃縮。自該薄膜蒸發器將該經濃縮之懸浮液直接送入一厚膜溶解器，較佳一水平式捏合反應器4。此類捏合反應器例如被DE 199 40 521 A1或DE 41 18 884揭露。但本發明並非僅限於此類薄膜蒸發器及此類捏合反應器。本發明將所有可將再生原料處理成一未來之形狀的處理裝置包括在內。

本實施例中，藉由一溶劑，較佳一水性之氧化三級胺對該再生原料進行處理，該溶劑之前就已作為纖維素粉料被混合並相應地經由輸入管1被送入該薄膜蒸發器。可選地，亦可將該纖維素粉料直接送入捏合反應器4。

在薄膜蒸發器2中，透過輸入熱量來蒸發懸浮液中的水，而不將纖維素溶解。

在捏合反應器4中，透過輸入熱量來將該原料與該溶劑強力充分混合在一起、將該溶劑中的水部分蒸發並將該纖維素溶解，從而產生一相對高黏的成型溶液。隨後透過一排放裝置5將該成型溶液送入紡絲設備8。

在一捏合反應器中或者該前述之薄膜蒸發器與捏合反應器之組合體來製成成型溶液，以便隨後藉由濕法紡絲法將高端基本物質紡絲成為長絲、短纖維或纖維網，該濕法紡絲法大體而言並非一定藉由氣隙來實施。

可在最終加工成纖維前將該相對高黏之成型溶液稀釋為一可紡之成型溶液。此點係透過以下方式實現：在該排放裝置5中透過一輸入管6，(甚至)在該排放裝置5前的捏合反應器4中之任意位置上，以及/或者分開實施。此種操作已在實驗中得到證明。若稀釋比極高，則亦可結合兩個輸入位置實施此點。

在排放裝置5下游且在紡絲設備8上游設有一泵體7，用於在該排放後對該成型溶液進行積聚。本發明之方法的實施方案如下：經由輸入管1將由該基本物質，特別是該再生原料構成的該懸浮液及該溶劑輸入薄膜蒸發器2或者直接輸入捏合反應器4。以藉由加熱套自外部輸入熱量的方式將水自該懸浮液強力蒸發至溶解窗(Lösefenster)，而不啟動該基本物質的溶解。

以經由一直接式過渡件3直接地或者透過一泵體或閥體進行排放的方式將該經濃縮之懸浮液輸入厚膜溶解器4。該基本物質亦可直接輸入該厚膜溶解器4，在該厚膜溶解器(捏合反應器)中，實施一強力充分混合，視情況亦將水蒸發至該溶解窗，其中，可藉由加熱套、經加熱之捏合軸及/或經加熱之捏合元件(盤狀元件)來自外部輸入熱量。在該強力充分混合過程中透過該剪力能來實施另一機械式熱輸入。透過該強力充分混合及所輸入之剪力能來將基本物質完全溶解，並產生高品質之成型溶液。

透過將該溶劑中的一部分蒸發來將該懸浮液轉換為一成型溶液(成型溶液)並進一步濃縮，使其在捏合反應器4之緊鄰排放裝置5的末端上具有約8%至36%之基本物質含量。該成型溶液就未來之紡絲操作而言可能黏度過大。此時，用經由輸入管6輸入之稀釋劑對其進行稀釋，視紡絲工藝之要求而定。其中，在添加稀釋劑前及/或後透過某種光學指數對該成型溶液之濃度進行控制。該光學指數亦稱折射率。其表示電磁波在入射至兩種介質之介面時的折射(變向)及反射特性(反射及全反射)。

此外，在該排放前或該排放過程中，視情況同樣經由輸入管6另將一添加劑送入該成型溶液/混合物。亦可將一添加劑或添加劑混合物連同該稀釋劑一起送入。

經由氣室連接管9將產生於薄膜蒸發器2或捏合反應器4中的蒸氣送入冷凝器10。