第一情报 ---化学工业

Lyocell纤维研发中关键技术的揭示(一)纺丝原液的制备

供稿人:杨薇炯  供稿时间:2004-11-29   关键字:Lyocell纤维  纤维素纤维  NMMO  纺丝工艺  
Lyocell纤维是近20年来迅速发展起来的采用全新的有机溶剂纺丝工艺制得的纤维素纤维,由于生产工艺无污染,产品具有独特的光泽、良好的吸湿、优美的悬垂、涤纶的强度、真丝的手感、天然透气与抗静电性等优异性能,而被誉为二十一世纪的环保纤维。
 
为解决纤维素纤维市场需求和落后生产工艺技术的矛盾,发达国家如英国Courtaulds公司和奥地利Lenzing公司非常重视新溶剂法生产纤维素纤维的技术开发,并已取得了突破性进展。其开发的新溶剂法生产纤维素纤维技术是指将纤维素原料直接溶解在甲基氧化吗琳NMMO(N-methylmorpholine-N-oxide)的溶剂中,得到具有可纺性的纺丝原液,然后将其纺制成纤维素短纤或长丝,其生产工艺的特点是:(1)溶剂无毒安全,可回收循环使用,不会严重污染环境;(2)生产工艺无化学反应,全部为物理过程;(3)工艺流程短,生产工序比传统的粘胶至少短一半,生产成本和能耗较低;(4)采取干湿法纺丝,纺丝速度快,生产效率高;(5)纤维产品性能明显优于传统粘胶纤维。
 
在Lyocell纤维研发试验中, 研究人员揭示了以下几种关键技术问题:
一、纺丝原液的制备
1. 浆粕选择:Lyocell纤维生产工艺对原料浆粕品质要求较高,其纺丝原液制备中, 浆粕的选择是制备均匀稳定的纺丝液,决定纺丝工艺顺利进行和获得性能优良Lyocell纤维的关键所在。因该纤维生产原料纤维素浆粕有木浆、棉浆之分,研究人员经对不同的浆粕溶解试验发现, 木浆在溶剂NMMO中的溶解速度比棉浆快,不同聚合度、不同纤维素含量粘胶长短丝的棉浆,其溶解速度也不一样。因此,选择一种合适的浆粕或几种浆粕的混合物是求得制备优良纺丝溶液,实现Lyocell纤维工业化生产的首要关键问题。
 
2. 溶剂含水量:因纯的NMMO在大气中极不稳定,吸水性很强,只有含水60%的NMMO溶液在大气中最为稳定的, 故溶剂的含水量对溶液制备影响极大。作为纤维素的优良溶剂,其含水量范围又很窄,只有不超过2个结晶水含量的NMMO才能在适当条件下溶解纤维素。纤维素浆粕投入至NMMO溶剂中, NMMO的含水量很有讲究,已工业化的国外企业公开的专利,如奥地利Lenzing公司以优先权日1990.4.20 申请的同等专利EP0452610、JP5156084、CA2040844、BG60069、ES2029970T、IE911316、 GR91300144T、HU58775等公开了以NMMO含水为28%即溶剂还不能溶解纤维素时即投入浆粕浸泡,这样可以让纤维素浸泡充分,与溶剂混匀,再脱水溶解;英国Courtaulds公开专利GB2337990则以NMMO含水量13-18%的溶剂直接与浆粕混合溶解。研究还发现纤维素在溶解前脱水与溶解后脱水情况不同,溶解前脱水较易,临界溶解和溶解后脱水较难。
 
3. 溶解温度:NMMO除含水量影响纤维素的溶解性能外,其温度不稳定性也增加了溶解过程的复杂性。NMMO溶剂,常温下为固态,呈弱碱性,熔点130℃,燃点210℃,120℃时易产生变色反应,175℃时产生过热反应,并易气化分解成甲醛、甲酸、N-甲基吗啉、甲基吗啉、二氧化碳等,210℃为其燃点。所以纤维素在溶剂中的溶解温度不宜超过120℃,生产实践中也发现长时间温度超过120℃的话,纤维素极易降解,溶液易变质,有氨气味,几乎无法纺丝。
 
4. 纤维素状态:研究发现浆粕品质对所制得纺丝原液的稳定性、可纺性有很大的影响,纤维素浆粕的尺寸大小、投料温度、浸润时间的不同对结果产生较大差别,如不同尺寸以同样的溶解条件来处理的话,外观尺寸不对称、呈絮状、粒度小、内部结构疏松的浆粕溶解效果比尺寸大的、浆粕致密性高的要好得多,溶液中大于50µm的粒子易引起过滤的困难。而纤维素浆粕尺寸与致密性相同,其投料时温度不同及同温度浸润时间不同时溶解效果也不同。在选择较适当的NMMO含水量条件下,更应当注意投料温度,因为NMMO含水量正好为良溶剂时,高温投料极易引起凝胶块的产生,即使延长溶解时间也很难打开凝胶团。
 
5. 溶解设备:纤维素原料溶解过程可分为混合、浸润、膨润、溶胀、溶解五个环节,在整个溶解过程为非连续式的,溶解时间较长,而所采用的仪器设备又各不相同,这就存在着设备有效传热面积不足,搅拌不均等技术问题。研究人员曾采用双螺杆挤出机进行溶解,发现双螺杆的喂入有一定难度,只有以某种固态纤维素与NMMO混合物的方式喂入时才能自动进料,且抽真空脱水也较难以实施,极易引起返料等问题。所以喂入的混合料中NMMO的含水量必须要低于作为良溶剂的含水量,这样再加上纤维素浆粕的含水量,正好可使纤维素原料在双螺杆挤出机中得到较好的溶解效果。双螺杆混合物均匀度对溶液的均匀性有很大的影响,因它们在双螺杆内停留时间较短,进料前的混合作用不够,故双螺杆出来的溶液往往均匀性相对较差。试验表明:一种高效传热传质、高剪切速率、快速脱水、自清洁、搅拌轴附近无盲区、大截面积、较长停留时间的溶解装置,特别适合纤维素在NMMO溶剂中的溶解。即综合双螺杆和薄膜蒸发器设备为最佳的溶解设备。
 
总之,影响纤维素浆粕在NMMO中溶解的因素很多,这也是Lyocell纤维溶解工艺复杂性之体现。研究人员经实际试验得出:无论采取何种手段、何种方式、何种设备,最关键的是纤维素、NMMO、水三元体系的组成及投料的温度一定要恰到好处,这样才能制备出均匀稳定的优良纺丝原液,使下一道纺丝工艺得以顺利完成及最终获得性能优良Lyocell纤维的得到根本保证。

注册成为正式用户,登陆后,获得更多阅读功能与服务!
转载本文需经本平台书面授权,并注明出处:上海情报服务平台www.istis.sh.cn
了解更多信息,请联系我们

§ 请为这篇文章打分(5分为最好)