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Lyocell纤维研发中关键技术的揭示(二)纺丝成形与溶剂回收工艺

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  纺丝成形  溶剂回收  
Lyocell纤维是以天然纤维素为原料,用杂环有机溶剂甲基氧化吗啉NMMO (N-methylmorpholine-N-oxide)的水溶液为溶剂直接将纤维素制成纤维素溶液,再经凝固浴析出纤维素而制成纤维。Lyocell纤维纺丝过程是一个溶解和凝固的物理过程,不产生毒物,纺丝系统是一个密闭的循环系统,NMMO溶剂在生产中约有99.5%的高回收率,可再回收循环使用,因而它与传统的粘胶纺丝相比,这种再循环系统具有巨大的环保优越性能。
 
一、纺丝成形工艺
英国Courtaulds和奥地利Lenzing公司专利WO9311287(“Purifying aqueous solutions of amine-N-oxides”申请日:1994.5.9 ,公开日:1995.8.15 )、WO9635008(“Process for controlling a flowing cellulose suspension”申请日:1995.6.2 ,公开日:1996.12.10 )等公开了Lyocell纤维纺丝成形的现有工艺技术,是将溶胀的纺丝混合溶液从进入螺杆挤压机中剪切溶解后,经过过滤、静态混合和准确计量,送入喷丝板,喷出的丝先在一段(10-300mm)空气层或其它非沉淀性介质(如氮气)中牵伸,使其分子取向度提高,纤维强度增加。再接着浸入到由NMMO和水组成的凝固浴中凝固。Lyocell纤维纺丝成形工艺中有以下几个重要的技术环节:
 
1. 纺丝溶液的脱泡:纺丝液必须经脱泡才能纺丝,因纺丝液粘度大大高于传统的粘胶溶液,一般抽真空脱泡很难脱彻底。且因纺丝溶液为纤维素、NMMO、水三元体系,不像熔融纺丝组分单一,由于含有水分,在溶液输送过程中温度控制稍有不当就有可能因水汽而产生气泡。试验中也常常会遇到脱泡未彻底而引起喷丝断头的现象。目前国内研发单位初期投入经费有限,设备因陋就简,一般都采取抽真空脱泡手段。如要达到较好的抽真空脱泡效果,可采用了增加脱泡表面积,控制溶液温度等多种办法来降低溶液的粘度,使溶液脱泡更彻底。
 
2. 纺丝溶液的过滤:因纤维素浆粕来源不同,所含的杂质也较多,再加之溶解过程不可避免会产生少量较大的凝胶粒子,故过滤要分几道进行,这也是有别于熔融纺丝溶液过滤的一个方面。首先第一道为粗过滤,过滤较大粒子杂质;第二道为细过滤,滤掉中等尺寸大小的粒子;第三道为精过滤,滤掉更细的粒子及部分凝胶颗粒等。只有经多道过滤工序,才有可能提高溶液的可纺性。
 
3. 纺丝溶液的输送:虽然有关报道称Lyocell纤维工艺中溶液输送及过滤可采用熔融纺丝设备,其实并不这么简单,尤其是溶液的输送问题,因溶液粘度很大,必须有一定功率的设备才能输送。在实际试验研究中发现计量泵或柱塞泵的输送性能较好,通过适当提高输送温度可改善其流动性能,因为该溶液有一个特点即热容量特别大,吸热升温及放热降温都非常慢,在短暂的输送过程中不会引起溶液中纤维素的降解。
 
4. 纺丝组件:影响纤维素物理性能的主要纺丝关键技术除纺丝液脱泡、过滤、输送之外,其喷丝板结构和喷丝孔的分布也是很有讲究。Lyocell纤维纺丝箱体、组件并非所想象的将熔融纺丝系统搬来即可使用那么简单。同样的纺丝溶液、纺丝工艺条件,不同的喷丝板,有的几乎不可纺,有的却纺得很好。其次,组件温度的可控性、灵活性也大为关键。通过大量实践,研究人员发现有的溶液可纺范围很大,纺丝温度在6-12℃的范围内可纺,有的纺丝液可纺范围很窄,甚至局限在2℃之内,喷丝板板面又有慢板又有螺旋丝,所以组件及板面的温度一定要有准确控制措施,以备随时调控。
 
5. 成形凝固条件:Lyocell纤维的成形工艺采用干湿法纺丝,这样既可提高生产效率,又可提高纤维性能,但同时又增加了成形凝固的难度。专家认为气隙层也是Lyocell纤维形成的关键之一,溶液的可纺性好坏与气隙层条件密切相关。自国外Lyocell纤维工艺成熟以来,不断有专利报道这一关键技术,我们可从已工业化生产Lyocell纤维的国外大公司申请公开的相关专利技术来作分析比较(如表所示),不难看出气隙条件对提高喷丝孔密度,提高生产率的重要性。大部分专利报道的吹风湿度要低,有的甚至要求吹绝干风,有的分两个风段。气隙条件较大程度上影响着Lyocell纤维的原纤化程度,在试验采取了多种吹风方式后,发现吹干风对喷丝板面出丝及丝条可拉伸性均极为有利,而且环境气氛在无吹风条件下对纺丝影响也很大,气氛潮湿时喷出溶液易产生包胶现象,这时溶液的可纺性会变得很差。
专利公开号
专利申请日期
气体种类
风温(℃)
风湿(gH2O/kg气)
喷丝孔密度
专利申请人
WO9319230
1993.11.16 
惰性气体
-6~24
0
1.4(孔/mm2)
奥地利Lenzing公司
WO9502082
1995.1.4 
空气
10~60
20~40
/
奥地利Lenzing公司
WO9501470
1994.3.14
空气
21
/
1.59(孔/mm2)
奥地利Lenzing公司
WO9620300
1995.11.27 
空气
12
5
28392
奥地利Lenzing公司
WO9428218
1994.5.20 
空气
0~50
5.5~7.5
5000~10000
英国Courtaulds公司
WO9617118
1997.6.3 
空气
6~40
0.1~7.5
/
AKZO Nobel公司
 
6. 凝固浴:英国Courtaulds公司WO9735054专利(“Manufacture of elongate members”申请日:1997.3.12 ,公开日:1999.2.24)研究证实了凝固浴的结构需根据凝固浴液的稳态流动、出口处流体线速度及升头的难易程度来设计。其形状可以是漏斗或梯形槽等,但必须轻便易于上下移动,可改变气隙层高度。浴液流出速度要与丝条的速度相匹配,不能产生过大的湍流而引起丝条飘动。Lyocell纤维出凝固浴后的水洗、拉伸、上油、干燥、卷曲、切断等工序均可参照普通湿法纺短纤生产工艺流程进行。尤其是水洗工序,要使丝条含NMMO量降至1‰以下,溶剂回收率可提高到99.5%以上,且多道水洗,循环喷淋等措施是十分必要的。
 
从纺丝成形工艺的研究分析来看,尽管工艺过程的细节和成形条件较为苛刻,但只要模透与掌握其工艺技术的关键,纺丝成形完全可实现简单化。Lyocell纤维生产从投入浆粕、溶解、纺丝、卷曲、切断一般只需花3小时,而常规制造粘胶纤维则要花上24小时左右,相比之下,Lyocell纤维生产工序简单,工艺流程短,这不仅可大大降低生产成本,提高生产效率,还可有效改善纤维的吸湿性、舒适性、上染性、光泽、强度等性能。
 
二、溶剂回收
Lyocell纤维以其优越的性能、简单的生产工艺和不污染环境等优点受到世界化纤界的广泛关注。因生产Lyocell纤维所采用的NMMO溶剂无毒安全,可回收循环使用,生产工艺全部为物理过程,而被誉为21世纪的绿色环保纤维。然而NMMO溶剂昂贵的价格使得它在生产中的回收倍受人们的重视,只有当回收率大于99%以上,才有工业化生产的经济价值。
 
奥地利Lenzing公司和英国Courtaulds专利US5178764(“PROCESS FOR CLEANING OR PURIFYING AQUEOUS N-METHYLMORPHOLINE-N-OXIDE SOLUTIONS” 申请日:1991.11.22,授权日:1993.1.12 )和WO9311287 (“PURIFYING AQUEOUS SOLUTIONS OF AMINE-N-OXIDES”申请日:1994.5.9 ,公开日:1995.8.15)分别涉及公开了NMMO溶剂通过封闭的溶剂循环系统进行回收工艺及另有一个回收水循环系统。来自纺丝工段的NMMO溶剂经再生器过滤,除去其中的混浊微粒后,再利用阴离子离子交换树脂或活性炭或氧化铝等吸附剂处理回收液和水,可使过滤、漂白和过渡成分的分离一步完成,再利用溶液或乙醇进行再生。除去有色物质和微量过度金属和阴阳离子分解物后,再经过蒸馏分成NMMO浓液和水,将NMMO浓液回到溶解工段使用(水送至后加工洗涤工序),从而形成一种既经济、有无损生态环境的封闭循环处理系统,使NMMO在该系统中损失最小。另外,研究人员还发现采用一种活化阳离子膜可以全面减少洗出液,提高NMMO溶剂回收率。

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