CN1048529C - 利用可纺性物质的溶液制取纤维的气体牵伸纺丝方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种溶液法生产化学纤维的纺丝方法，具体是一种利用压缩空气的高速气流牵伸由模头吹出的溶液细流并切断成短纤维的生产方法。本发明还提供了应用于该纺丝方法的气牵模头。本发明提供的纺丝方法，简化了工艺流程，可以一步成形制造纤维。

Description

利用可纺性物质的溶液制取纤维的气体牵伸纺丝方法及其装置

本发明涉及化学纤维的溶液纺丝方法，特别是气体牵伸纺丝方法。

自1883年世界上第一根化学纤维——硝酸纤维诞生以来，人们又陆续不断地发明了许多化学纤维新品种。特别是第一次世界大战以后，合成纤维的研究和探索得到了迅速的发展，与之相应，各种纺丝方法也应运而生。现在应用最普遍的纺丝方法主要有熔体纺丝、干法纺丝和湿法纺丝，用上述纺丝方法纺出的纤维还只是初生纤维，不能适应加工和使用的需要，必须对其进行一系列复杂的后处理加工后才能应用于工业生产中。其它如相分离纺丝、闪蒸纺丝、静电纺丝、液晶纺丝、反应纺丝等方法都是新发展起来的特殊工艺纺丝方法。

美国Exxon化工公司最早开发成功了熔喷纺丝技术并获得了使用许可证。熔喷法纺丝工艺是将粒状或粉状原料直接成布的一步法生产工艺，适用于分解温度高于熔融温度的聚合物如聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚己内酰胺(PCL)等。其具体工艺流程是：将经干燥机于燥后的热塑性粒状聚合物加入到料斗中，输送到螺杆挤压机，聚合物在此被加热熔融，经计量泵计量后进入熔喷模头，在热的压缩空气流作用下，熔体从模头中吹出、拉伸，同时在环境空气的作用下冷却、固化，得到很细、不透明的丝，固化后的超细纤维丝被捕集器装置捕集，经压辊进入铺网机成网，最后被切边、卷装为无纺布成品。

据文献报道，熔喷生产的效果主要取决于熔体的流动速度，流动速度又与熔体的粘度有关。如果原料具有较高的粘度，熔体的流动性能就会变差，不利熔喷过程的进行，因此必须对流动性能差的聚合物进行预降解，使其粘度达到熔喷工艺所要求的范围，并减少甚至消除熔喷产品的“结块”。熔体的流动速度还与使熔体从模孔中吹出的热气流速度有关，一般情况下，熔喷纤维的直径随气流速度的增加而减少，但气流速度过高，易产生“结块”，造成纤维断头率增加。美国专利US3,849,241报道，当气流速度变化在29.3-1173kg(s·m³)，聚合物的流动速度在1.67-83.5mg/(s·孔)时，所制备的纤维直径为8-200μm，且无粗糙的“结块”产生。

熔喷模头是决定熔喷产品质量的主要因素之一，图1给出了一个典型的熔喷模头结构示意图。从图1可以看出，模头盖板1的中部构成了熔体的通道——熔体腔2和毛细管6，模头盖板1和气室盖板4共同形成了气室3和空气狭缝5，空气狭缝5的出口正对毛细管6的出口。在美国专利US3,825,380中给出了一组较理想的熔喷模头设计参数：毛细管长度A＝2.87-50.8mm，毛细管内径B＝0.076-0.56mm，气流狭缝宽度G＝0.203-0.381mm，毛细管凸出部锐度α＝55-60°，毛细管凸出部分长度H＝0.15-0.23mm。

应用熔喷法工艺生产超细纤维无纺布，具有占地少、工艺流程短、产品性能优越等特点。特别是利用高速狭缝气流直接将从熔喷模头微孔中挤出的熔体牵伸、切断成短纤维并一步制成成品，省去了传统纺丝工艺中一系列繁琐的后处理加工工序，简化了工艺环节，因此被迅速工业化和应用于许多领域。

然而，熔喷法纺丝工艺还是属于熔体纺丝类，只能应用于熔融温度低于分解温度的聚合物纺丝。对于熔融温度高于分解温度而采用溶液纺丝的聚合物，目前还没有类似能够一步纺制纤维成品的工艺方法报道。

借鉴熔喷法纺丝工艺，开发出一种能够适合于溶液纺丝，将纺丝原液用高速气流牵伸，一次成形而省去后处理工序的溶液纺丝新方法——气体牵伸纺丝方法，是本发明的发明目的。

本发明的目的还在于提供一种用实现气体牵伸纺丝方法的装置。

本发明气体牵伸纺丝方法的具体过程是：将可纺性物质制成粘度为200-600厘泊的纺丝原液并过滤、脱泡后，以0.5-3.0kg/cm²的压强进入气牵模头喷丝，用8-15m³/h流速的高速压缩空气把刚喷出气牵模头的丝条牵伸并切断，切断的牵伸丝经过有适宜温度和足够长的加热甬道脱除溶剂后，或者干燥固化成短纤维，或者直接压制为无纺布。

为了验证气体牵伸纺丝的可纺性，本发明设计了与熔喷模头结构相近似的单孔喷丝模头，通过单孔模头的模拟喷丝试验，证明利用气体牵伸法将纺丝原液一步纺制成超细纤维是完全可行的。

首先，本发明对喷丝模头的结构进行了改进，设计出了适合于溶液纺丝的喷丝模头——气牵模头。图2给出了气牵模头的结构简图。从图中可以看出，带有锥棱的模板6镶嵌在模体4底部的矩形槽内，模体的两侧边对称开有二条上宽下窄的锥形槽，其与固定在模体4上的圆弧形上盖板3所形成的空间构成了模头气室2。下盖板5固定在模体4的下部，下盖板中间对应模板6锥棱处开有锥槽，下盖板5与模板、模体之间形成了气流狭缝8。在模板中部有毛细管7并向下伸出下盖板5的锥槽外，模体4的中部有纵向的溶液腔9与毛细管7相通。进气孔1设在上盖板3的上部，纺丝原液经溶液腔由毛细管出，压缩空气通过气室和气流狭缝从锥槽处高速吹出，牵伸纺丝液成丝。

在气体牵伸过程中，较小的气流狭缝尺寸G可以使气流量变小，但在热气流吹向纺丝原液时，必须有足够大的气体流量才能把纺丝原液吹出并拉细成纤维。G的合适尺寸是0.5-4.0mm。

毛细管作为气牵模头的最关键部件，其参数的选择就尤为重要。经试验后发现，当毛细管长度A为20-50mm，内径B为0.2-0.8mm并且其长径比A/B＝20-100时，能够喷出满意的纤维。

从气牵模头的下方观察，毛细管的管壁是一圈很薄的平面。平面的宽度即毛细管的壁厚选择也合适，如果太厚，则会在此形成纺丝液的死角，使纺丝液在此处聚集，达到一定量后，被吹出或滴下形成纤“结块”；而如果太薄，会给加工带来困难，增加加工成本，而且太薄的毛细管在强烈的狭缝气流作用下也容易发生弯曲、变形等现象。合适的毛细管外径D＝0.4-1.0mm。

毛细管伸出下盖板锥槽一个长度H，H对于纤维的吹出和切断有很大的影响。如果伸出长，H值大，会使纤维的牵伸不足，质量不过关，而H值太小又会导致纤维“结块”增多，断头率增加，喷出絮状纤维。合适的毛细管伸出长度H为10-40mm。此时纤维的切断长度在一个较小的范围内随机分布。

另外，将模板锥棱的角度设计成55-95°，也可以防止纤维“结块”现象的发生，减少断头率。同时也消除了高速气流通过气流狭缝时产生的噪音。

每个气牵模头上都有若干个毛细管线性排列在一条直线上，其直线偏差不超过0.10mm。一般地，气牵模头每10mm距离上排有2-4个毛细管。

纺丝工艺对于纤维的成形同样有着极大的影响，因此，与气牵模头设计参数一样，纺丝工艺参数的选定也是十分重要的。

纺丝原液的浓度对于纺丝成纤有着显著的影响。如果纺丝原液浓度过低，溶剂含量过大，自毛细管喷出的溶液细流中的溶剂大部分在瞬间挥发不掉，细流不能成纤；但是纺丝原液浓度过大，溶剂含量过小，原液的流动性就会变差，在毛细管中不易预取向，回缩较为严重，表现为细流自毛细管喷出后即结成胶冻，堵塞毛细管孔，产生“糊板”现象，从而影响纺丝的正常进行。因此，将纺丝原液浓度控制在一定范围之内是很有必要的。不同的聚合物产生“糊板”现象的纺丝原液浓度各不相同，然而发现不同的聚合物的纺丝原液在其适合纺丝的浓度范围内具有共同的粘度参数：200-500厘泊。

气牵模头的给料压力与压缩空气的流量共同对纺出纤维的粗细及纤维切断产生影响。当压缩空气流量不变时，给料压力越大，纺出纤维越粗；压力越小，纤维越细。控制给料压力，纺出纤维的直径随压缩空气流量的增加而变小，但如果压缩空气流量过高，容易产生“结块”，造成纤维断头率增加。经反复多次纺丝试验，发现当气牵模头给料压力控制在0.5-3.0kg/cm²，压缩空气流量控制在8-15m³/h时，吹出的纤维基本上消除了“结块”现象。

由气牵模头吹出的纤维经高速狭缝气流牵伸，切断为一定长度的短纤维后，落入一个足够长，具有适宜温度的加热甬道，在该甬道中短纤维进一步脱除溶剂固化成形，被捕集器收集进入压辊压制成无纺布。

本发明给出的溶液纺新方法使得纺丝液一步成形纺制无纺布成为可能，同时，由于其工艺简单，大大降低了生产成本，提高了生产效率，减少了纤维的损耗。

图1是熔喷纺丝技术中熔喷模头的结构示意图；

图2是本发明气体牵伸纺丝方法中气牵模头的结构简图；

下面是气体牵伸纺丝方法的一个具体应用实施例。

实施例：

准确称取海藻酸钠300克加入到带有搅拌的2000ml三口瓶中，加入500ml蒸馏水静置2小时，使海藻酸钠溶胀。

向溶胀好的海藻酸钠中再加入500ml蒸留水，缓慢升温至50-60℃，搅拌下在30分钟之内升温至80-90℃，恒定温度搅拌1-2小时，其间加入少量多元醇，得到完全相溶的，浓度为30％(重量份数)的纺丝原液。在45℃下用旋转粘度计测定其旋转粘度为350厘泊。

配制好的纺丝原液在70-80℃条件下经过滤器过滤后进入脱泡缸中，控制脱泡缸温度70-80℃，接通大气，自然脱泡5-8小时后关闭通气阀门。

调节温度控制***和压力控制***，使得：纺丝机气牵模头区温度在60-70℃，加热甬道区和纤维捕集传送区温度在100±20℃，压缩空气的湿度在65％-85％，进入气牵模头的压缩空气温度在50-70℃，压缩空气流量10m³/h，纺丝原液给料压力1kg/cm²。

在压力作用下，纺丝原液经过滤器，输料管进入气牵模头的溶液腔，经毛细管而成溶液细流。压缩空气经除油、减压、过滤、计量后加湿加温进入气室，并从气流狭缝中吹出。在压缩空气的作用下，溶液细流被牵伸，脱水和切断成来规则的短纤维，短纤维通过2-4米长的80-100℃的加热甬道，进一步脱水成形成后落到纤维捕集器上。

捕集器收集到的短纤维可以通过压辊压制后烘干成为海藻酸钠无纺布，也可以直接烘干制成松散状的海藻酸钠短纤维。纺成纤维的含水量小于10％。

Claims (6)

1、利用可纺性物质的溶液制取纤维的气体牵伸纺丝方法，包括制备纺丝原液，纺丝原液的过滤、脱泡，纺丝原液进入气牵模头喷丝，丝条牵伸，牵伸丝经过有适适宜温度和足够长的加热甬道脱除溶剂并干燥固化成纤维几道工序，其特征在于：所述纺丝原液的粘度为200-500厘泊，纺丝原液以0.5-3.0kg/cm²的压强进入气牵模头，所述的丝条牵伸是采用8-15m³/h流速的高速压液空气气流将刚喷出气牵模头的溶液细流牵伸并切断成短纤维。

2、一种用于实现权利要求1所述的气体牵伸纺丝方法的装置，其特征是它包括有一个气体牵伸纤维的气牵模头，所述的气牵模头由模体(4)、上盖板(3)、下盖板(5)和模板(6)组成，在模体(4)的两侧边对称开有两条上宽下窄的锥形槽，底部中央开有一条矩形槽，带有一个锥棱的模板(6)锥棱向下镶嵌在模体(4)下部的矩形槽内；固定在模体(4)上的圆弧形上盖板(3)与模体(4)间的空间构成了气牵模头气室(2)；固定在模体(4)、模板(6)之间构成了与气室(2)相通的气流狭缝(8)并使锥槽成为压缩空气的出口；模板(6)中部有毛细管(7)并向下伸出下盖板(5)的锥槽外；模体(4)的中部有纵向的溶液腔(9)与毛细管(7)相通；进气孔(1)设在上盖板(3)的上部。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征是上述毛细管的长度A＝20-50mm，内径B＝0.2-0.8mm，外径D＝0.4-1.0mm，毛细管伸出下盖板长度H＝10-40mm，狭缝气流宽度G＝0.5-4.0mm。

4、根据权利要求2所述的装置，其特征是上述毛细管长的长径比为A/B＝20-100。

5、根据权利要求2或3所述的装置，其特征是模板锥棱的角度为55-95°。

6、根据权利要求2所述的装置，其特征是气牵模头上以每100mm2-4个的间隔线性排列毛细管，毛细管直线偏差不大于0.10mm。

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