專利名稱：立霧式化學(xué)纖維成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化學(xué)纖維制造領(lǐng)域，尤其涉及一種立霧式化學(xué)纖維成型方法。
背景技術(shù)：
纖維是以天然的或合成的高聚物為原料而加工成為細(xì)長而柔韌的物質(zhì)。從原料來 源來分類，化學(xué)纖維可分成再生纖維和合成纖維兩大類。合成纖維是用合成高聚物(樹脂) 為原料而紡制得到的纖維，其中占合成纖維總量60%以上的為聚酯纖維，也稱為滌綸。還 有聚酰胺(尼龍)、聚丙烯(丙綸)、聚丙烯腈(腈綸)等；其次，聚乙烯醇(維尼龍)、聚氨 酯(氨綸)等。再生纖維為以天然的高聚物為原料，經(jīng)過物理、或物理化學(xué)處理，用專用設(shè) 備而制得的纖維，如纖維素纖維(棉短絨再生粘膠纖維、玉米纖維、竹纖維、秸稈等再生纖 維)、蛋白質(zhì)纖維(牛奶纖維)、甲殼質(zhì)纖維等。按照纖維的長度來分類可分成長絲與短纖維。長絲是連續(xù)的，常以千米長度來計(jì) 算。短纖維是指切斷成類似于天然纖維長度的纖維，長度通常以毫米計(jì)算。根據(jù)長度和用 途區(qū)分，一般可分成超短纖維、短纖維、中長纖維和毛型短纖維。目前，全世界化學(xué)纖維總產(chǎn) 量達(dá)到纖維總需求量的60%以上。化學(xué)纖維中90%以上為合成纖維，再生纖維素纖維不到 10%?；瘜W(xué)纖維中長絲和短纖維的總比例基本上各為50%。紡絲成型是指以含有一定天然纖維素含量的高分子材料或合成高聚物所制備成 具有一定粘度和流動(dòng)性的原液(用于溶劑紡)或熔體(用于熔融紡)，經(jīng)過計(jì)量泵以一定壓 力通過噴絲頭孔形成的穩(wěn)定的細(xì)流后，通過特殊設(shè)計(jì)的冷卻(或高溫?fù)]發(fā))成型裝置，逐漸 固化成為具有一定機(jī)械性能的絲條(纖維)的過程?，F(xiàn)有的化學(xué)纖維紡絲成型技術(shù)可分成兩大類熔融紡和溶劑(溶液)紡?；瘜W(xué)纖 維冷卻成型的介質(zhì)有空氣(惰性氣體)冷卻、水冷卻、溶劑(溶液)冷卻等形式。具體的又 可以細(xì)分為熔體紡、干法紡、濕法紡、干噴濕法等。熔融紡要求成纖高聚物其分解溫度(Td)高于熔融點(diǎn)(Tm)或流動(dòng)溫度(Ts)的分 子成線性排列的高聚物才能采用該紡絲方法。所用的熔體紡中由于其熔體溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空 氣，一般以空氣作為冷卻介質(zhì)，隨手可得，生產(chǎn)成本低廉。經(jīng)恒溫恒壓恒濕處理后的空氣通 過專門設(shè)計(jì)的整流裝置，均勻地與纖維運(yùn)行方向成90°夾角吹到熱的絲條表面；熔融的熔 體細(xì)流和低溫的潔凈氣流之間發(fā)生熱交換，細(xì)流沿紡程從外到內(nèi)逐漸固化成為絲條，經(jīng)導(dǎo) 絲輥集為一束纖維進(jìn)入下一工段。常見的整流裝置為側(cè)吹風(fēng)窗和環(huán)吹風(fēng)頭套等。吹風(fēng)整流 裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵為吹風(fēng)有效面積和整流過濾材料的選擇，以保證滿足絲條需冷量的同 時(shí)，風(fēng)速均勻有效地吹到各根絲條表面，形成品質(zhì)均勻和優(yōu)良的初生纖維。吹風(fēng)窗(頭套) 有效吹風(fēng)高度、面積和絲條的固化點(diǎn)的控制、纖維的纖度大小、單紡位的產(chǎn)量密切相關(guān)。紡 絲速度長絲目前產(chǎn)業(yè)化的速度在2000 6000m/min ；短纖維在500 1800m/min。此種方 法絲條離開噴絲板后立即進(jìn)入水中成型。吸收了熔體熱量的水用冷交換原理降溫，冷媒采 用< 8°C的水。雖然與空氣冷卻相比，冷卻效果很好，但是冷量的損耗非常大。適用于溶劑紡的干法紡的設(shè)備和原理與熔紡冷卻成型原理不同，它是采用高溫惰性氣體強(qiáng)制對(duì)流，來帶走紡絲原液細(xì)流中揮發(fā)出來的溶劑。氣體在經(jīng)過冷卻分離，再加熱循 環(huán)使用；絲條在充滿氣體的管狀甬道中冷卻成型，冷卻風(fēng)與絲條運(yùn)行方向相同。優(yōu)點(diǎn)是絲條 運(yùn)行在空氣(惰性)氣體內(nèi)，運(yùn)動(dòng)阻尼非常小，氣流隨絲條向下牽引力的作用同向在甬道下 部流出，自然的有序的氣流減少了擾動(dòng)和發(fā)生概率，有利于得到高品質(zhì)的絲條。干法溶劑紡 紡絲速度可達(dá)到2000m/min，而且紡絲設(shè)備豎向布置，占地面積小。缺點(diǎn)是紡絲工段建筑物 高度比溶劑紡濕紡、干噴濕法高，受到建筑物高度的制約(造價(jià))，噴絲板孔數(shù)量和單根絲 的纖度都受到一定制約。對(duì)于分解溫度低于熔融點(diǎn)的成纖高聚物(或熔紡單絲纖度> 20d)的纖維多采用 濕法紡或干噴濕法(浸沒式水冷卻法)。濕法紡所用的設(shè)備如圖1所示，溶劑紡原液通過計(jì)量泵2和過濾器3進(jìn)入到噴絲 板4中，噴絲板4放置在凝固浴槽14中被凝固浴液浸沒。噴絲板4噴出的原液細(xì)流在凝固 浴液中同時(shí)發(fā)生冷卻和相分離過程，以得到表面固化內(nèi)部初步產(chǎn)生相分離的絲條，然后由 導(dǎo)絲轉(zhuǎn)向輥8帶出纖維絲，通過導(dǎo)絲輥9進(jìn)入后處理階段完成；一般凝固點(diǎn)的長度控制在 100 300cm。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，20°C水的比容是20°C空氣的4. 13倍，導(dǎo)熱系數(shù)是23. 73 倍；水與空氣相比，是優(yōu)良的傳熱體和貯能體；因此噴絲板4的噴絲孔數(shù)(束纖維的根數(shù)) 和單絲纖度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熔紡，最高可達(dá)200000孔；采用水冷的熔紡的單絲纖度> 20d，甚至可 以達(dá)到200d 500d。同時(shí)浴液采用主輔槽循環(huán)，工藝條件穩(wěn)定，控制方法簡便，易操作，適 用于所有溶劑紡成纖高聚物。缺點(diǎn)是(1)原液細(xì)流在凝固浴液中，受液-液之間傳質(zhì)速率和兩種流體界面之間 摩擦力的影響，為了避免原液細(xì)流表面破裂，濕紡的紡絲速度控制< lOOm/min，一般僅為 15 SOm/min。因此，單紡位產(chǎn)能較低，紡絲設(shè)備投資高，占地面積大。(2)為了保證每一瞬 時(shí)凝固浴槽內(nèi)的浴液溫度和濃度的相對(duì)恒定，必須及時(shí)消化進(jìn)入凝固浴液的原液帶入的熱 量和溶劑(濃相)，濕法紡(包括干噴濕法)工藝的做法是——采用大浴比方式增加凝固 浴輔槽的容積和提高凝固浴液的循環(huán)次數(shù)。輔槽設(shè)備投資、建筑占地和能耗都相應(yīng)較高。干噴濕法所用的設(shè)備如圖2所示，在濕法紡的基礎(chǔ)上在噴絲板4和凝固浴槽14之 間增加氣隙10，使得溶(熔)體細(xì)流離開噴絲板4進(jìn)入氣隙中與周圍氣體先發(fā)生熱量交換， 表面形成一層固化薄膜，細(xì)流表面與周圍氣體介質(zhì)之間的摩擦力變小，從而提高了紡速，并 且光滑而又固化的絲條表面在降低與浴液之間的摩擦系數(shù)的同時(shí)又保留了濕法紡在凝固 浴槽中傳熱傳質(zhì)速度快的優(yōu)點(diǎn)，據(jù)報(bào)道，紡速在80 lOOm/min。缺點(diǎn)是(1)氣隙控制技術(shù)受到氣隙長度、氣流速度、氣流溫度、氣流介質(zhì)回收成本 的影響，難度非常大。(2)初生絲條與氣隙中空氣只發(fā)生熱交換表面初步冷卻固化即進(jìn)入凝 固浴，受絲條內(nèi)部和浴液之間的傳質(zhì)速度影響，紡速提高受到一定限制。(3)氣隙過大，初生 纖維表面固化過快，易產(chǎn)生原纖化，影響后道可紡性；氣隙過小，固化效果不明顯，且噴絲板 面與液面距離過小，生頭操作在液下進(jìn)行，難度較大，制約了噴絲孔數(shù)量的增加，根據(jù)已披 露的資料，紡絲孔最高達(dá)到30000孔/位。(4)和傳統(tǒng)濕法紡工藝一樣也采用大浴比的方式 來控制凝固浴的溫度和濃度的相對(duì)穩(wěn)定。這部分設(shè)備投資、土建占地和能耗都非常高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種立霧式化學(xué)纖維成型方法，該方法采用立式的凝固室代替?zhèn)鹘y(tǒng)的凝固浴槽，使得向下運(yùn)行的絲條在充滿霧化浴液的凝固室中進(jìn)行冷 卻和固化，紡絲速度快、土建成本低。一種立霧式化學(xué)纖維成型方法，包括以下步驟1)紡絲原料經(jīng)過分配管、計(jì)量泵和過濾器后進(jìn)入紡絲組件的噴絲板；2)氣隙冷卻噴絲板向下噴出絲條通過噴絲板和凝固室之間的氣隙，絲條表面初 步冷卻固化形成初生絲條；3)凝固室冷卻凝固絲條通過氣隙后進(jìn)入凝固室，凝固室兩側(cè)的霧化噴嘴對(duì)絲條 噴射浴液，使得絲條在向下運(yùn)行中進(jìn)一步冷卻凝固；4)集束浴絲條和浴液同時(shí)連續(xù)進(jìn)入集束浴槽，在集束浴槽中絲條由外至內(nèi)繼續(xù) 固化，在導(dǎo)絲轉(zhuǎn)向輥?zhàn)饔孟聟R集成一束絲片；5)后處理工段通過集束浴內(nèi)的導(dǎo)絲轉(zhuǎn)向輥導(dǎo)出的絲片經(jīng)過導(dǎo)絲輥進(jìn)入后處理 工段結(jié)束紡絲流程。所述的凝固室下端安裝集束浴槽邊，其與集束浴槽相連處連為一體，另兩側(cè)敞開。初步固化的絲條進(jìn)入集束浴槽后，絲條在集束浴槽中行進(jìn)速度為100 350m/min。當(dāng)進(jìn)行溶劑紡時(shí)，所述的紡絲原料為濃度70% 90%、溫度60 90°C有機(jī)溶劑制 備的紡絲原液，凝固室中霧化噴嘴噴出的浴液為濃度10% 17%、溫度10 25°C的氧化甲 基嗎啉溶劑。所述的后處理工段包括牽伸、切斷、水洗、漂白、上油、干燥和打包。當(dāng)進(jìn)行熔融紡時(shí)，所述的紡絲原料為100%紡絲原料、熔體溫度200 350°C，所述 的凝固室中霧化噴嘴噴出浴液為水，溫度16 30°C。本發(fā)明的立霧式化學(xué)纖維成型方法，其立式凝固室內(nèi)形成一個(gè)霧化浴液和空氣包 圍的氣氛，替代了傳統(tǒng)濕法紡絲或干噴濕法紡絲方法中液態(tài)的絲條被液態(tài)的凝固浴介質(zhì)所 包圍的狀況，將液——液之間的摩擦運(yùn)動(dòng)改為液——霧+氣，使得紡絲速度很容易地提高1 倍至數(shù)倍以上，大大提高了產(chǎn)能，噴絲板面到集束液面距離從300mm可提高到500mm以上， 方便多孔生頭操作；絲條的熱量一部分散發(fā)到空氣，一部分被噴到絲條上的霧化液體帶走，霧化液體 的需求(流量、溫度和濃度)的控制可以根據(jù)絲條成型實(shí)際需求量而單獨(dú)配置，控制精度 高，節(jié)約冷量，噴絲板的孔數(shù)也可以達(dá)到200000孔以上，在同樣的產(chǎn)能下，紡位數(shù)量減少。 集束浴槽中絲條基本成型，減小了絲條在集束浴槽中運(yùn)行的摩擦阻力，提高了紡絲速度，而 且集束浴槽中浴液濃度和溫度對(duì)纖維品質(zhì)影響甚少，集束浴輔槽的容積和循環(huán)泵設(shè)置僅考 慮工藝操作彈性使用小浴比循環(huán)即可，節(jié)約了設(shè)備投資和土建投資降低了運(yùn)行成本。采用立式霧化冷卻凝固，每根絲條每時(shí)每刻都被連續(xù)噴出的新鮮液膜均勻地包裹 著、更新著，每根絲條與霧化液珠射出方向呈一定夾角，與絲條內(nèi)部到表面的傳熱、傳質(zhì)方 向平行，因此冷卻固化十分均勻，避免了原纖化的產(chǎn)生，所得到的絲條機(jī)械性能具有特殊的 品質(zhì)，可以推廣應(yīng)用于采用現(xiàn)有空氣作為冷卻介質(zhì)所不能紡制的粗旦熔紡纖維(> 20旦/ 根)的冷卻成型。


圖1為現(xiàn)有的濕法(凝固浴)紡原理框圖2為現(xiàn)有的干噴濕法原理框圖；圖3為本發(fā)明立霧式化學(xué)纖維成型方法的原理框圖。圖中1溶體分配管、2計(jì)量泵、3過濾器、4噴絲板、5凝固室、6集束浴槽、7集束浴 輔槽、8導(dǎo)絲轉(zhuǎn)向輥、9導(dǎo)絲輥、10氣隙、11霧化噴嘴、12中間槽、13高位槽、14凝固浴槽。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明表述的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。實(shí)施例1如圖3所示，一種立霧式化學(xué)纖維成型方法進(jìn)行溶劑紡時(shí)，首先紡絲原料為紡絲原液，溫度60 90°C、氧化甲基嗎啉(NMMO) 溶劑濃度70 90 %，從溶體分配管1送入后經(jīng)過計(jì)量泵2和過濾器3后進(jìn)入紡絲組件的噴 絲板4，通過噴絲板4導(dǎo)孔向下擠出的原液細(xì)流(絲條)通過噴絲板4和凝固室5之間的氣 隙10，可以調(diào)整霧化噴嘴11，讓霧氣充滿氣隙10，霧液溫度為室溫，氣隙10間充滿室溫的空 氣，絲條表面初步冷卻固化成初生絲條；相對(duì)于傳統(tǒng)的干噴濕法工藝來講，初生纖維表面冷 卻固化條件溫和，原纖化發(fā)生概率大大降低，而且空氣通過氣隙隨下行絲條不斷補(bǔ)充進(jìn)入 凝固室內(nèi)，通過氣隙高度的優(yōu)化，可調(diào)節(jié)空氣進(jìn)入量和霧化量，基本可以消除原纖化發(fā)生。然后絲條通過氣隙10后進(jìn)入凝固室5，凝固室5兩側(cè)的霧化噴嘴11對(duì)絲條噴射浴 液對(duì)絲條冷卻，霧化噴嘴11的分布數(shù)量根據(jù)成型狀況設(shè)定，浴液為濃度10% 17%、溫度 10 25°C的氧化甲基嗎啉溶劑；最后絲條和霧化噴嘴11噴出的浴液落入和凝固室5密封相連的集束浴槽6中， 絲條在集束浴槽6中集束，通過導(dǎo)絲轉(zhuǎn)向輥8匯集成一束絲片經(jīng)過導(dǎo)絲輥9導(dǎo)出直接進(jìn)入 后處理工段，進(jìn)行牽伸、切斷、水洗漂白、上油、干燥和打包后完成整個(gè)生產(chǎn)，因絲條在進(jìn)入 集束浴槽6前表面已固化，在水中運(yùn)行的摩擦阻力大大減小，因此，紡速可以提高到100 350m/mino集束浴池6中不斷從凝固室下部收集的浴液通過集束浴輔槽7進(jìn)行循環(huán)使用和回 收，其中一部分送去回收工段凈化處理后為紡絲原液工段溶解使用，另一部分先送入高位 槽13濃度補(bǔ)正后進(jìn)入中間槽12，由霧化計(jì)量泵1送入霧化噴嘴11作為霧化凝固液使用； 后處理水洗過程中產(chǎn)生的洗絲水全部被送入高位槽13作為霧化浴液濃度補(bǔ)正之用。所述的氣隙10的高度在本例中為20mm，在凝固室中保證霧化噴嘴11的射流角度 在垂直和水平方向均必需覆蓋所有絲條，以保證每根絲條在向下運(yùn)行過程中，每一瞬間表 面都被浴液霧滴所沾附，形成薄薄的液膜，每組兩側(cè)水平對(duì)稱分布的霧化噴嘴11來自同一 臺(tái)計(jì)量泵2提供凝固浴液，每個(gè)噴嘴的噴出壓力相等，保證每一水平方向，凝固浴液霧滴對(duì) 絲條表面的瞬間的沖擊力和噴出量相同，絲條和環(huán)境之間的運(yùn)動(dòng)阻力為液-霧氣之間的阻 力，運(yùn)動(dòng)摩擦力與現(xiàn)有的浸沒式的液-液方法相比大大減小。絲條表面始終包裹著液體，防 止了細(xì)流表面的過早固化，產(chǎn)生原纖化等造成后處理拉伸性能差。紡絲速度也可以1倍乃 至數(shù)倍于傳統(tǒng)的濕紡和干噴濕紡，絲條依靠自身的重力，穿過氣隙、凝固室，進(jìn)入集束浴槽中在此過程中基本形成初生纖維，從噴絲板到集束浴槽液面距離> 500mm，方便生頭操作， 噴絲板的孔數(shù)也可以達(dá)到200000孔以上。因此，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，大大縮短了紡絲 車間的長度和寬度，降低了設(shè)備和土建投資。以下3個(gè)案例產(chǎn)品規(guī)格相同=2. 22dtex,總的噴絲板孔數(shù)相等=160000孔，紡 絲成型工藝不同，產(chǎn)能和土建比較的數(shù)據(jù)如下表所示
權(quán)利要求
一種立霧式化學(xué)纖維成型方法，其特征是，包括以下步驟1)紡絲原料經(jīng)過分配管、計(jì)量泵和過濾器后進(jìn)入紡絲組件的噴絲板；2)氣隙冷卻噴絲板向下噴出絲條通過噴絲板和凝固室之間的氣隙，絲條表面初步冷卻固化形成初生絲條；3)凝固室冷卻凝固絲條通過氣隙后進(jìn)入凝固室，凝固室兩側(cè)的霧化噴嘴對(duì)絲條噴射浴液，使得絲條在向下運(yùn)行中進(jìn)一步冷卻凝固；4)集束浴絲條和浴液同時(shí)連續(xù)進(jìn)入集束浴槽，在集束浴槽中絲條由外至內(nèi)繼續(xù)固化，在導(dǎo)絲轉(zhuǎn)向輥?zhàn)饔孟聟R集成一束絲片；5)后處理工段通過集束浴槽內(nèi)的導(dǎo)絲轉(zhuǎn)向輥導(dǎo)出的絲片經(jīng)過導(dǎo)絲輥進(jìn)入后處理工段結(jié)束紡絲流程。
2.如權(quán)利要求1所述的立霧式化學(xué)纖維成型方法，其特征是所述的凝固室下端安裝 集束浴槽邊，其與集束浴槽相連處連為一體，另兩側(cè)敞開。
3.如權(quán)利要求1所述的立霧式化學(xué)纖維成型方法，其特征是初步固化的絲條進(jìn)入集 束浴槽后，絲條在集束浴槽中行進(jìn)速度為100 350m/min。
4.如權(quán)利要求1 3中任意一權(quán)利要求所述的立霧式化學(xué)纖維成型方法，其特征是 當(dāng)進(jìn)行溶劑紡時(shí)，所述的紡絲原料為濃度70% 90%、溫度60 90°C的氧化甲基嗎啉溶劑 的紡絲原液，凝固室中霧化噴嘴噴出的浴液為濃度10% 17%、溫度10 25°C的氧化甲基 嗎啉溶劑。
5.如權(quán)利要求4所述的立霧式化學(xué)纖維成型方法，其特征是所述的后處理工段包括 牽伸、切斷、水洗、漂白、上油、干燥和打包。
6.如權(quán)利要求1 3中任意一權(quán)利要求所述的立霧式化學(xué)纖維成型方法，其特征是 當(dāng)進(jìn)行熔融紡時(shí)，所述的紡絲原料為100%紡絲原料、熔體溫度200 350°C，所述的凝固室 中霧化噴嘴噴出浴液為水，溫度16 30°C。
全文摘要
本發(fā)明屬于化學(xué)纖維制造領(lǐng)域，尤其涉及一種立霧式化學(xué)纖維成型方法。一種立霧式化學(xué)纖維成型方法，包括以下步驟1)紡絲原料經(jīng)過分配管、計(jì)量泵和過濾器后進(jìn)入紡絲組件的噴絲板；2)氣隙冷卻；3)凝固室冷卻凝固；4)集束??；5)后處理工段。本發(fā)明冷卻固化十分均勻，避免了原纖化的產(chǎn)生，所得到的絲條機(jī)械性能具有特殊的品質(zhì)；噴絲板面到集束液面距離＞500mm，生頭操作方便；紡絲速度能達(dá)到200～350m/min，大大提高了產(chǎn)能，節(jié)約了設(shè)備投資和土建投資降低了運(yùn)行成本，可以推廣應(yīng)用于采用現(xiàn)有空氣作為冷卻介質(zhì)所不能紡制的粗旦熔紡纖維(＞20旦/根)的冷卻成型。
文檔編號(hào)D01D10/00GK101988217SQ20091005589
公開日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2009年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月4日
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