专利名称:对纺丝液进行纺丝的方法和纺丝头的制作方法图1一纺丝设备的示意图;图2以横截面表示的按本发明的纺丝头的第一个实施例;图3以横截面表示的按本发明的纺丝头的第二个实施例;图4以横截面表示的按本发明的纺丝头的第三个实施例;图5以横截面表示的按本发明的纺丝头的第四个实施例。在图1中示意表示一纺丝设备1,通过它实现按本发明的方法。在纺丝液贮存容器或反应器2中含有具有氧化叔胺的高粘度纺丝液3,例如由纤维素,水和N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)组成的溶液。纺丝液用泵4从纺丝液贮存容器2中通过纺丝液管道4’和压力补偿容器5输送给一分配器块6。大量纺丝毛细管7与分配器块6连接。分配器块6和纺丝毛细管7是纺丝头8的一部分。压力补偿容器用来补偿纺丝液管道4’中可能出现的压力和/或流量波动,并保证用纺丝液均匀地供给纺丝头8。各高粘度纺丝液喷束9以高的速度从纺丝头8中喷出。这些纺丝液喷束从纺丝头8中喷出后流过一气隙10或一非凝固剂。在这个工步中纺丝液加速,由此被拉伸。然后纺丝液喷束浸入一凝固浴11或浸入由一非凝固剂或一含水的氧化胺溶液组成的浴液中。纺丝液的纤维形式借助于牵引装置12从凝固浴11中拉出。下面借助于图2说明按本发明的纺丝头8的第一个实施例的结构。
纺丝头8固定在机座50上,并通过一隔热材料层52隔热,因此如果加热纺丝头,不会出现热损失。
纺丝头8模块式地由分配器块6、一基本上盘形或板形的压力分配板54、一基本上盘形或板形的带一分配腔56a的纺丝喷嘴体56、至少一根纺丝毛细管7和一固定装置60构成。
纺丝喷嘴体56的压力分配板54通过固定装置60沿纺丝头中心线M的方向固定在分配器块6上。为此固定装置60形成一环形或槽形缺口,压力分配板54和喷嘴支架56安装在它里面。在环形缺口的一端上形成一凸肩60a,它嵌入纺丝喷嘴体56的相应缺口60b内。
纺丝喷嘴体56以其一个端面基本上整个表面放在压力分配板54上。在喷嘴体56的端面上装一密封件62,使得在压力分配板54和纺丝喷嘴体56之间不可能有纺丝液泄漏出来。
压力分配板54以其背向纺丝喷嘴体56的端面基本上整个表面地贴合在分配器块6上。在这个表面上也装有密封件62,因此在分配器块6和压力分配板之间也不会有纺丝液漏出。
通过一嵌入固定装置60内的螺钉64将固定装置60向分配器块6的方向拉。由此固定装置60的凸肩60a在喷嘴体56相应的缺口上施加一个压力。喷嘴体56通过压力分配板54将这个压力回传到分配器块6上。用这种方法将喷嘴体54和喷嘴支架56牢固而紧密地固定在分配器块6上,同时为了维护和更换,可以通过松开螺钉64方便地换成其他几何形状。
纺丝毛细管7固定在纺丝喷嘴体56上。纺丝毛细管做成具有圆形横截面和小于500μm的内径的管子的形状。
纺丝毛细管7的内径在纺丝毛细管的整个长度上是恒定的。
采用来自医药技术的精密钢管作为用于纺丝毛细管7的管子,其内径小于500μm,部分还小于250μm,专门为了Lyocell纤维也可以设置小于100μm至小于50μm内径。
纺丝毛细管7做成薄壁的,至多具有200μm的壁厚。对于纺丝毛细管,长度至少为内径的20倍,尤其是至少150倍。这里试验表明,随着纺丝毛细管长度—内径比的加大,纤维的原纤化倾向减小。
通常在纺丝头8上相互并排或成许多列相互错开地设有大量纺丝毛细管7。如图1中所示,可以将如上所述的纺丝头按任意布局设置成一经济的生产单元。每个喷嘴体56包含许多纺丝毛细管7,它们单列或多列,拉长或环形地设置。
为了毛细管7均匀的入流,分配室56a做成拉长的或环形的V形槽。单槽或多行V形槽。压力分配板54位于做成V形槽的分配室56a的上面。
纺丝毛细管7被一内壳体66和一外壳体68包围。
内壳体60与纺丝毛细管的外表面7a构成一对外封闭的加热箱70,热流体流过此加热箱。内壳体66和喷嘴体56构成一个单元,在喷嘴体56和内壳体66上连接一外壳体68。其中纺丝毛细管7略微伸出内壳体66和外壳体68。
外壳体68包围内壳体66,并与内壳体的外表面形成另一加热室72,但是它和加热室70不同,是向外张开的。其中加热室72形成一缝隙74,它围绕纺丝毛细管7的背向纺丝头设置的末端。加热室72同样有热流体流过。热流体从缝隙中流出,并基本上平行于中心线M流动。
为了改变缝隙74的几何形状,外壳体68沿中心线M方向可移动地固定在内壳体66上。
在图2的实施例中,对于两个加热室70、72可以采用同样类型的热流体。这里它是一种相对于纺丝液惰性的气体,它可以加热到150℃,例如通过热交换器(这里未画出)。作为另一种选择,对于两个加热室70、72也可以采用不同的热流体。加热室70构成用于纺丝毛细管7的加热装置。
分配器块6和固定装置60做成基本上实心的、具有大的质量的块,并设有用于热水、热空气、载热油、蒸汽或可选用的加热棒的通道76、78、80。由于其大的质量和隔热性,分配器块6和固定装置60的工作温度只经受小的波动。
下面介绍按本发明的纺丝头的功能。
纺丝液通过分配器块6经过一通过密封件83连接在纺丝液供给源上的输入管流入一稳定室84,它带一具有流通孔88的筛盘或筛板86。稳定室84和筛盘86由压力分配板54构成。沿流动方向在筛盘86之间有一过滤单元90。稳定室84、筛盘86和过滤单元90在所有纺丝毛细管7上延伸。
由于与输入管82相比稳定室84的流通横截面大大加大,纺丝液的流动速度减小,并使流动均匀。纺丝液继续流过过滤器88和压力分配板54的孔90,由此使流动横截面上的流动曲线和压力曲线更加均匀,并使所有毛细管7均匀进料。
纺丝液在纺丝头8内从稳定室84通过压力分配板54流入由纺丝喷嘴体56构成的分配室56a。在分配室56a内流通横截面沿流动方向逐渐减小。由此使纺丝液加速,同时流通横截面逐渐减小到纺丝毛细管7的流通横截面。
纺丝毛细管7沿纺丝液流动方向连接在分配室56a上,毛细管沿流动方向终止于纺丝液出口94。纺丝液以高的速度和高的流量通过纺丝液出口94流出纺丝头。每根毛细管的典型流量为0.03至0.5g/min。在纺丝毛细管加热到更高的温度时可以达到直至1.5g/min的更高流量。纺丝液的压力可以高达400bar。
对于纺丝头8的运行重要的是,纺丝液在流经纺丝头时保持工作温度。为此在分配器块6和固定装置60中设有上面已简单提到过的加热通道76、78和80。
分配器块加热通道76设置在输入管82附近,并将输入管82内的纺丝液保持在工作温度上。加热通道76由一种热流体,如热水、载热油或蒸汽流过。
加热通道78在固定装置60区域内设置得如此靠下,即,使它在纺丝液进入毛细管7之前便已加热分配室56a。同样有热流体,如热空气、热水、载热油、蒸汽流过加热元件78。
作为另一种选择也可以设一第二分配器块加热元件80,它装在纺丝头8背向纺丝液出口94的一段的外面。在图2的实施例中,分配器块加热元件80用来加热输入管82位于上游的部分。
加热通道76、78、80可以连接在一个共同的加热回路上,或者构成单独的加热回路。加热通道76、78、80的加热回路也可以和加热室连接。
在参见图2的第一种实施例中,通过这样的方法减小原纤化倾向,即,纺丝毛细管7在出口94区域内从外部加热。这通过这样的方法达到,即,加热室70内的热流体在纺丝毛细管7的外表面上绕流。从而直接加热纺丝毛细管7。由于纺丝毛细管7的薄壁结构、并由于因其长度而具有大的外表面,热量从热流体经过纺丝毛细管壁大量传递到纺丝液上。为了达到尽可能好地加热纺丝毛细管壁,热流体与纺丝毛细管的外壁的接触面应该尽可能大。
因为纺丝液在纺丝毛细管内以高的速度流动,热流体的温度可以没有危险地高于纺丝液的分解温度由于纺丝液沿加热的壁的速度很高,纺丝液在毛细管内的逗留时间不足以使纺丝液达到纺丝液的管壁温度。
意想不到地发现纤维本身可以在约150℃的管壁温度时纺出,这种纤维具有很小的原纤化倾向。原纤化倾向甚至会比105℃的壁温时小,而勾接强度则高于105℃壁温时。
通过纺丝毛细管大的长度保证加热壁附近的纺丝液层。因为对于常用的纺丝液随着温度升高粘度下降,因此在管壁附近流过纺丝毛细管7的纺丝液的粘度减小。因而通过大的在整个区域上加热的纺丝毛细管7的流动长度可以在芯部流动中形成全速度曲线。
在图2中借助于四条速度曲线A、B、C和D示意说明沿纺丝毛细管7的速度曲线的形成。速度曲线A在紧靠分配室56a的后面形成,其特征是在中心线M附近的芯部流动区内的窄的最大值。速度曲线A朝纺丝毛细管7的壁的方向迅速下降。
通过加热纺丝毛细管壁降低了在管壁区域内纺丝液的粘度,速度曲线越来越均匀,速度最大值加宽。这示意表示在速度曲线B上。
在纺丝液出口94处芯部流内的速度分布几乎保持不变,并向管壁处急剧下降。这通过速度曲线C表示。由于低的粘度和纺丝毛细管壁的高温,加热管壁区内的急剧下降可以一直延续到出口94处。
速度曲线D示意表示纺丝液流出纺丝液出口94后的速度曲线。来自室72的惰性流体和从出口94中流出的纺丝液共同构成一宽的喷束。
也就是说按照本发明,与毛细管的直径相比大的长度、以及对毛细管的直接加热共同作用而造成了有利的速度曲线。这里重要的是,纺丝毛细管壁的温度高于在纺丝毛细管中心的纺丝液流的芯部温度。流过纺丝毛细管7的纺丝液流芯部的温度大致相当于通过加热通道76、78、80调整的分配器块6和固定装置60连同装在它里面的压力分配板54和喷嘴体56的工作温度。在流过纺丝毛细管时芯部流不受影响,其温度保持不变。
此外由于毛细管7小的壁厚,纺丝毛细管壁7的温度可以精确地并且以快速的响应特性控制由于纺丝毛细管壁小的质量,壁温对加热室70内的温度变化立即作出反应。
为了按要求调整壁温并按要求影响通过毛细管7的液流,可以设置一个控制装置(未画出)。控制装置与传感器(未画出)连接,传感器测量毛细管壁和/或加热室70内的热流体的温度、流过毛细管的纺丝液的流动速度和纺丝液内的工作压力。用这种方法可以建立调节回路,通过它可以自动地或从外部控制地调整在变化的运行条件下的管壁温度。从而可以补偿运行参数的波动,而不使纺丝质量变差。
试验表明,如果也加热在出口94区域内的纺丝毛细管7的壁,那么可以大大降低原纤化倾向。
为此在图2的实施例中,来自加热室72的热流体经过缝隙74从纺丝毛细管7的外壁旁引出纺丝头8。用这种方法确保纺丝毛细管确实在其全长上得到加热,并且在纺丝毛细管7整个长度上形成的全流动曲线不会在流动长度的末尾由于这个部位较冷的管壁而消失。
流体以高的速度从缝隙74中流出。该速度至少等于纺丝液从出口94中流出的速度。也即流体也起输送流体的作用,它使纺丝液喷束相互分开、并使之稳定。
如果流体的喷出速度大于纺丝液的速度,那么在纺丝液边缘处作用一拉力,它使高粘喷束拉长。
和加热室70内的流体一样,加热室72内的流体也可以是用于纺丝毛细管7的壁温的调节回路的一部分。为此如上所述,可以设置许多用来测量纺丝装置工作参数的传感器以及用来测量纺丝毛细管壁和热流体温度的传感器。这些传感器的信号输送给一温度控制装置,通过该装置调节加热室70内热流体的温度。
由于分成两个加热室70、72,这两个室的热流体的温度可以调整得不同。这里如果纺丝毛细管壁在出口94附近保持比纺丝毛细管中部区域高的壁温,证明是有利的。通过这个措施可以抑制上述的绳状开幅。
在另一种结构方案中,通过将室70分成多个相互独立的加热室可以更精确地控制沿着纺丝毛细管,特别是在大的毛细管长度时,沿纺丝液的流动方向的温度分布。每个这种室可以配备自己的传感器。
下面参照图3说明第二个实施例的结构。
这里只述及与第一个实施例的不同之处。这里在图3中相同的构件或具有相同功能的相似构件采用相同的附图标记。
按图3的第二个实施例的区别主要在于加热室70的结构图3的实施例在纺丝毛细管区域内只有唯一的一个加热室70,它一直延伸到多根毛细管7的出口94处,并形成缝隙74,每根纺丝毛细管7可以具有自己的加热室70,但是也可以将多根纺丝毛细管7共同装在一个加热室70内。不存在第二个室72和第二个壳体68。
在按图3的结构中,加热室70具有一圆形或椭圆形结构的管子100,它包围纺丝毛细管的外表面,并在纺丝毛细管7和壳体66之间形成一环形腔102。环形腔102开成环形缝隙74。
环形腔102内的热流体加热直到出口94为止的整个纺丝毛细管7的外壁。因此热流体是加热装置的一部分,它直接作用在纺丝毛细管壁上,可以用来按要求地控制壁温。
管子100由精密钢管制成。
热流体与从纺丝液出口中流出的纺丝液束平行和同心地流出环形缝隙102。由此可以达到纺丝液束的平稳引导。
下面参照图4说明按本发明的纺丝头的第三个实施例。
这里只述及与第二个实施例的不同之处。对于第三个实施例的和第二个实施例相同的和/或具有相同功能的构件在图4中采用和图1中相同的附图标记。
图4的实施例与第二个实施例的区别在于,由壳体66构成的缝隙74不是环形的,而是裂缝形的。壳体66可以做成单件的,但是也可以具有两个可垂直于中心线M移动的钳口104a、104b。通过钳口沿在图4中所示的箭头方向移动可以调整缝隙74的宽度。
下面参照图5说明按本发明的纺丝头的第四个实施例。
这里仅仅述及与第二个实施例的区别之处,其中对于与第二个实施例相同的和/或具有相同功能的第四个实施例的构件在图5中采用和图1中相同的附图标记。
在按第四个实施例的纺丝头中不再设有加热室。纺丝毛细管的加热不再通过热流体进行,而是通过一电加热外壳110进行,它是纺丝头加热装置的一部分。
如前面所述,加热外壳110也可以是用来调节纺丝毛细管壁温度的调节回路的一部分。
为了能够精确地控制沿毛细管长度的温度曲线,加热外壳可以分成许多相互独立工作的加热外壳段。
本发明涉及一种用来纺造纺丝液的纺丝头(8),该纺丝头具有带一出口(94)的管状薄壁纺丝毛细管(7)。例如由纤维素、氧化叔胺和水组成的混合物用作纺丝液。为了降低通过纺丝头纺出的纤维的原纤化倾向和提高勾接强度,按照本发明设想,纺丝毛细管(7)在出口横截面(94)附近直接加热。通过这种简单的措施可以降低原纤化倾向和提高勾接强度。
对纺丝液进行纺丝的方法和纺丝头制作方法
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