專利名稱：?jiǎn)渭?jí)連續(xù)生產(chǎn)含水叔胺氧化物中的纖維素均相溶液的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在真空和水蒸發(fā)條件下，于50-130℃由纖維素和含水胺氧化物，優(yōu)選N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)以單級(jí)連續(xù)方式生產(chǎn)在含水胺氧化物中的纖維素均相溶液的方法和設(shè)備。
此外，已知在環(huán)型-層狀混合器(WO 96/33221)或裝有轉(zhuǎn)子和徑向攪拌部件的臥式混合室(WO 94/28217)中將含水NMMO與細(xì)碎的纖維素混合。懸浮液的均勻性可通過(guò)高稠度研磨來(lái)改進(jìn)。該懸浮液轉(zhuǎn)變成溶液是通過(guò)薄膜蒸發(fā)器(EP 356 419)或在臥式螺桿溶解器的剪切區(qū)(DE 4 441 468)進(jìn)行。
此外，已知可通過(guò)下列方法連續(xù)制備纖維素溶液在第一階段將纖維素和含水NMMO在臥式雙軸捏和器中分散，然后將該懸浮物經(jīng)中間容器連續(xù)計(jì)量送入臥式單軸捏和器，并在真空和水蒸發(fā)下轉(zhuǎn)變成溶液(A Diener和G.Raouzeos，國(guó)際化學(xué)纖維雜志(Chemical FibersInternational)49(1999)3第40-42頁(yè)；DE 19 837 210)。
所有的方法的共同點(diǎn)在于，纖維素溶液的制備基本上是以兩個(gè)在空間分開(kāi)的步驟中進(jìn)行的，即一方面在含水量多的胺氧化物中形成細(xì)碎的纖維素的懸浮液，需要時(shí)還經(jīng)后處理，另一方面在剪切和水蒸發(fā)條件下將懸浮物轉(zhuǎn)變成真正的溶液。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種以單級(jí)連續(xù)方式生產(chǎn)在含水胺氧化物中的纖維素均相溶液的方法和設(shè)備。即纖維素和含水胺氧化物，優(yōu)選NMMO，在一個(gè)設(shè)備中于無(wú)懸浮液的明顯輸送和計(jì)量進(jìn)料的情況下，在一步中連續(xù)地轉(zhuǎn)變成均勻纖維素溶液，并以最短的距離向可能的用料裝置供料。
在開(kāi)頭所述方法情況下，按本發(fā)明通過(guò)下列方式實(shí)現(xiàn)該目的(a)將含水纖維素送入混合反應(yīng)器/捏和反應(yīng)器的在真空下的第一剪切區(qū)的第一段，并經(jīng)勻質(zhì)化和加熱處理，(b)將預(yù)熱過(guò)的含水胺氧化物送入混合反應(yīng)器/捏和反應(yīng)器的第一剪切區(qū)的第二段，在剪切下與含水纖維素混合、勻質(zhì)化，并加熱開(kāi)始水蒸發(fā)，(c)在混合反應(yīng)器/捏和反應(yīng)器的第一剪切區(qū)的第三段中，在懸浮液的捏和、剪切和熱處理下除水直到完全轉(zhuǎn)變成纖維素凝膠，(d)在混合反應(yīng)器/捏和反應(yīng)器的第二剪切區(qū)中，將該纖維素凝膠在真空、冷卻、捏和和剪切下轉(zhuǎn)變成均相溶液，(e)通過(guò)加熱的螺桿輸送器，優(yōu)選在雙螺桿排出中將該均相溶液與混合反應(yīng)器/捏和反應(yīng)器的帶真空部分分離、輸送，和(f)通過(guò)泵和安全過(guò)濾器將該均相溶液直接供給用料裝置。
溶液的質(zhì)量通過(guò)由激光衍射得出的顆粒含量及顆粒的大小分布來(lái)表征，如在文獻(xiàn)中詳細(xì)描述的(Ch.Michels和F.Meister，紙(DasPapier)514第161-165頁(yè)；B.Kosan和Ch.Michels，國(guó)際化學(xué)纖維(Chemical Fibers International)493第50-54頁(yè))。試圖僅以一個(gè)數(shù)值，即所謂的濾值來(lái)表述顆粒含量和顆粒分布是適宜的。該值定義為最大顆粒直徑Xm與10μm級(jí)的顆粒數(shù)N10的對(duì)數(shù)的商。FP=10·XmlgN10]]>濾值＜50的溶液有非常高的紡絲可靠性，濾值＜100的溶液有高的紡絲可靠性?？赏ㄟ^(guò)由流變學(xué)數(shù)據(jù)容易得到的零剪切粘度、弛豫時(shí)間和弛豫時(shí)間譜來(lái)描述達(dá)到的溶液狀態(tài)。該方法在文獻(xiàn)中也有詳細(xì)描述(Ch.Michels，紙52(1998)1第3-8頁(yè))。在本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施方案中，使纖維素或纖維素混合物活化。這可以是水熱預(yù)處理(DD298789)或酶催化預(yù)處理(DE 4439149)。纖維素的活化可提高溶解速度和改進(jìn)溶液質(zhì)量。
在本發(fā)明方法的另一實(shí)施方案中，用稀釋劑如ε-氨基己內(nèi)酰胺、哌啶酮、吡咯烷酮或聚乙烯吡咯烷酮-甲基丙烯酸酯共聚物來(lái)代替部分含水NMMO。該稀釋劑降低了溶劑NMMO的熔點(diǎn)，并由此允許選擇較低的工作溫度。
在本發(fā)明方法的另一個(gè)實(shí)施方案中，還隨纖維素或含水胺氧化物計(jì)量加入添加劑。該添加劑如纖維素衍生物、淀粉、淀粉衍生物、二氧化鈦、硅酸鹽、高嶺土、炭黑、脫乙酰殼多糖、表面活性劑、聚乙烯亞胺等可以是固態(tài)、液態(tài)和/或于胺氧化物中可溶解的。不溶的固態(tài)添加劑適合與纖維素混合或分別計(jì)量加入。
在開(kāi)頭所述設(shè)備情況下，通過(guò)下列方式達(dá)到本發(fā)明目的安裝具有至少2個(gè)加熱區(qū)/冷卻區(qū)和一個(gè)可調(diào)轉(zhuǎn)數(shù)的驅(qū)動(dòng)部件的雙軸或多軸捏和反應(yīng)器/混合反應(yīng)器、真空工段、2個(gè)或多個(gè)真空密封的計(jì)量給料部件、作為出料部件的螺桿輸送器、安全過(guò)濾器、2個(gè)輸送泵和可能的用料裝置。采用雙軸同向旋轉(zhuǎn)的“正轉(zhuǎn)處理器”(LIST AG ArisdrfSchweiz)作為捏和反應(yīng)器/混合反應(yīng)器是適宜的，該處理器具有2個(gè)加熱區(qū)/冷卻區(qū)和用于調(diào)節(jié)所需剪切場(chǎng)的可任選的軸轉(zhuǎn)數(shù)。該反應(yīng)器捏和軸/混合軸同向旋轉(zhuǎn)。在第一加熱區(qū)/冷卻區(qū)配置有為含水纖維素計(jì)量給料的可控活塞泵、為含水NMMO計(jì)量給料的帶可控調(diào)節(jié)閥的加熱的泵和需要時(shí)還配置為一種或多種添加劑計(jì)量給料的一個(gè)或多個(gè)單元。由真空泵和冷凝部件構(gòu)成的真空工段給捏和反應(yīng)器/混合反應(yīng)器提供為去除水所需的負(fù)壓。在“正轉(zhuǎn)處理器”的出口，大體積的立式雙螺桿部件在真空側(cè)將捏合反應(yīng)器/混合反應(yīng)器隔開(kāi)，承擔(dān)溶液的輸送，并同時(shí)作為緩沖器以平衡因用料裝置發(fā)生的受料波動(dòng)。雙螺桿部件接有位于兩泵之間的安全過(guò)濾器。泵和安全過(guò)濾器是如此設(shè)計(jì)的，即不超過(guò)5[l/s]的剪切率。測(cè)量過(guò)濾器進(jìn)出口之間的壓差，在無(wú)干擾運(yùn)行的情況下，顯示和達(dá)到的值基本上與零沒(méi)有差別。
在本發(fā)明的設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施方案中，采用“反轉(zhuǎn)處理器”作為捏和反應(yīng)器/混合反應(yīng)器，即反應(yīng)器的捏和/混合軸呈反向旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明將借助附圖和實(shí)施例以進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1表示本發(fā)明的設(shè)備，它由具有加熱區(qū)/冷卻區(qū)1.1和1.2以及驅(qū)動(dòng)部件1.3的捏和反應(yīng)器/混合反應(yīng)器、真空工段2、計(jì)量給料部件3、4、5、螺桿輸送器6、安全過(guò)濾器7、輸送泵8、9和用料裝置10組成。
不一致性Uη由零剪切粘度η0和在動(dòng)力學(xué)上所得的變形曲線[G’；G”＝f(w)]交點(diǎn)處，即儲(chǔ)存模量G’和損耗模量G”同樣大時(shí)的“粘度份額η#”的商來(lái)求取。Uη=η0η#-1]]>指數(shù)η應(yīng)表明，不一致性是由流變學(xué)數(shù)據(jù)而不是由數(shù)均和重均摩爾質(zhì)量的測(cè)定得到的。該溶液具有圖2中的弛豫時(shí)間譜和圖3中的通過(guò)激光衍射得到的顆粒分布。顆粒含量為4.7μl/kg溶液，最大頻度的顆粒直徑為6.6μm，最大顆粒直徑為16.5μm，濾值計(jì)算為28。
通過(guò)可控活塞泵以344g/min計(jì)量加入細(xì)碎的、經(jīng)水熱預(yù)處理和穩(wěn)定化的水含量為46重量％的纖維素，該纖維素由95份松木-亞硫酸鹽紙漿(Cuoxam DP490；Uη＝5.9)和5份棉花-棉短絨(Linter)紙漿(Cuoxam DP1900；Uη＝3.4)組成，經(jīng)兩個(gè)單獨(dú)的由泵和調(diào)節(jié)閥組成的可控部件以1328g/min計(jì)量加入預(yù)熱到90℃的NMMO(水含量為20重量％)和以119g/min加入同時(shí)含0.5重量％二氧化鈦的聚乙烯-吡咯烷酮(BASF Ludwigshafen的PVP產(chǎn)品VP-MA91W)。在剪切和保持140mbar真空下，進(jìn)行強(qiáng)烈混合，以260g/min蒸水，同時(shí)使懸浮液加熱到110℃。在達(dá)到凝膠態(tài)后，進(jìn)行進(jìn)一步的溶解過(guò)程，并在第二剪切區(qū)內(nèi)同時(shí)冷卻到75℃。通過(guò)螺桿輸送器、安全過(guò)濾器和泵供給用料裝置，即用于粗纖度(grobtitrige)絲線的紡絲機(jī)以1530g/min供應(yīng)物料溫度為75℃的紡絲溶液。該溶液由12.2重量％纖維素、69.5重量％NMMO、7.7重量％PVP和10.6重量％水組成。85℃下的零剪切粘度為3600Pas，弛豫時(shí)間λm為6.5秒和不一致性Uη＝6.8。由顆粒分析得出顆粒含量為8.7μl/kg溶液，在最大頻度的顆粒直徑為10.5μm，濾值為56。
圖1中的標(biāo)號(hào)表1捏和反應(yīng)器/混合反應(yīng)器1.1 加熱區(qū)/冷卻區(qū)1.2 加熱區(qū)/冷卻區(qū)1.3 驅(qū)動(dòng)部件2真空工段3、4、5 計(jì)量供料部件6螺桿輸送器7安全過(guò)濾器8、9 輸送泵10 用料裝置附圖數(shù)權(quán)利要求
1.一種在真空和水蒸發(fā)條件下，于50-130℃單級(jí)連續(xù)生產(chǎn)在含水叔胺氧化物中的纖維素和任選添加劑的均相溶液的方法，其特征在于(a)將含水纖維素送入混合反應(yīng)器/捏和反應(yīng)器的在真空下的第一剪切區(qū)的第一段，并經(jīng)勻質(zhì)化和加熱處理，(b)將預(yù)熱的含水胺氧化物送入混合反應(yīng)器/捏和反應(yīng)器的第一剪切區(qū)的第二段，在剪切下與含水纖維素混合、勻質(zhì)化，并加熱開(kāi)始水蒸發(fā)，(c)在混合反應(yīng)器/捏和反應(yīng)器的第一剪切區(qū)的第三段中，在懸浮液的捏和、剪切和熱處理下除水直到完全轉(zhuǎn)變成纖維素凝膠，(d)在混合反應(yīng)器/捏和反應(yīng)器的第二剪切區(qū)中，將該纖維素凝膠在真空、冷卻、捏和和剪切下轉(zhuǎn)變成均相溶液，(e)通過(guò)加熱的螺桿輸送器，優(yōu)選在立式雙螺桿輸出中將該均相溶液與混合反應(yīng)器/捏和反應(yīng)器的帶真空部分分離、輸送，和(f)通過(guò)泵和安全過(guò)濾器將該均相溶液直接供給用料裝置。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，該纖維素是從木材、棉花-棉絨或其它一年生植物中分離的，并且含水量為0.5-80重量％，優(yōu)選30-60重量％。
3.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，該纖維素以單獨(dú)或混合物形式通過(guò)撞擊在水中勻質(zhì)化或混合，并接著擠壓。
4.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，該纖維素經(jīng)水熱預(yù)處理活化。
5.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，該纖維素經(jīng)酶催化預(yù)處理活化。
6.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述含水胺氧化物是N-甲基嗎啉-N-氧化物，并且至少含7重量％的水。
7.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，含水胺氧化物含有稀釋劑，優(yōu)選為ε-氨基己內(nèi)酰胺或聚乙烯吡咯烷酮-甲基丙烯酸酯共聚物。
8.權(quán)利要求1-7的方法，其特征在于，根據(jù)添加劑的特性，將添加劑隨含水纖維素或含水胺氧化物加到步驟(a)或(b)中。
9.權(quán)利要求1-7的方法，其特征在于，將該添加劑與含水纖維素混合或者懸浮或溶于含水胺氧化物中，并隨主成分一起加到步驟(a)或(b)中。
10.權(quán)利要求1-7的方法，其特征在于，在步驟(a)-(c)，升溫范圍為50-130℃，在步驟(d)中，降溫范圍為130-60℃，在步驟(e)-(f)中，繼續(xù)保持步驟(d)的終點(diǎn)溫度。
11.權(quán)利要求1-7的方法，其特征在于，在步驟(b)-(d)中的混合物或溶液的組成是通過(guò)捏和軸的轉(zhuǎn)數(shù)、真空和物料溫度來(lái)調(diào)控，溶液質(zhì)量是由安全過(guò)濾器中的壓差監(jiān)控的。
12.權(quán)利要求1-7的方法，其特征在于，利用加熱的螺桿輸送器作為混合反應(yīng)器/捏和反應(yīng)器和用料裝置之間的緩沖器。
13.權(quán)利要求1-7的方法，其特征在于，在安全過(guò)濾器中的剪切降是小的，優(yōu)選小于5[1/秒]。
14.權(quán)利要求1-7的方法，其特征在于，在向安全過(guò)濾器和用料裝置的輸送泵中的剪切降是小的，優(yōu)選小于5[1/秒]。
15.權(quán)利要求1-14的方法，其特征在于，該溶液質(zhì)量通過(guò)顆粒含量的測(cè)定和以激光衍射得到的顆粒分布來(lái)表征。
16.權(quán)利要求1-14的方法，其特征在于，溶液狀態(tài)由零剪切粘度、弛豫時(shí)間/弛豫時(shí)間譜和由流變學(xué)數(shù)據(jù)得到的分子的不一致性表征。
17.一種用于單級(jí)連續(xù)生產(chǎn)在含水胺氧化物中的纖維素均相溶液的設(shè)備，它由計(jì)量給料裝置、捏合反應(yīng)器/混合反應(yīng)器、安全過(guò)濾器和輸送泵組成，其特征在于，它配置有具有加熱區(qū)/冷卻區(qū)(1.1)和(1.2)及驅(qū)動(dòng)部件(1.3)的臥式單軸或多軸捏和反應(yīng)器/混合反應(yīng)器(1)、真空工段(2)、兩個(gè)或多個(gè)真空密封的計(jì)量給料部件(3)、(4)、(5)、螺桿輸送器(6)、安全過(guò)濾器(7)、兩個(gè)輸送泵(8)、(9)和可能的用料裝置(10)，參見(jiàn)圖1。
18.權(quán)利要求17的設(shè)備，其特征在于，采用臥式雙軸同向旋轉(zhuǎn)的“正轉(zhuǎn)處理器”作為捏和反應(yīng)器/混合反應(yīng)器(1)。
19.權(quán)利要求17的設(shè)備，其特征在于，采用臥式雙軸反向旋轉(zhuǎn)的“反轉(zhuǎn)處理器”作為捏和反應(yīng)器/混合反應(yīng)器(1)。
20.權(quán)利要求17的設(shè)備，其特征在于，采用臥式單軸“DiscothermB-Conti處理器”作為混合反應(yīng)器/捏和反應(yīng)器(1)。
21.權(quán)利要求17的設(shè)備，其特征在于，采用“可控活塞泵”進(jìn)行含水纖維素(3)的計(jì)量給料。
22.權(quán)利要求17的設(shè)備，其特征在于，采用“雙活塞計(jì)量給料器”進(jìn)行固態(tài)添加劑(5)的計(jì)量給料。
23.權(quán)利要求17的設(shè)備，其特征在于，采用可加熱的輸送泵和可控調(diào)節(jié)閥的組合進(jìn)行含水胺氧化物(4)和低粘度的添加劑(5)的計(jì)量給料。
24.權(quán)利要求17的設(shè)備，其特征在于，采用精密齒輪泵進(jìn)行高粘度的添加劑(5)的計(jì)量給料。
25.權(quán)利要求17的設(shè)備，其特征在于，采用大體積的，優(yōu)選立式安裝的雙螺桿裝置作為螺桿輸送器(6)。
全文摘要
本發(fā)明涉及在真空和水蒸發(fā)條件下，于50－130℃由纖維素和含水胺氧化物，優(yōu)選N－甲基嗎啉－N－氧化物(NMMO)以單級(jí)連續(xù)方式生產(chǎn)在含水胺氧化物中的纖維素均相溶液的方法和設(shè)備，其中分別將纖維素和NMMO計(jì)量加入設(shè)備中，在剪切下經(jīng)混合，蒸水直到溶解和勻質(zhì)化，并將該溶液經(jīng)螺桿輸送器、泵和過(guò)濾器直接送至用料裝置。
文檔編號(hào)D01D1/02GK1454267SQ00819870
公開(kāi)日2003年11月5日 申請(qǐng)日期2000年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月5日
發(fā)明者C·米歇爾斯, A·迪納 申請(qǐng)人:圖林根紡織及塑料研究所, 里斯特股份公司