專利名稱：氣體牽伸法紡絲技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化學(xué)纖維的生產(chǎn)方法，特別是涉及氣體牽伸纖維的生產(chǎn)方法。
自1883年世界上第一根化學(xué)纖維——硝酸纖維誕生以來，人們又陸續(xù)不斷地發(fā)明了許多化學(xué)纖維新品種。特別是第一次世界大戰(zhàn)以后，合成纖維的研究和探索得到了迅速的發(fā)展，與之相應(yīng)，各種紡絲方法也應(yīng)運而生。現(xiàn)在應(yīng)用最普遍的紡絲方法主要有熔體紡絲、干法紡絲和濕法紡絲，用上述紡絲方法紡出的纖維還只是初生纖維，不能適應(yīng)加工和使用的需要，必須對其進行一系列復(fù)雜的后處理加工后才能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。其它如相分離紡絲、閃蒸紡絲、靜電紡絲、液晶紡絲、反應(yīng)紡絲等方法都是新發(fā)展起來的特殊工藝紡絲方法。
美國Exxon化工公司最早開發(fā)成功了熔噴紡絲技術(shù)并獲得了使用許可證。熔噴法紡絲工藝是將粒狀或粉狀原料直接成布的一步法生產(chǎn)工藝，適用于分解溫度高于熔融溫度的聚合物如聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚己內(nèi)酰胺(PCL)等。其具體工藝流程是將經(jīng)干燥機干燥后的熱塑性粒狀聚合物加入到料斗中，輸送到螺桿擠壓機，聚合物在此被加熱熔融，經(jīng)計量泵計量后進入熔噴模頭，在熱的壓縮空氣流作用下，熔體從模頭中吹出、拉伸，同時在環(huán)境空氣的作用下冷卻、固化，得到很細(xì)、不透明的絲，固化后的超細(xì)纖維絲被捕集器裝置捕集，經(jīng)壓輥進入鋪網(wǎng)機成網(wǎng)，最后被切邊、卷裝為無紡布成品。
據(jù)文獻報道，熔噴生產(chǎn)的效果主要取決于熔體的流動速度，流動速度又與熔體的粘度有關(guān)。如果原料具有較高的粘度，熔體的流動性能就會變差，不利于熔噴過程的進行，因此必須對流動性能差的聚合物進行預(yù)降解，使其粘度達到熔噴工藝所要求的范圍，并減少甚至消除熔噴產(chǎn)品中的“結(jié)塊”。熔體的流動速度還與使熔體從?？字写党龅臒釟饬魉俣扔嘘P(guān)，一般情況下，熔噴纖維的直徑隨氣流速度的增加而減少，但氣流速度過高，易產(chǎn)生“結(jié)塊”，造成纖維斷頭率增加。美國專利US3,849,241報道，當(dāng)氣流速度變化在29.3～1173kg/(s·m3)，聚合物的流動速度在1.67～835mg(s·孔)時，所制備的纖維直徑為8～200μm，且無粗糙的“結(jié)塊”產(chǎn)生。
熔噴模頭是決定熔噴產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素之一，

圖1給出了一個典型的熔噴模頭結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1可以看出，模頭蓋板1的中部構(gòu)成了熔體的通道——熔體腔2和毛細(xì)管6，模頭蓋板1和氣室蓋板4共同形成了氣室3和空氣狹縫5，空氣狹縫5的出口正對毛細(xì)管6的出口。在美國專利US3,825,380中給出了一組較理想的熔噴模頭設(shè)計參數(shù)毛細(xì)管長度A＝2.87～50.8mm，毛細(xì)管內(nèi)徑B＝0.076～0.56mm，氣流狹縫寬度G＝0.203～0.381mm，毛細(xì)管凸出部銳度α＝55～60°，毛細(xì)管凸出部分長度H＝0.15～0.23mm。
應(yīng)用熔噴法工藝生產(chǎn)超細(xì)纖維無紡布，具有占地少、工藝流程短、產(chǎn)品性能優(yōu)越等特點。特別是利用高速狹縫氣流直接將從熔噴模頭微孔中擠出的熔體牽伸、切斷成短纖維并一步制成成品，省去了傳統(tǒng)紡絲工藝中一系列繁瑣的后處理加工工序，簡化了工藝環(huán)節(jié)，因此被迅速工業(yè)化和應(yīng)用于許多領(lǐng)域。
然而，熔噴法紡絲工藝還是屬于熔體紡絲類，只能應(yīng)用于熔融溫度低于分解溫度的聚合物紡絲。對于熔融溫度高于分解溫度而采用溶液紡絲的聚合物，目前還沒有類似能夠一步紡制纖維成品的工藝方法報道。
借鑒熔噴法紡絲工藝，開發(fā)出一種能夠適合于溶液紡絲，將紡絲原液用高速氣流牽伸，一次成形而省去后處理工序的溶液紡絲新技術(shù)——氣體牽伸法紡絲技術(shù)，是本發(fā)明的發(fā)明目的。
為了驗證氣體牽伸法紡絲技術(shù)的可紡性，本發(fā)明設(shè)計了與熔噴模頭結(jié)構(gòu)相近似的單孔噴絲模頭，通過單孔模頭的模擬噴絲試驗，證明利用氣體牽伸法將紡絲原液一步紡制成超細(xì)纖維是完全可行的。
首先，本發(fā)明對噴絲模頭的結(jié)構(gòu)進行了改進，設(shè)計出了適合于溶液紡絲的噴絲模頭——氣牽模頭。圖2給出了氣牽模頭的結(jié)構(gòu)簡圖。從圖中可以看出，帶有錐棱的模板6鑲嵌在模體4底部的矩形槽內(nèi)，模體的兩側(cè)邊對稱開有二條上寬下窄的錐形槽，其與固定在模體4上的圓弧形上蓋板3所形成的空間構(gòu)成了模頭氣室2。下蓋板5固定在模體4的下部，下蓋板中間對應(yīng)模板6錐棱處開有錐槽，下蓋板5與模板、模體之間形成了氣流狹縫8。在模板中部有毛細(xì)管7并向下伸出下蓋板5的錐槽外，模體4的中部有縱向的溶液腔9與毛細(xì)管7相通。進氣孔1設(shè)在上蓋板3的上部。紡絲原液經(jīng)溶液腔由毛細(xì)管噴出，壓縮空氣通過氣室和氣流狹縫從錐槽處高速吹出，牽伸紡絲液成絲。
在氣體牽伸過程中，較小的氣流狹縫尺寸G可以使氣流量變小，但在熱氣流吹向紡絲原液時，必須有足夠大的氣體流量才能把紡絲原液吹出并拉細(xì)成纖維。G的合適尺寸是0.5～4.0mm。
毛細(xì)管作為氣牽模頭的最關(guān)鍵部件，其參數(shù)的選擇就尤為重要。經(jīng)試驗后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)毛細(xì)管長度A為20～50mm，內(nèi)徑B為0.2～0.8mm并且其長徑比A/B＝20～100時，能夠噴出滿意的纖維。
從氣牽模頭的下方觀察，毛細(xì)管的管壁是一圈很薄的平面。平面的寬度即毛細(xì)管的壁厚選擇也應(yīng)合適，如果太厚，則會在此形成紡絲液的死角，使紡絲液在此處聚集，達到一定量后，被吹出或滴下形成纖維“結(jié)塊”；而如果太薄，會給加工帶來困難，增加加工成本，而且太薄的毛細(xì)管在強烈的狹縫氣流作用下也容易發(fā)生彎曲、變形等現(xiàn)象。合適的毛細(xì)管外徑D＝0.4～1.0mm。
毛細(xì)管伸出下蓋板錐槽一個長度H，H對于纖維的吹出和切斷有很大的影響。如果伸出長，H值大，會使纖維的牽伸不足，質(zhì)量不過關(guān)，而H值太小又會導(dǎo)致纖維“結(jié)塊”增多，斷頭率增加，噴出絮狀纖維。合適的毛細(xì)管伸出長度H為10～40mm。此時纖維的切斷長度在一個較小的范圍內(nèi)隨機分布。
另外，將模板錐棱的角度設(shè)計成55～95°，也可以防止纖維“結(jié)塊”現(xiàn)象的發(fā)生，減少斷頭率。同時也消除了高速氣流通過氣流狹縫時產(chǎn)生的噪音。
每個氣牽模頭上都有若干個毛細(xì)管線性排列在一條直線上，其直線偏差不超過0.10mm。一般地，氣牽模頭每10mm距離上排有2～4個毛細(xì)管。
紡絲工藝對于纖維的成形同樣有著極大的影響，因此，與氣牽模頭設(shè)計參數(shù)一樣，紡絲工藝參數(shù)的選定也是十分重要的。
紡絲原液的濃度對于紡絲成纖有著顯著的影響。如果紡絲原液濃度過低，溶劑含量過大，自毛細(xì)管噴出的溶液細(xì)流中的溶劑大部分在瞬間揮發(fā)不掉，細(xì)流不能成纖；但是紡絲原液濃度過大，溶劑含量過小，原液的流動性就會變差，在毛細(xì)管中不易預(yù)取向，回縮較為嚴(yán)重，表現(xiàn)為細(xì)流自毛細(xì)管噴出后即結(jié)成膠凍，堵塞毛細(xì)管孔，產(chǎn)生“糊板”現(xiàn)象，從而影響紡絲的正常進行。因此，將紡絲原液濃度控制在一定范圍之內(nèi)是很有必要的。不同的聚合物產(chǎn)生“糊板”現(xiàn)象的紡絲原液濃度各不相同，然而發(fā)現(xiàn)不同的聚合物的紡絲原液在其適合紡絲的濃度范圍內(nèi)具有共同的粘度參數(shù)200～500厘泊。
氣牽模頭的給料壓力與壓縮空氣的流量共同對紡出纖維的粗細(xì)及纖維切斷產(chǎn)生影響。當(dāng)壓縮空氣流量不變時，給料壓力越大，紡出纖維越粗；壓力越小，纖維越細(xì)?？刂平o料壓力，紡出纖維的直徑隨壓縮空氣流量的增加而變小，但如果壓縮空氣流量過高，容易產(chǎn)生“結(jié)塊”，造成纖維斷頭率增加。經(jīng)反復(fù)多次紡絲試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣牽模頭給料壓力控制在0.5～3.0kg/cm2，壓縮空氣流量控制在8～15m3/h時，吹出的纖維基本上消除了“結(jié)塊”現(xiàn)象。
由氣牽模頭吹出的纖維經(jīng)高速狹縫氣流牽伸，切斷為一定長度的短纖維后，落入一個足夠長，具有適宜溫度的加熱甬道，在該甬道中短纖維進一步脫除溶劑固化成形，被捕集器收集進入壓輥壓制成無紡布。
本發(fā)明給出的溶液紡絲新方法使得紡絲液一步成形紡制無紡布成為可能，同時，由于其工藝簡單，大大降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，減少了纖維的損耗。
下面是氣體牽伸法紡絲技術(shù)的一個具體應(yīng)用實施例。
實施例準(zhǔn)確稱取海藻酸鈉300克加入到帶有攪拌的2000ml三口瓶中，加入500m1蒸餾水靜置2小時，使海藻酸鈉溶脹。
向溶脹好的海藻酸鈉中再加入500ml蒸餾水，緩慢升溫至50～60℃，攪拌下在30分鐘之內(nèi)升溫至80～90℃，恒定溫度攪拌1～2小時，其間加入少量多元醇，得到完全相溶的，濃度為30％(重量份數(shù))的紡絲原液。在45℃下用旋轉(zhuǎn)粘度計測定其旋轉(zhuǎn)粘度為350厘泊。
配制好的紡絲原液在70～80℃條件下經(jīng)過濾器過濾后進入脫泡缸中，控制脫泡缸溫度70～80℃，接通大氣，自然脫泡5～8小時后關(guān)閉通氣閥門。
調(diào)節(jié)溫度控制系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)，使得紡絲機氣牽模頭區(qū)溫度在60～70℃，加熱甬道區(qū)和纖維捕集傳送區(qū)溫度在100±20℃，壓縮空氣的濕度在65％～85％，進入氣牽模頭的壓縮空氣溫度在50～70℃，壓縮空氣流量10m3/h，紡絲原液給料壓力1kg/cm2。
在壓力作用下，紡絲原液經(jīng)過濾器，輸料管進入氣牽模頭的溶液腔，經(jīng)毛細(xì)管而成溶液細(xì)流。壓縮空氣經(jīng)除油、減壓、過濾、計量后加濕加溫進入氣室，并從氣流狹縫中吹出。在壓縮空氣的作用下，溶液細(xì)流被牽伸，脫水和切斷成不規(guī)則的短纖維，短纖維通過2～4米長的80～100℃的加熱甬道，進一步脫水成形后落到纖維捕集器上。
捕集器收集到的短纖維可以通過壓輥壓制后烘干成為海藻酸鈉無紡布，也可以直接烘干制成松散狀的海藻酸鈉短纖維。紡成纖維的含水量小于10％。
權(quán)利要求
1.利用一種或幾種可紡性物質(zhì)的溶液制取纖維的氣體牽伸紡絲技術(shù)，包括制備紡絲原液，紡絲原液的過濾、脫泡，紡絲原液進入氣牽模頭噴絲，絲條牽伸，牽伸絲經(jīng)過有適宜溫度和足夠長的加熱甬道脫除溶劑并干燥固化成纖維幾道工序，其特征在于絲條牽伸是采用高速壓縮空氣氣流將剛噴出氣牽模頭的溶液細(xì)流牽伸并切斷成短纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紡絲技術(shù)，其特征在于制備的紡絲原液粘度為200～500厘泊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紡絲技術(shù)，其特征在于進入氣牽模頭的紡絲原液的給料壓力為0.5～3.0kg/cm2。
4.根據(jù)權(quán)利要求2、3所述的紡絲技術(shù)，其特征在于在所述的紡絲原液粘度和給料壓力下，起牽伸作用的壓縮空氣氣流流速設(shè)置為8～15m3/h。
5.一種用于權(quán)利要求1所述紡絲技術(shù)的氣牽模頭，其特征在于所述氣牽模頭由模體(4)、上蓋板(3)、下蓋板(5)和模板(6)組成，在模體(4)的兩側(cè)邊對稱開有兩條上寬下窄的錐形槽，底部中央開有一條矩形槽，帶有一個錐棱的模板(6)錐棱向下鑲嵌在模體(4)下部的矩形槽內(nèi)；固定在模體(4)上的圓弧形上蓋板(3)與模體(4)間的空間構(gòu)成了氣牽模頭氣室(2)；固定在模體(4)下部的下蓋板(5)中間對應(yīng)于模板(6)錐棱處開有一條錐槽，下蓋板(5)與模體(4)、模板(6)之間構(gòu)成了與氣室(2)相通的氣流狹縫(8)并使錐槽成為壓縮空氣的出口；模板(6)中部有毛細(xì)管(7)并向下伸出下蓋板(5)的錐槽外；模體(4)的中部有縱向的溶液腔(9)與毛細(xì)管(7)相通；進氣孔(1)設(shè)在上蓋板(3)的上部。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣牽模頭，其特征在于上述毛細(xì)管的長度A＝20～50mm，內(nèi)徑B＝0.2～0.8mm，外徑D＝0.4～1.0mm，毛細(xì)管伸出下蓋板長度H＝10～40mm，狹縫氣流寬度G＝0.5～4.0mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氣牽模頭，其特征在于上述毛細(xì)管的長徑比為A/B＝20～100。
8.根據(jù)權(quán)利要求5、6所述的氣牽模頭，其特征在于模板錐棱的角度為55～95°。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣牽模頭，其特征在于氣牽模頭上以每10mm2～4個的間隔線性排列毛細(xì)管，毛細(xì)管直線偏差不大于0.10mm。
全文摘要
一種溶液法生產(chǎn)化學(xué)纖維的紡絲方法，具體是一種利用壓縮空氣的高速氣流牽伸由模頭吹出的溶液細(xì)流并切斷成短纖維的生產(chǎn)方法。本發(fā)明還提供了應(yīng)用于該紡絲方法的氣牽模頭。本發(fā)明提供的紡絲方法，簡化了工藝流程，可以一步成型制造纖維。
文檔編號D01D5/14GK1157862SQ96113168
公開日1997年8月27日 申請日期1996年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月21日
發(fā)明者徐紅權(quán), 王俊德, 侯養(yǎng)全, 李毅勇, 曾祥文 申請人:山西省化學(xué)纖維研究所