低温碱尿素法制备再生纤维素纤维长丝的纺丝机开发
文献引用格式:谢增颖,李雪梅,邵方琼,等.低温碱尿素法制备再生纤维素纤维长丝的纺丝机开发[J].纺织科技进展,2025,47(8):33-36.
低温碱尿素法制备再生纤维素纤维长丝的纺丝机开发
谢增颖,李雪梅,邵方琼,刘 军
(宜宾丝丽雅集团有限公司,四川宜宾 644002)
第一作者:谢增颖(1971—),男,高级工程师,学士,研究方向为再生纤维设备管理与开发。
摘 要:低温碱尿素法再生纤维素纤维生产技术是我国原创的绿色再生纤维生产技术,开发合适的长丝纺丝机是该生产技术产业化的关键环节。阐述对R535A型黏胶长丝半连续纺丝机进行局部改造,以实现纺丝,改造后纺速可达75m/min。可以直接用FCT-3000型黏胶长丝连续纺丝机纺丝,纺速为60m/min,强度低于1.3cN/dtex。在FCT-3000型连续纺丝机基础之上增加牵伸装置开发出新的连续纺丝机,低温碱尿素法纺丝液在其上再生纺丝纺速可达90m/min以上,纤维强度大于1.6cN/dtex,该方案为较优。
关键词:低温碱尿素法;再生纤维素纤维生产;半连续纺丝机;连续纺丝机;牵伸装置
由于再生纤维素纤维原料来源于天然材料,如木、竹、棉短绒等可再生资源,其产品再生纤维素纤维长短丝可自然降解[1],纤维面料具有透气、吸湿、色泽亮丽的优点而深受广大消费者喜爱,近10年其生产消费规模逐年增加。全球纺织服装市场上再生纤维素纤维长丝包括黏胶长丝、铜氨纤维长丝、醋酸纤维长丝等[2]。黏胶长丝市场占比最大,因其面料有真丝面料的质感,且染色性能和色牢度优于真丝,价格仅为真丝的1/10,100多年来形成稳定的消费市场。但黏胶长丝、铜氨纤维长丝、醋酸纤维长丝的生产过程产生的有毒有害污染物较多,对环境造成负面影响[3]。由于黏胶长丝生产过程释放有毒有害气体和产生有害废水,发达国家都在20世纪相继退出生产,全球只有中国保留生产与研究。因而开发绿色生产技术及绿色长丝产品来代替传统的黏胶长丝产品,是中国纤维生产者的责任[4]。
目前正在研究的绿色纤维素长丝产品生产技术有Lyocell长丝生产技术、以离子液体为溶剂的再生纤维素纤维长丝生产技术,以及低温碱尿素法再生纤维素纤维长丝生产技术[5]。Lyocell纤维有原纤化问题[6],生产过程面临高温高压条件,设备及其他生产成本远高于黏胶长丝;以离子液体为溶剂的再生纤维素纤维长丝生产技术还存在溶剂回收困难且成本高等问题,正在实现商业化[7];低温碱尿素法生产再生纤维素纤维长丝技术,源自张俐娜院士创立的绿色再生纤维素纤维生产技术,是中国原创技术[8]。该技术生产条件接近黏胶长丝,而生产流程更短成本更低,其长丝上色性能优于黏胶长丝,其他性能接近黏胶长丝,是具有潜力的黏胶长丝替代技术,但还存在一些产业化技术问题有待解决[9]。
长丝纺丝机是决定长丝生产诸多工艺条件和影响长丝性能及生产成本的关键设备[9],研发适用于低温碱尿素法再生纤维素纤维长丝的纺丝机是实现该绿色纤维生产技术产业化的关键环节。
1 利用黏胶纤维R535A 半连续纺丝机纺低温
碱尿素法再生纤维素纤维长丝试验
1.1 材料制备
采用低温碱尿素法溶解纤维制纺丝液,纺丝液的落球黏度50~91s,纺丝液纤维素含量5.5%~7.0%,采用3道过滤,第3道过滤精度10μm,纺丝液透明稳定。
1.2 试验设备
R535A 纺丝机如图1所示。
1.3 试验方案
在R535A 纺丝机上采用深浴法成形方式升头,纺速50~60 m/min;硫酸浴温度30~50 ℃,硫酸含量110~130g/L,硫酸钠120~130g/L。试验过程中丝条缠绕牵伸盘困难,易断裂于牵伸盘与喷头之间。调整纺丝液参数及硫酸和硫酸钠浓度、浴液温度、纺速等工艺条件进行9组试验,成丝过程均困难。
1.4 试验过程及结果
深浴法纺丝过程中,纺丝液喷出喷丝头孔在浴槽内与凝固浴发生双扩散作用再生出纤维,初生纤维在拉伸作用下取向而形成有一定强度的丝条。喷丝头在液面下300mm 处,丝条从液面下300mm 牵出液面后,经刮酸棒到牵伸盘再到凝固辊,牵伸盘的转速与纺丝液喷出速度有一定差异,这就是丝条的拉伸作用,牵伸盘和凝固辊存在线速度差,丝条在此进行一次牵伸作用。因上下凝固辊中心线有一定夹角,丝条在凝固辊上呈螺旋状前进。丝条经凝固辊再到去酸辊,凝固辊和去酸辊存在线速度差,丝条在此又进行第二次牵伸作用。丝条在去酸辊上呈螺旋状前进之后进入高速旋转的离心缸形成丝饼,去酸辊上方有去酸水淋洗,对丝条进行一定洗涤去酸作用[8]。
从喷头到去酸辊的过程,初生纤维素分子因拉伸作用和二次牵伸作用而取向形成具备最终强度的丝条,并且在此期间纺丝液与丝条的浴液持续反应使纺丝液完全转变为纤维素[10]。
因低温碱尿素法纺丝液与浴液反应的初生丝条在拉伸过程强度低,不能承受丝条在浴槽内与浴液发生的摩擦阻力而断裂,断裂的丝条部分缠绕在牵伸盘上,导致纺丝中断。由此可见,深浴成形工艺不适合低温碱尿素法长丝纺丝,不宜直接采用R535A 半连续纺丝机纺低温碱尿素法再生纤维长丝。
2 管中成形嫁接到R535A 半连续纺丝机上纺
低温碱尿素法再生纤维素纤维长丝试验
2.1 设备改造
在R535A 纺丝机浴槽上布置管中成形装置(图2),包括曲管、反应杯、成形管、导丝轮等。
2.2 材料准备
采用低温碱尿素法溶解纤维制纺丝液,纺丝液的落球粘度50~91s,纺丝液纤维素含量5.5%~7.0%,采用3道过滤,第3道过滤精度10μm,纺丝液透明稳定。
2.3 试验方案
硫酸浴温度30~50 ℃,硫酸含量110~130g/L,硫酸钠120~130g/L。采用管中成形方式升头,纺速60~75m/min。纺丝升头容易,可纺性较好,纤维强度1.4~1.6cN/dtex,断裂伸度12%~16%。一个月进行了20次试验,生产稳定。
2.4 试验过程及结果
由于管中成形方式的喷头在反应杯里浴液液面下方,纺丝液喷出喷头后与浴液发生双扩散作用形成纤维,初生纤维随浴液从纺丝杯流入成形管形成初生丝条[9],丝条出成形管经导丝轮牵引至牵伸盘,再经凝固辊和去酸辊后到离心缸成丝饼。浴液由于液位从反应杯流向成形管有一定速度,使初生纤维素分子产生取向作用而形成初生丝条,因初生丝条前进速度方向与浴液流动方向一致,此时丝条所受浴液摩擦阻力很小,丝条在此不易断裂,容易升头,这就克服了深浴法纺丝的缺点。实验表明只需将深浴法改为管中成形方式,目前通用的R535A型纺丝机是可以用于生产低温碱尿素法纤维长丝。不过半连续纺后处理流程长,所需人工较多。
3 采用FCT-3000型连续纺丝机纺低温碱尿素法再生纤维素纤维长丝试验
3.1 纺丝设备
FCT-3000 型黏胶长丝连续纺丝机如图3所示[10]。
3.2 材料准备
采用低温碱尿素法溶解纤维制纺丝液,纺丝液的落球黏度50~150s,纺丝液纤维素含量5.5% ~7.5%,采用3道过滤,第3道过滤精度10μm,纺丝液透明稳定。
3.3 试验方案
硫酸浴温度30~50℃,硫酸含量100~120g/L,硫酸钠110~126g/L。纺速50~60m/min。纺丝升头容易,可纺性较好,纤维强度1.1~1.3cN/dtex,断裂伸度6%~10%。进行了20次试验,生产稳定。
3.4 试验结果
可纺性好,纺程稳定,但强度偏低。分析认为主要原因是,现有连续纺丝条从导丝轮到导丝辊和处理辊之间只有约0.6%的牵伸作用,牵伸不足导致纤维素分子在再生过程取向程度低,丝条强度偏低。在低温碱尿素法再生纤维长丝生产过程中,这种纺丝方式实用价值较低。
4 开发新型连续纺丝机用于纺低温碱尿素法再生纤维素纤维长丝试验
在此增加2次牵伸试验。
4.1 牵伸方案一
4.1.1 设备准备
基于现有成熟的FCT-3000 型连续纺丝机的结构,在成形管出口的导丝轮和导丝辊之间增设牵伸机构(图4),实现2次牵伸作用。
4.1.2 材料准备
采用低温碱尿素法溶解纤维制纺丝液,纺丝液的落球黏度50~150s,纺丝液纤维素含量5.5% ~7.5%,采用3道过滤,第3道过滤精度10μm,纺丝液透明稳定。
4.1.3 试验方案
硫酸浴温度10~50℃,硫酸含量80~120g/L,硫酸钠100~126g/L,纺速50~95m/min。纺丝升头容易,可纺性好,纤维强度1.6~1.92cN/dtex,断裂伸度6%~10%。进行了20次试验,生产稳定。
4.1.4 试验结果
增加2次牵伸,即牵伸辊Ⅰ和牵伸辊Ⅱ与Ⅲ之间的速度差实现牵伸,牵伸率10%~30%;牵伸辊Ⅱ与Ⅲ与导丝辊之间的牵伸约5%~10%。牵伸辊Ⅱ与Ⅲ是同速转动。该试验方案可纺性好,丝条强度优于目前黏胶纤维连续纺长丝1.5~1.7cN/dtex,该方案可作为工业化生产优选方案之一。
4.2 牵伸方案二
4.2.1 设备准备
为了方便操作,在方案一基础上取消一次牵伸,只增加牵伸辊Ⅰ牵伸辊Ⅱ与导丝辊之间的牵伸约10%~30%(图5)。
4.2.2 材料准备
采用低温碱尿素法溶解纤维制纺丝液,纺丝液的落球黏度50~150s,纺丝液纤维素含量5.5% ~7.5%,采用3道过滤,第3道过滤精度10μm,纺丝液透明稳定。
4.2.3 试验方案
硫酸浴温度10~50℃,硫酸含量80~120g/L,硫酸钠100~126g/L,纺速50~95m/min。纺丝升头容易,可纺性好,纤维强度1.6~1.8cN/dtex,断裂伸度6%~12%。进行了20次试验,生产稳定。
4.2.4 试验结果
该方案相对“牵伸方案一”取消了一次牵伸,设备结构及操作更简单。因取消一次牵伸,丝条强度略低,伸长率略高。该方案适合大规模生产推广。
5 结束语
通过试验说明深浴成形不适合纺制低温碱尿素法再生纤维素纤维长丝,工业化生产中应尽量避免。管中成形代替R535A 纺丝机的深浴成形可以用于纺制低温碱尿素法长丝,但纺丝机结构复杂且其产品后处理工序较多,不推荐采用。
直接用FCT-3000型连续纺丝机可以纺低温碱/尿素法再生纤维素纤维长丝,但牵伸不足纤维强度偏低不宜采用。
在FCT-3000型连续纺丝机的导丝轮和导丝辊之间增加一或二次牵伸装置,2种方案纺低温碱尿素法长丝可纺性好、产品强伸性能指标满足客户需求,并且因采用管中成形工艺纺速还有提升空间,预计可以达到140m/min。连续纺流程短的纺丝机产出的产品就是长丝成品,降低了操作人员劳动强度同时节省人工,符合未来发展。若该方案在大生产推广使用,利用低温碱尿素法对黏胶长丝进行升级绿色改造替代,对原来大量的FCT-3000型连续纺丝机进行低成本改造就可以投入使用,避免了设备资源的浪费。因此推荐采用在FCT-3000型连续纺丝机的导丝轮和导丝辊之间增加一或二次牵伸装置,进行低温碱尿素法再生纤维素长丝纺丝。
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