工藝流程及關(guān)鍵技術(shù)Lyocell纖維生產(chǎn)的工藝流程如下:漿粕預(yù)處理中,纖維素的活化是必要的工藝過程,可以通過堿化、輻射、氨化等手段破壞纖維素的結(jié)晶區(qū)域,增大纖維素與溶劑接觸的范圍。
在預(yù)浸時(shí),可采取高速攪拌、強(qiáng)烈震蕩的方法,以提高漿粕溶解速度和縮短溶解時(shí)間。纖維素溶解時(shí)各成分之間的比例直接影響著纖維素的相變過程,只有在很窄的范圍內(nèi)纖維素溶解時(shí)才能形成均相溶液。過濾的作用是除去過程雜質(zhì),保證溶液的均一性。在這個(gè)過程中,高效連續(xù)溶解技術(shù)、多孔紡絲組件和紡絲配套技術(shù)、NMMO回收(高效水洗裝置)技術(shù)等是目前研究的熱點(diǎn),也是工業(yè)化生產(chǎn)上的關(guān)鍵技術(shù)。
NMMO溶解纖維素的機(jī)理N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)的分子結(jié)構(gòu)如下:NMMO常溫下為固態(tài),熔點(diǎn)為130,吸濕性很強(qiáng),每個(gè)分子可結(jié)合四分子水。由于NMMO性能不穩(wěn)定,極易變質(zhì),一般都是用時(shí)現(xiàn)配,其制備方法一般為:二乙醇胺加硫酸脫水制成嗎啉,再甲基化制成甲基嗎啉,然后用過氧化氫氧化。NMMO生產(chǎn)成本比較高,儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用都很困難,是Lyocell纖維生產(chǎn)的一大難點(diǎn)。據(jù)資料報(bào)道,NMMO回收率大于99%才能保證Lyocell纖維生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
纖維素分子中羥基的氫原子可使纖維素呈酸性性質(zhì),NaOH能使?jié){粕膨潤;當(dāng)NMMO與纖維素在一起時(shí),叔胺氧化物的氧原子有較大活性,氨氧化物的氧原子與纖維素羥基先形成強(qiáng)的氫鍵,使纖維素與NMMO之間形成絡(luò)合物,在過量的NMMO溶劑化作用下,纖維素逐漸達(dá)到溶解。NMMO溶解纖維素的反應(yīng)如下:氧化胺具有破壞氫鍵的能力,甚至是位于纖維素結(jié)晶區(qū)的氫鍵。NMMO對(duì)纖維素的溶解條件是很苛刻的,在含水15%20%時(shí)其溶解性能最好,可得到30%的纖維素溶液。
紡絲原理NMMO含一分子水時(shí)(含水率13.3%)能溶解纖維素,若含兩分子水,則不溶解纖維素,利用這一性質(zhì),可以用水做凝固劑紡制Lyocell纖維。
Lyocell纖維能否實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),添加劑的選擇是很重要的。NMMO在加熱時(shí)很容易分解出氧,它不僅容易使纖維著色,還可使纖維素降解,一般采用NaOH作為抗氧化劑,用核酸丙基酯作為穩(wěn)定劑,以獲得穩(wěn)定的均相溶液。
奧地利蘭精公司對(duì)Lyocell纖維的紡絲成型技術(shù)進(jìn)行了深入研究。他們采用干濕法紡絲,即紡絲液從噴絲頭壓出后,首先經(jīng)過一段氣隙,然后進(jìn)入凝固浴。這和傳統(tǒng)的粘膠法不同,初生纖維在空氣浴中能經(jīng)受住顯著的拉伸,因此紡絲速度可明顯提高。
工藝過程從生產(chǎn)工藝上看,粘膠纖維的生產(chǎn)工藝復(fù)雜,所用化學(xué)藥品多,堿化、磺化反應(yīng)均為多相反應(yīng),副反應(yīng)多,不容易控制;粘膠溶液隨溫度、時(shí)間的變化不斷地發(fā)生皂化、水解反應(yīng),難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量均一。粘膠生產(chǎn)中工藝總需時(shí)間約24h,而Lyocell纖維的工藝流程則相對(duì)簡單,總需時(shí)間只有3h6h.
對(duì)環(huán)境影響粘膠纖維和Lyocell纖維同屬于再生纖維素纖維。粘膠纖維生產(chǎn)過程中的每一階段幾乎都有廢氣產(chǎn)生。據(jù)估計(jì),每生產(chǎn)一噸粘膠纖維,大約釋放氣體150m3,排放廢水500t1200,t另外還有大量的有害廢渣。三廢對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響,尤其是廢氣目前尚沒有可以經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的回收治理方法。
Lyocell纖維的生產(chǎn)符合環(huán)保要求,溶劑NMMO幾乎是閉路循環(huán)。溶劑法纖維素纖維的生產(chǎn)工藝是一種新工藝,采用封閉式的溶解、紡絲、溶劑回收工藝流程,耗水量僅為粘膠生產(chǎn)的1/10,排放廢水無毒,對(duì)環(huán)境無污染。
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