工藝流程及關鍵技術Lyocell纖維生產的工藝流程如下:漿粕預處理中,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晶區域,增大纖維素與溶劑接觸的范圍。
在預浸時,可采取高速攪拌、強烈震蕩的方法,以提高漿粕溶解速度和縮短溶解時間。纖維素溶解時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纖維素溶解時才能形成均相溶液。過濾的作用是除去過程雜質,保證溶液的均一性。在這個過程中,高效連續溶解技術、多孔紡絲組件和紡絲配套技術、NMMO回收(高效水洗裝置)技術等是目前研究的熱點,也是工業化生產上的關鍵技術。
NMMO溶解纖維素的機理N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)的分子結構如下:NMMO常溫下為固態,熔點為130,吸濕性很強,每個分子可結合四分子水。由于NMMO性能不穩定,極易變質,一般都是用時現配,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生產成本比較高,儲存、運輸、使用都很困難,是Lyocell纖維生產的一大難點。據資料報道,NMMO回收率大于99%才能保證Lyocell纖維生產的經濟運行。
纖維素分子中羥基的氫原子可使纖維素呈酸性性質,NaOH能使漿粕膨潤;當NMMO與纖維素在一起時,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的氫鍵,使纖維素與NMMO之間形成絡合物,在過量的NMMO溶劑化作用下,纖維素逐漸達到溶解。NMMO溶解纖維素的反應如下:氧化胺具有破壞氫鍵的能力,甚至是位于纖維素結晶區的氫鍵。NMMO對纖維素的溶解條件是很苛刻的,在含水15%20%時其溶解性能最好,可得到30%的纖維素溶液。
紡絲原理NMMO含一分子水時(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,可以用水做凝固劑紡制Lyocell纖維。
Lyocell纖維能否實現工業化生產,添加劑的選擇是很重要的。NMMO在加熱時很容易分解出氧,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定劑,以獲得穩定的均相溶液。
奧地利蘭精公司對Lyocell纖維的紡絲成型技術進行了深入研究。他們采用干濕法紡絲,即紡絲液從噴絲頭壓出后,首先經過一段氣隙,然后進入凝固浴。這和傳統的粘膠法不同,初生纖維在空氣浴中能經受住顯著的拉伸,因此紡絲速度可明顯提高。
工藝過程從生產工藝上看,粘膠纖維的生產工藝復雜,所用化學藥品多,堿化、磺化反應均為多相反應,副反應多,不容易控制;粘膠溶液隨溫度、時間的變化不斷地發生皂化、水解反應,難以實現產品質量均一。粘膠生產中工藝總需時間約24h,而Lyocell纖維的工藝流程則相對簡單,總需時間只有3h6h.
對環境影響粘膠纖維和Lyocell纖維同屬于再生纖維素纖維。粘膠纖維生產過程中的每一階段幾乎都有廢氣產生。據估計,每生產一噸粘膠纖維,大約釋放氣體150m3,排放廢水500t1200,t另外還有大量的有害廢渣。三廢對環境造成了嚴重影響,尤其是廢氣目前尚沒有可以經濟運行的回收治理方法。
Lyocell纖維的生產符合環保要求,溶劑NMMO幾乎是閉路循環。溶劑法纖維素纖維的生產工藝是一種新工藝,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的1/10,排放廢水無毒,對環境無污染。
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