Способ изготовления формованных изделий - RU2619968C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к способу изготовления формованных изделий из основного вещества согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения.

Уровень техники

Под понятием «формованное изделие» здесь имеются в виду все возможные изделия, которые изготавливают из натурального или синтетического основного вещества. Как правило, для изготовления используют формовочный инструмент, при помощи которого основное вещество переводится в форму формованного изделия. Примером формованных изделий могут служить вискозные волокна. Вискозными волокнами являются волокна, основным материалом которых является целлюлоза и промышленное изготовление которых осуществляют вискозным способом. Химическая природа вискозных волокон такая же, как у хлопковых волокон.

Продуктом, аналогичным вискозным волокнам, являются модальные вискозные волокна. Они тоже на 100% состоят из целлюлозы и их, как и вискозные волокна, изготавливают из натуральной целлюлозы. Однако благодаря несколько отличному процессу изготовления достигают более высокой прочности и улучшения свойств волокон.

К классу целлюлозных волокон относятся также лиоцеллюлозные волокна. В лиоцеллюлозных волокнах целлюлозу непосредственно и без изменения растворяют в неядовитом растворителе NMMO (N-метилморфолин-N-оксид) без предшествующей реакции с раствором едкого натра и получения производного в виде ксантогената. Формование лиоцеллюлозных волокон осуществляют в разбавленной водной ванне NMMO, при этом граница растворимости целлюлозы не превышается и вследствие этого образуется нить. С этой целью соответствующий прядильный раствор продавливают через фильеры. Этот лиоцеллюлозный способ описан, например, в DE 1713486, US-A-3447939 или GB 8216566. Соответствующий прядильный раствор изготавливают, например, в цилиндрическом вертикально работающем тонкослойном аппарате для растворения (пленочном испарителе), как описано, например, в GB 08/875437 или в US 5888288 A или в горизонтально работающем толстослойном аппарате для растворения (смесительном реакторе), как описано в DE 19837210 или в WO 02/20885 A1.

В US 5948905 A описан снабженный вакуумным насосом тонкослойный испаритель, используемый в последней ступени многоступенчатого способа мгновенного испарения. Продукт поступает из тонкослойного испарителя непосредственно в экструдер и выгружается в фильтрующее устройство.

Из WO 94/06530 известен типовой способ, в котором целлюлозную пульпу вводят в тонкослойный испаритель, где происходит испарение воды и растворение целлюлозы в N-оксиде, так что формовочный раствор сильно концентрируется. Этот формовочный раствор затем выгружают при помощи устройства выгрузки.

В этих устройствах и согласно известным способам прядильный раствор изготавливают с вязкостью, необходимой для дальнейшей переработки в процессе формования, и с соответствующей концентрацией целлюлозы.

Оба устройства для получения прядильного раствора применительно к изготовлению лиоцеллюлозных волокон не обеспечивают оптимального процесса растворения основного материала целлюлозы в растворителе NMMO. Вертикальный тонкослойный аппарат для растворения имеет хорошую теплопередачу, но малое время обработки, вследствие чего не достигается набухание натуральных волокон и гомогенизация, необходимые для получения качественного прядильного раствора. Горизонтальный толстослойный аппарат для растворения имеет более продолжительное время обработки, что приводит к хорошему прониканию растворителя в волокна и, таким образом, к хорошей гомогенизации с получением очень хорошего прядильного раствора.

Тем не менее, для получения прядильного раствора для лиоцеллюлозных волокон в настоящее время в промышленности применяют оба устройства. Вследствие описанных выше субоптимальных условий аппараты для растворения для обоих способов становятся все больше и ограничены своими максимальными габаритными размерами. Более высокая производительность линии, составляющая более 50 т волокон в день, с этими устройствами не может быть достигнута. Чтобы сделать эту технологию в перспективе более эффективной и, таким образом, конкурентоспособной с вискозными волокнами или модальными волокнами, необходимы производительность 100 т волокон в день и производственная линия.

Задача

В основе настоящего изобретения лежит задача оптимизировать указанный выше способ таким образом, чтобы иметь возможность реализации большей производительности, например более 100 т волокон в день, и производственной линии.

Решение задачи

Решение задачи обеспечивается признаками отличительной части п. 1 формулы изобретения.

Процесс растворения целлюлозы как основной массы в ΝΜΜΟ анализировался с точки зрения технологии на базе обоих известных устройств. Было установлено, что процесс растворения принципиально можно разделить на три стадии, для которых требуются очень разные условия. На первой стадии происходит испарение воды из суспензии целлюлозы и растворителя (называемой также пульпой) вплоть до начальной точки растворения целлюлозы, которая соответствует достижению диапазона растворимости и, таким образом, примерно 2,5-гидратам ΝΜΜΟ. Эта стадия требует большого количества тепловой энергии для испарения воды, однако не требует дополнительного времени обработки, так как целлюлоза еще не растворилась и вязкость суспензии низкая.

После достижения диапазона растворимости на второй стадии происходит основное растворение с сильным возрастанием вязкости и необходимым для этого меньшим испарением воды, примерно вплоть до 1,5-гидрата ΝΜΜΟ.

Третья стадия характеризуется гомогенизацией прядильного раствора и тоже меньшим испарением воды, примерно вплоть до (0,8-1,0) гидрата, в зависимости от концентрации целлюлозы.

Технологический анализ в связи с устройствами, используемыми для стадии растворения, показывает, что тонкослойный испаритель благодаря хорошей теплопередаче очень подходит для первой стадии, характеризующейся сильным испарением воды при низкой вязкости и малом времени обработки, а толстослойный аппарат для растворения вследствие очень хорошей гомогенизации, большего времени обработки, а также большей вязкости и меньшего испарения воды пригоден для второй и третьей стадий.

Непрерывные опыты на многоступенчатой экспериментальной установке показали, что эти стадии образуют сбалансированное равновесие, так что при рациональном разделении и оптимальном соединении двух видов устройств поставленная задача может быть решена путем непосредственной комбинации тонкослойного испарителя с толстослойным аппаратом для растворения.

Оба устройства связаны таким образом, что камеры для продукта непосредственно соединены, вследствие чего место передачи в виде сложного устройства сопряжения расположено внутри и, таким образом, исключается передача частично изменяющихся консистенций продукта. Колебания небольшой задержки тонкослойного аппарата для растворения могут без проблем компенсироваться толстослойным аппаратом для растворения.

Для дальнейшего повышения производительности способа рассматривался концентрированный раствор, описанный в WO 2009/098073. Таким путем можно комбинировать двухступенчатое изготовление прядильного раствора с концентрированным раствором целлюлозы при последующем разбавлении до исходной концентрации и благодаря этому дополнительно повысить эффективность.

Как и в WO 2009/098073, концентрация формовочного раствора и/или разбавителя должна контролироваться при помощи оптического показателя (коэффициента преломления). Это осуществляется для разбавителя перед введением в формовочный раствор и/или для формовочного раствора после разбавления. Желательным является оптический показатель разбавителя и/или формовочного раствора в пределах от 1,45 до 1,52.

В качестве растворителя или разбавителя предпочтительно применяют водный третичный аминоксид. Однако изобретение этим не ограничивается. Также изобретение не ограничивается использованием целлюлозы и допускает использование таких веществ, как протеины, полилактиды или крахмал, или смесь этих веществ.

Для данного способа имеет второстепенное значение, какие формованные изделия изготавливают. Предпочтительно изготавливают элементарные волокна, нетканые материалы или филаментную нить. Можно также изготавливать пленки, полые волокна, мембраны или т.п. Формование раствора с получением желательного целлюлозного формованного изделия может осуществляться при помощи известных фильер для изготовления волокон, щелевых фильер или фильер для полых волокон. В завершение формования, то есть перед помещением формованного раствора в коагуляционную ванну он может также подвергаться вытягиванию.

Описание чертежей

Другие преимущества, признаки и особенности изобретения очевидны из последующего описания предпочтительных вариантов его осуществления и из чертежа, на котором показана блок-схема предлагаемого способа изготовления формованных изделий из основного вещества, в частности из воспроизводимого сырья.

Необходимую целлюлозу или предварительно перемешанную целлюлозную пульпу подают через подводящий трубопровод 1 в тонкослойный испаритель 2. Такие вертикальные цилиндрические аппараты известны, например, из GB 08/875437 или US 5888288.

В тонкослойном испарителе суспензию концентрируют и из него концентрированную суспензию подают непосредственно в толстослойный аппарат для растворения, предпочтительно в горизонтальный смесительный реактор 4. Эти смесительные реакторы известны, например, из DE 19940521 A1 или DE 4118884. Однако этими известными тонкослойными испарителями и смесительными реакторами изобретение не ограничено. В объем изобретения входят все устройства, которые могут обрабатывать воспроизводимое сырье для последующего формования.

В данном варианте осуществления изобретения обработку воспроизводимого сырья производят с помощью растворителя, предпочтительно водного третичного аминоксида, который предварительно смешивают с образованием целлюлозной пульпы и подают через подводящий трубопровод 1 в тонкослойный испаритель.

В тонкослойном испарителе 2 при подводе тепла из суспензии испаряется вода, без растворения при этом целлюлозы. В смесительном реакторе 4 при подводе тепла происходит интенсивное перемешивание сырья с растворителем, частичное испарение воды из растворителя и растворение целлюлозы, так что образуется относительно высоковязкий прядильный раствор. Этот прядильный раствор подают через устройство 5 выгрузки в устройство 8 формования.

Перед окончательной переработкой в лиоцеллюлозные волокна относительно высоковязкий прядильный раствор разбавляют до целлюлозного раствора, способного к формованию. Это осуществляется в устройстве 5 выгрузки с помощью подводящего трубопровода 6 или даже перед устройством 5 выгрузки в любом месте смесительного реактора 4 и/или отдельно от него. Возможна также комбинация обоих мест добавления разбавителя.

После устройства 5 выгрузки и перед устройством 8 формования установлен насос 7 для уплотнения формовочного раствора после выгрузки. Предложенный в изобретении способ осуществляют следующим образом.

Через подводящий трубопровод 1 в тонкослойный испаритель 2 подают суспензию, состоящую из основного вещества, в частности воспроизводимого сырья, и растворителя. При подводе тепла снаружи при помощи нагреваемой оболочки вода из суспензии интенсивно испаряется вплоть до диапазона растворимости, при этом основное вещество не начинает растворяться.

Концентрированную суспензию выгружают непосредственно из тонкослойного испарителя 2 через прямой переход 3 и загружают в толстослойный аппарат 4 для растворения. В толстослойном аппарате 4, представляющем собой смесительный реактор, происходит интенсивное перемешивание, при этом подвод тепла снаружи может осуществляться посредством нагреваемой оболочки, через нагреваемые смесительные валы и/или через нагреваемые смесительные элементы (дисковые элементы). Дополнительный механический подвод тепла осуществляется при самом перемешивании посредством соответствующей энергии сдвига.

При испарении части растворителя суспензия превращается в формовочный раствор (прядильный раствор) и дополнительно концентрируется, так что в конце смесительного реактора 4, недалеко от устройства 5 выгрузки, содержание основного вещества в растворе составляет примерно от 14% до 28%. Этот формовочный раствор является слишком вязким для последующего формования и его разбавляют разбавителем, который подают через подводящий трубопровод 6. Концентрацию формовочного раствора перед добавлением разбавителя и/или после добавления разбавителя контролируют при помощи оптического показателя, называемого также коэффициентом преломления, который характеризует преломление (изменение направления) и условия отражения (отражение и полное отражение) электромагнитных волн на поверхности раздела двух сред.

Кроме того, предусмотрено, что перед устройством выгрузки или в устройстве выгрузки, а при определенных обстоятельствах также через подводящий трубопровод 6 к формовочному раствору/смеси добавляют присадку. Присадку или смесь присадок можно также добавлять вместе с разбавителем.

Пары, образующиеся в тонкослойном испарителе 2 или в смесительном реакторе 4, поступают через соединение 9 газовых камер в конденсатор 10.

Список обозначений:

Реферат

Способ и устройство для изготовления формованных изделий из основного вещества, а именно из целлюлозы, протеинов, полилактидов или крахмала, или смеси этих веществ, которое перемешивают с растворителем для образования формовочного раствора, а затем этот растворитель по меньшей мере частично удаляют из формовочного раствора и подают формовочный раствор в устройство формования. Согласно изобретению формовочный раствор подают в вертикальный цилиндрический тонкослойный испаритель и в горизонтальный цилиндрический толстослойный аппарат для растворения, при этом формовочный раствор еще в толстослойном аппарате для растворения или при последующей выгрузке из него разбавляют до вязкости, необходимой для формования, с достижением первоначальной консистенции. При этом тонкослойный испаритель и/или толстослойный аппарат для растворения непосредственно соединены друг с другом через их камеры для продукта. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула