[發明專利]纖維素的化學改性及連續式低溫溶解紡絲工藝和設備

有效

• 申請號: 201310244994.7
• 申請日: 2013-06-19
• 公開（公告）號: CN103290503A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發明（設計）人: 余木火;張玥;黎歡;李欣達;李海峰;鐘璇;韓克清
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: D01F2/28
• 分類號: D01F2/28;D01F2/24;D01F6/28;C08B3/12;C08B15/06;C08F251/02;D01D5/06;D01D13/00
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 翁若瑩;王婧

技術領域

本發明屬于高分子材料的新型綠色加工領域，涉及纖維素的高效低溫溶液紡絲，尤其是涉及一種纖維素的高剪切化學改性及其連續式低溫溶解紡絲工藝及設備。

背景技術

纖維素是天然高分子化合物，高等植物的細胞壁一般都含有纖維素，其中棉花中纖維素含量為88%-96%，木材、甘蔗渣中纖維素含量為50%左右。與其它高分子相比，纖維素分子的重復單元簡單而均一，分子表面比較平整，使其易于長向伸展，而且吡喃葡萄糖環上有反應性較強的羥基，使分子內和分子之間容易形成氫鍵，導致纖維素具有高結晶度和難溶難融等特點，多年來，人們一直嘗試利用纖維素羥基一系列的化學反應，試圖降低纖維素分子間作用力，但是這些反應大多在多項介質中進行，然而纖維素分子內和分子間氫鍵的作用，造成了多相反只能在纖維素的表面進行。

近年來，含咪唑陽離子的離子液體被發現不僅可以作為纖維素的優良溶劑，而且還是優良的纖維素反應介質，但是纖維素在離子液中的溶解度較低，這就需要加入大量的離子液才能使纖維素完全溶解，可見這種均相反應只適用于在燒杯中加熱、加壓或者微波輻射，這種纖維素的間歇改性法限制了其在工業化生產的應用。如果利用雙螺桿擠出機的強剪切作用，提高離子液體向纖維素分子內部擴散的速度，那么就能大大提高纖維素在離子液體中的溶解效率。這樣，通過選擇合適的擠出溫度和螺桿轉速，只加入少量的離子液體也能實現纖維素在擠出過程中的原位改性。

近年來，為了開發高效綠色環保的纖維素纖維生產技術，世界各國都在研究相應的新型專用加工技術及裝備，努力實現綠色化加工、節能降耗，促進生物質再生纖維加工主體技術向集成化、連續化、自動化方向發展。其中，將纖維素溶解在低溫堿/尿素組合溶液中進行紡絲得到的再生纖維素纖維引起了國內外專家的高度重視。低溫堿尿素纖維素纖維在我國報道已有中試線，但是受到纖維素本身結構的限制，纖維素在低溫堿/硫脲/尿素溶液中的溶解度并不高，只有5%左右，而且容易發生凝膠，也受到設備、工藝的限制，加工過程復雜，生產能耗很大，這是現在制約低溫溶解法制備纖維素纖維的兩大主要原因。

如果利用雙螺桿擠出機的強剪切作用，提高低溫堿溶液向纖維素分子內部擴散的速度，也能大大提高纖維素的溶解效率。再進一步使用上述提到的改性后的纖維素作原料進行低溫溶解，那么纖維素溶液的固含量將得到顯著提高，這一環保綠色低碳的工業化纖維素纖維制備新方法，可以最大程度地減少生產對環境的危害和對能源的需求，為纖維行業的可持續發展做出重要貢獻。

發明內容

本發明的目的在于提供一種纖維素的高剪切化學改性及其連續式低溫溶解紡絲工藝及設備。采用該連續式設備制備改性纖維素及其纖維不僅縮短了纖維素的溶解、紡絲時間，而且在擠出機強大的剪切力作用下使物料的混合、溶解更加充分，對于實現纖維素的低溫溶紡工程化、產業化生產意義重大。

為了達到上述目的，本發明提供了一種纖維素的化學改性及連續式低溫溶解紡絲設備，其特征在于，包括化學改性裝置和連續式低溫溶解紡絲裝置，所述的化學改性裝置包括纖維素計量泵、離子液體計量泵、小分子計量泵、混合釜、原料計量泵、雙螺桿擠出機、水槽和粉碎機;所述的連續式低溫溶解紡絲裝置包括纖維素計量泵、溶劑計量泵、混合釜、原料計量泵、雙螺桿擠出機和紡絲組件，所述的紡絲組件包括噴絲口、第一凝固浴槽、第二凝固浴槽和水槽。

優選地，所述的連續式低溫溶解紡絲裝置的雙螺桿擠出機各段上的控溫器連接低溫冷卻循環泵，低溫冷卻循環泵連接冷凍機。上述結構可以準確調控擠出機各區域的溫度。

本發明還提供了一種纖維素的化學改性及連續式低溫溶解紡絲方法，其特征在于，具體步驟包括:

第一步:將纖維素真空干燥后，與離子液體和改性小分子按配比混合均勻，所得混合物采用雙螺桿擠出機擠出，將擠出產物依次用水和乙醇溶劑洗滌，干燥，粉碎后得到改性纖維素粉末;

第二步:將第一步所得的改性纖維素粉末與溶劑按配比加入到混合釜中，常溫下攪拌混合均勻后采用雙螺桿擠出機擠出、脫泡、過濾后，進入紡絲組件，由紡絲組件的噴絲口噴出，所得纖維依次進入第一凝固浴槽和第二凝固浴槽中迅速凝固拉伸成固體，再經過水槽水洗后纏繞成改性纖維素纖維。

優選地，所述第一步中的纖維素為棉纖維素，聚合度在300-600，其干燥溫度為50-80℃，真空度為90～130Pa，時間為12-36h。