一种制造含硅酸盐纤维的方法

专利名称：一种制造含硅酸盐纤维的方法
技术领域：
根据所附的权利要求1的前序部分，本发明涉及一种制造含硅酸盐纤维的方法。
背景技术：
不易燃烧或不可燃烧的材料正越来越多地用于家具和纺织品生产。例如，在室内装潢材料中，使用不易着火的或不可燃的和阻止燃烧的织物、纤维。这种纤维尤其包括含硅酸盐纤维。
制造含硅酸盐纤维的一种方法是通过向其中添加二氧化硅并通过纺丝来调整由纤维素制成的粘胶，并为进一步的用途而处理这样制造的含硅酸盐纤维。例如在GB专利1064271中给出了这种方法，其中将含硅酸钠的粘胶纺丝到酸性纺丝溶液中，在该纺丝溶液中粘胶再生成为纤维素，并且同时，该粘胶中的硅酸钠沉淀成为硅酸(silicon acid)，它为均匀分布在纤维素中的含水二氧化硅。
上述专利的方法是制造含硅酸盐纤维的廉价方法。问题是通过这种方法形成的纤维中的硅酸不耐在纺织品洗涤中使用的碱性洗涤剂。在重复洗涤中，纤维含有的硅酸溶解到碱性洗涤液中，这导致耐火性的降低。
在FI专利91778(对应于US 5,417,752)中通过用铝酸钠处理纺成的含硅酸盐的粘胶纤维解决了上述问题，其中硅酸盐中呈硅酸形式的二氧化硅与铝酸盐反应并在硅酸中形成硅酸铝基团。含硅酸铝基团的硅酸在碱性洗涤剂中的溶解度非常小，因此产品可以用通常的洗涤剂洗涤而不改变其防火性能。此外，含硅酸铝基团的产品与没用铝酸盐制造的产品相比具有明显更好的防火效能。
然而，上述两个出版物的方法的问题是粘胶所含的硅酸盐即硅酸或二氧化硅(SiO2·nH2O)在纺丝中倾向于溶解到纺丝溶液中。已检测到相当一部分硅酸盐、甚至数百毫克/升纺丝溶液的硅酸盐在纺丝中会残留在纺丝溶液中。硅酸盐的非受控溶解和向纺丝溶液中的分散引起若干问题。硅酸盐在纺丝浴中形成沉淀，这引起纺丝浴的结垢并增大由数千条纤维组成的丝束和拉伸辊即碎石(galets)和拉伸石(stretchstones)之间的摩擦。丝束中的各个纤维之间的摩擦也增大，这使丝束的可拉伸性减弱，并因此也削弱单根纤维的强度。纤维之间的摩擦也引起纤维在纺纱机的磨损。
硅酸盐从纤维向纺丝溶液中的非受控溶解也引起它们的质量波动。这可以看成是强度值和纤度即纤维的重量/长度值的波动，这使纤维的纺织性能变差。此外，纤维中硅酸盐量的降低导致最终纤维的耐火性的减弱，因为即使硅酸盐的量只降低1～2％也使防火性显著地变差。

发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于制造含硅酸盐纤维的改善的方法，其避免了上述问题并且根据该方法制造的纤维具有尽可能高的硅酸盐浓度。
为了达到该目的，本发明方法的主要特征在于将会在所附的独立主权利要求1的特征部分中所给出的特征。
另外，从属权利要求将会给出本发明的一些优选实施方案。
本发明是基于这样的想法，这样来构成用于制造含硅酸盐纤维的再生溶液即用作纺丝浴的纺丝溶液的组成以使得制造的纤维的硅酸盐浓度可以保持尽可能的高。这可以通过本发明的方法来实现，其利用令人惊奇的观察结果即通过以受控的方式向纺丝溶液中添加适量的可溶性硅酸盐，纤维中的硅酸盐对于纺丝溶液的溶解度降低。这样，可以保持粘胶纤维所含的硅酸盐的量尽可能的高。
在纺丝浴中形成的含硅酸盐纤维中，硅酸盐均匀地分布在纤维中。然而，在纤维的外表面上的硅酸盐在纤维的纺丝期间与纺丝溶液接触并溶解到纺丝溶液中和结晶到其中。这种结晶完全不受控制并引起上面所描述的问题。根据本发明通过向纺丝溶液中添加可溶性硅酸盐，可以防止纤维表面上的硅酸盐的非受控溶解和结晶。
添加到纺丝浴中的硅酸盐可以是水溶性的碱金属硅酸盐，如硅酸钠，例如，水玻璃(Na2O·nSiO2)或水溶性的沉淀硅酸盐。纺丝浴中的硅酸盐浓度可以为50～1000mg/(升纺丝溶液)，优选地，它为100～700mg/(升纺丝溶液)。硅酸盐与构成纺丝溶液的其他化学物质一起被直接添加到纺丝浴中。在纺丝期间，纺丝溶液在纺丝浴和纺丝溶液的过程之间连续地再循环。
根据本发明的一个优选实施方案，通过除去硅酸盐或以受控的方式向纺丝浴中添加硅酸盐来用可溶性的硅酸盐保持纺丝溶液饱和或接近饱和。可以通过已知的任何过滤法例如砂滤、加压过滤或曲面筛等除去在纺丝浴中沉淀的多余硅酸盐。
根据本发明的第二实施方案，在含硅酸盐纤维的制造过程中，含硅酸盐的溶液也用于在纺丝阶段之后的拉伸阶段和洗涤阶段。
此外，根据本发明的第三实施方案，可以通过控制添加到纺丝溶液中的硅酸盐的量将含硅酸盐纤维中的硅酸盐浓度控制在希望的水平。
通过该方法，可以消除硅酸盐从含硅酸盐纤维向纺丝溶液中的非受控溶解并且可以去除由沉淀在纺丝浴中的硅酸盐粉末引起的纤维之间的摩擦所导致的问题。结果，纤维质量性能的波动也减小。测定的所述纤维的强度值和纤度值的偏差比通过现有技术的方法制造的纤维的强度值和纤度值的偏差小，这就改善了纺织品性能。此外，纤维所含的硅酸盐的量的增加大大地改善了纤维的防火性能。
通过该方法也可以根据客户的期望制造其硅酸盐浓度被控制在特定水平的粘胶纤维。
该方法的应用容易且简单，并可容易地将其应用于已经存在的、制造含硅酸盐纤维的工厂。


以下，参照附图更详细地描述本发明，该附图示意性地说明本发明的、用于制造含硅酸盐纤维的方法。
具体实施例方式
该图示出了粘胶纤维的制造方法，其中在阶段1中，使通过氢氧化钠(NaOH)处理的溶解的纤维素泥浆化形成淤浆(slush pulp)。此后，在阶段2中压榨纤维素以从其中除去氢氧化钠，并在阶段3中撕碎形成的碱纤维素。将撕碎的碱纤维素导向阶段4，即预熟(prematuring)，其中它在氧的作用下在空气中在约35～45℃的温度停留约3～5小时。在预熟中，碱纤维素部分地解聚。
接下来，将预熟的碱纤维素导向硫化(阶段5)，其中将二硫化碳(CS2)混合到碱纤维素中，在该情况下形成黄原酸纤维素。在硫化后，在阶段6中将稀氢氧化钠(NaOH)在搅拌下添加到该黄原酸盐中，这导致黄原酸盐的溶解，在溶解1小时后黄原酸盐的溶解几乎完全。将从阶段6接受到的橙黄色的糖浆状的粘胶引导通过阶段7的陈化槽。
在阶段8中在陈化期间和在其之后，过滤粘胶。下一个处理阶段9是脱气。在脱气之前，例如在用箭头10标记的点，将二氧化硅溶液添加到粘胶中，形成由粘胶和二氧化硅组成的混合粘胶。如果希望的话，也可以在较早的处理阶段中即在纺丝浴之前的任何适合的处理阶段/点添加二氧化硅。添加到粘胶中的二氧化硅可以是，例如，工业二氧化硅，如水玻璃(Na2O·nSiO2)或二氧化硅和氢氧化钠的混合物。在脱气阶段9中，从粘胶/二氧化硅-混合粘胶中除去空气和气泡。
接下来，将混合粘胶导向纺丝阶段11，其中发生粘胶纤维的形成。通过小孔喷嘴即纺丝烛芯(candle)的喷丝头将混合粘胶导向纺丝浴中即纺丝溶液的液面下。在纺丝头中一般有约8000～50000个直径为50～80μm的孔。纺丝溶液是酸性液体，其典型地含有硫酸(H2SO4)、硫酸锌(ZnSO4)和硫酸钠(Na2SO4)。当溶液所含的硫酸与混合粘胶中的氢氧化钠反应时在溶液中形成硫酸钠。纺丝溶液的温度为约0～100℃，典型地为约40～70℃。根据本发明，可溶性的硅酸盐，例如，硅酸钠，也可添加到纺丝溶液中，这导致在纺丝浴中形成的粘胶/二氧化硅-纤维中的硅酸盐不溶解于纺丝浴，但保留在纤维中。纺丝溶液所含的组分的比率会按下列方式变化硫酸40～150g/(升纺丝溶液)硫酸钠 20～40重量％硫酸锌 0～100g/(升纺丝溶液)硅酸钠 50～1000mg/(升纺丝溶液)，优选100～700mg/(升纺丝溶液)，以SiO2计纺丝浴的组成根据制造的纤维的质量目标和性能例如其厚度而变化。
以受控的方式将硅酸盐添加到纺丝浴中，即以这样的方式所纺的纤维中的硅酸盐浓度保持尽可能的高、但纺丝溶液的性质和沉淀在其中的硅酸盐在纺丝中和在纺丝装置运行中不引起问题。因此，可将硅酸盐以适当的比例连续地或按规定的时间间隔添加到所述浴中。取决于沉淀的硅酸盐的量，同样以受控的方式除去在纺丝浴中沉淀的硅酸盐。
以这样的方式从纺丝浴中收集在该浴中形成的固体纤维素长丝纤维使得由来自一个喷丝头的数千根纤维构成的丝束在阶段12中首先环绕较小的拉伸辊缠绕，然后再经由拉伸浴到达其他较大的拉伸辊即拉伸石。拉伸不但将纤维拉长50～100％，而且增加它们的强度。在拉伸之后，将由纤维构成的丝束导向将其切成希望的长度的切割阶段13。在洗涤阶段14用水漂洗切割的纤维。这样，纤维束分解开并可在阶段14中继续洗涤各单根纤维。
在拉伸和洗涤阶段中也可以使用含硅酸盐的溶液，这有助于保持纤维中的硅酸盐浓度尽可能的高。
如果希望的话，也可以在洗涤阶段14中用某种含铝溶液例如铝酸钠(NaAlO2)溶液处理所述纤维。其结果是，纤维所含的硅酸变成硅酸铝，这导致耐洗涤甚至耐漂白化学物质性良好、然而感觉与通常的粘胶纤维一样的纤维。
在可能的铝酸钠处理之后，进一步在阶段14中以通常的方式处理纤维，即洗涤它们、调整pH并用表面活性剂处理它们。此后，将纤维干燥。
根据优选的实施方案，添加到纺丝浴中的硅酸盐的量是这样的，以致纺丝浴相对于可溶解的硅酸盐是饱和的或者几乎饱和的。结合纺丝溶液的循环将在纺丝浴中沉淀的额外硅酸盐除去。
用于上述粘胶纤维的制造的设备和它们的操作对于本领域的技术人员而言本身是已知的，这是在这里不再详细描述它们的原因。
下面将给出用于制造含硅酸盐纤维的本发明方法的某些测试结果。在测试中，改变纺丝溶液中的硅酸盐浓度，并同时监测由纺丝产生的粘胶纤维的硅酸盐浓度。
测试安排通过以上描述的且本身是已知的粘胶法来制造粘胶，其中将硅酸钠即水玻璃作为二氧化硅添加到粘胶中。因此，其结果是含3.6％的SiO2、8.2％的α-纤维素和7.4％的NaOH的混合粘胶。由该混合粘胶纺成3.5分特的纤维。纺丝溶液的温度为50℃，在没有添加硅酸盐的情况下其组成如下硫酸65g/(升纺丝溶液)硫酸钠 20重量％硫酸锌 45g/(升纺丝溶液)按规定的时间间隔以使得纺丝溶液中的硅酸盐浓度逐渐增大的方式将一定量的硅酸盐添加到纺丝溶液中。使用可商购得到的水玻璃(SiO2∶Na2O＝2.5∶1，30.9％SiO2)作为添加的硅酸盐。在每次添加后，以上述方式将纤维纺到所述溶液中。在纺丝浴之后，在温度为90℃、含有3g/l硫酸的拉伸浴中将纤维拉伸得比原来长90％。
通过分光光度计、使用所谓的钼正弦法测定纺丝溶液中的二氧化硅含量。在测定之前将纺丝溶液循环约1小时以使酸平衡正常化。
通过在每次添加硅酸盐之后分析纺成的纤维中的SiO2含量来监测添加硅酸盐对由纺丝产生的粘胶纤维中的硅酸盐浓度的影响。通过在750℃的炉中将纤维灰化1小时并通过称量所形成的灰来测定纤维中的SiO2含量。发现所述纤维中的二氧化硅几乎是纯SiO2。
下表示出纺丝浴的硅酸盐浓度对纤维中的SiO2浓度的影响。
表1添加到纺丝浴中的硅酸盐的量、测得的该浴中的硅酸盐浓度和所述的纺到该浴中的纤维中的SiO2浓度

从表1中的结果看出，向纺丝浴中添加硅酸盐增加了作为纺丝结果而得到的纤维中的硅酸盐浓度，即减少了纤维中的硅酸盐向纺丝浴中的溶解。在试验4中达到该溶液相对于硅酸盐的饱和点。在此点之后向纺丝浴中添加更多的硅酸盐对纤维中的硅酸盐浓度不再有影响，而它保持不变。
此外，当对纤维进行比较时，其中一种纤维被纺到用硅酸盐饱和的纺丝溶液中(试验4)而其他纤维被纺到添加了非常少的或未添加硅酸盐的纺丝溶液中(试验1和2)，注意到未添加硅酸盐时在纺丝中纤维的重量损失约8％，即硅酸盐从纤维向纺丝溶液中的溶解相当大。这对纤维的防火性能有影响。事实上，在试验1和2中制备的纤维的防火性能不足，并且意料之外的重量损失妨碍纤维分特(重量/长度)的控制。通过将纺丝浴中的硅酸盐浓度保持在适当的水平，可以消除这些问题。
在上述试验(试验1～7)中制造的一部分纤维还用铝酸盐处理。用铝酸钠溶液(以Al2O3计3g/l的铝酸钠，溶液比为1∶10，温度为50℃)处理将纤维的灰分含量在表1中所示的值的基础上增加2～2.5％。因此，该灰分也含有铝。
无意将本发明限制于以上作为例子给出的实施方案，而旨在在所附的权利要求中所定义的本发明思想的范围内广泛地应用本发明。
权利要求
1.一种制造含硅酸盐纤维的方法，其中将二氧化硅添加到由纤维素制成的粘胶中，经由喷嘴将由粘胶和二氧化硅形成的混合物导到在其中形成含硅酸盐纤维的再生溶液中，特征在于向所述再生溶液中添加硅酸盐。
2.根据权利要求1的方法，特征在于添加到所述再生溶液中的硅酸盐是可溶性的碱金属硅酸盐或沉淀硅酸盐。
3.根据权利要求1或2的方法，特征在于将按SiO2计50～1000mg/l、有利地100～700mg/l的硅酸盐添加到所述再生溶液中。
4.根据前述权利要求1～3中的任一项的方法，特征在于添加到所述再生溶液中的硅酸盐的量是使得所述再生溶液被所述可溶性硅酸盐饱和的量。
5.根据权利要求4的方法，特征在于结合所述再生溶液的循环将沉淀到所述再生溶液中的硅酸盐从所述再生溶液中除去。
6.根据权利要求1的方法，特征在于在将粘胶和二氧化硅的混合物导到所述再生溶液中之前将硅酸盐直接添加到纺丝阶段(11)的再生溶液中。
7.根据权利要求1～6中的任一项的方法，特征在于所述再生溶液还含有硫酸、硫酸钠和硫酸锌。
8.根据权利要求1的方法，特征在于将硅酸盐添加到所述再生溶液中和从所述再生溶液中将其去除。
9.根据权利要求8的方法，特征在于以受控的方式来完成添加硅酸盐和从所述再生溶液中去除硅酸盐以使所述再生溶液中的硅酸盐浓度保持在适当的水平。
全文摘要
一种用于制造含硅酸盐纤维的方法，其中将二氧化硅添加到由纤维素制成的粘胶中，并经由喷嘴将由粘胶和二氧化硅形成的混合物导到向其中添加硅酸盐的再生溶液中。
文档编号D01F2/08GK1965113SQ200580018205
公开日2007年5月16日 申请日期2005年6月1日 优先权日2004年6月2日
发明者A·帕伦, T·帕塔南, A·佩尔托南 申请人:赛得利国际有限公司