专利名称：一种硝化棉纺丝方法及应用的制作方法
技术领域：
本发明属于含能材料制备工艺及其应用技术领域，特别是硝化棉(NC)的纺丝工 艺方法及其在烟花爆竹中的应用。
背景技术：
烟花爆竹传统引线中主要成分黑火药的燃烧产物中含有S02、氮氧化物及固体颗 粒悬浮物，是造成环境污染的主要原因。另外，黑火药在生产、运输和使用中的安全问题也 比较严重。硝化棉(NC)属于军民两用材料，其生产工艺成熟、基本性能稳定，燃烧产物主要 为H20、C02及N2，对空气的污染比黑火药显著降低。将硝化棉(NC)纺制成丝作为烟花爆 竹引线的取代产品，既可满足烟花爆竹引线快速燃烧的要求，又可解决生产安全与使用环 保问题。目前检索到的相关文献资料主要是针对聚丙烯腈(PAN)等纤维进行纺丝。王延 相，彭公秋等([1]王延相，季保华，刘焕章.湿法纺聚丙烯腈原丝凝固过程的研究[J]功能 材料，9 (36)，2005:1439-1440. [2]彭公秋，温月芳，杨永岗，等.凝固浴条件对湿纺PAN初 生纤维截面形状和皮芯结构的影响[J].材料导报，23(1)，2009 41)研究了 PAN/二甲基亚 砜(DMSO)体系纺丝工艺的凝固过程。凝固速度受凝固浴温度的影响较大，浴温提高10°C， 扩散系数增加1. 5 2倍，凝同速度也提高1. 5 2倍。随着凝固浴温度的升高，纺丝原 液中的溶剂向凝固浴的扩散速率与凝固浴中的水向纺丝原液的扩散速率均提高。温度过低 (10°C )时，扩散系数较小，扩散速率较低，原丝内部因溶剂扩散不充分而形成皮芯结构，表 层硬度较小，截面坍塌而形成不规则的肾形；温度升高(60°C )，凝固速率逐渐增加，内部溶 剂扩散比较充分，表皮层的厚度与硬度均有所提高，内外部凝固速率差异较小而形成比较 规整的圆形截面，皮芯差异不明显，力学性能有显著提高。陈娟，王成国(陈娟，王成国.PAN 湿法纺丝中凝固成纤过程的研究进展[J].材料导报，2006，20 (9) 28)研究了 PAN纺丝原 液浓度对原丝力学性能的影响。在一定范围内，纺丝原液浓度越高，凝固过程中溶剂与固 化剂(水)的置换量越高，原丝结构也更加致密，对提高碳纤维的强度是有利的。浓度为 22% 35%时所得原丝力学性能好，浓度超过35%时，纺丝原液的粘度过高，易产生凝胶 化，纺丝的拉伸性和可纺性均有所下降；浓度低于22%时，原丝致密性降低，拉伸也不能提 高原丝的取向度。研究表明在22% 30%浓度范围内，原液可纺性随浓度的增加而提高， 原丝密度、均勻性和力学性能也相应提高。目前尚未发现国内外关于硝化棉(NC)纺丝研究的文献报道，也未发现烟花爆竹 引线取代产品研究的文献报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硝化棉(NC)的纺丝工艺，使所得硝化棉(NC)原丝在 力学性能、吸湿性能、燃速性能及燃烧产物的环保性等方面满足烟花爆竹引线的技术要求，从而取代纸引线在烟花爆竹中应用，解决纸引线的生产安全性与使用环保性问题。实现本发明目的的技术解决方案为一种硝化棉纺丝方法，将硝化棉、增塑剂和工 艺溶剂配制成纺丝原液后加入纺丝釜内，在充压氮气或压缩空气的压力作用下，纺丝原液 由纺丝釜上的喷丝孔挤出后在空气层受重力的拉伸形成原液细流，将原液细流放入凝固浴 中在双扩散作用下固化成硝化棉原丝，之后对硝化棉原丝卷绕、干燥，最后成型。该硝化棉 原丝作为烟花爆竹中的纸引线使用。本发明与现有技术相比，其显著优点(1)通过简单的工艺流程和方法实现了硝 化棉(NC)的连续纺丝，工艺简单、安全，硝化棉(NC)原丝质量和性能良好、稳定，具备了取 代烟花爆竹纸引线的技术条件。(2)可控制原液浓度适应不同季节不同环境温度的影响。 研究发现原液粘度是影响硝化棉(NC)纺丝连续性的关键因素，建立了原液浓度、温度与粘 度之间的关系，可根据环境温度的变化调整原液的浓度，不需要对原液进行恒温处理，有利 于降低生产成本。(3)直径为纸引线1/3左右的单根硝化棉(NC)原丝的力学性能与纸引线 相当，燃速略高于纸引线，可满足烟花爆竹引线的使用要求。(4)硝化棉(NC)原丝的吸湿性 为纸引线的1/3左右，点火燃烧可靠性明显提高。(5)硝化棉(NC)原丝与纸引线相比，燃烧 气体环境的透光率提高了 30%左右，悬浮物浓度明显减少，即硝化棉(NC)原丝燃烧产物的 环保性能比纸引线有明显提高。
附图1是本发明一种硝化棉纺丝方法的工艺流程图。附图2是不同规格硝化棉(NC)原丝与纸引线的吸湿率 时间关系图。附图3是不同规格硝化棉(NC)原丝与纸引线燃烧产物透光率 时间关系图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述。结合图1，本发明一种硝化棉纺丝方法如下以含氮量11. 5% 12. 5%的硝化 棉(NC)为主要原材料、用于提高硝化棉(NC)原丝柔韧性的酯类化合物邻苯二甲酸二辛酯 (DOP)或邻苯二甲酸二丁酯(DBP)为增塑剂，采用溶度参数与硝化棉(NC)接近且与水具有 良好互溶性的丙酮或四氢呋喃作为工艺溶剂，将硝化棉(NC)溶解形成纺丝原液后加入纺 丝釜，纺丝原液的配比为硝化棉(NC)质量为20% 30%，邻苯二甲酸二辛酯(DOP)或邻 苯二甲酸二丁酯(DBP)质量为硝化棉(NC)质量的10% 20%，其余为工艺溶剂。纺丝原液 在充压氮气或压缩空气的0. 2MPa 0. 5MPa压力作用下，由纺丝釜上直径为0. 5mm 1. Omm 的喷丝孔挤出后经过高度为60mm 160mm的空气层进入15°C 40°C的水介质凝固浴中， 原液细流在双扩散作用下经3min IOmin凝固成型，最后在(50士2) °C下烘干12h 24h 得到硝化棉(NC)原丝。硝化棉(NC)原丝的应用特性硝化棉(NC)原丝属于含能材料，燃烧速度快，燃烧 热效应高，应用于烟花爆竹取代传统的纸引线，吸湿性降低了 2/3左右，燃烧气体环境的透 光率提高了 30%左右，点火燃烧的可靠性与燃烧产物的环保性能明显提高。本发明将硝化 棉(NC)纺制成丝，目前主要的应用对象是用于取代现有烟花爆竹中的纸引线，可解决纸引 线的生产安全与使用环保问题。本发明的硝化棉(NC)纺丝工艺简单、安全，硝化棉(NC)原丝的质量和性能良好、稳定，具备了取代烟花爆竹纸引线的技术条件。与传统纸引线相比， 硝化棉(NC)原丝的吸湿性能和燃烧环保性均有显著提高，获得推广应用后将产生良好的 社会和经济效益。下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。实施例1 (1)按表1所示配方组成及其配比，在IOOOml烧杯中配制20%的A棉/丙酮/DOP 纺丝原液500ml，静置(24士2)h使硝化棉(NC)充分溶解；(2)在高150mm、内径IOOmm的纺丝釜底盖上按上喷丝孔直径为0. 7mm的喷丝头， 将纺丝釜置于铁架台上，通过铁架台的升降使空气层高度调整到(70士 10)mm;在铁架台下 放置长800mm宽350mm高250mm的凝固浴水槽，并装入2/3高度的自来水，水温(20 士 5) °C ；(3)将纺丝原液加入纺丝釜中，加盖并拧紧，连接充压氮气管接头；(4)开启氮气压力控制阀，逐渐调节压力至(0. 2士0. l)MPa，纺丝原液从喷丝头挤 出，并在重力下进入凝固浴水槽，原液细流在双扩散作用下凝固成型，手工牵丝至滚轮，调 整滚轮组合及滚轮间距使硝化棉(NC)原丝在凝固浴中的时间控制在(9士 l)min，硝化棉 (NC)原丝牵出凝固浴后进行卷绕；(5)将硝化棉(NC)原丝放入(50士2) °C烘箱内烘干(18士2)h。表1实施例1纺丝原液配方
组份名称丙酮A级NC (含氮量12.5%)DOP质量，％77203实施例2 (1)按表2所示配方组成及其配比，在IOOOml烧杯中配制25%的A棉/丙酮/DOP 纺丝原液500ml，静置(24士2)h使硝化棉(NC)充分溶解；(2)在高150mm、内径IOOmm的纺丝釜底盖上按上喷丝孔直径为0. 7mm的喷丝 头，将纺丝釜置于铁架台上，通过铁架台的升降使空气层高度调整到(100士 10)mm;在铁 架台下放置长800mm宽350mm高250mm的凝固浴水槽，并装入2/3高度的自来水，水温 (25 士 5)°C ；(3)将纺丝原液加入纺丝釜中，加盖并拧紧，连接充压氮气管接头；(4)开启氮气压力控制阀，逐渐调节压力至(0. 3士0. l)MPa，纺丝原液从喷丝头挤 出，并在重力下进入凝固浴水槽，原液细流在双扩散作用下凝固成型，手工牵丝至滚轮，调 整滚轮组合及滚轮间距使硝化棉(NC)原丝在凝固浴中的时间控制在(6士 l)min，硝化棉 (NC)原丝牵出凝固浴后进行卷绕；(5)将硝化棉(NC)原丝放入(50士2) °C烘箱内烘干(18士2)h。表2实施例2纺丝原液配方
组份名称丙酮A级NC (含氮量12.5%)DOP质量，％72.5252.5实施例3 (1)按表3所示配方组成及其配比，在IOOOml烧杯中配制25%的A棉/丙酮/DOP纺丝原液500ml，静置(24士2)h使硝化棉(NC)充分溶解；(2)在高150mm、内径IOOmm的纺丝釜底盖上按上喷丝孔直径为1.0mm的喷丝 头，将纺丝釜置于铁架台上，通过铁架台的升降使空气层高度调整到(150士 10)mm;在铁 架台下放置长800mm宽350mm高250mm的凝固浴水槽，并装入2/3高度的自来水，水温 (35 士 5)°C ；(3)将纺丝原液加入纺丝釜中，加盖并拧紧，连接充压氮气管接头；(4)开启氮气压力控制阀，逐渐调节压力至(0. 3士0. l)MPa，纺丝原液从喷丝头挤 出，并在重力下进入凝固浴水槽，原液细流在双扩散作用下凝固成型，手工牵丝至滚轮，调 整滚轮组合及滚轮间距使硝化棉(NC)原丝在凝固浴中的时间控制在(4士 l)min，硝化棉 (NC)原丝牵出凝固浴后进行卷绕；(5)将硝化棉(NC)原丝放入(50士2) °C烘箱内烘干(22士2)h。表3实施例3纺丝原液配方
权利要求
一种硝化棉纺丝方法，其特征在于将硝化棉、增塑剂和工艺溶剂配制成纺丝原液后加入纺丝釜内，在充压氮气或压缩空气的压力作用下，纺丝原液由纺丝釜上的喷丝孔挤出后在空气层受重力的拉伸形成原液细流，将原液细流放入凝固浴中在双扩散作用下固化成硝化棉原丝，之后对硝化棉原丝卷绕、干燥，最后成型。
2.根据权利要求1所述的硝化棉纺丝方法，其特征在于硝化棉的含氮量范围为 11. 5% 12. 5%，纺丝原液中硝化棉的质量含量为20% 30%。
3.根据权利要求1所述的硝化棉纺丝方法，其特征在于增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯 DOP或邻苯二甲酸二丁酯DBP中的任意一种或两者的混合，纺丝原液中增塑剂的含量为硝 化棉质量的10% 20%。
4.根据权利要求1所述的硝化棉纺丝方法，其特征在于工艺溶剂为丙酮或四氢呋喃 中的任意一种或两者的混合。
5.根据权利要求1所述的硝化棉纺丝方法，其特征在于充压氮气或压缩空气的压力 为 0. 2MPa 0. 5MPa。
6.根据权利要求1所述的硝化棉纺丝方法，其特征在于喷丝孔的直径为0.5mm 1. Omm0
7.根据权利要求1所述的硝化棉纺丝方法，其特征在于空气层高度为60mm 160mm。
8.根据权利要求1所述的硝化棉纺丝方法，其特征在于凝固浴介质为水，凝固浴温度 范围为15°C 40°C，凝固时间为3min lOmin。
9.一种基于权利要求1所述的硝化棉纺丝方法制备的硝化棉原丝的应用，其特征在 于该硝化棉原丝作为烟花爆竹中的纸引线使用。
全文摘要
本发明公开了一种硝化棉纺丝方法及应用，将硝化棉NC、增塑剂和工艺溶剂配制成纺丝原液后加入纺丝釜内，在充压氮气或压缩空气的压力作用下，纺丝原液由纺丝釜上的喷丝孔挤出后在空气层受重力的拉伸形成原液细流，原液细流进入凝固浴中在双扩散作用下固化成硝化棉原丝，经卷绕、干燥后成型。本发明所得硝化棉原丝在力学性能、吸湿性能、燃速性能及燃烧产物的环保性等方面满足烟花爆竹引线的技术要求，从而取代纸引线在烟花爆竹中应用，解决纸引线的生产安全性与使用环保性问题。
文档编号D01D1/02GK101956239SQ20101024172
公开日2011年1月26日 申请日期2010年8月2日 优先权日2010年8月2日
发明者刘波, 力小安, 邓辉平, 黄振亚 申请人:南京理工大学