一种纤维素溶液的制备工艺及其设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于纤维素领域，尤其是涉及一种纤维素溶液的制备工艺及其设备。
【背景技术】
[0002] 纤维素纤维因其原料可再生，性能优异、应用广泛等特点，受到人们的青睐，然而 目前纤维素纤维的加工工艺仍以传统的黏胶法为主，该工艺在生产过程中对环境的污染逐 渐受到人们的重视，因此亟需开发绿色环保的加工工艺。上世纪90年代，以有机溶剂N-甲 基吗啉-N-氧化物（NMM〇)直接溶解纤维素制备原液纺丝的加工工艺彻底解决了黏胶法的 环境污染问题，而以该工艺制备的纤维，经BISFA(国际人造纤维标准化局）命名为Lyocell 纤维。
[0003] 以NMM0水溶液溶解纤维素制备Lyocell纤维过程中，NMM0对于纤维素的溶胀、溶 解过程及效果直接关系到纺丝的稳定性以及最终产品的性能，而纺丝原液的浓度高低，以 及工艺过程是否节能，直接关系到该工艺技术的经济效益。鉴于纺丝原液在lyocell纤维 制备过程中的重要性，一种节能高效制备均匀高浓纤维素纺丝原液的方法尤为重要。
[0004] 制备纤维素溶液，需要在不同的设备中经历浆柏与NMM0的混合、溶胀、溶解几个 阶段，针对这几个阶段以及整个溶胀溶解过程，不同专利中描述了不同的溶胀溶解方法以 及设备。
[0005] CN1635203A、CN1981075A、CN1635203A 公布的 Lyocell 纤维制备方法中，均是采用 活化酶活化处理后的浆柏与NMM0进行混合溶胀，再经过减压脱水溶解成纺丝液。
[0006] CN1468889A公布了 一种纤维素溶液的制备方法，其特征在于，采用直径不超过 lOOOum的纤维素粉，浓度88%的NMM0在双螺杆挤出机中经加热、混合、捏合、溶解、匀化制 备纤维素溶液。
[0007] CN1157012A公布了一种生产纤维素薄膜和纤维的装置和一体化工厂，其中纤维素 溶液的制备采用双薄膜蒸发设备串联，对浆柏和NMM0的混合液进行减压加热分别实现溶 胀和溶解，制得纤维素溶液。
[0008] 现有的制备纤维素溶液的主要方法，对于浆柏，有采用活化或不活化的方式；对 于溶剂，有高浓度和一定浓度的区分，对于浆柏和溶剂的混合溶胀溶解过程，有分开实 施，也有在同一设备中完成的方式。目前已公开并工业化实施的方法中，如CN1635203A、 CN1981075A、CN1635203A均采用高浓度的NMM0(80-86. 7% )，与活化后的浆柏在混合设备 中混合溶胀再经薄膜蒸发设备溶解，虽可以在一定程度上减少凝胶粒子的产生，但是活化 后的浆柏引入了大量水分，存在重复蒸发的能耗问题，而且高浓溶剂的蒸发储存输送等环 节均存在一定的安全风险。而粉碎普通浆柏与高浓NMM0在螺杆挤出机中混合溶胀溶解虽 然可避免活化过程水分引入的问题，可是对粉碎粒度要求太高，难以大规模实施，而且粉碎 过程粉尘污染问题也难以遏制。此外，采用适宜溶胀的高浓NMM0,在混合溶胀过程中由于溶 胀度高和浴比较小的问题，难以实现高浓（12%-15%)均一纺丝液的制备。而采用一定浓 度的NMM0与浆柏混合，通过双薄膜蒸发器来分别实现浆柏的溶胀和溶解过程，该方法在理 论上运用较低浓度的NMMO,可有效解决高浓纺丝液制备中的浴比不足导致的均一性问题， 然而，该方法在实际实施过程中，混合液在第一级薄膜蒸发设备中进行减压脱水溶胀时，存 在混合液难以成膜，固相掉落，液相沿壁流下的分相问题，难以保证预溶解液的均一性。
【发明内容】
[0009] 本发明旨在对目前的纤维素混合溶胀溶解工艺进行改进，解决现有技术工艺流程 中高浓NMM0与活化后浆柏混合溶胀溶解过程中存在的混合均匀与溶胀充分的矛盾以及能 耗问题，采用较低浓度的NMM0以及未经活化处理的浆柏在线连续制备高浓度的均匀纺丝 液。
[0010] 本发明的技术方案是：
[0011] 一种纤维素溶液的制备工艺，包括如下步骤：
[0012] (1)将纤维素浆柏与70-100°C的NMM0水溶液均匀混合得到预混合液，所述NMM0 水溶液的质量为纤维素浆柏质量的5-10倍，所述NMM0水溶液中水与NMM0的质量比为 28:72-60:40 ；
[0013] (2)将预混合液蒸发脱水得到预溶胀液，预溶胀液中水与NMM0的质量比为 16:84-28:72 ；
[0014] (3)将预溶胀液置于溶胀釜中保温，充分溶胀得到溶胀液；
[0015] (4)将溶胀液减压蒸发脱水溶解得到纤维素溶液。
[0016] 所述纤维素浆柏为干切浆柏、干撕浆柏，也可以为湿粉碎浆柏；纤维素浆柏的种类 包括但不限于木浆柏、竹浆柏和棉浆柏中的一种或几种。
[0017] 本发明选用较低浓度的NMM0与未经活化处理的浆柏在线连续混合，混合后的预 混合液在蒸发脱水设备中脱水到适宜溶胀的NMM0浓度，然后在此条件下充分溶胀，经均匀 混合和充分溶胀后的预溶液再经薄膜蒸发设备减压蒸发脱水溶解，制得浓度12-15%的溶 解均匀、一致性优异的纤维素溶液。
[0018] 本发明研究人员在研究中发现，采用70-100°C较低浓度的NMM0水溶液与纤维素 浆柏混合，能够使纤维素浆柏迅速均匀地分散在NMM0水溶液中，保证了浆柏与NMM0溶液混 合的均匀性，为纤维素浆柏的充分溶胀溶解奠定了基础。但在较低浓度的NMM0水溶液中， 纤维素浆柏溶胀不充分，本发明通过减压蒸发脱水将NMM0浓度提升至适合溶胀的范围内， 在较低的温度下，较短的时间内使纤维素浆柏溶胀充分，有利于纤维素溶液的连续大规模 生产。
[0019] 该工艺过程有效保证了混合的均匀性和溶胀的充分性，解决了高浓纤维素溶液制 备过程中混合均匀与溶胀充分之间的矛盾，避免了溶解过程中大量凝胶粒子的生成，挺高 了纤维素溶液的纺丝稳定性，减轻了纺丝过滤设备的压力，而选用未经活化的浆柏，避免了 重复蒸发带来的能耗问题。
[0020] 所述步骤（1)中NMM0水溶液中水与NMM0的质量比为28:72-50:50 ;
[0021] 优选所述步骤（1)中NMM0水溶液中水与NMM0的质量比为28:72-35:65。
[0022] 所述步骤（2)预溶胀液中水与NMM0的质量比为18:82-27:73 ;
[0023] 优选步骤（2)预溶胀液中水与NMM0的质量比为19:81-25:75。
[0024] 所述步骤⑴中所述NMM0水溶液的质量为纤维素浆柏质量的8-10倍，所述NMM0 水溶液的温度为80-90 °C。
[0025] 所述步骤（1)中将纤维素浆柏与NMM0水溶液均匀混合为将纤维素浆柏与NMM0水 溶液加入到连续混合设备中，在60-180m/min的搅拌线速度下连续混合5-30min。
[0026] 所述步骤（2)中，所述蒸发脱水为减压蒸发脱水，所述脱水压力为4-10kPa，所述 脱水温度为80-110 °C。
[0027] 采用减压蒸发脱水能够降低脱水温度，提高脱水效率，有利于整个纤维素溶液制 备的连续进行。
[0028] 所述步骤（3)中所述溶胀釜内的温度为55_95°C，预溶胀液在溶胀釜内停留时间 为3-60min充分溶胀得到溶胀液；
[0029] 优选所述步骤（3)中所述溶胀釜内的温度为65_95°C，预溶胀液在溶胀釜内停留 时间为l〇_45min充分溶胀得到溶胀液；
[0030] 更优选所述步骤（3)中所述溶胀釜内的温度为75-85°C，预溶胀液在溶胀釜内停 留时间为15_30min，充分溶胀得到溶胀液。
[0031] 本发明预溶胀所采用的溶胀设备为水平流搅拌式溶胀釜，以利于纤维素浆柏具有 相同的溶胀停留时间，有利于纤维素溶液的连续制备且所制备的溶胀液溶胀充分均匀。
[0032] 所述步骤（4)中所述减压蒸发脱水溶解为薄膜蒸发脱水溶解，所述脱水温度为 100-150°C，脱水压力为4-10kPa，刮膜线速度为2-6m/s。
[0033] -种纤维素溶液的连续制备设备，包括通过管路依次相连的连续进料设备、连续 混合机、连续减压加热设备、溶胀釜和薄膜蒸发溶解设备，所述连续进料设备包括浆柏连续 进料装置和NMM0水溶液连续进料装置，浆柏连续进料装置和NMM0水溶液连续进料装置分 别与连续混合机的进料端相连接。
[0034] 所述连续混合机为单轴式连续混合机、双轴式连续混合机或双螺杆捏合式连续混 合机等具有连续混合功能的设备，可实现NMM0与纤维素浆柏的快速充分混合，混合后得到 预混合液。
[0035] 所述连续减压加热设备为配置抽真空加热装置的连续混合机。
[0036] 所述连续减压加热设备可使预混合液得到进一步强烈的搅拌混合，该设备中的搅 拌部件可通过接触面对预混合液进行加热，并在一定的真空下对其进行减压脱水，直至将 预定量的水分蒸发出来，使NMM0的浓度达到最佳的溶胀浓度范围，得到预溶胀液。
[0037] 溶胀釜可使NMM0浓度达到