[发明专利]纤维素的化学改性及连续式低温溶解纺丝工艺和设备

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料的新型绿色加工领域，涉及纤维素的高效低温溶液纺丝，尤其是涉及一种纤维素的高剪切化学改性及其连续式低温溶解纺丝工艺及设备。

背景技术

纤维素是天然高分子化合物，高等植物的细胞壁一般都含有纤维素，其中棉花中纤维素含量为88%-96%，木材、甘蔗渣中纤维素含量为50%左右。与其它高分子相比，纤维素分子的重复单元简单而均一，分子表面比较平整，使其易于长向伸展，而且吡喃葡萄糖环上有反应性较强的羟基，使分子内和分子之间容易形成氢键，导致纤维素具有高结晶度和难溶难融等特点，多年来，人们一直尝试利用纤维素羟基一系列的化学反应，试图降低纤维素分子间作用力，但是这些反应大多在多项介质中进行，然而纤维素分子内和分子间氢键的作用，造成了多相反只能在纤维素的表面进行。

近年来，含咪唑阳离子的离子液体被发现不仅可以作为纤维素的优良溶剂，而且还是优良的纤维素反应介质，但是纤维素在离子液中的溶解度较低，这就需要加入大量的离子液才能使纤维素完全溶解，可见这种均相反应只适用于在烧杯中加热、加压或者微波辐射，这种纤维素的间歇改性法限制了其在工业化生产的应用。如果利用双螺杆挤出机的强剪切作用，提高离子液体向纤维素分子内部扩散的速度，那么就能大大提高纤维素在离子液体中的溶解效率。这样，通过选择合适的挤出温度和螺杆转速，只加入少量的离子液体也能实现纤维素在挤出过程中的原位改性。

近年来，为了开发高效绿色环保的纤维素纤维生产技术，世界各国都在研究相应的新型专用加工技术及装备，努力实现绿色化加工、节能降耗，促进生物质再生纤维加工主体技术向集成化、连续化、自动化方向发展。其中，将纤维素溶解在低温碱/尿素组合溶液中进行纺丝得到的再生纤维素纤维引起了国内外专家的高度重视。低温碱尿素纤维素纤维在我国报道已有中试线，但是受到纤维素本身结构的限制，纤维素在低温碱/硫脲/尿素溶液中的溶解度并不高，只有5%左右，而且容易发生凝胶，也受到设备、工艺的限制，加工过程复杂，生产能耗很大，这是现在制约低温溶解法制备纤维素纤维的两大主要原因。

如果利用双螺杆挤出机的强剪切作用，提高低温碱溶液向纤维素分子内部扩散的速度，也能大大提高纤维素的溶解效率。再进一步使用上述提到的改性后的纤维素作原料进行低温溶解，那么纤维素溶液的固含量将得到显著提高，这一环保绿色低碳的工业化纤维素纤维制备新方法，可以最大程度地减少生产对环境的危害和对能源的需求，为纤维行业的可持续发展做出重要贡献。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维素的高剪切化学改性及其连续式低温溶解纺丝工艺及设备。采用该连续式设备制备改性纤维素及其纤维不仅缩短了纤维素的溶解、纺丝时间，而且在挤出机强大的剪切力作用下使物料的混合、溶解更加充分，对于实现纤维素的低温溶纺工程化、产业化生产意义重大。

为了达到上述目的，本发明提供了一种纤维素的化学改性及连续式低温溶解纺丝设备，其特征在于，包括化学改性装置和连续式低温溶解纺丝装置，所述的化学改性装置包括纤维素计量泵、离子液体计量泵、小分子计量泵、混合釜、原料计量泵、双螺杆挤出机、水槽和粉碎机;所述的连续式低温溶解纺丝装置包括纤维素计量泵、溶剂计量泵、混合釜、原料计量泵、双螺杆挤出机和纺丝组件，所述的纺丝组件包括喷丝口、第一凝固浴槽、第二凝固浴槽和水槽。

优选地，所述的连续式低温溶解纺丝装置的双螺杆挤出机各段上的控温器连接低温冷却循环泵，低温冷却循环泵连接冷冻机。上述结构可以准确调控挤出机各区域的温度。

本发明还提供了一种纤维素的化学改性及连续式低温溶解纺丝方法，其特征在于，具体步骤包括:

第一步:将纤维素真空干燥后，与离子液体和改性小分子按配比混合均匀，所得混合物采用双螺杆挤出机挤出，将挤出产物依次用水和乙醇溶剂洗涤，干燥，粉碎后得到改性纤维素粉末;

第二步:将第一步所得的改性纤维素粉末与溶剂按配比加入到混合釜中，常温下搅拌混合均匀后采用双螺杆挤出机挤出、脱泡、过滤后，进入纺丝组件，由纺丝组件的喷丝口喷出，所得纤维依次进入第一凝固浴槽和第二凝固浴槽中迅速凝固拉伸成固体，再经过水槽水洗后缠绕成改性纤维素纤维。

优选地，所述第一步中的纤维素为棉纤维素，聚合度在300-600，其干燥温度为50-80℃，真空度为90～130Pa，时间为12-36h。