СПОСОБ РАФИНИРОВАНИЯ НИТИ ИЛИ ПРЯДИ
METHOD FOR REFINING THREAD OR SLIVER

Настоящее изобретение относится к способу рафинирования нитей или прядей, к насадке рафинера и к рафинеру, содержащему упомянутую насадку.
Мягкая масса, такая как полипарафенилин-терефталамидная (ППТА) масса, может быть приготовлена с помощью так называемого рафинирования, включающего в себя обрезку волокна для достижения желаемой длины волокна, сопровождаемую фибрилляцией волокна для придания ему лохматого или пушистого вида.
В настоящее время рафинирование волокна требует предварительной обработки волокна, в которой (полу)непрерывное волокно предварительно нарезается для получения индивидуальных фрагментов волокна подходящего короткого. размера, чтобы дать возможность приготовить жидкую суспензию. Типично, в процессе прядения получается влажное волокно. Предварительная обработка нарезкой требует, чтобы волокно было высушено, поскольку нарезка влажного (невысушенного) волокна неосуществима, потому что ножи могут легко сломаться. Это является недостатком не только по экономическим причинам, но и поскольку хорошо известно, что свойства продукта (мягкой массы) улучшаются при использовании «невысушенного» волокна в качестве основного материала. Согласно известным способам очищения после сушки и нарезки предварительно нарезанные волокна на время помещаются в жидкость и получающаяся в результате суспензия централизованно подается в рафинер.
Было бы желательно освободиться от этапа сушки, который необходим для того, чтобы позволить предварительную нарезку волокна. Также было бы желательно исключить этап предварительной нарезки, поскольку высокоскоростная нарезка сухого волокна трудна и режущие ножи сильно изнашиваются. В дополнение, некоторые техники нарезки могут вызвать нежелательные эффекты, такие как агломераты волокна.
Исходя из вышеизложенной необходимости настоящее изобретение раскрывает способ, в котором сушка и предварительная нарезка волокна, такого как нити или пряди, не являются необходимыми условиями для практического исполнения. Изобретение преимущественно позволяет очищать влажные невысушенные нити или пряди, содержащие невысушенное волокно, получаемое напрямую после процесса прядения.
Таким образом, с одной стороны, настоящее изобретение предоставляет способ рафинирования нитей или прядей, имеющих длину, по меньшей мере, 1 м, включающий в себя этап подачи нитей или прядей и жидкости внутрь рафинера, который содержит насадку рафинера, имеющую корпус, окружающий центральное отверстие, и как минимум один вход для нитей или прядей. Нити или пряди, таким образом, не подаются в рафинер в виде суспензии из коротких фрагментов нитей или прядей.
В уровне техники известны способы очистки мягкой массы. В US 5687917 описаны рафинер и способ для производства очищенной мягкой массы с помощью воздействия механических сил на волокна мягкой массы. Аппарат содержит элемент конструкции, имеющий множество дренажных каналов, каждый из которых имеет входное и выходное отверстия соответственно. Входные отверстия расположены со стороны мягкой массы, а выходные отверстия расположены на дренажной стороне элемента конструкции, так что вода, изгоняемая из волокон мягкой массы при воздействии на них со стороны мягкой массы, поступает во входные отверстия. Эти отверстия не подходят для направления нитей или прядей в рафинер, потому что входные отверстия расположены на несоответствующей стороне рафинера, а также потому что эти отверстия меньше 1 мм и поэтому слишком малы, чтобы использовать их в качестве отверстий для нитей или прядей.
В DE 10031655 был раскрыт способ производства частиц целлюлозы посредством рассеивания раствора целлюлозы в осаждающем веществе, в дополнение к устройству для осуществления данного способа. Устройство отличается тем, что содержит дисковый рафинер, который имеет осевые шпуры (скважины) в диске статора и пластину для введения осаждающего вещества. Эти шпуры используются для введения осаждающей жидкости, а не для введения нитей или прядей, а также не содержат наклонного ската для направления нитей или прядей из входного отверстия к поверхности насадки рафинера.
Нити или пряди, используемые согласно данному изобретению, включают в себя нити или пряди в виде мотков длинной полимерной нити такой же длины. Предпочтительно, чтобы нить была длиной минимум 1 м, но лучше, если много длиннее, по меньшей мере 10 м, а еще предпочтительнее от 100 м. Нить может быть скручена или не скручена. В другом варианте осуществления данного изобретения прядь в виде мотков дублирующей нити имеет ту же или другую длину, например, варьирующуюся от 30 до 1000 мм. Такое волокно называется прядью. Хотя индивидуальные нити могут быть много короче, прядь имеет длину как минимум 1 м, лучше, если от 10 м, и лучше всего, если от 100 м.
Нить или прядь, в принципе, может быть любой: натуральной, с включениями целлюлозы, конопли, хлопка или шерсти или искусственной - арамидной, полиамидной, полиэстерной или полиакрилонитриловой (PAN). Предпочтительно, чтобы нить или прядь были арамидные, а лучше, если полипарафенилин-терефталамидной (ППТА) нитью или прядью.
Нить или прядь и жидкость подаются вместе в рафинер таким образом, чтобы гарантированно направить нить или прядь одной струей внутрь рафинера и к поверхности насадки рафинера и чтобы суспензия из фрагментов нитей или прядей покинула рафинер с внешней стороны рафинера, эта суспензия содержит должным образом нарезанные и фибриллированные фрагменты нити или пряди. Скорость, с которой нить или прядь подается в рафинер, обычно будет зависеть от толщины нити или пряди и может быть легко отрегулирована специалистом для получения требуемого материала мягкой массы. Скорость можно устанавливать путем регулирования скорости вращающегося контрдиска (ротора) рафинера и/или, по желанию, посредством использования устройства подачи, такого как двойная роликовая система вынужденного транспортирования.
Нить или прядь может подаваться внутрь рафинера по центру. Следует позаботиться о том, чтобы скорость подачи нити или пряди в рафинер была таковой, чтобы происходило адекватное перемещение нити или пряди и неочищенные нити или пряди не скапливались внутри рафинера.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения нить или прядь подается в рафинер эксцентрически. Термин «эксцентрический» означает, что вход расположен не в центре кругового рафинера, а на определенном расстоянии от него. Эксцентрическая подача, например, может быть произведена через вход, расположенный в насадке рафинера. Такое расположение входа для нити или пряди в насадке рафинера преимущественно гарантирует более легкое перемещение нити или пряди внутрь рафинера и к поверхности насадки рафинера и снижает риск скапливания нити или пряди в рафинере.
В особенно предпочтительном варианте осуществления нить или прядь подаются в рафинер через вход, который расположен в насадке рафинера, как предусмотрено в следующем аспекте данного изобретения, чтобы имелся наклонный скат на изливной стороне входа, этот наклонный скат служит для направления нити или пряди из входного отверстия к поверхности насадки рафинера.
Жидкость, которая подается в рафинер, может быть любой жидкостью, подходящей для облегчения перемещения нити или пряди и/или для выполнения функции охлаждающей жидкости. Количество жидкости, подающейся в рафинер, зависит, в числе прочего, от размеров используемого оборудования. Типично, в рафинер подается такое количество жидкости, которое дает возможность получать 0,1-10% суспензию (весовое соотношение) из нитей или прядей. Если входное отверстие для нити или пряди расположено в рафинере не по центру, вполне возможно, чтобы часть жидкости подавалась в рафинер через входное отверстие и часть - центрально внутрь рафинера. Предпочтительно, подаваемая в рафинер жидкость является водой. В предпочтительном варианте осуществления вода подается в рафинер с помощью одной или более водяных форсунок. Эти водяные форсунки сконструированы с тем, чтобы направить струи воды в рафинер, и вода из них имеет такую скорость, что благодаря тому, что вода идет под давлением, она несет нити или пряди к входу в рафинер. Это позволяет беспрепятственно перемещать нити или пряди в рафинер. Скорость воды в подаваемом направлении, следовательно, по меньшей мере, настолько же велика, насколько скорость подачи нитей или прядей, но обычно выше.
Изобретение преимущественно позволяет добавлять определенные добавки к жидкости, подаваемой в рафинер. Таким образом, в варианте осуществления согласно изобретению жидкость, подаваемая в рафинер, содержит аппрет. Типичный аппрет - это масляный материал, который может применяться в качестве вспомогательного средства при обработке и/или для улучшения функциональных свойств очищенной мягкой массы. Подходящие для использования в качестве аппрета составы - это, например, сложные эфиры этоксилированных жирных кислот и смеси этоксилированного спирта, пропоксилированного спирта (спирты типа бутанола) и этоксилированных и пропоксилированных жирных спиртов. Для примера, аппрет улучшает гладкость мягкой массы и/или улучшает ее изолирующие и/или антистатические свойства. Однако для случаев применения, когда содержимое аппрета должно быть ниже или когда лучше, чтобы аппрет отсутствовал, настоящее изобретение преимущественно позволяет улучшать качество нити или пряди без добавления какого-либо аппрета. Например, низкий или даже нулевой уровень аппрета является преимуществом для применения в фармакологии, пищевой и бумажной отраслях.
В другом варианте осуществления согласно изобретению в качестве добавки может быть добавлен нейтрализующий агент, например, для нейтрализации остатков кислот, которые присутствуют в арамидных нитях или прядях как остатки производственного процесса. Жидкость может также содержать смеси из добавок.
В дальнейшем аспекте настоящее изобретение обеспечивает способ подготовки мягкой массы, включающий в себя ранее упомянутый способ рафинирования. Суспензия, полученная в этом способе, может быть далее обработана с целью получения мягкой массы или массоподобного материала, который можно использовать в самых разнообразных целях. Дальнейшая обработка может включать этапы удаления воды и/или сушки, как известно в уровне техники.
В другом варианте осуществления суспензия из нити или пряди, полученная в процессе рафинирования, подается в другой рафинер, то есть подвергается обычному рафинированию, включающему подачу суспензии из нити или пряди в упомянутый другой рафинер.
Также в дальнейшем аспекте настоящий способ использует насадку рафинера, содержащую корпус, окружающий центральное отверстие, этот корпус содержит активную рафинирующую поверхность и болтовые отверстия для установки насадки рафинера в рафинере, отличающийся тем, что корпус дополнительно содержит, по меньшей мере, один вход для нити или пряди, подаваемых в рафинер. Центральное отверстие может использоваться для введения мягкой массы в рафинер. В некоторых случаях возможно также, чтобы мягкая масса покидала рафинер через центральное отверстие. Вход для подаваемой в рафинер нити или пряди преимущественно имеет диаметр и форму, а также расположение в насадке рафинера, которые подходят для направления нити или пряди внутрь рафинера и к активной поверхности насадки рафинера и для гарантии того, что мягкая масса, покидающая рафинер, должным образом нарезается и фибриллируется.
Насадка рафинера может содержать один или множество входов для нити или пряди, например от 1 до 5 входов или больше.
Вход может быть расположен в корпусе насадки рафинера в любом месте, что гарантирует соответствующую обработку нити или пряди до мягкой массы. Расположение входа для нити или пряди может зависеть от расположения выхода для мягкой массы. Например, если мягкая масса покидает рафинер снизу, местонахождение входа для нити или пряди может быть ближе к внутреннему краю, чем к внешнему краю насадки рафинера, для того чтобы нить или прядь должным образом контактировали с лопастями насадки рафинера, расположенными на поверхности.
В другом варианте осуществления данное изобретение также имеет отношение к насадке, в которой вход для нити или пряди включает в себя входное отверстие и наклонный скат на изливной стороне входа на активной поверхности насадки рафинера. Наклонный скат устроен таким образом, что он служит для направления нити или пряди из входного отверстия к лопастям насадки рафинера, расположенным на поверхности.
Настоящее изобретение иллюстрируется фигурами.
Фиг.1 показывает часть насадки рафинера.
Фиг.2 показывает поперечное сечение рафинера, включающего в себя насадку рафинера с фиг.1.
Фиг.1 показывает часть насадки рафинера, содержащей входное отверстие 1 и наклонный скат 2. Полностью насадка может представлять собой диск круглой формы. Отверстие 3 является болтовым отверстием для установки насадки рафинера в рафинере. Насадка рафинера обычно содержит различные отверстия 3 для надежного крепления насадки внутри рафинера. Насадка рафинера может содержать более чем одно входное отверстие 1, предпочтительно, чтобы эти входные отверстия были снабжены наклонными скатами 2, наклонный скат служит для направления нити или пряди от входного отверстия к поверхности насадки рафинера. Однако использование таких скатов необязательно, и насадки, имеющие входные отверстия без скатов, также могут быть использованы. Не считая отверстий 1 со скатами 2, насадки рафинера широко известны в уровне техники. Рафинер может быть статор-ротаторного типа, предпочтительно с одним диском, конического, триконического или папиллонного типа. В рафинере статор-ротаторного типа насадка рафинера данного изобретения является диском статора. Примером рафинера согласно данному изобретению служит рафинер, показанный на фиг.2. Этот рафинер включает в себя диск 8 статора с входом 1 для нити или пряди 5 и воды 6. В этом варианте осуществления вода может также поступать через центральное отверстие 7. Суспензия из нити или пряди покидает рафинер через выход 10 самотеком под действием силы тяжести. Рафинер также содержит вращающийся контрдиск или ротор 9.
Процесс очищения согласно данному изобретению приводит к получению мягкой массы с улучшенными свойствами и увеличенной производительностью в различных областях применения. Например, мягкая масса имеет низкое содержание ионов, улучшенную способность к высыханию и/или низкое содержание аппрета. Следовательно, данное изобретение также имеет отношение к способу производства фрикционных материалов, бумаги или уплотнителя, где массоподобные волокна данного изобретения применяются в общепринятом смысле для создания фрикционных материалов, бумаги или уплотнителя, и к этим материалам как таковым. Применяемая в бумажной отрасли мягкая масса дает в результате улучшенную ретенцию насадки, прочность уплотнителя и бумаги. В дополнение, бумага менее пористая и имеет хорошую производительность обработки и механические показатели относительно истирания.
Примеры
Оборудование
- 12-дюймовый однодисковый лабораторный рафинер Sprout Waldron,
- питание: 50 кВт,
- рабочее питание: 5-25 кВт,
- 1500 об/мин (скорость вращения диска),
- схема насадки типа Andritz D2A504,
- диаметр входного отверстия в диске статора: 11 мм,
- длина входного отверстия 25 мм, ширина от 11 (в начале прорези отверстия) до 22 мм (в конце прорези) и угол около 15°.
Общие условия процесса
- Центральный поток воды: 100 л/мин.
- Эксцентрический поток воды (подается вместе с нитью или прядью во входное отверстие): 0,1-1,0 л/мин.
- Температура воды: 20°С.
Методика теста
Измерение длины нити или пряди
Измерение длины нити или пряди было выполнено с использованием прибора Pulp Expert™ FS (бывший Metso). В качестве длины были приняты средняя длина (СД), длина, утяжеленная по длине (ДД), длина, утяжеленная по весу (ВД). Нижний индекс 0,25 означает относительную величину для частиц с длиной более 250 микрон. Количество мелких частиц было определено как доля частиц, имеющих длину, утяжеленную по длине (ДД), менее 250 микрон. Данный прибор был откалиброван с помощью образца с известной длиной нити или пряди. Калибрование было выполнено с использованием коммерчески доступной мягкой массы, как отображено в таблице 1.
Таблица 1
Коммерчески доступные образцы
СД, мм
ДД, мм
ВД, мм
СД<sub>0,25</sub>, мм
ДД<sub>0,25</sub>, мм
ВД<sub>0,25</sub>, мм
Мелкие частицы, %
А
0,27
0,84
1,66
0,69
1,10
1,72
26,8
В
0,25
0,69
1,31
0,61
0,90
1,37
27,5
С
0,23
0,78
1,84
0,64
1,12
1,95
34,2
A Kevlar 1F539, тип 979, брикет 102401587
В Twaron 1095, груз 315200, 24-01-2003
С Twaron 1099, сер. номер 323518592, арт. номер 108692
Параметр Шоппера-Ригера (SR) (EN ISO 5267-1:2000)
2 г (сухой вес) невысушенной мягкой массы из нити или пряди были рассеяны в 1 л воды в течение 250 тактов в дезинтеграторе Лорентца-Уеттра (Lorentz and Wettre). Получен хорошо раскрываемый образец. Измерялась величина параметра Шоппера-Ригера (SR). (EN ISO 5267-1:2000).
Определение площади удельной поверхности (ПУП)
2
Площадь удельной поверхности (м/г) определялась с использованием адсорбции азота методом BET для площади удельной поверхности с помощью устройства Tristar 3000 производства компании Micromeretics. Образцы сухой мягкой смеси из нити или пряди были высушены при 200°С в течение 30 минут при поливке азотом.
Прочность бумаги
2
Контрольные листы (300 г/м) были сделаны из 80% мягкой массы Twaron и 20% латекса. Индекс предела прочности при растяжении (нм/г) измерялся согласно ASTM D828 и Tappi Т494 om-96 на высушенной бумаге (120°С), ширина образца которой 15 мм, длина образца 100 мм и скорость тестирования 10 мм/мин при условиях 21°С и 65% относительной влажности.
Ретенция насадки
Смесь из 97% каолина (Laude SP 20) и 3% мягкой массы Twaron была приготовлена в высокоскоростном вертикальном миксере. 20 г смеси были просеяны через решето фильтровального устройства с использованием ячеек решета размером 250. Определялся остающийся на решете материал как процент от первоначального количества.
Коэффициент прочности Грина
2
Смесь из 97% каолина (Laude SP 20) и 3% мягкой массы Twaron была приготовлена в высокоскоростном вертикальном миксере. 10 г смеси были сформованы под давлением 70 бар в стержень толщиной от 7,5 до 11,0 мм и шириной 15 мм. Стержень был сломан в тестере на ударную вязкость с помощью маятникового копра перпендикулярно его главной оси. Коэффициент прочности Грина измеряется в мДж/мм.
Прочность уплотнителя
Лист уплотнителя был подготовлен на двух роликовых лощильных прессах при определенных условиях. В состав уплотнителя входит бутадиенакрилонитрильный каучук (NBR), неорганические наполнители и 12% мягкой массы Twaron. Индекс предела прочности при растяжении этого уплотнителя определялся согласно DIN 52910 продольно и поперечно к направлению ролика. Индекс предела прочности измеряется в МПа.
Пример 1
Этот пример описывает 4 эксперимента. В этих экспериментах 4 разных сырых материала были переработаны в мягкую массу. Различными сырыми материалами были сухие и влажные (невысушенные) нити или пряди. Условия и результаты очищения согласно данному изобретению показаны в таблице 2. Результатом данного процесса очищения стали нити или пряди различной длины, на время помещенные в воду. Эта суспензия из нити или пряди подверглась дальнейшей обработке, которая сравнима с обычной процедурой очищения, когда суспензия из нити или пряди подается в рафинер. Условия и результаты этой обработки показаны в таблице 3. Результатом данной обработки стала мягкая масса, сравнимая с коммерческой мягкой массой. Эксперименты проводились с использованием опытного (лабораторного) рафинера.
Измерения, проведенные по отношению к полученной мягкой массе, показывают, что использование невысушенных нитей улучшает качество мягкой массы. Величины SR и прочности бумаги выше, что является важным для применения в бумажной отрасли. Величина ретенции насадки выше, что является важным для применения фрикционных материалов. Варианты применения уплотнителя показывают более высокую прочность уплотнителя.
Таблица 2
Свойства до рафинирования
Свойства после прямого очищения
№ эксп.
Сырой материал Twaron
Линейная плотность
Диаметр мотка (мм)
Сухие частицы (%)
Скорость на выходе (м/мин)
Площадь удельной поверхности
Длина нити или пряди
Удельная энергия рафинера
ПУП (м<sup>2</sup>/г)
ДД<sub>0,25</sub> (мм)
УЭ (кДж/кг)
1
Влажная нить
1680 дтекс
0,8
45
900
2,02
1,61
2520
2
Сухая нить
1680 дтекс
0,5
95
900
2,86
1,48
1770
3
Влажная прядь
4 ктекс
8
30
30
0,56
1,84
1890
4
Сухая прядь
4 ктекс
8
95
60
0,67
1,80
1800