温度对溶胀工艺的影响分析

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：温度对溶胀工艺的影响与NMMO浓度对溶胀工艺的影响不同，NMMO浓度的变化对其溶胀程度的影响有一个明显的拐点，当NMMO水溶液的浓度低于一定值时，其自身的性质就决定了不具备有效溶解纤维素的能力，溶胀能力也大幅度下降。

自然界中的一切物质的分子都处于运动状态，分子的运动与温度相关，温度越高，分子运动越快，分子热运动越激烈，扩散越快。因此，溶胀的过程与温度有密切的关系。

讨论温度对溶胀工艺的影响时，常常有不同的结论，有些实验结果表明，在各种不同温度下达到最大纤维素溶胀量各有不同；有些实验结果又表明，温度仅对其溶胀速度产生影响，而最终都能够达到基本相同的溶胀量。所以有上述不同的结论，可能与其选用的实验条件相关。NMMO溶液的浓度范围是一个重要因素，NMMO浓度过低时，NMMO对外不能提供足够的生成氢键的条件，即便温度升高也只能产生有限的溶胀效果；相反，当采用很高浓度的NMMO的水溶液和很高的溶胀温度时，会导致纤维表面层迅速溶解，溶解层严重阻碍了溶剂进一步进入纤维素内部，结果也会造成溶胀总量减少，因此，研究温度对溶胀工艺的影响时，应该在一定的NMMO浓度的范围内进行。Lyocell纤维制备中，所使用的NMMO的初始浓度一般在72%～85%，因此，采用这样的NMMO浓度来研究温度对溶胀的影响，其结果对生产工艺的制订才有实际意义。

温度对溶胀工艺的影响与NMMO浓度对溶胀工艺的影响不同，NMMO浓度的变化对其溶胀程度的影响有一个明显的拐点，当NMMO水溶液的浓度低于一定值时，其自身的性质就决定了不具备有效溶解纤维素的能力，溶胀能力也大幅度下降。只有越过这一值，随着浓度的增加，其溶胀能力迅速增加。当NMMO的浓度确定后，而且是在具有溶胀能力的NMMO浓度下，温度将对其溶胀速度会产生明显的影响，温度越高，完成溶胀的时间越短。工业生产中，溶胀温度通常取在80～90℃。溶胀过程是一个十分复杂的过程，除了溶剂浓度、溶胀温度外，浆粕的物理状态和聚合度分布等也会对溶胀工艺产生很大的影响。温度的控制可以从某些方面对浆粕的物理性能进行一些补偿。例如，对于密度大的浆粕可以适当提高溶胀温度，对于针叶浆，由于其结构较为致密，增加溶胀温度有利于溶胀。除了这些因素，一般的规律是溶胀速度会随着温度的增加而加速，纤维素达到最大溶胀比所需要的时间逐渐减少，而最终溶胀的程度基本相同。

工业生产中之所以选择这样的溶胀温度范围是基于以下几点考虑：过低的溶胀温度不利于下一道工序，在NMMO/H2O/纤维素组成的三相体系中，只有当NMMO/H2O溶液中含水量小于13.3%时，才具有良好的溶解纤维素的能力，而此时溶液的熔点是76℃，这便是溶液制备的低温极限，换言之，溶液制备的工艺温度必须在76℃以上。虽然，在制订溶胀工艺时可以采用低于76℃的条件，但溶胀工序是与溶解工序直接相连的，进入薄膜蒸发器的物料已经有了一定的黏度，它的传热非常困难，这就要求进入薄膜蒸发器的物料必须到达一定的温度，鉴于此，溶胀工艺的温度必须选择在76℃以上，它一方面可以保证溶胀过程逐步缓和地进行，同时为下一道工序做好了准备。另一方面，溶胀工艺的高温限制需考虑溶胀过程的稳定性，实验表明，当采用浓度为80%的NMMO溶剂时，在90℃溶胀温度下，浆粕块会迅速崩塌，过快的溶胀速度容易造成溶胀不均匀。此外，NMMO对温度很敏感，尤其是停留时间较长时，而生产中，为了保证溶胀的均匀性，往往会采取较长的停留时间。温度越高，NMMO越容易分解，长期处在高温下会使NMMO的分解反应加剧，因此，出于溶剂稳定性的考虑，则希望尽可能采用低的操作温度。溶胀的过程是溶剂和水不断进入纤维内部，破坏纤维素分子间氢键的过程，这一过程与溶剂分子的活泼程度相关，温度的升高有利于小分子的活动，也有利于纤维素分子的链段运动，高温能够加速溶胀的过程；但过高的温度又不利于溶剂的稳定性。综合考虑上述多种因素，实际生产过程中溶胀温度通常控制在80～90℃。

温度对溶胀工艺的影响分析

相关推荐