用于在碱性纺丝浴中湿纺丝纤维素纤维的方法和纺丝路线单元
阅读说明：本技术 用于在碱性纺丝浴中湿纺丝纤维素纤维的方法和纺丝路线单元 (Method and spinning route unit for wet spinning cellulose fibers in an alkaline spinning bath ) 是由 本特·哈格斯特龙 托拜厄斯·科恩克 乔纳斯·恩斯特龙 于 2020-02-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于形成纤维丝束的方法,所述方法涉及湿纺丝程序,所述湿纺丝程序包括以下步骤：将纤维素浆状物溶解于碱性水溶剂中以形成纤维素纺丝原液组合物；在凝固浴中纺丝所述纤维素纺丝原液组合物以产生纤维丝束,所述凝固浴的pH大于7.0,优选地pH至少为10；以及使所产生的纤维丝束经过一系列连续的拉伸和洗涤步骤,其中通过逆流流动洗涤程序用洗涤液体洗涤所形成的纤维丝束。(The invention discloses a method for forming a fiber tow, the method involving a wet spinning procedure comprising the steps of: dissolving cellulose pulp in an alkaline aqueous solvent to form a cellulose dope composition; spinning the cellulosic spinning dope composition in a coagulation bath to produce a fiber tow, the coagulation bath having a pH greater than 7.0, preferably a pH of at least 10; and subjecting the resulting fiber tow to a series of successive drawing and washing steps, wherein the formed fiber tow is washed with a washing liquid by a counter-current flow washing procedure.)
技术领域
本发明涉及用于形成和加工纤维丝束的方法，尤其涉及拉伸和洗涤以及干燥纤维丝束的方法。本发明还涉及用于形成和加工纤维丝束的纺丝路线单元。
背景技术
现有不同类型的纤维成形工艺。在粘胶纤维方法中，衍生化的纤维素(黄原酸纤维素)溶解于NaOH溶液中，并且所得纺丝原液在酸性纺丝浴中凝固。来自纺丝原液的NaOH和来自纺丝浴的H2SO4均被消耗(化学反应)，从而形成Na2SO4，此化学品在如今具有较低的经济价值。衍生化得到的CS2也大量损失。因此化学品不能被回收利用。粘胶纤维方法的另一个特征是在纺丝浴之后拉伸丝束，随后将纤维丝束切割成短纤维。切割后，将短纤维随意铺展在缓慢移动的丝网上，在该丝网上以逆流流动方式用水洗涤纤维。在漂白和施用整理剂之后，机械地打开纤维绒床，并用热空气干燥损失的纤维。
相比之下，存在使用碱性纺丝浴的方法，其中化学品的回收利用是可以实现的。一种此类方法公开于WO2018/169479中，其涉及用于制备再生纤维素纤维组合物的方法。该方法包括提供纺丝原液，该纺丝原液包含纤维素和添加剂在碱性溶剂中的溶液，其中溶剂纤维素以约5重量％至12重量％的浓度存在，并且根据纤维素计算的，该添加剂以0.1重量％至10重量％的范围存在；使纤维素纺丝原液与pH值大于7的含水凝固浴流体接触，从而形成再生纤维素纤维组合物；以及在一种或多种洗涤和拉伸浴中拉伸和洗涤纤维组合物。
一种相关方法公开于EP 3 231 901 A1中，其中将纤维素溶解于NaOH水溶液中以提供纤维素纺丝原液。将纺丝原液挤出到包含钠盐水溶液的凝固液中。EP 3 231 901 A1还描述了分离(冷却结晶)和回收利用从凝固浴和后续洗涤浴中取出的液体中的氢氧化钠和钠盐的方法。
通过将纤维素直接溶解于冷碱中来制备纺丝原液的优选方法描述于EP3231899A1中，该方法适于与根据本发明所述的用于形成和加工纤维丝束的方法结合使用。
用于凝固碱性纤维素溶液的酸性纺丝浴和碱性纺丝浴之间的主要差异在于在后一种情况下沉淀的纤维素纤丝的网络变得高度膨胀直至碱从结构中被洗去，而酸性纺丝浴中碱的瞬时中和引起纤丝状纤维素结构几乎瞬间致密化。
与使用酸性纺丝浴的粘胶纤维方法相比，使用碱性纺丝浴的已知方法因此带来了适于待处理的新挑战。这些挑战尤其涉及生产率问题、纤维质量/特性问题和回收利用问题。
发明内容
本发明旨在提供一种用于形成纤维素纤维的改进方法，其中所述方法基于涉及碱性纺丝/凝固浴的技术，并且其中该方法在产生的纤维质量方面得到改善。更具体地讲，描述了可单独或组合应用以获得具有下列优点中的一个或多个优点的改进方法的各个方面：
·通过在逐渐降低的碱度条件和同时洗涤的条件下拉伸纤维丝束来制造高强度的纤维，使得所获得的纤维素分子的定向成为纤维的永久特征，并因此防止通过拉伸处理得到的定向变松弛，和/或
·降低或甚至避免损害下游操作(如梳理、梳条制造和纺线)的纤维与纤维的粘附性，和/或
·在较高程度上从纤维丝束中洗去锌化合物，并促进该过程中锌的回收利用以在纺丝原液制备过程中重复使用，和/或
·减少干燥过程期间使最终干燥纤维的纤维强度劣化的变干褶皱，和/或
·获得具有保持的纤维强度的经过机械卷曲的纤维
已发现，上述问题中的一个或多个问题涉及在直接溶解于碱(优选冷碱)中的纤维素中生成纤维，碱性纺丝浴中的再生可通过如下方法解决或改善，该方法的特征在于离开纺丝浴的纤维以丝束的形式被收集，并且这些纤维保持以丝束的形式通过从纺丝浴直到最后将纤维丝束切割成短纤维的所有连续处理步骤。
通过形成纤维丝束的方法，所述目的中的一个或多个目的得以实现，所述方法涉及湿纺丝程序，该程序包括以下步骤：
将纤维素浆状物溶解于碱性水溶剂中以形成纤维素纺丝原液组合物；在凝固浴中纺丝该纤维素纺丝原液组合物以产生纤维丝束，该凝固浴的pH大于7.0，优选地pH至少为10；以及使所产生的纤维丝束经过一系列连续的拉伸和洗涤步骤，其中用碱度逐渐降低的洗涤液体洗涤该纤维丝束。应当指出的是，该拉伸可在该洗涤步骤之前和/或期间进行。
关于表述“连续的拉伸和洗涤步骤”，应当指出的是，根据本发明所述的方法涉及一种包括至少两个洗涤步骤的方法。然而，关于拉伸，这可通过根据本发明所述的不同方法进行。一种可供选择的方案是在凝固浴中纺丝后直接进行拉伸。然后纤维丝束可保持在拉伸状态下(不一定具有任何设置的伸长率)通过程序的洗涤步骤。因此，将在下文中进一步解释该方法和视角。
此外，具有和不具有设置的伸长率的拉伸的可供选择的方案可通过根据本发明所述的洗涤程序来实现。此外，作为另一种可供选择的方案，可在稍微松弛的状态下洗涤纤维丝束，其中该纤维丝束在例如第三和第四洗涤步骤之间被拉伸。应当指出的是，这只是一个可供选择的方案，并且根据本发明，许多其他可供选择的方案是完全可行的。此外，下文进一步给出了可供选择的方案和解释。
优选地，溶解纤维素浆状物的步骤在0℃或更低的温度下在冷碱性水溶剂中进行。
此外，优选地，洗涤步骤通过逆流流动洗涤程序进行。
此外，优选地，执行洗涤程序以便保持纤维丝束的张力直到纤维丝束中的氢氧化钠浓度低于0.3重量％。
如上所述，本发明涉及一种涉及在凝固浴中纺丝纤维素纺丝原液组合物的方法，该凝固浴的pH大于7.0，优选地pH至少为10，并且通常pH也远高于10。这意味着根据本发明所述的方法与所谓的粘胶纤维技术明显不同，在该粘胶纤维技术中，纤维素在溶解于碱中之前通过CS2进行衍生化，并且纤维在酸性凝固浴中再生。
其中纤维丝束的碱度在拉伸和洗涤过程期间逐渐降低的根据本发明所述的方法优选地涉及逆流流动洗涤程序。
下文进一步讨论了不同的视角。
本发明的实施方案
下文更详细地讨论了本发明的实施方案。
根据一个实施方案，该方法包括使所产生的纤维丝束通过至少五个连续洗涤步骤，优选地至少七个连续步骤，更优选地至少十个连续步骤。根据一个实施方案，洗涤步骤的数目在10至20的范围内。当使用多个步骤时，所需要的洗涤水更少。这在回收经济性方面是有利的，因为必须处理的水更少。
根据本公开，每个洗涤步骤可被视为单个单元操作。使通过在凝固浴中由纤维素纺丝原液组合物纺丝而产生的纤维丝束经过后续的洗涤步骤。每个单个洗涤步骤可被视为这样的操作，其中纤维丝束通过进入并经过相应的洗涤步骤然后离开该洗涤步骤而被处理。每个洗涤步骤可例如涉及使纤维丝束经过洗涤浴，即将丝束浸没于洗涤液体中，或者可用洗涤液体喷淋丝束，或者可采用浸没和喷凃的组合。根据本发明的一个实施方案，至少一个洗涤步骤通过喷淋进行，优选地在利用喷淋的洗涤步骤中的至少一些洗涤步骤中或优选地在利用喷淋的每个洗涤步骤中，喷淋洗涤液体的流量为至少5kg洗涤液体每千克提供给该凝固浴的纤维素纺丝原液组合物，更优选地至少8kg洗涤液体每千克纤维素纺丝原液组合物。下文相对于浸没洗涤的比较试验(见图12)进一步讨论了喷淋。
然而，应当指出的是，单个洗涤步骤不必被限定为特定洗涤浴。还应当指出的是，术语“浴”仅表示纤维丝束与所考虑的洗涤步骤的洗涤液体接触。此类接触可以多种方式进行，并不一定指字面意义上的“浴”。洗涤步骤被限定为利用洗涤液体洗涤丝束，该洗涤液体具有与上游和/或下游洗涤步骤中的洗涤液体的组成不同的组成。洗涤液体组合物在洗涤步骤之间的这种分离可例如通过挤压进入的纤维丝束从而减少来自前一洗涤步骤的洗涤液体的残留来实现，并且特定步骤中的纤维丝束在一定停留时间内经过该洗涤步骤的特定的洗涤液体，并且例如，在一个或若干个辊上被机械和/或液压加工成非常薄且平坦的形状以引起纤维丝束内液体的对流/置换，然后当从该洗涤步骤中加工出来时再次从该洗涤液体中挤压出来。就这一点而言，可以提及的是，当将纤维丝束从一个洗涤步骤移动到后续洗涤步骤时，从纤维丝束中压出的洗涤液体越多，则洗涤程序越有效，这意味着需要的洗涤步骤更少和/或必须使用的洗涤水更少。
每个连续洗涤步骤中的洗涤液体可表征为其化学组成浓度，就氢氧化钠(NaOH)和凝固盐(例如Na2CO3或Na2SO4或其混合物)而言。进入洗涤步骤的丝束具有比该洗涤步骤中的洗涤液体更高的NaOH和盐浓度。输入的丝束中NaOH和盐的浓度基于丝束的液体级分(不包括纤维素)而被便利地定义。与进入该步骤的丝束(同样不包括纤维素)相比，从洗涤步骤出来的丝束具有较低的NaOH和盐浓度，但除丝束在化学物质的相互扩散方面与洗涤液体达到平衡的情况之外，离开的丝束中的NaOH和盐浓度仍通常比洗涤液体稍高。所考虑的洗涤步骤的相对洗涤效率可根据离开的丝束中的NaOH和盐浓度相对于进入的丝束和在所考虑的洗涤步骤中与丝束接触的洗涤液体中相应的浓度来描述。
显然，该洗涤效率取决于可受到洗涤单元的设计和所应用的加工条件的影响的众多因素。此类因素的示例有与洗涤液体接触的纤维丝束的温度和停留时间、洗涤液体在丝束内的因机械和/或液压引起的对流以及纤维丝束的厚度等。
根据一个实施方案，在洗涤程序期间在所产生的纤维丝束中基于干纤维丝束计算该碱含量逐渐降低至小于50ppm重量NaOH，碱含量按NaOH的重量以ppm计算。
根据另一个实施方案，该凝固浴包含氢氧化钠和碳酸钠或硫酸钠，优选地所述凝固浴包含3重量％至10重量％的氢氧化钠，优选地所述凝固浴包含10重量％至28重量％的碳酸钠或硫酸钠或其混合物。
如WO2015/000820中所述，由于涉及纤维素纺丝工艺中的碱的回收利用，凝固浴合适地包含氢氧化钠和碳酸钠。据此，在本发明的方法中其他添加剂也是可能的。除了通过纺丝原液添加到凝固浴中的氢氧化钠之外，凝固液以使得其为纤维素的不良溶剂的方式组成，由此新纤维在氢氧化钠释放到凝固浴的主体中期间形成。
氢氧化钠也是适宜回收的。此外，根据一个实施方案，在浓缩和可选的纯化之后，从逆流洗涤步骤回收的氢氧化钠被至少部分地回收利用以制备新的纺丝原液。
凝固浴中NaOH和盐的浓度由进入的纺丝原液的速率和组成、添加的盐的速率和离开凝固浴的纤维丝束对凝固浴液体的夹带以及凝固浴液体(至循环流)的溢流(如果有的话)来确定，继而涉及纤维丝束对凝固浴液体的夹带，该夹带取决于施加于离开凝固浴的丝束的挤压力。盐在凝固浴中的最大溶解度由温度和NaOH浓度确定。
盐对于盐析过程的驱动是重要的。由于凝固浴液体中的盐浓度高于纤维素纺丝原液组合物中的盐浓度，因此水会从离开喷丝头毛细管的纺丝原液射流中被吸出。同时，碳酸根和/或硫酸根离子会进入原液射流(长丝)中。这也意味着纤维素分子彼此结合形成结晶纳米纤丝(纤维素沉淀)。
根据一个实施方案，基于纤维素纺丝原液组合物的总重量计算，碱性水溶剂包含0.4重量％至1.2重量％的锌(按Zn计)，更优选地0.6重量％至0.9重量％的锌。应当理解，是对锌进行计算，而不是例如对氧化锌进行计算，那样会得到其他百分比。由于纺丝原液包含Zn，因此Zn也将存在于凝固浴中。
根据一个实施方案，基于该纤维素纺丝原液组合物的总重量计算，该纤维素纺丝原液组合物包含4重量％至12重量％、优选地5重量％至10重量％范围内的纤维素、氨基甲酸纤维素或另一种纤维素衍生物。根据一个实施方案，该纤维素纺丝原液组合物包含5重量％至8重量％范围内的纤维素，或包含在5重量％至10重量％范围内的氨基甲酸纤维素或其混合物。然而，应当指出的是，纺丝原液中也可存在其他纤维素衍生物，包括但不限于纤维素醚和纤维素酯。添加剂可存在于纺丝原液中，此类添加剂可例如为锌化合物和/或各种形式的脲。在其中纺丝原液包含氨基甲酸纤维素或脲的实施方案中，该氨基甲酸盐或脲会在碱性凝固浴和后续碱性纤维洗涤步骤中至少部分地水解。因此，根据一个实施方案，该纤维素纺丝原液包含脲或氨基甲酸纤维素，该脲或氨基甲酸纤维素在凝固浴和连续洗涤步骤中至少部分地水解。可收集由氨基甲酸纤维素或脲的水解形成的任何氨并将其从纺丝步骤排出。
此外，如上所述，根据一个方面，该方法涉及拉伸程序。根据一个实施方案，通过调节纤维丝束从凝固浴行进并经过连续洗涤步骤的速度来进行和控制纤维丝束的拉伸。
根据一个实施方案，洗涤步骤1的纤维丝束的速度基本上保持恒定或在一个或多个后续洗涤步骤中逐渐增加，至少直到并包括在其之后纤维丝束的氢氧化物浓度低于0.3重量％的洗涤步骤。应当指出的是，就这一点而言，表述“基本上”应当被理解为使得该方法可涉及在较短的时间内，速度可减小或至少不逐渐增大。
根据本发明，拉伸在逆流洗涤程序期间进行，即在不同洗涤步骤之间或之内进行。此外，应当指出的是，拉伸也在凝固浴和第一洗涤步骤之间进行。下文进一步讨论了与在何处进行更多拉伸或更少拉伸有关的可供选择的方案和实施方案。此外，在根据本发明所述的方法中拉伸的优选目标是确保在洗涤程序的至少第一部分中拉伸纤维丝束，即在凝固浴和第一洗涤步骤之间，以及在第一洗涤步骤和第二洗涤步骤之间和/或之内拉伸纤维丝束。这是因为这些步骤中过低的拉伸将比后面的步骤中过低的拉伸更多地影响纤维丝束的质量。然而，应当指出的是，根据本发明所述的方法也涵盖沿大部分或甚至整个洗涤程序(即在所有洗涤步骤之间)的拉伸的可供选择的方案，并且也涵盖其中在早期阶段在短时期间张力降低的程序等。
如上文所公开的，在根据本发明所述的洗涤程序中的每个洗涤步骤中，碱度降低。通过逐渐降低承受保持的张力的纤维丝束的碱度，已发现通过拉伸纤维丝束获得的纤维保持高度定向(意味着纤维在纤维的纵向方向上定向)，并且该定向成为了纤维的永久特征。关于拉伸和碱性环境，还可提及的是，洗涤操作期间的总拉伸可划分为若干个碱度连续降低的拉伸步骤。
此外，根据本发明的又一个具体实施方案，将该拉伸控制到致使总伸长率在30％至80％范围内的程度，优选地控制到致使所产生的纤维的拉伸强度变为至少15cN/tex的程度。表述“将该拉伸控制到致使总伸长率在30％至80％范围内的程度”是指纤维丝束已被拉伸至伸长状态，使得与纤维丝束的初始长度(即在开始拉伸之前)相比时，长度增加了30％至80％。
根据本发明的一个实施方案，如上文所示意，纤维丝束的拉伸在凝固浴和第一洗涤步骤之间进行，并且其中纤维丝束在该方法的其后至少一部分期间保持为拉伸状态。应当指出的是，纤维丝束可在其后的一个或数个洗涤步骤期间保持为拉伸状态。
根据本发明的另一个实施方案，纤维丝束的拉伸在凝固浴和第一洗涤步骤之间进行，并且其中在至少两个、更优选地至少三个连续洗涤步骤期间继续拉伸，优选地在此期间继续拉伸的所述至少两个连续洗涤步骤在紧接凝固浴之后布置的四个洗涤步骤之中，优选地总拉伸的在该至少两个洗涤步骤中进行的该部分为该总拉伸的至少25％、更优选地至少40％。上文给出的百分比是指相对于总拉伸的份额，即以总伸长长度的百分比给出。
根据另一个实施方案，对纤维丝束进行拉伸，使得在洗涤程序的至少50％期间，优选地在洗涤程序的至少前50％期间保持拉伸状态，优选地至少在凝固浴和第一洗涤步骤之间并且在至少一个连续洗涤步骤中将纤维拉伸至伸长状态。对于上文，表述“拉伸状态”是指其中将纤维丝束拉伸至伸长状态，或至少让纤维丝束保持在足以使该纤维丝束保持当前长度的张力下，以避免任何显著松弛。基于上述说明，应当指出的是，表述“在洗涤程序的至少50％期间保持拉伸状态”也可理解为使得“在洗涤程序的至少50％期间避免纤维丝束的任何显著松弛”，即，关于纤维丝束的“伸长状态”是指：避免纤维丝束的松弛和/或为了获得伸长而对纤维丝束进行拉伸，后者也致使避免纤维丝束的松弛。按照上文，根据一个实施方案，在洗涤程序的至少50％期间保持拉伸状态，该拉伸状态意味着避免纤维丝束中的任何显著松弛，优选地使纤维丝束在至少两个位置处经受伸长拉伸，其中第一位置在凝固浴和第一洗涤步骤之间，并且第二位置在至少一个连续洗涤步骤中，还更优选地所述伸长拉伸的第二位置在第一洗涤步骤内或在第一洗涤步骤和第二洗涤步骤之间。
此外，如上所述，根据上述实施方案，在洗涤程序的至少50％期间，优选地在洗涤程序的至少前50％期间维持此类状态。在此语境中，百分比涉及洗涤步骤总数的份额。此外，如所述那样，优选地在洗涤程序的早期步骤中，诸如在凝固浴和第一洗涤浴或步骤之间，以及在例如第一洗涤步骤和第二洗涤步骤之间和/或之内，将纤维丝束拉伸至伸长状态。当氢氧化钠(NaOH)从纤维丝束中被洗去时，纤维素纳米纤丝彼此结合，防止了拉伸的纤丝松弛或回缩。因此，重要的是，在洗涤程序的至少早期步骤中，诸如在从第一洗涤步骤至第二洗涤步骤的步骤中以及在第二洗涤步骤和第三洗涤步骤之间，优选地直到其中NaOH浓度仍高于0.3重量％的洗涤步骤，纤维丝束不松弛。
根据本发明的一个实施方案，在凝固浴和第一洗涤步骤之间对纤维丝束进行一定伸长程度的伸长拉伸，其中在至少三个连续洗涤步骤期间继续拉伸，优选地其中每个步骤中的额外伸长程度低于凝固浴和第一洗涤步骤之间的步骤中的额外伸长程度，更优选地其中在每个连续步骤中的额外伸长程度变小。该实施方案意味着在凝固浴和第一洗涤步骤(浴)之间进行伸长拉伸，优选地在凝固浴和第一洗涤步骤之间的该第一步骤中进行占总伸长拉伸的最高伸长份额的拉伸。根据本发明的另一个实施方案，所产生的纤维丝束的总伸长拉伸的最大部分在凝固浴和洗涤程序的第一洗涤步骤之间的拉伸步骤中进行，当将凝固浴和第一洗涤步骤之间的拉伸步骤的伸长与洗涤程序的洗涤步骤之间和/或之内的其他单独拉伸步骤的伸长进行比较时，优选地总伸长的至少40％在凝固浴和洗涤程序的第一洗涤步骤之间进行。
应当指出的是，在根据本发明所述的方法中，占总伸长拉伸最大份额的伸长拉伸不必在凝固浴和第一洗涤步骤(浴)之间进行。例如，根据本发明的一个实施方案，最大份额的伸长在第一洗涤步骤和第二洗涤步骤之间进行。因此，根据本发明的一个实施方案，所产生的纤维丝束的总伸长拉伸的最大部分在第一洗涤步骤和第二洗涤步骤之间和/或在第一洗涤步骤或第二洗涤步骤之内的拉伸步骤中进行。同样在该实施方案中，总伸长拉伸的相对较大份额的拉伸优选地在凝固浴和第一洗涤步骤之间进行，虽然最大份额的拉伸在连续步骤中进行，即在第一洗涤步骤和第二洗涤步骤之间进行。
根据本发明的又一个实施方案，在该凝固浴和该第一洗涤步骤之间对纤维丝束进行一定拉伸程度的伸长拉伸，优选地在至少三个连续洗涤步骤期间继续伸长拉伸，还更优选地在那些总伸长程度在凝固浴和第一洗涤步骤之间进行的伸长的0.7倍至1.2倍范围内的至少三个连续洗涤步骤之间和/或之内继续伸长拉伸。对于上文，应当指出的是，表述“0.7倍至1.2倍范围内”是指当加在一起时三个连续步骤中的总伸长率，而不是其各个步骤中的伸长率。
此外，应当指出的是，所有伸长拉伸可在凝固浴和第一洗涤步骤之间连同在第一洗涤步骤或第二洗涤步骤之内或之间一起进行，例如，所有伸长拉伸可在凝固浴和第一洗涤步骤之间连同在第一洗涤步骤内或在第一洗涤步骤和第二洗涤步骤之间进行。
沿着洗涤路线，并且如图1所示，布置有辊或所谓的导丝辊。根据具体情况，可通过控制导丝辊或辊的速度来控制伸长拉伸或避免丝束的松弛。当在根据本发明所述的方法中控制伸长拉伸时也可如此。因此，根据一个实施方案，通过控制牵引纤维丝束经过每个相应洗涤步骤的相应导丝辊的速度来控制该洗涤步骤中丝束的伸长拉伸和/或避免丝束的松弛。因此，导丝辊1至n的独立速度调节对于避免纤维丝束的可能的松弛或用于减小当从丝束中洗去化学品时由于收缩而导致的丝束中不需要的高张力也是重要的。
存在其他可能的技术来控制伸长拉伸和/或避免纤维丝束的松弛，并且这些技术也可根据本发明来使用。
此外，如上文所示意，该方法的一个方面涉及在碱性凝固浴纺丝中的锌的最佳处理，优选地使用后续的逆流洗涤来处理。据此，根据一个实施方案，纤维丝束中的碱度在洗涤程序期间逐渐降低，并且其中锌在洗涤程序期间从纤维丝束中扩散出来并进入洗涤液体中，所述洗涤程序优选地为逆流流动洗涤程序。然而，感兴趣的是防止碱度(氢氧化钠的浓度)突然降低，因为这可导致锌沉淀在构成纤维丝束的纤维内。
根据一个实施方案，在至少一个下游洗涤步骤中锌从纤维丝束扩散出来并以含Zn颗粒的形式沉淀在洗涤液体中，其中使洗涤液体悬浮以保持沉淀的锌分散在洗涤液体中，并且其中沉淀的锌与洗涤液体一起分散而不沉降地传送到至少一个上游洗涤步骤。上游洗涤步骤意味着较低洗涤步骤编号的洗涤步骤，因为其为移动纤维丝束的相反方向。通常，正是在第4至第6洗涤步骤中，可观察到洗涤液体中的锌沉淀。此外，还可提及的是，可通过不同的方法(诸如通过使用循环泵或搅拌器)来实现洗涤液体的悬浮以保持沉淀的锌分散在洗涤液体中。
当洗涤液体中NaOH浓度接近约2重量％时，锌通常开始沉淀(以氢氧化锌的形式)。纤维丝束将锌粒带到后续步骤。同时，锌粒与洗涤液体反方向地传输。这意味着锌粒在NaOH浓度为约2重量％的洗涤步骤附近的几个洗涤步骤(即上游和下游)中是可见的。据此，根据本发明，碱度逐渐降低至足以让锌从纤维中被洗去，而不会在纤维内部以含锌颗粒的形式沉淀。此外，至少该三(3)个第一洗涤步骤优选地具有至少2重量％的碱度或氢氧化钠浓度。因此，锌不在纤维内部结晶，同时离开纤维丝束的锌的一些部分沉淀在后续洗涤步骤的液体中。因此，可将包含沉淀的锌粒的洗涤液体传输至具有较高碱度的上游洗涤步骤，在上游洗涤步骤中此类固体锌粒再次溶解于溶液中，即在较高的碱度水平下溶解。应当指出的是，当氢氧化锌开始沉淀时，上述NaOH浓度(约2重量％)取决于洗涤液体中的锌浓度。当然，即使在约2重量％的NaOH浓度下，锌也具有一定的溶解度。当锌浓度高于特定NaOH浓度下的溶解度极限时将发生沉淀。对于制备成包含基于纺丝原液的总重量计约7.5重量％NaOH和约0.76重量％Zn的纺丝原液，约2重量％NaOH的限制浓度是有效的。如果纺丝原液中Zn的浓度高于约0.76重量％，则预期将在略高于约2重量％的NaOH浓度下开始沉淀。如果纺丝原液中Zn的浓度低于约0.76重量％，则预期将在略低于约2重量％的NaOH浓度下开始沉淀。
根据又一个实施方案，顺着逆流洗涤流的沉淀的锌在至少一个上游洗涤步骤(“上游”是相对于纤维丝束的移动方向而言，即，沿较低洗涤步骤编号的方向)中溶解于增加的碱度的洗涤液体，并且至少部分地回收利用并重复用于将纤维素浆状物溶解于冷碱性水溶剂中以形成纤维素纺丝原液组合物的步骤中。这意味着存在锌的回收利用，这是通过有效地使用洗涤路线来实现的，即，没有额外的回收利用回路等。
此外，根据又一个方面，该方法还包括干燥纤维丝束。根据一个实施方案，使湿条件下的经洗涤和以其他方式经处理的纤维丝束经受干燥操作以产生经洗涤且干燥的纤维丝束，该干燥操作中纤维丝束以无约束方式干燥，基本无剧烈弯曲以允许在纤维方向上无任何张力的自由收缩。表述“基本无剧烈弯曲”是指湿纤维丝束在未褶皱时干燥。应当指出的是，只要不沿纤维丝束布置锐角，纤维丝束就可弯曲成平滑曲线，其中优选地任何弯曲的半径大于10mm。
此外，根据另一个实施方案，该方法还包括对纤维丝束进行卷曲。可在干燥之前或干燥之后进行卷曲。此外，根据另一个实施方案，机械卷曲在干燥纤维丝束之后进行。根据本发明，通过对干纤维丝束进行卷曲，可获得卷曲的高强度纤维。可使用许多不同类型的卷曲机，例如机械卷曲机，例如填塞箱式卷曲机。然而，应当指出的是，该方法相反可包括半湿纤维丝束的卷曲，即纤维在将纤维完全干燥之前对纤维进行卷曲。
根据另一个实施方案，该方法包括将经干燥并任选地卷曲的纤维丝束切割成短纤维。因此，根据该实施方案，首先干燥丝束并随后切割丝束，任选地，在将纤维丝束切割成短纤维之前还对纤维丝束进行卷曲。
还存在可作为该方法的一部分的其他步骤。根据一个实施方案，在洗涤程序中的最后一个洗涤步骤之后的酸处理步骤中，用酸处理纤维丝束。可使用不同的酸，一个示例为弱酸，例如水中的碳酸。另外，预期pH值可不同。酸处理步骤作为中和作用进行，这也可提供更强的纤维。另外，在该步骤之后，可以包括又一个洗涤步骤。
根据另一个实施方案，在洗涤程序中的最后一个洗涤步骤之后的处理步骤中，用漂白剂处理纤维丝束。
根据另一个实施方案，在该方法期间提供一种或多种表面活性剂以减小纤维丝束中单根长丝之间的内聚力，其中所述一种或多种表面活性剂优选地在洗涤程序之后、优选地在可能的酸处理步骤和漂白步骤之后、并且优选地在干燥程序之前提供给纤维丝束。通常在所谓的增柔处理浴中提供一种或多种表面活性剂。还可通过喷淋或喷洒纤维丝束或通过使用舐涂辊来提供表面活性剂。
本发明还涉及用于形成纤维丝束的纺丝路线单元，所述纺丝路线单元包括：
-溶解器单元(例如，根据EP3231899A1)，该溶解器单元被布置用于在0℃或更低的温度下将纤维素浆状物溶解于碱性水溶剂中，优选地溶解于冷碱性水溶剂中，以形成纤维素纺丝原液组合物；
-纺丝单元，该纺丝单元被布置用于在碱性含水凝固浴中纺丝纤维素纺丝原液组合物以产生纤维丝束，该碱性含水凝固浴的pH大于7.0；和
-洗涤路线，优选地逆流流动洗涤路线，该洗涤路线包括若干个洗涤单元，这些洗涤单元被依次布置用于以连续较低的碱度洗涤所产生的纤维丝束。如上文所示意，洗涤路线优选地根据逆流流动洗涤原理操作。
还应当指出的是，上文关于根据本发明的方法所提及的所有实施方案和另选方案也是关于根据本发明的纺丝路线单元的可能实施方案。这意味着当单元被布置用于执行这些步骤时，可重写不同的步骤。
下文示出了涉及纺丝路线单元的一些实施方案。根据一个此类实施方案，洗涤路线包括至少五个洗涤单元，优选地至少七个洗涤单元。根据又一个实施方案，纺丝路线单元还包括一个或多个拉伸控制单元，优选地至少用于控制纤维丝束在凝固浴和第一洗涤单元之间的伸长拉伸，更优选地还用于控制纤维丝束在洗涤步骤中的若干个步骤之间和/或之内的伸长拉伸。
此外，根据另一个实施方案，纺丝路线单元包括适于进行干燥操作以产生经洗涤且干燥的纤维丝束的纤维丝束干燥单元，该干燥操作中纤维丝束以无约束方式干燥，基本无剧烈弯曲以允许在纤维方向上无任何张力的自由收缩，优选地纺丝路线单元包括用于对经洗涤的纤维丝束进行卷曲的卷曲单元，还更优选地纺丝路线单元还包括用于将经洗涤且干燥的纤维丝束切割成短纤维的纤维切割单元。此外，纺丝路线单元还可包括使得锌能够从纤维丝束扩散出来并沉淀在洗涤液体中，并且使得沉淀的锌能够沿上游方向(“上游”是相对于纤维丝束的行进方向而言)顺着洗涤路线、优选地顺着逆流流动洗涤路线回收利用并重复用于溶解器单元中的装置。
附图说明
图1A示出了根据第一实施方案所述的纺丝路线。
图1B示出了根据第二实施方案所述的纺丝路线。
图2示出了根据另一个实施方案所述的纺丝路线。
图3a和图3b示出了不同碱度下丝束的拉伸。
图4a示出了在沿纺丝路线的不同位置处采样的纤维的滴度。
图4b示出了图4a中涉及的纺丝路线的洗涤液体的组成。
图5示出了伸长拉伸测试中的洗涤液体的组成。
图6a为在纯水中洗涤的纤维的纤维横截面的显微图。
图6b为用连续降低的碱度逐渐洗涤的纤维的纤维横截面的显微图。
图7示出了用于测试纤维粘附性的试验装置。
图8为用逐渐降低的碱度洗涤的纤维(在图8右侧且标记为“B”)和立即用纯水洗涤的纤维(在图8左侧且标记为“BW”)的照片。
图9a照片左侧示出：以无约束方式干燥为纤维丝束的且无剧烈弯曲的纤维；照片右侧示出：在无规褶皱状态下干燥的短纤维。
图9b示出了图9a的纤维的强度。
图10示意性地示出了使用填塞箱式卷曲机的机械卷曲。
图11a为卷曲前(右侧)和卷曲后(左侧)的干燥纤维丝束的图片。
图11b示出了机械卷曲之前和之后的纤维丝束的强度。
图12示出了其中对洗涤技术浸没和喷淋进行比较的试验的洗涤效率。
实施例和
具体实施方式
在图1A中示出了根据第一实施方案所述的纺丝路线1的一部分。在该例中，凝固浴2包含至少三个纺丝位置或纺丝头3。每个纺丝头3包含多个喷丝头，并且每个喷丝头包括多根毛细管。将来自纺丝头/位置的纤维丝束并排合并成平坦的常见纤维丝束。所产生的纤维丝束被引入洗涤程序4中，优选地根据逆流流动原理操作。如图1A所示，可存在最多n个洗涤步骤，其中n可为至少5，优选地至少7，并且最多至10或10以上。Vn是指每个特定洗涤步骤中每个导丝辊5上方的丝束的速度。在洗涤程序中，水流入最终洗涤步骤。然后使洗涤液体相对于纤维丝束逆流流动通过每个洗涤步骤。从第一洗涤步骤流出的洗涤液体(如参考纤维丝束的加工来编号)具有较高的碱度。如图1A所指出的那样，在每个相应的洗涤步骤中，仍然处于张力状态的纤维丝束在每个相应的洗涤步骤中通过泵驱动的洗涤浴液体循环流、将洗涤浴液体喷淋或喷淋到该纤维丝束上来与洗涤液体接触。将压力辊应用于来自每个洗涤步骤的离开丝束以减少丝束从一个洗涤步骤夹带(携带)到下一个洗涤步骤的洗涤液体的量。
在图1B中示出了另一个实施方案。如图1B所指出的那样，在每个洗涤步骤中，仍然处于张力状态的纤维丝束(意指纤维丝束正经历伸长拉伸，或至少不是松弛的)被向下引入洗涤浴中，然后从洗涤浴拉起并引入下一个洗涤浴中。将压力辊应用于来自每个洗涤步骤的离开丝束以减少丝束从一个洗涤步骤夹带到下一个洗涤步骤的洗涤液体的量。
在图2中示出了根据另一个实施方案所述的纺丝路线的示意图。值得注意的是，在该例中，凝固浴包含一个纺丝头。由纺丝原液引入到凝固浴中，产生纤维丝束。然后将纺成的纤维丝束引入逆流洗涤程序，该程序的运作如上文所公开。在一些洗涤步骤之间，或甚至在每个洗涤步骤之间，并且还在凝固浴和第一洗涤步骤之间，执行伸长拉伸。如上所述，该伸长拉伸可以不同的方式进行，并且在不同的步骤中具有不同的拉伸程度。在最后的洗涤步骤之后，可设置增柔处理步骤，在该步骤中将表面活性剂添加到纤维丝束。丝束可经过增柔处理浴或通过舐涂辊或以一些其他方式被喷淋或接受药剂。此后，可进行干燥，然后卷曲并最终切割所产生的纤维。卷曲也可在干燥之前或在半干燥状态(未在图2中示出)下进行。应当指出的是，还可涉及其他步骤，诸如直接设置在最终洗涤步骤和/或漂白步骤之后的加酸步骤。
在图1和图2所示的方法中，纺丝浴液体或凝固浴液体可包含水、碳酸钠(Na2CO3)或硫酸钠(Na2SO4)或其混合物、氢氧化钠(NaOH)和少量的含锌盐。当从喷丝头毛细管挤出的细(例如直径为50μm至70μm)原液射流与纺丝浴液体接触时，水和一些羟基离子从射流扩散出来，而钠离子和碳酸根离子和/或硫酸根离子(假设硫酸钠存在于纺丝浴中)由于渗透压的差异(浓度差异)而扩散到射流中。由于原液射流内化学组成的变化，纤维素不再保留在溶液中，并且以或多或少定向的纳米纤丝网络的形式沉淀。纳米纤丝平行于纤维的纵向的定向程度取决于喷丝头毛细管的设计和在凝固浴中采用的牵伸比，即，比率V0/Vexit。V0为丝束离开凝固浴的速度，Vexit为原液射流从喷丝头毛细管离开的速度(原液的体积流量除以总毛细管横截面积)。通过凝固方法，离开喷丝头毛细管的液体射流转变成柔软且高度膨胀的凝胶长丝，该凝胶长丝借助导丝辊并借助浮力作用被向上拉拽通过纺丝浴。因此，凝固方法与其中纺丝浴或凝固浴包含硫酸(H2SO4)的粘胶纤维方法非常不同。在粘胶纤维方法中，纺丝原液中的氢氧化钠被该酸中和。纤维素非常快速地沉淀，并在喷丝头出口处瞬间形成相当致密且坚硬的长丝。这也意味着纺丝原液中的大部分水(原液包含约85％的水)最终存在于酸性浴中，并且纤维丝束从纺丝浴中夹带基于干燥纤维素计仅约120重量％的纺丝浴液体。对于根据本发明所述的方法，将原液射流凝固到碱性纺丝浴中，对应的体量可超过1000重量％的纺丝浴。
在该方法中，碳酸钠和/或硫酸钠被长丝带起。同时，来自纺丝原液的一些水和羟基离子被转移到凝固浴液体中。已发现，凝固浴含量可缓慢增加或降低，这取决于在导丝辊处从丝束中挤出并返回到纺丝浴中的纺丝浴液体的量。优选地调节压力辊的力，使得凝固浴含量保持恒定或使得凝固浴液体溢流，见图1A。这样，仅须将盐(Na2CO3和/或Na2SO4)持续加入到凝固浴中以保持盐浓度恒定。可以提及的是，如果将水合形式的钠盐加入到凝固浴中以保持钠盐离子浓度恒定，则该溢流将会更甚。如果不是通过将NaOH和Zn添加到凝固浴而有意调节，凝固浴中NaOH和Zn的浓度将会更低。
当纤维丝束处于具有相对较高氢氧化钠含量的碱性状态时，通过对纤维丝束进行伸长拉伸来获得最大伸长拉伸，从而获得最大纤维韧度。此类伸长拉伸使得纳米纤丝自身以纤维的纵向方向定向。然而，如果纤维未保持为拉伸状态(此类“拉伸状态”是指纤维被进一步拉长，或至少使纤维丝束保持在不显著松弛的这种张力下)，则在碱度进一步降低的情况下，所诱导的定向将松弛至一定程度，从而降低纤维韧度。
为了获得具有高韧度的纤维，将丝束在导丝辊0和1之间伸长拉伸(导丝辊1的速度适当地高于导丝辊0的速度，见图2)。伸长拉伸被假设为使纳米纤丝状纤维素结构以(沿着)纤维丝束的方向定向。已发现，如果丝束的碱度高(丝束中NaOH的含量高)，则该丝束的拉伸性更大，例如当丝束介于导丝辊0和1之间时(图2)。这示于图3a和图3b中，这两个图中示出了具有不同碱度的丝束的实验室规模拉伸。凝固浴保持在28℃，并且包含20重量％的碳酸钠、5.6重量％的NaOH和0.56重量％的Zn，并且导丝辊0的速度(V0)和导丝辊1的速度(V1)与从喷丝头挤出的速度(Vexit)相同。所用的纺丝原液包含6重量％的纤维素、7.5重量％的NaOH和0.76重量％的Zn，并且通过具有300个直径为55μm的毛细管的喷丝头被挤出。在通过其中NaOH的浓度被调节至0重量％、2.2重量％、3.5重量％和4.6重量％的浴后，在导丝辊1和2(V2>V1)之间拉伸纤维丝束。图3a示出了在纤维丝束断裂前，最大可能拉伸比(V2/V1)随着伸长拉伸前浴中NaOH的重量％的增加而增加。然而，已发现，如果被拉伸的丝束在该阶段(紧接在导丝辊2之后)被切割成短纤维(这意味着纤维中的张力被释放)，则纳米纤丝在很大程度上失去了定向，从而导致纤维强度不够。通过逐渐降低承受保持的张力的纤维丝束的碱度(意味着基本避免了纤维丝束的任何松弛)，已发现，纤维保持高度定向，并且该定向成为了纤维的永久特征。一种可能的解释是，随着碱度在连续的洗涤步骤(1–n)中逐渐降低，纳米纤丝彼此逐渐靠近(膨胀减小)并且通过形成氢键而彼此键合。
为提供一个实施例，在沿纺丝路线的不同位置处获取丝束样品。根据图1A使用10个洗涤步骤(n＝10)来设计洗涤单元。纺丝头中的毛细管数为13500(毛细管直径为55μm)。纺丝浴在29℃下运作，并且包含18重量％的碳酸钠、5.3重量％的氢氧化钠和0.5重量％的Zn。所用的纺丝原液包含6重量％的纤维素、7.5重量％的NaOH和0.76重量％的Zn。洗涤水流量与纺丝原液流量之比为一(Qw/Qd＝1)，并且进入的洗涤水温度为20℃。拉伸比V1/V0为1.4。导丝辊2至10的速度保持恒定并等于导丝辊1的速度，即，V1＝V2＝V3＝V4＝V5＝V6＝V7＝V8＝V9＝V10。丝束样品在导丝辊1、3、4、6、7、9和10之后直接获取(见图1A和图2)，并且在水中进一步自由洗涤。在空气中自由干燥丝束样品之后，测量从该丝束样品中提取的单根纤维的滴度(分特)。图4a示出了测得的滴度变化，而图4b示出了相关洗涤液体中NaOH和Na2CO3的浓度。基于所用的纺丝条件并假设零松弛为1.30分特，理论计算纤维滴度。从图4a和图4b的图可以得出结论，为了完全避免由导丝辊0和导丝辊1之间的拉伸引起的定向松弛，并因此获得1.3分特的最终纤维滴度，应使纤维丝束保持承受张力的状态(不松弛)至少直到其中洗涤液体具有约0.3重量％的NaOH浓度的洗涤步骤。
关于在逆流洗涤过程中划分伸长拉伸，导丝辊(图2中的0–n)的独立速度调节由于以下若干原因可被视为是重要的：1)沿着洗涤序列的差异化伸长拉伸可用于优化纤维特性(韧度和伸长率)；2)为了避免纤维丝束可能的松弛；和3)为了避免由于收缩而导致的纤维丝束中不需要的高张力。因此，独立速度调节确保能紧密控制(沿着)洗涤过程中的丝束张力。
在一个测试试验中，根据图2使用12个(n＝12)洗涤步骤来纺制纤维。如下表1所示，对伸长拉伸进行划分。
表1
按如表1所示的4个步骤进行拉伸，以达到几乎相同的总拉伸。图5中示出了洗涤浴中的碱度。
从表1和图5中可以看出，通过分散拉伸使得拉伸在不同碱度下进行可以影响最终纤维特性。在该例中，可以看出，如果在较低碱度下进行部分伸长拉伸，则纤维特性得到改善。
就避免锌在纤维中沉淀的角度而言，已发现，如果在洗涤期间碱度不逐渐降低，则锌可以Zn(OH)2的形式在纤维内部沉淀。锌可能对水生环境有害，因此应在最终纤维中将锌的含量降至最低。另外重要的是，跟在纤维中的锌损失了，并且不能在该方法中被回收利用，因此会产生额外的成本。
在图6a和图6b中，示出了在凝固浴之后直接在纯水中洗涤的纤维的离子抛光纤维横截面的SEM显微图(图6a)和在具有连续降低的碱度的若干洗涤浴中逐渐洗涤的纤维的离子抛光纤维横截面的SEM显微图(图6b)。在图6a中，观察到了许多氢氧化锌的亚微米颗粒，而经过逐渐洗涤的纤维没有显示沉淀颗粒的任何迹象(见图6b)。
通过使用其中碱度逐渐降低的洗涤原则，Zn明显跟随NaOH，而不在纤维内部沉淀，并且从纤维扩散出来并进入洗涤液体中。已通过实验证实，当使用碱度逐渐降低的洗涤原则时，离开的洗涤液体中Zn/Na重量比与纺丝原液中的Zn/Na重量比相同(约0.1)，表明Zn和NaOH一起留在溶液中并因此从纤维中被完全洗去。然后可获得低于50mg/kg纤维的Zn含量。
因此，Zn在纤维内部发生可能的沉淀似乎取决于洗涤机/单元上的浓度梯度。除了别的以外，浓度梯度取决于以下等因素：
·洗涤水流与纺丝原液流的比率
·洗涤步骤的数目
·丝束夹带的洗涤液体的量，该量取决于施加在压力辊上的力
由于需要将纤维丝束洗涤至某些最大碱度，因此上述因素不是独立的。例如，为了相同的洗涤效率，如果减少了洗涤步骤的数目，则必须增加洗涤水与纺丝原液的比率；如果增大了压力辊上的力(更少的洗涤液体被夹带到下一个洗涤步骤)，则可减少洗涤步骤的数目或洗涤水与纺丝原液的比率。
当Zn以氢氧化锌颗粒的形式沉淀在洗涤液体中时，也可能是一个麻烦。此类颗粒可导致沉淀，并且导致洗涤步骤之间连接路线/管道可能被堵塞。通过确保洗涤液体有足够的运动(避免产生停滞区域/地带)，可避免沉淀，然后Zn颗粒将随着洗涤液体流至较高碱度的洗涤步骤，其中Zn被再次溶解。这意味着提供了避免在下游洗涤步骤中从洗涤液体中提取固体Zn颗粒用于回收利用的方法，该方法可供选择。此外，用于经济回收利用的化学品的稀释也可被最小化。由于NaOH、Zn和钠盐的回收利用可能涉及能量密集型方法，诸如从洗涤液体中蒸发水，因此稀释度与过程经济性有关。因此，应使洗涤水流量与纺丝原液流量比率(Qw/Qd)最小化。在这方面，逆流流动洗涤是非常有效的方法。Qw/Qd随着洗涤步骤数(n)的增加而降低。Qw/Qd也随着洗涤步骤之间的洗涤液体夹带的减少而减小，该夹带的量又取决于压力辊的挤压力(见图2)。方法复杂性和投资成本随n增加。在碱度较低的洗涤过程中，压力辊的力可在下游较高。其中碱度高并且纤维仍然柔软和膨胀的洗涤过程中的上游压力辊的力必须降低以避免损坏纤维/丝束。在图4中，给出了n＝12且Qw/Qd＝1的一个实施例。在该例中，压力辊的力在前3个洗涤步骤中较低，然后在步骤4至12中逐渐增加，直至该力在步骤12中是其在步骤1中的约10倍大。
此外，就在洗去含有的化学品期间避免纤维与纤维的粘附而言，根据本发明，已发现，如果丝束的碱度通过在丝束承受张力(这意味着不在松弛状态下)的同时洗涤而突然降低，则纤维与纤维的粘附性可能是一个麻烦。通过使用其中碱度逐渐降低的逆流流动洗涤，纤维与纤维的粘附性得以消除或至少被降至最小。
图7中示出了一种试验装置。根据图7，在V1之后收集丝束捆(一捆约20束)，并且在洗涤浴1–5中洗涤，这些洗涤浴具有根据下方表2所述的逐渐降低的碱度。
表2
将图8中被标记为BW的样品直接转移到洗涤浴#5(纯水)中。将图8中被标记为B的样品先转移到浴#1中然后依次转移到浴#2–5中。
可以看出，在左边的被标记为BW的样品中可清晰辨别丝束捆中的各个纤维丝束，而在右边的被标记为B的样品中难以辨别各个丝束，这表明通过从丝束中逐渐洗去化学品可在很大程度上避免纤维与纤维的粘附。
根据本发明所述的方法也提供了通过干燥纤维丝束而不是短纤维来避免由于变干褶皱而产生低强度纤维的方法。由于结晶度较高，在直接溶解的纤维素中再生纤维会产生刚性的且在一定程度上易碎的纤维(干模量和湿模量均高于常规粘胶纤维)。对于衣服在洗涤期间的尺寸稳定性，高纤维刚度被视为积极因素。然而，此类纤维易受变干褶皱的影响，在展开和拉伸时形成应力集中。在梳理/梳条形成/纺线期间短纤维的薄弱点会导致韧度较低、纤维缩短以及产生粉尘。
现已发现，如果纤维在被切割成短纤维之前以丝束形式干燥，则可避免由于变干褶皱而导致使纤维强度降低的应力集中。
所进行的若干重复实验表明，与基本不含剧烈弯曲的纤维丝束的无约束干燥(即，在零张力下)相比，像在常规粘胶纤维方法中那样干燥无规褶皱纤维会导致纤维强度降低。图9a在左侧示出：以无约束方式干燥为纤维丝束的且基本无剧烈弯曲的纤维；在右侧示出：在无规褶皱状态下干燥的短纤维。在图9b中，示出了以无约束方式干燥、基本无剧烈弯曲、在图9b中被称为“自由干燥直丝束”的纤维与在无规褶皱状态下干燥的短纤维的韧度(强度，单位为cN/tex)的对比。如图所示，以无约束方式干燥为纤维丝束且基本无剧烈弯曲的纤维具有始终高于在无规褶皱状态下干燥为短纤维的纤维的强度。
此外，还提供了用于机械卷曲而不导致纤维强度降低的方法。如上所述，可通过干燥丝束来避免变干褶皱。然而，由于网内聚力差，无卷曲的直纤维在下游操作(如梳理和梳条制造)中难以处理，因为直纤维与弯曲/卷曲纤维相比不太容易彼此缠结。现已发现，在切割成短纤维之前，使用例如填塞箱式卷曲机(见图10中具有卷曲原理的示意图)对干丝束进行机械卷曲可为补救方法。
已发现，在无约束状态(即，在干燥期间不承受张力)下干燥的纤维丝束；允许丝束在干燥期间在纵向/纤维方向上自由收缩，产生具有保持强度的卷曲纤维。
所进行的若干重复实验表明，以无约束方式干燥且基本无剧烈弯曲的纤维丝束(在图11b中被称为“自由干燥的丝束”)在卷曲之后保持了机械性能，见图11a和图11b以比较未卷曲和卷曲的丝束的韧度。在图11a中，右边的样品为卷曲前的干燥纤维丝束，左边的样品为通过填塞箱(诸如图10所示的填塞箱)经过机械卷曲的干燥纤维丝束。在图11b中，将未卷曲的多个纤维丝束样品的强度(韧度，单位为cN/tex，图11b中左边的条形)与已经过机械卷曲的多个纤维丝束样品的强度(图11b中右边的条形)进行比较。从图11b可以看出，机械卷曲之前和之后的韧度基本相同。参照图9a和图9b所述的测试清楚地表明，在干燥期间形成的“变干扭结”在纤维上产生薄弱点，而图11a和图11b的测试清楚地表明，已经干燥的纤维(10％至20％的湿度)在卷曲机中形成的相当剧烈的折叠或弯曲不产生任何此类薄弱点。
关于使用填塞箱式卷曲机进行卷曲，已发现，进入填塞箱的丝束的干含量不能过高，也不能过低。如果丝束的干含量接近100重量％(非常低的湿度；如通过在干燥之前称湿样品的重量然后在至少100℃(诸如约105℃)的烘箱中干燥至少1小时(诸如2小时或更久，甚至达24小时)之后称样品的重量的重量测定方式来测量，其中假设重量损失为被蒸发的水)，纤维会变得非常刚性且易碎以至于在填塞箱中折断。如果丝束的湿度过高(干含量低)，则纤维会变得非常柔软以至于填塞箱被堵塞。如果进入填充箱的丝束的干含量在80重量％至90重量％的范围内，则产生最佳结果和最佳平滑可加工性。
此外，还在其中对浸没和喷淋进行比较的试验中研究了洗涤效率。洗涤效率WE可进行如下计算：
这对应于输入丝束和输出丝束之间的NaOH浓度(或Na2CO3浓度)的差值除以输入丝束和洗涤液体之间的NaOH浓度(或Na2CO3浓度)的差值。在此语境中，“输入丝束”意指进入洗涤步骤的丝束，“输出丝束”意指离开洗涤步骤的丝束。
如图12所指出的那样，在两种不同的试验装置中值得注意的是，与浸没相比，喷淋提供了增强的洗涤效率。在这些试验中，总纤维丝束具有243,000分特(对应于162,000根滴度为1.5分特的长丝)。该纤维丝束的宽度被限制为5cm，从而理论丝束厚度为48,600分特/厘米。
对于图12所示的所有样品，总洗涤时间为20秒。该时间分别与丝束在浸没盒中浸入洗涤液体的时间和丝束在喷淋盒中暴露于喷淋流的时间相关。此外，在喷淋试验中，在328kg/h(＝19.7kg/h干纤维(纤维素))的纺丝原液流量下，洗涤液体流量为10,600kg/h，对应于10,600kg/h/328kg/h＝32.3kg洗涤液体流量每千克纺丝原液组合物。应当指出的是，给定的流量可与这些试验中所用的流量非常不同，例如更低，但也更高。此外，在浸没试验中，使用了650升的洗涤液体，其中所述体积的洗涤液体以与喷淋试验相同的流量等级再循环。在试验中，已使用相对高的液体流量等级。因此，根据本发明，完全可以使用较低的等级。事实上，根据本发明，可使用任何类型的流量等级。
值得注意的是，在比较试验中，喷淋洗涤的洗涤效率保持在80％以上，例如高达约95％，这应与浸没进行比较，浸没的洗涤效率分别为28％和51.1％。基于这些结果，根据本发明的一个实施方案，至少一个洗涤步骤通过喷淋进行，优选地所有洗涤步骤通过喷淋进行。
综上所述，本文所公开的方法和系统提供了用于解决若干纤维质量/特性和回收利用问题的各种优选方法。此类优选方法的一些实施例概述如下。
1.通过在碱性状态(丝束中的高浓度NaOH)下拉伸纤维/丝束来获得最大拉伸，从而获得最大纤维韧度。然而，如果纤维未保持为拉伸状态(意味着基本避免了松弛)，则在碱度进一步降低的情况下(洗去NaOH和钠盐)，所诱导的定向将松弛至一定程度。
2.如果总伸长拉伸被划分为在连续降低的碱度下的多个步骤，则纤维的机械性能可受到积极的影响。导丝辊1至n的独立速度调节也可用于避免丝束的可能的松弛或用于减小当从丝束中洗去化学品时由于收缩而导致的丝束中不需要的高张力。
3.为了改善化学品回收利用的经济性，应将纺丝浴后用水稀释化学品的做法保持在最低限度。
4.当膨胀纤维仍紧密靠近时，膨胀纤维中的碱度快速降低将导致不需要的纤维与纤维的粘附，从而致使在下游操作中难以分离纤维。因此，优选地避免碱度的此类快速降低。
5.由于结晶度较高，在直接溶解的纤维素中凝固纤维会产生刚性的且在一定程度上易碎的纤维(干模量和湿模量均高于常规粘胶纤维)。对于衣服在洗涤期间的尺寸稳定性，高纤维刚度被视为积极因素。然而，已发现此类纤维易受变干褶皱的影响，在展开和拉伸时形成应力集中。如果纤维在无规褶皱状态下干燥，则易于形成此类褶皱，如将应用常规粘胶纤维技术(洗涤和干燥切成的短纤维)的情况那样。在梳理/梳条形成/纺线期间短纤维的薄弱点会导致韧度较低、纤维缩短以及产生粉尘。通过在切割之前以纤维丝束的形式干燥纤维，并且以无约束方式干燥纤维，可避免此类变干褶皱，从而改善纤维强度。
6.可通过干燥直纤维来减少或甚至避免变干褶皱。然而，无卷曲的直纤维在下游操作(如梳理和梳条制造)中难以处理(网内聚力差)。优选地，在不引起纤维强度降低的情况下进行机械卷曲，并且优选地，在至少部分干燥纤维丝束之后且在将纤维丝束切割成短纤维之前进行此类卷曲。
通过使用本文所述的实施方案中的一个或多个可解决一些甚至所有以上列出的与在溶解于碱中的纤维素中生产纤维和在碱性凝固浴中凝固相关的问题。
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