專利名稱：一種硝化棉紡絲方法及應用的制作方法
技術領域：
本發明屬于含能材料制備工藝及其應用技術領域，特別是硝化棉(NC)的紡絲工 藝方法及其在煙花爆竹中的應用。
背景技術：
煙花爆竹傳統引線中主要成分黑火藥的燃燒產物中含有S02、氮氧化物及固體顆 粒懸浮物，是造成環境污染的主要原因。另外，黑火藥在生產、運輸和使用中的安全問題也 比較嚴重。硝化棉(NC)屬于軍民兩用材料，其生產工藝成熟、基本性能穩定，燃燒產物主要 為H20、C02及N2，對空氣的污染比黑火藥顯著降低。將硝化棉(NC)紡制成絲作為煙花爆 竹引線的取代產品，既可滿足煙花爆竹引線快速燃燒的要求，又可解決生產安全與使用環 保問題。目前檢索到的相關文獻資料主要是針對聚丙烯腈(PAN)等纖維進行紡絲。王延 相，彭公秋等([1]王延相，季保華，劉煥章.濕法紡聚丙烯腈原絲凝固過程的研究[J]功能 材料，9 (36)，2005:1439-1440. [2]彭公秋，溫月芳，楊永崗，等.凝固浴條件對濕紡PAN初 生纖維截面形狀和皮芯結構的影響[J].材料導報，23(1)，2009 41)研究了 PAN/二甲基亞 砜(DMSO)體系紡絲工藝的凝固過程。凝固速度受凝固浴溫度的影響較大，浴溫提高10°C， 擴散系數增加1. 5 2倍，凝同速度也提高1. 5 2倍。隨著凝固浴溫度的升高，紡絲原 液中的溶劑向凝固浴的擴散速率與凝固浴中的水向紡絲原液的擴散速率均提高。溫度過低 (10°C )時，擴散系數較小，擴散速率較低，原絲內部因溶劑擴散不充分而形成皮芯結構，表 層硬度較小，截面坍塌而形成不規則的腎形；溫度升高(60°C )，凝固速率逐漸增加，內部溶 劑擴散比較充分，表皮層的厚度與硬度均有所提高，內外部凝固速率差異較小而形成比較 規整的圓形截面，皮芯差異不明顯，力學性能有顯著提高。陳娟，王成國(陳娟，王成國.PAN 濕法紡絲中凝固成纖過程的研究進展[J].材料導報，2006，20 (9) 28)研究了 PAN紡絲原 液濃度對原絲力學性能的影響。在一定范圍內，紡絲原液濃度越高，凝固過程中溶劑與固 化劑(水)的置換量越高，原絲結構也更加致密，對提高碳纖維的強度是有利的。濃度為 22% 35%時所得原絲力學性能好，濃度超過35%時，紡絲原液的粘度過高，易產生凝膠 化，紡絲的拉伸性和可紡性均有所下降；濃度低于22%時，原絲致密性降低，拉伸也不能提 高原絲的取向度。研究表明在22% 30%濃度范圍內，原液可紡性隨濃度的增加而提高， 原絲密度、均勻性和力學性能也相應提高。目前尚未發現國內外關于硝化棉(NC)紡絲研究的文獻報道，也未發現煙花爆竹 引線取代產品研究的文獻報道。
發明內容
本發明的目的在于提供一種硝化棉(NC)的紡絲工藝，使所得硝化棉(NC)原絲在 力學性能、吸濕性能、燃速性能及燃燒產物的環保性等方面滿足煙花爆竹引線的技術要求，從而取代紙引線在煙花爆竹中應用，解決紙引線的生產安全性與使用環保性問題。實現本發明目的的技術解決方案為一種硝化棉紡絲方法，將硝化棉、增塑劑和工 藝溶劑配制成紡絲原液后加入紡絲釜內，在充壓氮氣或壓縮空氣的壓力作用下，紡絲原液 由紡絲釜上的噴絲孔擠出后在空氣層受重力的拉伸形成原液細流，將原液細流放入凝固浴 中在雙擴散作用下固化成硝化棉原絲，之后對硝化棉原絲卷繞、干燥，最后成型。該硝化棉 原絲作為煙花爆竹中的紙引線使用。本發明與現有技術相比，其顯著優點(1)通過簡單的工藝流程和方法實現了硝 化棉(NC)的連續紡絲，工藝簡單、安全，硝化棉(NC)原絲質量和性能良好、穩定，具備了取 代煙花爆竹紙引線的技術條件。(2)可控制原液濃度適應不同季節不同環境溫度的影響。 研究發現原液粘度是影響硝化棉(NC)紡絲連續性的關鍵因素，建立了原液濃度、溫度與粘 度之間的關系，可根據環境溫度的變化調整原液的濃度，不需要對原液進行恒溫處理，有利 于降低生產成本。(3)直徑為紙引線1/3左右的單根硝化棉(NC)原絲的力學性能與紙引線 相當，燃速略高于紙引線，可滿足煙花爆竹引線的使用要求。(4)硝化棉(NC)原絲的吸濕性 為紙引線的1/3左右，點火燃燒可靠性明顯提高。(5)硝化棉(NC)原絲與紙引線相比，燃燒 氣體環境的透光率提高了 30%左右，懸浮物濃度明顯減少，即硝化棉(NC)原絲燃燒產物的 環保性能比紙引線有明顯提高。
附圖1是本發明一種硝化棉紡絲方法的工藝流程圖。附圖2是不同規格硝化棉(NC)原絲與紙引線的吸濕率 時間關系圖。附圖3是不同規格硝化棉(NC)原絲與紙引線燃燒產物透光率 時間關系圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。結合圖1，本發明一種硝化棉紡絲方法如下以含氮量11. 5% 12. 5%的硝化 棉(NC)為主要原材料、用于提高硝化棉(NC)原絲柔韌性的酯類化合物鄰苯二甲酸二辛酯 (DOP)或鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)為增塑劑，采用溶度參數與硝化棉(NC)接近且與水具有 良好互溶性的丙酮或四氫呋喃作為工藝溶劑，將硝化棉(NC)溶解形成紡絲原液后加入紡 絲釜，紡絲原液的配比為硝化棉(NC)質量為20% 30%，鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)或鄰 苯二甲酸二丁酯(DBP)質量為硝化棉(NC)質量的10% 20%，其余為工藝溶劑。紡絲原液 在充壓氮氣或壓縮空氣的0. 2MPa 0. 5MPa壓力作用下，由紡絲釜上直徑為0. 5mm 1. Omm 的噴絲孔擠出后經過高度為60mm 160mm的空氣層進入15°C 40°C的水介質凝固浴中， 原液細流在雙擴散作用下經3min IOmin凝固成型，最后在(50士2) °C下烘干12h 24h 得到硝化棉(NC)原絲。硝化棉(NC)原絲的應用特性硝化棉(NC)原絲屬于含能材料，燃燒速度快，燃燒 熱效應高，應用于煙花爆竹取代傳統的紙引線，吸濕性降低了 2/3左右，燃燒氣體環境的透 光率提高了 30%左右，點火燃燒的可靠性與燃燒產物的環保性能明顯提高。本發明將硝化 棉(NC)紡制成絲，目前主要的應用對象是用于取代現有煙花爆竹中的紙引線，可解決紙引 線的生產安全與使用環保問題。本發明的硝化棉(NC)紡絲工藝簡單、安全，硝化棉(NC)原絲的質量和性能良好、穩定，具備了取代煙花爆竹紙引線的技術條件。與傳統紙引線相比， 硝化棉(NC)原絲的吸濕性能和燃燒環保性均有顯著提高，獲得推廣應用后將產生良好的 社會和經濟效益。下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。實施例1 (1)按表1所示配方組成及其配比，在IOOOml燒杯中配制20%的A棉/丙酮/DOP 紡絲原液500ml，靜置(24士2)h使硝化棉(NC)充分溶解；(2)在高150mm、內徑IOOmm的紡絲釜底蓋上按上噴絲孔直徑為0. 7mm的噴絲頭， 將紡絲釜置于鐵架臺上，通過鐵架臺的升降使空氣層高度調整到(70士 10)mm;在鐵架臺下 放置長800mm寬350mm高250mm的凝固浴水槽，并裝入2/3高度的自來水，水溫(20 士 5) °C ；(3)將紡絲原液加入紡絲釜中，加蓋并擰緊，連接充壓氮氣管接頭；(4)開啟氮氣壓力控制閥，逐漸調節壓力至(0. 2士0. l)MPa，紡絲原液從噴絲頭擠 出，并在重力下進入凝固浴水槽，原液細流在雙擴散作用下凝固成型，手工牽絲至滾輪，調 整滾輪組合及滾輪間距使硝化棉(NC)原絲在凝固浴中的時間控制在(9士 l)min，硝化棉 (NC)原絲牽出凝固浴后進行卷繞；(5)將硝化棉(NC)原絲放入(50士2) °C烘箱內烘干(18士2)h。表1實施例1紡絲原液配方
組份名稱丙酮A級NC (含氮量12.5%)DOP質量，％77203實施例2 (1)按表2所示配方組成及其配比，在IOOOml燒杯中配制25%的A棉/丙酮/DOP 紡絲原液500ml，靜置(24士2)h使硝化棉(NC)充分溶解；(2)在高150mm、內徑IOOmm的紡絲釜底蓋上按上噴絲孔直徑為0. 7mm的噴絲 頭，將紡絲釜置于鐵架臺上，通過鐵架臺的升降使空氣層高度調整到(100士 10)mm;在鐵 架臺下放置長800mm寬350mm高250mm的凝固浴水槽，并裝入2/3高度的自來水，水溫 (25 士 5)°C ；(3)將紡絲原液加入紡絲釜中，加蓋并擰緊，連接充壓氮氣管接頭；(4)開啟氮氣壓力控制閥，逐漸調節壓力至(0. 3士0. l)MPa，紡絲原液從噴絲頭擠 出，并在重力下進入凝固浴水槽，原液細流在雙擴散作用下凝固成型，手工牽絲至滾輪，調 整滾輪組合及滾輪間距使硝化棉(NC)原絲在凝固浴中的時間控制在(6士 l)min，硝化棉 (NC)原絲牽出凝固浴后進行卷繞；(5)將硝化棉(NC)原絲放入(50士2) °C烘箱內烘干(18士2)h。表2實施例2紡絲原液配方
組份名稱丙酮A級NC (含氮量12.5%)DOP質量，％72.5252.5實施例3 (1)按表3所示配方組成及其配比，在IOOOml燒杯中配制25%的A棉/丙酮/DOP紡絲原液500ml，靜置(24士2)h使硝化棉(NC)充分溶解；(2)在高150mm、內徑IOOmm的紡絲釜底蓋上按上噴絲孔直徑為1.0mm的噴絲 頭，將紡絲釜置于鐵架臺上，通過鐵架臺的升降使空氣層高度調整到(150士 10)mm;在鐵 架臺下放置長800mm寬350mm高250mm的凝固浴水槽，并裝入2/3高度的自來水，水溫 (35 士 5)°C ；(3)將紡絲原液加入紡絲釜中，加蓋并擰緊，連接充壓氮氣管接頭；(4)開啟氮氣壓力控制閥，逐漸調節壓力至(0. 3士0. l)MPa，紡絲原液從噴絲頭擠 出，并在重力下進入凝固浴水槽，原液細流在雙擴散作用下凝固成型，手工牽絲至滾輪，調 整滾輪組合及滾輪間距使硝化棉(NC)原絲在凝固浴中的時間控制在(4士 l)min，硝化棉 (NC)原絲牽出凝固浴后進行卷繞；(5)將硝化棉(NC)原絲放入(50士2) °C烘箱內烘干(22士2)h。表3實施例3紡絲原液配方
權利要求
一種硝化棉紡絲方法，其特征在于將硝化棉、增塑劑和工藝溶劑配制成紡絲原液后加入紡絲釜內，在充壓氮氣或壓縮空氣的壓力作用下，紡絲原液由紡絲釜上的噴絲孔擠出后在空氣層受重力的拉伸形成原液細流，將原液細流放入凝固浴中在雙擴散作用下固化成硝化棉原絲，之后對硝化棉原絲卷繞、干燥，最后成型。
2.根據權利要求1所述的硝化棉紡絲方法，其特征在于硝化棉的含氮量范圍為 11. 5% 12. 5%，紡絲原液中硝化棉的質量含量為20% 30%。
3.根據權利要求1所述的硝化棉紡絲方法，其特征在于增塑劑為鄰苯二甲酸二辛酯 DOP或鄰苯二甲酸二丁酯DBP中的任意一種或兩者的混合，紡絲原液中增塑劑的含量為硝 化棉質量的10% 20%。
4.根據權利要求1所述的硝化棉紡絲方法，其特征在于工藝溶劑為丙酮或四氫呋喃 中的任意一種或兩者的混合。
5.根據權利要求1所述的硝化棉紡絲方法，其特征在于充壓氮氣或壓縮空氣的壓力 為 0. 2MPa 0. 5MPa。
6.根據權利要求1所述的硝化棉紡絲方法，其特征在于噴絲孔的直徑為0.5mm 1. Omm0
7.根據權利要求1所述的硝化棉紡絲方法，其特征在于空氣層高度為60mm 160mm。
8.根據權利要求1所述的硝化棉紡絲方法，其特征在于凝固浴介質為水，凝固浴溫度 范圍為15°C 40°C，凝固時間為3min lOmin。
9.一種基于權利要求1所述的硝化棉紡絲方法制備的硝化棉原絲的應用，其特征在 于該硝化棉原絲作為煙花爆竹中的紙引線使用。
全文摘要
本發明公開了一種硝化棉紡絲方法及應用，將硝化棉NC、增塑劑和工藝溶劑配制成紡絲原液后加入紡絲釜內，在充壓氮氣或壓縮空氣的壓力作用下，紡絲原液由紡絲釜上的噴絲孔擠出后在空氣層受重力的拉伸形成原液細流，原液細流進入凝固浴中在雙擴散作用下固化成硝化棉原絲，經卷繞、干燥后成型。本發明所得硝化棉原絲在力學性能、吸濕性能、燃速性能及燃燒產物的環保性等方面滿足煙花爆竹引線的技術要求，從而取代紙引線在煙花爆竹中應用，解決紙引線的生產安全性與使用環保性問題。
文檔編號D01D1/02GK101956239SQ20101024172
公開日2011年1月26日 申請日期2010年8月2日 優先權日2010年8月2日
發明者劉波, 力小安, 鄧輝平, 黃振亞 申請人:南京理工大學