EP1716273A1 - Verfahren zur herstellung von fasern und anderen formkörpern aus cellulosecarbamat und/oder regenerierter cellulose - Google Patents

Verfahren zur herstellung von fasern und anderen formkörpern aus cellulosecarbamat und/oder regenerierter cellulose

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EP1716273A1
EP1716273A1 EP05707477A EP05707477A EP1716273A1 EP 1716273 A1 EP1716273 A1 EP 1716273A1 EP 05707477 A EP05707477 A EP 05707477A EP 05707477 A EP05707477 A EP 05707477A EP 1716273 A1 EP1716273 A1 EP 1716273A1
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cellulose
solution
fibers
nmmno
cellulose carbamate
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Rainer Rihm
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    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F2/00—Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F2/00—Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof

Definitions

  • the invention relates to high strength fibers and others
  • Moldings made of cellulose carbamate or cellulose which is obtained by regeneration of cellulose carbamate, and their production by extrusion of a solution of cellulose carbamate in N-methylmorpholine-N-oxide (NMMNO).
  • NMMNO N-methylmorpholine-N-oxide
  • a well-known way of producing molded Bodies made from regenerated cellulose consist in the precipitation of a solution of cellulose carbamate (EP-A 57 105, EP-A 178 292), which is formed by reacting cellulose with urea with thermal splitting of the urea into isocyanic acid.
  • Cellulose carbamate is soluble in cold, dilute sodium hydroxide solution and can be regenerated back to cellulose in heated sodium hydroxide solution.
  • “Lyocell” fiber is produced, consists in the precipitation of a solution of cellulose in a system of N-methylmorpholine-N-oxide (NMMNO) and water (US 3,767,756, DE 28 30 685), the solution via an air gap in an aqueous Precipitation bath is extruded.
  • NMMNO N-methylmorpholine-N-oxide
  • US 3,767,756, DE 28 30 685 US 3,767,756, DE 28 30 685
  • the process has the disadvantage of a relatively low variability in the product properties. While the strength of the fibers of 15 to 60 cN / tex can be achieved with the viscose process, the strengths in the NMMNO process are in a relatively narrow range between 30 to 45 cN / tex. The field of use of such fibers is thus severely restricted because fibers with lower strength, which also have a lower tendency to fibrillate, are preferred for the textile sector, and higher strengths are often desired for technical applications (e.g. for tire cord).
  • a method for producing fibers and other shaped bodies in which a lyotropic solution of cellulose carbamate in N-methylmorpholine-N-oxide (NMMNO) is deformed into a precipitation bath by means of extrusion from at least one nozzle via an air gap.
  • NMMNO N-methylmorpholine-N-oxide
  • Variations in the degree of orientation can be achieved by changing the L / D ratio (ratio length / diameter of the nozzle channel) and the draw ratio (ratio take-off speed / nozzle exit speed).
  • L / D ratios of 1 to 20 and drawdown ratios of preferably 5 to 200 are preferably used.
  • the width of the air gap between the nozzle and the precipitation bath is preferably 5 to 250 mm, particularly preferably 10 to 150 mm.
  • the lyotropic solution is preferably prepared by swelling the cellulose carbamate in a 50% strength solution of NMMNO in water and then removing the water to a ratio of NMMNO to water between 80:20 and 90:10, particularly preferably 87:13.
  • the spinning is preferably carried out at a temperature of 80 to 110 ° C, particularly preferably in the range of 85 to 95 ° C.
  • the precipitation bath preferably consists of a solution of NMMNO in water with an NMMNO content of 0.5 to 25 % By weight, particularly preferably 5 to 15% by weight, in each case based on the precipitation bath solution.
  • the cellulose carbamate is regenerated to cellulose in a regeneration bath.
  • the cellulose carbamate is particularly preferably regenerated to cellulose in a regeneration bath from 0.3 to 1% by weight of sodium hydroxide in water at a temperature of 60 to 95.degree.
  • fibers and other molded articles made of cellulose carbamate and / or regenerated cellulose are also provided, which have a strength of at least 60 cN / tex.
  • the fibers and other shaped bodies can preferably be produced by the previously described method.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the process flow according to the invention.
  • Example 1 (comparative example according to the prior art)
  • a spinning solution of 9.5% cellulose in NMMO monohydrate with 0.5 mass% propyl gallate as stabilizing agent was spun on a laboratory spinning system with a 40-hole nozzle at a temperature of 90 ° C., a 10% - as spinning bath (precipitation bath) solution of NMMO in water was used.
  • the filament yarns had a strength of 35 cN / tex and an elongation of 9% with a titer of 8.0 tex.
  • cellulose carbamate (3% nitrogen content, Cuoxam-DP 300) were mixed in a kneader with 1305 g of a 50% aqueous NMMO solution, this solution by removing the excess water under a vacuum of 80 mbar until the NNMO monohydrate - Concentrated and the cellulose carbamate dissolved.
  • the spinning solution had a cellulose content of 25% by mass.
  • This spinning solution was spun on a laboratory spinning system with a 40-hole nozzle at a temperature of 100 ° C., a 10% solution of NMMO in water being used as the spinning bath (precipitation bath).
  • the filament yarns had a tenacity of 65 cN / tex and an elongation of 6% with a titer of 8.1 tex.
  • Precipitation bath a 10% solution of NMMO in water was used.
  • the initially moist threads were subjected to an aftertreatment in 0.5% NaOH solution.
  • the filament yarns had a strength of 69 cN / tex and an elongation of 4.5% with a titer of 7.6 tex.

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Abstract

Die Erfindung betrifft hochfeste Fasern und andere Formkörper aus Cellulosecarbamat bzw. Cellulose, die durch Regenerierung von Cellulosecarbamat erhalten wird, sowie ihre Herstellung durch Extrusion einer Lösung von Cellulosecarbamat in N-Methylmorpholin-N-Oxid (NMMNO).

Description

Verfahren zur Herstellung von Fasern und anderen Formkörpern aus Cellulosecarbamat und/oder regenerierter Cellulose
Die Erfindung betrifft hochfeste Fasern und andere
Formkörper aus Cellulosecarbamat bzw. Cellulose, die durch Regenerierung von Cellulosecarbamat erhalten wird, sowie ihre Herstellung durch Extrusion einer Lösung von Cellulosecarbamat in N-Methylmorpholin-N- Oxid (NMMNO) .
Cellulosefasern und -formkorper werden vorwiegend nach dem bekannten Viskoseverfahren hergestellt. Wegen der mit diesem Verfahren verbundenen hohen Um- weltbelastung und der erheblichen Investitionskosten werden jedoch schon seit etlichen Jahren weltweit erhebliche Anstrengungen unternommen, das Viskoseverfahren durch alternative Verfahren zu ersetzen.
Eine bekannte Möglichkeit zur Herstellung von Form- körpern aus Regeneratcellulose besteht im Ausfällen einer Lösung von Cellulosecarbamat (EP-A 57 105, EP-A 178 292) , das durch Umsetzung von Cellulose mit Harnstoff bei thermischer Spaltung des Harnstoffs in Iso- cyansäure gebildet wird. Cellulosecarbamat ist in kalter verdünnter Natronlauge löslich und kann in erwärmter Natronlauge wieder zu Cellulose regeneriert werden.
Ein anderes Verfahren, nach dem u.a. die bekannte
„Lyocell"-Faser hergestellt wird, besteht im Ausfällen einer Lösung von Cellulose in einem System aus N- Methylmorpholin-N-Oxid (NMMNO) und Wasser (US 3,767,756, DE 28 30 685), wobei die Lösung über einen Luftspalt in ein wässriges Fällbad extrudiert wird.
Das Verfahren hat jedoch gegenüber dem Viskoseverfahren den Nachteil einer relativ geringen Variabilität der Produkteigenschaften. Während mit dem Viskoseverfahren Festigkeiten der Fasern von 15 bis 60 cN/tex erreichbar sind, liegen beim NMMNO-Verfahren die Festigkeiten in einem relativ engen Bereich zwischen 30 bis 45 cN/tex. Damit ist der Einsatzbereich derartiger Fasern stark eingeschränkt, weil für den textilen Bereich Fasern mit niedrigerer Festigkeit, die auch eine niedrigere Neigung zur Fibrillierung aufweisen, bevorzugt werden, und für technische Anwendungen häufig höhere Festigkeiten erwünscht sind (z.B. für Reifencord) .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein vom Viskoseverfahren unabhängiges Verfahren zur Herstellung hochfester Cellulosefasern und -formkorper bereitzustellen. Eine weitere verfahrensseitige Aufgabe besteht darin, dass das vorzuschlagende Verfah- ren den Ansprüchen hinsichtlich geringer Investiti- ons- und Produktionskosten und geringer Umweltbelas- tung genügt .
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Fasern oder andere Formkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von Fasern und anderen Formkörpern bereitgestellt, bei dem eine lyotrope Lösung von Cellulosecarbamat in N-Methylmorpholin-N-Oxid (NMMNO) mittels Extrusion aus mindestens einer Düse über einen Luftspalt in ein Fällbad verformt wird.
Überraschenderweise zeigt es sich nämlich, dass auch Cellulosecarbamat in NMMNO löslich ist und die Lösung zu Fasern versponnen bzw. zu anderen Formkörpern verformt werden kann. Gegenüber dem herkömmlichen NMMNO- Verfahren zeigen sich dabei zwei vorteilhafte Unterschiede :
1. Die Viskosität der herkömmlichen Lösungen steigt mit zunehmendem Gehalt an Cellulose bzw. Cellulo- secarbamat stark an. Eine zu hohe Viskosität beeinträchtigt jedoch die Spinnfähigkeit der Lösung. Die Grenze der Spinnfähigkeit liegt daher bei der herkömmlichen Celluloselösung bei einem Gehalt von maximal 15%. Dagegen liegt diese Gren- ze bei Cellulosecarbamat in NMMNO bei etwa 30%. Lösungen mit einem Gehalt an Cellulosecarbamat von 25% sind noch problemlos verspinnbar. Die höhere Konzentration der Lösung bedingt einen geringeren Einsatz an Lösungsmittel und damit einen geringeren Aufwand bei der Aufarbeitung des Fäll- bades zur Rückgewinnung des NMMNO und führt so zu einer deutlichen Kostensenkung.
2. Lösungen mit einem Cellulosecarbamatgehalt von über 20% zeigen überraschend ein lyotropes Ver- halten, d.h. das Cellulosecarbamat liegt in einem flüssigkristallinen Zustand vor, wie aus polarisationsmikroskopischen Aufnahmen ersichtlich ist. Daraus ergibt sich die äußerst vorteilhafte Anwendung, dass die Moleküle beim Verspinnen infol- ge der Scherung im Düsenkanal nahezu perfekt in Faserrichtung ausgerichtet werden, die Fasern somit eine außerordentlich hohe Orientierung und damit eine sehr hohe Festigkeit besitzen.
Variationen des Orientierungsgrades sind durch Veränderung des L/D-Verhältnisses (Verhältnis Länge/Durchmesser des Düsenkanals) und des Abzugsverhältnisses (Verhältnis Abzugsgeschwindigkeit/Düsenaustrittsgeschwindigkeit) erreichbar. Vorzugsweise werden L/D-Verhältnisse von 1 bis 20 und Abzugsverhältnisse von vorzugsweise 5 bis 200 verwendet. Die Breite des Luftspaltes zwischen Düse und Fällbad beträgt vorzugsweise 5 bis 250 mm, besonders bevorzugt 10 bis 150 mm.
Vorzugsweise wird die lyotrope Lösung durch Quellen des Cellulosecarbamats in einer 50%igen Lösung von NMMNO in Wasser und anschließendem Entzug des Wassers bis auf ein Verhältnis von NMMNO zu Wasser zwischen 80:20 und 90:10, besonders bevorzugt 87:13, hergestellt. Das Verspinnen erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von 80 bis 110° C, besonders bevorzugt im Bereich von 85 bis 95° C.
Das Fällbad besteht vorzugsweise aus einer Lösung von NMMNO in Wasser mit einem NMMNO-Anteil von 0,5 bis 25 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 15 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Fällbadlösung.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Variante des Ver- fahrens wird das Cellulosecarbamat in einem Regenerierungsbad zu Cellulose regeneriert.
Besonders bevorzugt wird das Cellulosecarbamat in einem Regenerierungsbad aus 0,3 bis 1 Gew.-% Natron- hydroxid in Wasser bei einer Temperatur von 60 bis 95° C zu Cellulose regeneriert.
Erfindungsgemäß werden ebenso Fasern und andere Formkörper aus Cellulosecarbamat und/oder regenerierter Cellulose bereitgestellt, die eine Festigkeit von mindestens 60 cN/tex aufweisen. Vorzugsweise sind die Fasern und andere Formkörper nach dem zuvor beschriebenen Verfahren herstellbar.
Anhand der nachfolgenden Figur und Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf diese speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs.
Der prinzipielle Ablauf des Verfahrens ist in Figur 1 dargestellt. Hierbei wird die Spinnlösung 1 über eine Spinnpumpe 2 mittels eines Düsenbalkens 3, der eine Vielzahl von Düsen enthält, in ein Fällbad 4 extru- diert . Das Spinnen erfolgt dabei senkrecht von oben nach unten über den Luftspalt in das Fällbad. Über Umlenkrollen 5 werden die Fasern in waagrechter Rich- tung abgezogen. Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel nach dem Stand der Technik)
Eine Spinnlösung von 9,5% Cellulose in NMMO- Monohydrat mit 0,5 Masser- % Propylgallat als Stabilisierungsmittel wurde auf einer Laborspinnanlage mit einer 40 -Lochdüse bei einer Temperatur von 90° C versponnen, wobei als Spinnbad (Fällbad) eine 10%-ige Lösung von NMMO in Wasser verwendet wurde. Die Fila- mentgarne hatten eine Festigkeit von 35 cN/tex und eine Dehnung von 9% bei einem Titer von 8.0 tex.
Beispiel 2
250 g Cellulosecarbamat (3% Stickstoffgehalt , Cuoxam- DP 300) wurden in einem Kneter mit 1305 g einer 50 %-igen wässrigen NMMO-Lösung versetzt, diese Lösung durch Abzug des überschüssigen Wassers unter einem Vakuum von 80 mbar bis zum NNMO-Monohydrat auf- konzentriert und dabei das Cellulosecarbamat aufgelöst. Die Spinnlösung hatte einen Cellulosegehalt von 25 Masse-%. Diese Spinnlösung wurde auf einer Laborspinnanlage mit einer 40-Lochdüse bei einer Temperatur von 100° C versponnen, wobei als Spinnbad (Fällbad) eine 10 %-ige Lösung von NMMO in Wasser verwendet wurde. Die Filamentgarne hatten eine Festigkeit von 65 cN/tex und eine Dehnung von 6 % bei einem Titer von 8.1 tex.
Beispiel 3
250 g Cellulosecarbamat (3 % Stickstoffgehalt , Cuo- xam-DP 300) wurden in einem Kneter mit 1305 g einer 50 %-igen wässrigen NMMO-Lösung versetzt, diese Lö- sung durch Abzug des überschüssigen Wassers unter einem Vakuum von 80 mbar bis zum NNMO-Monohydrat auf- konzentriert und dabei das Cellulosecarbamat aufgelöst. Die Spinnlösung hatte einen Cellulosegehalt von 25 Masse-%. Diese Spinnlösung wurde auf einer Laborspinnanlage mit einer 40-Lochdüse bei einer Tempe- ratur von 100° C versponnen, wobei als Spinnbad
(Fällbad) eine 10 %-ige Lösung von NMMO in Wasser verwendet wurde. Die initialfeuchten Fäden wurden einer Nachbehandlung in 0,5 %-iger NaOH-Lösung unterzogen. Die Filamentgarne hatten eine Festigkeit von 69 cN/tex und eine Dehnung von 4,5 % bei einem Titer von 7,6 tex.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Fasern und anderen Formkörpern, bei dem eine lyotrope Lösung von Cellulosecarbamat in N-Methylmorpholin-N-Oxid (NMMNO) mittels Extrusion aus mindestens einer Düse über einen Luftspalt in ein Fällbad verformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Düsen von 1 bis 20 beträgt .
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abzugsverhältnis im Bereich von 5 bis 200 liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Luftspaltes zwischen Düse und Fällbad 5 bis 150 mm, insbesondere 10 bis 50 mm beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Cellulosecarbamat-Anteil der lyotropen Lösung mindestens 20 Gew.-%, insbesondere 22 bis 27 Gew.-%, bezogen auf die Lösung, beträgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lyotrope Lösung durch Quellen des Cellulosecarbamats in einer 40 bis 70 %igen, isnbesondere 50 %igen Lösung von NMMNO in Wasser und anschließendem Entzug des Wassers bis auf ein Verhältnis von NMMNO zu Wasser zwischen 80:20 und 90:10 hergestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fällbad aus ei- ner Lösung von NMMNO in Wasser mit einem NMMNO- Anteil von 0,5 bis 25 Gew.-%, insbesondere 5 bis 15 Gew.-%, bezogen auf die Lösung, besteht.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass die Extrusion bei einer Temperatur zwischen 80 bis 110 °C, insbesondere 85 bis 95 °C erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Cellulosecarbamat in einem Regenerationsbad zu Cellulose regeneriert wird.
10. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Regenerierungs- bad aus 0,3 bis 1 Gew.-% Natriumhydroxid in Wasser und die Regenerierung bei einer Temperatur von 60 bis 95 °C durchgeführt wird.
11. Fasern oder andere Formkörper aus Cellulosecarbamat und/oder regenerierter Cellulose dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern oder andere Formkörper eine Festigkeit von mindestens 60 cN/tex aufweisen.
12. Fasern oder andere Formkörper nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern oder andere Formkörper nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 herstellbar ist.
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