HU218267B - Eljárás és berendezés cellulóz szuszpenzió előállítására - Google Patents

Abstract

A találmány tárgya eljárás cellulózszuszpenzió előállításárafolyékony, vizes tercier amin-oxidban, melynek során az aprítottcellulózt a folyékony, vizes tercier amin-oxiddal összekeverik. Azeljárás során A) az aprított cellulózt a folyékony, vizes tercieramin-oxiddal érintkezésbe hozzák, és első keveréket képeznek, és B)ezt az első keveréket egy felületen mechanikusan, rétegszerűenszétterítik és intenzív keveréssel ezen felület mentén továbbítják,amíg homogén szuszpenziót képeznek, melyet a felületről elvezetnek,melynek során C) az A) és B) intézkedéseket folyamatosan hajtjákvégre. ŕ

Description

A találmány tárgya eljárás cellulózszuszpenzió előállítására, melynek során folyékony formában rendelkezésre álló tercier amin-oxidban lévő cellulózból állítunk elő szuszpenziót, valamint eljárás cellulóz alakos testek, például fóliák, szálak és membránok előállítására.

Néhány évtizede folynak a kutatások cellulóz alakos testek előállítására szolgáló eljárások vonatkozásában, melyeknek a ma széleskörűen alkalmazott viszkózelőállító eljárásokat kell helyettesíteni. Az egyik változat, mely nem utolsósorban magasabb fokú környezetbarát jellege miatt került az érdeklődés középpontjába, egyre inkább a felé irányul, hogy a cellulózt kémiai átalakítás nélkül (melynek során nem képződik származék) szerves oldószerben kell feloldani, és ebből az oldatból kell extrudálni alakos testeket, például szálakat és fóliákat. Az ilyen extrudált szálak a BISFA-től (The International Bureau fór the Standardization of Mán Made Fibers=Nemzetközi Iroda a mesterséges szálak szabványosítására) a Lyocell nevet kapta. Szerves oldószer alatt a BISFA egy szerves vegyületből és vízből álló keveréket ért.

Kiderült, hogy szerves oldószerként különösen jól használható cellulóz alakos testek előállítására egy tercier amin-oxidból és vízből álló keverék. Amin-oxidként itt elsősorban N-metil-morfolin-Noxidot (NMMO) alkalmaznak. Más amin-oxidokat például az EP-A-0 553 070 számú szabadalmi bejelentésben ismertetnek. Alakítható cellulózoldatok előállítására szolgáló eljárás ismerhető meg például az EP-A-0 356 419 számú szabadalmi leírásból.

Az US-A 4 246 221 lajstromszámú szabadalmi leírásban fonható cellulózoldatok előállítására szolgáló amin-oxidos eljárást írnak le, melyet kiindulóanyagként többek között cellulóznak folyékony, vizes N-metilmorfolin-N-oxid- (NMMO)-ban lévő cellulóz keverékeként alkalmaznak. Ezen eljárás szerint egy szakaszosan működő keverőberendezésben vizes amin-oxid-oldatban cellulózszuszpenziót állítanak elő, és a keveréket egyidejűleg csökkentett nyomás alatt melegítik, és a vizet kivonják, és egy első oldatot állítanak elő, melyet szűrés és utómegmunkálás után egy extruderben alakítható oldattá alakítanak át. Ennek az ismert eljárásnak egyik hátránya az, hogy a keverőben a cellulózszuszpenziót szakaszos működéssel állítják elő. Ez a szakaszos első lépés a teljes amin-oxid-eljárást szakaszossá teszi, ami hátrányos, mert minden alakítási eljárás, például a szálak fonása legjobban folyamatosan végezhető.

A WO 94/28217 számú szabadalmi bejelentésből cellulózalapú előkeverék előállítására szolgáló eljárás ismerhető meg, melyből alakítható cellulózoldatot lehet előállítani. Ezen eljárás szerint aprított cellulózt és amin-oxid-oldatot vezetnek be egy vízszintesen csapágyazott, hengeres keverőkamrába, amelynek egy tengelyirányban egymástól távközökkel elrendezett keverőelemekkel ellátott forgórésze van. A keveréket a keverőkamrában keverik, melynek során a forgórészt 40-80 fordulat/perces sebességgel forgatják. A keveréket a keverőkamrában előnyösen 65 °C-nál magasabb hőmérsékleten tartják. Ennek az eljárásnak azonban a következő hátrányai vannak.

1. Az eljárás sok időt vesz igénybe, mivel többek között az amin-oxid-oldatot és a cellulózt nem lehet egyidejűleg bevezetni a keverőkamrába, azokat egymás után kell bevezetni.

2. Az eljárás további hátránya abban áll, hogy csak szakaszosan hajtható végre, melynek során minden egyes töltethez kereken 21 percre van szükség.

3. A szakaszos működésmód miatt két ilyen keverőt kell működtetni, hogy a cellulóz/amin-oxid keveréket folyamatosan lehessen egy olyan berendezésbe továbbítani, melyben a cellulózoldatot előállítják, és folyamatosan például egy fonógépre adják.

4. A két keverőberendezés alkalmazása viszont azt jelenti, hogy az összes berendezésből, például tárolóedényekből, vezetékekből, szivattyúkból, szűrőkből stb., melyek a keverőberendezések és a fonógép közé vannak kapcsolva, ugyancsak kettő kell. Ez természetszerűleg jelentős műszaki és gazdasági többletráfordításhoz vezet.

5. Egy további hátránynak tekinthető az, hogy töltetenként viszonylag nagy mennyiségű amin-oxidot dolgoznak fel. Ez a nagy mennyiség biztonsági kockázatot jelent, mivel a tercier amin-oxidok magas hőmérsékleten instabilak, és hajlamosak a bomlásra.

6. A szakaszosan működtetett keverőket ezenkívül nehéz kiüríteni.

A találmány célja tehát egy olyan eljárás kidolgozása. mely nem rendelkezik a fent említett hátrányokkal, és amely szerint aprított cellulózból és vizes aminoxid-oldatból egyetlen lépésben és nagy sebességgel lehe: előállítani homogén cellulózszuszpenziót, mely az amin-oxidos eljárásokhoz kiindulási anyagként felhaszná ható.

A kitűzött célt olyan eljárás kidolgozásával értük el, melynek során aprított cellulózt a folyékony, vizes tercier amin-oxiddal összekeverjük, az aprított cellulózt a folyékony, vizes tercier amin-oxiddal érintkezésbe hozzuk, és első keveréket képezünk. Az eljárás lényege, hogy ezt az első keveréket egy felületen mechanikusan rétegszerűen szétterítjük és intenzív keveréssel ezen felület mentén továbbítjuk, amíg homogén szuszpenziót képezünk, melyet a felületről elvezetünk, melynek sorári a fenti intézkedéseket folyamatosan hajtjuk végre.

A találmány azon a felismerésen alapul, hogy a rétegtechnika, különösen a vékonyréteg-technika alkalmazásával egyszerűen és gyorsan lehet előállítani homogén cellulózszuszpenziót.

Kiderült továbbá, hogy a találmány szerinti eljárással egyszerűen megvalósítható az is, hogy cellulóz segédanyagokkal, például stabilizátorokkal, diszpergálószerekkel, fonást segédanyagokkal, reakcióképességet javító szerekkel szervetlen vagy szerves jellegű töltőanyagokat (baritot, aktív szenet, SiO₂-ot, CMC-t, modifikátorokat, polietilénglikolt) és más polimereket, mint például nejlont, színezékeket homogén módon be tudunk keverni. Ez a lehetőség döntő jelentőségű ezen segédanyagok hatásának a teljes mértékű kifejtése szempontjából. Kiderült továbbá az is, hogy egy ilyen hozzákeverés a homogén szuszpenzió képződését nem lassítja le.

HU 218 267 Β

A találmány szerinti eljárás egy további előnye abban van, hogy folyékony vizes tercier amin-oxidként, amelybe aprított cellulózt szuszpendáltatunk, a tercier amin-oxidnak egy, szobahőmérsékleten folyékony vizes oldatát és olvasztott tercier amin-oxid-hidrátumot lehet bevinni.

Előnyös, ha

- folyékony, vizes tercier amin-oxidként tercier amin-oxid vizes oldatát alkalmazzuk;

- folyékony, vizes tercier amin-oxidként olvasztott tercier amin-oxid-hidrátot alkalmazunk;

- folyékony, vizes tercier amin-oxidot alkalmazunk, melynek hőmérséklete 50-85 °C között van;

- a folyékony, vizes tercier amin-oxiddal érintkezésbe hozott cellulózt 1-5 percen keresztül szállítjuk a felület mentén.

Ez azt jelenti, hogy a cellulózszuszpenzió már néhány perc alatt folyamatos módon homogén formában előállítható. A találmány szerinti eljárás így az aminoxidos eljárásnak egy lényegesen egyszerűbb megvalósítását jelenti.

A találmány szerint továbbá olyan berendezést alkalmazunk a találmány szerinti eljárás végrehajtására, mely közvetetten fűthető vagy hűthető, és keverőberendezéssel ellátott tartálya van, mely hengeres tartály formájában van kialakítva, közepén forgórész van csapágyazva, és arra szállítólapok és csap formájú elemek vannak felerősítve. A találmány szerinti berendezés alkalmazásának lényege, hogy a szállítólapok és csap formájú elemek a forgórész tengelyével a dőlésszöget zárnak be, melyek a folyékony, vizes tercier amin-oxiddal érintkezésbe hozott cellulóz keverésére és továbbítására vannak kialakítva, ahol a szállítólapok és csap alakú keverőelemek sugárirányú távolsága a tartály belső falától legfeljebb 20 mm, a tartály felső részében az aprított cellulóz és a folyékony, vizes tercier amin-oxid számára bevezetőnyílások, illetve bevezetőcső van elrendezve, alsó részében pedig a homogén szuszpenzió elvezetésére kivezetőnyílás van kialakítva.

Előnyösen az a dőlésszög beállítható.

A találmány szerint továbbá olyan eljárást dolgoztunk ki alakítható cellulózoldat előállítására, melynek során a találmány szerint előállított homogén szuszpenziót víz elgőzölögtetésével alakítható cellulózoldattá dolgozzuk fel. Egy ilyen eljárást ismertetnek például az EP-A-0 356 419 számú szabadalmi leírásban. A vékonyréteges kezelőberendezés egyik kiviteli alakja például egy úgynevezett filmextruder vagy filmtruder, melyet a BUSS AG cég (Svájc) gyárt. Egy vékonyréteges kezelőberendezés ismerhető meg a DE-OS 2 011 493 számú közzétételi iratból is.

Az 1994-ben nyilvánosságra hozott WO 94/06530 számú szabadalmi leírásban egy az EP-A-0 356 419 számú szabadalmi leírásból ismert, vékonyréteges eljárást alkalmaznak, hogy egy vizes oldatban lévő cellulózkeverékből tercier amin-oxidot alakítható oldat formájában kapjanak. Az eljárást egy, az EP-A-0 356 419 számú szabadalmi bejelentésben leírt kiviteli alak szerinti filmextrudáló berendezéshez hasonló módon hajtják végre. A WO 94/06530 számú irat szerinti eljárás feladatául az energiamegtakarítást tűzték ki, és ezen feladat elérése érdekében a forgórészt lassabban kívánják forgatni.

A találmány szerint továbbá olyan eljárást dolgoztunk ki cellulóz alakos testek előállítására, mely abból áll, hogy a találmány szerint előállított cellulózszuszpenziót alakítható cellulózoldatba visszük át, melyet az követően önmagában ismert módon fólia, szálak, membránok vagy más alakos testek formájában dolgozunk fel.

A találmány szerint előállított szuszpenziót egy adagolószerkezeten keresztül közvetlenül be lehet adagolni a fdmextruderbe, és ott oldattá lehet feldolgozni. Az oldat előállításához egy gázmentesítő extrudert is lehet használni. Ez utóbbi esetben a szuszpenziót azonban koncentrált állapotban kell alkalmazni, mivel egy gázmentesítő extrudemek a gázokat elvezető képessége nagyon korlátozott. A találmány szerint előállított szuszpenziót a cellulózoldatba más berendezésekben is át lehe’ vinni. Továbbá a szuszpenziót az oldatba való bevitel előtt megfestési eljárásnak is alá lehet vetni.

A mellékelt rajz alapján leírunk egy berendezést, melyben a találmány szerinti eljárást különösen jól végre lehet hajtani. A rajzon egy találmány szerint alkalmazott keverő vázlatos szerkezeti felépítése látható. Ilyen keverőket például a németországi mannheimi Draiswerke GmbH cég gyűrűs rétegkeverő néven gyárt, és a kereskedelmi forgalomban K-TT jelzéssel árusítják.

Az ábrán egy vízszintesen elhelyezett keverő hosszmetszetének vázlata látható, mely lényegében egy kettős köpenyű hengeres 1 tartályból áll, ahol a kettős köpeny a feldolgozandó termék közvetett fűtésére vagy hű’ésére alkalmas. Az 1 tartályban középen csapágyazol t 2 forgórész található, melyre 3 szállítólapok és csap formájú 4 elemek vannak felerősítve. A 2 forgórészt 5 motor hajtja meg.

Az aprított cellulózt 6 bevezetőnyíláson keresztül adagoljuk be a hengeres 1 tartályba, a 3 szállítólapok előtt, és onnan az 1 tartály belsejébe szállítjuk. Ekkor a 2 forgórészt olyan gyorsan forgatjuk, hogy az aprított cellulózt a 3 szállítólapok centrifugális erővel az 1 tartály hengeres falára repítsék ki, és azok ott az 1 tartály belső felületén réteget képezve haladnak tovább.

A folyékony, vizes amin-oxid-oldatot 7 adagolócsövön keresztül adagoljuk be az 1 tartályba. A 7 adagolócső egészen a 2 forgórészig nyúlik be, és természetszerűleg a 3 szállítólapok, illetve a csap formájú 4 elemek közötti egyik hézagban van elrendezve úgy, hogy a 2 forgórész forgását nem fogja akadályozni. Az aminoxid-oldatnak átadott repítőerő által az sugárirányban kifelé repül, ezt követően megnedvesíti és átáztatja a cellulózt, és létrejön egy keverék. Ezt a megnedvesítési fázist a rajzon árnyékolással szemléltetjük. A keverés intenzitásától és az amin-oxid-oldatnak a cellulózhoz viszonyított arányától függően a keveréknek az 1 tartály fala mentén történő szállítása során egy homogén szuszpenzió képződik, melyet a 8 nyíláson keresztül távolítunk el, vagy azonnal, vagy pedig további feldolgozás után, mely feldolgozás lehet például egy festési lépés,

HU 218 267 Β és a szuszpenzió ezután felhasználható cellulózoldat előállítására.

A csap alakú 4 elemek a 2 forgórész tengelyéhez képest kismértékben dőlt helyzetűek, és ilyen módon tudják továbbítani a szuszpenziót. Lényeges az, hogy a 2 forgórészt olyan gyorsan forgatjuk, hogy a cellulóz/amin-oxid keverék az 1 tartály falára repüljön és ott egy réteget képezzen. Az 1 tartály sugara például 15 cm, úgyhogy a 2 forgórész fordulatszáma például 700 fordulat/perc lehet, hogy ki tudjunk alakítani egy réteget.

A találmány szerinti eljárást az alábbiakban kiviteli példa kapcsán még tovább magyarázzuk.

Példa

A szuszpenzió előállításához egy, a németországi mannheimi Draiswerke GmbH cég K-TT 80 típusú (ötvözött acélból készült) gyűrűs rétegkeverőjét használtuk. Ennek a keverőnek a működésmódját a rajz alapján ismertetjük az alábbiakban.

A gyűrűs rétegkeverőbe óránként folyamatosan 55 kg aprított cellulózt adagoltunk be, melynek részecskemérete maximum 4 mm volt, továbbá 375 kg folyékony oldatot, mely 75 tömeg% NMMO-t tartalmazott. Fűtőközegként 75 °C hőmérsékletű vizet használtunk. A gyűrűs rétegkeverőben normálnyomás uralkodott. A 2 forgórészt 700 fordulat/perces sebességgel forgattuk.

Óránként 430 kg homogén szuszpenziót tudtunk előállítani, melyben a cellulóz szárazanyag sűrűsége 12,8 tömeg% volt, hőmérséklete pedig 65 °C.

A gyűrűs rétegkeverőben előállított szuszpenziót az EP-A-0 356 419 számú szabadalmi leírásban ismertetett leírás szerint 75 °C hőmérsékleten Buss HS0200 típusú filmextruderben 430 kg/h sebességgel beadagoltuk, és ott 15,0%-os cellulózkoncentrációjú, alakítható oldattá alakítottuk át. A filmextruder fűtőfelületét 142 °C hőmérsékletű telített gőzzel melegítettük. A 2 forgórész forgatási sebessége 4 m/s-ot tett ki, és a filmextruderben uralkodó nyomás 50 mbar volt. Mintegy 63 kg vízgőzt vezettünk el óránként.

A fenti eljárási paraméterekkel óránként körülbelül 367 kg alakítható cellulózoldatot lehetett a filmextruderből kinyerni 105 °C hőmérsékleten.

A kapott alakítható oldat nem tartalmazott oldatlan cellulózrészecskéket (mikroszkópos vizsgálat), gázmentesített volt, és minden gond nélkül fel lehetett dolgozni a bejelentő által bejelentett és WO 93/19230, illetve WO 95/07811 számon közzétett eljárások szerint szállá, illetve fóliává.

A cellulóznak a gyűrűs rétegkeverőben való tartózkodási ideje 2 perc volt. Ez azt jelenti, hogy a találmány szerinti eljárással lehetséges mindössze néhány perc alatt a cellulóz és amin-oxid-oldat kiindulási anyagból homogén szuszpenzió előállítása, ami gond nélkül átalakítható alakítható cellulózoldattá.

Claims (10)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Eljárás cellulózszuszpenzió előállítására folyékony, vizes tercier amin-oxidban, melynek során az aprított cellulózt a folyékony, vizes tercier amin-oxiddal összekeverjük, az aprított cellulózt a folyékony, vizes tercier amin-oxiddal érintkezésbe hozzuk, és első keveréket képezünk, azzal jellemezve, hogy ezt az első keveréket egy felületen mechanikusan, rétegszerűen szétterítjük és intenzív keveréssel ezen felület mentén továbbítjuk, amíg homogén szuszpenziót képezünk, melyet a felületről elvezetünk, melynek során a fenti intézkedéseket folyamatosan hajtjuk végre.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy folyékony, vizes tercier amin-oxidként tercier amin-oxid vizes oldatát alkalmazzuk.
3. 3. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy folyékony, vizes tercier amin-oxidként olvasztott tercier amin-oxid-hidrátot alkalmazunk.
4. 4. A 2. vagy 3. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy folyékony, vizes tercier amin-oxidot alkalmazunk, melynek hőmérséklete 50-85 °C között van.
5. 5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a folyékony, vizes tercier amin-oxiddal érintkezésbe hozott cellulózt 1-5 percen keresztül szállítjuk a felület mentén.
6. 6. Berendezés alkalmazása az 1-5. igénypontok bármelyike szerinti eljárás végrehajtására, mely közvetetten fűthető vagy hűthető, és keverőberendezéssel ellátott tartálya van, mely hengeres tartály formájában van kialakítva, közepén forgórész van csapágyazva, és arra szállítólapok és csap formájú elemek vannak felerősítve. azzal jellemezve, hogy a szállítólapok és csap formájú elemek a forgórész tengelyével a dőlésszöget zárnak be, melyek a folyékony, vizes tercier amin-oxiddal érintkezésbe hozott cellulóz keverésére és továbbítására vannak kialakítva, ahol a szállítólapok és a csap alakú keverőelemek sugárirányú távolsága a tartály belső falától legfeljebb 20 mm, a tartály felső részében az aprított cellulóz és a folyékony, vizes tercier amin-oxid számára bevezetőnyílások, illetve bevezetőcső van elrendezve, alsó részében pedig a homogén szuszpenzió elvezetésére kivezetőnyílás van kialakítva.
7. 7. A 6. igénypont szerinti berendezés alkalmazása, azzal jellemezve, hogy az a dőlésszög beállítható.
8. 8. Eljárás alakítható cellulózoldat előállítására, azzal jellemezve, hogy az 1-7. igénypontok bármelyike szerint előállított homogén szuszpenziót víz elgőzölögtetcsével alakítható cellulózoldattá dolgozzuk fel.
9. 9. A 8. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy vékonyréteg-kezelő berendezésben hajtjuk végre.
10. 10. Eljárás cellulóz alakos testek előállítására, azzal jellemezve, hogy a 8. igénypont szerint előállított alakítható cellulózoldatot önmagában ismert módon fóliává, szálakká, membránokká vagy más alakos testekké dolgozzuk fel.