CN1151194A - 溶纺纤维素纤维的制造方法 - Google Patents

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J·M·甘农
I·格雷夫森
S·A·莫蒂默
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    • 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

Abstract

一种原纤化倾向提高的溶纺纤维素纤维可通过 将含至少16％(重量)的聚合物度小于约450的纤维素溶于叔胺 N-氧化物溶剂中的溶液进行纺丝获得。

Description

溶纺纤维素纤维的制造方法
本发明的领域
本发明涉及制造原纤化倾向提高的溶纺纤维素纤维(lyocell fibre)的方法。
大家知道，通过将纤维素在合适溶剂中的溶液挤入凝固浴中可制得纤维素纤维。这个过程称为“溶液纺丝”，由它制得的纤维素纤维称为溶纺纤维素纤维。溶纺纤维素纤维与用其它已往方法制得的纤维素纤维是不同的，所述的其它已知方法依赖于纤维素的可溶性化学衍生物的形成及其随后分解再生出纤维素，例如粘胶法。一个溶液纺丝过程的例子披露于US-A-4,246,221中，其内容在此作为参考加以引用。纤维素溶于如含水叔胺N-氧化物之类的溶剂中，例如溶于通常含少量水的N-甲基吗啉N-氧化物中。然后将所得溶液挤压通过合适的模板(喷丝孔)经一空气层进入水浴，获得一束长丝，用水洗纤维以除去溶剂，随后干燥。与粘胶人造纤维之类的纤维相比，溶纺纤维素纤维以其令人难忘的纺织物理性质(如韧度)而著称。
纤维会显示出原纤化的倾向，尤其是当它在湿润状态下受机械应力时。原纤化是当纤维结构在纵向上发生断裂时产生的，它使得细小的原纤维部分地从纤维上脱离，使纤维和含纤维的织物(如机织或针织织物)具有毛状的外观。这种原纤化被认为是在湿润和溶胀状态下的处理过程中由于纤维的机械摩损而产生的。较高的温度和较长的处理时间通常趋于产生较大程度的原纤化。溶纺纤维素纤维对这种磨损似乎特别敏感，因此通常发现它比其它类型的纤维素纤维更易于原纤化。人们尽了很大努力试图降低溶纺纤维素纤维的原纤化。
在某些最终用途中，存在原纤化的纤维是有利的。例如，含原纤化纤维的过滤材料通常具有高的效率。在造纸过程中通过打击纤维诱发原纤化，通常已知它能提高纸张的强度和透明度。原纤化也可应用于制造非织造织物(如水力缠结的织物(hydroentangled fabrics))，以提供改进的粘结力、覆盖性和强度。尽管溶纺纤维素纤维的原纤化倾向比其它纤维素纤维的要高，但它并不总是如某些最终使用所需的那么大。本发明的一个目的是提供原纤化倾向提高的溶纺纤维素纤维。
背景技术
在“纤维化学”，Vol.25(1993)，No.5，368-371页的一篇论文中，V.V.Romanov和O.B.Lunina描述了含10-30％(重量)纤维素和N-甲基吗啉-N-氧化物的溶液。纤维素的聚合度(D.P.)为600。将溶液挤压通过空气层再进入凝固浴获得溶纺纤维素纤维。纤维素溶液的浓度大于15％时流体会发生不稳定性流动。
本发明的描述
本发明提供一种制造原纤化倾向提高的溶纺纤维素纤维的方法，它包括下述步骤：
(1)将纤维素溶于叔胺N-氧化物溶剂中形成溶液，
(2)挤压溶液通过喷丝孔，形成许多长丝，
(3)洗涤长丝以除去溶剂，形成溶纺纤维素纤维；
(4)干燥溶纺纤维素纤维，
其特征在于纤维素的聚合度为不大于约450，并且溶液中纤维素的浓度至少为16％(重量)。
溶剂较好地包含N-甲基吗啉N-氧化物(NMMO)，通常它还包含少量的水。在步骤(3)中通常用含水液来洗涤长丝，以便从长丝中除去溶剂。
纤维素的聚合度(D.P.)可用纤维素在溶剂中的稀溶液进行粘度测定而方便地加以确定，所述的溶剂为金属/胺配合物的水溶液，例如氢氧化铜铵溶液。下面描述的基于TAPPI Standard T206的合适方法作为试验方法1。纤维素的D.P.是每个分子中葡糖酐数目的度量。应明白这样测得的D.P.是粘均D.P.。
降低制造溶纺纤维素纤维时所用的纤维素的D.P.通常会相应降低纤维的韧度。这一般被认为是最不希望的。然而，业已发现按本发明方法制得的纤维在需要原纤化的最终使用(例如造纸和非织造制品)中具有令人满意的拉伸性能。
用于制造已知溶纺纤维素纤维的纤维素的D.P.通常为400-700，用于制造这种纤维的溶液中的纤维素浓度为不大于约15％(重量)。按本发明方法，用于制造溶纺纤维素纤维的纤维素的D.P.为不大于约400，较好地为不大于约350，更好地为不大于约300。纤维素的D.P.较好地至少为约200，因为D.P.显著低于此值的纤维素的溶液很难挤压形成令人满意的长丝。纤维素的D.P.更好地至少为约250。
可以看到，由于在处理过程中纤维素会降解，在将天然纤维加工溶纺成溶纺纤维素纤维时纤维素的D.P.会降低，降低的范围一般为40-80个D.P.单元。进一步会看到，在连续大规模的生产中，这种降解的程度通常较小。除非另有说明外，在此所称的纤维素D.P.是指进入溶解步骤(1)时纤维素的D.P.。
令人惊奇的是，溶纺纤维素纤维的原纤化倾向直接与制备时溶液中纤维素浓度有关。溶液中纤维素浓度较好地要使溶液的粘度在低于实际最大的加工粘度下尽可能地高。应明白的是，若使用低D.P.的纤维素，则可使用较高的纤维素浓度，因为溶液粘度直接与浓度和D.P.有关。用于本发明方法的溶液的纤维素浓度较好地至少为17％(重量)，更好地至少为18％(重量)，最好地至少为19或20％(重量)。溶液中的纤维素浓度较好地为不大于约28％(重量)，更好地为不大于约26％(重量)。已发现，这种溶液易于通过常规的干湿法纺丝技术被挤压成长丝。
一般来说，用于本发明方法的溶液中的纤维素D.P.与浓度之间的优选关系列于下表A中：
                 表A
    纤维素D.P.          纤维素浓度％wt
                 最小            最大
        450              约16            约20
        400              约16            约21
        300              约18            约25
        250              约19            约26
        200              约22            约28
或者优选关系也可被定为：
ln(D.P.)×ln(纤维素浓度，％(重量))
其中ln表示自然对数，由该表达式获得的值较好地在16.95-18.3的范围内。
溶纺纤维素纤维通常以丝束的形式制得，该丝束一般以湿态或干燥过的状态转变成短纤维，作进一步的加工处理。由本发明方法制造的溶纺纤维素纤维可未着色(有光或本色)或被着色，例如加入如二氧化钛之类的消光颜料。
由本发明方法制造的溶纺纤维素纤维的原纤化倾向可通过在洗涤和/或干燥步骤之后经受降低纤维素D.P.的处理(例如经剧烈的漂白处理)而进一步地提高。
由本发明方法制造的溶纺纤维素纤维可以单独或与包括标准溶纺纤维素纤维在内的其它种纤维的混合后用于制造纸张和非织造制品。与含标准溶纺纤维素纤维的造纸浆料相比，含本发明方法制得的溶纺纤维素纤维的制纸浆料只需要很小的机械加工，例如打浆(beating)，精炼，粉碎或水力制浆，就可达到所需的排水度(freeness)。由本发明方法制得的溶纺纤维素纤维会在低剪切装置(如水力浆粕机)上发生原纤化，而常规纤维在所述的低剪切装置的通常操作条件下很少或不发生原纤化。与常规的溶纺纤维素纤维相比，按本发明方法制得的溶纺纤维素纤维具有提高的吸收性和芯吸效应，使之可用于制造吸收制品。
按本发明制造的溶纺纤维素纤维制成的纸张具有许多优良的性能。通常说来，含溶纺纤维素纤维的纸张的不透明性随打浆程度的提高而提高。这与由木浆制成的纸张的一般经验相反。与100％木浆制成的纸张相比，本发明的纸张具有高的透气性；这是由于溶纺纤维素纤维和原纤维的横截面通常是圆的结果。当用作滤纸时，该纸具有良好的颗粒保留性。与100％的木浆纸相比，本发明方法制成的溶纺纤维素纤维与木浆混合后制成的纸比100％的木浆纸有较高的不透明性、撕裂强度和透气性。与常规的木浆纤维相比，比较长(如6mm长)的溶纺纤维素纤维制成的纸具有良好的撕裂强度。
含本发明制造的溶纺纤维素纤维的纸张的应用例子包括，但不局限于，电容器纸、电池隔膜、油印用蜡纸，包括过滤气体、空气和烟雾在内和过滤如牛奶、咖啡和其它饮料、燃料、油和血浆之类的液体的过滤纸，保密纸，照相纸，可冲洗的纸和食品衬箱用纸，特别是印刷纸和茶叶袋用的纸。
至少对短纤长度(达约5或10mm)样品来说本发明的一个优点是，用本发明方法制造的溶纺纤维素纤维可在比标准溶纺纤维素纤维所需的更低的缠结压力下制得具有类似性能水力缠结的织物。这可减少水力缠结的费用。或者，可在给定的压力下获得比已有技术的溶纺纤维素纤维更大程度的水力缠结。尽管应明白的是，水力缠结条件需对各特定情况通过试验进行最优化，但按本发明制造的溶纺纤维素纤维制成的水力缠结的织物具有比标准溶纺纤维素纤维制成的织物更好的拉伸性能。含本发明制造的溶纺纤维素纤维的水力缠结织物显示出高的不透明性，在过滤应用中高的颗粒保留性，提高的阻挡层和湿润性能，作为抹布的良好性能。
含本发明制造的溶纺纤维素纤维的水力缠结织物的应用例子包括，但不局限于，人造皮革和羊皮，可处置的抹布(包括可湿润，不脱绒毛，清洁房间和眼镜的抹布)，包括医用纱布在内的纱布，服装织物，过滤织物，磁盘衬套，覆盖面料(coverstock)，在吸收衬垫(例如尿布，失禁衬垫和衣服)中的液体分配层或吸收覆盖层，外科和医用阻挡层织物，电池隔膜，用于涂覆的织物和衬头的基材。
在如针刺法制造非织造织物的干燥过程中，本发明方法制造的溶纺纤维素纤维可发生一定程度的原纤化。与含常规溶纺纤维素纤维的织物相比，这种非织造织物的过滤效率有所提高。
本发明方法制造的纤维可单独或与包括已有技术的溶纺纤维素纤维在内的其它种纤维结合起来用于制造纺织制品(如机织或针织制品)。本发明方法制造的溶纺纤维素纤维可用于提供所希望的美学效果，如桃皮织物的效果。除了通常在织物制造中用湿润加工步骤产生原纤化之外，还可通过如刷毛和起绒之类的已知方法诱发织物的原纤化。
按本发明方法制造的纤维可用于制造茶叶袋，咖啡过滤器和诸如此类的制品。可将该纤维与其它纤维相混和制备纸张和水力缠结织物。可将该纤维作为粘结料与细玻璃纤维相混和，以改进由它制成的玻璃纤维纸的强度。纤维可与羊毛混和制成毡。纤维可用于制造过滤液体(如水果和蔬菜汁，葡萄酒和啤酒)用的过滤器板。纤维可用于制造过滤粘性液体(如粘胶液)用的过滤器板。可将纤维制成吸收性能很好的棉塞和其它吸收制品。溶纺纤维素纤维较好地可在干燥和湿润加工过程(例如在缩绒，研磨，起绒，刷毛和起砂过程)中发生原纤化。可由酶加工技术(例如用纤维素酶处理)从原纤化的溶纺纤维素纤维中除去原纤维。
下面标为试验方法1-3的过程可用于评价纤维素的D.P.和原纤化倾向。
试验方法1-铜铵溶液粘度和D.P.的测量(D.P.试验)
本试验是基于TAPPI Standard T206 os-63。将纤维素溶于含15±0.1g/l铜和200±5g/l氨、亚硝酸含量＜0.5g/l的氢氧化铜铵溶液中(Shirley Institute标准)，获得精确的纤维素浓度(约1％(重量))的溶液。在20℃时测量溶液通过Shirley粘度计的流动时间，再据此按标准方法计算出粘度。按下述经验公式确定粘均D.P.：
D.P.＝412.4285 ln〔100(t-k/t)/n.C〕-348
其中t为以秒表示的流动时间，k为重力常数，C为粘度管常数，n为在试验温度下水的密度(g/ml)(20℃时为0.9982)。
试验方法2-原纤化倾向的测量(超声处理)
将10根溶纺纤维素纤维(20±1mm长)放置于一玻璃瓶(50mm长×25mm直径)中的蒸馏水(10ml)中。将超声波能量输出头插入玻璃瓶，注意将其末端很好地对准中心并置于距玻璃瓶底部5±0.5mm处。这个距离对重现性是很重要的。将玻璃瓶放在冰浴中，接通超声波能量输出头的电源。过了一段设定时间后，关闭电源，将纤维转移到置于显微镜载片上的两滴水上。在×20放大倍率下拍摄样品代表性区域的显微照片。与从0(无原纤化)-30(高原纤化)的一套标准级别照相比较来确定原纤化指数(Cf)。
或者，Cf可使用下述公式从显微照片中测量：
Cf＝n.x/L
其中n为所测的原纤维的数目，x为原纤维的平均长度(mm)，L为被测定纤维的长度(mm)。
所需的超声波功率和超声处理时间(5-15分钟，标准为8分钟)可以变化。在使用前以及在每五个样品一组间应使用已知原纤化倾向(由试验方法2测得Cf为4-5)的纤维样品对仪器进行校验。
试验方法3-原纤化倾向的测量(粉碎试验)
将溶纺纤维素纤维(6g，短纤长度为5mm)和软化水(2l)置于TAPPIStandard T-205 om-88所述的标准粉碎机的容器中，进行粉碎(模拟Valley打浆)直至纤维很好地分散。合适的粉碎机购自Messmer Instruments Limited，Gravesend，Kent，UK和购自Büchel van de Korput BV，Veemendaal，Netherlands。所得浆料中纤维的加拿大标准排水度(CSF)按TAPPI Standard T227 om-94来测量，并以ml表示。一般来讲，将浆料分成两个1l部分来测量CSF，取两个结果的平均值。然后绘制CSF对粉碎机转数或粉碎时间的曲线，由内推法确定达到给定CSF所需的相对粉碎度。将零点置在测量CSF前确保纤维在浆料中分散经2500次粉碎机转数之后所记录下来的数值。
试验方法2可很快地进行，但由于纤维样品量小，结果重演性差。试验方法3可给出重演性很好的结果。在评价原纤化倾向时要考虑这些因素。
本发明由下述实施例进行说明，其中除另有说明外，份数和比率都以重量表示：
实施例
将各种D.P.(由试验方法1测量)的木浆纤维素在含水N-甲基吗啉N-氧化物中的各种浓度的溶液进行纺丝，由试验方法2确定原纤化倾向。同样由试验方法1测量纤维中纤维素的D.P.。结果如表1所列。
                   表1
编号        木浆    纤维    浓度％  原纤化
            D.P.    D.P.            指数
SAICCOR木浆
    S1      250     143     18.4    4.8
    S2      304     183     18.4    3.8
    S3      400     247     16.4    4.2
    S4      400      -      17.3    3.6
    S5      400     252     18.8    6.3
    S6      505     362     16.2    1.8
    S7      505     359     17.4    2.9
    S8      590     436     15.4    1.5
    S9      590     427     16.3    2.3
Viscokraft木浆
    V1        415    369   16.9    2.5
    V2        415    369   19.1    3.8
    V3        415    378   21.0    5.5
    V4        433     -    15.6    2.5
    V5        433     -    17.5    2.7
    V6        433     -    19.9    3.4
    V7        500     -    17.1    1.5
    V8        600     -    15.3    0.9
表中的破折号表示未进行测量。样品S6-S9，V4和V7-V8是对比实施例，不是本发明的实施例。可以看到，对于任何特定的D.P.，原纤化指数随溶液中纤维素浓度的增加而提高。SAICCOR是Sappi Saiccor(Pty.)Ltd.，Sounth Africa的商标。Viscokraft是International Paper Co.，USA的商标。SAICCOR木浆的低D.P.样品是经电子束照射处理的。Viscokraft木浆的低D.P.样品是经漂白处理的。

Claims (5)

1.一种制造原纤化倾向提高的溶纺纤维素纤维的方法，它包括下述步骤：
(1)将纤维素溶于叔胺N-氧化物溶剂中形成溶液，
(2)挤压该溶液通过喷丝孔，形成许多长丝，
(3)洗涤长丝以除去溶剂，形成溶纺纤维素纤维；
(4)干燥溶纺纤维素纤维，
其特征在于纤维素的聚合度为不大于约450，并且溶液中纤维素的浓度至少为16％(重量)。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于纤维素的聚合度为约200-450的范围内。
3.按权利要求2所述的方法，其特征在于纤维素的聚合度为约250-350的范围内。
4.按上述任一权利要求所述的方法，其特征在于溶液中纤维素的浓度在16-28％(重量)的范围内。
5.按上述任一权利要求所述的方法，其特征在于表达式ln(聚合度)×ln(纤维素浓度的重量百分数)的值在16.95-18.3的范围内。
CN95193716A 1994-06-22 1995-06-19 溶纺纤维素纤维的制造方法 Pending CN1151194A (zh)

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