CN1211290A - 制备纤维素纤维和长丝的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及从可纺丝的含纤维素溶液生产纤维和长丝的方法,该方法用离心机进行溶液的纺丝,纺丝溶液含94—100wt%的下列组分:纤维素;磷酸和/或其酐;水。使用此方法可以生产在纺织和工业应用上都有优越性能的纤维素纤维和长丝。

Description

制备纤维素纤维和长丝的方法
本发明涉及从含纤维素的可纺溶液制备纤维素纤维和长丝的方法。所说的溶液是用离心机纺丝的，所说的离心机至少有一个喷丝孔，该方法中纺丝溶液在离开离心机后在一液体中凝固，液体是封闭在一夹套中的。
这一方法已在申请人的未预先公开的荷兰国际专利申请WO96/27700中叙述。如在此申请中所述，各种纺丝溶液都能借助于离心机纺丝。与著名的湿纺法相比，诸如干喷湿纺法，使用离心机时能使纤维和长丝有较高的生产率，也能制取对特殊目的(诸如浆粕)使用具有优越性能的纤维/长丝。再者，与已知的纺丝方法相比，使用离心机的纺丝方法是对成丝是不敏感的，同时纺丝溶液要求较少的精细过滤。
本发明涉及借助于离心机制备纤维素纤维和长丝的溶液。业已发现，使用这种溶液(其制备是非常容易的)使具有优越性能的纤维素纤维和长丝的生产成为可能，并使这些产品用于纺织品和在技术应用中有高的适应性。
本发明包括在WO 96/27700所述的方法中使用含94-100wt％的下列组分的溶液：·纤维素；·磷酸和/或其酐；·水。
例如在本发明方法中可以使用的纤维素溶液是含94-100wt％纤维素、磷酸和/或其酐和水组分的各向同性和各向异性溶液。各向异性溶液叙述于未预先公开的专利申请WO 96/06208中，各向同性溶液叙述于未预先公开专利申请NL 1002236中，二者均以本申请人名义申请。
用于本发明中的含纤维素的可纺丝溶液是将纤维素溶于含65-80wt％五氧化二磷的溶剂中得到的。可纺丝溶液是适合于用挤出、凝固和缠卷方法转变成纤维或长丝的溶液。
在用磷酸衍生的纤维素的情况中，列于本专利申请中溶液的纤维素重量百分数指基于纤维素计算的量。此法以类似方式应用于本说明书中所述的磷量。用磷酸衍生的纤维素包括于组成94-100wt％溶液的组分中。
本专利申请中的磷酸一词指所有的磷无机酸和其混合物，正磷酸是五价磷的酸，即H3PO4，其无水等同物即正磷酸酐是五氧化二磷(P2O5)。除了正磷酸和五氧化二磷外，决定于体系中的水量，还有一系列水结合能力在五氧化二磷和正磷酸之间的五价磷的酸，诸如多磷酸(H6P4O13,PPA)。
在本专利说明书中，溶液的定义是由加入的磷酸和/或其酐和所有存在于溶液中的游离水组成。由于这个原因，此叙述常常在溶剂中包括源自纤维素的水，通常是在较后的时间里加入的，而其余组分物质中的水也是溶剂的一部分。
溶剂的磷含量是将溶剂中的磷酸重量转变成等当量重的相应酸酐测定的。按此方式转变，正磷酸是由72.4wt％五氧化二磷和残余水组成的，H6P4O13是由84wt％五氧化二磷和残余水组成的。
溶剂中的五氧化二磷浓度的计算是从溶剂中的磷酸(包括其酐)总重量和水的总重量开始，把酸转变成五氧化二磷和水，并计算所说的五氧化二磷总重量的百分数。
除了水、磷酸和/或其酐以及纤维素和/或磷酸和纤维素的反应产物外，在溶液中可能存在其它物质。
可将分类成下列四组的组分进行混合来制备溶液：纤维素；水；磷酸(包括其酐)；其它组分。“其它组分”可以是有利于纤维素溶液加工性能的物质，与磷酸不同的其它溶剂，或辅助剂(添加剂)，例如尽可能阻止纤维素降解的物质，或者染料等。
溶液最好是由96-100wt％的纤维素、磷酸和/或其酐和水的组分组成。最好不采用异于磷酸的溶剂，并且辅助剂或添加剂的存在量只应有0-4wt％，以溶液的总重量为基础计算。更优选的是溶液含最低可能量的异于纤维、磷酸和/或其酐和水组分的物质，即0-1wt％的添加剂。
在本发明方法中，最好使用诸如申请人的未预先公开的国际专利申请WO 96/27700中所述的离心机，这种设备具有一个或多个喷丝孔，大体上是平均分布在离心机的外周的，离心机的旋转迫使(在压力下)经供料管喂入离心机的溶液沿夹套方向被挤出。取决于离心机的速度，溶液在挤出后进行牵伸，在与沿夹套流动的液体接触后，(牵伸)的溶液凝固并形成了纤维或连续的长丝。牵伸的程度可以特别是通过离心机旋转速度和离心机外周和含凝固液体的夹套内部之间的距离进行设定。为了得到正常的长丝牵伸，含凝固液的夹套内径至少比离心机的外周径大10％，特别是至少大25％，更特别是至少大35％。最大牵伸程度特别决定于纤维素DP和溶液中纤维素浓度。超过最大牵伸程度将导致在离心机和凝固液之间的空间中成丝。
正常的离心作用不要求只限于离心机的旋转，有凝固液沿其流动的夹套也可以以离心机旋转的方向旋转或以与之相反的方向旋转。
在一优选的方法中，离心机的旋转轴差不多是垂直的，而凝固液是沿夹套向下流的，在此情况下形成的纤维/长丝将与凝固液一起流出夹套并可收集起来组合成纱条。纤维数和纤维长度在这种纱条的形成中起着重要的作用，当纱条有足够的抱合力时，可在连续的过程中进行中和、洗涤和干燥。
纺丝孔的直径在本发明的离心纺丝法中起着重要的作用。直径增加时，由于溶液中的杂质或未溶的颗粒而产生的堵塞现象将会减少。优选的纺丝孔直径大于100μm，特别是120-500μm范围。
适合的凝固液可选自低沸点有机溶剂和水或这些溶剂的混合物。这样的适合的凝固剂的实例是醇、酮、酯和水或它们的混合物。优选的凝固剂是丙酮、乙醇或水。如以水作凝固剂，优选使用在其中加入了阳离子的水，最好是其中含有一价阳离子如Li+、Na+、K+或NH4 +的溶液。这样的溶液可将磷酸锂、钠、钾或铵溶于水中而制得。
从上述相同组的低沸有机溶剂和水或这些溶剂的混合物中可以选择适合的洗涤液。这种适合的洗涤液的实例是醇、酮、酯和水或它们的混合物，用水作洗涤液是优先选择的。
在凝固并洗涤得到的产品后，可对纤维素纱条进行整理和干燥。经切或剁后可以得到适合于进一步处理的产品，例如得到纤维素浆粕或纤维素短纤维。
用于制备可纺丝溶液的纤维素最好其α-含量大于90％，更特别是大于95％。要从溶液纺制成较好的纤维时，推荐采用所谓的高α-含量溶解浆粕，例如通常用于制备织物和工业应用的纤维，适合类型的纤维素的实例包括Alphacell C-100、Arbocell BER 600/30、Buckeye V5、Buckeye V60、Buckeye V65、Buckeye棉绒和Viscokraft。
在一有利的方法中，可纺丝溶液的制备和溶液的纺丝是以连续方式进行的，在WO 96/06208中叙述了以连续方式制备溶液的几种方法，例如在制备溶液中使用双螺杆挤出机。
本发明方法可用来制取力学性能范围很宽的纤维素纤维。例如，可以制取高度适合于织物应用的纤维素纤维，即断裂伸长高的纤维(例如断裂伸长大于10％的纤维)以及染料可接受性很好的纤维。所得到的纤维素纤维可用作例如棉花的代用品。另外，可以制取高强度的纤维，例如，如果强度大于500mN/tex(毫牛顿/tex)，则其给予纤维的性能适于用作工业上的增强材料。
本发明方法还高度适用于对水和盐溶液吸收率高的纤维素材料的制备，即具有高吸收和超吸收性的纤维素产品。正如在申请人的未预先公开的专利申请NL1002335中所述，已经发现如果含有94-100wt％纤维素、磷酸和/或其酐和水的溶液在含有低于50wt％水的液体中凝固并洗涤就能制备这样的材料。
按本发明方法制取吸水率或吸盐溶液率高的纤维素纤维或长丝时，使用最好是含有大于1.5wt％的与纤维素结合的磷的纤维素溶液借助于离心机进行纺丝，并在含低于50wt％水、特别是低于10wt％水、更特别是基本上无水的液体中凝固。在此应用中，当液体含水低于5wt％时被认为是基本无水的液体。
在一高度优选的方法中，所用的凝固液是丙酮、丙醇或乙醇。
制取这样的纤维或长丝时，凝固后的纤维或长丝可在含有低于50wt％水的洗液中洗涤。但最好采用含水量低于10wt％的洗液，更特别是基本无水的洗液。
测定方法
各向同性/各向异性测定
各向同性/各向异性的目测是用偏光显微镜(Leitz Orthoplan-Pol(100x))进行的，为此将约100mg欲定义的溶液置于两载玻片之间，将其放在Mettler FP-82热级板上。此后开始加热，样品的加热速度约为5℃/分钟。从各向异性到各向同性的转变中，即从有色(双折射现象)到黑色，在完全黑时读出温度，转变温度记作Tni。
将相转变的目测评定与在显微镜上安装光敏电池测定的强度相比。此强度测定是将10-30μm的样品置于载玻片上，使其在采用交叉偏振镜时看不到颜色，按上述方法进行加热，光敏电池连接于记录仪以记录作为时间函数的强度。在某一定温度(因不同溶液而不同)以上强度成线性下降，将此直线外推至强度为0时得到Tni。所有的例子中得到的值均证明与用上述方法得到的值能很好地吻合。各向同性溶液在室温下不显示双折射现象，意即其Tni在25℃以下。但它也可能是溶液不呈各向同性/各向异性转变的情形。
DP测定
纤维素聚合度(DP)的测定是用乌别洛德仪(Ubbelohde)1型(K=0.01)。为此将欲测的纤维素样品中和后在50℃下于真空中干燥16小时，或校正乙二胺化铜Ⅱ/水混合物中的水量以考虑纤维素中的水。用此方法以乙二胺化铜Ⅱ/水(1∶1)混合物制备了0.3wt％的含纤维素溶液。对此得到的溶液测定相对粘度(visc.rat或ηrel)，并由相对粘度按下列公式测定tex性粘度：
Figure A9719229100081
式中C=溶液的纤维素浓度(g/dl),
K=常数=0.25
聚合度(DP)的测定如下： DP = [ &eta; ] 0.42 ( [ &eta; ] < 450 ml / g )
或 DP 0.76 = [ &eta; ] 2.29 ( [ &eta; ] > 450 ml / g )
测定溶液中纤维素的DP是在如下的处理后按上述进行的：
在waring混合器(1升)中盛入20克溶液，加入400ml水，然后以最高设定速度混合10分钟，将得到的混合物移至筛上，用水撤底洗涤，最后用2％的NaHCO3溶液中和几分种，再用水进行后洗涤，至pH为7左右，按上述方法测定完所得产品的DP，以制备铜Ⅱ乙二胺/水/纤维素溶液开始。
磷含量测定
溶液中或用所说溶液制备的纤维素产品中的纤维素结合的磷量的测量可用300毫克纤维素溶液(该溶液已经凝固，在50℃下彻底洗涤16小时后，在真空中干燥，然后贮存在封闭的取样器中)于一分解烧瓶中与5ml浓硫酸和0.5ml含1000mg/l钇的钇溶液化合来进行。纤维素经加热碳化。碳化后在混合物中以每份2ml加过氧化氢直至得到清澈的溶液，溶液冷却后加水至体积为50ml，用ICP-ES(电感偶合等离子体发射光谱法)进行测定。借助使用分别含100、40、20和0mg/l磷的参比样品测定的磷的校准曲线，溶液中的磷含量即可用下列公式测得：
磷含量(％)=(Pconc(mg/l)×50)/(Cw(mg)×10)式中：Pconc=欲测的溶液中磷的浓度
Cw=称得的凝固并洗涤后的纤维素重量
钇的加入是作为内标物质以校正溶液的粘度变化的，磷含量的测定波长为213.6nm，内标物质的测定波长为224.6nm。
力学性能
长丝和纱条的力学性能测定是按ASTM标准的D2256-90，使用下述装置。力学性能的测定是用10×10mm的Arnitel夹面夹住的长丝和纤维。长丝和纤维于20℃/65％相对湿度下调节16小时。夹具间的长度为100nm，长丝和纤维以10mm/min的恒定伸长量伸长。
长丝和纤维的线密度(以dtex表示)是在功能共振频率基础上(ASTM D 1577-66，第25部分，1968)或用称量法计算的。
强度、伸长和初始模量得自负荷伸长曲线和测得的纤维或长丝的线密度。
初始模量(In.Mod.)定义为伸长低于2％时的最大模量。
实施例
现参考下述的实施例对本发明进行说明。
下列各原料是用以制备实施例中的溶液的，除非另外指明。
 原料        生产厂家和产品号  P2O5含量(％)
P2O5H3PO4H4P2O7PPA*     J.T.Baker,0193La Fonte Electrique SA,Bex Suisse结晶的，＞99％(分析：98.3％)Fluka Chemika,83210,97％(分析：98.8％)Caldic     9871.278.884.5
*PPA=多磷酸
实施例1
在一溶剂中溶解3270克粉状纤维素(Buckeye V65,DP=700)制备了各向异性纤维素溶液，所说的溶剂是将13600克H3PO4和3400克PPA在约50℃下混合并捏和数小时得到的。将纤维素和溶剂在20℃下捏和并混合20分钟，得到均匀的各向异性溶液，在最后15分钟里将捏和机中的溶液脱气。
如在申请人的未预先公开的国际专利申请WO 96/27700所述，将此溶液借助于离心机纺丝，离心机的外径为30cm，有24个直径为400μm的喷丝孔。在温度约60℃、质量流速为每小时13kg溶液和每分钟1500转的离心机旋转速度下将溶液经喷丝孔挤出。形成的纤维用沿夹套下流的15℃水凝固，夹套的内径为60cm。
收集得到的纤维纱条，用2％的碳酸氢钠溶液洗涤，然后用水洗至材料的pH=7，纱条经用RT32A整理后在25℃下进行干燥。纱条中长丝的线密度在11-23dtex范围，长丝的断裂强度为85-165mN/tex，断裂伸长为8-20％，长丝中纤维素的DP为470。
实施例2
在一溶剂中溶解3270克粉状纤维素(Buckeye V60,DP=820)制备了各向异性纤维素溶液，所说溶剂是在约50℃下将13600克H3PO4和3400克PPA混合并捏和数小时得到的。在20℃下将纤维素和溶剂捏和并混合20分钟直至得到均匀的各向异性溶液，在最后15分钟里捏和机中的溶液脱气。
如申请人的未预先公开的国际专利申请WO 96/27700所述，借助于离心机将此溶液纺丝，离心机的外径为30cm，装有直径400μm的喷丝孔48个，在温度约45℃、压力50-65巴(在离心机上方的喂料管中测定)、质量流速为每小时13kg溶液和每分钟3000转的离心机转速下将溶液通过喷丝孔挤出。用沿夹套下流的15℃水凝固形成的纤维。夹套的内径为60cm。
收集得到的纤维纱条，用2％的碳酸氢钠溶液洗涤，并用水洗至材料的pH=7。纱条经用RT32A整理后在25℃下进行干燥。
纱条中的长丝的线密度在2.6-18dtex范围，长丝的断裂强度为100-240mN/tex，断裂伸长为6-13％。
长丝中与纤维素结合的磷含量为0.33％。所得长丝的SolophenylBleu GL染料可接受性为250％，是对于用粘胶法制备的纺织长丝的染料可接受性的重大改进。
实施例3
在一溶剂中溶解2550克粉状纤维素(Alphacell C-100,DP-2300)制备了各向异性纤维素溶液，所说溶剂是将18400克H3PO4和4600克PPA在约50℃下混合并捏和数小时得到的。将纤维素和溶剂在23℃下捏和并混合65分钟直至得到均匀的各向异性溶液。在最后50分钟里将捏和机内的溶液脱气。
如申请人的未预先公开的国际专利申请WO 96/27700所述，借助于离心机将溶液纺丝，离心机外径为30cm，装有直径400μm的喷丝孔24个。在温度约60℃、压力约60巴(于离心机上方的喂料管中测定)、质量流速为每小时24kg溶液和每分钟2000转的离心机转速下将溶液通过喷丝孔纺丝，用沿夹套下流的15℃水凝固形成的纤维，夹套的内径为60cm。
收集得到的纤维纱条，用2％的碳酸氢钠溶液洗涤并用水洗至材料的pH=7。在用RT32A整理纱条后，在25℃下进行干燥。
纱条中的长丝线密度在1.7-21dtex范围，长丝的断裂强度为40-900mN/tex，断裂伸长为1.3-11％。
实施例4
在一溶剂中溶解2688克粉状纤维素(Buckeye V65,DP=700)制备了各向异性溶液，所说的溶剂是在约50℃下将19360克H3PO4和4840克PPA混合并捏和数小时得到的。在16℃下将纤维素和溶剂捏和并混合65分钟直到得到均均的各向异性溶液，在最后45分钟里将捏和机内的溶液脱气。
如在申请人的未预先公开的国际专利申请WO 96/27700所述，借助于离心机将溶液纺丝，离心机外径为30cm，装有直径为250μm的喷丝孔24个。在约45℃的温度、质量流速为每小时12kg溶液、每小时3500转的离心机转速下将溶液通过喷丝孔挤出。用沿夹套下流的15℃水凝固形成的纤维，夹套的内径为50cm。
收集得到的纤维纱条，用2％的碳酸氢钠溶液洗涤，并用水洗至材料的pH=7。在用RT32A整理纱条后在25℃下进行干燥。
纱条中纤维的平均线密度为3.3dtex、平均断裂强度为77mN/tex、平均断裂伸长为10％。
实施例5
在含76.3wt％五氧化二磷的溶剂中溶解3017克粉状纤维素(Buckeye V65,DP=700)制备了各向异性纤维素溶液，所说的溶剂是在约50℃下将17.6kgH3PO4和10.6kg PPA混合并捏和数小时得到的。在21℃下将纤维素和溶剂捏和并混合170分钟直至得到均均的各向异性溶液，在最后95分钟里将捏和机内溶液脱气。
如在申请人的未预先公开的国际专利申请WO 96/27700所述，借助于离心机将溶液纺丝，离心机外径为30cm，有直径为250μm的喷丝孔24个。在约45℃、压力约170巴(在离心机上方的喂料管中测定)、质量流速每小时13kg溶液和每分钟3500转的离心机转速下将溶液通过喷丝孔挤出。用沿夹套下流的15℃正丙醇凝固形成的纤维，夹套内径为50cm。
收集得到的纤维纱条，用2％的碳酸氢钠于丙酮中的溶液洗涤，并用丙酮洗至材料的pH=7。纱条在用RT32A整理后于25℃下进行干燥。
纱条中纤维的平均线密度为3.7dtex、平均断裂强度为70mN/tex、平均断裂伸长为2.9％、与纤维素结合的磷含量为7.2％。纤维在压力下的吸水性为9克/克，所得材料的LOI指数为31％。
实施例6
在一溶剂中溶解807克粉状纤维素(Buckeye V65,DP=700)制备了各向同性纤维素溶液，所说溶剂是在约50℃下将15267克H3PO4和4306克PPA混合并捏和数小时得到的。将纤维素和溶剂在12℃下捏和并混合70分钟直至得到均匀的各向同性溶液，在最后25分钟里将捏和机内的溶液脱气。
如在申请人的未预先公开的国际专利申请WO 96/27700中所述，借助于离心机将溶液纺丝，离心机的外径为30cm，有直径250μm的喷丝孔24个，在温度约45℃、压力约10-40巴(在离心机上方的喂料管中测定)、质量流速为每小时13kg溶液和离心机转速为每分钟3000转下将溶液通过喷丝在挤出。将形成的纤维在15℃的溶液中凝固，溶液是用48.7重量份(pbw)水、7.13pbw KOH和4.15pbw H3PO4经混合得到的。此溶液沿夹套下流，夹套内径50cm。
收集得到的纤维纱条，用2％的碳酸氢钠溶液洗涤，并用水洗至材料的pH=7，纱条经用RT32A整理后在25℃下进行干燥。
纱条中纤维的线密度为1.0-2.7dtex，断裂强度为45-135mN/tex,断裂伸长为1-15％，与纤维素结合的磷含量为1.2％。

Claims (15)

1．一种从可纺丝的含纤维素溶液生产纤维素纤维和长丝的方法，所说的溶液是用离心机纺丝的，所说的离心机至少有一个喷丝孔，在该方法中离开离心机的纺丝溶液在一液体中凝固，所说的液体是封闭在夹套中的，纺丝溶液含94-100wt％的下列组分：·纤维素；·磷酸和/或其酐；·水。
2．权利要求1的方法，其特征在于纺丝溶液含96-100wt％的下列组分：·纤维素；·磷酸和/或其酐；·水。
3．权利要求1或2的方法，其特征在于溶液是将纤维素溶解在一含65-80wt％五氧化二磷的溶剂中得到的。
4．前述任一项权利要求的方法，其特征在于夹套的内半径超过离心机外周半径至少10％。
5．权利要求4的方法，其特征在于夹套内半径超过离心机外周半径至少25％。
6．权利要求5的方法，其特征在于夹套内半径超过离心机外周半径至少35％。
7．前述任一项权利要求的方法，其特征在于离心机有一个或多个喷丝孔，所说喷丝孔的直径大于100μm。
8．权利要求7的方法，其特征在于喷丝孔的直径在120-500μm范围。
9．前述任一项权利要求的方法，其特征在于在其中发生凝固的液体是水、丙酮或乙醇。
10．前述任一项权利要求的方法，其特征在于凝固的纤维和长丝是用水洗涤的。
11．权利要求1-8任一项的方法，其特征在于含大于1.5wt％的与纤维素结合的磷的可纺丝溶液是在含小于50wt％水的液体中凝固的。
12．权利要求11的方法，其特征在于溶液是在含小于10wt％水的液体中凝固的。
13．权利要求12的方法，其特征于溶液是在基本上无水的液体中凝固的。
14．权利要求1-8任一项的方法，其特征在于可纺丝溶液是在含水和阳离子的液体中凝固的。
15．权利要求14的方法，其特处在于可纺丝溶液是在含水和一价阳离子的液体中凝固的。
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