DE102007033098B4

DE102007033098B4 - Verfahren zur Herstellung von Kurzfasern mit Dimensionen im Nanobereich

Info

Publication number: DE102007033098B4
Application number: DE102007033098.9A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Schuster Robert Hans; Katharina Brandt
Original assignee: Deutsches Inst fur Kautschuktechnologie E V; Deutsches Institut fur Kautschuktechnologie Ev
Current assignee: Deutsches Inst fur Kautschuktechnologie E V; Deutsches Institut fur Kautschuktechnologie Ev
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2016-10-06
Anticipated expiration: 2027-07-14
Also published as: DE102007033098A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Kurzfasern mit Dimensionen im Nanobereich,
dadurch gekennzeichnet, dass man
– die wässrige Lösung eines Polysacharids ausgewählt aus der Gruppe Cellulose-Xanthogenat, Cellulose-Carbamat, oder Chitosan durch einen Strömungsreaktor mit hoher Geschwindigkeit in laminarer turbulenzenfreier Strömung leitet,
– im Strömungsreaktor durch Zusatz von Schwefelsäure oder deren Salze in Gegenwart von einem organischen Lösungsmittel die Kurzfasern ausfällt
– und nach Ende des Prozesses den festen vom flüssigen Teil abtrennt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kurzfasern mit Dimensionen im Nanobereich.
Dieses Verfahren betrifft in erster Linie Fasern aus dem Rohstoff Cellulose oder Derivaten der Cellulose.
Cellulosefasern kann man nach verschiedenen Verfahren herstellen. Sie finden vor allem in der Papier- und Textilindustrie Verwendung. Für diese Verwendungen benötigt man möglichst lange, aber auch relativ dicke Fasern. Solche Fasern kann man aber auch als Füll- und/oder Verstärkungsstoffe in der Kunststoff- und Gummiindustrie einsetzen, wenn sichergestellt ist, dass die Temperaturen bei der Herstellung und/oder Verwendung der Erzeugnisse nicht bestimmte Grenzen überschreiten, bei denen die Cellulose verkohlt.
Bisher hat man Cellulosefasern in sehr kurzen Abmessungen und Dimensionen nicht oder nur wenig untersucht, weil ihre Herstellung nicht gefragt war, und Anwendungsgebiete für solche Kurzfasern nicht gesucht und gefunden waren.
Kurzfasern im Nanobereich aus Cellulose und ihre Herstellung sind jedoch bereits in dem Verbundwerkstoff aus Kautschuk und Cellulose der älteren deutschen Patentanmeldung 10 2006 016 979.4 erwähnt. Dieser Verbundwerkstoff wird dadurch hergestellt, dass man Kautschuklatex mit Celluloseexanthogenat in einen Strömungsreaktor unter Überdruck eines Inertgases gleichzeitig einleitet und in dessen Scherströmung durch Zugabe einer Säure, die sowohl zur Cellulosebildung als auch zur Koagulation des Kautschuks geeignet ist, die gleichzeitige Cellulosebildung und Kautschukkoagulation unter Entstehung des Verbundwerkstoffes bewirkt, in welchen die Cellulosefasern, in welchem die Cellulosefasern in Herstellungsrichtung liegend in Nanodimensionen enthalten sind. Man kann hierbei

als Säure H₂SO₄ H₂O₄/ZnSO₄

als Cellulose Cell-Xanthogenat

als Kautschuklatex NBR, NR, SBR, ACM

verwenden.
Für die Erschließung anderer Anwendungsgebiete benötigt man jedoch unvermischte, freiliegende Fasern mit Dimensionen im Nanobereich.
Es ist Aufgabe der Erfindung, sehr dünne Fasern mit Dimensionen im Nanobereich aus Cellulose und verwandten Rohstoffen herzustellen, um mit ihnen neue Anwendungsgebiete zu erschließen.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Zur Herstellung von Kurzfasern mit Dimensionen im Nanobereich wird vorgeschlagen, dass man:

– die wässrige Lösung eines Polysacharids ausgewählt aus der Gruppe Cellulose-Xanthogenat, Cellulose-Carbamat, oder Chitosan durch einen Strömungsreaktor mit hoher Geschwindigkeit in laminarer turbulenzfreier Strömung leitet,
– im Strömungsreaktor durch Zusatz von Schwefelsäure oder deren Salze in Gegenwart von einem organischen Lösungsmittel die Kurzfasern ausfällt,
– und nach Ende des Prozesses den festen vom flüssigen Teil abtrennt.

Für die Herstellung dieses Werkstoffes ist es zweckmäßig, dass man den Zusatz von Säuren oder Salzlösungen im Strömungsreaktor in Gegenstromrichtung in die Polysacharidlösung unter hohem Druck einsprüht.
Als vorteilhaft hat es sich bei diesem Verfahren erwiesen, dass man als Salz Zink- oder Magnesiumsulfat verwendet.
Die Reaktion kann in einem Temperaturbereich von 5–100°C durchgeführt werden, insbesondere in einem Temperaturbereich von 15–55°C, vorzugsweise beim Raumtemperatur.
Es ist vorteilhaft, dass diese Reaktion in einem kontinuierlichen Prozess durchgeführt werden kann und zwar tage- und wochenlang in demselben Reaktor, ohne dass man zwischendurch den Prozess durch Reinigungsarbeiten oder ähnlichem unterbrechen muss.
Bei diesem Verfahren ist es zweckmäßig, dass als Strömungsreaktor ein Rohr verwendet wird, dessen Wandung konvergiert, dessen Durchmesser mit zunehmender Länge also ständig kleiner wird.
In diesem als Reaktor dienendem Rohr erzeugt man überwiegend eine Dehnströmung. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit dabei ist, desto dünnere Fasern erhält man bei diesem Prozess.
In diesem Verfahren arbeitet man in laminarer Strömung und erhält geradlinig ausgerichtete Fasern. Um jedoch zu gekrümmten Fasern zu kommen, ist an die Anordnung einer Wirbelkammer unmittelbar hinter dem Strömungsreaktor gedacht.
Zur Weiterentwicklung der geradlinig auftretenden Fasern zu dreidimensionalen Fasergebilden können reaktive Gruppen auf der Faseroberfläche dienen.
Die OH-Gruppen auf der Faseroberfläche können je nach einer Behandlung der erzeugten Fasern zu hydrophilen oder auch hydrophoben Eigenschaften führen.
Dadurch ergeben sich für die Papier- und die Textilherstellung besondere Vorteile:
Es lassen sich besonders saugfähige, aber auch besonders hydrophobe Produkte herstellen, durch letztere besonders langlebige Papiersorten, die nicht der Zerstörung durch eindringende Feuchtigkeit beschädigt oder zersetzt werden.
Für diese Fasern ergeben sich viele Anwendungsgebiete:
Angefangen als Halbprodukt bei der Herstellung von Kohlefasern bis zu ihrer Nutzung als Verstärkungsgerüst in mehr kristallinen Strukturen ist ihr Einsatz bei Thermoplasten als Bewehrung von besonderer Bedeutung, weil diese nicht wie die bisher benutzten Glasfasern im Regenerat wegen der bei der Zerkleinerung verlorenen Länge ihre Verstärkungseigenschaften verlieren.
Auch bei einer endgültigen Entsorgung bereiten diese Fasern keinerlei Schwierigkeiten, werden sie doch bei Temperaturen höher als 200°C vollständig und rückstandslos zerstört, indem sie gasförmig entweichendes Kohlendioxid übergehen. Auch die mit ihnen hergestellten Produkte aus thermisch vorwertbaren Materialien sind in gleicher Weise rückstandslos zu entsorgen. Die mit ihnen hergestellten nicht thermisch zu entsorgenden Produkte verlieren bei Erhitzung ihre Festigkeit und sind dadurch leichter zu zerkleinern und zu einem Zerfallen zu bringen.
Die niedrige Ölquellung ist ein weiterer Vorteil.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Kurzfasern mit Dimensionen im Nanobereich, dadurch gekennzeichnet, dass man – die wässrige Lösung eines Polysacharids ausgewählt aus der Gruppe Cellulose-Xanthogenat, Cellulose-Carbamat, oder Chitosan durch einen Strömungsreaktor mit hoher Geschwindigkeit in laminarer turbulenzenfreier Strömung leitet, – im Strömungsreaktor durch Zusatz von Schwefelsäure oder deren Salze in Gegenwart von einem organischen Lösungsmittel die Kurzfasern ausfällt – und nach Ende des Prozesses den festen vom flüssigen Teil abtrennt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Zusatz von Säuren oder Salzlösungen im Strömungsreaktor in Gegenstromrichtung in die Polysacharidlösung unter hohem Druck einsprüht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Salz Zink- oder Magnesiumsulfat verwendet.