DE19753190B4

DE19753190B4 - LYOCELL-Fasern mit verringerter Neigung zum Fibrillieren

Info

Publication number: DE19753190B4
Application number: DE1997153190
Authority: DE
Inventors: Lueder Gerking
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-11-21
Filing date: 1997-11-21
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2017-11-22
Also published as: DE19753190A1

Abstract

Verfahren zur Nachbehandlung von nach dem LYOCELL-Verfahren hergestellten Fäden zur Verringerung ihrer Fibrillierneigung dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden nach ihrer Herstellung an ihrer Oberfläche mit einer handelsüblichen Lösung von 50 Gewichts-% N-Methylenmorpholin-N-oxid oder mehr in Wasser angelöst werden.

Description

Als endlich lange LYOCELL-Fasern, und gleicherweise endlos lange LYOCELL-Fäden, werden cellulosische Fasern bezeichnet, die aus einer Lösung der cellulosischen Masse in N-Methyl-morpholin-N-Oxid, abgekürzt NMMO oder auch Aminoxid, gewonnen werden. Für das Verfahren wurden bereits im Jahre 1977 und 1979 Patente angemeldet und später als US 4,142,913 und US 4,246,221 erteilt. Diese enthalten bereits die Kennzeichen, die auch heute noch unverändert die Grundlage darstellen. Spätere Abwandlungen betreffen Weiterentwicklungen in den Ausrüstungen und sind oft nur geringfügiger Art. Fasern oder Fäden hieraus haben gegenüber dem konventionellen Herstellungsverfahren für cellulosische Fäden, dem sog. Viskoseverfahren, den Vorteil von sehr viel weniger Verfahrensschritten, geringere bis gar keine Abfallstoffe und Nebenprodukte. Diese sind im Viskoseverfahren teilweise sehr umweltbelastend und als Schwermetalle im Abwasser und schweflige Abgase in der Luft besonders nachteilig. In den textilphysikalischen Eigenschaften haben die LYOCELL-Fäden besonders den Vorteil höherer Naßfestigkeit, auch grundsätzlich etwas höherer Festigkeit, im übrigen kommen sie den Viskosefasern weitgehend gleich. Auch andere Verfahren zur Herstellung cellulosischer Fasern wie das Cupro- oder Cuoxam-Verfahren haben den Nachteil zu starker Umweltbelastung und sind deswegen vom Markt fast verschwunden.
Die Durchsetzung der LYOCELL-Fasern hat erst vor wenigen Jahren eingesetzt, wobei sicher eine geringere Rolle die Optimierung des Verfahrens mit dem Ziel höherer Wirtschaftlichkeit und die Entwicklung dafür geeigneter Apparaturen gespielt hat als die Herstellung des teuren Lösungsmittels NMMO in großen Mengen und damit geringerer Kostenbelastung für das Endprodukt der LYOCELL-Fasern; denn ein zwar sehr kleiner Teil geht bei der Rückgewinnung des Lösungsmittels verloren und auch die gesponnenen Fäden schleppen, wenn auch sehr wenig davon aus dem Prozeß heraus.
Wenn es nun auch gelungen ist, LYOCELL-Fäden (im folgenden wird immer von Fäden gesprochen, da der Herstellprozeß zunächst Fäden ergibt, die dann später in der überwiegenden Menge der Anwendung zu Stapelfasern zerschnitten werden) mit vergleichbarer Wirtschaftlichkeit wie die herkömmlichen Viskosefasern herzustellen, so haben sie vor allem einen Nachteil diesen gegenüber: LYOCELL-Fäden neigen zum Fibrillieren. Aufgrund der inneren Struktur der LYOCELL-Fäden kommt es bereits nach dem eigentlichen Spinnprozeß dazu. Während die Viskosefasern eine cellulare Struktur haben in der Weise nämlich, daß quer zur Fadenlängsachse Grenzflächen zwischen unterschiedlichen molekularen Gebieten, durchaus auch Hohlräume und Einschlüsse bestehen, weisen LYOCELL-Fasern eine stark lamellare Struktur auf, in der einzelne Schichten parallel zur Fadenlängsrichtung liegen. Das führt dazu, daß sich aus den Fäden einzelne Abschnitte leicht herauslösen. Das kann bereits kurz nachdem das Lösungsmittel entfernt wurde geschehen. Einzelne Lamellarstrukturen treten von innen schräg an die Oberfläche und es bedarf nur geringer äußerer Einwirkung durch Reiben oder Biegen, daß sich feine Faserenden abspalten. In der späteren Weiterverarbeitung beim Schneiden zu Stapelfasern, Abwickeln der Garnspulen und bei Beanspruchung in der textilen Fläche treten weitere Fasern, auch Fibrillen genannt, aus dem Hauptfaden heraus.
Man hat sich diese Eigenschaften des Fibrillierens der LYOCELL-Fasern zunutze gemacht, um samtige Oberflächen in den textilen Flächengebilden zu erhalten mit sogenannter Pfirsichhaut (peach skin). Für eine breitere Anwendung der LYOCELL-Fasern ist dies aber ein Nachteil, und es darf nicht darüber hinwegtäuschen, daß man sich diese Eigenschaft manchmal als etwas Besonderes schöngeredet hat. Zum Ziele einer breiteren Anwendung und damit nicht nur Ergänzung, sondern auch soweit es die Wirtschaftlichkeit immer zuläßt, Ersatz der umweltbelastenden Fasern nach dem Viskoseverfahren müssen auch LYOCELL-Fasern keine oder möglichst wenige abstehende Fasern aufweisen, also gar nicht oder wenig zum Fibrillieren neigen.
Die vorliegende Erfindung zeigt eine Möglichkeit auf, die von der Entstehung der Fäden her gegebene Fibrillierneigung zumindest zu verringern, wenn nicht ganz zu vermeiden. Dazu wird der Faden nach seiner Fällung im Wasserbad in einem weiteren Schritt erneut mit einer wässrigen Lösung von NMMO umgeben an seinem gesamten Umfang oder Teilen davon, dadurch erneut angelöst, wobei die Dicke dieser Schicht aus Aminoxcellulose stärker oder schwächer ist, je nach Verweilzeit des Fadens im Lösungsmittel, dessen Konzentration und Temperatur. In der genannten Reihenfolge wirken sich diese drei Hauptparameter auf die Schichtstärke aus.
Der Erfindung lag die Idee zu Grunde, die von ihrem Ursprung her durch die längslamellare Struktur gekennzeichneten LYOCELL-Fäden durch eine Verbindung der Fadenoberfläche zu einer den Kern umschließenden Haut zu versehen, damit die schräg nach außen tretenden Grenzflächen, die zum Abspleißen neigen, eingebunden sind.
Es zeigte sich, daß dieses zur Verringerung der Fibrillierneigung notwendige Verbinden der Fadenoberfläche dadurch gelingt, daß man durch erneutes Anlösen und anschließend wiederum Entfernen des Lösungsmittels NMMO in Wasser eine geschlossene Oberfläche erreicht. Die textilphysikalischen Werte wie Kraft-/Dehnungsverhalten, Bruchfestigkeit und Bruchdehnung, insbesondere auch die gewohnte hohe Naßfestigkeit der LYOCELL-Fäden werden dadurch nicht oder nur wenig beeinträchtigt.
Es sind sehr viele Anstrengungen unternommen worden, um die Fibrilliereigenschaft der LYOCELL-Fäden zu verringern, u.a. indem man Natronlauge dem Spinnbad nach dem Luftspalt und den weiter folgenden zusetzte, Bestrahlungen oder Behandlungen mit Enzymen anwandte, wodurch die Fibrillen sozusagen weggefressen werden sollen oder ganz einfach die Fäden oder das spätere Textil mit Harzen verklebte. Aber es kam zu keiner wesentlichen Verringerung der Fibrillierneigung, bestenfalls wurde diese leicht gemildet.
In JP 07305218 A : in a) Pat. Abstr. Jap. b) CA, 1996, 124, 178823 wird eine Nachbehandlung zur Verbesserung der (Bruch-)Festigkeit und der Eigenschaften in nassem Zustand von Fäden aus regenerativer Cellulose beschrieben; eine Verringerung der Fibrillierneigung wird nicht erwähnt und ist bei diesen Viskose- oder Rayon-Fäden auch nicht erforderlich, da sie praktisch nicht fibrillieren.
In DE 44 20 304 C1 werden dem Fällbad, welches die Lyocell-Fäden nach dem Erspinnen durchlaufen, Additive zugesetzt zur Beeinflussung u.a. des Anfangsmoduls. Über eine Auswirkung auf die Fibrillierverringerung wird nicht berichtet.
Das Grundverfahren sei im folgenden beschrieben.
Ein oder mehrere Fäden treten aus der Spinndüse aus, durchlaufen den Luftspalt, treten in ein. Wasserbad ein, in dem die Fäden koagulieren und der überwiegende Teil des Lösungsmittels NMMO vom Wasserbad aufgenommen wird. Anschließend können die Fäden in weitere Wasserbäder oder Flächen mit Wasserfilmen weitergeleitet werden bis nur noch Spuren des Lösungsmittels an den Fäden vorhanden sind. Die einzelnen Waserbäder oder Reservoire für die Wasserfilme müssen von Zeit zu Zeit, am besten stetig erneuert werden, um in ihnen jeweils eine konstante Konzentration an Lösungsmittel zu haben, was verständlicherweise für ein gleichmäßiges Endprodukt von Vorteil ist. Diese Dinge sind hinreichend bekannt und brauchen hier nicht weiter beschrieben zu werden. Nachdem der Faden einen solchen bekannten Prozeß durchschritten hat; wird er nach der Erfindung erneut in ein Bad aus einer möglichst hochkonzentrierten wässrigen NMMO-Lösung eingeführt. Dieses Lösungsmitel ist bei Raumtemperatur stabil in einer Konzentration von 50#% in Wasser, auch noch in leichten Abweichungen davon. In dieser Konzentration tritt NMMO handelsüblich auf. Bei
höherer Temperatur können die Konzentrationen höher sein, ohne daß es zu einem Auskristallisieren des NMMO kommt. Dabei ist allerdings zu beachten, daß dessen Oxidationsneigung stark zunimmt und es dabei zu raschen explosionsartigen Reaktionen kommen kann. Die Konzentrationsangaben des Lösungsmittels sind hier immer in Gewichts-% gegeben.
Führt man den auf bekannte Weise hergestellten Faden (oder auch mehrere Fäden zugleich) anschließend durch ein Bad einer NMMO/Wasser-Lösung, so kommt es zu einem erneuten Anlösen des Fadens an seiner Oberfläche. Die Fadenquerschnitte verändern sich dabei je nach Einwirkzeit und Lösungsmittelkonzentration – andere Verfahrensparameter seien ihres geringeren Einflusses wegen hier ausgelassen – und bei anschließendem Führen des Fadens durch ein Wasserbad wird das NMMO die cellulosische Lösung wieder verlassen und sich im Wasserbad befinden, welches nach oben Gesagtem entsprechend erneuert werden muß. Es gelingt dabei, die Fadenoberfläche so zu schließen oder zu 'häuten', daß die Bildung von Fibrillen aus der Oberfläche heraus bei späterer mechanischer Beanspruchung wie sie allein schon das Abwickeln von Spulen, insbesondere aber Reibung hervorruft, sehr vermindert bis fast ganz oder sogar ganz vermieden wird. Der textile Effekt ist außerordentlich. Auch bei Chemiefasern wie den Viskosefasern, aber auch bei Synthesefasern aus Polyamid, Polyester, Polypropylen, Acryl u.a. hat man durchaus beim späteren Weben, Wirken oder nach Verfahren der Vliestechnik hergestellten Verbundmaterialien herausstehende Fäden, auch bei allen Naturfasern. Durch die Risse einzelner Filamente bilden sich die sog. Flusen, die sich in Textilien beim späteren Tragen und Waschprozessen aufrollen, was als Pilling bekannt ist. Dieses gilt in aller Regel als Fehler und soll vermieden werden.
Zur Bestätigung des erfindungsgemäßen Verfahrens durchliefen die LYOCELL-Fäden direkt anschließend an ihre Herstellung eine Behandlung bei Raumtemperatur mit einer 50%igen NMMO-Lösung in Wasser ohne weitere Zusätze sowie einer 80%igen Lösung bei 90°C. Einschab Derartige Lösungen ... NMMO' (s. Schr. v. 13.2.03) + evtl: Sämtliche dugegeben. Die Fäden hatten eine Verweilzeit in einem Bad oder an Flächen, die diese Konzentrationen bei der betreffenden Temperatur filmartig aufwiesen, von einigen Sekunden und bei der höheren Konzentration auch unter einer Sekunde. Sie wurden anschließend aufgewickelt und ließen sich für ihre weitere Prüfung auffallend gut wieder abwickeln. Hierbei kommt es bei normal hergestellten LYOCELL-Fäden oft durch die abstehenden, sich spätestens dann erstmals ausbildenden Fibrillen zu Verhakungen bis hin zu Fadenrissen.
Auf die technische Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann im einzelnen verzichtet werden, da es mit herkömmlichen Methoden des Fadentransports an drehenden Walzen, Eintauchen in Flüssigkeit oder an benetzten Flächen bekannte Elemente der Fadenherstellung nutzt. Es sei aber darauf hingewiesen, daß der erneut angelöste Faden empfindlicher als der vorhergehende Abschnitt aus der LYOCELL-Herstellung ist und auf geringe Fadenspannung, beispielsweise durch angetriebene Walzen oder mitdrehende Benetzungsflächen besonders geachtet werden soll. Nach dem erneuten Koagulieren der Cellulose und Fortführen des Lösungsmittels aus der angelösten Oberfläche ist der Faden praktisch genauso fest wie zuvor, wenn auch dieser Verfahrensschritt in der dem Fachmann geläufigen Weise geführt wird. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse und Art der Fadenbehandlung nach der Erfindung.
Ein guter Test zur Bestimmung der Fibrillierungsneigung ist als 'Schütteltest' von der Firma Lenzing in 'Chemiefasern und Textilindustrie', 43/95 (1993), S. 879 ff. angegeben worden. Dabei werden 0,002 g Fasern mit einer Länge von 20 mm 9 Stunden in wenig Wasser geschüttelt. Die Auswertung erfolgt an Fotoaufnahmen im Mikroskop und Einteilung des Fibrilliergrades nach subjektiven, aber in der Unterscheidung recht guten Einschätzungen.
Zum Vergleich dienen die Proben in 1, 2, 3 und 4, die in gleicher Reihenfolge zu den Werten der Proben 0, A, B und C in Tabelle 1 gehören. Die Vergrößerung war 250-fach, Maßstäbe sind direkt auf den Abbildungen angegeben. Bei der Probe 0 handelt es sich um einen nicht durch erneute Anlösung behandelten LYOCELL-Faden, der nach seiner Herstellung aufgewickelt und anschließend zur Bewertung wieder abgewickelt wurde. Dabei kam es sicher zur vermehrten Bildung von abstehenden Fibrillen.
Die Abbildungen zeigen, daß von der deutlich stärkeren Fibrillierung der Probe A, der die Spleißnote 3 gegeben wurde, zur Probe B und C mit zunehmender Anlösung die Fibrillierungsneigung sich deutlich verringerte bis zur Spleißnote 1, vgl. Tabelle 1. Dagegen erhielt die unbehandelte Probe 0 noch die Spleißnote 2-3. Die stärkere Anlösung ist auf die höhere Konzentration bei höherer Temperatur zurückzuführen. Sie konnte nachgewiesen werden durch eine stärkere Änderung des Fadenquerschnitts, ebenfalls im Mikroskop ermittelt. Diese deutliche Verringerung der Fibrillierungsneigung in einem Maße, daß so gut wie keine Fibrillen mehr auftraten, geschah obwohl die Einwirkdauer nur 0,4 Sekunden gegenüber dem etwa 5-fachen bei der geringeren Konzentration und Temperatur betrug. Zu dieser Einwirkdauer kommt noch die Zeit oder ein Teil der Zeit hinzu für den Übergang vom Lösungsmittelbad zum Wasserbad. Sie betrug etwa 1 Sekunde bei den Proben A und B, bei C kann diese Zeit des Übergangs nahezu vernachlässigt werden, weil sich der Faden rasch von 90°C abkühlt und keine weitere Lösung mehr stattfindet. Die Bruchfestigkeit nach der Behandlung war gegenüber der Probe 0 und auch der Probe A verringert, allerdings nur wenig; die Dehnung war etwas verringert, allerdings nicht signifikant. Man erkennt deutlich die Abnahme der Fibrillierneigung, obwohl dieses an den wenigen und nur kleinen Fadenabschnitten der Fotos weniger offensichtlich ist als an den Fadenhaufwerken, die sich nach dem Schütteltest zur Beurteilung anbieten. Hier ist die Fibrillenbildung als Faserpflaum oder als flusige Fäden sehr deutlich.
Insgesamt ergab sich ein fibrillenarmer Faden durch das erfindungsgemäße Verfahren.
Nachdem die Grundzüge einer Nachbehandlung von LYOCELL-Fäden nach der Erfindung dargelegt sind, gibt es für den Fachmann verschiedene Abwandlungen des Grundgedankens, fertige LYOCELL-Fäden erneut anzulösen. Auch das Hineinreichen dieses Anlösungspozesses von hinten her stromauf in das LYOCELL-Verfahren, diesen überlappend, ist eine Möglichkeit, die den Erfindungsgedanken weiterhin benutzt.

Claims

Verfahren zur Nachbehandlung von nach dem LYOCELL-Verfahren hergestellten Fäden zur Verringerung ihrer Fibrillierneigung dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden nach ihrer Herstellung an ihrer Oberfläche mit einer handelsüblichen Lösung von 50 Gewichts-% N-Methylenmorpholin-N-oxid oder mehr in Wasser angelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbehandlung in einer 80 Gewichts-% wässrigen NMMO-Lösung der 90°C erfolgt.
Cellulosische Fäden oder Fasern, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 oder 2.