DE2732187A1 - Neue formbare celluloseloesungen und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
Neue formbare celluloseloesungen und verfahren zu ihrer herstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft neue Celluloselösungen, welche zu Fäden, Fasern, Filmen, Membranen,Schaumstoff und dergleichen verformt
werden können.
Bisher kannte man als Lösungsmittel für Cellulose entweder die Schwefelsäuren und Phosphorsäuren, welche die Cellulose abbauen,
indem eine starke Hydrolyse hervorgerufen wurde oder Schwermetallkomplexe und Aminoverbindungen, welche bei dem wenig
rentablen Cuproverfahren verwendet werden, denn das verwendete lösungsmittel ist nicht direkt wiederzugewinnen, sondern nur
auf einem indirekten und komplizierten Wege.
Es sind auch andere Komplexe oder Lösungsmittelgemische bekannt.
Dies ist der Fall insbesondere für die Ferri-/Tartratkomplexe
oder Gemische aus Dimethylsulfoxid mit Dimethylacet-
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amid oder Stickstoffdioxid oder Schwefligsäure-Anhydrid und Amin. Jedoch haben solche Komplexe oder Gemische nicht zu industriellen
Spinnverfahren führen können aufgrund der erheblichen technischen und/oder wirtschaftlichen Schwierigkeiten.
Das am meisten angewandte Spinnverfahren erfordert eine erste chemische Umwandlung, um zu einem löslichen Produkt zu gelangen:
dem Cellulosexanthogenat, und dann eine erneute chemische
Umwandlung zur Regenerierung der Cellulose unter Verbrauch chemischer Reagenzien und einem beträchtlichen Verlust
des eingesetzten Schwefelkohlenstoffs.
Schließlich konnte man gemäß dem Artikel D. C. Johnson, M. D.
Nicholson und P. C. Haigh in IPC Technical Paper Series von The Institute of Paper Chemistry, Nr. 5 (April 1975) Cellulose
in sehr geringen Konzentrationen lösen: 1-3 Gew.-# pro Volumen in Dimethylsulfoxid (MSO), das eine beträchtliche
Menge Formaldehyd, bezogen auf die eingesetzte Cellulose (in der Größenordnung von 5-20 mal der letzteren) enthielt. Indessen
sind nicht nur Lösungen von so geringer Konzentration industriell für die Formgebung von Fäden, Fasern, Filmen,
Membranen,Schaumstrom und dergleichen vollkommen unbrauchbar,
sondern auch die Ausbeute bei der Auflösung ist außerordentlich gering, da in den meisten Fällen ein bedeutender nicht gelöster
Rückstand verbleibt, der bis zu 37# der eingesetzten
Pulpe betragen kann, von der nur 1%, bezogen auf MSO, verwendet wurde.
Außerdem behindert der starke Gehalt an Paraformaldehyddie weitere
Formgebung. Nach diesen Autoren können darüberhinaus Lösungen mit erhöhter Konzentration an Cellulose nur aus Cellulose mit
geringem Polymerisationsgrad erhalten werden. Diese Cellulosen mit geringem Polymerisationsgrad befinden sich jedoch nicht
in natürlichem Zustand und können nur durch eine vorherige chemische Behandlung der nativen Cellulose erhalten werden,
was die Kosten beträchtlich erhöht.
Die Erfindung betrifft verformbare Lösungen von guter Verspinnbarkeit
von nativer Cellulose in Dimethylsulfoxid, mit einem Ge-
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halt anFormaldehyd»worin die Cellulose einen Polymerisationsgrad
(PP) von mindestens 400 aufweist, die Konzentration an Cellulose
wenigstens 6?6, bezogen auf das Gewicht der Cellulose pro
Volumen DimethylBulfoxid (IMSO) beträgt, das Gewichtsverhältnis
Formaldehyd/Cellulose zwischen 0.2 und 2 liegt und der Wasser-
bezogen auf das
gehalt unterhalb oder gleich 5000 ppm, V Gewicht und vorzugsweise
unter oder gleich 2000 ppm beträgt·
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Erzielung der erwähnten Lösungen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß
man native Cellulose mit einem Polymerisationsgrad von wenigstens 400, die^vorher getrocknet ist, in einem Gemisch aus
Dimethylsulfoxid und Formaldehyd in derartiger Menge, daß
das Gewichtsverhältnis Formaldehyd/Cellulose wenigstens 1 beträgt, 'wobei das DMSO vorzugsweise weniger als 1000 ppm Wasser
enthält und umso weniger als es sich darum handelt, Cellulose von geringerer Zugänglichkeit aufzulösen. */ in der Wärme löst,
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man Cellulose I, sog. native Cellulose jeglicher Herkunft, verwenden,
welche beispielsweise aus Baumwolllinters, Holzbrei oder anderen Quellen oder auch von Abfällen stammt.
Wegen der bequemeren Handhabung verwendet man den Formaldehyd vorzugsweise in Form des Paraformaldehyds.
Die Menge des notwendigen Paraformaldehyds zur Auflösung soll derart sein, daß das Verhältnis Formaldehyd/Cellulose wenigstens
1 und vorzugsweise zwischen 1 und 2, bezogen auf das Gewicht, beträgt.
Es ist bekannt, daß die Möglichkeit, Cellulosemoleküle zur
Reaktion zu bringen oder zu solvatieieren zum großen Teil von
dem Aufbau abhängt, in dem die Cellulosemoleküle in festem Zustand befindlich sind.
Um die Leichtigkeit des Eindringens eines Reagens in das Gefüge
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einer Cellulose zu charakterisieren, bezieht man sich im allgemeinen
auf den Begriff der Zugänglichkeit, was in komplexer Weise von der Länge der Ketten, dem mittleren Polymerisationsgrad, der Dimension der kristallinen und amorphen Zonen und
der fibri Hären bzw. faser struktur, welche die Morphologie
der in Betracht gezogenen Cellulosefaser charakterisiert, abhängt.
Man nimmt insbesondere an, daß ein übermäßiges Trocknen einer Cellulose deren Zugänglichkeit vermindert, da die Bindung
Cellulose-HOH-Cellulose leichter getrennt wird als die Bindung
Cellulose-Cellulose.
Im Gegensatz zu dem/ was man aus dem vorhergehenden erwarten
sollte, wurde gefunden, daß ein weitgehendes Trocknen der aufzulösenden Cellulose, vorzugsweise bis zu einem Gehalt unter
Ijiydie Auflösung der letzteren in Gemischen DMSO/Formaldehyd
begünstigt.
Im übrigen sollte der Wassergehalt der verschiedenen vorhandenen Reagenzien gering sein und umso geringer Je geringer die Zugänglichkeit
der aufzulösenden Cellulose ist. Dieser geringe Wert des Wassergehalts der verschiedenen Reagenzien ist
unerläßlich, wenn man gleichzeitig eine vollständige und raschere Auflösung und eine Lösung, die sehr wenig oder keine
Gele enthält und von guter Verspinnbarkeit ist, zu erhalten wünscht.
Es ist daher vorzuziehen, wasserfreie Reagenzien zu verwenden oder diese vor dem Arbeitsgang durch die üblichen bekannten
Mittel, zu trocknen.
Die Ausgangscellulose wird daher zur Pulpe zerkleinert und getrocknet,
bis der Wassergehalt auf höchstens 1# erniedrigt ist.
Man verwendet einen Paraformaldehyd, der im allgemeinen nicht
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mehr als 4 Gew.-# Wasser enthält. Das verwendete DMSO soll im
wesentlichen wasserfrei sein oder vorher auf einen Wert getrocknet werden , der im allgemeinen unterhalb von 1000 ppm Wasser
liegt und von der Ausgangscellulose abhängt. So ist es im allgemeinen vorzuziehen, ein DHSO mit einem Wassergehalt unter
500 ppm und vorzugsweise unter 100 ppm zu verwenden, um eine Cellulose aufzulösen, welche beispielsweise aus Holzbrei oder
Linteis stammt und einen Polymerisationsgrad größer oder gleich
1000 hat.
Das Verhältnis Formaldehyd/Cellulose hängt zum großen Teil von der Zugängrichkeit der aufzulösenden Cellulose ab. So ist
es vorzuziehen, ein umso höheres Verhältnis Formaldehyd/Cellulose zu verwenden, je weniger groß die Zugänglichkeit der verwendeten
Cellulose ist, wie dies beispielsweise bei gewissen nativen Cellulosen der Fall ist.
Es ist vorteilhaft, die Auflösung in der Hitze, vorzugsweise zwischen 90 und 1300C zu bewirken, obgleich niedrigere oder
höhere Temperaturen ebenfalls verwendet werden können. Es kann auch vorteilhaft sein, das DMSO vor der Einführung der
aufzulösenden Cellulose zu erhitzen.
Die Menge der gelösten Cellulose beträgt wenigstens 6 Gew.-#
pro Volumen DMSO und kann sehr viel größer sein, beispielsweise 20% und mehr, je nach der weiteren Verwendung, welche
man damit machen will.
In der Praxis wird die Ausgangscellulose zu Pulpe bzw. Brei zerkleinert, getrocknet und dann bewirkt man eine Vorquellung
der letzteren in DMSO, das - falls notwendig - vorher getrocknet wurde. Nach diesem Vorquellen gibt man Paraformaldehyd
zu und erhöht die Temperatur bis auf etwa 90 bis 1300C.
Man verringert dann das Verhältnis Formaldehyd/Cellulose auf einen Wert zwischen 0,2 und 2 durch Entfernung - falls notwendig
- von freiem oder an die Cellulose gebundenen Form-
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aldehyd durch jedes bekannte Mittel wie Abschleppen mit einem
wasserfreien, vorzugweise inerten Gas oder Destillation unter vermindertem Druck, ohne das Risiko der Bildung von Gelen oder
der Koagulation, unter der Bedingung jedoch, daß das Verhältnis Formäldebyd/Cellulose wenigstens gleich 0,2 bleibt. Palis
notwendig, stellt man die Menge an DMSO auf ihren ersten Wert wieder ein. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis Formaldehyd/Cellulose
der Lösung zwischen 0,2 und 0,8, bezogen auf das Gewicht.
Im Falle der Verwendung einer Cellulose mit einem Polymerisationsgrad <400, wie Cellulose, welche von Abfällen herrühren kann,
kann man ein geringeres Verhältnis Formaldehyd/Cellulose
zur Auflösung verwenden und so den Arbeitsgang der Entfernung von überschüssigem Formaldehyd weglassen.
Die erhaltenen Lösungen sind praktisch frei von nicht gelösten Fasern und Gelen, wie man sich durch die beiden folgenden Teste
versichern kann:
Die Anzahl der faserigen Teilchen pro ecm Lösung wird durch
Prüfung im Polarisationsmikroskop bestimmt. Die Auszählung wird durch Beobachtung der Lösung, welche in eine rechteckige
mikroskopische Zelle eingeführt wurde, bei einer Vergrößerung von 50-fach bewirkt. Die Teilchen werden gezählt, wenn ihr
Durchmesser größer oder gleich 25 Mikron beträgt.
Durch diese Methode werden hauptsächlich die nicht gelösten Fasern gezählt, welche stark doppelbrechende Teilchen bilden,
die nur wenig gequollen sind und von denen man die innere Struktur im polarisierten Licht erkennen kann und gewisse
mehr oder weniger stark gequollene Gele, die mehr oder weniger doppelbrechend sind und von denen man die innere Struktur noch
unterscheiden kann.
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Je nach der Anzahl der erhaltenen Partikeln Np, teilt man die
Lösungen folgendermaßen ein:
Np von O bis 100 ausgezeichnet
Np von 100 bis 200 gut
Np von 200 bis 400 gut bis befriedigend
Np mehr als 400 mittelmäßig.
Außer den durch diese Methode gezählten Teilchen können die Celluloselösungen auch sehr stark gequollene Teilchen oder Gele
enthalten, die praktisch ohne erkennbare innere Struktur sind mit einem Brechungsindez, der dem des umgebenden Milieus sehr
nahe kommt und die daher durch die obige Prüfung schwierig festzustellen sind.
Der Gehalt an diesen Gelei kann bewertet werden durch Messen des
Verstopfungsindex. Dieser Index wird bestimmt durch Filtration der Lösung unter konstantem Druck von 2 Bar quer durch
ein Filtermedium, das aus drei übereinander gelagerten Einheiten besteht., wovon jede aus einem Sieb aus Inoxstahlgewebe von
34 Mikron/und aus einem Sieb aus Inoxstahlgewebe von 0,610 mm
Maschenweite gebildet ist.
Man bestimmt die Durchlauf zeit t.. entsprechend 120 ecm Lösung
und mißt das durchgelaufene Volumen V während der vierfachen Zeit t1. Dann berechnet man den Verstopfungsindex:
τ 100 V
xc ~ 480
xc ~ 480
Gemäß dem erhaltenen Verstopfungsindex teilt man die Lösungen in folgender Weise ein:
In von 100 bis 90 ausgezeichnet
I von 90 bis 80 sehr gut
ΙΛ von 80 bis 60 befriedigend
I0 unter 60 mittelmäßig.
Die gemäß der Erfindung erhaltenen Lösungen sind ausgezeichnet bis sehr gut, da ihre Zahl nicht gelöster Teilchen selten 200
überschreitet und 250 nicht erreicht und im allgemeinen unter 100 liegt, während der Verstopfungsindex mehr als 70 und im
allgemeinen mehr als 80 beträgt.
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Die erfindungsgemäßen Lösungen sind zu Fäden, Fasern, Filmen, Membranen, Schaumstoffen und dergl. durch bekannte Verformungsmittel verformbar. Die so erhaltenen Erzeugnisse weisen sehr
gute Eigenschaften auf.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern, ohne sie zu beschränken. Die Teile- und Prozentangaben beziehen
sich auf das Gewicht.
80 g eines Sulfatbreis für Viskose mit einem . Polymerisationsgrad,
von 45OmLt 6?6 Feuchtigkeit werden im Trockenschrank
getrocknet.
Man führt sie in 1000 ecm DMSO mit 550 ppm Wasser, das 94 g
96#-iges Paraformaldehyd enthält, ein (Verhältnis Formaldehyd/
Cellulose: 1,20).
Man erhitzt in 1 Stunde 30 Minuten unter Rühren auf 1300C und
hält 3 Stunden 30 Minuten unter Rühren bei dieser Temperatur. Man erhält eine Lösung von 520 Poise bei 200C, die frei von
Gelen und nicht gelöster Cellulose ist (Ic = 85 und Np = 125).
Sie kann durch bekannte Mittel versponnen werden.
80 g Sulfatbrei für Viskose mit einem Polymerisationsgrad von 450 mit 6$ Feuchtigkeit werden getrocknet und dann in 1000 ecm
DMSO mit 500 ppm Wasser, das 94 g 96?£-igen Paraformaldehyd
enthält (Verhältnis Formaldehyd/Cellulose: 1,20) eingeführt. Die Temperatur des Gemisches wird unter langsamem Rühren in
1 Stunde auf 1300C gebracht und dann während 3 Stunden unter
Rühren bei 1300C gehalten. Die Auflösung der Cellulose, welche
unter dem Polarisationsmikroskop beobachtet wird, ist vollständig. Die Viskosität der Lösung beträgt 550 Poise bei 200C.
Die Anzahl der nicht gelösten Teilchen beträgt 90 und der Verstopfungsindex
87. Dann läßt man in diese Lösung trockenen
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Stickstoff bei 1200C durchperlen, um das Verhältnis Pormaldehyd/Cellulose
auf 0,25 zurückzuführen. Die Lösung mit einer Viskosität von 590 Poise bei 200C, ]
verspinnbar und für Filme geeignet.
verspinnbar und für Filme geeignet.
Viskosität von 590 Poise bei 200C, Np = 85 und I =84, ist
80 g Sulfatbrei für Viskose mit einem Polymerisationsgrad von 450 mit 6# Feuchtigkeit werden in 1000 ecm DMSO mit 100 ppm
Wasser eingebracht und so während einer Nacht bei Zimmertemperatur belassen.
Man destilliert einenTeil des DMSO zur Entfernung des Wassers
ab und füllt das Volumen wieder auf. Man erniedrigt die Temperatur bis auf 1300C und gibt dann 94 g 96#-igen Paraformaldehyd
(Verhältnis Pormaldehyd/Cellulose: 1,20) unter Rühren zu. Man hält bei dieser Temperatur unter Rühren während 3
Stunden 30 Minuten.
Die erhaltene Lösung hat eine Viskosität von 510 Poise bei 200C, eine Anzahl nicht gelöster Teilchen von 95 und einen Verstopfungsindex
von 90. Sie ist demnach ausgezeichnet und kann zu Fäden, Filmen, Membranen oder Schaumstoffen verarbeitet
werden.
80 g Brei für Viskose mit Bisulfit vom DP 770 mit 6?6 Wasser
werden im Trockenschrank getrocknet und dann in 1000 ecm DMSO mit 550 ppm Wasser eingebracht. Man gibt 94 g 96#-igen Paraformaldehyd
(Verhältnis Pormaldehyd/Cellulose: 1,20) zu. Man erhitzt in 1 Stunde 30 Minuten unter Rühren bis auf 1300C
und hält bei dieser Temperatur während 3 Stunden unter Rühren.
Die erhaltene Lösung besitzt eine Viskosität von 1600 Poise bei 200C. Sie weist eine Anzahl nicht gelöster Teilchen von
60 und einen Verstopfungsindex von 75 auf. Die Auflösung ist daher ausgezeichnet und die Lösung ist sehr befriedigend
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und kann versponnen werden.
Man arbeitet wie in Beispiel 4 angegeben, jedoch ausgehend
von einem gebleichten Kraft-Papierbrei mit 6# feuchtigkeit
und einem Polymerisationsgrad, von 1050 und IHSO mit 160 ppm Wasser.
Die erhaltene Lösung ist leicht trüb. Sie weist eine Zahl nicht gelöster Teilchen von 210 und einen Verstopfungsindex
von 78 auf. SiQ hat eine Viskosität von 2100 Poise bei 2O0C.
Sie ist verspinnbar.
Beispiel 6 " .
80 g gebleichter Kraft-Brei mit einem Polymerisationsgrad von 1050 mit 6# Feuchtigkeit werden getrocknet und dann zu 1000 ecm
IXlSO mit 500 ppm Wasser, das 94 g 96^-igen Paraforraaldehyd
(Verhältnis Formaldehyd/Cellulose: 1,20) enthält, gegeben. Man bringt das Gemisch unter Rühren in 1 Stunde auf 1300C
und hält dann bei dieser Temperatur während 3 Stunden immer unter Rühren.
Man läßt in die erhaltene Lösung, die bei 1200C gehalten wird,
einen Strom trockenen Stickstoffe bei 120°C durchperlen, bis das Verhältnis Formaldehyd/Cellulose auf 0,30 erniedrigt ist.
Die erhaltene Lösung besitzt eine Viskosität von 2100 Poise
bei 20°C, eine Np-Zahl von 250 und
durch bekannte Mittel verspinnbar.
durch bekannte Mittel verspinnbar.
bei 20°C, eine Np-Zahl von 250 und ein ΙΛ von 87. Sie ist
Man arbeitet wie in Beispiel 4 beschrieben, jedoch mit 70 g Iiintersbrei mit einem Polymerisationsgrad von 1500 mit 6jC
Feuchtigkeit, was zu einem Verhältnis Paraformaldehyd/Cellulose von 1,37 führt. Man erhält eine Lösung von 3300 Poise bei
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2O0C, Np = 100, I = 83. Sie ist verspinnbar.
80 g Sulfatbrei für Viskose mit einem Polymerisationsgrad von 450, welche vorher mit flüssigem Ammoniak behandelt war und
6$ Feuchtigkeit enthält, werden getrocknet und dann in 1000 ecm IMSO mit 80 ppm Wasser eingebracht.
6$ Feuchtigkeit enthält, werden getrocknet und dann in 1000 ecm IMSO mit 80 ppm Wasser eingebracht.
Man fügt 54,8 g 96#-igen Paraformaldehyd (Verhältnis Pormaldehyd/Cellulose:
0,70) ein. Man erhitzt in 1 Stunde unter Rühren bis auf 1300C und hält bei dieser Temperatur während 3 Stunden.
Die erhaltene Lösung, die frei von Gelen und nicht gelöster
Faser ist, besitzt eine Viskosität von 550 Poise.
Faser ist, besitzt eine Viskosität von 550 Poise.
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Claims (6)
- Patentansprüche\\J Verformbare Lösungen mit guter Verspinnbarkeit aus nativer Cellulose in Dimethylsulfoxid, das Formaldehyd enthält,dadurch gekennzeichnet, daß die Cellulose einen Polymerisationsgrad (DP) von mindestens 400 aufweist, die Konsentrationan Cellulose mindestens 6 Gew.-^ Cellulose pro Volumen Dimethylsulfoxid beträgt, das Verhältnis Formaldehyd/Cellulose zwischen 0,2 und 2 liegt und der Gehalt an Wasser unter oder gleich 5000 ppm, bezogen auf das Gewicht, beträgt.
- 2. Lösungen gemäß Anspruch 1, worin die Konzentration an Cellulose zwischen 8 und 20 Gew.-# beträgt.
- 3. Lösungen gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassergehalt unter oder gleich 2000 ppm, bezogen auf das Gewicht, beträgt.
- 4. Verfahren zur Erzielung von Lösungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man native Cellulose mit einem Polymerisationsgrad von wenigstens 400, die vorher getrocknet wurde, in einem Gemisch aus Dimethylsulfoxid und Formaldehyd löst, wobei der Formaldehyd in solcher Menge vorhanden ist, daß das Verhältnis Formaldehyd/Cellulose mindestens 1, bezogen auf das Gewicht, beträgt, wobei das DMSO vorzugsweise weniger als 1000 ppm Wasser, bezogen auf das Gewicht, enthält.
- 5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die native Cellulose einen Polymerisationsgrad von wenigstens 1000 hat und der Gehalt des DMSO an Wasser unterhalb von 500 ppm, bezogen auf das Gewicht, liegt.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Formaldehyd in Form von Paraformaldehyd eingeführt wird.709883/1 1 16ORIGINAL INSPECTED
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