DE69716092T2 - LYOCELL FIBERS AND METHOD FOR THEIR PRODUCTION - Google Patents
LYOCELL FIBERS AND METHOD FOR THEIR PRODUCTIONInfo
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Abstract
Description
Diese Anwendung beansprucht Priorität vor den vorläufigen Anwendungen mit den Seriennummern 60/023,909 und 60/024,462, welche beide am 23. August 1996 eingereicht worden sind.This application claims priority over provisional applications with serial numbers 60/023,909 and 60/024,462, both filed on August 23, 1996.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lyocellfasern mit neuartigen Eigenschaften, sowie dem Verfahren zu ihrer Herstellung. Sie bezieht sich außerdem auf Garne, die aus den Fasern hergestellt werden, sowie auf gewebte und nicht gewebte Stoffe, welche die Fasern enthalten. Das Verfahren umfasst insbesondere als erstes das Auflösen von Zellulose in Aminoxid, um eine zähe Flüssigkeit zu erzeugen. Latente Fasern werden dann entweder vermittels Extrusion der zähen Flüssigkeit durch kleine Öffnungen in einen Luftstrom hinein, welcher die latenten Filamente aus Zellulose-Lösung zieht, oder vermittels Austreibung der zähen Flüssigkeit durch kleine Öffnungen bei Zentrifugation hergestellt. Dann werden die Fasern durch Regeneration der gesponnenen, latenten Fasern in einem flüssigen Nicht-Lösungsmittel gebildet.The present invention relates to lyocell fibers having novel properties, as well as the process for their manufacture. It also relates to yarns made from the fibers, and to woven and nonwoven fabrics containing the fibers. In particular, the process comprises first dissolving cellulose in amine oxide to produce a viscous liquid. Latent fibers are then produced either by extruding the viscous liquid through small orifices into an air stream which draws the latent filaments from cellulose solution, or by expelling the viscous liquid through small orifices upon centrifugation. The fibers are then formed by regenerating the spun latent fibers in a liquid non-solvent.
Jedes der Verfahren ist für die Herstellung von selbstbindenden, nicht gewebten Stoffen möglich.Each of the processes is possible for the production of self-binding non-woven fabrics.
Seit über einem Jahrhundert sind starke Fasern aus regenerierter Zellulose durch das Viskose- und das Cuprammonium-Verfahren hergestellt worden. Das letztere Verfahren wurde erstmalig 1890 patentiert, und das Viskose-Verfahren zwei Jahre später. In diesem Viskose- Verfahren wird Zellulose zuerst in einer zersetzenden, starken, ätzenden Soda-Lösung eingeweicht, um eine alkalische Zellulose zu erzeugen. Diese wird dann mit Kohlenstoff- Disulfid versetzt, um Zellulose-Xanthat zu bilden, welches danach in verdünnter, ätzender Soda- Lösung aufgelöst wird. Nach Filtration und Entlüftung wird die Xanthat-Lösung aus submersen Spinndüsen in ein regenerierendes Bad aus Schwefelsäure, Natrium-Sulfat, Zink-Sulfat und Glukose gepresst, um kontinuierliche Filamente zu erzeugen. Das entstandene, sogenannte Viskose-Rayon wird heutzutage für Textilien verwendet, und wurde früher häufig als Verstärkung in Artikeln aus Gummi, wie etwa Reifen und Treibriemen, verwendet. Zellulose löst sich auch in einer Lösung aus ammonischem Kupferoxid. Diese Eigenschaft bildete die Basis für die Produktion von Cuprammonium-Rayon. Die Zellulose-Lösung wird durch submerse Spinndüsen in eine Lösung aus 5% ätzendem Soda oder verdünnter Schwefelsäure getrieben, um die Fasern zu erzeugen. Nach Entfernen des Kupfers und nach Waschung haben die Fasern eine große Nassfestigkeit. Cuprammonium-Rayon befindet sich in Fasern mit niedrigem Denier und wird fast ausschließlich für Textilien verwendet.For over a century, strong fibers have been made from regenerated cellulose by the viscose and cuprammonium processes. The latter process was first patented in 1890, and the viscose process two years later. In the viscose process, cellulose is first soaked in a corrosive, strong caustic soda solution to produce an alkaline cellulose. This is then treated with carbon disulfide to form cellulose xanthate, which is then dissolved in dilute caustic soda solution. After filtration and deaeration, the xanthate solution is extracted from submerged Spindles are forced into a regenerating bath of sulphuric acid, sodium sulphate, zinc sulphate and glucose to produce continuous filaments. The resulting rayon, called viscose rayon, is used in textiles today, and was once widely used as reinforcement in rubber articles such as tyres and transmission belts. Cellulose also dissolves in a solution of ammonic copper oxide. This property formed the basis for the production of cuprammonium rayon. The cellulose solution is forced through submerged spinnerets into a solution of 5% caustic soda or dilute sulphuric acid to produce the fibres. After the copper is removed and washed, the fibres have great wet strength. Cuprammonium rayon is found in low denier fibres and is used almost exclusively in textiles.
Vor kurzem sind weitere Lösungsmittel für Zellulose entdeckt worden. Eines dieser Lösungsmittel basiert auf einer Lösung aus Stickstofftetroxid in Dimethyl-Formamid. Obwohl viele Forschungen auf diesem Sektor betrieben worden sind, ist daraus kein kommerzielles Verfahren zur Erzeugung regenerierter Zellulosefasern entwickelt worden, bei dem dieses Lösungsmittel verwendet.Recently, other solvents for cellulose have been discovered. One of these solvents is based on a solution of nitrogen tetroxide in dimethyl formamide. Although much research has been carried out in this area, no commercial process for producing regenerated cellulose fibers using this solvent has been developed.
Die Brauchbarkeit von tertiären Amin-N-Oxiden als Lösungsmittel für Zellulose ist seit längerer Zeit bekannt. Graenecher offenbart in dem U.S. Patent No. 2,179,181 eine Gruppe von Amin-Oxid-Materialien, die geeignete Lösungsmittel darstellen. Jedoch war der Erfinder lediglich in der Lage, Lösungen mit geringen Konzentrationen von Zellulose zu erzeugen, und die Rückgewinnung des Lösungsmittels stellte ein großes Problem dar. Johnson beschreibt in U.S. Patent No. 3,447,939 die Verwendung von wasserfreiem N-Methylmorpholin-N-Oxid (NMMO) sowie anderen Amin-N-Oxiden als Lösungsmittel für Zellulose und viele andere natürliche und synthetische Polymere. Jedoch enthielten die Lösungen wiederum nur einen geringen Anteil fester Bestandteile. In seinem späteren U.S. Patent No. 3,508,941 schlug Johnson vor, eine großen Bandbreite natürlicher und synthetischer Polymere in Lösung zu mischen, um so eine einheitliche Mischung mit Zellulose zu erzeugen. Um die Viskosität der zähen Flüssigkeit herabzusetzen, wurde ein Nicht-Lösungsmittel für Zellulose, wie etwa Dimethyl-Sulfoxid, zugesetzt. Die Polymer-Lösung wurde direkt in kaltem Methanol gesponnen, jedoch waren die resultierenden Filamente nur von relativ geringer Stärke.The usefulness of tertiary amine N-oxides as solvents for cellulose has been known for some time. Graenecher in U.S. Patent No. 2,179,181 discloses a group of amine oxide materials that are suitable solvents. However, the inventor was only able to produce solutions with low concentrations of cellulose, and solvent recovery was a major problem. Johnson in U.S. Patent No. 3,447,939 describes the use of anhydrous N-methylmorpholine N-oxide (NMMO) and other amine N-oxides as solvents for cellulose and many other natural and synthetic polymers. However, the solutions again contained only a small proportion of solid components. In his later U.S. Patent No. 3,508,941, Johnson proposed to mix a wide range of natural and synthetic polymers in solution to produce a uniform mixture with cellulose. To reduce the viscosity of the viscous liquid, a non-solvent for cellulose, such as dimethyl sulfoxide, was added. The polymer solution was spun directly in cold methanol, but the resulting filaments were of relatively low strength.
Seit 1979 wurde jedoch eine Reihe von Patenten für die Herstellung regenerierter Zellulose-Fasern veröffentlicht, in denen verschiedene Amin-Oxide als Lösungsmittel eingesetzt wurden. Insbesondere N-Methylmorpholin-N-Oxid mit einem Wasseranteil von etwa 12% erwies sich als besonders günstiges Lösungsmittel. Die Zellulose wurde unter Hitze- Bedingungen, die im Allgemeinen bei 90ºC bis 130ºC lagen, in dem Lösungsmittel gelöst und durch eine Vielzahl Spinndüsen mit winzigen Öffnungen in die Luft heraus gepresst. Die Filamente aus der zähen Zellulose-Flüssigkeit werden mechanisch, kontinuierlich in Luft gezogen, mit einem Faktor in der Größenordnung von etwa drei bis zehn mal so viel, um eine molekulare Orientierung zu erreichen. Sie werden dann in ein Nicht-Lösungsmittel eingeleitet, üblicherweise in Wasser, um die Zellulose zu regenerieren. Auch andere Lösungen zur Regeneration, wie etwa niedere aliphatische Alkohole, wurden vorgeschlagen. Beispiele für das Verfahren sind detailliert in McCorsley und McCorsley et al. U.S. Patente Nos. 4,142,913; 4,144,080; 4,211,574; 4,246,221 sowie in 4,416,698 und anderen beschrieben. Jurkovic et al. in U.S. Patent No. 5,252,284 und Michels et al. in U.S. Patent 5,417,909 beschäftigen sich besonders mit der Geometrie der Extrusions-Düsen für das Spinnen von in NMMO gelöster Zellulose. Das U.S. Patent 4,426,228 von Brandner et al. ist ein Beispiel für eine Anzahl von Patenten, welche die Verwendung von verschiedenen Komponenten offenbaren, die als Stabilisatoren dienen sollen, um die Degradation der Zellulose und/oder des Lösungsmittels in der erhitzten NMMO-Lösung zu verhindern. In den U.S. Patenten Nos. 4,145,532 und 4,196,282 beschäftigen sich Franks et al. mit den Schwierigkeiten, die sowohl bei der Auflösung von Zellulose in Amin-Oxid-Lösungsmitteln auftraten, als auch beim Erzielen höherer Zellulose- Konzenrationen.Since 1979, however, a number of patents have been published for the production of regenerated cellulose fibers, in which various amine oxides were used as solvents. In particular, N-methylmorpholine-N-oxide with a water content of about 12% proved to be a particularly favorable solvent. The cellulose was dissolved in the solvent under heat conditions, which were generally between 90ºC and 130ºC, and pressed out into the air through a large number of spinnerets with tiny openings. Filaments of the viscous cellulose liquid are mechanically drawn continuously in air by a factor of about three to ten times to achieve molecular orientation. They are then introduced into a nonsolvent, usually water, to regenerate the cellulose. Other regeneration solutions, such as lower aliphatic alcohols, have also been proposed. Examples of the process are described in detail in McCorsley and McCorsley et al. U.S. Patent Nos. 4,142,913; 4,144,080; 4,211,574; 4,246,221 and 4,416,698 and others. Jurkovic et al. in U.S. Patent No. 5,252,284 and Michels et al. in US Patent 5,417,909 deal specifically with the geometry of extrusion dies for spinning cellulose dissolved in NMMO. US Patent 4,426,228 to Brandner et al. is an example of a number of patents which disclose the use of various components intended to act as stabilizers to prevent degradation of the cellulose and/or solvent in the heated NMMO solution. In US Patent Nos. 4,145,532 and 4,196,282 Franks et al. deal with the difficulties encountered in both dissolving cellulose in amine oxide solvents and in achieving higher cellulose concentrations.
Zellulose-Textil-Fasern, die aus NMMO-Lösung gesponnen werden, werden als Lyocellfasern bezeichnet. Lyocell ist ein gebräuchlicher Gattungsbegriff für eine Faser, die aus Zellulose, welche aus einer organischen Lösung ausgefällt Wurde, in der keine Substitution von Hydroxylgruppen stattfindet, und keine chemischen Intermediate entstehen, gebildet wird. Ein von Courtaulds, Ltd hergestelltes Lyocell-Produkt ist gegenwärtig kommerziell als Tencel®- Faser erhältlich. Diese Fasern sind in 0,9-2,7 Denier Gewicht und noch schwerer erhältlich. Denier ist das Gewicht von 900 Metern der Fasern in Gramm. Wegen ihrer Feinheit, ergeben Garne, die aus ihnen hergestellt sind, Stoffe, die sich besonders angenehm anfühlen.Cellulosic textile fibers spun from NMMO solution are called lyocell fibers. Lyocell is a common generic term for a fiber formed from cellulose precipitated from an organic solution in which no substitution of hydroxyl groups occurs and no chemical intermediates are formed. A lyocell product manufactured by Courtaulds, Ltd is currently commercially available as Tencel® fiber. These fibers are available in 0.9-2.7 denier weights and even heavier. Denier is the weight of 900 meters of the fiber in grams. Because of their fineness, yarns made from them produce fabrics that are particularly pleasant to the touch.
Eine Einschränkung der derzeitig hergestellt Lyocellfasern ist eine Funktion ihrer Geometrie. Sie werden kontinuierlich gebildet und haben typischer Weise ziemlich einheitliche, im allgemeinen runde oder ovale Querschnitte, wenn sie gesponnen sind, mangelt es ihnen an Kräuselung, und sie haben relativ glatte, glänzende Oberflächen. Deswegen sind sie nicht sehr gut als Schnittfasern geeignet, da es schwierig ist, eine einheitliche Trennung beim Kardierungsprozess zu erreichen, was zu einer uneinheitlichen Mischung und zu unregelmäßigem Garn führen kann. Um dieses Problem mit den geraden Fasern zu beseitigen, werden künstlich hergestellte Schnittfasern fast immer in einem zweiten Prozess gekräuselt, noch bevor sie auf ihre Länge zurecht geschnitten werden. Beispiele für das Kräuseln sind aus den U.S. Patenten Nos. 5,591,388 oder 5,601,765 von Sellars et al. ersichtlich, wo das Faser- Spinnkabel in einer Stopfkiste komprimiert und mit trockenem Dampf erhitzt wird. Es muss außerdem noch angemerkt werden, dass Fasern, mit einem kontinuierlichen, einheitlichen Querschnitt und einer glänzenden Oberfläche, Garne erzeugen, die dazu tendieren, wie "Plastik" auszusehen. Garne, die aus thermoplastischen Polymeren hergestellt sind, müssen oft mattierende Zusätze enthalten, wie etwa Titandioxid, die vor dem Spinnen zugesetzt werden. Wilkes et al. lehren in U.S. Patent 5,458,835 die Herstellung von Viskose-Rayon-Fasern, die kreuzförmige oder anders geartete Querschnitte haben. U.S. Patent No. 5,417,909 von Michels et al. offenbart die Verwendung von profilierten Spinndüsen, um Lyocellfasern mit Querschnitten, die nicht rund sind, zu produzieren, aber diesen Erfindern hier ist keinerlei kommerzielle Verwendung dieser Methode bekannt.A limitation of currently manufactured lyocell fibers is a function of their geometry. They are continuously formed and typically have fairly uniform, generally round or oval cross-sections; when spun, they lack crimp and have relatively smooth, shiny surfaces. Therefore, they are not very suitable as chopped fibers because it is difficult to achieve uniform separation in the carding process, which can result in inconsistent blending and irregular yarn. To eliminate this problem with the straight fibers, man-made chopped fibers are almost always crimped in a second process before they are cut to length. Examples of crimping can be seen in U.S. Patent Nos. 5,591,388 or 5,601,765 to Sellars et al., where the fiber tow is compressed in a stuffing box and heated with dry steam. It must It should also be noted that fibers with a continuous, uniform cross-section and a shiny surface produce yarns that tend to look "plastic." Yarns made from thermoplastic polymers often must contain matting additives, such as titanium dioxide, added prior to spinning. Wilkes et al., U.S. Patent 5,458,835, teach the production of viscose rayon fibers having cruciform or other cross-sections. U.S. Patent No. 5,417,909 to Michels et al. discloses the use of profiled spinnerets to produce lyocell fibers with cross-sections that are not round, but these inventors are not aware of any commercial use of this method.
Kaneko et al. lehren in U.S. Patent 3,833,438 die Präparation von nicht gewebten Materialien aus selbstbindender Zellulose, die vermittels des Cuprammonium-Rayon-Verfahrens erzeugt worden sind. Selbstbindende, nicht gewebte Lyocell-Gewebe sind nach bestem Wissen und Gewissen der Erfinder bislang noch nicht beschrieben worden.Kaneko et al., in U.S. Patent 3,833,438, teach the preparation of nonwoven materials from self-binding cellulose produced by the cuprammonium rayon process. Self-binding nonwoven lyocell fabrics have not been described to the best of the inventors' knowledge and belief.
Fasern aus synthetischen Polymeren mit geringem Denier werden durch mehrere Extrusions-Verfahren hergestellt. Drei dieser Verfahren sind relevant für die vorliegende Erfindung. Eines wird allgemein als "Schmelzblasen" bezeichnet. Die geschmolzenen Polymere werden durch eine Reihe von Löchern mit geringem Durchmesser hindurch, in einen Luftstrom, der im Allgemeinen parallel zu den herausgepressten Fasern strömt, gepresst. Das zieht oder streckt die Fasern während sie sich abkühlen. Das Strecken dient zwei Vorgängen. Es bewirkt ein gewisses Maß an longitudinaler, molekularer Orientierung und reduziert den letztendlichen Faser-Durchmesser. Ein relativ ähnliches Verfahren wird als "Spinnfliesbinden" bezeichnet, wobei die Faser in ein Rohr hinein gepresst wird und von einem Luftstrom durch das Rohr, der durch ein Vakuum am entgegengesetzten Ende erzeugt wird, gestreckt wird. Allgemein sind Spinnflies-Fasern kontinuierlich, wohingegen schmelzgeblasene Fasern allgemein häufig von geringerer Länge sind. Das andere Verfahren, das als "Zentrifugales Spinnen" bezeichnet wird, unterscheidet sich insofern von den anderen, als dass das geschmolzene Polymer aus Öffnungen in den Seitenwänden einer schnellen Spinn-Trommel herausgepresst wird. Die Fasern werden auf gewisse Weise durch den Luftwiderstand, der während der Rotation der Trommel entsteht, gezogen. Hier liegt jedoch üblicherweise kein starker Luftstrom vor, so wie beim Schmelzblasen. Alle drei Verfahren können bei der Herstellung nicht gewebter Stoffe verwendet werden. Es liegen sehr viele Patente, sowie allgemeine technische Literatur zu diesen Verfahren vor, da sie seit vielen Jahren kommerziell bedeutsam sind. Beispiele für Patente für das Schmelzblasen sind Weber et al. U.S. Patent No. 3,959,421 und Milligan et al. U.S. Patent No. 5,075,068. Das Patent von Weber et al. verwendet in den Gasstrom gesprühtes Wasser, um die Fasern rasch abzukühlen. Ein ziemlich ähnliches Verfahren wird in der PCT Publikation WO 91/18682 beschrieben, welches sich auf ein Verfahren für die Beschichtung von Papier durch modifiziertes Schmelzblasen bezieht. Empfohlene Beschichtungs-Materialien sind wässrige Flüssigkeiten, wie etwa "eine wässrige Lösung aus Stärke, Carboxy-Methylzellulose, Polyvinyl-Alkohol, Latex, eine Suspension aus bakterieller Zellulose, oder jedes andere, wässrige Material, Lösung oder Emulsion". Diese Verfahren atomisieren jedoch das herausgepresste Material, anstatt es in latente Fasern umzuformen. Zikeli et al. lenken in den U.S. Patenten Nos. 5,589,125 und 5,607,639 einen Luftstrom horizontal über Stränge aus herausgepresster, zäher Lyocell- Flüssigkeit, in dem Moment, wenn sie die Spinndüsen verlassen. Dieser Luftstrom dient nur der Kühlung und bewirkt keine Streckung der Filamente.Fibers of low denier synthetic polymers are produced by several extrusion processes. Three of these processes are relevant to the present invention. One is generally referred to as "melt blowing." The molten polymers are forced through a series of small diameter holes into a stream of air flowing generally parallel to the extruded fibers. This draws or stretches the fibers as they cool. Stretching serves two purposes. It induces some degree of longitudinal molecular orientation and reduces the final fiber diameter. A relatively similar process is referred to as "spunbond bonding," in which the fiber is forced into a tube and stretched by a stream of air through the tube created by a vacuum at the opposite end. Generally, spunbond fibers are continuous, whereas meltblown fibers are generally often of shorter length. The other process, called "centrifugal spinning," differs from the others in that the molten polymer is forced out of openings in the side walls of a high-speed spinning drum. The fibers are somewhat drawn by the air resistance created during the rotation of the drum. However, there is usually no strong air flow, as is the case with meltblowing. All three processes can be used in the manufacture of nonwoven fabrics. There are many patents and general technical literature on these processes, as they have been commercially important for many years. Examples of patents for meltblowing are Weber et al. US Patent No. 3,959,421 and Milligan et al. US Patent No. 5,075,068. The Weber et al. patent uses water sprayed into the gas stream to rapidly cool the fibers. A somewhat similar process is described in PCT publication WO 91/18682 which relates to a process for coating paper by modified melt blowing. Recommended coating materials are aqueous liquids such as "an aqueous solution of starch, carboxymethylcellulose, polyvinyl alcohol, latex, a suspension of bacterial cellulose, or any other aqueous material, solution or emulsion." However, these processes atomize the extruded material rather than converting it into latent fibers. Zikeli et al. in U.S. Patent Nos. 5,589,125 and 5,607,639 direct a stream of air horizontally over strands of extruded viscous lyocell liquid as they exit the spinnerets. This stream of air serves only to cool and does not cause any stretching of the filaments.
Zentrifugales Spinnen wird in den U.S. Patenten Nos. 5,242,633 und 5,326,241 von Rook et al. veranschaulicht, und in dem U.S. Patent No. 4,440,700 von Okada et al. wird ein Verfahren für das zentrifugale Spinnen von thennoplastischen Materialien beschrieben. Sobald das Material herausgeschleudert worden ist, werden die Fasern auf einer ringförmigen Form, welche den Spinnkopf umgibt, aufgefangen und dann durch einen Vorhang aus fließender, kühlender Flüssigkeit nach unten befördert. In der Liste der Polymere, die für dieses Verfahren geeignet sind, befinden sich Polyvinyl-Alkohol und Polyacrylonitril. Bei Einsatz dieser zwei Materialien werden sie "nass" gesponnen, d. h. in Lösung, und der Vorhang aus kühlender Flüssigkeit wird durch ein "koagulierendes Bad" ersetzt.Centrifugal spinning is illustrated in U.S. Patent Nos. 5,242,633 and 5,326,241 to Rook et al., and U.S. Patent No. 4,440,700 to Okada et al. describes a process for centrifugally spinning thermoplastic materials. Once the material has been spun out, the fibers are collected on an annular die surrounding the spinning head and then carried downward by a curtain of flowing, cooling liquid. The list of polymers suitable for this process includes polyvinyl alcohol and polyacrylonitrile. When these two materials are used, they are spun "wet," i.e., in solution, and the curtain of cooling liquid is replaced by a "coagulating bath."
Mit der Ausnahme des oben erwähnten Patents von Kaneko et al., sind Verfahren, die dem Schmelzblasen, Spinnfliesbinden und zentrifugalen Spinnen entsprechen, nie für Materialien aus Zellulose eingesetzt worden, da die Zellulose selber grundsätzlich unschmelzbar ist.With the exception of the above-mentioned Kaneko et al. patent, processes equivalent to meltblowing, spunbonding and centrifugal spinning have never been used for cellulosic materials because cellulose itself is essentially infusible.
Als ausgesprochen feine Fasern, die als "Mikrodenier-Fasern" bezeichnet werden, werden allgemein solche angesehen, deren Denier unter 1,0 liegt. Schmelzgeblasene Fasern, die aus verschiedenen synthetischen Polymeren, wie etwa Polypropylen, Nylons oder Polyestern, hergestellt sind, sind mit so geringen Durchmessern, wie 0,4 um (ungefähr 0,001 Denier), erhältlich. Aber die Stärke und "Zähigkeit" der meisten dieser Fasern neigt dazu, gering zu sein, und ihre geringe Wasserabsorbtion wirkt sich als negative Eigenschaft aus, wenn sie in Stoffen für Kleidung verwendet werden. Mikrodenier-Zellulose-Fasern, mit einem so geringen Denier wie 0,5, wurden bislang nur mit dem Viskose-Verfahren hergestellt.Extremely fine fibers, referred to as "microdenier fibers," are generally considered to be those with a denier of less than 1.0. Meltblown fibers made from various synthetic polymers such as polypropylene, nylons, or polyesters are available in diameters as small as 0.4 µm (approximately 0.001 denier). But the strength and "toughness" of most of these fibers tend to be low, and their low water absorption is a negative property when used in fabrics for clothing. Microdenier cellulose fibers, with a denier as low as 0.5, have so far only been produced by the viscose process.
Das vorliegende Verfahren stellt eine neue Lyocellfaser her, die viele der Einschränkungen von Fasern, die aus synthetischen Polymeren, Rayonen und den augenblicklich erhältlichen Lyocellfasern hergestellt sind, überwindet. Es ermöglicht die Bildung von Fasern mit geringem Denier und mit einer Verteilung von Deniers. Gleichzeitig besitzt jede Faser eine gekrispelte Oberfläche, einen Querschnitt von variierender Form und variierendem Durchmesser über ihre gesamte Länge hinweg, sowie eine signifikante, natürliche Kräuselung. Alle diese Punkt sind wünschenswerte Eigenschaften, wie sie in den meisten natürlichen Fasern vorkommen, aber in Lyocellfasern, die gegenwärtig kommerziell hergestellt werden, fehlen.The present process produces a new lyocell fiber that overcomes many of the limitations of fibers made from synthetic polymers, rayons and currently available lyocell fibers. It enables the formation of low denier fibers with a distribution of deniers. At the same time, each fiber has a rippled surface, a cross-section of varying shape and diameter. throughout its length, and significant natural crimp. All of these are desirable properties found in most natural fibers, but are absent in lyocell fibers currently produced commercially.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung von regenerierten Zellulosefasern und Geweben, sowie mit den Fasern und Geweben, die auf diese Weise hergestellt werden. Die Begriffe "Zellulose" und "regenerierte Zellulose", wie sie hier verwendet werden, sind aureichend breit gefächert aufzufassen, um Mischungen von Zellulose mit anderen natürlichen und synthetischen Polymeren, die gegenseitig in einem Spinn- Lösungsmittel, in dem Zellulose gewichtsmäßig die Hauptkomponente ausmacht, löslich sind, zu umfassen. Sie befasst sich ins Besondere mit Fasern mit niedrigem Denier, die aus Zellulose- Lösungen in Amin-N-Oxiden vermittels Verfahren, die dem Schmelzblasen oder zentrifugalen Spinnen analog sind, hergestellt sind. Wenn die Begriffe "Schmelzblasen", "Spinnfliesbinden" und "zentrifugales Spinnen" verwendet werden, ist damit gemeint, dass diese sich auf Verfahren beziehen, die ähnlich oder analog zu den Verfahren, die bei der Produktion thermoplastischer Fasern eingesetzt werden, sind, auch wenn sich die Zellulose in Lösung befindet, und die Spinntemperatur nur wenig angehoben ist. Der Begriff "kontinuierlich gezogen" bezieht sich auf das augenblicklich für die Herstellung von Lyocellfasern eingesetzte, kommerzielle Verfahren, bei dem sie mechanisch gezogen werden, zuerst durch ein Luftloch, um eine Elongation und molekulare Orientierung zu bewirken, dann durch das regenerierende Bad.The present invention is concerned with a process for producing regenerated cellulosic fibers and fabrics, and with the fibers and fabrics produced in this manner. The terms "cellulose" and "regenerated cellulose" as used herein are intended to be broad enough to encompass mixtures of cellulose with other natural and synthetic polymers which are mutually soluble in a spinning solvent in which cellulose is the major component by weight. It is particularly concerned with low denier fibers produced from cellulose solutions in amine N-oxides by processes analogous to meltblowing or centrifugal spinning. When the terms "melt blowing", "spunbond" and "centrifugal spinning" are used, it is meant that they refer to processes that are similar or analogous to those used in the production of thermoplastic fibers, although the cellulose is in solution and the spinning temperature is only slightly increased. The term "continuously drawn" refers to the commercial process currently used for the production of lyocell fibers, where they are drawn mechanically, first through an air hole to cause elongation and molecular orientation, then through the regenerating bath.
Das Verfahren umfasst das Auflösen von Zellulose-Rohmaterial in Amin-Oxid, vorzugsweise N-Methylmorpholin-N-Oxid (NMMO) in der Gegenwart von etwas Wasser. Diese zähe Flüssigkeit oder Zellulose-Lösung in NMMO kann mit Hilfe bekannter Technologien erzeugt werden; d. h., so wie es in jedem der vorher erwähnten Patente von McCorsley oder Franks et al. diskutiert worden ist. In dem vorliegenden Verfahren wird die zähe Flüssigkeit dann bei leicht angehobener Temperatur mit einer Pumpe oder einem Extruder bei etwa 90ºC bis 130 ºC in den Spinn-Apparat überführt. Die zähe Flüssigkeit wird sofort durch eine Vielzahl kleiner Öffnungen in die Luft geleitet. Bei Einsatz des Schmelzblasens werden die herausgepressten Stränge aus zäher Zellulose-Flüssigkeit von einem turbulenten Gasstrom, der relativ parallel zu dem Weg der Filamente strömt, ergriffen. Sobald die Zellulose-Lösung durch die Öffnung ausgestoßen worden ist, werden die flüssigen Stränge oder latenten Filamente während des fortgesetzten Zuges, nach Verlassen der Öffnungen gezogen (oder signifikant in ihrem Durchmesser reduziert und in der Länge verlängert). Die Turbulenzen bewirken eine natürliche Kräuselung sowie eine gewisse Variabilität im endgültigen Faserdurchmesser, sowohl zwischen den einzelnen Fasern als auch entlang der Länge der einzelnen Faser. Das steht im extremen Gegensatz zu kontinuierlich gezogenen Fasern, bei denen der Durchmesser einheitlich ist, und die Kräuselung entweder fehlt, oder in einem, dem Spinnen nachgeschalteten, Prozess eingeführt werden muss. Die Kräuselung ist unregelmäßig und hat eine Amplitude zwischen zwei Maxima, die größer ist, als ein Faser-Durchmesser, und hat eine Periode, die größer ist, als etwa fünf Faser-Durchmesser.The process involves dissolving cellulose raw material in amine oxide, preferably N-methylmorpholine-N-oxide (NMMO) in the presence of some water. This viscous liquid or cellulose solution in NMMO can be produced using known technologies; i.e., as discussed in any of the previously mentioned McCorsley or Franks et al. patents. In the present process, the viscous liquid is then transferred to the spinning apparatus at a slightly elevated temperature by a pump or extruder at about 90°C to 130°C. The viscous liquid is immediately passed through a plurality of small orifices into the air. When meltblowing is used, the extruded strands of viscous cellulosic liquid are caught in a turbulent gas stream flowing relatively parallel to the path of the filaments. Once the cellulose solution has been expelled through the orifice, the liquid strands or latent filaments are pulled (or significantly reduced in diameter and extended in length) during the continued pull after leaving the orifices. The turbulence causes a natural Crimp and some variability in the final fiber diameter, both between individual fibers and along the length of the individual fiber. This is in extreme contrast to continuously drawn fibers, where the diameter is uniform and the crimp is either absent or must be introduced in a process downstream of spinning. The crimp is irregular and has an amplitude between two maxima that is greater than one fiber diameter and has a period that is greater than about five fiber diameters.
Spinnfliesbinden kann als eine Art des Schmelzblasens angesehen werden, insofern als dass die Fasern aufgenommen werden und in einem Luftstrom gezogen werden, ohne dabei mechanisch gezogen zu werden. In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung können Schmelzblasen und Spinnfliesbinden als funktionale Äquivalente aufgefasst werden.Spunbond bonding can be considered a type of meltblowing in that the fibers are picked up and drawn in an air stream without being mechanically drawn. In the context of the present invention, meltblowing and spunbond bonding can be considered functionally equivalent.
Wenn die Fasern durch zentrifugales Spinnen hergestellt werden, werden die Stränge der zähen Flüssigkeit durch schmale Öffnungen in die Luft hinein ausgetrieben und durch die Trägheit, die durch die Spin-Köpfe vorgegeben ist, gezogen. Die Filamente werden dann in eine regenerierende Lösung geleitet, oder es wird eine regenerierende Lösung auf die Filamente gesprüht. Regenerierende Lösungen sind Nicht-Lösungsmittel, wie etwa Wasser, niedere aliphatische Alkohole oder Mischungen von beiden. Das als Lösungsmittel verwendete NMMO kann daraufhin aus dem regenerierenden Bad für die Wiederverwendung zurück gewonnen werden.When the fibers are produced by centrifugal spinning, the strands of viscous liquid are expelled into the air through narrow openings and pulled by the inertia provided by the spin heads. The filaments are then passed into a regenerating solution, or a regenerating solution is sprayed onto the filaments. Regenerating solutions are non-solvents such as water, lower aliphatic alcohols, or mixtures of both. The NMMO used as a solvent can then be recovered from the regenerating bath for reuse.
Es wird vermutet, dass Turbulenzen und Oszillationen in der Luft um die latenten Faserstränge herum, für ihre einheitliche Geometrie verantwortlich sind, wenn die Herstellung durch das Schmelzblas- oder das Verfahren des zentrifugalen Spinnens erfolgt ist.It is believed that turbulence and oscillations in the air around the latent fiber strands are responsible for their uniform geometry when manufactured by meltblowing or centrifugal spinning.
Es können ohne weiteres Filamente mit einer durchschnittlichen Größe, die so gering wie 0,1 Denier oder sogar noch geringer ist, erzeugt werden. Das Denier kann mit Hilfe einer Anzahl von Faktoren kontrolliert werden, was den Durchmesser der Öffnungen, die Geschwindigkeit des Gasstromes, die Geschwindigkeit der Spinn-Köpfe und die Viskosität der zähen Flüssigkeit umfasst, jedoch nicht nur auf diese beschränkt ist. Die Viskosität der zähen Flüssigkeit ist dann wiederum hauptsächlich ein Faktor der Zellulose-D. P. und -Konzentration. Die Faserlänge kann ähnlich durch Art und Geschwindigkeit des Luftstromes, der die Extrusions-Öffnungen umgibt, kontrolliert werden. Kontinuierliche Fasern oder relativ kurze Schnittfasern können jeweils abhängig von den Bedingungen für das Spinnen hergestellt werden. Die Ausrüstung kann ohne weiteres modifiziert werden, um individuelle Fasern zu erzeugen, oder um sie in eine Masse aus nicht gewebtem Zellulose-Stoff einzulegen. In letzterem Fall kann die Masse geformt werden und selbst gebunden haben, noch bevor die Regeneration der Zellulose stattgefunden hat. Die Fasern werden dann aus dem Regenerations-Medium zurückgewonnen, des weiteren gewaschen, falls nötig gebleicht, getrocknet und auf die übliche Art und Weise von diesem Punkt des Prozesses an weiterbehandelt.Filaments having an average size as small as 0.1 denier or even smaller can be readily produced. The denier can be controlled by a number of factors including, but not limited to, the diameter of the orifices, the velocity of the gas flow, the speed of the spinning heads and the viscosity of the viscous liquid. The viscosity of the viscous liquid is then primarily a factor of the cellulose DP and concentration. Fiber length can be similarly controlled by the type and velocity of the air flow surrounding the extrusion orifices. Continuous fibers or relatively short chopped fibers can be produced, depending on the spinning conditions. The equipment can be readily modified to produce individual fibers or to lay them in a mass of nonwoven cellulosic fabric. In the latter case, the mass can be formed and self-bonded even before regeneration of the cellulose has taken place. The fibres are then recovered from the regeneration medium, further washed, bleached if necessary, dried and treated in the usual way from that point in the process onwards.
Schimmer und Glanz der Fasern sind weitaus geringer, als bei kontinuierlich gezogenen Lyocellfasern, die nicht mattiert wurden, so dass sie nicht wie "Plastik" aussehen. Es wird angenommen, dass der Grund dafür ihre einheitlich "gekrispelte" Oberfläche ist, was sich in mikroskopischen Bildern bei hoher Auflösung zeigt.The sheen and luster of the fibers are far less than that of continuously drawn lyocell fibers, which have not been matted so that they do not look like "plastic." It is believed that the reason for this is their uniformly "pebbled" surface, which is evident in high-resolution microscopic images.
Wenn die Bedingungen für das Spinnen sehr gut kontrolliert werden, können die Fasern mit variierender Form des Querschnitts und einer relativ eingeschränkten Verteilung der Faserdurchmesser erzeugt werden. Gewisse Abweichungen im Durchmesser und in der Art des Querschnitts treten typischerweise entlang der Gesamtlänge einer jeden Faser und zwischen den verschiedenen Fasern auf. Die Fasern sind einzigartig für regenerierte Zellulose und ähneln in ihrer Morphologie vielen natürlichen Fasern.If the spinning conditions are very well controlled, the fibers can be produced with varying cross-sectional shapes and a relatively restricted distribution of fiber diameters. Some variation in diameter and type of cross-sectional shape typically occurs along the entire length of each fiber and between different fibers. The fibers are unique to regenerated cellulose and resemble many natural fibers in their morphology.
Fasern die entweder durch das Schmelzblas- oder das Verfahren des zentrifugalen Spinnens hergestellt worden sind, verfügen über eine natürliche Kräuselung, die nichts gemein hat mit derjenigen, die im Stopf-Kasten erzeugt wird. Kräuselung, die im Stopf-Kasten erzeugt worden ist, ist relativ regelmäßig, verfügt über eine relativ kleine Amplitude, die normalerweise geringer als ein Faserdurchmesser ist, und über eine kurze Periode von Maximum zu Maximum, die normalerweise nicht mehr als zwei oder drei Faserdurchmesser beträgt. Diejenige der vorliegenden Fasern verfügt über eine unregelmäßige Amplitude, die größer als ein Faserdurchmesser ist, oft sogar viel größer, und über eine unregelmäßige Periode, die fünf Faserdurchmesser noch übersteigt, was Eigenschaften von Fasern mit lockigem oder welligem Erscheinungsbild sind.Fibers produced by either the meltblowing or centrifugal spinning processes have a natural crimp that has nothing in common with that produced in the stuffing box. Crimp produced in the stuffing box is relatively regular, has a relatively small amplitude, usually less than one fiber diameter, and a short period from peak to peak, usually not more than two or three fiber diameters. That of the present fibers has an irregular amplitude, larger than one fiber diameter, often much larger, and an irregular period exceeding five fiber diameters, which are characteristics of fibers with a curly or wavy appearance.
Die Eigenschaften der Fasern aus der vorliegenden Erfindung sind sehr gut für das Kardieren und Spinnen in konventionellen Herstellungsprozessen von Textilien geeignet. Obwohl die Fasern viele der Kennzeichen natürlicher Fasern haben, können sie mit Mikrodenier- Durchmessern hergestellt werden, die in der Natur nicht vorkommen. Es ist möglich auf direktem Wege selbstbindende Gewebe oder enggezwirnte Garne aus vielen Einzelfäden herzustellen.The properties of the fibers of the present invention are very well suited to carding and spinning in conventional textile manufacturing processes. Although the fibers have many of the characteristics of natural fibers, they can be manufactured with microdenier diameters not found in nature. It is possible to directly produce self-binding fabrics or tightly twisted yarns from many individual filaments.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, Mischungen von Zellulose mit Polymer-Materialien herzustellen, was ansonsten als inkompatibel miteinander angesehen werden. Bei den Amin-Oxiden handelt es sich um besonders wirkungsvolle Lösungsmittel, die außer Zellulose noch viele andere Polymere zu lösen vermögen. Es wird somit möglich, Mischungen aus Zellulose mit Materialien herzustellen, wie etwa Lignin, Nylons, Polyethylen-Oxiden, Polypropylen-Oxiden, Poly-(Acrylonitril), Poly-(Vinylpyrrolidon), Poly- (Acryl-Säure), Stärken, Poly-(Vinyl-Alkohol), Polyestern, Polyketonen, Casein, Zellulose- Acetat, Amylose, Amylopektinen, kationischen Stärken und vielen Anderen. Jedes dieser Materialien kann, in homogener Mischung mit Zellulose, Fasern mit neuartigen und einzigartigen Fähigkeiten erzeugen.A particular advantage of the present invention is the ability to produce mixtures of cellulose with polymer materials that are otherwise considered incompatible with each other. The amine oxides are particularly effective solvents that are able to dissolve many polymers other than cellulose. It is thus possible to produce mixtures of cellulose with materials such as lignin, nylons, polyethylene oxides, polypropylene oxides, poly(acrylonitrile), poly(vinylpyrrolidone), poly(acrylic acid), starches, poly(vinyl alcohol), polyesters, polyketones, casein, cellulose Acetate, amylose, amylopectins, cationic starches and many others. Each of these materials, when homogeneously mixed with cellulose, can produce fibers with novel and unique properties.
Es ist ein Zweck der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem aus Lösung in einem Amin-Oxid-Wasser-Medium regenerierte Zellulosefasern oder Fasern aus Zellulosemischungen mit niedrigem Denier hergestellt werden können, mit Hilfe von Prozessen, die analog zum Schmelzblasen, Spinnfliesbinden oder zentrifugalen Spinnen sind.It is a purpose of the present invention to provide a process by which low denier regenerated cellulosic fibers or fibers from cellulosic blends can be produced from solution in an amine oxide water medium by processes analogous to meltblowing, spunbonding or centrifugal spinning.
Es ist ein weiterer Zweck, Zellulosefasern mit niedrigem Denier bereit zu stellen, die über eine vorteilhafte Geometrie und Oberflächeneigenschaften, für die Herstellungen von Garnen, verfügen.Another purpose is to provide low denier cellulosic fibers that have favorable geometry and surface properties for yarn manufacture.
Es ist außerdem ein Zweck, Fasern mit natürlicher Kräuselung und geringem Glanz bereit zu stellen.It is also a purpose to provide fibers with natural curl and low luster.
Es ist auch noch ein Zweck, regenerierte Zellulosefasern bereit zu stellen, die über viele Eigenschaften verfügen, die gleich oder besser als bei natürlichen Fasern sind.Another purpose is to provide regenerated cellulose fibers that have many properties equal to or better than natural fibers.
Es ist noch ein Zweck, ein Verfahren für die Bildung von Fasern des oben geschilderten Typs bereit zu stellen, bei welchem ein Prozess eingesetzt wird, in dem alle Chemikalien für die Produktion ohne weiteres zurückgewonnen und wiederverwertet werden können.It is a further purpose to provide a method for forming fibers of the type described above using a process in which all chemicals used in production can be readily recovered and recycled.
Es ist ein anderer Zweck, selbstbindende, nicht gewebte Stoffe aus Lyocell bereit zu stellen.Another purpose is to provide self-binding non-woven fabrics made of lyocell.
Diese Zwecke und noch viele andere werden ohne weiteres denjenigen, die sich in dieser Technik auskennen, offensichtlich werden, wenn sie die folgende, ausführliche Beschreibung in Zusammenhang mit dem Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, gelesen haben.These purposes and many others will become readily apparent to those familiar with this technique after reading the following detailed description in conjunction with reference to the accompanying drawings.
Fig. 1 ist ein Block-Diagramm der Schritte, welche bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.Figure 1 is a block diagram of the steps used in carrying out the present invention.
Fig. 2 stellt die perspektivische Ansicht eines Teil-Schnitts durch eine typische Ausrüstung für zentrifugales Spinnen dar, wie sie bei der Erfindung verwendet wird.Fig. 2 is a perspective view of a partial section through a typical centrifugal spinning equipment as used in the invention.
Fig. 3 stellt die perspektivische Ansicht eines Teil-Schnitts durch eine typische Schmelzblas-Ausrüstung dar, so wie sie für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung angepasst Worden ist.Figure 3 is a perspective view of a partial section through a typical meltblowing equipment as adapted for use with the present invention.
Fig. 4 ist die Ansicht eines Längsschnitts durch einen typischen Extrusions-Kopf, so wie er mit dem darüber gezeigten Schmelzblas-Apparat verwendet werden könnte.Fig. 4 is a longitudinal cross-sectional view of a typical extrusion head as might be used with the meltblowing apparatus shown above.
FIGS. 5 und 6 sind rasterelektronenmikroskopische Bilder einer kommerziell erhältlichen Lyocellfaser in 100facher und in 10.000facher Vergrößerung.FIGS. 5 and 6 are scanning electron micrographs of a commercially available lyocell fiber at 100x and 10,000x magnification.
FIGS. 7 und 8 sind rasterelektronenmikroskopische Bilder einer Lyocellfaser, die durch zentrifugales Spinnen entstanden ist, in 200facher und in 10.000facher Vergrößerung.FIGS. 7 and 8 are scanning electron micrographs of a lyocell fiber obtained by centrifugal spinning at 200x and 10,000x magnification, respectively.
FIGS. 9 und 10 sind rasterelektronenmikroskopische Bilder bei 2000facher Vergrößerung, die Querschnitte längs einer einzelnen, zentrifugal gesponnen Faser zeigen.FIGS. 9 and 10 are scanning electron micrographs at 2000x magnification showing cross sections along a single centrifugally spun fiber.
FIGS. 11 und 12 sind rasterelektronenmikroskopische Bilder einer Lyocellfaser, die durch Schmelzblasen hergestellt worden ist, in 100facher und in 10.000facher Vergrößerung.FIGS. 11 and 12 are scanning electron micrographs of a lyocell fiber produced by melt blowing at 100x and 10,000x magnification.
Fig. 13 ist eine Zeichnung, welche die Herstellung eines selbstbindenden, nicht gewebten Lyocellstoffes durch das Schmelzblas-Verfahren zeigt.Fig. 13 is a drawing showing the production of a self-bonding nonwoven lyocell fabric by the melt blowing process.
Fig. 14 ist eine ähnliche Zeichnung, welche die Herstellung eines selbstbindenden, nicht gewebten Lyocellstoffes durch den Prozess des zentrifugalen Spinnens veranschaulicht.Fig. 14 is a similar drawing illustrating the production of a self-bonding nonwoven lyocell fabric by the process of centrifugal spinning.
Die Art des Zellulose-Rohmaterials, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist nicht kritisch. Es kann sowohl gebleichter, als auch ungebleichter Holzzellstoff sein, welcher durch verschiedene Verfahren erzeugt worden sein kann, exemplarisch dafür sind Packpapier, prähydrolysiertes Packpapier oder Sulfit. Viele andere Zellulose-Rohmaterialien, wie etwa gereinigter Baumwoll-Mull, sind genauso gut geeignet. Vor dem Auflösen in dem Amin-Oxid- Lösungsmittel, wird die Zellulose, falls sie in Schichten vorliegt, zu feinen Flusen zerrissen, um das schnelle Auflösen zufördern.The type of cellulose raw material used in the present invention is not critical. It can be either bleached or unbleached wood pulp, which can be produced by various processes, exemplified by wrapping paper, prehydrolyzed wrapping paper or sulfite. Many other cellulose raw materials, such as purified cotton gauze, are equally suitable. Before dissolving in the amine oxide solvent, the cellulose, if in layers, is torn into fine fluffs to promote rapid dissolution.
Das Auflösen der Zellulose kann auf bekannte Art und Weise erfolgen; z. B. so wie es in McCorsley, U.S. Patent No. 4,246,221 gelehrt wird. Dort liegt die Zellulose nass in einer Mischung aus Nicht-Lösungsmittel von etwa 40% NMMO und 60% Wasser vor. Das Verhältnis von Zellulose zu nassem NMMO beträgt in etwa 1 : 5,1, auf das Gewicht bezogen. Die Mischung wird in einem doppelarmigen Sigma-Klingen-Mixer für etwa 1,3 Stunden unter Vakuum bei etwa 120ºC gemischt, bis genügend Wasser heraus destilliert worden ist, um noch etwa 12-14%, basierend auf NMMO, zurückzulassen, so dass eine Zellulose-Lösung gebildet wird. Die resultierende zähe Flüssigkeit enthält annähernd 30% Zellulose. Alternativ kann zu Anfang NMMO mit einem entsprechenden Wassergehalt verwendet werden, um die Notwendigkeit der Vakuumdestillation zu vermeiden. Dies ist ein praktischer Weg, zähe Spinn- Flüssigkeiten im Labor herzustellen, wo kommerziell erhältliches NMMO, in Konzentrationen von etwa 40-60%, mit dem reinen Laborreagenz NMMO, das nur etwa 3% Wasser enthält, gemischt werden kann, um eine Zellulose-Lösung mit 7-15% Wasser herzustellen. Feuchtigkeit, die normalerweise in Zellulose zugegen ist, sollte bei der Abmessung des benötigten Wassers, das in der Lösung vorliegt, mit berücksichtigt werden. Als Referenz für die Präparation von zäher Zellulose-Flüssigkeit in NMMO-Wasser-Lösungsmitteln im Labor können die Artikel von Chanzy, H. und A. Peguy, Journal of Polymer Science, Polymer Physics Ed. 18: 1137-1144 (1980) und von Navard, P. und J. M. Haudin British Polymer Journal, S. 174, Dez. 1980 herangezogen werden.Dissolution of the cellulose can be accomplished in a known manner; e.g., as taught in McCorsley, U.S. Patent No. 4,246,221, where the cellulose is wet in a nonsolvent mixture of about 40% NMMO and 60% water. The ratio of cellulose to wet NMMO is about 1:5.1 by weight. The mixture is mixed in a double-armed sigma blade mixer for about 1.3 hours under vacuum at about 120°C until enough water has been distilled out to leave about 12-14%, based on NMMO, to form a cellulose solution. The resulting viscous liquid contains approximately 30% cellulose. Alternatively, NMMO with an appropriate water content can be used initially to avoid the need for vacuum distillation. This is a practical way to prepare viscous spinning fluids in the laboratory, where commercially available NMMO, in concentrations of about 40-60%, is mixed with the pure laboratory reagent NMMO, which contains only about 3% water. can be mixed to produce a cellulose solution containing 7-15% water. Moisture, which is normally present in cellulose, should be taken into account when measuring the amount of water required to be present in the solution. As a reference for the preparation of viscous cellulose liquid in NMMO-water solvents in the laboratory, the articles by Chanzy, H. and A. Peguy, Journal of Polymer Science, Polymer Physics Ed. 18: 1137-1144 (1980) and by Navard, P. and JM Haudin British Polymer Journal, p. 174, Dec. 1980 can be used.
Der Bezug auf Fig. 1 zeigt ein Block-Diagramm des vorliegenden Verfahrens. Wie bereits angemerkt worden ist, ist die Präparation von zäher Zellulose-Flüssigkeit in wässrigem NMMO allgemein üblich. Was nicht üblich ist, ist die Art und Weise, wie diese zähe Flüssigkeit gesponnen wird. Die Zellulose-Lösung wird durch Extrusions-Öffnungen in einen turbulenten Luftstrom getrieben, statt direkt in das Regenerationsbad, wie es bei Viskose und Cuprammonium-Rayon der Fall ist. Die latenten Fasern werden lediglich später regeneriert. Jedoch unterscheidet das vorliegende Verfahren sich auch von dem konventionellen Verfahren für die Erzeugung von Lyocellfasern, weil die zähe Flüssigkeit nicht kontinuierlich, als ungebrochene Fäden durch ein Luftloch und in ein regenerierendes Bad hinein, linear nach unten gezogen wird.Reference to Fig. 1 shows a block diagram of the present process. As already noted, the preparation of viscous cellulosic liquid in aqueous NMMO is common practice. What is not common is the manner in which this viscous liquid is spun. The cellulose solution is forced through extrusion orifices into a turbulent air stream, rather than directly into the regeneration bath, as is the case with viscose and cuprammonium rayon. The latent fibers are merely regenerated later. However, the present process also differs from the conventional process for producing lyocell fibers because the viscous liquid is not continuously drawn linearly downward as unbroken threads through an air hole and into a regenerating bath.
Fig. 2 illustriert ein Verfahren des zentrifugalen Spinnens. Die erhitzte zähe Zellulose-Flüssigkeit 1 wird in einen erhitzten, im Allgemeinen hohlen Zylinder oder eine Trommel 2, mit einem geschlossenen Boden und einer Vielzahl kleiner Öffnungen 4 in den Seitenwänden 6, geleitet. Wenn der Zylinder sich dreht, wird die zähe Flüssigkeit als dünne Stränge 8 horizontal durch die Öffnungen herausgedrückt. Wenn diese Stränge auf den Widerstand der umgebenden Luft treffen, werden sie um einen großen Faktor gezogen oder gestreckt. Der Betrag, um den sie gestreckt werden, hängt von leicht zu kontrollierenden Faktoren ab, wie etwa der Rotationsgeschwindigkeit des Zylinders, Größe der Löcher sowie Viskosität der zähen Flüssigkeit. Die Stränge aus zäher Flüssigkeit fallen entweder durch die Schwerkraft nach unten, oder sie werden durch einen Luftstrom sanft nach unten gezwungen in ein Nicht-Lösungsmittel 10, das sich in einem Becken 12 befindet, wo sie zu individuell orientierten Fasern, mit Längen von ca. 1 bis 25 cm koaguliert werden. Alternativ können die Stränge aus zäher Flüssigkeit 8 auch entweder partiell oder vollständig durch ein Wasserspray, aus einem Ring von Sprüh-Düsen 16, die aus einer Quelle regenerierender Lösung 18 gespeist werden, regeneriert werden. Wie später noch beschrieben werden wird, können sie auch sowohl vor als auch während der Regeneration zu einem nicht gewebten Stoff geformt werden. Als bevorzugtes Nicht-Lösungsmittel wird Wasser eingesetzt, jedoch sind auch Ethanol oder Wasser-Ethanol-Gemische brauchbar. Von diesem Punkt an, werden die Fasern gesammelt und können zur Entfernung jedweden übriggebliebenen NMMOs gewaschen werden, gebleicht werden, falls das nötig sein sollte, und getrocknet werden. Beispiel 2, das nun folgen wird, enthält spezifische Details der Herstellung von Fasern, die im Labor zentrifugal gesponnen werden.Fig. 2 illustrates a process of centrifugal spinning. The heated viscous cellulosic liquid 1 is passed into a heated, generally hollow cylinder or drum 2 having a closed bottom and a plurality of small openings 4 in the side walls 6. As the cylinder rotates, the viscous liquid is forced out horizontally through the openings as thin strands 8. When these strands encounter the resistance of the surrounding air, they are pulled or stretched by a large factor. The amount by which they are stretched depends on easily controlled factors such as the speed of rotation of the cylinder, size of the holes, and viscosity of the viscous liquid. The strands of viscous liquid either fall downward by gravity or are gently forced downward by a stream of air into a non-solvent 10 located in a basin 12 where they are coagulated into individually oriented fibers having lengths of about 1 to 25 cm. Alternatively, the strands of viscous liquid 8 may be regenerated either partially or completely by a water spray from a ring of spray nozzles 16 fed from a source of regenerating solution 18. As will be described later, they may also be formed into a nonwoven fabric both before and during regeneration. Water is used as the preferred non-solvent, but ethanol or water-ethanol mixtures are also useful. From this point, the fibers are collected and can be washed to remove any remaining NMMO, bleached if necessary, and dried. Example 2, which follows, provides specific details of the production of fibers that are centrifugally spun in the laboratory.
FIGS. 3 und 4 zeigen Details eines typischen Schmelzblas-Verfahrens. Wie aus Fig. 3 ersehen werden kann, wird ein Vorrat zäher Flüssigkeit, nicht gezeigt, in einen Extruder 32 geleitet, welcher die Zellulose-Lösung zu einem Lochkopf 34, der eine Vielzahl Löcher 36 hat, treibt. Luft oder ein anderes Gas wird durch Leitungen 38 eingeleitet und umgibt, sowie transportiert herausgepresste Lösungsstränge 40. Ein Bad oder Tank 42 enthält eine regenerierende Lösung 44, in welcher die Stränge aus der Lösung in dem Lösungsmittel zu Zellulosefasern regeneriert werden. Alternativ können die latenten Fasern mit einem Wasserspray abgebraust werden, um sie zu regenerieren, oder sie wenigstens teilweise zu regenerieren. Der Betrag des Zuges oder der Dehnung hängt von leicht zu kontrollierenden Faktoren ab, wie Lochgröße, Viskosität der zähen Flüssigkeit, Zellulose-Konzentration in der zähen Flüssigkeit, sowie Luftgeschwindigkeit und Konfiguration der Düsen.FIGS. 3 and 4 show details of a typical meltblowing process. As can be seen from Fig. 3, a supply of viscous liquid, not shown, is fed into an extruder 32 which drives the cellulose solution to a die head 34 having a plurality of holes 36. Air or other gas is introduced through conduits 38 and surrounds and transports extruded solution strands 40. A bath or tank 42 contains a regenerating solution 44 in which the strands are regenerated from the solution in the solvent into cellulose fibers. Alternatively, the latent fibers can be sprayed with a water spray to regenerate them, or at least partially regenerate them. The amount of tension or stretch depends on easily controlled factors such as hole size, viscosity of the viscous fluid, cellulose concentration in the viscous fluid, and air velocity and configuration of the nozzles.
Fig. 4 zeigt ein typisches Extrusions-Loch. Die Lochplatte 20 ist mit einer Vielzahl von Löchern 36 durchbohrt. Sie ist am Korpus des Extrusions-Kopfes 22 durch eine Reihe von Kopfschrauben 18 befestigt. Ein internes Bauteil 24 bildet die Extrusions-Durchlässe 26 für die Zellulose-Lösung. Es ist von Luft-Passagen 28 eingefasst, welche die herausgepressten Lösungs- Filamente 40 umgeben, und die einerseits dafür sorgen, dass sie gezogen werden, und andererseits auch ihren Transport zum Regenerationsmedium unterstützen. Das folgende Beispiel 3 zeigt spezielle Details der Faser-Präparation durch Schmelzblasen im Labormaßstab.Fig. 4 shows a typical extrusion hole. The hole plate 20 is drilled with a plurality of holes 36. It is attached to the body of the extrusion head 22 by a series of cap screws 18. An internal member 24 forms the extrusion passages 26 for the cellulose solution. It is surrounded by air passages 28 which surround the extruded solution filaments 40 and which both ensure that they are drawn and also assist in their transport to the regeneration medium. The following Example 3 shows specific details of fiber preparation by melt blowing on a laboratory scale.
Die rasterelektronenmikroskopischen Bilder, die in den FIGS. 5-6 dargestellt sind, zeigen Lyocellfasern, die durch das konventionelle Verfahren des kontinuierlichen Ziehens hergestellt worden sind. Es ist anzumerken, dass diese einen ziemlich einheitlichen Durchmesser haben und im Wesentlichen gerade sind. Die Oberfläche, in Fig. 6 bei 10.000facher Vergrößerung betrachtet, ist bemerkenswert glatt.The scanning electron micrographs shown in FIGS. 5-6 show lyocell fibers produced by the conventional continuous drawing process. It is noted that these are fairly uniform in diameter and essentially straight. The surface, viewed at 10,000x magnification in FIG. 6, is remarkably smooth.
FIGS. 7-10 zeigen Fasern, die durch ein Verfahren des zentrifugalen Spinnens der vorliegenden Erfindung hergestellt worden sind. Die in Fig. 7 dargestellten Fasern weisen eine Bandbreite von Durchmessern auf und neigen dazu, in einer gewissen Weise lockig u sein, was ihnen eine natürliche Kräuselung verleiht. Diese natürliche Kräuselung ist der regelmäßigen, gewellten Form, die in der Stopf-Kiste entsteht, sehr unähnlich. Sowohl Amplitude als auch Periode sind unregelmäßig und betragen in Höhe und Länge mehrere Faserdurchmesser. Die meisten der Fasern sind in gewissr Weise abgeflacht, und einige weisen eine beträchtliche Menge Windungen auf. Faserdurchmesser variieren zwischen Extremen wie 1,5 um und 20 um (< 0,1-3,1 Denier), wobei die meisten der Fasern einen Durchmesser haben, der eng bei einem durchschnittlichen Wert von 12 um liegt (ca. 1 Denier).FIGS. 7-10 show fibers produced by a centrifugal spinning process of the present invention. The fibers shown in FIG. 7 have a range of diameters and tend to be somewhat curly, giving them a natural curl. This natural curl is very unlike the regular, wavy shape produced in the stuffing box. Both amplitude and period are irregular, and are several fiber diameters in height and length. Most of the fibers are flattened in some manner, and some have a considerable amount of twist. Fiber diameters vary between extremes such as 1.5 µm and 20 µm (<0.1-3.1 Denier), with most of the fibers having a diameter that is close to an average value of 12 μm (about 1 denier).
Fig. 8 zeigt die Fasern aus Fig. 7 bei 10.000facher Vergrößerung. Die Oberfläche ist in ihrem Erscheinungsbild einheitlich gekrispelt, was den kommerziell erhältlichen Fasern sehr unähnlich ist. Das resultiert in geringerem Glanz und verbesserten Spinn-Eigenschaften.Fig. 8 shows the fibers from Fig. 7 at 10,000x magnification. The surface is uniformly crinkled in appearance, which is very dissimilar to commercially available fibers. This results in lower gloss and improved spinning properties.
FIGS. 9 und 10 sind rasterelektronenmikroskopische Bilder von Faser-Querschnitten, die in einem Abstand von ca. 5 mm an einer einzelnen, zentrifugal gesponnen Faser vorgenommen worden sind. Die Variationen im Querschnitt und im Durchmesser entlang der Faser werden auf drastische Weise deutlich. Diese Variation ist sowohl für zentrifugal gesponnene als auch für schmelzgeblasene Fasern charakteristisch.FIGS. 9 and 10 are scanning electron micrographs of fiber cross sections taken at a distance of approximately 5 mm from a single centrifugally spun fiber. The variations in cross section and diameter along the fiber are dramatically evident. This variation is characteristic of both centrifugally spun and meltblown fibers.
FIGS. 11 und 12 sind rasterelektronenmikroskopische Bilder von schmelzgeblasenen Fasern bei niedriger und hoher Auflösung. Obwohl der Faserdurchmesser noch variiert, ist es geringer ausgeprägt als bei den zentrifugal gesponnen Fasern. Aber dafür ist die Kräuselung dieser Proben signifikant stärker. Das mikroskopische Bild bei 10.000facher Vergrößerung in Fig. 12 zeigt eine gekrispelte Oberfläche, die ein bemerkenswerte Ähnlichkeit zu der zentrifugal gesponnenen Faser aufweist.FIGS. 11 and 12 are scanning electron micrographs of meltblown fibers at low and high resolution. Although the fiber diameter still varies, it is less pronounced than in the centrifugally spun fibers. However, the crimping of these samples is significantly stronger. The micrograph at 10,000x magnification in Fig. 12 shows a crimped surface that bears a remarkable resemblance to the centrifugally spun fiber.
Die gesamte Morphologie von Fasern aus beiden Verfahren ist sehr vorteilhaft für die Erzeugung feiner, dichter Garne, da viele der Eigenschaften denen natürlicher Fasern gleichen. Das wird als einzigartig für die Lyocellfasern der vorliegenden Erfindung angesehen.The overall morphology of fibers from both processes is very advantageous for producing fine, dense yarns, as many of the properties resemble those of natural fibers. This is considered unique to the lyocell fibers of the present invention.
Fig. 13 zeigt ein Verfahren für die Herstellung eines selbstbindenden, nicht gewebten Materials aus Lyocell, unter Verwendung eines abgewandelten Schmelzblas-Verfahrens. Eine zähe Zellulose-Flüssigkeit 50 wird in einen Extruder 52 eingespeist, und von da in den Extrusions-Kopf 54. Eine Luft-Zufuhrleitung 56 wirkt an den Extrusions-Löchern, um die Stränge 58 aus zäher Flüssigkeit zu ziehen, sobald sie den Extrusions-Kopf verlassen. Die Parameter für den Prozess werden vorzugsweise so gewählt, dass die entstehenden Fasern kontinuierlich sind, statt zufällige, kürzere Längen zu haben. Die Fasern fallen auf ein endloses, mit kleinen Öffnungen versehenes Fließband 60, das von Rollen 62, 64 gestützt und angetrieben wird. Hier erzeugen sie einen latenten, nicht gewebten Stoff-Filz 66. Eine obere Rolle, nicht gezeigt, kann verwendet werden, um die Fasern in engen Kontakt zueinander zu pressen und das Verbinden an den Kreuzungspunkten zu gewährleisten. Wenn der Filz 66 seinen Weg fortsetzt, wobei er immer noch von dem Fließband 60 getragen wird, wird ein Spray mit Regenerations- Lösung 68 von Sprühern 70 nach unten gerichtet. Das regenerierte Produkt 72 wird dann vom Ende des Fließbandes herunter genommen, wo es weiter bearbeitet werden kann, z. B. durch weiteres Waschen, Bleichen und Trocknen.Fig. 13 shows a process for making a self-bonding nonwoven material from lyocell using a modified melt blowing process. A viscous cellulosic liquid 50 is fed into an extruder 52 and from there into the extrusion head 54. An air supply line 56 acts on the extrusion holes to pull the strands 58 of viscous liquid as they exit the extrusion head. The parameters for the process are preferably chosen so that the resulting fibers are continuous rather than having random, shorter lengths. The fibers fall onto an endless, orificed conveyor belt 60 supported and driven by rollers 62, 64. Here they produce a latent non-woven fabric felt 66. An upper roller, not shown, can be used to press the fibers into close contact with each other and ensure bonding at the intersection points. As the felt 66 continues its journey, still supported by the conveyor belt 60, a spray of regenerating solution 68 is directed downwards from sprayers 70. The regenerated product 72 is then taken off the end of the conveyor belt where it can be further processed, e.g. by further washing, bleaching and drying.
Fig. 14 ist ein alternatives Verfahren für die Erzeugung eines selbstbindenden, nicht gewebten Gewebes, unter Verwendung des zentrifugalen Spinnens Eine zähe Zellulose- Flüssigkeit 80 wird in eine sich schnell drehende Trommel 82, die über eine Vielzahl von Löchern 84 in den Seitenwänden verfügt, eingespeist. Latente Fasern 86 werden durch die Löcher 84 heraus getrieben und durch den Luftstrom sowie die Trägheit, die durch die rotierende Trommel vorgegeben ist, gezogen oder verlängert. Sie treffen auf die inneren Seitenwände einer Auffang-Oberfläche 88, die sich konzentrisch um die Trommel herum angebracht ist. Der Auffänger kann wahlweise einen frustrokonischen unteren Bereich 90 haben. Ein Vorhang oder ein Spray aus regenerierender Lösung 92 fließt von Ring 94 um die Wände des Auffängers 88 herum nach unten, um den Zellulose-Filz, der auf den Seitenwänden des Auffängers aufgetroffen ist, teilweise zu koagulieren. Ring 94 kann sich dort befinden, wo er dargestellt ist, oder zu einem weiter unten liegenden Bereich hin verschoben sein, falls mehr Zeit für das Selbstbinden der latenten Fasern zu einem nicht gewebten Gewebe benötigt wird. Das partiell gebundene, nicht gewebte Gewebe 96 wird kontinuierlich, mechanisch von dem unteren Teil 90 des Auffängers in ein koagulierendes Bad 98 in Behälter 100 gezogen. Während das Gewebe sich seinen Weg entlang bewegt, wird es von einer zylindrischen Form in eine platte, zweilagige, nicht gewebte Struktur zusammen geschoben. Das Gewebe wird unter Rollen 102, 104 innerhalb des Bades gehalten, während es sich bewegt. Eine Herausnehmer-Rolle 106 nimmt das inzwischen vollständig koagulierte, zweischichtige Gewebe 108 aus dem Bad. Jede der Rollen 100, 102 oder 104 kann angetrieben sein. Das Gewebe 108 wird dann kontinuierlich zu einem Wasch und/oder Bleich-Vorgang geleitet, nicht gezeigt, nach denen es für die Lagerung getrocknet wird. Es kann in ein einschichtiges, nicht gewebtes Material gespalten und geöffnet werden, oder als zweischichtiges gelassen werden, falls das gewünscht ist.Fig. 14 is an alternative method for producing a self-bonding nonwoven fabric using centrifugal spinning. A viscous cellulosic liquid 80 is fed into a rapidly rotating drum 82 having a plurality of holes 84 in the side walls. Latent fibers 86 are expelled through the holes 84 and drawn or elongated by the air flow and inertia provided by the rotating drum. They strike the inner side walls of a collecting surface 88 disposed concentrically around the drum. The collecting surface may optionally have a frustroconical lower portion 90. A curtain or spray of regenerating solution 92 flows down from ring 94 around the walls of catcher 88 to partially coagulate the cellulose felt that has impacted the side walls of the catcher. Ring 94 may be located where shown or moved to a lower location if more time is needed for the latent fibers to self-bond into a nonwoven web. The partially bonded nonwoven web 96 is continuously, mechanically drawn from the lower portion 90 of the catcher into a coagulating bath 98 in vessel 100. As the web moves along its path, it is collapsed from a cylindrical shape into a flat, two-ply nonwoven structure. The web is held under rollers 102, 104 within the bath as it moves. A take-out roller 106 takes the now fully coagulated, two-ply web 108 out of the bath. Any of the rollers 100, 102 or 104 may be driven. The web 108 is then continuously fed to a washing and/or bleaching process, not shown, after which it is dried for storage. It may be split and opened into a single-ply nonwoven material, or left as a two-ply if desired.
Der Zellulose-Zellstoff, der in diesem und den folgenden Beispielen verwendet wird, war ein Standard-gebleichter-südländischer-Weichholz-Packpapier-Markt-Zellstoff, Güteklasse NB 416, erhältlich von Weyerhaeuser Company, New Bern, North Carolina. Er hat einen Gehalt von alpha-Zellulose von etwa 88-89% und ein D. P. von etwa 1200. Vor der Verwendung wurde der geschichtete Holzzellstoff durch einen Auflockerer geleitet, um ihn in im Wesentlichen individuelle Fasern und kleine Faserklumpen klein zu brechen. In einen 250 ml Drei-Hals- Glaskolben wurden 5,3 g der aufgelockerten Zellulose, 66,2 g 97%-iges NMMO, 24,5 g 50%- iges NMMO und 0,05 g Propyl-Gallat abgefüllt. Der Kolben wurde dann, mit eingelegtem Rührer, in ein Ölbad bei 120ºC eingetaucht, und für ca. 0,5 Std. gerührt. Eine leicht fließende, zähe Flüssigkeit entstand, die direkt für das Spinnen geeignet war.The cellulose pulp used in this and the following examples was a standard bleached southern softwood kraft paper market pulp, grade NB 416, available from Weyerhaeuser Company, New Bern, North Carolina. It has an alpha cellulose content of about 88-89% and a DP of about 1200. Prior to use, the stratified wood pulp was passed through a flaker to break it down into essentially individual fibers and small fiber clumps. Into a 250 ml three-neck glass flask were charged 5.3 g of the flaked cellulose, 66.2 g of 97% NMMO, 24.5 g of 50% NMMO, and 0.05 g of propyl gallate. The flask was then charged with Stirrer, immersed in an oil bath at 120ºC, and stirred for about 0.5 hour. A free-flowing, viscous liquid was formed, which was directly suitable for spinning.
Die verwendete Spinn-Vorrichtung war eine modifizierte "Baumwoll-Candy" Typ, derjenigen ähnlich, die in U.S. Patent No. 5,447,423 von Fuiz et al. gezeigt worden ist. Der auf 120ºC vorgeheizte Rotor hatte einen Durchmesser von 89 cm und drehte sich mit 2800 rpm. Die Anzahl der Löcher kann von 1 bis 84 variieren, indem Löcher blockiert werden. Für den folgenden Versuch wurden acht Löcher mit 700 um Durchmesser eingesetzt. Zähe Zellulose- Flüssigkeit, die ebenfalls 120ºC hatte, wurde auf das Zentrum des Spinnrotors gegossen. Die dünnen Stränge aus zäher Flüssigkeit, die austraten, konnten durch die Schwerkraft in Wasser fallen, das Raumtemperatur hatte und sich in dem Behälter befand, der den Rotor umgibt. Dort wurden sie regeneriert. Während vereinzelte Fasern sich miteinander verbanden, blieben die meisten von ihnen einzeln und waren mehrere Zentimeter lang.The spinning device used was a modified "cotton candy" type, similar to that shown in U.S. Patent No. 5,447,423 by Fuiz et al. The rotor, preheated to 120ºC, had a diameter of 89 cm and rotated at 2800 rpm. The number of holes can be varied from 1 to 84 by blocking holes. For the following experiment, eight holes of 700 µm diameter were used. Viscous cellulose liquid, also at 120ºC, was poured onto the center of the spinning rotor. The thin strands of viscous liquid that emerged were allowed to fall by gravity into room temperature water in the container surrounding the rotor. There they were regenerated. While isolated fibers bonded together, most of them remained single and were several centimeters long.
Zusätzlich zu dem gerade beschriebenen Verfahren, wurden sehr ähnliche Mikrodenier- Fasern erfolgreich aus gebleichtem und ungebleichtem Packpapier-Zellstoff, Sulfit-Zellstoff, mikrokristalliner Zellulose sowie Mischungen aus Zellulose mit bis zu 30% Maisstärke oder Poly-(Acryl-Säure) hergestellt.In addition to the process just described, very similar microdenier fibers have been successfully produced from bleached and unbleached kraft paper pulp, sulfite pulp, microcrystalline cellulose, and blends of cellulose with up to 30% corn starch or poly(acrylic acid).
Durchmesser (oder Denier) der Fasern konnten zuverlässig durch verschiedene Mittel kontrolliert werden. Eine höhere Viskosität der zähen Flüssigkeit führte dazu, schwerere Fasern zu bilden. Die Viskosität der zähen Flüssigkeit konnte wiederum durch Mittel kontrolliert werden, die den Gehalt an Zellulose-Feststoffen oder den Grad der Polymerisation der Zellulose umfassten. Kleinere Größen der Spinn-Löcher oder eine höhere Rotationsgeschwindigkeit der Trommel, produzierten Fasern mit schmaleren Durchmessern. Fasern mit Durchmessern von 5- 20 um (0,2-3,1 Denier) konnten reproduzierbar erzeugt werden. Schwerere Fasern, in der Größenordnung von 20-50 um Durchmesser (3,1-19,5 Denier) konnten ebenfalls leicht erzeugt werden. Faserlängen variieren zwischen etwa 0,5-25 cm und hingen in erheblichem Maße von der Geometrie und den Betriebsparametern des Systems ab.Diameters (or deniers) of the fibers could be reliably controlled by various means. Higher viscosity of the viscous fluid resulted in heavier fibers being formed. Viscosity of the viscous fluid could in turn be controlled by means including the cellulose solids content or the degree of polymerization of the cellulose. Smaller sizes of the spinning holes or higher rotation speed of the drum produced fibers with narrower diameters. Fibers with diameters of 5-20 µm (0.2-3.1 denier) could be reproducibly produced. Heavier fibers, on the order of 20-50 µm diameters (3.1-19.5 denier), could also be easily produced. Fiber lengths varied between about 0.5-25 cm and depended to a considerable extent on the geometry and operating parameters of the system.
Die zähe Flüssigkeit, die so wie in Beispiel 1 hergestellt worden ist, wurde bei 120ºC gehalten und in einen Apparat eingespeist, der ursprünglich für die Erzeugung schmelzgeblasener, synthetischer Polymere entwickelt wurde. Die Gesamtlänge der Löcher betrug etwa 50 mm mit einem Durchmesser von 635 um, welcher sich am Ausstoß-Ende auf 400 um verjüngte. Nach einer Transport-Distanz in der Luft von etwa 20 cm in einem turbulenten Luftschwall tropften die Fasern in ein Wasserbad, wo sie regenerierten. Die Länge der regenerierten Fasern variierte. Es wurden einige kurze Fasern gebildet, aber die meisten waren mehrere Zentimeter bis zehn Zentimeter lang. Veränderungen der Extrusions-Parameter machten es möglich, kontinuierliche Fasern zu erzeugen. Überraschender Weise war der Querschnitt von vielen dieser Fasern nicht einheitlich entlang der Faserlänge. Von dieser Eigenschaft wird erwartet, dass sie besonders vorteilhaft beim Spinnen dichter Garne ist, bei Verwendung des Mikrodenier-Materials der Erfindung, da die Fasern in ihrer gesamten Morphologie ehr natürlichen Fasern gleichen.The viscous liquid prepared as in Example 1 was kept at 120ºC and fed into an apparatus originally designed for the production of melt-blown synthetic polymers. The total length of the holes was about 50 mm with a diameter of 635 µm, tapering to 400 µm at the discharge end. After a transport distance in air of about 20 cm in a turbulent air jet, the fibers dropped into a water bath where they regenerated. The length of the regenerated fibers varied. Some short fibers were formed, but most were several centimeters to ten centimeters long. Variations in the extrusion parameters made it possible to produce continuous fibers. Surprisingly, the cross-section of many of these fibers was not uniform along the fiber length. This property is expected to be particularly advantageous in spinning dense yarns using the microdenier material of the invention, since the fibers are more similar in overall morphology to natural fibers.
In Abwandlung des oben geschilderten Verfahrens, wurde den Fasern ermöglicht, auf ein sich bewegendes Fließband aus rostfreien Stahlmaschen zu treffen, bevor sie in ein regenerierendes Bad gelenkt wurden. Es entstand ein gut gebundener, nicht gewebter Filz.In a variation of the process described above, the fibers were allowed to hit a moving conveyor belt of stainless steel mesh before being directed into a regenerating bath. A well-bonded, non-woven felt was produced.
Es sollte klar sein, dass die nicht gewebten Stoffe aus Lyocell nicht selbstbindend sein müssen. Sie können nur teilweise selbstbindend sein oder überhaupt nicht selbstbindend. In diesen Fällen können sie durch jedes bekannte Verfahren gebunden werden, was Hydrovernetzung, die Verwendung von adhäsiven Bindern, wie etwa Stärke oder verschieden Polymer-Emulsionen, oder Kombinationen dieser Verfahren umfasst, jedoch nicht nur auf diese beschränkt ist.It should be clear that the nonwoven fabrics made of lyocell do not have to be self-bonding. They may be only partially self-bonding or not self-bonding at all. In these cases they may be bonded by any known method, including but not limited to hydro-crosslinking, the use of adhesive binders such as starch or various polymer emulsions, or combinations of these methods.
Das Verfahren aus Beispiel 1 wurde unter Verwendung mikrokristalliner Fasern anstelle von Holzzellstoff wiederholt, um den Feststoff-Gehalt der zähen Flüssigkeit zu steigern. Das verwendete Produkt war Avicel® Typ PH-101 mikrokristalline Zellulose, erhältlich von FMC Corp., Newark, Delaware. Zähe Flüssigkeiten wurden unter Verwendung von 15 g und 28,5 g mikrokristalliner Zellulose (Trockengewicht) mit 66,2 g 97%-igem NMMO, 24,5 g 50%-igem NMMO und 0,05 g Propyl-Gallat hergestellt. Der Vorgang war im Übrigen so, wie in Beispiel 1 beschrieben. Die entstandenen, zähen Flüssigkeiten enthielten jeweils etwa 14% und 24% Zellulose. Diese wurden schmelzgeblasen, wie in Beispiel 3 beschrieben. Die entstandenen Fasern waren morphologisch im Wesentlichen identisch mit denjenigen aus den Beispielen 2 und 3.The procedure of Example 1 was repeated using microcrystalline fibers instead of wood pulp to increase the solids content of the viscous fluid. The product used was Avicel® Type PH-101 microcrystalline cellulose available from FMC Corp., Newark, Delaware. Viscous fluids were prepared using 15 g and 28.5 g of microcrystalline cellulose (dry weight) with 66.2 g of 97% NMMO, 24.5 g of 50% NMMO and 0.05 g of propyl gallate. The procedure was otherwise as described in Example 1. The resulting viscous fluids contained about 14% and 24% cellulose, respectively. These were melt blown as described in Example 3. The resulting fibers were morphologically essentially identical to those from Examples 2 and 3.
Es sollte klar sein, dass das Faser-Denier von vielen kontrollierbaren Faktoren abhängig ist. Unter diesen befinden sich der Festkörper-Gehalt der Lösung, der Druck der Lösung und die Temperatur am Extrusions-Kopf, der Loch-Durchmesser, der Luftdruck und andere Variablen, welche denjenigen, die sich in der Schmelzblas-Technologie und der Technologie des zentrifugalen Spinnens auskennen, gut bekannt sind. Lyocellfasern, mit einem durchschnittlichen Denier von 0,5 oder sogar weniger, können sowohl mit dem Schmelzblas-Verfahren als auch mit dem Verfahren des zentrifugalen Spinnens einheitlich hergestellt werden. Eine Faser mit 0,5 Denier entspricht einem durchschnittlichen Durchmesser (geschätzt auf der Basis einer äquivalenten runden Querschnittsfläche) von etwa 7-8 um.It should be understood that fiber denier is dependent on many controllable factors. Among these are solution solids content, solution pressure and temperature at the extrusion head, hole diameter, air pressure, and other variables well known to those familiar with meltblowing and centrifugal spinning technology. Lyocell fibers, with an average denier of 0.5 or even less, can be produced consistently by both the meltblowing and centrifugal spinning processes. A 0.5 denier fiber corresponds to an average diameter (estimated on the basis of an equivalent round cross-sectional area) of about 7-8 µm.
Die Fasern der vorliegenden Erfindung wurden mit Röntgenstrahl-Analyse untersucht, um den Grad der Kristallinität und den Kristallit-Typ zu bestimmen. Es wurden auch Vergleiche mit einigen anderen Zellulosefasern angestellt, wie in der nachfolgenden Tabelle gezeigt ist. Daten für die Mikrodenier-Fasern wurden von dem zentrifugal gesponnen Material aus Beispiel 2 übernommen. Tabelle 1 Kristalline Eigenschaften verschiedener Zellulosefasern The fibers of the present invention were examined by X-ray analysis to determine the degree of crystallinity and the crystallite type. Comparisons were also made with some other cellulosic fibers as shown in the table below. Data for the microdenier fibers were taken from the centrifugally spun material of Example 2. Table 1 Crystalline Properties of Various Cellulosic Fibers
Mit der Messung der Zugfestigkeit der einzelnen Fasern waren einige Schwierigkeiten verbunden, weswegen die Zahlen, die in der folgenden Tabelle für die Zugfestigkeit angegeben sind, nur geschätzt sind. Wiederum werden die Mikrodenier-Fasern der vorliegenden Erfindung mit einer Anzahl anderer Fasern verglichen. Tabelle 2 Messung der physikalischen Faser-Eigenschaften There were some difficulties in measuring the tensile strength of individual fibers and therefore the tensile strength figures given in the following table are only estimates. Again, the microdenier fibers of the present invention are compared to a number of other fibers. Table 2 Measurement of physical fiber properties
Das zentrifugal gesponnene Lyocell, mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 5 um, entspricht Fasern von etwa 0,25 Denier.The centrifugally spun Lyocell, with an average diameter of about 5 um, corresponds to fibers of about 0.25 denier.
Die gekrispelte Oberfläche der Fasern aus der vorliegenden Erfindung resultiert in einem erwünschten geringeren Glanz, ohne dass es irgendwelcher interner mattierender Agenzien bedarf. Da Glanz oder Schimmer eine schwierig zu messende Eigenschaft darstellen, soll der folgende Test exemplarisch für den Unterschied zwischen einer Faser-Probe, die mit dem Verfahren aus Beispiel 2 hergestellt wurde, und einer kommerziellen Lyozellfaser sein. Aus den jeweiligen Fasern wurden kleine, nasse, geformte Handtücher gemacht, und ihre Lichtreflektion wurde bestimmt. Die Reflektion des Materials aus Beispiel 2 betrug 5,4%, wohingegen diejenige der kommerziellen Faser 16,9% betrug.The crunchy surface of the fibers of the present invention results in a desirable lower gloss without the need for any internal matting agents. Since gloss or sheen is a difficult property to measure, the following test is intended to be exemplary of the difference between a fiber sample made by the method of Example 2 and a commercial lyocell fiber. Small, wet, molded towels were made from the respective fibers and their light reflectance was determined. The reflectance of the Example 2 material was 5.4%, whereas that of the commercial fiber was 16.9%.
Die Erfinder haben hier die gegenwärtig beste Art beschrieben, ihre Erfindung auszuführen. Es wird Anderen, die erfahren auf diesem Gebiet sind, klar sein, dass viele Variationen, die nicht als Beispiele aufgeführt wurden, in den breiten Umfang der Erfindung mit eingeschlossen sein sollten.The inventors have herein described the best mode presently contemplated for carrying out their invention. It will be apparent to others skilled in the art that many variations not exemplified herein should be included within the broad scope of the invention.
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