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Verfahren zur Herstellung von Alkalicellulose
Die Erzeugung von Celluloseäthern
geht bekanntlich fast ausnahmslos von Alkalicellulose aus, deren Herstellung den
Gegenstand zahlreicher Patente bildet.
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Handelt es sich dabei um die Erzeugung von in organischen Lösungsmitteln
löslichen und in Wasser unlöslichen, also stark verätherten Celluloseäthern, so
muß von einer alkalireichen Alkalicellulose ausgegangen werden.
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Sollen dagegen in Wasser lösliche und in organischen Lösungsmitteln
unlösliche, also schwad verätherte Celluloseäther erzeugt werden, so ist eine alkaliärmere
Alkalicellulose zu verwenden.
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In beiden Fällen ist es vorteilhaft, von wasserarmen Alkalicellulosen
auszugehen, weil durch Herabmindern der während der Verätherung anwesenden Wassermengen
die unerwünschten, neben der eigentlichen Verätherung verlaufenden Reaktionen zurückgedrängt
werden.
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Zur Erzielung wasserarmer, alkalireicher Alkalicellulosen zwecks
Herstellung weitgehend verätherter Celluloseäther müssen der Cellulose sehr große
Mengen Alkali in Gegenwart von wenig Wasser gleichmäßig einverleibt werden. Bei
direkter mechanischer Vermengung von Cellulose, Wasser und mehr Alkali, als sich
in der anwesenden Wasser-
menge lösen kann, entsteht eine Alkalicellulose,
deren Gleichmäßigkeit zu wünschen übrigläßt. Es ist deshalb bereits vorgeschlagen
worden, überkonzentrierte Laugen bei solchen Temperaturen zu verwenden, bei denen
sie noch in flüssigem Zustande vorliegen; so hat man z. B. mit 700/obiger Natronlauge
bei 660 gearbeitet. Wegen der Neigung der überkonzentrierten Laugen, bei der geringsten
Abkühlung zu erstarren und sowohl in der Cellulose als auch an den verschiedensten
Stellen der Behandlungsapparatur feste Abscheidungen zu bilden, erfordert diese
Arbeitsweise jedoch eine komplizierte, in allen Teilen heizbare Apparatur und läßt
sich deshalb nur schwer durchführen.
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Wenn kein Uberschuß an Ätzalkali gewünscht ist und eine wasserarme
und zugleich verhältnismäßig alkaliarme Alkalicellulose gebildet werden soll, so
entstehen Schwierigkeiten, die durch die in wässerigen Alkali laugen sofort stattfindende
starke Quellung der Cellulose bedingt sind. In einem weiten Konzentrationsbereich
wird nämlich unter den üblichen Arbeitsbedingungen von der Cellulose etwa die doppelte
Menge Lauge oder noch mehr aufgenommen, und dieses Verhältnis Alkali : Wasser: Cellulose
läßt sich durch nachträgliches Pressen oder sonstige mechanische Einwirkung nicht
nach Belieben herabsetzen. Arbeitet man z. B. in bekannter Weise mit einem Überschuß
an Alkalilauge, indem man die Cellulose in einen Uberschuß an wässeriger Lauge ohne
besondere Maßnahme taucht, so ist es infolge der Quellung meistens nicht möglich,
durch Abpressen das gewünschte Verhältnis Alkali : Wasser : Cellulose zu erhalten.
Man ist vielmehr gezwungen, das erwähnte Cellulose:Alkali: Wasser-Verhältnis durch
nachträgliches Wegdampfen von Wasser anzustreben oder aber die Quellung der Cellulose
durch besondere Maßnahmen, wie z. B. durch den Zusatz von Alkohol, zurückzudrängen.
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Das Tauchen der Cellulose in verdünnter Lauge, verbunden mit nachträglichem
Konzentrieren durch Eindampfen des überschüssigen Wassers, führt jedoch zu keinen
günstigen Ergebnissen bei der Verätherung; abgesehen davon bildet die Notwendigkeit,
die Alkalicellulose einem Verdampfungsvorgang zu unterziehen, einen wesentlichen
wirtschaftlichen Nachteil. Das Arbeiten unter Zusatz von Alkohol ist natürlich noch
unwirtschaftlicher.
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Wird die Überführung der Cellulose in wasserarme, verhältnismäßig
alkali arme Alkalicellulose ohne Anwendung eines Überschusses an Alkalilauge, z.
B. durch direktes Vermischen von Cellulose mit einer unzureichenden Menge, z. B.
mit dem gleichen Gewicht, Lauge vorgenommen, so erhält man keine brauchbare Alkalicellulose,
weil die zuerst benetzten Celluloseteilchen die Lauge unter Aufquellung an sich
reißen und an die benachbarten Teilchen nicht oder nur sehr schwer abgeben, so daß
eine ungleichmäßige Alkalicellulose entsteht. Es wurde deshalb auch schon vorgeschlagen,
Cellulose mit Suspensionen oder Emulsionen von festem Alkali oder Alkalilauge in
organischen Lösungsmitteln unter starker mechanischer Einwirkung zu behandeln, um
auf diese Weise eine gleichmäßige Verteilung zu erreichen. Das sind jedoch Maßnahmen,
welche naturgemäß eine erhebliche Verteuerung bedingen.
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Es wurde nun gefunden, daß es in überraschend einfacher und billiger
Weise gelingt, eine wasserarme Alkalicellulose zu erhalten, die sich für die Herstellung
von Celluloseäthern sehr gut eignet, wenn man Cellulose mit wässeriger Alkallilauge
unter solchen Bdingungen behandelt, daß das Netzen schneller verläuft als die eintretende
Quellung und die durchtränkte Cellulose von überschüssiger Lauge getrennt wird,
sobald eineDurchnetzung eingetreten ist und bevor eine vollständige Quellung stattgefunden
hat. Solche Bedingungen sind gegeben, wenn man Cellulose in Alkalilauge, deren Konzentration
etwa 20 bis etwa 500/0 beträgt und die bei Zimmertemperatur noch flüssig ist, bei
60 bis 90° während 1/2 bis 20 Sekunden taucht und das überschüssige Alkali anschließend
an das Tauchen sofort abpreßt. Weil die Quellung durch das Arbeiten bei erhöhter
Temperatur herabgesetzt, das Netzen dagegen beschleunigt wird, ist es möglich, durch
die Wahl passender Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Dauer des Eintauchens und
Alkaligehalt der Lauge gleichmäßige Alkalicellulosen von einem sehr günstigen Cellulose
: Wasser : Alkali-Verhältnis herzustellen. Ganz besonders ist die neue Arbeitsweise
angebracht, wenn es sich darum handelt, eine geeignete Alkalicellulose zur Herstellung
von alkali- oder wasserlöslichen, aber in organischen Lösungsmitteln unlöslichen,
also verhältnismäßig niedrig verätherten Celluloseäthern zu erzeugen, weil deren
Wirtschaftliche Herstellung am günstigsten in Gegenwart geringer Mengen konzentrierter,
z. B. 30 bis 500/obiger, Lauge vorgenommen wird.
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Die einzelnen Maßnahmen des Verfahrens, nämlich die Verwendung von
20 bis 500/obigen Alkalilaugen, die Anwendung kurzer Tauchzeiten, das Alkalisieren
bei erhöhter Temperatur und das Abpressen nach dem Alkalisieren sind an sich bekannt.
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Es ist auch bekannt, durch kurzes Tauchen in wasserarme, überkonzentrierte
Alkalilaugen, die bei Zimmertemperatur fest sind, wasserarme Alkalicellulosen mit
hohem Alkaligehalt zu erzeugen. Die erfindungsgemäße Kombination dieser einzelnen
Maßnahmen, die darin besteht, daß die Cellulose in einer 20 bis 5o0/oigen Alkalilauge
bei 60 bis 900 während 1/2 bis 20 Sekunden getaucht und sodann von der überschüssigen
Lauge abgetrennt wird, sobald vollständige Durchnetzung eingetreten ist, ist indessen
neu und führt zu wasserarmen Alkalicellulosen von niedrigerem Alkaligehalt. Daß
es möglich sein werde, eine gleichmäßige wasserarme Alkalicellulose herzustellen
unter Verwendung von bei Zimmertemperatur noch flüssigen, also verhältnismäßig wasserreichen
Alkalilaugen, die bekanntlich eine stark quellende Wirkung auf die Cellulose ausüben,
war in keiner Weise vorauszusehen.
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Als zu behandelndes Material kommt Cellulose, wie z. B. Zellstoff,
in jeder Form, besonders in Blattform, in Betracht; vorteilhafterweise werden Zellstoffbahnen
verwendet.
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Die Alkalilauge kommt je nach der erstrebten Verätherungsstufe in
einer Konzentration von etwa 20 bis etwa 50 O/o zur Anwendung. Es eignen sich sowohl
Natronlauge als auch Kalilauge, wobei im Hinblick auf ihre Wirtschaftlichkeit die
Natronlauge vorteilhafter ist; sie gelangt vorzugsweise als 30 bis 500/obige Lauge
zur Anwendung.
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Die Temperatur der Lauge kann zwischen 60 und go0 variieren; am geeignetsten
hat sich eine Temperatur von 60 bis So° bei einem nur wenige Sekunden dauernden
Laugendurchgang erwiesen.
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Die Behandlungsdauer ist stark abhängig von der Temperatur und Konzentration
der Lauge sowie von der Beschaffenheit und dem Feuchtigkeitsgehalt der Cellulose;
siekann zwischen 1/2 und 20 Sekunden schwanken.
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Das Verfahren wird vorteilhafterweise in einem kontinuierlichen Arbeitsgang
durchgeführt, indem der Zellstoff, z. B. als Zellstoffbahn in Rollenform, in einer
foulardartigen Maschine eine kurze Strecke durch die Lauge geführt und anschließend
abgepreßt wird.
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Beispiel I Ein auf Rollen angelieferter gebleichter Sulfitzellstoff
wird auf einem Foulard mit 400/obiger Natronlauge bei 60 bis 700 behandelt und auf
etwa das Doppelte des ursprünglichen Gewichtes abgepreßt.
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Dauer der Laugenpassage 3 Sekunden. Die abgepreßte Alkalicellulose
wird durch eine an den Foulard angeschlossene Zerreißvorrichtung in Stücke gerissen
und z. B. zur Herstellung einer wasserlöslichen Methylcellulose oder Celluloseglykolsäure
verwendet. Die Verätherung kann unter sehr guter Ausnutzung der verwendeten Menge
Verätherungsmittel vorgenommen werden.
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Beispiel 2 500 Teile Sulfitzellstoff auf Rollen werden bei 800 Idurch
ein Bad, enthaltend 5o0/oige Natronlauge, hindurchgeführt und anschließend auf I200
Gewichtsteile abgepreßt. Dauer der Laugenpassage 5 bis 6 Sekunden.
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Die so hergestellte Alkalicellulose wird nun in einem geschlossenen
Zerfaserer mit 700 Gewichtsteilen festem Atznatron bei go0 gemischt, bis ein vollständig
homogenes Produkt entstanden ist. Hierauf wird unter weiterem Zerfasern gekühlt,
bis Zimmertemperatur erreicht ist. Die Alkalicellulose liegt nun in Form eines groben
Grießes vor und eignet sich z. B. besonders gut für die Herstellung von in organischen
Lösungsmitteln löslicher Äthylcellulose.