EP0848767A1 - Fibres cellulosiques a allongement rupture ameliore et procedes pour les obtenir - Google Patents

Fibres cellulosiques a allongement rupture ameliore et procedes pour les obtenir

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EP0848767A1
EP0848767A1 EP96927680A EP96927680A EP0848767A1 EP 0848767 A1 EP0848767 A1 EP 0848767A1 EP 96927680 A EP96927680 A EP 96927680A EP 96927680 A EP96927680 A EP 96927680A EP 0848767 A1 EP0848767 A1 EP 0848767A1
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EP
European Patent Office
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fiber
cellulose
fibers
formate
tex
Prior art date
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Application number
EP96927680A
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German (de)
English (en)
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EP0848767B1 (fr
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Jean-Paul Meraldi
Jean-Claude Aubry
Vlastimil Cizek
Jo[L Ribiere
André Schneider
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Michelin Recherche et Technique SA Switzerland
Michelin Recherche et Technique SA France
Original Assignee
Michelin Recherche et Technique SA Switzerland
Michelin Recherche et Technique SA France
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Publication date
Application filed by Michelin Recherche et Technique SA Switzerland, Michelin Recherche et Technique SA France filed Critical Michelin Recherche et Technique SA Switzerland
Publication of EP0848767A1 publication Critical patent/EP0848767A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0848767B1 publication Critical patent/EP0848767B1/fr
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F2/00—Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F2/00—Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof
    • D01F2/24—Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof from cellulose derivatives
    • D01F2/28—Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof from cellulose derivatives from organic cellulose esters or ethers, e.g. cellulose acetate
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T428/29—Coated or structually defined flake, particle, cell, strand, strand portion, rod, filament, macroscopic fiber or mass thereof
    • Y10T428/2913—Rod, strand, filament or fiber
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T428/29—Coated or structually defined flake, particle, cell, strand, strand portion, rod, filament, macroscopic fiber or mass thereof
    • Y10T428/2913—Rod, strand, filament or fiber
    • Y10T428/2933—Coated or with bond, impregnation or core
    • Y10T428/2964—Artificial fiber or filament
    • Y10T428/2965—Cellulosic

Definitions

  • the invention relates to fibers of cellulose derivatives and fibers of cellulose regenerated from these derivatives.
  • cellulose derivatives is understood here to mean the compounds formed, as a result of chemical reactions, by substitution of the hydroxyl groups of the cellulose, these derivatives also being called substitution derivatives.
  • regenerated cellulose means a cellulose obtained by a regeneration treatment carried out on a cellulose derivative.
  • the invention relates more particularly to fibers of cellulose formate and to fibers of cellulose regenerated from this formate. as well as the processes for obtaining such fibers.
  • Fibers of cellulose formate and fibers of cellulose regenerated from this formate have in particular been described in international patent application WO 85/05115 (PCT / CH85 / 00065), filed by the applicant, or in equivalent patents EP -B-179 822 and US-A-4 839 113.
  • These documents describe the obtaining of spinning solutions based on cellulose formate, by reaction of the cellulose with formic acid and phosphoric acid. These solutions are optically anisotropic. that is, they have a liquid crystal state.
  • These documents also describe the cellulose formate fibers obtained by spinning these solutions, according to the so-called "dry-jet-wet spinning" technique, as well as the cellulose fibers obtained after a regeneration treatment of these formate fibers.
  • the cellulose fibers of the application WO 85/05115 are characterized by a much more ordered structure, due to the liquid-crystal nature of the spinning solutions from which they come. They thus have very high mechanical properties in extension, in particular very high values of toughness and modulus, but, on the other hand, are characterized by rather low elongation at break values, these values being on average between 3 % and 4%. and not exceeding 4.5%.
  • the primary object of the invention is to provide fibers in cellulose formate as well as regenerated cellulose fibers which, compared to the fibers of application WO 85/05115, have a significantly improved elongation at break, as well as properties high energy at break.
  • the second object of the invention is to obtain the above improvements without reducing the tenacity of the fibers, which is a major advantage of the invention.
  • Another object of the invention is to obtain regenerated cellulose fibers from cellulose formate, the fatigue resistance of which, in particular in tires, is significantly improved compared to that of regenerated cellulose fibers on demand.
  • WO 85/05115 cited above.
  • Ds being the degree of substitution of the cellulose in formate groups (in%)
  • Te being its tenacity in cN / tex
  • Mi being its initial modulus in cN / tex
  • Ar being its elongation at break in%
  • Er being its energy at break in J / g.
  • the cellulose fiber of the invention regenerated from cellulose formate, is characterized by the following relationships:
  • Dg being the degree of substitution of the cellulose for formate groups (in%)
  • T E being its toughness in cN / tex
  • M I being its initial modulus in cN / tex
  • a R being its elongation at break in%.
  • E R being its energy at break in J / g.
  • the cellulose formate fiber and the regenerated cellulose fiber above are both obtained by novel and specific methods which constitute other objects of the invention.
  • the spinning process of the invention for obtaining the cellulose formate fiber of the invention, consisting in spinning a solution of cellulose formate in a solvent based on phosphoric acid, according to the so-called “dry” spinning method -jet-wet spinning ", is characterized in that the coagulation step of the fiber and the neutral washing step of the coagulated fiber are both carried out in acetone.
  • the regeneration process of the invention for obtaining the regenerated cellulose fiber of the invention, consisting in passing a cellulose formate fiber through a regenerating medium, washing it and then drying it, is characterized in that the regenerating medium is an aqueous sodium hydroxide solution (NaOH) whose sodium hydroxide concentration, denoted Cs, is greater than 16% (% by weight).
  • NaOH aqueous sodium hydroxide solution
  • the invention further relates to the following products:
  • the reinforcement assemblies each comprising at least one fiber according to the invention, for example cables, plies, fibers
  • reinforcement assemblies which can be for example hybrid, that is to say composite, comprising elements of different natures, possibly not in accordance with the invention
  • the articles reinforced with at least one fiber and / or an assembly in accordance with the invention are for example articles made of rubber or plastics, for example plies, belts, pipes, tire casings, in particular tire carcass reinforcements.
  • the degree of polymerization is noted DP.
  • the DP of the cellulose is measured in a known manner, this cellulose being in the form of a powder, or previously transformed into a powder.
  • the inherent viscosity (IV) of the cellulose in solution is first determined, according to Swiss standard SNV 195 598 of 1970, but at different concentrations which vary between 0.5 and 0.05 g / dl.
  • the inherent viscosity is defined by the equation:
  • the intrinsic viscosity [ ⁇ ] is then determined by extrapolation at zero concentration of the inherent viscosity IV.
  • the weight average molecular mass M w is given by the Mark-Houwink relation:
  • the solution is first coagulated with water in a dispersing device. After filtration and washing with acetone, a powder is obtained which is then dried in a vacuum oven at 40 ° C for at least 30 minutes. After isolating the formate, the cellulose is regenerated by treating this formate at reflux with normal sodium hydroxide. The cellulose obtained is washed with water, dried and the DP is measured as described above.
  • the degree of substitution of cellulose for cellulose formate is also called the degree of formylation.
  • the degree of substitution determined by the method described here gives the percentage of alcohol functions of the cellulose which are esterified, that is to say transformed into formate groups. This means that a degree of substitution of 100% is obtained if the three alcohol functions of the cellulose unit are all esterified. or that a degree of substitution of 30%, for example, is obtained if 0.9 out of three alcohol functions, on average, is esterified.
  • the degree of substitution is measured differently depending on whether one characterizes cellulose formate (formate in solution, or fibers in formate) or cellulose fibers regenerated from cellulose formate.
  • this formate is first isolated from the solution as indicated previously in paragraph I-1. If it is measured on formate fibers, these fibers are first cut into pieces 2 to 3 cm long.
  • cellulose formate thus prepared is weighed with precision and placed in an Erlenmeyer flask. 40 ml of water and 2 ml of normal sodium hydroxide (1 N NaOH) are added. The mixture is heated at 90 ° C. at reflux for 15 minutes under nitrogen. The cellulose is thus regenerated by retransforming the formate groups into hydroxyl groups. After cooling, the excess soda is titrated back with a solution of decinormal hydrochloric acid (0.1 N HCl), and the degree of substitution is thus deduced therefrom.
  • decinormal hydrochloric acid 0.1 N HCl
  • the degree of substitution is noted Ds when it is measured on cellulose formate fibers.
  • D S degree of substitution
  • optical isotropy or anisotropy of the solutions is determined by placing a drop of solution to be studied between crossed linear polarizers and analyzers with an optical polarization microscope, and then observing this solution at rest, i.e. by the absence of dynamic stress, at room temperature.
  • an optically anisotropic solution is a solution which depolarizes light, that is to say which exhibits, thus placed between crossed linear polarizer and analyzer, a transmission of light (colored texture).
  • An optically isotropic solution is a solution which, under the same observation conditions, does not have the above depolarization property, the field of the microscope remaining black.
  • fibers is meant here multifilament fibers (also called “spun”), constituted in a known manner of a large number of elementary filaments of small diameter (small titer). All the mechanical properties below are measured on fibers which have been subjected to prior conditioning.
  • Pre-conditioning means storing the fibers for at least 24 hours, before measurement, in a standard atmosphere according to European standard DIN EN 20139 (temperature of 20 ⁇ 2 ° C; hygrometry of 65 ⁇ 2%).
  • the fiber titer is determined on at least three samples, each corresponding to a length of 50 m, by weighing this length of fiber. The title is given in tex (weight in grams of 1000 m of fiber).
  • the mechanical properties of the fibers are measured in known manner using a tensile machine
  • the fibers after having received a slight preliminary protective twist (helix angle of approximately 6 °), undergo a traction over an initial length of 400 mm at a speed of 200 mm / min (or at a speed of 50 mm / min only when their elongation at break does not exceed 5%). All the results given are an average of 10 measurements.
  • the toughness (breaking force divided by the title) and the initial modulus are indicated in cN / tex (centinewton per tex - reminder: 1 cN / tex equal to approximately 0.11 g / den (gram per denier)).
  • the initial modulus is defined as the slope of the linear part of the Force-Elongation curve, which occurs just after the standard pretension of 0.5 cN / tex.
  • the elongation at break is indicated as a percentage.
  • the energy at break is given in J / g (joule per gram), that is to say per unit mass of fiber.
  • Cellulose formate solutions are made by mixing cellulose, formic acid, and phosphoric acid (or an acid-based liquid
  • the cellulose can be in different forms, in particular in the form of a powder, prepared for example by spraying a plate of raw cellulose.
  • its initial water content is less than 10% by weight, and its DP between 500 and 1000.
  • Formic acid is esterification acid, phosphoric acid (or liquid based on phosphoric acid) being the solvent for cellulose formate, called “solvent” or “spinning solvent” in the description below. -after.
  • solvent or solvent for cellulose formate
  • phosphoric used is orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ), but one can use other phosphoric acids, or a mixture of phosphoric acids.
  • the phosphoric acid can, depending on the case, be used solid, in the liquid state, or dissolved in formic acid.
  • the water content of these two acids is less than 5% by weight; they can be used alone or optionally contain, in small proportions, other organic and / or mineral acids, such as acetic acid, sulfuric acid or hydrochloric acid for example.
  • the cellulose concentration of the solution can vary to a large extent; concentrations C of between 10% and 30% (% by weight of cellulose - calculated on the basis of non-esterified cellulose - on the total weight of the solution) are for example possible, these concentrations being in particular a function of the degree of polymerization cellulose.
  • phosphoric can also be adjusted within a wide range.
  • cellulose formate When making cellulose formate, the use of formic acid and phosphoric acid makes it possible to obtain both a high degree of substitution for cellulose formate, generally greater than 20%, without excessive reduction the initial degree of polymerization of the cellulose, as well as a homogeneous distribution of these formate groups, both in the amorphous zones and in the crystalline zones of the cellulose formate.
  • the appropriate kneading means for obtaining a solution are known to those skilled in the art: they must be capable of kneading, kneading correctly, preferably at an adjustable speed, the cellulose and the acids until obtaining of the solution.
  • solution is meant here, in a known manner, a homogeneous liquid composition in which no solid particle is visible to the naked eye.
  • the mixing can be carried out for example in a mixer comprising Z-shaped arms, or in a continuous screw mixer.
  • These kneading means are preferably equipped with a vacuum evacuation device and a heating and cooling device making it possible to adjust the temperature of the mixer and its contents, in order to accelerate, for example, the dissolution operations. , or to control the temperature of the solution being formed.
  • Cellulose powder (the humidity of which is in equilibrium with the ambient humidity of the air) is introduced into a double-jacket mixer, comprising Z-shaped arms and an extrusion screw.
  • a mixture of orthophosphoric acid (99% crystalline) and formic acid is then added, containing for example three quarters of orthophosphoric acid per quarter of formic acid (parts by weight).
  • the whole is mixed for a period of approximately 1 to 2 hours for example, the temperature of the mixture being maintained between 10 and 20 ° C., until a solution is obtained.
  • the spinning solutions thus obtained are ready to spin, they can be transferred directly, for example by means of an extrusion screw placed at the outlet of the mixer, to a spinning machine to be spun there, without further processing. prior to usual operations such as degassing or filtration steps for example.
  • the spinning solutions used for implementing the invention are optically anisotropic solutions.
  • these spinning solutions have at least one of the following characteristics:
  • the concentration of phosphoric acid is between 50% and 75% (% by weight); the degree of substitution of the cellulose for formate groups in the solution is between 25% and 50%, more preferably between 30% and
  • the degree of polymerization of the cellulose, in solution is between 350 and 600;
  • the spinning solutions are spun according to the so-called “dry-jet-wet-spinning” technique: this technique uses a non-coagulating fluid layer, generally air, placed at the outlet of the die, between the die and the means of coagulation.
  • a non-coagulating fluid layer generally air
  • the spinning solution is transferred to the spinning block where it feeds a spinning pump. From this spinning pump, the solution is extruded through at least one die, preceded by a filter. It is during the journey to the die that the solution is gradually brought to the desired spinning temperature, generally between 35 ° C and 90 ° C, depending on the nature of the solutions, preferably between 40 ° C and 70 ° C.
  • the term "spinning temperature” therefore means the temperature of the spinning solution at the time of its extrusion through the die.
  • Each die can include a variable number of extrusion capillaries, this number being able to vary for example from 50 to 1000.
  • the capillaries are generally of cylindrical shape, their diameter being able to vary for example from 50 to 80 ⁇ m
  • a liquid extnidate which consists of a variable number of elementary liquid veins.
  • Each elementary liquid vein is stretched (see below spinning drawing factor) in a non-coagulating fluid layer, before entering the coagulation zone.
  • This non-coagulating fluid layer is generally a layer of gas, preferably air, the thickness of which can vary from a few mm to several tens of mm (millimeters), for example from 5 mm to 100 mm, depending on the conditions. specific spinning; in known manner, the thickness of the non-coagulating layer is understood to mean the distance separating the underside of the die, arranged horizontally, and the entry to the coagulation zone (surface of the coagulating liquid).
  • the temperature of the coagulating medium, noted Tc is not a critical parameter for the implementation of the invention.
  • Tc temperature of the coagulating medium
  • Tc a negative temperature
  • the temperature Tc will be chosen the lower the lower the concentration C of the spinning solution.
  • the level of spinning solvent in the coagulating medium is preferably stabilized at a level of less than 15%, even more preferably less than 10% (% by weight of coagulating medium).
  • the coagulation means to be used are known devices, composed for example of baths, pipes and / or cabins, containing the coagulating medium and in which the fiber circulates during formation. It is preferable to use a coagulation bath placed under the die, at the outlet of the non-coagulating layer. This bath is generally extended at its base by a vertical cylindrical tube, called “spinning tube", through which the coagulated fiber passes and the coagulating medium circulates.
  • the depth of the coagulating medium in the coagulation bath measured from the entry of the bath to the entry of the spinning tube, can vary from a few millimeters to a few centimeters for example, depending on the particular conditions of implementation of
  • the coagulation bath can be extended if necessary by additional coagulation devices, for example by other baths or cabins, placed at the outlet of the spinning tube, for example after a horizontal deflection point.
  • the method of the invention is implemented so that at least one of the following characteristics is verified: a) the rate of residual solvent in the fiber, at the outlet of the coagulation means (denoted Rs) , is less than 100% by weight of dry formate fiber; b) the stress of tension undergone by the fiber, at the exit of the means of
  • ⁇ c coagulation
  • the fiber is left in contact with the coagulating medium until a significant portion of spinning solvent is extracted from the fiber.
  • an effort is made to maintain the tensions undergone by the fiber at a moderate level: to control this, these tensions will be measured immediately at the output of the coagulation means, using tensiometers appropriate.
  • the invention will preferably be implemented so that the following two relationships are verified:
  • the procedure is for example as follows: fiber is taken at the outlet of the coagulation means, with its coagulating medium; then it is wiped on the surface with absorbent paper, without pressure, so as to eliminate most of the coagulating medium (acetone) which is contained in the surface layer surrounding the fiber, and which itself contains a certain fraction of solvent of spinning (phosphoric acid or liquid based on phosphoric acid) already extracted from the fiber; the fiber is then washed completely with water, in a laboratory device, so as to completely extract the phosphoric acid which it contains, then this phosphoric acid is titrated in return with sodium hydroxide; for more precision, the measurement is repeated 5 times and the average is calculated.
  • the fiber is taken up on a device
  • the speed of the spun product, on this drive device is called “spinning speed” (or also calling or driving speed): it is the speed of travel of the fiber through the spinning installation. , once the fiber is formed.
  • the ratio between the spinning speed and the speed of extrusion of the solution through the die defines what is known, in known manner, the drawing stretch factor (abbreviated as FEF), which is for example between 2 and 10.
  • neutral washing is meant any washing operation making it possible to extract all or almost all of the spinning solvent from the fiber.
  • water is indeed the "natural" swelling medium of the fibers of cellulose or of cellulose derivatives (see for example example US-A-4,501,886), and therefore the medium likely to offer, a priori, the best washing efficiency.
  • the patents or patent applications EP-B-220642, US-A-4,926,920, WO 94/17136 like the aforementioned application WO 85/05115 (page 72, examples II-1 and following) , describe the use of water, at the outlet of the coagulation means, for washing fibers of cellulose formate.
  • acetone used as a washing medium despite a washing power which is, in known manner, significantly lower than that of water, leads to fibers which have a once completed (ie washed until neutral, then dried), very markedly improved properties, as regards firstly their elongation at break, when they are compared to the fibers described in application WO 85/05115.
  • the step of coagulating the fiber and the step of neutral washing of the coagulated fiber must both be carried out in acetone.
  • the temperature of the washing acetone is not a critical parameter of the process. It goes without saying, however, that excessively low temperatures are avoided so as to favor the washing kinetics.
  • the temperature of the washing acetone denoted T1
  • T1 will be chosen positive (by this is meant a temperature equal to or greater than 0 ° C), and even more preferably greater than + 10 ° C.
  • washing means can be used, consisting for example of baths containing washing acetone and in which the fiber to be washed flows.
  • the washing times in acetone can vary, typically, from a few seconds to a few tens of seconds, depending on the particular conditions of implementation of the invention.
  • both the washing medium and the coagulating medium may contain constituents other than acetone, without the spirit of the invention being modified, provided that these other constituents are present only in minor proportion. ; the total proportion of these other constituents will preferably be less than 15%, more preferably less than 10% (% by total weight of coagulating medium or of washing medium). More particularly, if water is present in the coagulation or washing acetone, its content will preferably be less than 5%.
  • the cellulose formate fiber is dried by any suitable means, in order to remove the washing acetone.
  • the level of acetone at the outlet of the drying means is adjusted to a rate of less than 1% by weight of dry fiber.
  • the drying operation one can operate for example by continuously scrolling the fiber on heating rollers, or use, as a main or
  • a drying temperature at least equal to 60 ° C is used, more preferably between 60 ° C and 90 ° C.
  • the method of the invention can be implemented in a very wide range of spinning speeds, which can vary from several tens to several hundred meters per minute, for example to 400 m / min or 500 m / min, or even more .
  • the spinning speed is at least equal to 100 m / min, more preferably at least equal to 200 m / min.
  • the washing step will preferably be carried out so as to that the level of residual spinning solvent in the finished fiber, ie washed and dried, does not exceed 0.1% to 0.2% by weight, relative to the weight of dry fiber.
  • the cellulose formate fiber thus spun can also be sent directly to the regeneration means, online and continuously, in order to prepare a regenerated cellulose fiber.
  • a process for regenerating a fiber into a cellulose derivative consists in treating this fiber in a regenerating medium so as to eliminate almost all of the substituent groups (so-called saponification treatment), in washing the fiber thus regenerated, then to dry it, these three operations being in principle carried out continuously on the same treatment line called "regeneration line".
  • the regenerating medium usually used is an aqueous solution of soda (sodium hydroxide NaOH) weakly concentrated, containing only a few% soda (% by weight), for example from 1 to 3% (see for example PCT / AU91 / 00151).
  • soda sodium hydroxide NaOH
  • the Applicant has found that the filaments of the cellulose formate fibers (whether or not they conform to the invention) undergo partial, superficial dissolution, as soon as that the sodium hydroxide concentration reached and exceeded approximately 6% by weight, the regenerating medium then becoming a true solvent for cellulose formate.
  • Such dissolution, even partial, is completely detrimental to the mechanical properties of the fiber: presence of bonded filaments, drop in resistance of the attacked filaments, difficulties in washing the fiber, etc.
  • the process of the invention for obtaining a regenerated cellulose fiber according to the invention, by regeneration of a cellulose formate fiber, is characterized in that the regenerating medium is an aqueous solution of highly concentrated sodium hydroxide, the concentration of soda, noted Cs, is greater than 16% (% by weight).
  • a concentration Cs greater than 18% is used, and even more preferably, a concentration of between 22% and 40%; it has in fact been found that such concentration ranges were, as a general rule, more particularly beneficial to the elongation at break of the regenerated fiber, the optimal concentration range being between 22% and 30%.
  • the regeneration process of the invention it is preferably started from a cellulose formate fiber according to the invention, having in particular an elongation at break Ar greater than 6%.
  • the regeneration line consists concretely, and conventionally, of regeneration means, followed by washing means, themselves followed by drying means. All these devices are not critical for the implementation of the invention, and those skilled in the art will be able to define them without difficulty.
  • the regeneration and washing means may consist in particular of baths, pipes, tanks, cabins, in which the regenerating medium or the washing medium circulate. It is possible, for example, to use cabins each equipped with two motorized cylinders around which the fiber to be treated is wound, this fiber then being showered with the liquid medium used (regenerating or washing).
  • the residence times in the regeneration means will of course have to be adjusted so as to regenerate the formate fibers substantially, and thus to verify the following relationship on the final regenerated fiber:
  • the washing medium is preferably water. Indeed, after the operation of
  • the cellulose fiber can be washed with its natural swelling medium, that is to say with water, the latter having the best washing efficiency.
  • Water is used at room temperature, or at a higher temperature, if necessary, to increase the washing kinetics.
  • a neutralizing agent for the soda not consumed for example formic acid.
  • the drying means may consist, for example, of ventilated heating tunnels through which the washed fiber circulates, or alternatively in heating cylinders on which the fiber is wound.
  • the drying temperature is not critical, and can vary over a wide range, in particular from 80 ° C. to 240 ° C. or more, depending on the particular conditions of implementation of the invention, in particular according to the speeds. of passage on the regeneration line. Preferably a temperature not exceeding 200 ° C is used.
  • the fiber is taken from a take-up reel, and its residual moisture level is checked.
  • the drying conditions temperature and duration
  • the residual humidity level is between 10% and 15%, even more preferably of the order of 12% to 13% by weight of dry fiber.
  • the washing and drying times required vary from a few seconds to a few tens of seconds, depending on the means employed and the particular conditions for carrying out the invention.
  • the tension stresses at the input of the regeneration means, washing means and drying means will preferably be chosen lower. at 10 cN / tex. and even more preferably less than 5 cN / tex.
  • the regeneration speed (denoted Vr), that is to say the speed of passage of the fiber through the regeneration line, can vary from several tens to several hundred meters per minute, for example up to 400 or 500 m / min or more; advantageously, this speed Vr is at least equal to 100 m / min, more preferably at least equal to 200 m / min.
  • the regeneration method of the invention is preferably implemented in line and continuously with the spinning method of the invention, in such a way that the entire production chain, from the extrusion of the solution through the until the regenerated fiber is dried, or uninterrupted.
  • the tests described below can be either tests in accordance with the invention, or tests not in accordance with the invention.
  • a total of 14 spinning tests of cellulose formate fibers are carried out, according to the spinning process of the invention, and in particular conforming to the
  • the coagulation step and the neutral washing step of the coagulated fiber are both carried out in acetone.
  • Table 1 gives both the specific conditions for carrying out the process of the invention, and the properties of the fibers obtained.
  • Test No . test number (referenced from A-1 to A-14);
  • N number of filaments of the fiber
  • Vf spinning speed (in m / min);
  • Tc temperature of the coagulating medium (in ° C);
  • ⁇ c tension stress undergone by the fiber at the exit of the coagulation means (in cN / tex);
  • Te fiber tenacity (in cN / tex);
  • Mi initial fiber modulus (in cN / tex);
  • Ds degree of substitution of cellulose for formate groups. in fiber (in%);
  • these solutions contain (% by weight) from 16 to 22% of cellulose, from 60 to 65% of phosphoric acid, and from 18 to 19% of formic acid (total), the weight ratio (formic acid / phosphoric acid ) initial being approximately 0.30;
  • the degree of substitution of the cellulose in the solutions is between 40 and 45% for the solutions containing 16% by weight of cellulose, between 30 and 40% for the other more concentrated solutions;
  • the channels include 500 or 1000 capillaries of cylindrical shape, with a diameter of 50 or 65 ⁇ m;
  • the spinning temperatures are between 40 and 50 ° C;
  • the FEF values are between 2 and 6 (between 2 and 4 for tests A-1, A-5 to A-9, A-14; between 4 and 6 for other tests);
  • the non-coagulating fluid layer consists of an air layer (thickness varying from 10 to 40 mm depending on the tests);
  • the level of phosphoric acid in the coagulating medium is stabilized at a level of less than 10% (% by weight of coagulating medium);
  • the temperature of the washing acetone (Tl) is always positive, between 15 and 20 ° C;
  • the drying of the fiber is carried out at 70 ° C, by passage over heating cylinders, with in addition a blowing of nitrogen heated to 80 ° C; the acetone level at the outlet of the drying means is less than 0.5% (% by weight of dry fiber);
  • the residual phosphoric acid level is less than 0.1% (% by weight of dry fiber).
  • the DP of the cellulose, in the solution is between 400 and 450, which shows in particular a low depolymerization after dissolution.
  • the values of Ds are between 25 and 50%. It can be seen that in these examples, they are all between 30 and 45%: in practice, they are identical to the values of degrees of substitution measured on the spinning solutions.
  • the neutral washing step of the coagulated fiber is carried out with water (as in the request WO 85/05115 cited above), and not with acetone.
  • This washing water is industrial water, at a temperature close to 15 ° C.
  • the fibers contain 250 to 1000 filaments.
  • Table 2 gives both the specific conditions for carrying out the process of the invention, and the properties of the fibers obtained.
  • the abbreviations and the units used in this table 2 are the same as for the previous table 1.
  • these fibers of table 2 can have quite interesting characteristics of tenacity and initial modulus; in particular, after a conventional regeneration step according to the prior art (weakly concentrated aqueous NaOH solution), they can be transformed into regenerated fibers having very high toughness (110 to 120 cN / tex, or even more) combined with very high initial modulus values (3000 to 3500 cN / tex, or even more).
  • a total of 23 regeneration tests of cellulose formate fibers are carried out, in accordance with the regeneration process of the invention, according to the indications provided in paragraph II-3 above.
  • the regenerating medium is an aqueous sodium hydroxide solution, the Cs concentration of which is in all cases greater than 16%.
  • Table 3 gives both specific conditions for carrying out the process of the invention, and the properties of the fibers obtained.
  • Test No . test number (referenced from C-1 to C-23);
  • N number of filaments of the regenerated fiber
  • Cs concentration of sodium hydroxide in the regenerating medium (% by weight);
  • Vr regeneration speed (in m / min);
  • T I title of the fiber (in tex);
  • T E tenacity of the fiber (in cN / tex);
  • a R elongation at break of the fiber (in%)
  • the starting cellulose formate fibers a sample of which (a few hundred meters) was systematically taken at the outlet of the spinning means, to check their mechanical properties, all conform to the invention; in particular, they all have a
  • the regenerating medium used is at room temperature (about 20 ° C);
  • the regeneration, washing, and drying means consist of cabins equipped with motorized cylinders on which the fiber to be treated is wound;
  • the regeneration speed Vr indicated in table 3 (from 55 to 200 m / min) is therefore equal to the spinning speed Vf;
  • the drying of the washed fiber is carried out on heating cylinders, at different temperatures varying from 80 ° C to 240 ° C, according to the specific scheme below: from 80 ° C to 120 ° C for tests C-2, C-3, C-5, C-10, C-17; at 240 ° C for test C-11; from 160 ° C to 190 ° C for the other tests;
  • the residence times in the regeneration means are of the order of
  • the fibers At the outlet of the drying means, the fibers have a residual moisture content of the order of 12% to 13% (% by weight of dry fiber).
  • their elongation at break A R is greater than 7% (examples C-4 to C-11, C-13 to C-16, C-19 and C-20), even more preferably greater than 8% (example C-4).
  • the filamentary title (title of the fiber T I divided by the number N of filaments) is equal to approximately 1.8 dtex (decitex) (most common filamentary title for cellulosic fibers)
  • the latter can vary to a large extent, for example from 1.4 dtex to 4.0 dtex, or even more, by adjusting the spinning conditions in known manner.
  • the regenerated fibers of tests Cl 9 and C-20 have, respectively, a
  • a total of 9 regeneration tests of cellulose formate fibers (referenced from D-1 to D-9) are carried out, according to a regeneration process not in accordance with the invention.
  • the regeneration conditions are the same as those used for the fibers in accordance with the invention of table 3 above, with one exception: the regenerating medium is an aqueous sodium hydroxide solution whose Cs soda concentration is at most equal to 16% .
  • Table 4 gives both the specific conditions for carrying out the process of the invention, and the properties of the fibers obtained.
  • the abbreviations and the units used in this table 4 are the same as for the previous table 3.
  • each filament is constituted at least in part by layers nested one inside the other surrounding the axis of the filament; it is further noted that in each layer, in general, the optical direction and the direction of crystallization vary quasi-periodically along the axis of the filament.
  • Such a structure or morphology is commonly described in the literature under the name of "band structure”.
  • the regenerated cellulose fibers of the invention have many other advantages when compared with the fibers described in the aforementioned basic application WO 85/05115 on the one hand, with conventional fibers of the type radiates on the other hand.
  • the fibers of the invention Compared with the fibers described in basic application WO 85/05115, the fibers of the invention notably have a very significantly improved fatigue resistance, both in laboratory test and in pneumatic rolling.
  • the fatigue resistance can be analyzed by subjecting assemblies of these fibers to various known laboratory tests, in particular to the fatigue test known under the name of "Disc Fatigue Test"(see for example US 2,595,069, standard ASTM D885-591 revised 67T).
  • This test which is well known to those skilled in the art (see for example US 4,902,774), essentially consists in incorporating plied fibers of the fibers to be tested, previously glued, in rubber blocks, then, after baking, to tire the gum test tubes. thus formed in compression, between two rotating discs, a very large number of cycles (for example between 100,000 and 1,000,000 cycles). After fatigue, the plies are extracted from the test pieces and their residual breaking strength is compared to the breaking strength of control plies extracted from non-tired test pieces.
  • the fibers of the invention compared to the fibers of basic application WO 85/05115, systematically show clearly improved endurance on the "Disc Fatigue Test".
  • fibers according to the invention having a preferred elongation at break greater than 7%, as well as fibers according to application WO 85/05115, all having an elongation at break less than 5%, have been assembled to form plied (type "A” and "B", respectively) having the same formula 180x2 (tex) 420/420 (t / m).
  • each ply consists of two yarns (multifilament fibers), each having a count of 180 tex before twisting, which are first twisted individually at 420 rpm in one direction during a first step, then twisted the two together at 420 rpm in the opposite direction during a second step.
  • the helix angle is approximately 27 ° and the coefficient of torsion (or torsional factor) K is approximately 215, with:
  • twists of type "A” (according to the invention) and of type “B” (according to WO 85/051 15) were subjected to the "Disc Fatigue Test" above (6 hours at 2700 cycles / min, with a maximum compression rate of the test piece of approximately 16% in each cycle); the following force-breaking lapses were recorded on the extracted twists (data in relative values, with a base 100 for the maximum lapsing recorded on a type “B” plied):
  • the fatigue resistance of the regenerated fibers of the invention is therefore significantly improved - by a factor of two to three on average - compared to the regenerated fibers of the initial application WO 85/05115.
  • the capacity of technical fibers to reinforce tires can be analyzed, in a known manner, by reinforcing a rubber sheet with plies of the fibers to be tested, previously glued, by incorporating the fabric thus formed in a tire structure, for example in a carcass ply reinforcement, then subjecting the tire thus reinforced to a rolling test.
  • Such rolling tests are widely known to those skilled in the art, they can for example be implemented on automatic machines making it possible to vary a large number of parameters (pressure, load, temperature, etc.) during rolling. .
  • the plies are extracted from the tire tested, and their residual breaking strength is compared to that of control plies extracted from control tires which have not been rolled.
  • the fibers of the invention when used to reinforce a radial tire carcass, show an endurance which is significantly improved compared to the fibers according to WO 85/05115.
  • the fibers according to the prior art did not resist (rupture of the plies of type "B" above), due to particularly severe driving conditions, the fibers of the invention
  • the regenerated fibers of the invention have other quite advantageous characteristics compared to conventional rayon fibers.
  • the resistance to humidity of cellulosic fibers can be analyzed using various known tests, a simple test consisting for example of completely soaking the fibers in a water bath, for a determined time, then measuring the strength- rupture of the fibers in the wet state, by pulling them immediately out of the water bath after having simply drained them.
  • the breaking strength in the wet state for the fibers of the invention, represents 80 to 90%, depending on the case, of the nominal breaking strength (ie in the dry state, measured as indicated in paragraph I-4.).
  • the nominal breaking strength ie in the dry state, measured as indicated in paragraph I-4.
  • rayon fibers it only represents around 60% of the nominal breaking strength.
  • the fibers of the invention are therefore much less sensitive to moisture than conventional rayon fibers, they have better dimensional stability in a humid environment.
  • the fibers of the invention can be assembled, as described
  • the fibers of the invention in the twisted state , have a toughness which is even greater than the tenacity of untwisted rayon fibers.
  • the tenacities of the plies according to the invention are generally much greater than the tenacities on plies which can be obtained from fibers of the rayon type whose tenacity hardly exceeds, so known, 45-50 cN / tex before twisting. They can therefore be used in a smaller quantity in articles usually reinforced with conventional rayon fibers.
  • the fibers of the invention the primary characteristic of which is a
  • the improvement brought by the invention does not consist in a simple displacement towards another optimum of a given combination [tenacity-elongation at break], with an energy at break remaining substantially the same (total surface under the curve of traction Force - Elongation remaining substantially constant); it consists in fact of a very appreciable improvement in any combination [toughness-elongation at break], making it possible to "extend" the force-elongation curves obtained for the fibers of the initial application WO 85/05115, and thus obtaining a very markedly improved energy at break (increased surface area under the Force-Elongation curve).
  • cellulose formate used in this document covers cases where the hydroxyl groups of the cellulose are substituted by groups other than the formate groups, in addition to the latter, for example ester groups, in particular acetate groups, the degree of substitution of cellulose with these other groups being preferably less than 10%.
  • the additional constituents may for example be plasticizers, sizes, dyes, polymers other than cellulose which may possibly be esterified during the production of the solution. It can also be various additives making it possible, for example, to improve the spinability of spinning solutions, the use properties of the fibers obtained, the adhesiveness of these fibers to a gum matrix.
  • the invention also covers the cases where a die is made up of one or more non-cylindrical capillaries, of various shapes, for example of a single capillary in the form of a slit, the term "fiber" used in the description and the claims before then be understood in a more general sense, which may include in particular the case of a cellulose formate film or of a regenerated cellulose film.

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Description

FIBRES CELLULOSIQUES A ALLONGEMENT RUPTURE AMELIORE
ET PROCEDES POUR LES OBTENIR.
L'invention concerne les fibres en dérivés cellulosiques et les fibres en cellulose régénérée à partir de ces dérivés.
De manière connue, on entend ici par "dérivés cellulosiques" les composés formés, à la suite de réactions chimiques, par substitution des groupes hydroxyle de la cellulose, ces dérivés étant aussi appelés dérivés de substitution. On entend par "cellulose régénérée" une cellulose obtenue par un traitement de régénération réalisé sur un dérivé cellulosique.
L'invention concerne plus particulièrement les fibres en formiate de cellulose et les fibres en cellulose régénérée à partir de ce formiate. ainsi que les procédés d'obtention de telles fibres.
Des fibres en formiate de cellulose et des fibres en cellulose régénérée à partir de ce formiate ont notamment été décrites dans la demande de brevet internationale WO 85/05115 (PCT/CH85/00065), déposée par la demanderesse, ou dans les brevets équivalents EP-B-179 822 et US-A-4 839 113. Ces documents décrivent l'obtention de solutions de filage à base de formiate de cellulose, par réaction de la cellulose avec de l'acide formique et de l'acide phosphorique. Ces solutions sont optiquement anisotropes. c'est-à-dire qu'elles présentent un état de cristal-liquide. Ces documents décrivent également les fibres de formiate de cellulose obtenues par filage de ces solutions, selon la technique dite de "dry-jet-wet spinning", ainsi que les fibres de cellulose obtenues après un traitement de régénération de ces fibres de formiate.
Comparées à des fibres cellulosiques classiques telles que les fibres rayonne ou viscose, ou à d'autres fibres classiques non cellulosiques telles que les fibres de nylon ou de polyester par exemple, toutes filées à partir de liquides optiquement isotropes, les fibres de cellulose de la demande WO 85/05115 se caractérisent par une structure beaucoup plus ordonnée, en raison du caractère cristal-liquide des solutions de filage dont elles sont issues. Elles présentent ainsi de très hautes propriétés mécaniques en extension, en particulier des valeurs très élevées de ténacité et de module, mais, en contrepartie, se caractérisent par des valeurs d'allongement à la rupture plutôt faibles, ces valeurs étant comprises en moyenne entre 3 % et 4 %. et ne dépassant pas 4,5 %.
Cependant, des valeurs d'allongement à la rupture supérieures peuvent être
souhaitables lorsqu'on utilise de telles fibres dans certaines applications techniques, notamment comme éléments de renforcement d'une enveloppe de pneumatique, en particulier d'une armature de carcasse de pneumatique. Le but premier de l'invention est de proposer des fibres en formiate de cellulose ainsi que des fibres en cellulose régénérée qui, par rapport aux fibres de la demande WO 85/05115, présentent un allongement à la rupture notablement amélioré, ainsi que des propriétés élevées d'énergie à la rupture.
Le but second de l'invention est d'obtenir les améliorations ci-dessus sans diminuer la ténacité des fibres, ce qui est un avantage majeur de l'invention.
Un autre but de l'invention est l'obtention de fibres en cellulose régénérée, à partir du formiate de cellulose, dont la résistance à la fatigue, notamment en pneumatique, est sensiblement améliorée par rapport à celle des fibres en cellulose régénérée de la demande WO 85/05115 précitée.
La fibre en formiate de cellulose de l'invention est caractérisée par les relations suivantes :
- Ds≥ 2 ;
- Te > 45 ;
- Mi > 800 ;
- Ar > 6 ;
- Er > 13,5 ,
Ds étant le degré de substitution de la cellulose en groupes formiate (en %), Te étant sa ténacité en cN/tex, Mi étant son module initial en cN/tex, Ar étant son allongement à la rupture en %, Er étant son énergie à la rupture en J/g.
La fibre en cellulose de l'invention, régénérée à partir du formiate de cellulose, est caractérisée par les relations suivantes:
- 0 < Ds < 2 ;
- TE > 60 ;
- MI > 1000 ;
- AR > 6 ;
- ER > 17,5 ,
Dg étant le degré de substitution de la cellulose en groupes formiate (en %), TE étant sa ténacité en cN/tex, MI étant son module initial en cN/tex, AR étant son allongement à la rupture en %. ER étant son énergie à la rupture en J/g.
La fibre en formiate de cellulose et la fibre en cellulose régénérée ci-dessus sont obtenues toutes deux grâce à des procédés nouveaux et spécifiques qui constituent d'autres objets de l'invention.
Le procédé de filage de l'invention, pour obtenir la fibre en formiate de cellulose de l'invention, consistant à filer une solution de formiate de cellulose dans un solvant à base d'acide phosphorique, selon la méthode de filage dite de "dry-jet-wet spinning", est caractérisé en ce que l'étape de coagulation de la fibre et l'étape de lavage neutre de la fibre coagulée sont toutes deux réalisées dans de l'acétone.
Le procédé de régénération de l'invention, pour obtenir la fibre en cellulose régénérée de l'invention, consistant à faire passer une fibre en formiate de cellulose dans un milieu régénérant, à la laver, puis à la sécher, est caractérisé en ce que le milieu régénérant est une solution aqueuse de soude (NaOH) dont la concentration en soude, notée Cs, est supérieure à 16 % (% en poids).
L'invention concerne en outre les produits suivants:
- les assemblages de renforcement comportant chacun au moins une fibre conforme à l'invention, par exemple des câbles, des retors, des fibres
multifilamentaires tordues sur elles-mêmes, de tels assemblages de renforcement pouvant être par exemple hybrides, c'est-à-dire composites, comportant des éléments de natures différentes, éventuellement non conformes à l'invention ;
- les articles renforcés par au moins une fibre et/ou un assemblage conformes à l'invention, ces articles étant par exemple des articles en caoutchouc ou en matières plastiques, par exemple des nappes, des courroies, des tuyaux, des enveloppes de pneumatiques, en particulier des armatures de carcasse de pneumatique.
L'invention sera aisément comprise à l'aide de la description et des exemples non limitatifs qui suivent.
I. MESURES ET TESTS UTILISES
I-1. Degré de polymérisation
Le degré de polymérisation est noté DP. On mesure le DP de la cellulose de manière connue, cette cellulose étant sous forme de poudre, ou transformée préalablement en poudre.
On détermine tout d'abord la viscosité inhérente (IV) de la cellulose en solution, selon la norme suisse SNV 195 598 de 1970, mais à différentes concentrations qui varient entre 0,5 et 0,05 g/dl. La viscosité inhérente est définie par l'équation:
IV = (1/Ce) × Ln (t1/t0) dans laquelle Ce représente la concentration en cellulose sèche, t1 représente la durée d'écoulement de la solution diluée de polymère, t0 représente la durée d'écoulement du solvant pur. dans un viscosimètre de type Ubbelhode, et Ln représente le logarithme népérien. Les mesures sont réalisées à 20°C.
La viscosité intrinsèque [ η ] est ensuite déterminée par extrapolation à concentration nulle de la viscosité inhérente IV.
La masse moléculaire moyenne en poids Mw est donnée par la relation de Mark-Houwink :
[ η ] = K × Mw α où les constantes K et α sont respectivement :
K = 5,31 × 10-4 ; α = 0,78. ces constantes correspondant au système de solvant utilisé pour la détermination de la viscosité inhérente. Ces valeurs sont données par L.
Valtasaari dans le document Tappi 48, 627 (1965).
Le DP est finalement calculé selon la formule:
DP = (Mw)/162 ,
162 étant la masse moléculaire du motif élémentaire de la cellulose.
Lorsqu'il s'agit de déterminer le DP de la cellulose à partir de formiate de cellulose en solution, on doit isoler tout d'abord ce formiate, puis régénérer la cellulose.
On procède alors comme suit:
on coagule tout d'abord la solution avec de l'eau dans un appareil à disperser. Après filtration et lavage avec de l'acétone, on obtient une poudre qui est ensuite séchée dans une étuve sous vide à 40°C pendant au moins 30 minutes. Après avoir isolé le formiate, on régénère la cellulose en traitant ce formiate à reflux avec de la soude normale. On lave à l'eau la cellulose obtenue, on la sèche et on mesure le DP comme décrit précédemment.
I-2. Degré de substitution
Le degré de substitution de la cellulose en formiate de cellulose est encore appelé degré de formylation.
Le degré de substitution déterminé par la méthode décrite ici donne le pourcentage de fonctions alcool de la cellulose qui sont estérifiées, c'est-à-dire transformées en groupes formiate. Ceci signifie qu'un degré de substitution de 100 % est obtenu si les trois fonctions alcool du motif de cellulose sont toutes estérifiées. ou qu'un degré de substitution de 30 %, par exemple, est obtenu si 0,9 fonction alcool sur trois, en moyenne, est estérifiée. Le degré de substitution est mesuré différemment selon que l'on caractérise du formiate de cellulose (formiate en solution, ou fibres en formiate) ou des fibres en cellulose régénérée à partir du formiate de cellulose.
I-2.1. Degré de substitution sur le formiate de cellulose:
Si le degré de substitution est mesuré sur du formiate de cellulose en solution, ce formiate est tout d'abord isolé de la solution comme indiqué précédemment au paragraphe I-1. S'il est mesuré sur des fibres en formiate, on coupe préalablement ces fibres en morceaux de 2 à 3 cm de long.
On pèse avec précision 200 mg de formiate de cellulose ainsi préparé et on les introduit dans un Erlenmeyer. On ajoute 40 ml d'eau et 2 ml de soude normale (NaOH 1 N). On chauffe à 90°C à reflux pendant 15 minutes sous azote. On régénère ainsi la cellulose en retransformant les groupes formiate en groupes hydroxyle. Après refroidissement, la soude en excès est titrée en retour avec une solution d'acide chlorhydrique décinormale (HCl 0,1 N), et on en déduit ainsi le degré de substitution.
Dans la présente description, le degré de substitution est noté Ds lorsqu'il est mesuré sur des fibres en formiate de cellulose.
I-2.2. Degré de substitution sur les fibres en cellulose régénérée:
Environ 400 mg de fibre sont coupés en morceaux de 2 à 3 cm de long, puis pesés avec précision et introduits dans un Erlenmeyer de 100 ml contenant 50 ml d'eau. On ajoute 1 ml de soude normale (NaOH 1N). L'ensemble est mélangé à température ambiante, pendant 15 minutes. On régénère ainsi complètement la cellulose en transformant en groupes hydroxyle les derniers groupes formiate qui avaient résisté à la régénération conduite, après leur filage, directement sur des fibres continues. La soude en excès est titrée avec une solution d'acide
chlorhydrique décinormale (HCl 0, 1 N), et on en déduit ainsi le degré de substitution.
Dans la présente description, le degré de substitution est noté DS lorsqu'il est mesuré sur des fibres en cellulose régénérée.
I-3. Propriétés optiques des solutions
L'isotropie ou l'anisotropie optique des solutions est déterminée en plaçant une goutte de solution à étudier entre polariseur et analyseur linéaires croisés d'un microscope optique de polarisation, puis en observant cette solution au repos, c'est-à-dire en l'absence de contrainte dynamique, à la température ambiante. De manière connue, une solution optiquement anisotrope est une solution qui dépolarise la lumière, c'est-à-dire qui présente, ainsi placée entre polariseur et analyseur linéaires croisés, une transmission de la lumière (texture colorée). Une solution optiquement isotrope est une solution qui, dans les mêmes conditions d'observation, ne présente pas la propriété de dépolarisation ci-dessus, le champ du microscope restant noir.
I-4. Propriétés mécaniques des fibres
Par "fibres", on entend ici des fibres multifilamentaires (encore appelées "filés"), constituées de manière connue d'un grand nombre de filaments élémentaires de faible diamètre (faible titre). Toutes les propriétés mécaniques ci-après sont mesurées sur des fibres ayant été soumises à un conditionnement préalable. Par "conditionnement préalable", on entend le stockage des fibres pendant au moins 24 heures, avant mesure, dans une atmosphère standard selon la norme européenne DIN EN 20139 (température de 20 ± 2°C ; hygrométrie de 65 ± 2 %).
Pour des fibres cellulosiques, un tel conditionnement préalable permet de manière connue de stabiliser leur taux d'humidité (teneur résiduelle en eau) à un niveau d'équilibre naturel inférieur à 15 % en poids de fibre sèche (11 à 12 % environ, en moyenne).
Le titre des fibres est déterminé sur au moins trois échantillons, chacun correspondant à une longueur de 50 m, par pesée de cette longueur de fibre. Le titre est donné en tex (poids en grammes de 1000 m de fibre).
Les propriétés mécaniques des fibres (ténacité, module initial, allongement et énergie à la rupture) sont mesurées de manière connue à l'aide d'une machine de traction
ZWICK GmbH & Co (Allemagne) de type 1435 ou de type 1445. Les fibres, après avoir reçu une faible torsion de protection préalable (angle d'hélice de 6° environ), subissent une traction sur une longueur initiale de 400 mm à une vitesse de 200 mm/min (ou à une vitesse de 50 mm/min seulement lorsque leur allongement à la rupture ne dépasse pas 5 %). Tous les résultats donnés sont une moyenne de 10 mesures.
La ténacité (force-rupture divisée par le titre) et le module initial sont indiqués en cN/tex (centinewton par tex - rappel: 1 cN/tex égal à environ 0, 11 g/den (gramme par denier)). Le module initial est défini comme la pente de la partie linéaire de la courbe Force- Allongement, qui intervient juste après la prétension standard de 0,5 cN/tex. L'allongement à la rupture est indiqué en pourcentage. L'énergie à la rupture est donnée en J/g (joule par gramme), c'est-à-dire par unité de masse de fibre. II. CONDITIONS DE REALISATION DE L'INVENTION
On décrit tout d'abord la réalisation des solutions de filage, puis le filage de ces solutions pour l'obtention de fibres en formiate de cellulose. Dans un troisième paragraphe est exposée l'étape de régénération des fibres en formiate de cellulose, pour l'obtention des fibres en cellulose régénérée.
II- 1. Réalisation des solutions de filage
Les solutions de formiate de cellulose sont réalisées en mélangeant de la cellulose, de l'acide formique, et de l'acide phosphorique (ou un liquide à base d'acide
phosphorique), comme indiqué par exemple dans la demande WO 85/05115 précitée.
La cellulose peut se présenter sous différentes formes, notamment sous forme d'une poudre, préparée par exemple par pulvérisation d'une plaque de cellulose brute. De préférence, sa teneur initiale en eau est inférieure à 10 % en poids, et son DP compris entre 500 et 1000.
L'acide formique est l'acide d'estérification, l'acide phosphorique (ou le liquide à base d'acide phosphorique) étant le solvant du formiate de cellulose, appelé "solvant" ou encore "solvant de filage" dans la description ci-après. En général, l'acide
phosphorique utilisé est de l'acide orthophosphorique (H3PO4), mais on peut utiliser d'autres acides phosphoriques, ou un mélange d'acides phosphoriques. L'acide phosphorique peut, selon les cas, être utilisé solide, à l'état liquide, ou bien dissous dans l'acide formique.
De préférence la teneur en eau de ces deux acides est inférieure à 5 % en poids ; ils peuvent être utilisés seuls ou éventuellement contenir, en faibles proportions, d'autres acides organiques et/ou minéraux, tels que l'acide acétique, l'acide sulfurique ou l'acide chlorhydrique par exemple.
Conformément à la description faite dans la demande WO 85/05115 précitée, la concentration en cellulose de la solution, notée "C" ci-après, peut varier dans une large mesure ; des concentrations C comprises entre 10 % et 30 % (% en poids de cellulose -calculé sur la base d'une cellulose non estérifiée - sur le poids total de la solution) sont par exemple possibles, ces concentrations étant notamment fonction du degré de polymérisation de la cellulose. Le rapport pondéral (acide formique/acide
phosphorique) peut être également ajusté dans une large plage.
Lors de la réalisation du formiate de cellulose, l'utilisation de l'acide formique et de l'acide phosphorique permet d'obtenir à la fois un degré de substitution élevé en formiate de cellulose, en général supérieur à 20 %, sans diminution excessive du degré de polymérisation initial de la cellulose, ainsi qu'une répartition homogène de ces groupes formiate, à la fois dans les zones amorphes et dans les zones cristallines du formiate de cellulose. Les moyens de malaxage appropriés pour l'obtention d'une solution sont connus de l'homme du métier: ils doivent être aptes à pétrir, malaxer correctement, de préférence à une vitesse réglable, la cellulose et les acides jusqu'à l'obtention de la solution. Par "solution", on entend ici, de manière connue, une composition liquide homogène dans laquelle aucune particule solide n'est visible à l'oeil nu. Le malaxage peut être conduit par exemple dans un mélangeur comportant des bras en Z, ou dans un mélangeur à vis en continu. Ces moyens de malaxage sont de préférence équipés d'un dispositif d'évacuation sous vide et d'un dispositif de chauffage et de refroidissement permettant d'ajuster la température du mélangeur et de son contenu, afin d'accélérer par exemple les opérations de dissolution, ou de contrôler la température de la solution en cours de formation.
A titre d'exemple, on peut utiliser le mode opératoire suivant:
On introduit dans un malaxeur à double enveloppe, comportant des bras en Z et une vis d'extrusion, de la poudre de cellulose (dont l'humidité est en équilibre avec l'humidité ambiante de l'air). On ajoute ensuite un mélange d'acide orthophosphorique (cristallin à 99 %) et d'acide formique, contenant par exemple trois quarts d'acide orthophosphorique pour un quart d'acide formique (parties en poids). Le tout est mélangé pendant une période d'environ 1 à 2 heures par exemple, la température du mélange étant maintenue entre 10 et 20°C, jusqu'à l'obtention d'une solution.
Les solutions de filage ainsi obtenues sont prêtes à filer, elles peuvent être transférées directement, par exemple par l'intermédiaire d'une vis d'extrusion placée à la sortie du mélangeur, vers une machine de filage pour y être filées, sans autre transformation préalable que des opérations habituelles telles que des étapes de dégazage ou de filtration par exemple.
Les solutions de filage utilisées pour la mise en oeuvre de l'invention sont des solutions optiquement anisotropes. De préférence, ces solutions de filage présentent au moins une des caractéristiques suivantes:
- leur concentration en cellulose est comprise entre 15 % et 25 % (% en poids), calculée sur la base d'une cellulose non estérifiée ;
- leur concentration en acide formique total (c'est-à-dire la part d'acide formique consommée pour l'estérification plus la part d'acide formique libre restant dans la solution finale) est comprise entre 10 % et 25 % (% en poids) ;
- leur concentration en acide phosphorique (ou en liquide à base d'acide phosphorique) est comprise entre 50 % et 75 % (% en poids) ; - le degré de substitution de la cellulose en groupes formiate, dans la solution, est compris entre 25 % et 50 %, de manière plus préférentielle compris entre 30 % et
45 % ;
- le degré de polymérisation de la cellulose, en solution, est compris entre 350 et 600 ;
- elles contiennent moins de 10 % d'eau (% en poids). II-2. Filage des solutions
Les solutions de filage sont filées selon la technique dite de "dry-jet-wet-spinning": cette technique utilise une couche fluide non coagulante, en général de l'air, placée en sortie de filière, entre la filière et les moyens de coagulation.
En sortie des moyens de malaxage et de dissolution, la solution de filage est transférée vers le bloc de filage où elle alimente une pompe de filature. A partir de cette pompe de filature, on extrude la solution à travers au moins une filière, précédée d'un filtre. C'est au cours du cheminement jusqu'à la filière que la solution est progressivement amenée à la température de filage désirée, comprise généralement entre 35°C et 90°C, selon la nature des solutions, de préférence entre 40°C et 70°C. On entend donc par "température de filage", la température de la solution de filage au moment de son extrusion à travers la filière.
Chaque filière peut comporter un nombre variable de capillaires d'extrusion, ce nombre pouvant varier par exemple de 50 à 1000. Les capillaires sont généralement de forme cylindrique, leur diamètre pouvant varier par exemple de 50 à 80 μm
(micromètres).
En sortie de filière, on obtient donc un extnidat liquide constitué d'un nombre variable de veines liquides élémentaires. Chaque veine liquide élémentaire est étirée (voir ci-après facteur d'étirage au filage) dans une couche fluide non coagulante, avant de pénétrer dans la zone de coagulation. Cette couche fluide non coagulante est en général une couche de gaz, de préférence de l'air, dont l'épaisseur peut varier de quelques mm à plusieurs dizaines de mm (millimètres), par exemple de 5 mm à 100 mm, selon les conditions particulières de filage ; de manière connue, on entend par épaisseur de la couche non coagulante la distance séparant la face inférieure de la filière, disposée horizontalement, et l'entrée de la zone de coagulation (surface du liquide coagulant).
Après traversée de la couche non coagulante, toutes les veines liquides ainsi étirées pénètrent dans la zone de coagulation et entrent au contact du milieu coagulant. Sous l'action de ce dernier, elles se transforment, par précipitation du formiate de cellulose et extraction du solvant de filage, en filaments solides de formiate de cellulose qui forment ainsi une fibre. Le milieu coagulant employé est de l'acétone.
La température du milieu coagulant, notée Tc, n'est pas un paramètre critique pour la mise en oeuvre de l'invention. A titre d'exemple, pour des solutions de filage contenant 22 % en poids de cellulose, il a été observé qu'une variation de température Tc, dans toute la plage de température allant de -30°C à 0°C, n'avait pratiquement pas d'incidence sur les propriétés mécaniques des fibres obtenues.
On choisira de préférence une température Tc négative, c'est-à-dire inférieure à 0°C, et de manière encore plus préférentielle inférieure à -10°C.
L'homme du métier saura ajuster la température du milieu coagulant en fonction des caractéristiques de la solution filée, et des propriétés mécaniques visées, par des essais simples d'optimisation. De manière générale, la température Tc sera choisie d'autant plus basse que la concentration C de la solution de filage sera plus faible.
Le taux de solvant de filage, dans le milieu coagulant, est de préférence stabilisé à un niveau inférieur à 15 %, de manière encore plus préférentielle inférieur à 10 % (% en poids de milieu coagulant).
Les moyens de coagulation à employer sont des dispositifs connus, composés par exemple de bains, tuyaux et/ou cabines, contenant le milieu coagulant et dans lesquels circule la fibre en cours de formation. On utilise de préférence un bain de coagulation disposé sous la filière, en sortie de la couche non coagulante. Ce bain est généralement prolongé à sa base par un tube cylindrique vertical, dit "tube de filage", dans lequel passe la fibre coagulée et circule le milieu coagulant.
La profondeur de milieu coagulant dans le bain de coagulation, mesurée de l'entrée du bain jusqu'à l'entrée du tube de filage, peut varier de quelques millimètres à quelques centimètres par exemple, selon les conditions particulières de réalisation de
l'invention, notamment selon les vitesses de filage utilisées. Le bain de coagulation peut être prolongé si nécessaire par des dispositifs supplémentaires de coagulation, par exemple par d'autres bains ou des cabines, placés en sortie du tube de filage, par exemple après un point de renvoi horizontal.
De préférence, le procédé de l'invention est mis en oeuvre de manière à ce qu'au moins une des caractéristiques suivantes soit vérifiée: a) le taux de solvant résiduel dans la fibre, à la sortie des moyens de coagulation (noté Rs), est inférieur à 100 % en poids de fibre en formiate sèche ; b) la contrainte de tension subie par la fibre, à la sortie des moyens de
coagulation (notée σc), est inférieure à 5 cN/tex , et, de manière encore plus préférentielle, de manière à ce que les deux caractéristiques a) et b) ci-dessus soient simultanément vérifiées.
Ainsi, selon les conditions préférentielles ci-dessus, la fibre est laissée au contact du milieu coagulant jusqu'à ce qu'une partie notable de solvant de filage soit extraite de la fibre. D'autre part, pendant cette phase de coagulation, on s'efforce de maintenir les tensions subies par la fibre à un niveau modéré: pour contrôler cela, on mesurera ces tensions immédiatement en sortie des moyens de coagulation, à l'aide de tensiomètres appropriés.
De manière générale, si l'on souhaite privilégier avant tout les propriétés d'allongement à la rupture des fibres en formiate. l'invention sera de préférence mise en oeuvre de manière à ce que les deux relations suivantes soient vérifiées:
Rs < 50 % ; σc < 2 cN/tex .
Pour la mesure du taux de solvant résiduel Rs présent dans la fibre en formiate coagulée, on procède par exemple de la manière suivante: de la fibre est prélevée à la sortie des moyens de coagulation, avec son milieu coagulant ; puis elle est essuyée en surface avec un papier absorbant, sans pression, de manière à éliminer l'essentiel du milieu coagulant (acétone) qui est contenu dans la couche superficielle entourant la fibre, et qui contient lui-même une certaine fraction de solvant de filage (acide phosphorique ou liquide à base d'acide phosphorique) déjà extrait de la fibre ; on lave ensuite complètement la fibre avec de l'eau, dans un dispositif de laboratoire, de manière à extraire complètement l'acide phosphorique qu'elle contient, puis on titre en retour cet acide phosphorique avec de la soude ; pour plus de précision, la mesure est répétée 5 fois et on calcule la moyenne.
En sortie des moyens de coagulation, la fibre est reprise sur un dispositif
d'entraînement, par exemple sur des cylindres motorisés. La vitesse du produit filé, sur ce dispositif d'entraînement, est appelée "vitesse de filage" (ou encore vitesse d'appel ou d'entraînement) : c'est la vitesse de défilement de la fibre à travers l'installation de filage, une fois la fibre formée. Le rapport entre la vitesse de filage et la vitesse d'extrusion de la solution à travers la filière, définit ce que l'on appelle, de manière connue, le facteur d'étirage au filage (en abrégé FEF), qui est par exemple compris entre 2 et 10.
Une fois coagulée, la fibre doit être lavée jusqu'à neutralité. Par "lavage neutre", on entend toute opération de lavage permettant d'extraire de la fibre la totalité ou la quasitotalité du solvant de filage.
L'homme du métier était naturellement porté jusqu'ici à utiliser de l'eau comme milieu de lavage : de manière bien connue, l'eau est en effet le milieu gonflant "naturel" des fibres en cellulose ou en dérivés cellulosiques (voir par exemple US-A-4 501 886), et par conséquent le milieu susceptible d'offrir, à priori, la meilleure efficacité de lavage. A titre d'exemple, les brevets ou demandes de brevet EP-B-220642, US-A-4 926 920, WO 94/17136, comme la demande WO 85/05115 précitée (page 72, exemples II-1 et suivants), décrivent l'utilisation d'eau, en sortie des moyens de coagulation, pour le lavage de fibres en formiate de cellulose.
Pourtant, une telle étape conventionnelle de lavage à l'eau ne permet pas d'obtenir des fibres en formiate de cellulose conformes à l'invention.
De manière tout à fait surprenante, la demanderesse a constaté que l'acétone employée comme milieu de lavage, malgré un pouvoir lavant qui est, de manière connue, nettement plus faible que celui de l'eau, conduit à des fibres qui présentent, une fois terminées (i.e. lavées jusqu'à neutralité, puis séchées), des propriétés très nettement améliorées, en ce qui concerne en premier lieu leur allongement à la rupture, lorsqu'elles sont comparées aux fibres décrites dans la demande WO 85/05115.
Pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, l'étape de coagulation de la fibre et l'étape de lavage neutre de la fibre coagulée doivent être toutes deux réalisées dans de l'acétone.
La température de l'acétone de lavage n'est pas un paramètre critique du procédé. I1 va cependant de soi que l'on évitera des températures trop basses de façon à favoriser les cinétiques de lavage. De manière préférentielle, la température de l'acétone de lavage, notée T1, sera choisie positive (on entend par là une température égale ou supérieure à 0°C), et de manière encore plus préférentielle supérieure à +10°C. Avantageusement, on pourra utiliser de l'acétone non refroidie, c'est-à-dire de l'acétone à température ambiante, l'opération de lavage étant alors préférentiellement réalisée en atmosphère contrôlée.
On peut employer des moyens de lavage connus, consistant par exemple en des bains contenant l'acétone de lavage et dans lesquels circule la fibre à laver. Les temps de lavage dans l'acétone peuvent varier, typiquement, de quelques secondes à quelques dizaines de secondes, selon les conditions particulières de mise en oeuvre de l'invention.
Bien entendu, le milieu de lavage comme le milieu coagulant pourront contenir tous deux des constituants autres que l'acétone, sans que l'esprit de l'invention soit modifié, à la condition que ces autres constituants ne soient présents qu'en proportion mineure ; la proportion totale de ces autres constituants sera de préférence inférieure à 15 %, plus préférentiellement inférieure à 10 % (% en poids total de milieu coagulant ou de milieu de lavage). Plus particulièrement, si de l'eau est présente dans l'acétone de coagulation ou de lavage, sa teneur sera de préférence inférieure à 5 %.
Après lavage, la fibre en formiate de cellulose est séchée par tout moyen convenable, afin d'éliminer l'acétone de lavage. De préférence, le taux d'acétone en sortie des moyens de séchage est ajusté à un taux inférieur à 1 % en poids de fibre sèche. Pour l'opération de séchage, on peut opérer par exemple par défilement en continu de la fibre sur des rouleaux chauffants, ou encore employer, à titre principal ou
complémentaire, une technique de soufflage d'azote préalablement chauffé. De manière préférentielle, on utilise une température de séchage au moins égale à 60°C, plus préférentiellement comprise entre 60°C et 90°C.
Le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre dans une très large plage de vitesses de filage, pouvant varier de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de mètres à la minute, par exemple à 400 m/min ou 500 m/min, voire plus. De manière avantageuse, la vitesse de filage est au moins égale à 100 m/min, plus préférentiellement au moins égale à 200 m/min.
Si on veut isoler la fibre en formiate de cellulose, c'est-à-dire ne pas la régénérer tout de suite, notamment pour contrôler ses propriétés mécaniques avant les opérations de régénération, l'étape de lavage sera de préférence conduite de manière à ce que le taux de solvant de filage résiduel, dans la fibre terminée, i.e. lavée et séchée, ne dépasse pas 0,1 % à 0,2 % en poids, par rapport au poids de fibre sèche.
On peut aussi envoyer la fibre en formiate de cellulose ainsi filée directement sur les moyens de régénération, en ligne et en continu, dans le but de préparer une fibre en cellulose régénérée.
II-3. Régénération des fibres en formiate
De manière connue, un procédé de régénération d'une fibre en dérivé cellulosique consiste à traiter cette fibre dans un milieu régénérant de manière à éliminer la quasi-totalité des groupes substituants (traitement dit de saponification), à laver la fibre ainsi régénérée, puis à la sécher, ces trois opérations étant en principe réalisées en continu sur une même ligne de traitement dite "ligne de régénération".
Concernant le formiate de cellulose, le milieu régénérant utilisé habituellement est une solution aqueuse de soude (hydroxyde de sodium NaOH) faiblement concentrée, ne contenant que quelques % de soude (% en poids), par exemple de 1 à 3 % (voir par exemple PCT/AU91/00151).
Des solutions aqueuses de soude faiblement concentrées, de concentration en soude ne dépassant pas 5 % (% en poids), ont été également décrites dans les brevets ou demandes de brevet EP-B-220642, US-A-4 926 920, WO 94/17136 et WO 95/20629 pour la régénération de fibres en formiate de cellulose. Elles ont été utilisées par la demanderesse pour la régénération des fibres en formiate de cellulose décrites dans la demande WO 85/05115 précitée, comme pour la régénération des fibres en formiate de cellulose de la présente invention ; ces solutions faiblement concentrées s'avèrent tout à fait satisfaisantes pour conduire la régénération proprement dite, c'est-à-dire pour éliminer la quasi-totalité des groupes formiate substituants : elles permettent d'obtenir sans difficulté des fibres régénérées dont le degré de substitution en groupes formiate est inférieur à 2 %. En tentant d'augmenter les concentrations en soude au delà de 5 %, la demanderesse a constaté que les filaments des fibres en formiate de cellulose (que celles-ci soient conformes ou non à l'invention) subissaient une dissolution partielle, superficielle, dès que la concentration en soude atteignait et dépassait 6 % en poids environ, le milieu régénérant devenant alors un véritable solvant du formiate de cellulose. Une telle dissolution, même partielle, est tout à fait préjudiciable aux propriétés mécaniques de la fibre: présence de filaments collés, chute de résistance des filaments attaqués, difficultés de lavage de la fibre, etc ...
De tels problèmes de dissolution parasite étaient d'ailleurs prévisibles, sachant par exemple que des fibres cellulosiques du type viscose sont partiellement ou totalement solubles dans de la soude à 10 % (voir P.H. Hermans, "Physics and Chemistry of Cellulose Fibers", lst part, Elsevier 1949), ou encore que 5 % de cellulose native se dissolvent dans une solution aqueuse de 8 à 10 % de NaOH (voir T. Yamashiki, Journal of Applied Polymer Science, vol. 44, 691-698, 1992).
Compte-tenu des différents éléments ci-dessus, l'homme du métier était donc tout naturellement enclin à utiliser des solutions aqueuses de soude faiblement concentrées, pour la régénération des fibres en formiate de cellulose.
Cependant, en continuant d'augmenter la concentration en soude du milieu régénérant bien au delà des 5 à 6 % précités, la demanderesse a constaté, de manière tout à fait surprenante, qu'au delà d'un certain seuil de concentration, non seulement les phénomènes de dissolution parasite disparaissaient, mais encore et surtout que certaines propriétés de la fibre régénérée étaient améliorées de manière très sensible, notamment l'allongement à la rupture et l'énergie à la rupture.
En d'autres termes, si un milieu régénérant conventionnel (i.e. faiblement concentré en soude) est certes tout à fait suffisant pour régénérer des fibres en formiate de cellulose, un tel milieu ne permet cependant pas d'obtenir les fibres en cellulose régénérée conformes à l'invention.
Le procédé de l'invention, pour obtenir une fibre en cellulose régénérée conforme à l'invention, par régénération d'une fibre en formiate de cellulose, est caractérisé en ce que le milieu régénérant est une solution aqueuse de soude fortement concentrée, dont la concentration en soude, notée Cs, est supérieure à 16 % (% en poids).
De préférence, on utilise une concentration Cs supérieure à 18 %, et de manière encore plus préférentielle, une concentration comprise entre 22 % et 40 % ; on a en effet constaté que de telles plages de concentration étaient, en règle générale, plus particulièrement bénéfiques à l'allongement rupture de la fibre régénérée, le domaine de concentration optimal se situant entre 22 % et 30 %. Pour la mise en oeuvre du procédé de régénération de l'invention, on part de préférence d'une fibre en formiate de cellulose conforme à l'invention, ayant notamment un allongement à la rupture Ar supérieur à 6 %.
La ligne de régénération consiste concrètement, et de manière classique, en des moyens de régénération, suivis de moyens de lavage, eux-mêmes suivis de moyens de séchage. Tous ces dispositifs ne sont pas critiques pour la mise en oeuvre de l'invention, et l'homme du métier saura les définir sans difficulté. Les moyens de régénération et de lavage peuvent consister notamment en des bains, des tuyaux, des bacs, des cabines, dans lesquels circulent le milieu régénérant ou le milieu de lavage. On peut utiliser par exemple des cabines équipées chacunes de deux cylindres motorisés autour desquels vient s'enrouler la fibre à traiter, cette fibre étant alors douchée avec le milieu liquide employé (régénérant ou lavant).
Les temps de séjour dans les moyens de régénération devront bien sûr être ajustés de manière à régénérer les fibres en formiate de manière substantielle, et à vérifier ainsi la relation suivante sur la fibre régénérée finale:
0 < DS < 2 .
L'homme du métier saura ajuster ces temps de séjour, qui, selon les conditions particulières de mise en oeuvre de l'invention, peuvent varier par exemple de 1 à 2 secondes jusqu'à 1 à 2 dizaines de secondes.
Le milieu de lavage est de préférence de l'eau. En effet, après l'opération de
régénération ci-dessus, la fibre en cellulose peut être lavée avec son milieu gonflant naturel, c'est-à-dire avec de l'eau, cette dernière présentant la meilleure efficacité de lavage. L'eau est utilisée à température ambiante, ou à une température plus élevée, si nécessaire, pour augmenter la cinétique de lavage. A cette eau de lavage peut être éventuellement ajouté un agent de neutralisation pour la soude non consommée, par exemple de l'acide formique.
Les moyens de séchage peuvent consister par exemple en des tunnels chauffants ventilés à travers lesquels circule la fibre lavée, ou encore en des cylindres chauffants sur lesquels est enroulée la fibre. La température de séchage n'est pas critique, et peut varier dans une large gamme allant notamment de 80°C jusqu'à 240°C ou plus, en fonction des conditions particulières de mise en oeuvre de l'invention, notamment selon les vitesses de passage sur la ligne de régénération. On utilise de préférence une température ne dépassant pas 200°C.
En sortie des moyens de séchage, la fibre est prélevée sur une bobine réceptrice, et on contrôle son taux d'humidité résiduelle. De manière préférentielle, les conditions de séchage (température et durée) seront ajustées de manière à ce que le taux d'humidité résiduelle soit compris entre 10 % et 15 %, de manière encore plus préférentielle de l'ordre de 12 % à 13 % en poids de fibre sèche. Typiquement, les temps de lavage et de séchage nécessaires varient de quelques secondes à quelques dizaines de secondes, selon les moyens employés et les conditions particulières de réalisation de l'invention.
Au cours du passage à travers la ligne de régénération, on évitera bien sûr des tensions excessives afin de ne pas endommager la fibre d'une part, de ne pas perdre d'autre part une part notable de l'allongement à la rupture potentiel offert par l'emploi du milieu régénérant concentré en soude. Ces tensions sont en général difficilement accessibles à l'intérieur-même des différents moyens employés: elles pourront être contrôlées et mesurées à l'entrée de ces différents moyens, à l'aide de tensiomètres adaptés.
C'est ainsi que si l'on souhaite privilégier l'allongement à la rupture de la fibre régénérée, les contraintes de tension à l'entrée des moyens de régénération, des moyens de lavage et des moyens de séchage, seront choisies de préférence inférieures à 10 cN/tex. et de manière encore plus préférentielle inférieures à 5 cN/tex.
Dans des conditions industrielles réelles de régénération, et notamment pour des hautes vitesses de régénération, les limites inférieures de ces contraintes de tension se situent généralement aux environs de 0.1 à 0,5 cN/tex, des valeurs inférieures n'étant pas réalistes d'un point de vue industriel, et même non souhaitables. On a remarqué en particulier que les propriétés mécaniques des fibres régénérées pouvaient être ajustées plus ou moins en jouant sur ces contraintes de tension.
La vitesse de régénération (notée Vr), c'est-à-dire la vitesse de passage de la fibre à travers la ligne de régénération, peut varier de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de mètres par minute, par exemple jusqu'à 400 ou 500 m/min, voire plus ; de manière avantageuse, cette vitesse Vr est au moins égale à 100 m/min, plus préférentiellement au moins égale à 200 m/min.
Enfin, le procédé de régénération de l'invention est préférentiellement mis en oeuvre en ligne et en continu avec le procédé de filage de l'invention, de telle manière que toute la chaîne de fabrication, de l'extrusion de la solution à travers la filière jusqu'au séchage de la fibre régénérée, soit ininterrompue.
III. EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION
Les essais décrits ci-après peuvent être soit des essais conformes à l'invention, soit des essais non conformes à l'invention.
III- 1. FIBRES EN FORMIATE DE CELLULOSE
A) Fibres conformes à l'invention (tableau 1):
On réalise au total 14 essais de filage de fibres en formiate de cellulose, selon le procédé de filage de l'invention, et en se conformant en particulier aux
indications fournies au paragraphes II- 1 et II-2 précédents.
L'étape de coagulation et l'étape de lavage neutre de la fibre coagulée sont toutes deux réalisées dans de l'acétone.
Le tableau 1 donne à la fois les conditions particulières de réalisation du procédé de l'invention, et les propriétés des fibres obtenues.
Les abréviations ainsi que les unités utilisées dans ce tableau 1 sont les suivantes:
N° Essai : numéro de l'essai (référencé de A-1 à A-14);
N : nombre de filaments de la fibre;
C : concentration en cellulose dans la solution de filage (% en poids);
DP : degré de polymérisation de la cellulose dans la solution de filage;
Vf : vitesse de filage (en m/min);
Tc : température du milieu coagulant (en °C);
Rs : taux de solvant résiduel dans la fibre à la sortie des moyens de coagulation (% en poids);
σc : contrainte de tension subie par la fibre à la sortie des moyens de coagulation (en cN/tex);
Ti : titre de la fibre (en tex):
Te : ténacité de la fibre (en cN/tex);
Mi : module initial de la fibre (en cN/tex);
Ar : allongement à la rupture de la fibre (en %);
Er : énergie à la rupture de la fibre (en J/g);
Ds : degré de substitution de la cellulose en groupes formiate. dans la fibre (en %);
Pour la réalisation de ces essais, on utilise en outre les conditions particulières suivantes:
- toutes les solutions de filage sont préparées à partir de cellulose en poudre (de teneur initiale en eau égale à environ 8 % en poids, de degré de polymérisation compris entre 500 et 600), d'acide formique et d'acide orthophosphorique (contenant chacun environ 2,5 % en poids d'eau) ;
- ces solutions contiennent (% en poids) de 16 à 22 % de cellulose, de 60 à 65 % d'acide phosphorique, et de 18 à 19 % d'acide formique (total), le rapport pondéral (acide formique/acide phosphorique) initial étant égal à 0,30 environ ;
- ces solutions sont optiquement anisotropes, et contiennent au total moins de 10 % d'eau (% en poids);
- le degré de substitution de la cellulose, dans les solutions, est compris entre 40 et 45 % pour les solutions contenant 16 % en poids de cellulose, entre 30 et 40 % pour les autres solutions plus concentrées ;
- les filières comportent 500 ou 1000 capillaires de forme cylindrique, de diamètre 50 ou 65 μm ;
- les températures de filage sont comprises entre 40 et 50°C;
- les valeurs de FEF sont comprises entre 2 et 6 (entre 2 et 4 pour les essais A-l, A-5 à A-9, A- 14 ; entre 4 et 6 pour les autres essais);
- la couche fluide non coagulante est constituée par une couche d'air (épaisseur variant de 10 à 40 mm selon les essais) ;
- le taux d'acide phosphorique, dans le milieu coagulant, est stabilisé à un niveau inférieur à 10 % (% en poids de milieu coagulant) ;
- la température de l'acétone de lavage (Tl) est toujours positive, comprise entre 15 et 20°C ;
- le séchage de la fibre est réalisé à 70°C, par passage sur des cylindres chauffants, avec en complément un soufflage d'azote chauffé à 80°C; le taux d'acétone en sortie des moyens de séchage est inférieur à 0,5 % (% en poids de fibre sèche) ;
- sur la fibre terminée, i.e. lavée et séchée. le taux d'acide phosphorique résiduel est inférieur à 0, 1 % (% en poids de fibre sèche).
A la lecture du tableau 1, on note en particulier qu'à l'exception de l'essai A-13, la température Tc de l'acétone de coagulation est toujours négative, inférieure à -10°C dans la majorité des cas.
Le DP de la cellulose, dans la solution, est compris entre 400 et 450, ce qui montre notamment une faible dépolymérisation après la mise en solution.
On constate en outre que pour tous les essais du tableau 1, au moins une des conditions préférentielles suivantes est vérifiée:
Rs < 100 % ; σc < 5 cN/tex , et que ces deux relations sont simultanément vérifiées dans la majorité des cas.
De manière encore plus préférentielle, les deux relations suivantes sont simultanément vérifiées:
Rs < 50 % ; σc < 2 cN/tex ,
D'autre part, les vitesses de filage sont élevées, puisqu'elles sont égales pour la plupart à 150 m/min.
Toutes les propriétés mécaniques indiquées dans le tableau 1 sont des valeurs moyennes calculées sur 10 mesures, à l'exception du titre (moyenne sur 3 mesures), l'écart-type sur la moyenne (en % de cette moyenne) étant
généralement compris entre 1 et 2,5 %.
A la lecture du tableau 1, on constate que toutes les fibres vérifient les relations suivantes:
- Ds≥ 2 ;
- Te > 45 ;
- Mi > 800 ;
- Ar > 6 ;
- Er > 13,5 .
De préférence, pour les fibres en formiate de cellulose de l'invention, les valeurs de Ds sont comprises entre 25 et 50 %. On constate que dans ces exemples, elles sont toutes comprises entre 30 et 45 % : en pratique, elles sont identiques aux valeurs de degrés de substitution mesurées sur les solutions de filage
correspondantes.
De manière préférentielle, leur allongement à la rupture Ar est supérieur à 7 % (exemples A-4 à A-6), de manière encore plus préférentielle supérieur à 8 % (exemples A-5 et A-6). Par ailleurs, ces fibres du tableau 1 vérifient pour la plupart les relations préférentielles suivantes:
Te > 60 ; Mi > 1200 ; Er > 20 .
De manière encore plus préférentielle, au moins une des relations suivantes est vérifiée:
Te > 70 ; Mi > 1500 ; Er > 25 .
Pour tous les exemples du tableau 1, on constate en outre que la relation suivante est vérifiée:
Mi < 1800 .
Cependant, des valeurs de module initial particulièrement élevées, par exemple comprises entre 1800 et 2200 cN/tex, voire plus, sont encore accessibles sur les fibres en formiate conformes à l'invention, normalement au détriment de l'allongement à la rupture, en adaptant les paramètres du procédé de filage selon l'invention. Ceci pourra être réalisé notamment en augmentant les contraintes de tensions sur la ligne de filage, par exemple en sortie des moyens de coagulation, pendant le lavage ou encore au cours du séchage de la fibre ; on a observé également que l'emploi de concentrations C relativement élevées, notamment comprises entre 24 et 30 %, étaient favorables à l'obtention de modules initiaux et de ténacités très élevés. B) Fibres non conformes à l'invention (tableau 2):
On réalise 5 essais de filage (référencés de B-1 à B-5) de fibres en formiate de cellulose, selon un procédé de filage non conforme à l'invention.
Les conditions générales et particulières utilisées pour le filage sont les mêmes que celles utilisées pour les fibres du tableau 1 précédent, à une exception près: l'étape de lavage neutre de la fibre coagulée est réalisée avec de l'eau (comme dans la demande WO 85/05115 précitée), et non avec de l'acétone. Cette eau de lavage est de l'eau industrielle, à une température voisine de 15°C. D'autre part les fibres contiennent de 250 à 1000 filaments.
Le tableau 2 donne à la fois les conditions particulières de réalisation du procédé de l'invention, et les propriétés des fibres obtenues. Les abréviations ainsi que les unités utilisées dans ce tableau 2 sont les mêmes que pour le tableau 1 précédent.
On note que ces fibres du tableau 2, filées selon la méthode enseignée par la demande WO 85/05115 précitée, peuvent présenter des caractéristiques tout à fait intéressantes de ténacité et de module initial ; en particulier, après une étape de régénération conventionnelle selon l'art antérieur (solution aqueuse de NaOH faiblement concentrée), elles peuvent être transformées en des fibres régénérées possédant de très hautes ténacités (110 à 120 cN/tex, voire plus) combinées à de très hautes valeurs de module initial (3000 à 3500 cN/tex, voire plus).
Néanmoins, aucune de ces fibres du tableau 2 n'est conforme à l'invention, la relation suivante n'étant pas vérifiée:
Ar > 6.
III-2. FIBRES EN CELLULOSE REGENEREE
A) Fibres conformes à l'invention (tableau 3):
On réalise au total 23 essais de régénération de fibres en formiate de cellulose, conformément au procédé de régénération de l'invention, selon les indications fournies au paragraphe II-3 précédent.
Tous ces essais de régénération sont conduits en ligne et en continu avec l'opération de filage, cette dernière étant réalisée conformément au procédé de filage de l'invention: en particulier, l'étape de coagulation et l'étape de lavage neutre de la fibre coagulée sont toutes deux réalisées dans de l'acétone.
Le milieu régénérant est une solution aqueuse de soude, dont la concentration Cs est dans tous les cas supérieure à 16 %.
Le tableau 3 donne à la fois des conditions particulières de réalisation du procédé de l'invention, et les propriétés des fibres obtenues.
Les abréviations ainsi que les unités utilisées dans ce tableau 3 sont les suivantes:
N° Essai : numéro de l'essai (référencé de C-1 à C-23);
N : nombre de filaments de la fibre régénérée;
Cs : concentration en soude du milieu régénérant (% en poids);
Vr : vitesse de régénération (en m/min);
TI : titre de la fibre (en tex);
TE : ténacité de la fibre (en cN/tex);
MI : module initial de la fibre (en cN/tex);
AR : allongement à la rupture de la fibre (en %);
ER : énergie à la rupture de la fibre (en J/g); Pour la réalisation de ces essais, on utilise en outre les conditions particulières suivantes:
- les fibres en formiate de cellulose de départ, dont un échantillon (quelques centaines de mètres) a été systématiquement prélevé en sortie des moyens de filage, pour contrôle de leurs propriétés mécaniques, sont toutes conformes à l'invention ; en particulier, elles possèdent toutes un
allongement à la rupture supérieur à 6 % ;
- le milieu régénérant utilisé est à température ambiante (environ 20°C);
- les moyens de régénération, de lavage, et de séchage sont constitués par des cabines équipées de cylindres motorisés sur lesquels vient s'enrouler la fibre à traiter ;
- la régénération étant opérée en ligne et en continu avec le filage, la vitesse de régénération Vr indiquée au tableau 3 (de 55 à 200 m/min) est donc égale à la vitesse de filage Vf ;
- le lavage est réalisé avec de l'eau industrielle à une température de 15°C environ ;
- le séchage de la fibre lavée est réalisé sur des cylindres chauffants, à différentes températures variant de 80°C à 240°C, selon le schéma particulier ci-après: de 80°C à 120°C pour les essais C-2, C-3, C-5, C-10, C-17 ; à 240°C pour l'essai C-11 ; de 160°C à 190°C pour les autres essais ;
- les contraintes de tension mesurées à l'entrée des moyens de régénération, de lavage, et de séchage sont toujours inférieures à 10 cN/tex, dans la majorité des cas inférieures à 5 cN/tex, sauf pour les essais C-7, C-9, C-l 5 où l'on a mesuré une tension égale ou supérieure à 5 cN/tex à l'entrée d'au moins un des moyens ci-dessus ; ces contraintes de tension sont inférieures à 2 cN/tex à chaque entrée des trois moyens énoncés ci-dessus
(régénération, lavage et séchage) pour un grand nombre d'essais: C-2 à C-5, C-10 à C-11, C-13 à C-14, C-16 à C-23 ;
- les temps de séjour dans les moyens de régénération sont de l'ordre de
15 s, comme dans les moyens de lavage, alors qu'ils sont de l'ordre de 10 s dans les moyens de séchage ;
- à la sortie des moyens de séchage, les fibres présentent un taux d'humidité résiduelle de l'ordre de 12 % à 13 % (% en poids de fibre sèche).
Une mesure du degré de substitution, comme indiqué au paragraphe I-2.2, a montré que toutes les fibres du tableau 3 ont une valeur de Dg comprise entre 0 et 2 %, dans la grande majorité des cas entre 0, 1 et 1 %.
Comme pour les résultats précédents, toutes les propriétés mécaniques indiquées dans le tableau 3 sont des valeurs moyennes calculées sur 10 mesures, à l'exception du titre (moyenne sur 3 mesures), l'écart-type sur ces différentes moyennes (en % de la moyenne) étant généralement compris entre 1 et 2,5 %.
On constate que les fibres régénérées du tableau 3 vérifient toutes les relations suivantes:
- TE > 60 ;
- MI > 1000 ;
- AR > 6 ;
- ER > 17,5 .
De manière préférentielle, leur allongement à la rupture AR est supérieur à 7 % (exemples C-4 à C-11, C-13 à C-16, C-19 et C-20), de manière encore plus préférentielle supérieur à 8 % (exemple C-4).
La meilleure valeur d'allongement à la rupture (AR = 8,4 % pour l'essai C-4) a été notamment obtenue par filage et régénération en ligne d'une solution contenant 16 % en poids de cellulose et dont le DP était égal à 420 environ.
L'échantillon de fibre en formiate correspondante, prélevé en sortie de filage pour mesure des propriétés mécaniques, a montré les propriétés suivantes:
Ds = 40 ; Te = 60 ; Mi = 1290 ; Ar = 8,4 ; Er = 25,3 .
Par ailleurs, la grande majorité des fibres du tableau 3 vérifient les relations suivantes:
TE > 80 ; MI > 1500 ; ER > 25 , un grand nombre d'entre elles vérifiant au moins une des relations suivantes:
TE > 100 ; MI > 2000 ; ER > 30 .
On note en particulier des ténacités particulièrement élevées (égales ou supérieures à 100 cN/tex) dans le cas des essais C-1, C-7, C-18, C-21 et C-22, combinées à de hautes valeurs d'allongement et d'énergie à la rupture, voire même à de hautes valeurs de module initial, supérieures à 2400 cN/tex dans le cas des essais C-18, C-21 et C-22. Pour tous les exemples du tableau 3, on constate en outre que la relation suivante est vérifiée:
MI < 2600 .
Cependant, des valeurs de module initial particulièrement élevées, par exemple comprises entre 2600 et 3000 cN/tex, sont encore accessibles sur les fibres régénérées conformes à l'invention, normalement au détriment de l'allongement à la rupture, en adaptant les paramètres du procédé de régénération selon
l'invention. Ceci pourra être réalisé notamment en augmentant les contraintes de tensions sur la ligne de régénération, ou encore en sélectionnant des fibres de départ (en formiate de cellulose) présentant déjà des valeurs particulièrement élevées de module initial, par exemple entre 1800 et 2200 cN/tex.
Si pour la majorité des exemples du tableau 3, le titre filamentaire (titre de la fibre TI divisé par le nombre N de filaments) est égal à 1,8 dtex (decitex) environ (titre filamentaire le plus courant pour les fibres cellulosiques), ce dernier peut varier dans une large mesure, par exemple de 1,4 dtex à 4,0 dtex, voire plus, en ajustant de manière connue les conditions de filage. A titre d'exemple, les fibres régénérées des essais C-l 9 et C-20 possèdent, respectivement, un titre
filamentaire de 2,9 dtex et de 3,6 dtex. De manière générale, on a observé une augmentation de l'allongement à la rupture AR, combinée à une diminution de la ténacité TE et du module initial MI, lorsque le titre filamentaire augmente. B) Fibres non conformes à l'invention (tableau 4):
On réalise au total 9 essais de régénération de fibres en formiate de cellulose (référencés de D-1 à D-9), selon un procédé de régénération non conforme à l'invention.
Les conditions de régénération sont les mêmes que celles utilisées pour les fibres conformes à l'invention du tableau 3 précédent, à une exception près: le milieu régénérant est une solution aqueuse de soude dont la concentration en soude Cs est au plus égale à 16 %.
Le tableau 4 donne à la fois les conditions particulières de réalisation du procédé de l'invention, et les propriétés des fibres obtenues. Les abréviations ainsi que les unités utilisées dans ce tableau 4 sont les mêmes que pour le tableau 3 précédent.
Toutes les fibres obtenues sont bien régénérées, dans la mesure où, après contrôle, les valeurs de degré de substitution DS sont toujours inférieures à 2 %, plus précisément comprises entre 0,1 % et 1,0 %.
Ces fibres du tableau 4 peuvent présenter des caractéristiques particulièrement élevées de ténacité et de module initial (voir notamment D-7 à D-9), mais on constate qu'aucune d'entre elles n'est conforme à l'invention, la relation suivante n'étant pas vérifiée:
AR > 6.
Dans les exemples D-4 et D-5 (Cs = 6 % et 12 %), on a observé notamment une dissolution partielle à la surface des filaments, conduisant à la présence de filaments mariés, à un mauvais état général de la fibre entraînant de très grosses difficultés pour réaliser un lavage neutre. Dans l'exemple D-6, les mêmes phénomènes ont été rencontrés, mais à un degré moindre: on est ici aux limites du procédé de l'invention (Cs = 16 %), et on note en particulier un allongement à la rupture très proche de 6 %.
Une comparaison des exemples D-3 et C-12 (tableau 3) s'avère tout à fait intéressante, dans la mesure où les opérations de régénération ont été conduites sur une même fibre en formiate de cellulose et, à l'exception de la concentration en soude du milieu régénérant (3 % pour l'esssai D-3, 30 % pour l'essai C-12), dans des conditions particulières rigoureusement identiques.
On constate en effet que par rapport à une régénération conventionnelle avec une solution de soude faiblement concentrée (essai D-3), le procédé de l'invention (essai C-12) a permis d'améliorer de manière très sensible les valeurs de ténacité (augmentation de 18 %), d'allongement à la rupture (augmentation de 33 %), d'énergie à la rupture (augmentation de 55 %), sans modification notable de la valeur de module initial.
Toutes les fibres des tableaux 1 à 4 précédents, en formiate de cellulose ou en cellulose régénérée, qu'elles soient conformes ou non à l'invention, présentent une structure et une morphologie typiques de produits filés à partir d'une solution cristal-liquide, telles que décrites notamment dans la demande de base WO 85/05115.
En particulier, lorsqu'on étudie leurs filaments avec un microscope optique ou un microscope électronique à balayage, on observe une morphologie telle que chaque filament est constitué au moins en partie par des couches emboîtées les unes dans les autres entourant l'axe du filament ; on constate en outre que dans chaque couche, en général, la direction optique et la direction de cristallisation varient de manière quasipériodique le long de l'axe du filament. Une telle structure ou morphologie est décrite couramment dans la littérature sous le nom de "structure en bande". C) Autres propriétés des fibres en cellulose régénérée conformes à l'invention -Utilisation en pneumatique:
Outre les propriétés mécaniques améliorées exposées précédemment, les fibres en cellulose régénérée de l'invention présentent de nombreux autres avantages lorsqu'on les compare aux fibres décrites dans la demande de base WO 85/05115 précitée d'une part, aux fibres conventionnelles du type rayonne d'autre part.
C-1. Comparaison avec les fibres en cellulose régénérée selon WO 85/05115:
Comparées aux fibres décrites dans la demande de base WO 85/05115, les fibres de l'invention présentent notamment une résistance à la fatigue très sensiblement améliorée, tant en test laboratoire qu'en roulage pneumatique.
Endurance en compression (test laboratoire):
Pour des fibres techniques, destinées notamment à renforcer des structures de pneumatiques, la résistance à la fatigue peut être analysée en soumettant des assemblages de ces fibres à divers tests de laboratoire connus, notamment au test de fatigue connu sous le nom de "Disc Fatigue Test" (voir par exemple US 2 595 069, norme ASTM D885-591 révisée 67T).
Ce test bien connu de l'homme du métier (voir par exemple US 4 902 774) consiste essentiellement à incorporer des retors des fibres à tester, préalablement encollés, dans des blocs de caoutchouc, puis, après cuisson, à fatiguer les éprouvettes de gomme ainsi constituées en compression, entre deux disques tournants, un très grand nombre de cycles (par exemple entre 100 000 et 1 000 000 cycles). Après fatigue, les retors sont extraits des éprouvettes et leur force rupture résiduelle est comparée à la force rupture de retors témoins extraits d'éprouvettes non fatiguées.
Les fibres de l'invention, comparées aux fibres de la demande de base WO 85/05115, montrent systématiquement une endurance nettement améliorée au "Disc Fatigue Test".
A titre d'exemple, des fibres selon l'invention présentant un allongement à la rupture préférentiel supérieur à 7 %, ainsi que des fibres selon la demande WO 85/05115 ayant toutes un allongement à la rupture inférieur à 5 %, ont été assemblées pour former des retors (de type "A" et "B", respectivement) ayant la même formule 180x2 (tex) 420/420 (t/m).
De manière connue, une telle formule signifie que chaque retors est constitué par deux filés (fibres multifilamentaires), ayant chacun un titre de 180 tex avant torsion, qui sont d'abord tordus individuellement à 420 t/m dans une direction au cours d'une première étape, puis tordus les deux ensemble à 420 t/m en sens inverse au cours d'une seconde étape. Pour un tel retors, l'angle d'hélice est de 27° environ et le coefficient de torsion (ou encore facteur de torsion) K est d'environ 215, avec:
K = Torsion du retors (en t/m) × [ Titre du retors (en tex) / 1520 ] 1/2.
(densité cellulose : 1,52)
Plusieurs retors du type "A" (selon l'invention) et du type "B" (selon WO 85/051 15) ont été soumis au "Disc Fatigue Test" ci-dessus (6 heures à 2700 cycles/min, avec un taux de compression maximal de l'éprouvette de 16 % environ à chaque cycle) ; on a enregistré, sur les retors extraits, les déchéances de force-rupture qui suivent (données en valeurs relatives, avec une base 100 pour la déchéance maximale enregistrée sur un retors du type "B"):
- retors type "A" : 25 à 40 ;
- retors type "B" : 70 à 100 .
La résistance à la fatigue des fibres régénérées de l'invention est don nettement améliorée - d'un facteur deux à trois en moyenne - par rapport aux fibres régénérées de la demande initiale WO 85/05115.
Endurance en pneumatique:
La capacité de fibres techniques à renforcer des pneumatiques peut être analysée, de manière connue, en renforçant une nappe de caoutchouc avec des retors des fibres à tester, préalablement encollés, en incoφorant le tissu ainsi constitué dans une structure de pneumatique, par exemple dans une armature de nappe carcasse, puis en soumettant le pneumatique ainsi renforcé à un test de roulage.
De tels tests de roulage sont largement connus de l'homme du métier, ils peuvent être par exemple mis en oeuvre sur des machines automatiques permettant de faire varier un grand nombre de paramètres (pression, charge, température ...) au cours du roulage. Après roulage, les retors sont extraits du pneumatique testé, et leur force-rupture résiduelle est comparée à celle de retors témoins extraits de pneumatiques témoins n'ayant pas subi le roulage.
On a constaté que les fibres de l'invention, lorsqu'elles sont utilisées pour renforcer une carcasse radiale de pneumatique, montrent une endurance qui est nettement améliorée par rapport aux fibres selon WO 85/05115. En particulier, on a observé que là où des fibres selon l'art antérieur ne résistaient pas (rupture des retors du type "B" ci-dessus), en raison de conditions de roulage particulièrement sévères, les fibres de l'invention
(retors du type "A" ci-dessus) ne montraient quasiment pas de déchéance, même après plusieurs dizaines de milliers de kilomètres.
C-2. Comparaison avec les fibres conventionelles du type rayonne:
En plus de leurs propriétés mécaniques en extension nettement plus élevées, les fibres régénérées de l'invention présentent d'autres caractéristiques tout à fait avantageuses, comparées aux fibres rayonne conventionnelles.
Résistance à l'humidité:
La résistance à l'humidité des fibres cellulosiques peut être analysée à l'aide de divers tests connus, un test simple consistant par exemple à tremper complètement les fibres dans un bain d'eau, pendant un temps déterminé, puis à mesurer la force-rupture des fibres à l'état mouillé, en les tractiormant immédiatement en sortie du bain d'eau après les avoir simplement égouttées.
Après 24 heures de stockage dans l'eau à température ambiante, on constate que la force-rupture à l'état mouillé, pour les fibres de l'invention, représente 80 à 90 %, selon les cas, de la force-rupture nominale (ie à l'état sec, mesurée comme indiqué au paragraphe I-4.). Pour les fibres rayonne, elle ne représente plus que 60 % environ de la force-rupture nominale.
Les fibres de l'invention sont donc nettement moins sensibles à l'humidité que les fibres rayonne conventionnelles, elles présentent une meilleure stabilité dimensionnelle en milieu humide.
Propriétés mécaniques sur retors:
Les fibres de l'invention peuvent être assemblées, comme décrit
précédemment, pour former des assemblages de renforcement à hautes ou très hautes propriétés mécaniques, notamment des retors dont la
construction peut être adaptée dans une très large mesure en fonction de l'application envisagée. On sait par exemple qu'une augmentation de la torsion, i.e. de l'angle d'hélice, améliore généralement l'endurance du retors, augmente son allongement à la rupture, tout en étant cependant
préjudiciable à sa ténacité et à son module en extension.
Même pour de très hautes torsions, correspondant par exemple à un angle d'hélice de l'ordre de 29-30°, qui confèrent aux retors d'excellentes propriétés d'endurance, les fibres de l'invention, à l'état retordu, possèdent une ténacité qui est encore supérieure à la ténacité de fibres rayonne non retordues. A titre d'exemple, les retors conformes à l'invention, préparés selon des méthodes de retordage connues à partir des fibres de l'invention, présentent, lorsqu'on fait varier l'angle d'hélice du retors de 20 jusqu'à 30 degrés, une ténacité qui peut varier de 75-80 cN/tex jusqu'à 45-50 cN/tex, par exemple une ténacité de l'ordre de 58-66 cN/tex pour un angle d'hélice de 23-24° (K = 180 environ), ou de 53-57 cN/tex pour un angle d'hélice de 26-27° (K = 215 environ), ainsi qu'un allongement à la rupture pouvant atteindre des valeurs proches de 10 %, voire supérieures.
Ainsi, les ténacités des retors conformes à l'invention, à torsion équivalente (même angle d'hélice), sont généralement largement supérieures aux ténacités sur retors pouvant être obtenues à partir de fibres du type rayonne dont la ténacité ne dépasse guère, de manière connue, 45-50 cN/tex avant retordage. On pourra donc les utiliser en moindre quantité dans des articles habituellement renforcés par des fibres rayonne conventionnelles.
Endurance en pneumatique:
Pour des conditions de roulage réelles, mises en oeuvre sur des véhicules de tourisme équipés de pneumatiques de dimension 165/70 R 13, on a constaté de manière inattendue que des fibres de l'invention (malgré une structure nettement plus rigide et plus cristallisée puisqu'elles sont issues d'une phase cristal-liquide), révélaient tout au long des tests de roulage (par exemple contrôle tous les 5 000 km, de 20 000 à 80 000 km) une endurance identique à celle d'une fibre rayonne conventionnelle, pour une construction de retors identique.
Modules en extension:
Les fibres de l'invention, dont la caractéristique première est un
allongement à la rupture amélioré, possèdent un module initial qui reste tout à fait élevé (par exemple 1500 à 2600 cN/tex environ dans le tableau 3), dans tous les cas très nettement supérieur à celui des fibres rayonne conventionnelles (1000 cN/tex environ, de manière connue).
Cette supériorité des fibres de l'invention en terme de module, qui se retrouve bien entendu sur les assemblages de renforcement de ces fibres, peut être tout à fait avantageuse pour des articles renforcés habituellement par des fibres techniques rayonne conventionnelles, en offrant à de tels articles la possibilité d'une stabilité dimensionnelle améliorée : en effet, pour une même variation Δ(F) de la charge ou force "F" s'exerçant sur un assemblage de chaque type, l'assemblage conforme à l'invention subira une variation Δ(A) de longueur ou d'allongement "A" nettement moindre. En conclusion, une comparaison des résultats de l'invention avec ceux décrits dans la demande WO 85/05115, tant pour les fibres en formiate de cellulose que pour les fibres en cellulose régénérée, montre que l'invention a permis non seulement d'augmenter de manière très sensible les valeurs d'allongement à la rupture, qui sont plus que doublées dans certains cas, mais encore de maintenir les valeurs de ténacité à un niveau très élevé, voire même de les améliorer dans de nombreux cas.
L'avantage d'un tel résultat doit être particulièrement souligné.
L'amélioration apportée par l'invention ne consiste pas en un simple déplacement vers un autre optimum d'une combinaison donnée [ténacité-allongement à la rupture], avec une énergie à la rupture restant sensiblement la même (surface totale sous la courbe de traction Force- Allongement restant sensiblement constante) ; elle consiste en fait en une amélioration très sensible de toute combinaison [ténacité-allongement à la rupture], permettant en quelque sorte de "prolonger" les courbes Force-Allongement obtenues pour les fibres de la demande initiale WO 85/05115, et d'obtenir ainsi une énergie à la rupture très nettement améliorée (surface augmentée sous la la courbe Force-Allongement).
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples précédemment décrits.
C'est ainsi par exemple que différents constituants peuvent être éventuellement ajoutés aux constituants de base précédemment décrits (cellulose, acide formique, acide phosphorique, acétone, soude), sans que l'esprit de l'invention soit modifié.
C'est ainsi que le terme "formiate de cellulose" utilisé dans ce document couvre les cas où les groupes hydroxyle de la cellulose sont substitués par d'autres groupes que les groupes formiate, en plus de ces derniers, par exemple des groupes esters, notamment des groupes acétate, le degré de substitution de la cellulose en ces autres groupes étant de préférence inférieur à 10 %.
Les constituants supplémentaires, de préférence chimiquement non réactifs avec les constituants de base, peuvent être par exemple des plastifiants, des ensimages, des colorants, des polymères autres que la cellulose susceptibles éventuellement d'être estérifiés pendant la réalisation de la solution. Il peut s'agir également de divers additifs permettant par exemple d'améliorer la filabilité des solutions de filage, les propriétés d'usage des fibres obtenues, l'adhésivité de ces fibres à une matrice de gomme.
L'invention couvre également les cas où on utilise une filière constituée de un ou plusieurs capillaires non cylindriques, de formes diverses, par exemple d'un seul capillaire en forme de fente, le terme "fibre" utilisé dans la description et les revendications devant alors être entendu dans un sens plus général, pouvant inclure notamment le cas d'un film en formiate de cellulose ou d'un film en cellulose régénérée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Fibre en formiate de cellulose, caractérisée par les relations suivantes :
- Ds≥ 2 ;
- Te > 45 ;
- Mi > 800 ;
- Ar > 6 ;
- Er > 13,5 ,
Ds étant le degré de substitution de la cellulose en groupes formiate (en %), Te étant sa ténacité en cN/tex. Mi étant son module initial en cN/tex, Ar étant son allongement à la rupture en %. Er étant son énergie à la rupture en J/g.
2. Fibre selon la revendication 1. caractérisée par la relation suivante :
Ar > 7 .
3. Fibre selon la revendication 2, caractérisée par la relation suivante :
Ar > 8 .
4. Fibre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par les relations suivantes:
Te > 60 ; Mi > 1200 ; Er > 20 .
5. Fibre selon la revendication 4, caractérisée par au moins une des relations suivantes:
Te > 70 ; Mi > 1500 ; Er > 25 .
6. Procédé de filage d'une solution de formiate de cellulose dans un solvant à base d'acide phosphorique, selon la méthode de filage dite de "dry-jet-wet spinning", pour obtenir une fibre conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape de coagulation de la fibre et l'étape de lavage neutre de la fibre coagulée sont toutes deux réalisées dans de l'acétone.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la température de l'acétone de coagulation est négative, et en ce que la température de l'acétone de lavage est positive.
8. Procédé selon la revendication 7. caractérisé en ce que l'on a les relations suivantes:
Tc < -10°C : T1 > +10°C , Tc étant la température de l'acétone de coagulation et T1 étant la température de l'acétone de lavage.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'au moins une des caractéristiques suivantes est vérifiée: a) le taux de solvant résiduel dans la fibre, à la sortie des moyens de coagulation (noté Rs), est inférieur à 100 % en poids de fibre sèche ; b) la contrainte de tension subie par la fibre à la sortie des moyens de coagulation (notée σc) est inférieure à 5 cN/tex.
10. Procédé selon la revendication 9. caractérisé par les relations suivantes :
Rs < 50 % ; σc < 2 cN/tex .
11. Fibre en cellulose régénérée à partir du formiate de cellulose, caractérisée par les relations suivantes:
- 0 < Ds < 2 ;
- TE > 60 ;
- MI > 1000 ;
- AR > 6 ;
- ER > 17,5 ,
DS étant le degré de substitution de la cellulose en groupes formiate (en %), TE étant sa ténacité en cN/tex, MI étant son module initial en cN/tex, AR étant son allongement à la rupture en %, ER étant son énergie à la rupture en J/g.
12. Fibre selon la revendication 1 1, caractérisée par la relation suivante:
AR > 7 .
13. Fibre selon la revendication 12, caractérisée par la relation suivante:
AR > 8 .
14. Fibre selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisée par les relations suivantes:
TE > 80 ; MI > 1500 ; ER > 25 .
15. Fibre selon la revendication 14, caractérisée par au moins une des relations suivantes:
TE > 100 ; MI > 2000 ; ER > 30 .
16. Procédé pour obtenir une fibre en cellulose régénérée conforme à l'une quelconque des revendications 1 1 à 15, par passage d'une fibre en formiate de cellulose dans un milieu régénérant, lavage, puis séchage, caractérisé en ce que le milieu régénérant est une solution aqueuse de soude dont la concentration en soude, notée Cs, est supérieure à 16 % (% en poids).
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'on a la relation suivante:
Cs > 18 % ;
18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'on a la relation suivante:
Cs > 22 % ;
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 16 à 18, caractérisé en ce que les contraintes de tension subies par la fibre, à l'entrée des moyens de régénération, des moyens de lavage et des moyens de séchage, sont inférieures à 10 cN/tex.
20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que les contraintes de tension sont inférieures à 5 cN/tex.
21. Procédé selon l'une quelconque des revendications 16 à 20, caractérisé en ce que l'on part d'une fibre en formiate de cellulose conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5.
22. Procédé selon l'une quelconque des revendications 16 à 21, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre en ligne et en continu avec le procédé conforme à l'une quelconque des revendications 6 à 10.
23. Assemblage de renforcement comportant au moins une fibre en formiate de cellulose selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et/ou au moins une fibre en cellulose régénérée selon l'une quelconque des revendications 11 à 15.
24. Article renforcé par au moins une fibre en formiate de cellulose selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et/ou au moins une fibre en cellulose régénérée selon l'une quelconque des revendications 11 à 15 et/ou au moins un assemblage selon la revendication 23.
25. Article selon la revendication 24, caractérisé en ce qu'il est une enveloppe de pneumatique.
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