EP1299583B1 - Verfahren zur herstellung cellulosischer fasern - Google Patents

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EP1299583B1
EP1299583B1 EP01944725A EP01944725A EP1299583B1 EP 1299583 B1 EP1299583 B1 EP 1299583B1 EP 01944725 A EP01944725 A EP 01944725A EP 01944725 A EP01944725 A EP 01944725A EP 1299583 B1 EP1299583 B1 EP 1299583B1
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EP
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fibers
temperature
air
cooling air
cellulose
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Hartmut Rüf
Christoph Schrempf
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Lenzing AG
Chemiefaser Lenzing AG
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/08—Melt spinning methods
    • D01D5/088—Cooling filaments, threads or the like, leaving the spinnerettes
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1.
  • “Lyocell” is that of BISFA (The International Bureau for the Standardization of man made fibers) Generic generic names for cellulose fibers, which are produced thereby be that cellulose without formation of a derivative in an organic solvent is dissolved and fibers are extruded from this solution. Under an organic The solvent becomes a mixture of an organic chemical and water Roger that. Such fibers are also referred to as "solvent-spun fibers" known.
  • the organic solvent used today is N-methyl-morpholine-N-oxide on a commercial scale used.
  • Lyocell fibers and the stability of the Spinning process are significantly influenced by the conditions in the so-called air gap between the spinneret and the precipitation bath surface.
  • PCT-WO 94/28218 describes a method similar to PCT-WO 93/19230. According to this document, the temperature of the cooling air should be kept below 50 ° C.
  • PCT-WO 95/02082 A method is known from PCT-WO 95/02082 according to which the spinning hole diameter, the spinning mass output per hole, the titer of the individual filament, the width of the air gap and the humidity of the air in the air gap using a mathematical Expression should be kept in certain areas.
  • PCT-WO 95/02082 there is no information about the temperature of the cooling air. In the Descriptions are generally temperatures between 10 ° C and 60 ° C, preferably between 20 ° C and 40 ° C specified.
  • PCT-WO 96/17118 deals with the moisture content of the cooling air.
  • the highest in The temperature of the cooling air specified in this document is 40 ° C.
  • the temperature of the cooling air can be 0 ° C to 40 ° C.
  • PCT-WO 97/38153 specifies the temperature of the cooling air at -10 ° C to 50 ° C.
  • PCT-WO 98/58103 it is described that with a large number of extruded filaments, i.e. when using spinnerets with a large number of spinning holes, creates a very humid climate in the air gap. To the stability of the spinning process too To guarantee under these conditions, it is proposed in PCT-WO 98/58103 that the spinning solution contains a certain proportion of cellulose immediately before spinning and / or another polymer with a higher molecular weight.
  • the temperature of the spinning solution must also be kept high when one Low titer fibers, e.g. want to spin less than 1 dtex. With such fibers the filaments in the air gap must be stretched particularly strongly. Without increasing the The temperature of the spinning solution would also be the viscosity of the spinning solution for this Draw too high.
  • the temperature of the spinning solution should be 80 ° C to 120 ° C during spinning, in particular 100 ° C to 120 ° C. Because solutions of cellulose in NMMO are thermal are unstable and tend to exothermic decomposition reactions, but it is not desirable to raise the temperature of the cellulose solution.
  • the present invention has for its object a method according to the generic term to provide which cellulose solutions of high viscosity better spun and fibers with small titers can be produced better.
  • This object is achieved in that the temperature (T) of the cooling air before contact with the filaments applies 60 ° C ⁇ T ⁇ 90 ° C.
  • the cooling air preferably has a moisture content of 4 g H 2 O / kg air to 15 g H 2 O / kg air.
  • the method according to the invention is particularly suitable for the production of fibers a titer of less than 1 dtex.
  • a spinning solution with 15% by weight cellulose (cellulose: Cellunier F, manufacturer Rayonnier), 10% by weight of water and 75% by weight of NMMO were mixed using cooling air different temperatures spun into fibers.
  • the minimum achievable titer of the fibers was measured in each case: the maximum withdrawal speed (m / min) of the fibers determined by the Take-off speed is increased until the thread breaks. That speed is noted and used to calculate the titer according to that described in PCT-WO 98/58103 Calculation method used.
  • the strength of the spun fibers was determined in a conditioned state.
  • Spinning solution temperature (° C) Cooling air temperature (° C) Minimum titer (dtex) Strength conditioned (cN / tex) 100 20 2.01 38.1 100 50 1.70 38.7 100 60 1.59 40.1 100 70 1.36 39.8 100 80 1.32 40.6
  • the table shows that at temperatures of the cooling air of over 60 ° C the minimum achievable titer drops significantly. Furthermore, the strength of the fibers increases significantly.
  • a spinning solution with 14.6% by weight cellulose (cellulose Borregaard LVU); 9.5% by weight of water and 75.9% by weight of NMMO were spun into fibers with a titer of 1.3 dtex on a continuous test installation. At various temperatures of the cooling air used, it was measured which spinning mass temperature was required in order to be able to produce fibers with this titer without problems. Cooling air temperature (° C) Required spinning mass temperature (° C) 22 116 65 109
  • the table shows that when using cooling air with a temperature of 65 ° C is possible, the fibers at a significantly lower temperature of the spinning solution manufacture.
  • a spinning solution with 15% by weight of cellulose (pulp Alicell VLV; manufacturer Westem Pulp), 10% by weight of water and 75% by weight of NMMO was spun into fibers using cooling air at different temperatures.
  • the table shows that when using cooling air with higher temperatures it is quite possible to produce fibers with a titer of less than 1 dtex.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Solche Verfahren zur Herstellung cellulosischer Fasern sind unter dem Namen "Aminoxidverfahren" oder "Lyocellverfahren" bekannt.
"Lyocell" ist der von der BISFA (The International Bureau for the Standardization of man made fibers) vergebene Gattungsnamen für Cellulosefasern, welche dadurch hergestellt werden, daß Cellulose ohne Ausbildung eines Derivates in einem organischen Lösungsmittel aufgelöst wird und aus dieser Lösung Fasern extrudiert werden. Unter einem organischen Lösungsmittel wird dabei ein Gemisch aus einer organischen Chemikalie und Wasser verstanden. Solche Fasern sind auch unter dem Begriff "lösungsmittelgesponnene Fasern" bekannt. Als organisches Lösungsmittel wird heute in kommerziellem Maßstab N-Methyl-Morpholin-N-Oxid eingesetzt.
Es ist bekannt, daß die Eigenschaften von Lyocellfasern sowie die Stabilität des Spinnverfahrens maßgeblich von den Bedingungen beeinflußt werden, welche im sogenannten Luftspalt zwischen der Spinndüse und der Fällbadoberfläche herrschen.
So ist aus der PCT-WO 93/19230 bekannt, die extrudierten Filamente unmittelbar nach dem Formen mittels eines Gasstromes zu kühlen. Im folgenden wird dieser Gasstrom als "Kühlluft" bezeichnet. Die Temperatur der Kühlluft beträgt in den Beispielen der PCT-WO 93/19230 -6°C bis 24°C.
Die PCT-WO 94/28218 beschreibt ein ähnliches Verfahren wie die PCT-WO 93/19230. Gemäß diesem Dokument soll die Temperatur der Kühlluft unter 50°C gehalten werden.
Aus der PCT-WO 95/02082 ist ein Verfahren bekannt, gemäß dem der Spinnlochdurchmesser, der Spinnmasseausstoß pro Loch, der Titer des einzelnen Filamentes, die Breite des Luftspaltes und die Feuchte der Luft im Luftspalt mittels eines mathematischen Ausdruckes in gewissen Bereichen gehalten werden sollen. In den Beispielen der PCT-WO 95/02082 sind keine Angaben über die Temperatur der Kühlluft vorhanden. In der Beschreibung werden allgemein Temperaturen zwischen 10°C und 60°C, bevorzugt zwischen 20°C und 40°C angegeben.
Die PCT-WO 96/17118 befaßt sich mit dem Feuchtegehalt der Kühlluft. Die höchste in diesem Dokument angegebene Temperatur der Kühlluft liegt bei 40°C.
Gemäß der PCT-WO 96/21758 kann die Temperatur der Kühlluft 0°C bis 40°C betragen. In der PCT-WO 97/38153 wird die Temperatur der Kühlluft mit -10°C bis 50°C angegeben.
In der PCT-WO 98/58103 wird beschrieben, daß sich bei einer großen Anzahl von extrudierten Filamenten, d.h. bei Verwendung von Spinndüsen mit sehr vielen Spinnlöchern, im Luftspalt ein sehr feuchtes Klima einstellt. Um die Stabilität des Spinnverfahrens auch unter diesen Bedingungen zu gewährleisten, wird in der PCT-WO 98/58103 vorgeschlagen, daß die Spinnlösung unmittelbar vor dem Verspinnen einen gewissen Anteil an Cellulose und/oder einem anderen Polymer mit einem höheren Molekulargewicht enthalten soll.
Ein Problem beim Verspinnen von Celluloselösungen in NMMO besteht darin, daß man bei Lösungen mit einer hohen Viskosität die Spinnlösung bei erhöhten Temperaturen verspinnen muß. Hohe Viskositäten der Spinnlösung ergeben sich beispielsweise dann, wenn die Cellulosekonzentration in der Lösung hoch ist, was natürlich aus ökonomischer Sicht erwünscht ist. Weiters ergeben sich hohe Viskositäten bei der Verwendung von Zellstoffen mit hohen Anteilen von hochmolekularer Cellulose.
Die Temperatur der Spinnlösung muß aber auch dann hoch gehalten werden, wenn man Fasern mit einem geringen Titer, z.B. kleiner als 1 dtex erspinnen möchte. Bei solchen Fasern müssen die Filamente im Luftspalt besonders stark verstreckt werden. Ohne Erhöhung der Temperatur der Spinnlösung wäre auch hier die Viskosität der Spinnlösung für diese Verstreckung zu hoch.
Üblicherweise sollte die Temperatur der Spinnlösung beim Verspinnen 80°C bis 120°C, insbesondere 100°C bis 120°C betragen. Da Lösungen von Cellulose in NMMO thermisch instabil sind und zu exothermen Zersetzungsreaktionen neigen, ist es aber nicht erwünscht, die Temperatur der Celluloselösung zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung stellt sich zur Aufgabe, ein Verfahren gemäß dem Gattungsbegriff zur Verfügung zu stellen, mit welchem Celluloselösungen von hoher Viskosität besser versponnen und Fasern mit kleinen Titern besser hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß für die Temperatur (T) der Kühlluft vor dem Kontakt mit den Filamenten gilt 60°C < T < 90°C.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß bei Verwendung von Kühlluft mit höheren Temperaturen im Bereich gemäß Patentanspruch 1 auch höherviskose Celluloselösungen gut versponnen werden können, ohne daß die Temperatur der Spinnlösung angehoben werden muß. Auch Fasern mit niedrigen Titern, z.B. 0,9 dtex, können ohne Anheben der Temperatur der Spinnlösung gut versponnen werden.
Weiters weisen Fasern, die unter Verwendung von Kühlluft mit höheren Temperaturen hergestellt werden, im Vergleich zu Fasern, die bei gleicher Temperatur der Spinnlösung unter Verwendung von Kühlluft mit geringerer Temperatur hergestellt werden, höhere Festigkeitswerte auf.
Bevorzugt weist die Kühlluft einen Feuchtegehalt von 4 g H2O / kg Luft bis 15 g H2O / kg Luft auf.
Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Fasern mit einem Titer von weniger als 1 dtex.
Beispiel 1:
Eine Spinnlösung mit 15 Gew.% Cellulose (Zellstoff: Cellunier F, Hersteller Fa. Rayonnier), 10 Gew.% Wasser und 75 Gew.% NMMO wurde unter Verwendung von Kühlluft mit verschiedenen Temperaturen zu Fasern versponnen.
Es wurde jeweils der minimal erreichbare Titer der Fasern gemessen: Dazu wird die maximale Abzugsgeschwindigkeit (m/min) der Fasern ermittelt, indem die Abzugsgeschwindigkeit solange gesteigert wird, bis der Faden reißt. Diese Geschwindigkeit wird notiert und zur Berechnung des Titers nach der in der PCT-WO 98/58103 beschriebenen Berechnungsmethode herangezogen.
Weiters wurde jeweils die Festigkeit der versponnenen Fasern in konditioniertem Zustand ermittelt.
Temperatur der Spinnlösung (°C) Temperatur der Kühlluft (°C) Minimaler Titer (dtex) Festigkeit konditioniert (cN/tex)
100 20 2,01 38,1
100 50 1,70 38,7
100 60 1,59 40,1
100 70 1,36 39,8
100 80 1,32 40,6
Aus der Tabelle geht hervor, daß bei Temperaturen der Kühlluft von über 60°C der minimal erreichbare Titer deutlich sinkt. Weiters steigt die Festigkeit der Fasern deutlich an.
Beispiel 2:
Eine Spinnlösung mit 14,6 Gew.% Cellulose (Zellstoff Borregaard LVU); 9,5 Gew.% Wasser und 75,9 Gew.% NMMO wurde an einer kontinuierlichen Versuchsanlage zu Fasern mit einem Titer von 1,3 dtex versponnen. Es wurde bei verschiedenen Temperaturen der eingesetzten Kühlluft gemessen, welche Spinnmassetemperatur erforderlich war, um Fasern mit diesem Titer störungsfrei herstellen zu können.
Temperatur der Kühlluft (°C) Erforderliche Spinnmassetemperatur (°C)
22 116
65 109
Aus der Tabelle geht hervor, daß es bei Verwendung von Kühlluft mit einer Temperatur von 65°C möglich ist, die Fasern bei einer deutlich geringeren Temperatur der Spinnlösung herzustellen.
Beispiel 3:
Eine Spinnlösung mit 15 Gew.% Cellulose (Zellstoff Alicell VLV; Hersteller Westem Pulp) 10 Gew.% Wasser und 75 Gew.% NMMO wurde unter Verwendung von Kühlluft mit verschiedenen Temperaturen zu Fasern versponnen. Es wurden wie im Beispiel 1 beschrieben der minimal erreichbare Titer der Fasern sowie die Festigkeit der versponnenen Fasern in konditioniertem Zustand ermittelt:
Temperatur der Spinnlösung (°C) Temperatur der Kühlluft (°C) Minimaler Titer (dtex) Festigkeit konditioniert (cN/tex)
100 20 1,34 37,4
100 50 1,05 39,2
100 70 0,98 40,4
100 80 0,92 39,1
Aus der Tabelle geht hervor, daß es bei Verwendung von Kühlluft mit höheren Temperaturen gut möglich ist, Fasern mit einem Titer von weniger als 1 dtex herzustellen.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Herstellung cellulosischer Fasern, indem eine Lösung von Cellulose in einem tertiären Aminoxid durch Spinnlöcher einer Spinndüse extrudiert und die extrudierten Filamente über einen Luftspalt unter Verzug in ein Fällbad geführt werden, wobei die Filamente im Luftspalt der Strömung eines Gases ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß für die Temperatur (T) des Gases vor dem Kontakt mit den Filamenten gilt 60°C < T < 90°C.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Luft ist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die strömende Luft einen Feuchtegehalt von 4 g H2O / kg Luft bis 15 g H2O / kg Luft aufweist.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Filamente mit einem Titer von weniger als 1 dtex hergestellt werden.
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