EP1763596B1 - Method for the production of molded cellulose bodies - Google Patents
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- EP1763596B1 EP1763596B1 EP05759726.2A EP05759726A EP1763596B1 EP 1763596 B1 EP1763596 B1 EP 1763596B1 EP 05759726 A EP05759726 A EP 05759726A EP 1763596 B1 EP1763596 B1 EP 1763596B1
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- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
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- D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
- D01D5/06—Wet spinning methods
Definitions
- the invention relates to a process for the production of moldings from cellulose with "ionic liquids", in particular 1,3-Dialkylimidazoliumhalogeniden, as a solvent, in which one dissolves the cellulose, the solution into fibers or films / membranes deformed, the cellulose by precipitation in regenerated aqueous solutions, the solvent is separated by washing and the moldings dried.
- ionic liquids in particular 1,3-Dialkylimidazoliumhalogeniden
- ionic liquids have been known since 1914, they have only recently gained in importance as solvents or reaction media for many syntheses. Of particular interest are compounds with a positive nitrogen atom such as the ammonium; Pyridinium and imidazolium cation [ Schilling G. "Ionic Liquids” GIT Laboratory Journal 2004 (4) 372 - 373 ].
- ionic liquids as a solvent for the deformation of the cellulose to filaments, staple fibers and films / membranes speaks a possible higher thermal stability compared to Aminoxidhydraten and a much better environmental performance compared to the viscose, acetate and copper process.
- solvents the ionic liquids should allow working in the closed solvent circuit.
- the yarn sheet is applied perpendicular to the thread running direction and sheet-like with conditioned air of preferably 15 to 25 ° C and 20 to 80% relative humidity.
- the precipitation bath (11) is again formed from inflow or settling chamber (12), overflow (13), deflection roller or roller (14), collecting trough (15), pump (16) and thermostat (17).
- the separation of yarn sheet (19) and precipitation bath (11) by deflecting at an angle> 90 ° and deduction on the Galettenduo (18).
- a driven roller (14) takes over the deflection and further guide rollers transport to the godet pair (18).
- Table 2 also shows the calculated surface increase ⁇ ⁇ a and the speed ⁇ at which the surface increase took place. ⁇ u> Table 2 ⁇ / u> (spinning conditions) Verse no. g L g / min u. Nozzle 2) D A ⁇ m ⁇ spinning.
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Cellulose mit "ionischen Flüssigkeiten", insbesondere 1,3-Dialkylimidazoliumhalogeniden, als Lösungsmittel, bei dem man die Cellulose löst, die Lösung zu Fasern bzw. Folien/Membranen verformt, die Cellulose durch Fällen in wässrigen Lösungen regeneriert, das Lösungsmittel durch Waschen abtrennt und die Formkörper trocknet.The invention relates to a process for the production of moldings from cellulose with "ionic liquids", in particular 1,3-Dialkylimidazoliumhalogeniden, as a solvent, in which one dissolves the cellulose, the solution into fibers or films / membranes deformed, the cellulose by precipitation in regenerated aqueous solutions, the solvent is separated by washing and the moldings dried.
Zum Verformen von Cellulose - als nicht schmelzbares Polymer - zu Filamenten, Spinnfasern oder Folien/Membranen unter technischen Bedingungen sind drei unterschiedliche Lösungsspinnverfahren bis zur technischen Reife entwickelt worden, nämlich das Verspinnen stabiler Derivate, z.B. Cellulose-2,5-acetat, gelöst in Aceton ohne Regenerierung (
Weiterhin ist bekannt, Cellulose in "Chelat" bildenden Metallkomplexen, z.B. in Kupfertetraminhydroxid (Cuoxam), Kupfer-Ethylendiamin (Cuen), Nickel-Tris(2-aminoethyl)amin (Nitren), Zink-Diethyltriamin; Dimethyl-acetamid/Lithium-chlorid zu lösen [
Obwohl ionische Flüssigkeiten seit 1914 bekannt sind, haben sie erst in jüngster Vergangenheit als Lösungsmittel bzw. Reaktionsmedium für viele Synthesen an Bedeutung gewonnen. Von besonderem Interesse sind dabei Verbindungen mit positivem Stickstoffatom wie das Ammonium-; Pyridinium- und Imidazoliumkation [
Aus der
Für eine Verwendung ionischer Flüssigkeiten als Lösungsmittel für das Verformen der Cellulose zu Filamenten, Spinnfasern und Folien/Membranen spricht eine mögliche höhere thermische Stabilität im Vergleich zu Aminoxidhydraten sowie eine wesentlich bessere Umweltverträglichkeit im Vergleich zum Viskose-, Acetat- und Kupferverfahren. Als Lösungsmittel sollten die ionischen Flüssigkeiten das Arbeiten im geschlossenen Lösungsmittelkreislauf gestatten.For a use of ionic liquids as a solvent for the deformation of the cellulose to filaments, staple fibers and films / membranes speaks a possible higher thermal stability compared to Aminoxidhydraten and a much better environmental performance compared to the viscose, acetate and copper process. As solvents, the ionic liquids should allow working in the closed solvent circuit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, durch das man bei hoher Verfahrenssicherheit und Umweltfreundlichkeit auf einfache Art und Weise, Cellulose (Zellstoff, Elementarchlorfrei ECF bzw. Totalchlorfrei TCF gebleicht) unter weitgehendem Erhalt der molekularen Parameter zu Filamenten, Spinnfasern und Folien/Membranen verformt. Mit diesem Verfahren sollen Formkörper aus Cellulose mit neuen bzw. verbesserten Eigenschaften hergestellt werden können.Object of the present invention is to provide a method by which one bleaches at high process safety and environmental friendliness in a simple manner, cellulose (pulp, Elementarchlorfrei ECF or total chlorine-free TCF) while substantially preserving the molecular parameters to filaments, staple fibers and films / membranes deformed. With this method, shaped bodies of cellulose with new or improved properties can be produced.
Gelöst wird die Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Cellulose durch Lösen derselben in einer ionischen Flüssigkeit, Verformen der viskosen Lösung zum Formkörper und Regenerieren der Cellulose, dadurch gekennzeichnet, dass man
- a) Cellulose oder eine Cellulosemischung in Wasser unter Scherung bis zur Einzelfaser dispergiert, abpresst, und die pressfeuchte Cellulose bzw. Cellulosemischung,
- b) in der ionischen Flüssigkeit, unter Zusatz basischer Substanzen und gegebenenfalls weiterer Stabilisatoren dispergiert, unter Scherung, steigender Temperatur und abnehmendem Druck (von etwa 800 bis 850 mbar auf etwa 10 bis 30 mbar) das Wasser entfernt und die Dispersion in eine homogene Lösung überführt,
- c) die Lösung über (eine) temperierbare Rohrleitung(en) und eine Druckausgleichsvorrichtung mindestens einem Spinnpaket zuführt,
- d) die Lösung im Spinnpaket ein Filter, eine vorzugsweise als Wärmetauscher ausgebildete Verteilerplatte und die Spinnkapillare(n) bzw. den Schlitz der Spinndüse(n) passiert,
- e) die zu Kapillaren bzw. zur Folie verformten Lösungsstrahlen unter Verzug durch einen klimatisierten Spalt führt,
- f) die orientierten Lösungsstrahlen durch Behandeln mit einer temperierten Lösung, die mit der ionischen Flüssigkeit mischbar ist, für die Cellulose aber ein Fällungsmittel darstellt, ausfällt, am Ende der Fällbadstrecke durch Ab - oder Umlenken vom Fällbad trennt und
- g) den Formkörper als Filamentgarn, Faserkabel bzw. Folie/Membran abzieht, einer ein- bzw. mehrstufigen Fällmittelwäsche unterwirft, gegebenenfalls aviviert und trocknet oder zu Stapelfasern schneidet, aviviert und trocknet.
- a) cellulose or a cellulose mixture is dispersed in water under shearing down to the individual fiber, pressed, and the cellulose or cellulosic mixture moist with moisture,
- b) dispersed in the ionic liquid, with the addition of basic substances and optionally further stabilizers, under shear, increasing temperature and decreasing pressure (from about 800 to 850 mbar to about 10 to 30 mbar) the water is removed and the dispersion is converted into a homogeneous solution .
- c) supplying the solution via (a) temperature-controllable pipeline (s) and a pressure compensation device to at least one spin pack,
- d) the solution in the spin pack passes through a filter, a distributor plate, preferably designed as a heat exchanger, and the spinning capillary (s) or the slot of the spinneret (s),
- e) the solution jets deformed into capillaries or to the foil leads through an air-conditioned gap,
- f) the solution solution jets by treatment with a tempered solution, which is miscible with the ionic liquid, but for the cellulose is a precipitant precipitates, at the end of Fällbadstrecke by off or diverting from the precipitating bath separates and
- g) stripping the shaped body as filament yarn, fiber cable or film / membrane, subjecting it to a single-stage or multistage precipitant wash, optionally scavenging and drying or cutting into staple fibers, scavenging and drying.
Vorzugsweise erreicht die Spinnlösung erst beim Passieren der als Wärmetauscher ausgebildeten Verteilerplatte die Spinntemperatur.Preferably, the spinning solution reaches the spinning temperature only when passing through the distribution plate designed as a heat exchanger.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Spinnlösung in Spinnkapillaren von 0,4 bis 5 mm Gesamtlänge (I), mit einem zylindrischen Teil (L = 0,5 bis 3D), einem konischen Teil (I - L) und einem Ausgangsdurchmesser (D) von 0,05 bis 0,25 mm mit kreisrunder Anordnung der Spinnkapillaren für Filamentgame und rechteckiger Anordnung der Spinnkapillaren für Spinnfasern verformt.In a preferred embodiment of the process according to the invention, the spinning solution is divided into spinning capillaries of 0.4 to 5 mm overall length (I), with a cylindrical part (L = 0.5 to 3D), a conical part (I-L) and an exit diameter ( D) of 0.05 to 0.25 mm with a circular arrangement of the spinning capillaries for Filamentgame and rectangular arrangement of the spinning capillaries for staple fibers deformed.
Die Verformung der Spinnlösung zu einer Flachfolie erfolgt zweckmäßig mit einer Breitschlitzdüse mit einer Spaltbreite von 0,1 bis 2,0 mm Dicke. Für die Herstellung von Blasfolien eignen sich Ringschlitzdüsen mit einer Spaltbreite von etwa 0,1 bis 1,5 mm.The deformation of the spinning solution into a flat film is expediently carried out with a slot die with a gap width of 0.1 to 2.0 mm thickness. For the production of blown film ring slit nozzles are suitable with a gap width of about 0.1 to 1.5 mm.
Das Dispergieren und Lösen trockener Cellulose, ohne Vorschalten aufwendiger Mahlverfahren, in wasserfreien ionischen Flüssigkeiten, z. B. in 1-Butyl-3-methyl-imidazoliumchlorid führt zu keiner "knötchenfreien" Suspension und auch nach sehr langen Lösezeiten zu keiner homogenen Lösung, die den Anforderungen eines Spinnprozesses genügt. Fein gemahlene Cellulose ist sehr voluminös, nicht rieselfähig und neigt in Gegenwart von Luft zu Verpuffungen. Weiterhin hat sich gezeigt, dass das in dieser Art und Weise durchgeführte Lösen der Cellulose mit einem signifikanten Abbau der Molmasse verbunden ist. Betrug der Cuoxam-DP eines Fichtensulfitzellstoffes vor dem Lösen unter Mikrowellenheizung 550, so wurde für die aus der Lösung regenerierte Cellulose ein Cuoxam-DP von 172 gefunden. Ein Verspinnen solcher Lösungen zu Fasern ist nicht möglich.The dispersion and dissolution of dry cellulose, without upstream consuming grinding processes, in anhydrous ionic liquids, eg. As in 1-butyl-3-methyl-imidazolium leads to no "nodule-free" suspension and even after very long dissolution times to a homogeneous solution that meets the requirements of a spinning process. Finely ground cellulose is very voluminous, not free-flowing and tends to deflagrate in the presence of air. Furthermore, it has been found that the dissolution of the cellulose carried out in this manner is associated with a significant degradation of the molecular weight. If the cuoxam-DP of a spruce sulphite pulp was found to be undissolved under microwave heating 550, a cuvoxam-DP of 172 was found for the solution-regenerated cellulose. Spinning such solutions into fibers is not possible.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können Zellstoffe aus Holz oder cellulosischen Fasern von Einjahrespflanzen, insbesondere Baumwoll-Linters, hergestellt nach dem Sulfit-, Sulfat-Norhydrolyse Sulfat- oder Organosolv-Verfahren mit elementarchlorfreier (ECF) oder totalchlorfreier (TCF) Bleiche, verwendet werden. Bevorzugt eingesetzt werden Mischungen von Cellulosen mit einer mittleren Molmasse (Cuoxam-DP 400 bis 800) mit hochmolekularen Cellulosen (Cuoxam-DP 800 bis 3.000) oder niedermolekularen Cellulosen (Cuoxam-DP 20 bis 400). Bevorzugte ionische Flüssigkeiten sind Schmelzen von 1,3-Dialkyl-imidazolium halogeniden. Zur Stabilisierung vor und/oder während des Lösens der Cellulose können der ionischen Flüssigkeit basische Substanzen mit einem geringen Dampfdruck zugesetzt werden in einer Menge, die in der Cellulose und wäßrige ionische Flüssigkeit enthaltenden Suspension einen pH-Wert von 8 oder mehr bewirkt. Die basische Verbindung mit einem geringen Dampfdruck ist besonders bevorzugt ein Alkalihydroxid, wie KOH oder NaOH.In the process according to the invention, pulps of wood or cellulosic fibers of annual plants, in particular cotton linters, produced by the sulphite, sulphate-norhydrolysis sulphate or organosolv process with elemental chlorine-free (ECF) or totally chlorine-free (TCF) bleach can be used. Preference is given to using mixtures of celluloses having an average molar mass (Cuoxam DP 400 to 800) with high molecular weight celluloses (Cuoxam DP 800 to 3,000) or low molecular weight celluloses (Cuoxam DP 20 to 400). Preferred ionic liquids are melts of 1,3-dialkylimidazolium halides. For stabilization before and / or during the dissolution of the cellulose, basic substances having a low vapor pressure may be added to the ionic liquid in an amount which causes a pH of 8 or more in the suspension containing cellulose and aqueous ionic liquid. The basic compound having a low vapor pressure is particularly preferably an alkali hydroxide such as KOH or NaOH.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Zellstoff unter starker Scherung in Wasser bis zur Einzelfaser aufgeschlagen. Nach dem Abpressen liegt gequollene Cellulose mit ca. 50 Masse-% Wasser vor. Die pressfeuchte Cellulose lässt sich beispielsweise in wässrigem 1-Butyl-3-methyl-imidazoliumchlorid, das gleichzeitig soviel Alkalihydroxid enthält, dass sich ein pH-Wert > 8 einstellt, leicht in eine homogene Suspension überführen, die unter Scherung, Temperaturerhöhung und Druckverminderung nach Abdestillieren des Wassers in eine homogene Spinnlösung übergeht. Unter diesen Bedingungen beträgt die Lösezeit nur einen Bruchteil derer, die zum Lösen trockener Cellulose in wasserfreiem 1-Butyl-3-methyl-imidazoliumchlorid benötigt wird. Der Molmasseabbau liegt unter 10 %. Die Spinnlösungsqualität kann analog zum Lyocellprozess durch Bestimmen von Partikelgehalt cppm und die auf die Klassenbreite bezogene Partikelverteilung [q3x= f(x)] mittels Laserbeugung [siehe
Die Temperaturfunktion von Nullscherviskosität und Relaxationszeit ist durch die Beziehung (1)
gegeben. Ihre Kenntnis ist für das Verformen hochelastischer Lösungen im Spinndüsenkanal und Spalt, von wesentlicher Bedeutung.The temperature function of zero shear viscosity and relaxation time is given by the relationship (1)
given. Their knowledge is essential for the deformation of highly elastic solutions in the spinneret channel and gap.
Die Cellulose-Konzentration und die Molmasse der Cellulose bzw. Cellulosemischung werden zweckmäßig so gewählt, dass sich bei 85 °C eine Nullscherviskosität der Spinnlösung von 1.000 bis 100.000 Pa s, bevorzugt von 10.000 bis 80.000 Pa s, einstellt.The cellulose concentration and the molecular weight of the cellulose or cellulose mixture are suitably chosen so that at 85 ° C, a zero shear viscosity of the spinning solution of 1,000 to 100,000 Pa s, preferably from 10,000 to 80,000 Pa s, adjusts.
Für eine hohe Stabilität der Molmasse über lange Zeit bei erhöhter Temperatur hat sich neben dem Zusatz von Basen ein solcher von Antioxidantien bewährt. Das sind insbesondere organische Verbindungen mit mindestens einer konjugierten Doppelbindung und zwei Hydroxyl- bzw. Aminogruppen, wie Hydrochinon, p-Phenylendiamin, Gallussäureester, Tannine u.ä. Wie sich aus DTA/DSC und reaktionskalorimetrischen Messungen ergibt, ist die thermische Stabilität der erfindungsgemäßen Spinnlösungen im Vergleich zu stabilisierten Lyocellspinnlösungen signifikant höher. Während bei stabilisierten Cellulose/Aminoxidhydratlösungen oberhalb 130°C die Gefahr der explosionsartigen Zersetzung besteht, ist das 1-Butyl-3-methyl-imidazoliumchlorid bis mindestens 250°C stabil und bei der stabilisierten Spinnlösung beginnt die Cellulose sich oberhalb 213°C zu zersetzen.For a high stability of the molecular weight over a long time at elevated temperature, in addition to the addition of bases, such an antioxidant has been proven. These are, in particular, organic compounds having at least one conjugated double bond and two hydroxyl or amino groups, such as hydroquinone, p- phenylenediamine, gallic acid esters, tannins, and the like. As can be seen from DTA / DSC and reaction calorimetric measurements, the thermal stability of the spinning solutions according to the invention is significantly higher compared to stabilized lyocell spinning solutions. While in stabilized cellulose / Aminoxidhydratlösungen above 130 ° C, the risk of explosive decomposition, the 1-butyl-3-methyl-imidazolium is stable to at least 250 ° C and the stabilized spinning solution, the cellulose begins to decompose above 213 ° C.
Das Verformen der Lösung zu Filamenten, Spinnfasern und Folien/Membranen erfolgt in einem abgewandelten Trocken-Nass-Extrusionsverfahren dergestalt, das man die Lösung über eine temperierbare Rohrleitung und Druckausgleichsvorrichtung dem Spinnpaket mit Lösetemperatur ϑL zuführt, hier durch ein Sicherheitsspinnfilter presst, in einem temperierbaren Wärmetauscher die erforderliche Spinntemperatur ϑSp einstellt, die Lösung entsprechend ihrer Relaxationszeit
Im Spalt, der aus einer klimatisierten Zone besteht, wird die Fadenschar senkrecht zur Fadenlaufrichtung und flächenförmig mit klimatisierter Luft von vorzugsweise 15 bis 25°C und 20 bis 80 % relativer Feuchte beaufschlagt.In the gap, which consists of an air-conditioned zone, the yarn sheet is applied perpendicular to the thread running direction and sheet-like with conditioned air of preferably 15 to 25 ° C and 20 to 80% relative humidity.
Die Fadenbildung kann man als zweistufigen Prozess darstellen. In der Spinnkapillare erfolgt vorwiegend unter dem Einfluss der Scherspannung τD bei konstanter Temperatur eine Verjüngung des Lösungsstrahles vom Eintritts- AE auf den Austrittsquerschnitt AA der Spinnkapillare, d.h. der Verzug in der Düse SVD folgt aus
DE und DA entspricht dem Eintritts- bzw. Austrittsdurchmesser der Spinnkapillare. Im Spalt der Länge a erfolgt unter dem Einfluss der axialen Dehnspannung σa bei abnehmender Temperatur eine weitere Verjüngung des Lösungsstrahles im Verhältnis von Abzugs- νa und Spritzgeschwindigkeit νs , dem Spinnverzug SVa.
DK entspricht dem Kapillardurchmesser beim Übergang Spalt/Fällbad. Der Verzug des Lösungsstrahles im Spalt ist gleichzeitig mit einer Zunahme der Fadenoberfläche gemäß (5)
verbunden. Darin bedeuten OA die Oberfläche des Fadens am Spinnkapillarenaus- und OK die Oberfläche des Fadens am Fällbadeintritt. Die Oberflächenvergrößerung pro Zeiteinheit ΔȮa im Spalt der Länge a ergibt sich dann mit
für die Oberflächenzunahme einer Kapillare pro Zeiteinheit. Darin bedeuten T 10 die Faserfeinheit in dtex, ρL die Dichte der Spinnlösung in g/cm3 und cCell. die Cellulosekonzentration in Masse-%. Es ist leicht einzusehen, dass die Neubildung von Oberflächen während der Fadenverfestigung im Spalt mit Störungen im Fasermantel verbunden sein sollte und das Fibrillierverhalten der Fasern negativ beeinflusst. Hinzu kommt, dass die Lösungsstrahlen in hohem Maße hygroskopisch sind, Wasser aus der klimatisierten Umgebung aufnehmen und in den Randzonen eine partielle Fällung der Cellulose stattfindet.D K corresponds to the capillary diameter at the transition gap / precipitation bath. The delay of the solution jet in the gap is simultaneous with an increase of the thread surface according to (5)
connected. Therein, O A is the surface of the thread at the spinning capillary outlet and O K is the surface of the thread at the precipitation bath inlet. The surface enlargement per unit time ΔȮ a in the gap of length a then results with
for the surface increase of a capillary per unit time. Where T 10 is the fiber denier in dtex, ρ L is the density of the spinning solution in g / cm 3 and c Cell. the cellulose concentration in mass%. It is easy to see that the formation of new surfaces during the thread consolidation in the gap should be associated with disruptions in the fiber cladding and adversely affect the fibrillation behavior of the fibers. In addition, the solution jets are highly hygroscopic, absorb water from the air-conditioned environment and take place in the peripheral areas of a partial precipitation of the cellulose.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren hat sich gezeigt, das man sehr gute Fasereigenschaften erreicht, wenn die Oberflächenzunahme Δ̇Ȯa Werte < 200 cm2/min, insbesondere < 20 cm2/min erreicht.In the method according to the invention, it has been shown that very good fiber properties are achieved when the surface increase Δ̇ Ȯ a reaches values of <200 cm 2 / min, in particular <20 cm 2 / min.
Eine weitere wichtige Größe stellt die auf den Spalt a = 1 normierte Oberflächenzunahme dar.
Mit ΔȮa in cm2/min und a in cm. Sie ist ein Maß für die Geschwindigkeit der Oberflächenänderung und sollte möglichst klein sein. Gute Fasereigenschaften erhält man für Werte
Das Klimatisieren des Spaltes, vorzugsweise durch Luft mit bestimmter Temperatur und Feuchtigkeit hat neben einem Kühl- und Stabilisierungseffekt des Fadenlaufes, eine partielle Fällung der Cellulose, vorzugsweise in den Randzonen der Filamente zur Folge. Das erhöht die Spinnsicherheit, insbesondere bei hohen Kapillardichten, fördert die Bildung einer Kern/Mantelstruktur und verbessert die Fasereigenschaften. Beim Passieren der klimatisierten Verzugszone wird die Fadenschar vorzugsweise zusätzlich mit einem ebenfalls klimatisierten Gasstrom beaufschlagt werden.The air conditioning of the gap, preferably by air with a certain temperature and moisture, in addition to a cooling and stabilizing effect of the yarn path, a partial precipitation of the cellulose, preferably in the edge zones of the filaments result. This increases the spinning safety, especially with high capillary densities, promotes the formation of a core / shell structure and improves the fiber properties. When passing the air-conditioned draft zone, the group of threads is preferably additionally subjected to a likewise conditioned gas stream.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren leitet man die orientierten Lösungsstrahlen zum Regenerieren der Cellulose durch ein wässriges Fällbad, das bis zu 50 Masse-%, vorzugsweise bis zu 25 Masse-% der zum Lösen verwendeten ionischen Flüssigkeit enthält.In the process of the present invention, the oriented solution jets are passed to regenerate the cellulose through an aqueous precipitation bath containing up to 50% by weight, preferably up to 25% by weight, of the ionic liquid used to dissolve.
Weiterhin wurde gefunden, dass man bei Verwendung von beispielsweise 1,3-Dialkyl-imidazoliumhalogeniden als Lösungsmittel, das leicht braun gefärbte Fällbad durch Behandeln mit alkalischem Wasserstoffperoxid bei 60 bis 80°C entfärben und die durch den Zellstoff bzw. andere Hilfsprodukte eingeschleppten Kationen über Kationenaustauscher entfernen kann. Das so gereinigte Fällbad kann nach destillativem Aufkonzentrieren als Lösungsmittel in den Kreislauf zurückgeführt werden.It has furthermore been found that, when using, for example, 1,3-dialkylimidazolium halides as solvent, the slightly brownish precipitation bath is decolorized by treatment with alkaline hydrogen peroxide at 60 to 80 ° C. and the cations introduced through the pulp or other auxiliary products via cation exchangers can remove. The precipitation bath thus purified can be recirculated as a solvent after distillative concentration.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die darin benutzte Vorrichtung werden nun an Hand der Zeichnungen und durch Beispiele erläutert. Es zeigen
- Figur 1:
- eine graphische Darstellung der Partikelverteilung einer typischen Cellulose/1-Butyl-3-methyl-imidazoliumchlorid-
11,5 Masse-% Baumwoll-Linterszellstoff;Spinnlösung mit - Figur 2:
- eine graphische Darstellung des gewichteten Relaxationszeitspektrums einer
12,5 Masse-% Eukalyptusvorhydrolysesulfatzellstoff bei 85°C;Spinnlösung mit - Figur 3:
- eine graphische Darstellung der Temperaturfunktion von Nullscherviskosität und Relaxationszeit für die
Spinnlösung gemäß Figur 2 ; - Figur 4:
- die durch DSC-Analyse ermittelte Enthalpie als Funktion der Temperatur für 1-Butyl-3-methyl-imidazolium-chlorid und für eine
Spinnlösung mit 12 Masse-% Fichtensulfitzellstoff und 1-Butyl-3-methyl-imidazoliumchlorid als Lösungsmittel; - Figur 5:
- die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von Filamentgarnen und Spinnfasern;
- Figur 6:
- die schematische Darstellung einer bevorzugten Vorrichtung zur Herstellung von Spinnfasern und Folien;
- Figur 7:
- eine schematische Darstellung der als Wärmetauscher ausgebildeten Verteilerplatte.
- FIG. 1:
- a plot of particle distribution of a typical cellulose / 1-butyl-3-methyl-imidazolium chloride spinning solution with 11.5% by weight of cotton linters pulp;
- FIG. 2:
- a plot of the weighted relaxation time spectrum of a spinning solution containing 12.5% by weight eucalyptus prehydrolysis sulfate pulp at 85 ° C;
- FIG. 3:
- a graphical representation of the temperature function of zero shear viscosity and relaxation time for the spinning solution according to
FIG. 2 ; - FIG. 4:
- the enthalpy determined by DSC analysis as a function of temperature for 1-butyl-3-methylimidazolium chloride and for a spinning solution containing 12% by weight of spruce sulphite pulp and 1-butyl-3-methylimidazolium chloride as solvent;
- FIG. 5:
- the schematic representation of an apparatus for carrying out the method for producing filament yarns and staple fibers;
- FIG. 6:
- the schematic representation of a preferred apparatus for producing staple fibers and films;
- FIG. 7:
- a schematic representation of the formed as a heat exchanger distributor plate.
Ein Fichtensulfitzellstoff (Cuoxam DP 550; ECF-gebleicht) wurde im Flottenverhältnis 1:20 in Wasser aufgeschlagen und durch Abpressen auf 40 Masse-% entwässert. Durch Dispergieren von 75 g pressfeuchter Cellulose in 275 g 1-Butyl-3-methyl-imidazoliumchlorid (BMIMCI) mit 20 Masse-% Wasser und Stabilisatorzusätzen entsprechend Tabelle 1 erhielt man 350 g homogene Suspension, die nach Eintrag in einen Vertikalkneter unter starker Scherung, langsam steigender Temperatur von 85 bis 120°C und abnehmendem Druck von 850 bis 20 mbar unter vollständiger Wasserentfernung in eine homogene Lösung überführt wurde. Die Lösezeit betrug einheitlich 60 Minuten. Die Lösung mit 12 Masse-% Cellulose und 88 Masse-% BMIMCI (Brechungsindex 1,5228 bei 50°C) wurde unmittelbar nach dem Lösen und nach dem Spinnen (entspricht einer Standzeit von 20 Stunden bei 85°C) untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 enthalten.
2) Gallussäurepropylester
3) p-Phenylendiamin;
4) p-Hydrochinon
2) Gallic acid propyl ester
3) p-phenylenediamine;
4) p-hydroquinone
Der Zusatz von Alkali führte zu einer signifikanten Stabilisierung der Cellulose. Offensichtlich spaltete das BMIMCI bei höherer Temperatur Spuren von Salzsäure ab, die zu einer Spaltung der 1.4 Acetalbindung der Cellulose führten. Durch geringen Zusatz von Radikalfängern wie in Beispiel 5, bis 7 ließ sich die thermische Langzeitstabilität der Spinnlösungen weiter verbessern.The addition of alkali resulted in a significant stabilization of the cellulose. Obviously, the BMIMCI cleaved traces of hydrochloric acid at higher temperature, resulting in cleavage of the cellulose's 1,4-acetal linkage. By low addition of radical scavengers as in Example 5, to 7, the thermal long-term stability of the spinning solutions could be further improved.
375 g Eukalyptusvorhydrolysesulfatzellstoff (Cuoxam DP 569; TCF-gebleicht) wurden in einem Leitstrahlmischer im Flottenverhältnis 1:15 in Wasser aufgeschlagen, über eine Zentrifuge bis auf 50 Masse-% von der Flotte getrennt, grob zerkleinert und pressfeucht in 3088 g 1-Butyl-3-methyl-imidazoliumchlorid (BMIMCI) mit 15 Masse-% Wasser, das gleichzeitig 0,22 Masse-% Natriumhydroxid und 0,036 Masse-% Gallussäurepropylester enthielt, dispergiert. Durch Eintragen der Suspension in einen Vertikalkneter, Verdampfen von 838 g Wasser während 60 Minuten unter starker Scherung, erhöhter Temperatur (85 bis 130°C) und Vakuum (800 bis 15 mbar) entstand eine homogene Lösung aus 12,5 Masse-% Cellulose und 87,5 Masse-% BMIMCI mit einer Nullscherviskosität von 32 680 Pa s, einer Relaxationszeit von 9,8 s bei 85°C und einer Temperaturfunktion gemäß
Der Partikelgehalt der Lösung betrug 18 ppm mit einem Anteil von 65 % < 12 µm und 35 % < 40 µm.The particle content of the solution was 18 ppm with a content of 65% <12 μm and 35% <40 μm.
Das Verspinnen der Lösung erfolgte in einer Versuchsapparatur gemäß
Die Spinnbedingungen sowie die Spinnfaser- bzw. Filamentgarneigenschaften sind in den nachfolgenden Tabellen 2 und 3 aufgeführt. Tabelle 2 zeigt auch die berechnete Oberflächenzunahme ΔȮa sowie die Geschwindigkeit
Der Cuoxam DP der gelösten Cellulose betrug 531 und der der Faser 529. Die Fasereigenschaften wiesen hohe Reißfestigkeiten und Moduli im konditionierten und nassen Zustand, sowie durch eine gegenüber Lyocellfasern erhöhte Nassscheuerbeständigkeit auf.The dissolved cellulose cuoxam DP was 531 and that of the fiber was 529. The fiber properties had high levels of tensile strength and moduli in the conditioned and wet state, as well as increased wet abrasion resistance over lyocell fibers.
Ein Baumwoll-Linterszellstoff (Cuoxam DP 650) wurde analog Beispiel 8 in eine Spinnlösung mit 11,5 Masse-% Cellulose, Nullscherviskosität 31650 Pas bei 85°C, Relaxationszeit 5,3 s bei 85°C, Partikelgehalt 20 ppm, Partikel < 12 µm 81 % und Partikel < 40 µm 19 % überführt. Das Verspinnen erfolgte in einer Apparatur gemäß
Man erhielt Fasern mit sehr hohen Reißfestigkeiten und Moduli im konditionierten und nassem Zustand:
Eine Mischung von 85 Masse-% Buchevorhydrolysesulfatzellstoff (Cuoxam DP 390; TCF gebleicht) und 15 Masse-% Fichtesulfitzellstoff (Cuoxam DP 780; ECF gebleicht) wurde gemeinsam in Wasser bis zur Einzelfaser mittels Leitstrahlmischer aufgeschlagen und über eine Siebbandpresse von der Flotte getrennt. 1020 g der pressfeuchten Cellulose mit einem Wassergehalt von 52 Masse-% wurden in 3478 g BMIMCI mit 15 Masse-% Wasser, das gleichzeitig 0,22 % Natriumhydroxid und 0,036 % Gallussäurepropylester enthielt in einem Vertikalkneter intensiv gemischt und unter Scherung, erhöhter Temperatur (85 /130°C) und Vakuum (700 / 20 mbar) während 60 Minuten 1044 g Wasser abdestilliert und anschließend 60 Minuten gelöst. Die entstandene Lösung enthielt 14,0 Masse-% Cellulose mit einem Cuoxam DP der gelösten Cellulose von 465. Die Nullscherviskosität bei 85°C betrug 13 100 Pas, die Relaxationszeit 5,5 s. Die Partikelanalyse ergab einen Gehalt von 28 ppm mit einer Partikelverteilung von 82 % < 12 µm; 16 % < 40 µm und 2 % > 40 µm. Zum Verspinnen der Lösung diente eine Apparatur gemäß
Nach Ausfällen der Cellulose im Spinnbad von 23°C und Umlenken der Fadenschar erreichte diese ein Galettenduo mit einer Abzugsgeschwindigkeit von 22 m/min.. Nach Schneiden des Faserkabels in Stapel von 40 mm Länge, Waschen und Präparieren erfolgte die Trocknung bei 90°C bis auf eine Restfeuchte von 10 Masse-%. Für die mechanischen Fasereigenschaften ergaben sich folgende Werte:
Eine Mischung aus Baumwoll-Linters-Zellstoffen (80 Masse-% Cuoxam DP 465 und 20 Masse-% Cuoxam DP 650) wurden analog Beispiel 9 vorbereitet. Die pressfeuchte Cellulosemischung hatte einen Wassergehalt von 45 Masse-%. In einen horizontalen Einwellen-Misch-/Knetreaktor vom Typ Diskotherm B (LIST AG ARISDORF Schweiz) wurden in der ersten Scherzone kontinuierlich über eine Präzisionszahnradpumpe 819 g/min auf 90°C vorgewärmtes 1-Ethyl-3-methyl-imidazoliumchlorid (EMIMCI), das 10 Masse-% Wasser, 0,28 % Natriumhydroxid und 0,04 % Tannin enthielt, und über eine Bandwaage und Steuerkolbenpumpe 200 g/min zerkleinerte Cellulose dosiert, gemischt und unter einem Vakuum von 30 mbar auf 120°C aufgeheizt und 172 g/min Wasser abdestilliert. Die in der zweiten Scherzone entstandene hellgelbe homogene Lösung mit 13 Masse-% Cellulose (Nullscherviskosität 11450 Pas bei 85°C) wurde auf 110°C gekühlt, von einem vertikalen Doppelscheckenförderer übernommen und einer Breitfolienlaboranlage zugeführt. Diese entsprach im Aufbau der Anordnung in
234 g Eukalyptusvorhydrolysesulfatzellstoff (Cuoxam DP 569; TCF-gebleicht) wurden mit einem Ultramischer im Flottenverhältnis 1:25 in Wasser aufgeschlagen, mit Natriumhydroxid auf einen pH-Wert von 10 eingestellt, durch Abpressen bis auf 26,7 Masse-% von der Flotte getrennt, grob zerkleinert und pressfeucht in 1520,5 g 1-Butyl-3-methyl-imidazoliumchlorid (BMIMCI), welches 22 Masse-% Wasser, 1,4 g Natriumhydroxid und 1,2 g Gallussäurepropylester enthielt, dispergiert.234 g of eucalyptus prehydrolysis sulphate pulp (Cuoxam DP 569, TCF-bleached) were beaten in water with an Ultramischer in the liquor ratio 1:25 in water, adjusted to a pH of 10 with sodium hydroxide, separated from the liquor by pressing down to 26.7% by mass , coarsely crushed and dry in 1520.5 g of 1-butyl-3-methyl-imidazolium chloride (BMIMCI) containing 22% by mass of water, 1.4 g of sodium hydroxide and 1.2 g of gallic acid propyl ester dispersed.
Durch Eintragen der Suspension (2400 g) in einen horizontalen Zweiwellenkneter vom Typ CPR 2.5 batch (List-AG Arisdorf), Verdampfen von 980 g Wasser während 90 Minuten unter starker Scherung (Wellendrehzahl 30/24 bis 90/72 rpm), erhöhter Massetemperatur (85 bis 145°C) und Vakuum (800 bis 10 mbar) entstand eine homogene konzentrierte Lösung aus 16,5 Masse-% Cellulose und 83,5 Masse-% BMIMCI (Molverhältnis Cellulose: BMIMCI // 1 : 4,67) mit einer Nullscherviskosität von 72 560 Pas, einer Relaxationszeit von 4,8 s bei 85°C und einer Temperaturfunktion gemäß
Der Partikelgehalt der Lösung betrug 33 ppm mit einem Anteil von 61 % < 12 µm und 39 % < 40 µm.The particle content of the solution was 33 ppm with a proportion of 61% <12 .mu.m and 39% <40 .mu.m.
Das Verspinnen der Lösung erfolgte in einer Versuchsapparatur gemäß
Der Cuoxam DP der gelösten Cellulose betrug 509, der der Faser 510.The cuoxam DP of the dissolved cellulose was 509, that of the fiber 510.
Claims (23)
- A process for producing a formed article of cellulose by dissolving cellulose in an ionic liquid, forming the viscous solution into a formed article and regenerating the cellulose, which comprisesa) cellulose or a cellulose mixture being dispersed in water by shearing to the individual fiber, pressed off and the press-moist cellulose or cellulose mixture beingb) dispersed in the ionic liquid in the presence of basic substances, the water being removed under shearing, increasing temperature and decreasing pressure and converted into a homogeneous solution,c) feeding the solution through one or more temperature-controllable tubular lines and a pressure-equalizing apparatus to at least one spin pack,d) the solution in the spin pack passing through a filter, a distributor plate configured as a heat exchanger and the spinning capillary or capillaries or the slot of the spinneret die or dies,e) leading the solution jets which have been formed into filaments or a film through a conditioned gap with stretching,f) the oriented jets of solution being coagulated by treatment with a temperature-controlled solution which is miscible with the ionic liquid but constitutes a coagulant for the cellulose and, at the end of the coagulation bath sector, being separated from the coagulation bath by diversion or deflection,
andg) the formed article in the form of filament yarn, fiber tow or film/membrane being withdrawn, subjected to a single or multiple stage coagulant wash, spin finished and dried or cut into staple fibers, spin finished and dried. - The process according to claim 1 that utilizes chemical pulps from wood or cellulosic fibers from annual plants, such as cotton linters, produced by the sulfite, sulfate/prehydrolysis sulfate or organosolve process using elemental chlorine free (ECF) and/or total chlorine free (TCF) bleaching.
- The process according to claim 1 that utilizes celluloses of medium molar masse (cuoxam DP 400-800) in admixture with high molecular weight (cuoxam DP 800-3000) or low molecular weight (cuoxam DP 20-400) celluloses.
- The process according to claim 1 that utilizes 1,3-dialkylimidazolium halides as ionic liquid.
- The process according to claim 1 wherein the ionic liquid has added to it for stabilization, before and/or during the dissolving, basic substances of low vapor pressure in such an amount that the suspension of cellulose/aqueous ionic liquid has a pH ≥ 8.
- The process according to claims 1 and 5 wherein the basic substances of low vapor pressure are alkali metal hydroxides.
- The process according to claim 1 wherein the spinning solution contains further stabilizers in the form of organic compounds having at least one conjugated double bond and two hydroxyl or amino groups, preferably hydroquinone, phenylenediamine, gallic esters or tannins.
- The process according to claim 1 wherein the ionic liquid consists of a recycled coagulation bath.
- The process according to claim 1 wherein the aqueous coagulation bath is subjected to a hot treatment with alkaline hydrogen peroxide solution, metal ions entrained via ion exchangers are removed and the ionic liquid is concentrated by distillation.
- The process according to claim 1 wherein the cellulose concentration and the molar mass of the cellulose or cellulose mixture are chosen such that at 85 °C a zero shear viscosity in the range from 1000 to 100 000 Pa s and preferably in the range from 1000 to 80 000 Pa s for the spinning solution and a relaxation time in the range from 0.5 to 90 s becomes established.
- The process according to claim 1 wherein the spinning solution does not attain the spinning temperature until passing through the distributor plate configured as a heat exchanger.
- The process according to claim 1 wherein the spinning solution is formed in spinning capillaries 0.4 to 5 mm in overall length (l), having a cylindrical portion (L = 0.5 - 3 D), a conical portion (l-L) and an outlet diameter (D) of 0.05 to 0.25 mm having a circularly round arrangement of the spinning capillaries for filament yarns and a rectangular arrangement of the spinning capillaries for fibers.
- The process according to claim 1 wherein the spinning solution is formed in slot dies 0.1 to 2.0 mm in thickness to form flat film or in circular slot dies 0.1 to 1.5 mm in gap width to form blown film.
- The process according to claim 1 wherein the sheet of filaments passing through the conditioned stretching zone is additionally subjected to a conditioned stream of gas.
- The process according to claim 1 wherein the surface area increase per unit time ΔȮa in the course of forming the cellulose solution in gap a satisfies the relation
where T10 is the fiber fineness in dtex, ν a is the withdrawal speed in m/min, DA is the outlet diameter of the spinning capillary in cm, ρ L is the density of the spinning solution in g/cm3 and cCell. is the cellulose concentration in % by mass. - The process according to claim 1 wherein the filament yarn sheet passes through the coagulation bath and through an opening, in the floor of the coagulation bath container, which is formed by a yarn-guiding element, is separated from the coagulation bath stream by being diverted at an angle β < 70 ° and is transported over a godet roll.
- The process according to claim 1 wherein the fiber tow filament sheet passes through the coagulation bath, is separated from the coagulation bath by being deflected over a rod or roller at an angle > 90 ° and is transported over a pair of godet rolls.
- The process according to claim 1 wherein the flat film is led through the coagulation bath over a roll, is deflected at an angle of > 90 ° using that roll and is separated from the coagulation bath and transported over a second roll.
- The process for producing cellulose fibers or filament yarns from chemical pulps and ionic liquids as a solvent according to one or more of claims 1 to 12 and 14 to 18 wherein there is used apparatus consisting of a temperature controllable tubular line (1) and pressure-equalizing apparatus (2)● a spin pack (3), solution filter (4), temperature controllable heat exchanger (5) with seals (8), inflow chamber (6) and spinneret die (7)● a stretching zone (9) with gas supply/- distribution (10)● a coagulation bath (11) with inflow chamber (12), overflow (13), yarn-guiding element/floor opening (14), receiving trough (15), pump (16) and thermostat (17) and● a withdrawal godet roll (18).
- The process for producing cellulose fibers or films from chemical pulps and ionic liquids as a solvent according to one or more of claims 1 to 19 wherein there is used apparatus consisting of● a rectangular spinneret die (7),● a stretching zone (9) with gas supply/- distribution (10)● a coagulation bath (11) with inflow chamber (12), overflow (13), deflecting roller (14), receiving trough (15), pump (16) and thermostat (17) and● two godet rolls (18).
- The process according to claim 20 or 21 wherein there is used apparatus in which the heat exchanger (5) consists of● nickelized or chromed aluminum, copper or brass● a well, closed off by seals (8), for receiving the filter pack (4)● a separate heating system (H)● and the flow channels (R).
- The process according to claim 20 wherein, in apparatus used therein, the volume V in cm3 of the inflow chamber (6) between the heat exchanger (5) and the spinneret die (7) satisfies the relation
where ν̇L is the volume stream of the cellulose solution in cm3/s and λm is the relaxation time at the frequency maximum of the relaxation time spectrum of the spinning solution.
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