ES2957800T3

ES2957800T3 - Pretratamiento de celulosa

Info

Publication number: ES2957800T3
Application number: ES20767863T
Authority: ES
Inventors: Ali Harlin; Erkki Malanin; Jani Mäkelä
Original assignee: Infinited Fiber Co Oy
Current assignee: Infinited Fiber Co Oy
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2020-08-31
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2040-08-31
Also published as: US20220275109A1; TW202116816A; TWI838573B; BR112022003493A2; EP4021946B1; CN114258406A; ZA202201563B; JP7453711B2; JP2023500555A; WO2021038136A1; CA3149943A1; EP4021946A1; PT4021946T; KR20220058570A; FI4021946T3; PL4021946T3

Abstract

Según un aspecto ejemplar de la presente invención, se proporciona un método para pretratar celulosa, por ejemplo algodón, que comprende las etapas de proporcionar una mezcla que tiene un contenido sólido, comprendiendo dicha mezcla celulosa y un líquido, y trabajar mecánicamente la mezcla para abrirla. la estructura de fibrillas de las paredes celulares de celulosa. El trabajo mecánico comprende el mezclado por cizallamiento en un dispositivo de mezclado mecánico continuo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Pretratamiento de celulosa

Campo

La presente invención se refiere a un método de pretratamiento de algodón reciclado. En particular, el método se refiere al pretratamiento de algodón reciclado para su uso en la formación de carbamato de celulosa o, en otras palabras, la invención se refiere al uso de un método de pretratamiento de algodón reciclado en la preparación de carbamato de celulosa.

Antecedentes

La celulosa es parcialmente soluble en una disolución acuosa de hidróxido de sodio en una concentración de aproximadamente el 10 % p/p. La cantidad de celulosa que es soluble en NaOH/H<2>O depende del grado de polimerización y también del modo de cristalinidad. Isogai investigó la solubilidad de la celulosa de varias fuentes, pero nunca tuvo éxito en la preparación de disoluciones de celulosa de concentraciones superiores al 5 %. Se da a conocer un método para la disolución completa de celulosa en disoluciones de lejía en la publicación de solicitud de patente estadounidense 5.410.034. Para que la celulosa se disuelva en medios acuosos alcalinos, es necesario que se enfríe muy por debajo de la temperatura ambiente. Soubeet al.completaron el diagrama de fases para el sistema ternario celulosa/NaOH/H<2>O. Teniendo en cuenta las propiedades anfífilas de la celulosa, no resulta sorprendente que se haya mostrado que la celulosa en NaOH/H<2>O, de hecho, no se disuelve completamente, sino que forma agregados.

El procedimiento para disolver celulosa en álcali acuoso se basa en un método de congelación-descongelación. El disolvente se enfría previamente hasta por debajo del punto de congelación del agua antes de que se añada la celulosa y se mantiene frío hasta que el polímero se disuelve completamente. El carbamato de celulosa derivado de pulpa que está disolviendo se disuelve fácilmente en una disolución de álcali, tal como una disolución de NaOH sin la necesidad de congelar ni descongelar. Sin embargo, el algodón es más difícil y no se disolverá fácilmente, debido principalmente a su estructura de pared celular que tienen múltiples capaz de fibrillas.

La congelación y descongelación de disoluciones de polímero a escala industrial no es práctica tanto económica como energéticamente. Tanto la congelación como la descongelación consumen energía y tiempo, y reducen la eficiencia y sostenibilidad globales del proceso. El documento WO 2014/202354 A1 da a conocer un método para microfibrilar celulosa a partir de, por ejemplo, pulpa mecánica o química, papel de desecho o plantas anuales, que comprende: someter a cizalladura mecánica una mezcla acuosa de fibras de celulosa que tiene un contenido de sólidos inicial del 30-70 % en peso, preferiblemente el 40-60 % en peso y más preferiblemente el 50-60 % en peso, a 40-120 °C en una extrusora tal como una extrusora de un solo husillo, una extrusora de doble husillo o una extrusora cónica. El documento WO 2011/051882 A1 da a conocer un método para microfibrilar celulosa a partir de, por ejemplo, algodón y cereales, que comprende: someter a cizalladura mecánica una mezcla acuosa de fibras de celulosa que tiene un contenido de sólidos inicial por encima del 50 % en peso en una extrusora.Sumario de la invención

Un objetivo de la presente invención es superar al menos algunos de los problemas descritos anteriormente y proporcionar un método de pretratamiento de algodón reciclado que comprende etapas en las que se someten el algodón reciclado y un líquido a trabajo mecánico para abrir la estructura de fibrillas de las paredes celulares de celulosa, mediante lo cual se aumenta la accesibilidad de los disolventes y agentes químicos a las fibrillas de celulosa. El aumento de la accesibilidad a las fibrillas, a su vez, proporciona una eficiencia y rendimientos mejorados en la posterior producción de derivados de celulosa, derivados que son útiles en, por ejemplo, la disolución y preparación de productos tales como fibras, películas, espumas y recubrimientos.

La invención se define por las características de las reivindicaciones independientes. Algunas realizaciones específicas se definen en las reivindicaciones dependientes.

Según un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un método para pretratar algodón reciclado que comprende las etapas de proporcionar una mezcla que tiene un contenido de sólidos, comprendiendo dicha mezcla celulosa y un líquido, y trabajar mecánicamente la mezcla para abrir la estructura de fibrillas de las paredes celulares de celulosa. El trabajo mecánico comprende mezclado por cizalladura en un dispositivo de mezclado mecánico continuo.

Según un segundo aspecto, se proporciona un uso de un método para pretratar celulosa en la preparación de carbamato de celulosa. La mezcla proporcionada en el método comprende celulosa, un líquido, y la mezcla comprende además urea.

Se obtienen ventajas considerables por medio de la invención. La presente invención proporciona un método de pretratamiento de algodón reciclado que comprende etapas en las que se someten celulosa y un líquido a trabajo mecánico para abrir la estructura de fibrillas de las paredes celulares de celulosa, mediante lo cual se aumenta la accesibilidad de los disolventes y agentes químicos a las fibrillas de celulosa. El aumento de la accesibilidad a las fibrillas, a su vez, proporciona una eficiencia y rendimientos mejorados en la posterior producción de derivados de celulosa, derivados que son útiles en, por ejemplo, la disolución y preparación de productos tales como fibras, películas, espumas y recubrimientos. La pared celular se desintegra y el impedimento a la difusión de disolventes u otros productos químicos se reduce. Una alta accesibilidad es un requisito previo esencial para una sustitución homogénea de material de celulosa. La estructura de la celulosa puede verse afectada por medio de la activación mecánica.

A continuación, se describirán realizaciones más estrechamente con referencia a los dibujos adjuntos y una descripción detallada.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una micrografía electrónica que muestra fibrillas de celulosa molidas en condiciones secas;

la figura 2 es una micrografía electrónica que muestra fibrillas de celulosa molidas en condiciones de alta consistencia y

la figura 3 es una micrografía electrónica que muestra fibrillas de celulosa molidas en condiciones de baja consistencia.

Realizaciones

Definiciones

En el presente contexto, el término “extrusora” significa cualquier mezclador continuo que proporcione 1) mezclado por cizalladura, 2) funcionamiento continuo y 3) reemplazo positivo. Las extrusoras incluyen aquellas que son capaces de manejar pulpa de alta consistencia.

“Pulpa de alta consistencia” es una que tiene un contenido de sólidos de celulosa de más del 5 % en peso y un líquido, normalmente en exceso del 20 % en peso y un líquido.

“Pulpa de consistencia extra alta” es una pulpa que tiene un contenido de sólidos de celulosa de más del 20 % en peso y un líquido, que no libera agua libre.

Por medio de realizaciones de la presente invención, se ha encontrado sorprendentemente que la accesibilidad de disolventes y otros productos químicos a la celulosa puede aumentarse en un pretratamiento en el que se someten la celulosa y un líquido a trabajo mecánico. Se ha encontrado sorprendentemente que pueden eliminarse completamente la congelación y descongelación del proceso de pretratamiento, es decir, antes de disolverse, incluido en los casos de pulpas exigentes que tienen múltiples capas de fibrillas tales como algodón, linter de algodón, cáñamo, flex, lino y otras fibras de tallos y semillas.

La figura 1 ilustra pulpa seca molida. Tal como puede observarse claramente, la celulosa se somete a hornificación; ninguna o muy pocas fibrillas se hacen accesibles en el proceso de molienda en seco.

La figura 2 ilustra un ejemplo en el que se muele pulpa de alta consistencia, o pulpa con un alto contenido de sólidos pero no pulpa totalmente seca. Las fibrillas están bien separadas y son accesibles en las fibras molidas. La figura 3 ilustra un ejemplo en el que pulpa de baja consistencia. Las fibrillas están mejor separadas que las de la pulpa seca molida, pero no están tan bien separadas ni son tal accesibles como en la pulpa de alta consistencia molida.

Descripción detallada

El algodón reciclado puede pretratarse mediante métodos según realizaciones de la presente invención. Según una realización, el método para pretratar algodón reciclado comprende las etapas de proporcionar una mezcla que tiene un contenido de sólidos, comprendiendo dicha mezcla celulosa, y un líquido, y trabajar mecánicamente la mezcla para abrir la estructura de fibrillas de las paredes celulares de la celulosa. El trabajo mecánico comprende mezclado por cizalladura en un dispositivo de mezclado mecánico continuo.

La mezcla tiene un contenido de sólidos inicial de al menos el 50 % en peso de la mezcla, preferiblemente el contenido de sólidos inicial es del 50 % o más en peso de la mezcla, por ejemplo más del 50 % en peso de la mezcla tal como el 51 % en peso de la mezcla, el 52 % en peso de la mezcla o, por ejemplo, el 55 % en peso de la mezcla, adecuadamente al menos el 65 % en peso de la mezcla, hasta el 75 % en peso de la mezcla, lo más preferiblemente el 71%o el 72%o el 73%o el 74%en peso de la mezcla. El trabajo mecánico de pulpas de consistencia extra alta, tales como éstas en comparación con pulpas de baja consistencia, proporciona una dislocación mejorada de las laminillas en las pareces celulares de las fibras, lo que conduce a una absorción mejorada de productos químicos tales como urea a nivel molecular en la mezcla, o la pulpa. El contenido de sólidos inicial de al menos el 50 % en peso con respecto al peso de la mezcla garantiza un manejo eficaz de la celulosa, es decir, que se actúa sobre las paredes de celulosa mediante fuerzas de cizalladura suficientes para romper eficazmente las paredes celulares y aumentar la accesibilidad de los disolventes y productos químicos a las fibrillas de celulosa. Un contenido de sólidos inicial de menos de al menos el 50 %, tal como menos de aproximadamente el 50 % en peso da como resultado un manejo menos eficaz de la celulosa. Se produce el mejor manejo de la celulosa cuando el contenido de sólidos inicial es de al menos el 50 % en peso de la mezcla, preferiblemente el contenido de sólidos inicial es del 50 % o más en peso de la mezcla, por ejemplo, más del 50 % en peso de la mezcla, tal como el 51 % en peso de la mezcla, el 52 % en peso de la mezcla o, por ejemplo, el 55 % en peso de la mezcla, adecuadamente al menos el 65 % en peso de la mezcla, hasta el 75 % en peso de la mezcla, lo más preferiblemente el 71 % o el 72 % o el 73 % o el 74 % en peso de la mezcla.

El contenido de sólidos no excede el 75 % en peso de la mezcla. Mantener una pulpa de alta consistencia en la que el contenido de sólidos no excede el 75 % en peso de la mezcla garantiza que no se produzca hornificación o recristalización debida a desactivación provocada por la pérdida de grupos hidroxilo libres, y por tanto la estructura de las paredes laterales no se cierra a la absorción de productos químicos.

Entre los límites descritos en las realizaciones mencionadas anteriormente, el espacio es suficiente para que las fuerzas de corte puedan actuar sobre la celulosa sin desgarrar las fibrillas de la superficie de la celulosa y para que aumente la accesibilidad de los disolventes y productos químicos a las fibrillas en las paredes de las células de la fibra, lo cual es óptimo. La mezcla que tiene contenidos de sólidos en los límites descritos anteriormente es óptima para el algodón ya que la estructura de fibrillas de seis capas no se humedece a través de tales contenidos de sólidos. Cuando se humedece el algodón, la estructura de fibrillas se bloquea y se vuelve aún más difícil romper la estructura de fibrillas para aumentar la accesibilidad a las fibras celulósicas.

Según un aspecto de ejemplo de la presente invención, se proporciona un método para pretratar algodón reciclado, que comprende las etapas de proporcionar una mezcla que tiene un contenido de sólidos, comprendiendo dicha mezcla celulosa y un líquido, y trabajar mecánicamente la mezcla para abrir la estructura de fibrillas de las paredes celulares de la celulosa. El trabajo mecánico comprende mezclado por cizalladura en un dispositivo de mezclado mecánico continuo.

Las realizaciones del método son particularmente eficaces en el pretratamiento de pulpas tan exigentes que tienen múltiples capas de fibrillas, tales como el algodón.

Tal como se mencionó anteriormente, una realización implica trabajar mecánicamente la mezcla para abrir la estructura de fibrillas de las paredes celulares de la celulosa. En una realización, la mezcla se alimenta continuamente al dispositivo de mezclado mecánico. La alimentación continua del material en el dispositivo de mezclado mecánico garantiza que se optimice el consumo de energía y el tiempo en el proceso en el que aumenta la accesibilidad a las fibrillas de celulosa.

En una realización, el dispositivo de mezclado mecánico tiene una capacidad de autolimpieza. Esto permite el paso continuo de celulosa a través del dispositivo de mezclado y el funcionamiento sin obstrucciones del dispositivo, ambos atributos particularmente útiles en aplicaciones industriales.

Pueden emplearse diversos dispositivos de mezclado en unas realizaciones de la invención. En una realización, el dispositivo de mezclado mecánico se selecciona del grupo que consiste en molino de cuchillas, molino de martillos, molino de bolas, molino de tipo disco, prensa de gránulos y extrusoras.

En una realización preferida, el dispositivo mecánico es una prensa de gránulos, por ejemplo, una prensa Kahl. Otras prensas de gránulos adecuadas para el mezclado mecánico de materiales a base de celulosa tal como se describe en el presente documento son igualmente adecuadas para su uso en unas realizaciones de la presente invención.

En una realización particular, el dispositivo de mezclado mecánico es una extrusora. En una realización adecuada, el dispositivo de mezclado mecánico comprende dos o más extrusoras. En unas realizaciones en las que dos o más extrusoras funcionan en serie, la celulosa puede pasar de una primera extrusora a una extrusora adicional. La celulosa pasa a extrusoras adicionales hasta que al menos una parte de la celulosa esté microfibrilada.

En una realización, la extrusora se selecciona del grupo que consiste en una extrusora de doble husillo contrarrotatoria, una extrusora de doble husillo corrotatoria, una extrusora de múltiples husillos, una extrusora de pistón, una extrusora planetaria, una mezcladora Banbury continua, una mezcladora Zigma continua, una extrusora cónica y una combinación de las mismas.

En una realización adicional, el dispositivo de mezclado mecánico es un molino de tipo disco.

Tal como se mencionó anteriormente, un propósito del dispositivo de mezclado mecánico es fibrilar la celulosa. Por tanto, en una realización el trabajo mecánico comprende abrir la estructura de fibrillas de las paredes celulares de la celulosa.

Es deseable lograr ciertos niveles de fibrilación. A medida que aumenta la fibrilación, aumenta la accesibilidad de los productos químicos reactivos a las fibrillas. En una realización, la mezcla se trabaja mecánicamente hasta que al menos una parte de la celulosa esté microfibrilada, preferiblemente al menos el 40 % en peso de la celulosa esté microfibrilada, particularmente al menos el 60 % en peso de la celulosa esté microfibrilada, adecuadamente al menos el 75 % en peso de la celulosa está microfibrilada, normalmente al menos el 95% en peso de la celulosa esté microfibrilada.

En unas realizaciones, el medio de celulosa húmedo tiene un pH alcalino o ligeramente alcalino. Un pH alcalino o ligeramente alcalino es beneficioso para fibrilar la celulosa. Tal como se mencionó anteriormente, y tal como se muestra en las figuras, está claro que una pulpa de alta consistencia se fibrila más fácilmente y no experimenta hornificación. Por tanto, se requiere mezclar al menos algo de líquido con la celulosa o bien antes de alimentarlo al dispositivo de mezclado o alimentarlo al dispositivo de mezclado por separado o bien alimentarlo al dispositivo de mezclado simultáneamente con la celulosa. El líquido es agua que tiene un valor de pH en exceso de 7,0, preferiblemente 7,2 o más normalmente 7,3 o 7,4, adecuadamente 7,5 o más, y opcionalmente comprende iones de hidróxido añadidos. En una realización, el pH del líquido es 10,0 o superior, preferiblemente el pH es 10,5 o superior, opcionalmente el pH está en el intervalo de 7,0 a 14,0.

En una realización adicional, el líquido alcalino o ligeramente alcalino comprende además sustancias tensioactivas, tales como sustancias tensioactivas seleccionadas del grupo que consiste en tensioactivos aniónicos tales como sulfonato de dodecilbenceno sódico, tensioactivos no iónicos tales como etoxilato de nonilfenol, tensioactivos catiónicos tales como bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB) y tensioactivos anfóteros tales como Albegal A (AMS) o alquilamina poliglicol éter. Los tensioactivos ayudan a prevenir la sedimentación de las impurezas que ya se han eliminado del medio de celulosa y, en general, aumentan la reactividad al reducir la tensión superficial y, por tanto, permiten un mejor contacto entre los reactivos y el medio de celulosa, especialmente en condiciones alcalinas.

El trabajo mecánico se realiza a una temperatura con el fin de controlar el contenido de humedad de la celulosa. Un contenido de sólidos final deseable de la celulosa trabajada está en exceso del 85 % en peso de la mezcla. El trabajo mecánico puede repetirse hasta lograr el contenido de sólidos deseado. El contenido de sólidos final no podrá exceder el 95 % en peso de la composición. En tales casos, se produce hornificación.

Por tanto, en unas realizaciones, el trabajo mecánico se lleva a cabo a una temperatura en el intervalo de 0 a 100 °C, preferiblemente de 10 a 80 °C, adecuadamente de 20 a 70 °C, particularmente 30 o 40 o 50 o 60 °C. La velocidad de cizalladura también puede contribuir a las propiedades deseables de la celulosa pretratada resultante. En una realización, el trabajo mecánico se lleva a cabo a una velocidad de > 80 s-1, preferiblemente > 90 s-1, particularmente > 100 s-1. En algunas realizaciones, la velocidad de cizalladura puede ser notablemente mayor, por ejemplo de 300 a 500 s-1, incluso tan alta como 1000 s-1. Por ejemplo, en la microfibrilación y producción de nanocelulosa, se emplean velocidades de cizalladura notablemente más altas.

Tal como se mencionó anteriormente, existe un intervalo preferido para la temperatura en el dispositivo de mezclado. La temperatura puede controlarse por medio de un dispositivo de enfriamiento. En una realización, el dispositivo de mezclado se enfría, preferiblemente se enfría con agua circulante, para mantener la temperatura en el dispositivo de mezclado a o por debajo de una temperatura máxima de 100 °C. En unas realizaciones que se refieren únicamente a la fase de pretratamiento, la temperatura máxima es particularmente importante. Si la temperatura de la celulosa trabajada mecánicamente supera los 100 °C, se produce hornificación.

Como se describió anteriormente, pueden lograrse ciertos grados de fibrilación haciendo pasar la mezcla a través de una extrusora una o más veces. Por consiguiente, en una realización, la mezcla pasa a través de la extrusora una o más veces.

Realizaciones adicionales se refieren a etapas del método adicionales. Dado que el trabajo mecánico de la celulosa provoca fibrilación, la accesibilidad de los reactivos a las fibras/fibrillas de celulosa se mejora en comparación con la celulosa no fibrilada. El método comprende la etapa adicional de añadir urea a la mezcla. En una realización adicional, se añade el 11-22 por ciento en peso de la mezcla de urea y se añade el 0,4-1,1 por ciento en peso de la mezcla de peróxido (H<2>O<2>) para ajustar el grado de polimerización de la celulosa. El material se trabaja hasta que todas las disoluciones se absorban por completo y la masa haya alcanzado una composición uniforme. Luego, el material tratado mecánicamente se hace reaccionar en una fase separada en la que el material tratado mecánicamente se mezcla y se calienta a una temperatura en el intervalo de 133 a 155 °C durante un período en el intervalo de 2 a 4 horas.

En una realización adicional, la mezcla se trabaja mecánicamente y se calienta rápidamente, directa o indirectamente, hasta una temperatura en el intervalo de 120 a 135 °C, normalmente 133 °C, y se calienta adicionalmente hasta una segunda temperatura. Normalmente, el calentamiento continúa hasta que se ha alcanzado una temperatura en el intervalo de 133-140 °C, normalmente 135 °C. El trabajo mecánico y el calentamiento hacen que la urea y la celulosa reaccionen para formar carbamato de celulosa.

Puede formarse carbamato de celulosa con altos rendimientos mediante realizaciones de la invención en un período de tiempo relativamente corto. Por ejemplo, en unas realizaciones, el trabajo mecánico tal como se describió anteriormente proporciona celulosa microfibrilada en el intervalo del 40 % en peso de la celulosa al 95 % en peso de la celulosa en un período de tiempo de 30 minutos a 5 horas, preferiblemente en un período de 1 a 4 horas, adecuadamente 2 horas o 3 horas. La adición de urea a la mezcla con calentamiento tal como se describió anteriormente y el trabajo mecánico tal como se describió anteriormente dan como resultado la formación de carbamato de celulosa a partir de un material de partida de celulosa en un período de 1 a 6 horas, preferiblemente de 2 a 5 horas, adecuadamente 3 horas o 4 horas.

El carbamato de celulosa proporcionado por realizaciones del método puede recuperarse para su almacenamiento o directamente para su uso en otras aplicaciones. El carbamato de celulosa proporcionado por realizaciones del método está seco. En unas realizaciones adicionales, el carbamato de celulosa se lava con agua y luego se seca en una secadora. El secado a temperaturas por encima de 155 °C puede ser perjudicial para el producto de carbamato de celulosa. Por tanto, el secado tiene lugar preferiblemente a una temperatura inferior o igual a 133 °C. La temperatura usada en la etapa de carbamación real normalmente no se excede en la etapa de secado.

Ejemplos

Ejemplo 1

Se abrió material de desecho de algodón posconsumo mediante cardado hasta obtener fragmentos de hilo y fibras. El material de algodón contenía menos del 10 % de otros materiales de fibra. El DP de la celulosa varió entre 600 y 1000 kDa. Al material se le añadió agua en la que se disolvió urea (220 g/kg) para alcanzar un contenido de nitrógeno del 1,7 %. Se añadió peróxido de hidrógeno (0,75 %) para controlar la masa molar a un DP de 360 kDa, equivalente a una viscosidad de 280 cP. Cada uno de los materiales tenía la misma carga química, mientras que el nivel de contenido de sólidos antes del procesamiento mecánico era diferente en cada experimento (57 % (húmedo), 72 % (óptimo) y 77 % (seco)). Los materiales se trataron mecánicamente y se comprimieron mediante una boquilla múltiples veces hasta que se alcanzó un contenido de sólidos del 91 - 93 %. Las muestras húmeda, óptima y seca requirieron 9, 2 y 1 pasos a través de la boquilla, respectivamente, antes de que se alcanzara el contenido de sólidos deseado. Se calentaron los productos a una temperatura en el intervalo de 133 °C - 155 °C durante un periodo de 3 horas para su secado.

Se prepararon carbamatos con o bien un reactor mezclador Drais de 250 l o bien o un reactor mezclador Lodige de 600 l. Inicialmente, la pulpa/el algodón se secó a vacío hasta aproximadamente un 85 % de materia seca. Se mezcló peróxido de hidrógeno con urea acuosa y se añadió la mezcla a la pulpa. Después de la adición del producto químico, el contenido de materia seca objetivo era del 65-70 % para facilitar una compactación flexible. La compactación se realizó dos veces con un dispositivo Kahl. La pulpa granulada (compactada) se puso de nuevo en el reactor de mezclado donde se inició el vapor. El cálculo del tiempo de reacción de carbamación se inició cuando la temperatura alcanzó 115 °C y se aumentó la temperatura hasta 140-150 °C. El tiempo de reacción total fue de 4 horas. Después de la carbamación, se trituró la pulpa con una trituradora dos veces para mejorar la solubilidad.

Se prepararon masas hilables de hilatura a partir de cada uno de los productos y se hilaron fibras.

Tabla 1

A partir de la tabla 1 puede observarse que, mediante realizaciones según la presente invención, trabajar mecánicamente la muestra óptima que tiene una consistencia óptima en el intervalo de aproximadamente el 70 -75 %, mediante realizaciones de los métodos descritos anteriormente en el presente documento, abre las paredes celulares de la celulosa y fibrila la celulosa, mejorando la accesibilidad de reactivos químicos. Las fibras pretratadas mecánicamente son adecuadas para su uso en diversos procesos, por ejemplo para la carbamación con urea, proporcionando una masa hilable de hilatura e hilatura de fibras finas con buena resistencia.

Ejemplo 2

Se preparó materia prima de pulpa de celulosa para el proceso de fabricación de carbamato de celulosa a partir de desechos textiles de algodón reciclado (con viscosidad CED de 330 ± 30 ml/g, norma ISO 5351 modificada). El proceso de preparación de pulpa se llevó a cabo tal como se describe en la solicitud de patente finlandesa FI20205250. Se prepararon carbamatos de celulosa con un reactor mezclador o bien Lodige de 600 l o bien Lodige de 2000 l. La pulpa preparada a partir de los desechos textiles de algodón reciclado se deshidrató en presencia de una dosificación de hidróxido de sodio de 6 g/kg de material de celulosa secado al aire en condiciones de vacío hasta aproximadamente el 85 % de contenido de materia seca de la mezcla. Se determinó el valor de pH del líquido en el material tratado con álcali dejando reposar 10 g de material deshidratado en 100 g de agua. El valor de pH fue de 10,5. Se mezcló peróxido de hidrógeno (dosificación del 0,3 ± 0,1 % de H<2>O<2>de pulpa de celulosa seca) con una disolución acuosa de urea (dosificación del 18,5 % de urea de pulpa de celulosa seca) y se añadió la mezcla a la pulpa. Después de la adición de la disolución acuosa de urea y peróxido de hidrógeno, el contenido de materia seca obtenido de la mezcla de celulosa-producto químico-líquido era del 72±2 % para facilitar un pretratamiento mecánico flexible. El pretratamiento mecánico se realizó seis veces (6) posteriormente exponiendo a mezclado por cizalladura en un dispositivo de mezclado mecánico continuo usando un dispositivo Kahl. La pulpa pretratada mecánicamente se puso de nuevo en el reactor de mezclado donde se inició el vapor. El cálculo del tiempo de reacción de carbamación se inició cuando la temperatura alcanzó 133 °C y se aumentó la temperatura hasta 135±2 °C para la reacción de carbamación real. El tiempo de reacción total fue de 180 min después de alcanzar la temperatura inicial objetivo de 133 °C. Después de la carbamación en forma de gránulos, los gránulos de carbamato de celulosa se trituraron para el procesamiento opcional posterior al tratamiento del carbamato de celulosa o sus usos finales directos. El grado de polimerización de la celulosa fue de 248±20 ml/g (como viscosidad CED, norma ISO 5351) medido en el carbamato de celulosa triturado, lavado y secado. El grado de sustitución del carbamato de celulosa medido por medio del contenido de nitrógeno total en el carbamato de celulosa lavado y secado al horno (según la norma SFS 5505:1988, modificada) fue un 30-40 % mayor en el caso de la pulpa pretratada mecánicamente con álcali añadido (NaOH 6 g/kg de pulpa seca) tal como se muestra en este ejemplo en comparación con el producto preparado usando el proceso similar pero en ausencia de hidróxido de sodio en la fase de deshidratación de la pulpa.

Ejemplo de uso final directo del polvo de carbamato de celulosa preparado usando el proceso descrito anteriormente: El carbamato de celulosa obtenido a partir del proceso de carbamación se disolvió adicionalmente para la producción de fibras de carbamato de celulosa mediante el proceso de hilatura en húmedo: El polvo de carbamato de celulosa secado al aire y triturado se suspendió y disolvió en disolución de zincato de sodio (oxano de zinc) hasta el contenido de carbamato de celulosa objetivo del 6,5 ± 0,2 % (n=10), contenido de hidróxido de sodio del 6,5 ± 0,2 % (n=10). La masa hilable de carbamato de celulosa obtenida del proceso de disolución se filtró posteriormente usando el proceso de filtración por retrolavado de dos fases usando los medios de filtro de 20 μm en la segunda fase de filtración. Se llevó a cabo la hilatura en húmedo de la masa hilable de carbamato de celulosa filtrada y desaireada usando el baño de hilatura optimizado para el proceso de carbamato de celulosa que contenía, por ejemplo, sulfato de sodio y ácido sulfúrico libre. La tensión de estiramiento de rodillo estirador aplicada fue del 86 ± 8 % (n=56) en condiciones de estiramiento de baño caliente. La cinta de filamentos obtenida de la hilatura se cortó en fibras cortadas con una longitud de corte de 40 mm. El título del filamento objetivo fue de 1,3 dtex. La tenacidad a la rotura de la fibra medida a partir de las fibras cortadas fue de 23 ± 1 cN/tex (n=56) con un alargamiento a la rotura del 16,4 ±1,5 % (n=56) (norma SFS-EN ISO 5079).

Ejemplo 3

Tratamiento mecánico de la pulpa usando un molino de martillos.

Se preparó materia prima de pulpa de celulosa para el proceso de fabricación de carbamato de celulosa a partir de desechos textiles de algodón reciclado (con viscosidad CED de 330 ± 30 ml/g, norma ISO 5351 modificada). El proceso de preparación de pulpa se llevó a cabo tal como se describe en la solicitud de patente finlandesa FI20205250. La pulpa preparada a partir de los desechos textiles de algodón reciclado se deshidrató en condiciones de vacío hasta aproximadamente el 85 % de contenido de materia seca de la mezcla. Se mezcló peróxido de hidrógeno (dosificación del 0,3 ± 0,1 % de H<2>O<2>de pulpa de celulosa seca) con una disolución acuosa de urea (dosificación del 18,5 % de urea de pulpa de celulosa seca) y se añadió la mezcla a la pulpa. Después de la adición de la disolución acuosa de urea y peróxido de hidrógeno, el contenido de materia seca obtenido de la mezcla de celulosa-compuesto químico-líquido era del 72±2 % para facilitar un pretratamiento mecánico flexible. Se llevaron a cabo la deshidratación y el mezclado de agua y productos químicos adicionales en un reactor de mezclado Lodige de 600 l. La pulpa mezclada con productos químicos y con contenido de sólidos optimizado se dividió en dos lotes separados para los ensayos de tratamiento mecánico posteriores: 1) El pretratamiento mecánico se llevó a cabo tres veces (3) posteriormente exponiendo a mezclado por cizalladura en un dispositivo de mezclado mecánico continuo usando un molino de martillos (molino de martillos de tipo Kamas con una placa de tamiz con un diámetro de orificio de 3 mm). 2) El pretratamiento mecánico se llevó a cabo seis veces (6) posteriormente exponiendo a mezclado por cizalladura en un dispositivo de mezclado mecánico continuo usando un dispositivo Kahl (una prensa de gránulos). Las pulpas pretratadas mecánicamente se esparcieron por separado en cacerolas de acero inoxidable como una capa fina de aproximadamente 1 cm. Las cacerolas se pusieron en un horno ventilado y con circulación de aire a 140 °C durante 180 min. Los carbamatos de celulosa obtenidos se trituraron usando un molino de trituración de martillos a escala de laboratorio usando un tamiz con un diámetro de orificio de 0,5 mm. La caracterización de las propiedades de calidad de las dos muestras de carbamato de celulosa diferentes se basó en el siguiente procedimiento: Los carbamatos de celulosa obtenidos del proceso de carbamación se disolvieron adicionalmente para la preparación de las correspondientes masas hilables de carbamato de celulosa (disoluciones de carbamato de celulosa) suspendiendo y disolviendo los polvos triturados en disolución de zincato de sodio (oxano de zinc) hasta el contenido de carbamato de celulosa objetivo del 6,5 ± 0,2 %, contenido de hidróxido de sodio del 6,5 ± 0,2 %.

Tabla 2

A partir de la tabla 2, puede observarse que, mediante realizaciones según la presente invención, el trabajo mecánico usando un dispositivo Kahl produjo un grado de sustitución ligeramente mayor medido por medio del contenido de nitrógeno total y el contenido de fracción insoluble en agua de la muestra de carbamato de celulosa lavada y secada en comparación con la muestra preparada usando un dispositivo de molino de martillos. El valor de KW y el índice de KR (KR corresponde al valor de KW corregido por viscosidad) indican la filtrabilidad de las disoluciones de carbamato de celulosa, cuanto menor es el valor, menor es la cantidad de partículas no reactivas con un tamaño que obstruye el filtro (>10 μm) que se encuentran en las disoluciones de muestra preparadas. Por tanto, el pretratamiento mecánico usando un molino de martillos produjo una masa hilable de carbamato de celulosa de mejor calidad basándose en el análisis de filtrabilidad.

Ha de entenderse que las realizaciones de la invención dadas a conocer no se limitan a las estructuras, etapas del proceso o materiales particulares dados a conocer en el presente documento, sino que se extienden a equivalentes de los mismos tal como reconocerían los expertos habituales en las técnicas relevantes. También ha de entenderse que la terminología empleada en el presente documento se usa únicamente con el fin de describir realizaciones particulares y no se pretende que sea limitativa.

La referencia a lo largo de esta memoria descriptiva a una realización significa que un rasgo, estructura o característica particular descrita en relación con la realización está incluida en al menos una realización de la presente invención. Por lo tanto, la aparición de la frase “en una realización” en diversos lugares a lo largo de esta memoria descriptiva no necesariamente se refieren todas a la misma realización. Cuando se hace referencia a un valor numérico usando un término tal como, por ejemplo, aproximadamente o sustancialmente, también se da a conocer el valor numérico exacto.

Tal como se usa en el presente documento, puede presentarse una pluralidad de artículos, elementos estructurales, elementos compositivos y/o materiales en una lista común por conveniencia. Sin embargo, estas listas deben interpretarse como si cada miembro de la lista se identificara individualmente como un miembro separado y único. Por tanto, ningún miembro individual de tal lista debe interpretarse como equivalente de facto de cualquier otro miembro de la misma lista basándose únicamente en su presentación en un grupo común sin indicación de lo contrario. Además, en el presente documento puede hacerse referencia a diversas realizaciones y ejemplos de la presente invención junto con alternativas para los diversos componentes de los mismos. Se entiende que tales realizaciones, ejemplos y alternativas no deben interpretarse como equivalentes de facto entre sí, sino que deben considerarse representaciones separadas y autónomas de la presente invención.

Además, los rasgos, estructuras o características descritas pueden combinarse de cualquier manera adecuada en una o más realizaciones. En la siguiente descripción, se proporcionan numerosos detalles específicos, tales como ejemplos de longitudes, anchuras, formas, etc., para proporcionar una comprensión profunda de las realizaciones de la invención. Un experto en la técnica relevante reconocerá, sin embargo, que la invención puede ponerse en práctica sin uno o más de los detalles específicos, o con otros métodos, componentes, materiales, etc. En otros casos, estructuras, materiales u operaciones bien conocidas no se muestran ni se describen en detalle para evitar oscurecer aspectos de la invención.

Aunque los ejemplos anteriores son ilustrativos de los principios de la presente invención en una o más aplicaciones particulares, resultará evidente para los expertos habituales en la técnica que pueden hacerse numerosas modificaciones en la forma, el uso y los detalles de implementación sin el ejercicio de facultad inventiva, y sin apartarse de los principios y conceptos de la invención. Por consiguiente, no se pretende que la invención esté limitada, excepto por las reivindicaciones expuestas a continuación.

Los verbos “comprender” e “incluir” se usan en este documento como limitaciones abiertas que no excluyen ni exigen la existencia de características no citadas también. Las características citadas en las reivindicaciones dependientes pueden combinarse libremente entre sí a menos que se indique explícitamente lo contrario. Además, ha de entenderse que el uso de “un” o “una”, es decir, una forma singular, en todo este documento no excluye una pluralidad.

Aplicabilidad industrial

Al menos algunas realizaciones de la presente invención encuentran aplicación industrial en la gestión y el reciclaje de celulosa para su uso en la industria textil, así como en la preparación de celulosa virgen para su uso en una industria más amplia.

Lista de menciones

Bibliografía de patentes

Documento US 5410034 A

Bibliografía no de patentes

Isogai, A. y Atalla, R.H. (1998). Dissolution of Cellulose in Aqueous NaOH Solutions. Cellulose, 5(4): 309-319. Sobue, H., Kiessig, H. y Hess, K. (1939). The System: Cellulose-Sodium Hydroxide-Water in Relation to the Temperature. Zeitschrift für Physikalishe Chemie, B43: 309.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Método para pretratar algodón reciclado que comprende las etapas de

• proporcionar una mezcla que tiene un contenido de sólidos, en el que la mezcla tiene un contenido de sólidos inicial de al menos el 50 % en peso con respecto al peso de la composición y el contenido de sólidos no excede el 75 % en peso con respecto al peso de la composición, comprendiendo dicha mezcla

o celulosa, y

o agua que tiene un valor de pH en exceso de 7,0,

• añadir urea a la mezcla, y

• trabajar mecánicamente la mezcla a una temperatura en el intervalo de 20 a 100 °C para abrir la estructura de fibrillas de las paredes celulares de la celulosa, comprendiendo dicho trabajo mecánico mezclar por cizalladura en un dispositivo de mezclado mecánico continuo.

2. Método según la reivindicación 1, en el que la mezcla tiene un contenido de sólidos inicial de al menos el 65 % en peso con respecto al peso de la composición, particularmente hasta el 71 % o el 72 % o el 73 % o el 74 % con respecto al peso de la mezcla.

3. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la mezcla se alimenta de manera continua al dispositivo de mezclado mecánico.

4. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo de mezclado mecánico tiene una capacidad de autolimpieza.

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo de mezclado mecánico se selecciona del grupo que consiste en un molino de cuchillas, molino de martillos, molino de bolas, molino de tipo disco, dispositivos de prensa de gránulos y extrusoras.

6. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo de mezclado mecánico es un dispositivo de prensa de gránulos.

7. Método según la reivindicación 5 o 6, en el que el dispositivo de mezclado mecánico es una extrusora seleccionada del grupo que consiste en una extrusora de doble husillo contrarrotatoria, extrusora de doble husillo corrotatoria, extrusora de múltiples husillos, extrusora de pistón, extrusora planetaria, mezcladora Banbury continua, mezcladora Zigma continua, extrusora cónica y una combinación de las mismas.

8. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el trabajo mecánico comprende abrir la estructura de fibrillas de las paredes celulares de la celulosa.

9. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la mezcla se trabaja mecánicamente hasta que al menos una parte de la celulosa está microfibrilada.

10. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que del valor de pH del agua está en exceso de 7,2 o más, normalmente 7,3 o 7,4, adecuadamente 7,5 o más, y opcionalmente comprende iones de hidróxido añadidos.

11. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el pH del líquido es de 10,0 o más, preferiblemente el pH es de 10,5 o más, opcionalmente el pH está en el intervalo de 7,0 a 14,0.

12. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el trabajo mecánico se lleva a cabo a una temperatura en el intervalo de 20 a 80 °C, adecuadamente de 20 a 70 °C, particularmente 30 o 40 o 50 o 60 °C.

13. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo de mezclado se enfría, preferiblemente se enfría con agua circulante.

14. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la mezcla pasa a través de la extrusora una o más veces.

15. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la mezcla que comprende urea se calienta hasta una primera temperatura en el intervalo de 120 a 135 °C, normalmente 133 °C, se calienta adicionalmente hasta una segunda temperatura en el intervalo de 133 a 155 °C para formar carbamato de celulosa.

16. Método según la reivindicación 11, en el que el carbamato de celulosa se recupera, se lava y se seca, preferiblemente a una temperatura por debajo de 155 °C, particularmente a una temperatura inferior o igual a 133°C.