FI67562C - Foerfarande foer framstaellning av cellulosakarbamat - Google Patents

Description

67562

Menetelmä selluloosakarbamaatin valmistamiseksi Förfarande för framställning av cellulosakarbamat

Keksintö koskee menetelmää selluloosakarbamaatin valmistamiseksi antamalla isosyaanihapon ja selluloosan reagoida korotetussa lämpötilassa.

Suomalaisissa patenteissa 61033 ja 62318 on esitetty menetelmä alkali-5 liukoisen selluloosajohdannalsen valmistamiseksi selluloosasta ja ureasta. Menetelmä perustuu siihen, että kuumennettaessa ureaa sen sulamispisteeseen tai korkeampaan lämpötilaan se alkaa hajota isosyaanlhapoksl ja ammoniakiksi. Isosyaanlhappo reagoi selluloosan kanssa muodostaen alkaliin liukoisen selluloosajohdannalsen, jota nimitetään selluloosakarbamaatik-10 si. Reaktio voidaan esittää seuraavasti: / CELL - OH + HNCO-» CELL - 0 - C -NH2 15 Syntyvä selluloosayhdlste eli selluloosakarbamaatti voidaan pesun jälkeen kuivata ja varastoida pitkiksikin ajoiksi tai sitten liuottaa esimerkiksi kuidunvalmistusta varten alkaalin vesiliuokseen. Liuoksesta voidaan valmistaa selluloosakarbamaattikuituja tai -kalvoja kehräämällä tai suu-lakepuristamalla samaan tapaan kuin viskoosin valmistusprosessissa. Sel-20 luloosakarbamaatin säilyvyys ja kuljetusmahdollisuudet kuivana antavat suuren edun verrattuna viskoosimenetelmän selluloosaksantaattiin, jota ei voida varastoida ja kuljettaa edes liuoksen muodossa.

Urean hajotessa lämmön vaikutuksesta isosyaanihapoksi ja ammoniakiksi 25 tapahtuu lisäksi tiettyjä sivureaktioita. Yksi näistä on isosyaanihapon reagoiminen urean kanssa, jolloin syntyy biurettia. Tämä biuretti on jäljellä karbamaattireaktion jälkeen syntyvässä karbamaatissa, josta se on poistettava esimerkiksi pesemällä. Sen lisäksi karbamaatista on poistettava reagoimaton tai hajoamaton urea, jonka määrä alussa saattaa olla 30 huomattava.

Teollisessa prosessissa pyritään luonnollisesti ottamaan reaktiossa tar- 2 67562 vittavat kemikaalit talteen ja palauttamaan ne prosessiin uudelleen käyttöä varten. Jatkuvatoimisessa karbamaattiprosessissa tämä merkitsee urean erottamista selluloosakarbamaatista ja edelleen sivutuotteena syntyvän biuretin erottamista ureasta. Poistovaihe lisää prosessin kustannuksia.

5

Keksintö koskee uutta menetelmää selluloosakarbamaatin valmistamiseksi, jossa menetelmässä ylläoleva haitta on ratkaistu. Keksinnön mukainen menetelmä selluloosakarbamaatin valmistamiseksi antamalla isosyaanihapon ja selluloosan reagoida korotetussa lämpötilassa on tunnettu siitä, että 10 kuumennetaan selluloosaa, johon on sekoitettu tai imeytetty biurettia tai biuretin ja urean seosta, yli 170°C lämpötilassa riittävän pitkän ajan selluloosakarbamaatin muodostumiseen riittävän isosyaanihappomäärän syntymiseksi ja selluloosan ja isosyaanihapon välisen reaktion suorittamiseksi.

15

Keksintö perustuu siihen havaintoon, että selluloosakarbamaatin valmistuksessa ei välttämättä tarvitakaan ureaa, vaan sensijaan voidaan käyttää biurettia. Biuretti, joka on urean ja isosyaanihapon additiotuote, hajoaa yli 170°C lämpötiloissa takaisin ureaksi ja isosyaanihapoksi. Urea 20 hajoaa edelleen isosyaanihapoksi ja ammoniakiksi. Siten urean sijasta on mahdollista käyttää biurettia tai biuretin ja urean seosta, mikäli käytetään niin korkeita lämpötiloja, että biuretin hajoaminen alkaa.

Biuretin käytön avulla saavutetaan hyvin joustava prosessi. Koska sellu-25 loosakarbamaattia valmistettaessa muutenkin syntyy biurettia isosyaanihapon ja urean additiotuotteena, on prosessin kannalta hyvin sopivaa käyttää biurettia selluloosaan lisättävänä reagenssina, joka sopii palautettavaksi suoraan prosessin alkuun uuden selluloosaerän käsittelemiseksi.

30 On mahdollista käyttää joko biurettia yksinään tai biuretin ja urean seosta. Prosessissa kuluva typpi (karbamaattiin menevä osa) voidaan korvata joko ureaa lisäämällä tai biurettia lisäämällä.

Käyttökelpoinen lämpötila-alue keksinnön mukaisessa menetelmässä on vä-35 Iillä 170-250°C, sopivimmin n. 220°C. Yli 250°C lämpötiloja on syytä välttää, koska tällöin sivureaktioiden vaara kasvaa.

67562

Tarvittava biuretin määrä keksinnön mukaisessa menetelmässä on 3-50 p-% selluloosan määrästä. Pienempiä biurettinääriä käytettäessä saattaa kuumennettaessa syntyvä isosyaanihapon määrä jäädä liian alhaiseksi ja suurempien biurettimäärien käyttö ei ole taloudellista eikä reaktion kannal-5 ta edes tarpeellista.

Biuretin lisäksi voidaan siis haluttaessa käyttää ureaa. Urean määrä keksinnön mukaisessa menetelmässä voi olla välillä 0-95 p-% selluloosan ja biuretin painosta.

10

Selluloosakarbamaatin valmistuksessa keksinnön mukaisella menetelmällä käytettävä biuretti tai biuretin ja urean seos voi olla karbamaattireak-tion jälkeen tuotteesta pestyä reagoimatonta biurettia tai biuretin ja urean seosta. Karbamaattireaktion jälkeen tuote nimittäin sisältää huo-15 mattavasti biurettia ja ureaa.

Biuretti voidaan lisätä raaka-aineena olevaan selluloosaan esimerkiksi sopivassa liuottimessa. Sopiva liuotin biuretin ja urean yhteydessä on ammoniakki, joka on mieluimmin, mutta ei välttämättä nestemäisenä. Täl-20 löin käytetään joko alhaista lämpötilaa tai liuottaminen suoritetaan paineen alaisena. Tarvittava määrä biurettia tai biuretin ja urean seosta liuotetaan ammoniakkiin, selluloosa imeytetään liuoksella, jonka jälkeen ammoniakki poistetaan esimerkiksi haihduttamalla. Selluloosa voi olla irtoketjujen tai rainan muodossa. Tarvittava imeytysaika vaihtelee taval-25 lisesti muutamasta sekunnista useihin tunteihin eikä se ole kriitillinen edellyttäen, että riittävä määrä biurettia saadaan selluloosakuituihin. Selluloosa voidaan johtaa ammoniakkikäsittelyn läpi esimerkiksi viirojen tukemana.

30 Karbamaatin valmistuksessa käytettävä selluloosa voi olla esikäsiteltyä sen polymeroitumisasteen saattamiseksi alhaisemmalle tasolle. Polymeroin-tiasteen säätäminen voidaan suorittaa esimerkiksi alkalikäsittelyllä tai säteilyttämällä.

35 Selluloosan ja biuretin kuumentaminen suoritetaan esimerkiksi lämpöuunin tapaisessa tilassa tai johtamalla biurettia sisältävä selluloosaraina tai matto tarvittavassa lämpötilassa olevan nestekylvyn läpi. Rainan muodos- 67562 sa oleva selluloosa voidaan johtaa viirojen tai vastaavien kannattamana. Mikäli käytetään nestettä, valitaan sellainen, joka ei liuota biurettia tai ureaa. Mitä alhaisemmassa lämpötilassa neste kiehuu, sitä helpommin se on poistettavissa reaktion jälkeen esimerkiksi haihduttamalla. Sopi-5 via nesteitä ovat muun muassa suhteellisen alhaalla kiehuvat aromaattiset tai alifaattiset hiilivedyt.

Reaktion jälkeen lopputuote pestään yhteen tai useampaan kertaan esimerkiksi vedettömällä metanolilla ja kuivataan. Mieluimmin lopputuote pes-10 tään myös nestemäisellä ammoniakilla, jolloin saavutetaan se etu, että pesunesteenä käytettävä biuretti- ja ureapitoinen ammoniakkiseos voidaan suoraan käyttää uudelleen.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä lähtöaineena käytettävä selluloosa voi 15 olla puuselluloosaa tai puuvillaa tai muita selluloosaa sisältäväiä luonnon- tai keinokuituja. Selluloosa voi olla sellaisenaan tai sitten kemiallisesti käsitellyssä muodossa, esimerkiksi valkaistuna, selluloosahyd-raattina, alkaliselluloosana tai muulla tavalla, esimerkiksi hapoilla käsitellyssä muodossa.

20

Keksintöä valaistaan lähemmin oheisissa esimerkeissä.

Esimerkki 1 2 25 Käsiteltiin arkkimuodossa (700 g/m ) olevaa valkaistua kuusisulfiittisel-luloosaa säteilytyksen avulla sen DP (degree of polymerization) säätämiseksi arvoon 420. Säteilytys suoritettiin elektronisäteilytyksenä (400 keV). Senjälkeen arkkeja imeytettiin 5 minuutin ajan -35°C lämpötilassa nestemäisellä ammoniakilla, johon oli liuotettu biurettia 5 %. Am-30 moniakin annettiin haihtua huoneenlämpötilassa muutamia tunteja, jolloin selluloosaan jäi biurettia 13 p-% selluloosan painosta.

Biuretilla imeytettyjä arkkeja kuumennettiin puristaen lärapölevyjen välissä 220°C ja 240°C lämpötiloissa. Kuumennusaika alhaisemmassa lämpöti-35 lassa oli 5 minuuttia ja korkeammassa lämpötilassa 2 minuuttia. Arkit pestiin kolme kertaa vedellä ja kerran metanolilla. Karbamaatti todennet- 13 tiin spektraalianalyyttisin (IR, C NMR) ja kemiallisin menetelmin. Ar- 5 67562 keistä valmistettiin liuos 10 % NaOH-liuokseen -5°C lämpötilassa siten, että liuoksen karbamaattipitolsuus oli 5,7 p-%. Liuoksesta mitattiin tuk-keutumisluku ja viskositeetti. Tulokset on esitetty oheisessa taulukossa I.

5

TAULUKKO I

Aika Lämpö- DP N-pit. Tukkeutumis- Viskosi- Sellu- tila luku teetti pitoisuus 10 min °C % s % 5 220 290 1,3 3525 25 5,7 2 240 341 1,3 6060 70 5,7 15

Esimerkki 2

Esimerkki 1 toistettiin siten, että imeytysliuos sisälsi 10 % biurettia, jolloin selluloosaan jäi ammoniakin poistamisen jälkeen 22 p-% biurettia. 20 Tulokset on esitetty taulukossa II.

TAULUKKO II

Aika Lämpö- DP N-pit. Tukkeutumis- Viskosi- Sellu- 25 tila luku teetti pitoisuus min °C % s % 1 220 406 1,3 80 000 55 4,8 2 220 357 1,4 950 83 6 30 3 220 320 1,6 800 70 6 4 220 316 1,7 3 700 83 6 5 220 300 1,8 800 51 6 1 240 413 1,6 6 900 77 5,4 2 240 348 1,8 13 000 82 5,5 35 _ 6 67562

Esimerkki 3

Valkaistusta kuusisulfiittiselluloosasta (DP 400) valmistettuja arkkeja (20 x 20 cm) imeytettiin nestemäisessä ammoniakissa esimerkin 1 mukaises-5 ti. Ammoniakki sisälsi 6 % biurettia ja 4 % ureaa. Ammoniakin annettiin haihtua huoneenlämpötilassa, jonka jälkeen arkit sisälsivät biurettia ja ureaa yhteensä 22 %.

Arkkeja kuumennettiin senjälkeen lämpölevyjen välissä 230°C lämpötilassa 10 1,5 minuutin ajan. Sitten arkit pestiin nestemäisellä ammoniakilla.

Kun arkkeja liuotettiin 10 % NaOH-liuokseen 6 %:n pitoisuuteen, mitattiin liuoksen tukkeutumisluvuksi 1500 ja viskositeetiksi 120 s. Karbamaatin typpipitoisuus oli 1,5 %.

tl

Claims (6)

67562

1. Menetelmä selluloosakarbamaatin valmistamiseksi antamalla isosyaani-hapon ja selluloosan reagoida korotetussa lämpötilassa, tunnettu siitä, että kuumennetaan selluloosaa, johon on sekoitettu tai imeytetty biurettia tai biuretin ja urean seosta, yli 170°C lämpötilassa riittävän 5 pitkän ajan selluloosakarbamaatin muodostumiseen riittävän isosyaanihappo-määrän syntymiseksi ja selluloosan ja isosyaanihapon välisen reaktion suorittamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 10 mainittu kuumennus suoritetaan 170-250°C lämpötilassa, mieluimmin n. 220°C lämpötilassa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että biuretin määrä on 3-50 p-% selluloosan painosta ja urean määrä 15 0-95 p-% selluloosan painosta.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että selluloosaan sekoitettava biuretti tai biuretin ja urean seos on selluloosakarbamaatista reaktion jälkeen poistettua biurettia tai 20 biuretin ja urean seosta.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kemikaalitappiot prosessissa korvataan lisäämällä tarvittava määrä ureaa biurettiin. 25

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että biuretti tai biuretin ja urean seos lisätään selluloosaan ammoniakkiliuoksena, jonka jälkeen ammoniakki poistetaan.