JP2013525618A - セルロース系繊維を製造する方法およびこれにより得られた繊維 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明で使用するセルロースナノフィブリルは、セルロースに富む材料から抽出することが非常に好ましい。
本発明の特定の実施形態によると、例えば、透析を使用して、懸濁液のゼータ電位を調整することが好都合であることが分かった。ゼータ電位は、−60mV〜−20mVに及び得るが、好都合には−40mV〜−20mV、好ましくは−35mV〜−27mV、さらにより好ましくは−34mV〜−30mVの範囲に調整される。これらの範囲、特にこの最後の範囲は、10〜50の範囲のアスペクト比を有するナノフィブリルに特に適している。
ナノフィブリル懸濁液は、有機溶媒を含むことができる。しかしながら、前記懸濁液は、水性であることが好ましい。したがって、溶媒または懸濁液の液相は、少なくとも90重量%水、好ましくは少なくとも95重量%水、さらに好ましくは98重量%水とすることができる。
紡糸工程に最も適したセルロース懸濁液を得るために、次いで、均質化セルロース懸濁液を、再遠心分離して、紡糸に特に適した濃縮高粘度懸濁液を製造することができる。
遠心分離の場合、このプロセスは、固形分含量のグラデーションをもたらし、濃縮される最初の材料はより大きなサイズのナノフィブリルである。この方法で調製したゲルを使用した繊維を紡糸することができるが、通常、濃縮プロセスの最後まで最終的なゲルは不均質である。しかしながら、ゲルの不均質な性質は、スピニングダイの詰まりおよびその後の繊維破断をもたらし得る紡糸プロセスの問題を引き起こし得る。このために、遠心分離の後に、好ましくは分配混合効果を有する混合プロセスが使用される。
したがって、本発明の方法の特に好ましい実施形態は、キラルネマチック相のセルロース懸濁液を使用して行われ、紡糸特性は、キラルネマチック構造をネマチック相に巻き戻して、その後の、ナノフィブリルがより大きな結晶構造に凝集する工業レベルでの連続繊維の形成を可能にすることと定義される。
ダイを通して押し出される場合、新たに形成される繊維中に含まれる水または溶媒の大半は、紡糸中に除去されることが望ましい。液相の除去−または乾燥−は、熱またはマイクロ波乾燥などの多くの形をとることができる。好ましいアプローチは、熱を使用して液相を直接除去する。例えば、繊維を、加熱ドラム上に紡糸して乾燥を達成することができる、または押出後、好ましくは繊維がドラムもしくは巻取車輪に到達する前に、繊維に熱気流もしくは放射熱を加えることにより乾燥することができる。
本発明による繊維は、好ましくは少なくとも90重量%、好都合には少なくとも95重量%、より好ましくは99重量%超の結晶化セルロースを含む。本発明の変形によると、繊維は、結晶化セルロースから構成される。例えば、固相NMRまたはX線回折の使用を伴う標準的分析法を使用して、結晶および非晶質材料の相対的割合を測定することができるだろう。
本発明によると、繊維は、0.02〜20texの範囲のケブラーおよびカーボンファイバーなどの工業的合成繊維についての業界標準にしたがって計算される線密度を有する。典型的には、このような繊維は、約1000〜1600kg/m3の線密度を有することができる。本発明により製造される繊維の典型的な線密度は、約1500 kg/m3である。
図2は、加水分解および遠心分離による抽出後の洗浄水のFEG−SEM画像である。
図3は、第1洗浄後のセルロースゲルペレットのFEG−SEM画像である。
図4は、第1洗浄後の洗浄水のFEG−SEM画像である。
図5は、第2洗浄後のセルロースナノフィブリル懸濁液のFEG−SEM画像である。
図6は、第2洗浄後の洗浄水のFEG−SEM画像である。
図7は、第3洗浄後のセルロースナノフィブリルゲルのFEG−SEM画像である。
図8は、第3洗浄後の洗浄水のFEG−SEM画像である。
図9は、繊維を紡糸するために実施例3で使用する装置の写真である。
図10は、針および加熱ドラムのそれぞれの配置を示す図9のクローズアップ写真である。
図11は、低DDRを使用して紡いだ繊維の50000倍のFEG−SEM画像である。
図12は、本発明による40ミクロン紡績繊維の低倍率画像(1000倍率)である。
図13は、本発明による40ミクロン紡績繊維のFEG−SEM画像である。
図14は、図13に示す画像の拡大(50000倍のFEG−SEM画像)である。
図15は、破壊した本発明による繊維を示す50000倍率の画像である。
図16は、本発明によるDDRで紡糸した繊維の1つの下面の画像である。
図17aおよび17bは、実施例4で使用するスピンラインレオメータの写真である。
図18は、図17aのスピンラインレオメータを使用して紡糸した繊維の画像である。
図19は、繊維表面および繊維破壊点のナノフィブリルの配向を示す、図18の画像の拡大である。
図20は、透析時間の、セルロースナノフィブリル懸濁液のゼータ電位への影響を示すグラフである。グラフは、絶対値を示している。また、電位は負の帯電を示している。
図21は、12日間平衡させた後の、綿系セルロースナノフィブリルのセルロース濃度に対する異方相の体積分率を示すグラフである。
図22は、200倍率の延伸繊維および未延伸繊維の偏光顕微鏡画像の比較である。延伸繊維には複屈折の増加を見ることができ、より整列した構造を示している。未延伸繊維の粗い表面の肌理は、ねじれた(キラル)ドメインのためであり、これは、繊維が一旦乾燥したら繊維の構造の永久的部分となる。
図23は、紡糸前に懸濁液を均質化するのに適した三本ロールミルの概略図である。
図24は、繊維を紡糸するのに適した種類の双曲面ダイの横断面概略図である。
実施例で使用するセルロースナノフィブリルの供給源は、濾紙、より具体的には、ワットマン(Whatman)4番セルロース濾紙とした。当然、実験条件は、セルロースナノフィブリルの供給源により変化し得る。
10%(w/w)の濃度のセルロース粉末を、一定に攪拌しながら(ホットプレート/マグネチックスターラーを使用して)、46℃の温度で75分間、52.5%硫酸を使用して加水分解する。加水分解期間が終了した後、加水分解体積の10倍に等しい過剰の脱イオン水を添加することにより、反応をクエンチする。
ナノフィブリル懸濁液の分画への遠心分離の影響を示すために、電界放出電子銃走査電子顕微鏡(FEG−SEM)を使用して、一方の濃縮懸濁液および洗浄水の写真を得た。加水分解および抽出後、3回追加洗浄を行った。この試験で複製した全画像は、25000倍率で示している。
ボールミル粉砕した(ワットマン4番)濾紙に、標準的な加水分解工程を使用した(52.5%硫酸濃度、46℃および75分)。30gのボールミル粉砕した濾紙の加水分解後、希釈したナノフィブリル懸濁液を、6本の500ml瓶に分け、これを遠心分離機に入れた。第1洗浄を、9000rpmで1時間行う(17000G)。この時間の後、加水分解による酸性溶液生成物(洗浄水)および濃縮セルロースゲルペレット(20%セルロース)の2つの異なる相が得られた。
第4遠心分離後、セルロース懸濁液を再度脱イオン水で希釈し、次いで、12000〜14000ダルトンの分子量カットオフを有するVisking透析チューブを使用して脱イオン水に対して透析した。
透析後、セルロース調製物を、S14 Tipを有するHielscher UP200S超音波処理装置を使用して20分間超音波処理し(過熱を回避するため2回の10分間バースト波で)、凝集体を分散させる。次いで、分散した懸濁液を、再遠心分離して、紡糸に必要とされる濃縮高粘度懸濁液を製造する。
第1紡糸例は、図9に示す装置(10)を使用し、ここではセルロースナノフィブリルゲルが、240ミクロンの針直径を有するシリンジ(12)から押し出される。注入プロセスは、施盤に取り付けられたシリンジポンプ(14)により制御した。シリンジから押し出された繊維を、1600rpmまでで回転することができる研磨したドラム(16)上に注入した。ドラム(16)を約100℃で加熱した。自動シリンジポンプ(14)および回転加熱ドラム(16)を使用することにより、明確に規定された、制御された流速およびドローダウン比(DDR)が可能となった。
乱流(22)と層流(24)の間の境界についての第1画像の拡大を示している。
第2紡糸例は、図17aおよび17bに示すスピンラインレオメータ(32)の使用を伴う。このレオメータ(32)は、セルロース懸濁液を含み、ダイ(34)と連通する筒(33)を備える。押し出された繊維は、乾燥チャンバー(35)を通過し、巻取車輪(36)に捕捉される前に、熱気流を使用してチャンバー内で乾燥される。
・いったん押し出された繊維は、加熱ドラム上よりもむしろ熱空気で乾燥し、完全な円柱状繊維の製造が可能になる。図18は、図17aのレオメータを使用した250ミクロン針から紡糸した100ミクロン繊維の滑らかな表面の画像を示している(1000倍率)。
・繊維は空気乾燥されるので、繊維にドローダウン(伸長)をもたらす巻取車輪へのその後の収集の前に繊維を乾燥させるために、実質的により大きい空気ギャップが必要とされる。高速での回転が起こり得る前に、「湿った」リーダー繊維をダイから延伸し、巻取車輪に取り付けなければならない。次いで、巻取リール速度およびダイからの送り速度を、繊維を伸長させ、繊維の伸長整列を得るために必要とされるドローダウン比を達成することができる点まで強化する。このドローダウンは、最初のダイまたは針直径(この場合、240ミクロン)から、必要とされるどんな繊維の厚さまでも繊維を菲薄化することにつながる。理想的には、繊維が薄いほど、潜在的な欠陥が少なく、より高強度につながるだろう。5ミクロンの直径を有する繊維は、非常に高い表面積対体積比を有し、迅速な伝熱および乾燥を可能にし、そのため、高強度を備えるだろう。
・このより大きい空気ギャップは、ナノフィブリル懸濁液の湿潤強度が、前の例よりもはるかに高くなければならないことを意味する。より高い湿潤強度を得るために、懸濁液の固形分含量を、20%から40%まで増加させることが必要であり、その結果、非常に高い粘度をもたらした。
ゼータ電位およびロールミル均質化の効果を減少させる代替方法
ロールミル練りの効果
工業的ユーカリ属系92 αセルロースパルプの250gのバッチを、実施例1に記載する方法にしたがって、ボールミル粉砕、加水分解および洗浄した。懸濁液の洗浄後、2%固形分含量の懸濁液を、12000〜14000ダルトンの分子量カットオフを有する15mm直径のVisking透析チューブに入れた。次いで、懸濁液を、連続的水流脱イオン水に対して3日間透析した。
0、2、4、6、8および10サイクルで、固形分含量決定のために5つの2gの試料をとることにより、固形分含量および固形分含量の変動(均一性の指標)を測定した。
界面に滑りを有する双曲面ダイを通って流れる指数則流体については、本質的に一定の伸長流速が得られる。図24に示すものなどの双曲線プロファイルは、出口角および出口半径により記載することができる。伸長率は、指数則指数および体積流量からの追加情報により計算される。
Claims (24)
- セルロースナノフィブリルの離液性懸濁液から、繊維の主軸に沿って整列しているセルロースナノフィブリルを含む連続繊維を紡糸する方法であって、前記ナノフィブリルの整列は、ダイ、紡糸口金または針から押し出された繊維の伸長を通して達成され、前記繊維は、伸長下で乾燥され、前記整列したナノフィブリルは、凝集して連続構造を形成し、固形分濃度が少なくとも7重量%であるナノフィブリルの懸濁液は、その押し出し前にロール練りなどの少なくとも1種の機械的分配および分散混合プロセスを使用して均質化される、方法。
- 前記セルロースナノフィブリルが、木材パルプまたは綿などのセルロースに富む材料から抽出される、請求項1に記載の方法。
- 前記懸濁液が水性である、請求項1または2に記載の方法。
- 硫酸などの酸によるセルロース供給源の加水分解を含む抽出工程を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記抽出工程が、過剰な酸を除去するための少なくとも1つの洗浄工程を含む、請求項4に記載の方法。
- 前記抽出工程が、前記洗浄工程の後に、または代わりに、遠心分離、透析濾過または相分離により行われる、フィブリル破片および非晶質多糖類を除去するための少なくとも1つの分離工程を含む、請求項5に記載の方法。
- 前記懸濁液が、濃縮および凝集体を分散させるためのその後の回転前に均質化される、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記懸濁液が、前記ナノフィブリルのゼータ電位を調整するために処理される、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記処理が、熱による処理を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記処理が、塩化カルシウムなどの対イオンを使用する処理を含む、請求項8または9に記載の方法。
- 前記懸濁液が、−60mV〜−20mVの範囲の平均ゼータ電位を有するセルロースナノフィブリルを含む、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記懸濁液が、−35mV〜−27mVの範囲の平均ゼータ電位を有するセルロースナノフィブリルを含む、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
- 前記懸濁液が、濃縮高粘度懸濁液である、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記機械的分配および分散混合プロセスが、ロール練りである、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記懸濁液が、10〜60重量%の範囲のレベルの濃縮固形分を含む、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。
- そのドローダウン比が1.2より大である、請求項1から15のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ドローダウン比が、2〜20の範囲となるよう選択される、請求項16に記載の方法。
- 前記懸濁液の繊維への紡糸を含み、前記押し出された繊維が、紡糸中に実質的に乾燥される、請求項1から17のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ナノフィブリルの整列が、前記懸濁液のレオロジー特性と調和するよう設計された双曲面ダイの使用により改善される、請求項1から18のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1から19のいずれか一項に記載の方法により得られたセルロース系繊維。
- 少なくとも90重量%の結晶化セルロースを含む、セルロース系繊維。
- 繊維に20cN/texの最小引張強度を与える高度に整列した、または連続的微小構造を含む、請求項21に記載の繊維。
- 少なくとも95%の結晶化セルロースを含む、請求項21または22に記載の繊維。
- 0.02〜20texの範囲の線密度を有する、請求項21から23のいずれか一項に記載の繊維。
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