KR20200106047A - 리오셀 공정을 위한 리오셀 셀룰로오스의 재사용 - Google Patents

리오셀 공정을 위한 리오셀 셀룰로오스의 재사용 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 재생 셀룰로오스 성형체(102)를 제조하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은, 리오셀 공정에 의해 제조되고 셀룰로오스를 함유하는 출발 물질(110)이면서, 방사 매스의 제조를 위한 용매 내에서 셀룰로오스원(48)을 용해하는 용해 단계(52), 방사 매스를 압출하는 압출 단계(54), 및 후속하여 방사욕 내에서 침전하는 침전 단계(56)에 의해 제조되는 상기 출발 물질(110)을 공급하는 공급 단계(78); 방사 매스의 제조를 위한 용매(116) 내에서 셀룰로오스를 함유한 출발 물질(110)을 용해하는 용해 단계(68); 및 방사 매스를 압출(70)하고 후속하여 이를 방사욕(191) 내에 침전(72)함으로써 성형체(102)를 수득하는 압출 및 침전 단계(70, 72);를 포함한다.

Description

리오셀 공정을 위한 리오셀 셀룰로오스의 재사용
본 발명은 셀룰로오스 함유 성형체(shaped body)를 제조하기 위한 방법, 그리고 이용에 관한 것이다.
비스코스 공정(viscose process)이라고도 하는 습식 방사 공정(wet spinning process)에 의해 제조되는 화학 섬유 내지 재생 섬유가 비스코스 섬유로서 지칭된다. 비스코스 공정의 출발 원료는 목재를 기반으로 마련되는 셀룰로오스이다. 상기 출발 원료인 목재에서는 화학 펄프의 형태인 고순도 셀룰로오스가 획득된다. 연속되는 공정 단계들에서, 펄프는 맨 먼저 수산화나트륨액에 의해 처리되며, 그럼으로써 알칼리 셀룰로오스가 형성되게 된다. 그에 뒤이은 황화탄소와 상기 알칼리 셀룰로오스의 반응 동안, 셀룰로오스-크산토겐산염(xanthogenate)이 형성된다. 이로부터, 수산화나트륨액의 추가적인 첨가를 통해 비스코스 방사 용액(viscose spinning solution)이 생성되며, 이 방사 용액은 샤워기 유형의 방사 노즐(spinning nozzle)의 구멍들을 통해 방사욕(spinning bath) 내로 펌핑된다. 이곳에서는, 응고를 통해 방사 노즐 구멍마다 비스코스 필라멘트가 형성된다. 이렇게 제조된 비스코스 필라멘트들은 그에 뒤이어 비스코스 스테이플 섬유들(viscose staple fiber)로 절단된다.
리오셀(Lyocell)은, 직접 용매 공정(direct solvent process)에 따라 제조되는 셀룰로오스 함유 재생 섬유 유형을 지칭한다. 셀룰로오스는 리오셀 공정을 위해 원료인 목재에서 추출된다. 그에 뒤이어, 그렇게 획득된 펄프는 N-메틸모르폴린-N-옥사이드(NMMO), 즉 용매 내에서 화학적 개질 없이 탈수를 통해 용해되고 여과되며, 그리고 그에 뒤이어 방사 노즐들을 통해 압착될 수 있다. 이렇게 형성된 필라멘트들은 공기 간극(air gap)을 통과한 후에 수성 NMMO 용액을 포함한 욕 내에 침전되며, 그리고 그에 뒤이어 스테이플 섬유들로 절단된다.
리오셀 공정을 위해서뿐만 아니라, 비스코스 공정을 위해서도 종래에는 통상 원료인 목재가 사용되었다.
본 발명의 과제는, 자원을 절약하고 지속적인 방식으로 셀룰로오스 제품들을 제조하는 것에 있다.
상기 과제는, 독립 특허 청구항들에 따른 대상들을 통해 해결된다. 바람직한 구현예들은 종속 특허 청구항들에서 분명하게 제시된다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, 셀룰로오스 함유 성형체를 제조하기 위한 방법이 마련되되, 상기 방법의 경우 리오셀 공정에 의해 제조되고 셀룰로오스를 함유하는 출발 물질이 공급되며, 상기 출발 물질은 용매 내에서 셀룰로오스원(cellulose source)을 (특히 화학적 개실 없이 탈수를 통해) (특히 직접적으로) 용해하는 용해 단계, 및 후속하여 용해된 셀룰로오스원을 희석시키는 것을 통해 셀룰로오스를 침전하는 침전 단계에 의해 제조되며, 셀룰로오스를 함유한 (특히 고체 위상(solid body)으로 존재하는, 예컨대 고형체(solid body)로서 존재하거나, 또는 고체 입자들(solid particle)의 형태로 존재하는) 출발 물질은 용매 내에서 (특히 직접적으로) (특히 화학적 개질 없이 탈수를 통해) 용해되며, 그리고 그에 후속하여 셀룰로오스 중 적어도 일부분은 용해된 출발 물질을 희석하는 것을 통해 침전되며, 그럼으로써 성형체(예: 플리스(fleece) 또는 부직포(nonwoven))가 수득되게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 따라서, 재생 셀룰로오스 고형체를 제조하기 위한 방법이 마련되되, 상기 방법은 리오셀 공정에 의해 제조되고 셀룰로오스를 함유하는 출발 물질이면서, 방사 매스(spinning mass)의 제조를 위해 용매 내에서 셀룰로오스원을 용해하는 용해 단계, 방사 매스를 압출하는 압출 단계, 및 후속하여 방사욕 내에서 침전하는 침전 단계에 의해 제조되는 상기 출발 물질을 공급하는 공급 단계; 추가 방사 매스의 제조를 위해 추가 용매 내에서 셀룰로오스를 함유한 출발 물질을 용해하는 용해 단계; 및 추가 방사 매스를 압출하고 후속하여 이를 추가 방사욕 내에 침전함으로써 성형체를 수득하는 압출 및 침전 단계를 포함한다.
다른 실시예에 따라서, 제1 리오셀 공정에 의해 제조되고 셀룰로오스를 함유한 출발 물질은 제2 리오셀 공정으로 출발 물질을 처리하는 처리 단계를 이용하여 셀룰로오스 함유 성형체를 제조하기 위해 이용된다.
본원 출원의 범위에서, "셀룰로오스"란 용어는 특히 식물 세포벽의 구성성분이거나, 또는 합성 제조될 수 있는 유기 화합물을 의미할 수 있다. 셀룰로오스는 폴리사카라이드(즉, 다당류)이다. 셀룰로오스는 비분지형(unbranched)이며, 그리고 전형적으로 수백 개 내지 수만 개의 β-D-글루코오스 분자(β-1,4-글리코시드 결합) 내지 셀로비오스 단위(cellobiose unit)를 포함한다. 셀룰로오스 섬유들은 식물들에 의해 통제되면서 셀룰로오스 분자들로 합성된다. 기술적 공정에 의해, 셀룰로오스 분자들은 결합되어 예컨대 내인열성 섬유들로서의 재생 섬유들을 형성할 수 있다.
본원 출원의 범위에서, "성형체"란 용어는, 특히 셀룰로오스를 제조하거나 회수하기 위한 방법의 결과물인 2차원 또는 3차원 기하학적 몸체를 의미할 수 있다. 특히 성형체는, 셀룰로오스를 함유하거나 그로 구성되고 용해된 펄프를 토대로 제조되는 2차원 또는 3차원 물체(object)를 의미한다. 성형체들은 특히 리오셀 성형체, 비스코스 성형체 또는 모달 성형체(modal shaped-body)일 수 있다. 전형적인 성형체들은 필라멘트, 섬유, 스펀지 및/또는 필름이다. 기본적으로 모든 유형의 셀룰로오스 성형체들은 본 발명의 실시예들을 위해 적합하다. 이 경우, 무한 필라멘트들(endless filament)뿐만 아니라, 종래 치수들(예: 38㎜ 길이) 및 단섬유들(short fiber)을 포함하여 절단된 스테이플 섬유들 역시도 섬유들로서 해석된다. 이 경우, 섬유들의 제조를 위해, 하나 또는 복수의 압출 노즐의 하류에서 인취 장치(take-off unit)를 이용한 방법들뿐만 아니라, 특히 멜트 블로잉 공정(melt-blowing process)과 같은 다른 방법들 역시도 고려된다. 섬유들에 대한 대안으로, 성형체로서 셀룰로오스를 함유한 포일들(foil) 역시도 제조될 수 있으며, 다시 말하면 셀룰로오스를 함유하거나 함유하지 않은 평평하면서도 실질적으로 균일한 필름이 제조될 수 있다. 포일들은, 특히 리오셀 공정의 공정 매개변수들의 설정을 통해, 적어도 부분적으로 필라멘트들이 수용 표면 상에 부딪친 후에 비로소 응고가 야기되는 것을 통해 제조될 수 있다. 포일들은 평평한 셀룰로오스 성형체들을 의미할 수 있으며, 상기 포일들의 두께는 (예컨대 직렬로 배치된 노즐 바들(nozzle bar)의 개수의 선택을 통해) 설정될 수 있다. 성형체의 다른 실시형태들은 셀룰로오스 필라멘트들 내지 셀룰로오스 섬유들로 이루어진 직물 및 플리스이며, 특히 상호 간에 통합 용융된("merging") 실질적으로 연속적인 셀룰로오스 필라멘트들("melt blown")로 이루어진 스펀본드(spunbond)이다. 이런 경우, 직물이란, 특히 적어도 2개의 (바람직하게는 직각으로, 또는 거의 직각으로) 교차된 실 시스템(thread system)(또는 섬유 시스템)으로 이루어진 텍스틸 패브릭(textile fabric)을 의미할 수 있으며, 종방향의 실(또는 섬유)은 경사(warp thread)로서 지칭될 수 있고 횡방향의 실(또는 섬유)은 위사(weft thread)로서 지칭될 수 있다. 플리스 또는 부직포는, 제한된 길이를 가지면서 섬유층 또는 섬유 웨브(fiber web)로 편조되고 (특히 마찰 결합 방식으로) 상호 간에 결합되는 필라멘트들 또는 섬유들 또는 절단된 얀들(yarn)로 이루어진 랜덤 직물(특히 랜덤 레이드 층(random laid layer)으로 존재하는 직물)로서 지칭될 수 있다. 또한, 성형체는 볼의 형상으로도 마련될 수 있다. 또한, 특히 비드(bead)(즉, 과립상 내지 펠릿(pellet)) 또는 플레이크(flake)처럼 셀룰로오스 함유 입자들 역시도 성형체로서 제공될 수 있으며, 이 경우, 상기 입자들은 비드 또는 플레이크의 형태로 추가 처리될 수 있다. 다시 말해, 가능한 셀룰로오스 성형체들은 과립상, 구상 분말 또는 피브리드(fibrid)와 같은 미립자 구조들이기도 하다. 성형체의 윤곽형성은 바람직하게는 압출 노즐을 통한 셀룰로오스 함유 방사 용액을 압출하는 것을 통해 수행되는데, 그 이유는 이런 방식으로 매우 균일한 형태를 갖는 다량의 셀룰로오스 성형체가 제조될 수 있기 때문이다. 또 다른 가능한 셀룰로오스 성형체는 스펀지이거나, 또는 보다 더 일반적으로는 다공성 성형체이다. 전술한 성형체들은 예시적인 실시예들에 따라서 예컨대 얀, 텍스틸, 겔 또는 복합재료의 제조를 위해 이용될 수 있다.
본원 출원의 범위에서, "셀룰로오스원"이란 용어는 특히 상응하는 제조 공정 동안 셀룰로오스 함유 성형체를 제조하기 위한 베이스로서 이를 위해 이용되는 셀룰로오스 재료를 제공하는 매체(medium)(특히 고체 매체)를 의미할 수 있다. 일례는 목재 내지 목재 펄프이다.
본원 출원의 범위에서, "리오셀 공정"이란 용어는 특히 직접 용매 공정에 따라 셀룰로오스를 제조하기 위한 방법을 의미할 수 있다. 셀룰로오스는 리오셀 공정을 위해 상기 셀룰로오스를 함유한 출발 물질에서 획득될 수 있다. 출발 물질은 리오셀 공정의 경우 적합한 용매(특히 예컨대 N-메틸모르폴린-N-옥사이드(NMMO)와 같은 삼차 아미노 옥사이드 및/또는 이온성 액체, 다시 말해 양이온들과 음이온들로 구성되는 저용융성 염을 함유하는 용매) 내에서 용해될 수 있다. 용해는, 특히 탈수를 통해, 그리고/또는 화학적 개질 없이 수행될 수 있다. 그에 뒤이어, 약물(dope) 또는 방사 용액으로서도 지칭될 수 있는 수득된 용액은 리오셀 공정의 경우 하나 또는 복수의 방사 노즐을 통해 압착될 수 있다. 그렇게 하여 형성된 필라멘트들은 공기 간극을 통한 자유 낙하 또는 제어되는 낙하 동안, 및/또는 후에 물 함유 욕 내에(특히 수성 NMMO 용액을 포함한 욕 내에), 그리고/또는 공기 간극 내에 위치하는 공기 중 습기 내에 침전될 수 있다.
본원 출원의 범위에서, "비스코스 공정"이란 용어는 특히 습식 방사 공정에 따라 셀룰로오스를 제조하기 위한 방법을 의미할 수 있다. 셀룰로오스는 비스코스 공정을 위해 상기 셀룰로오스를 함유하는 출발 물질(특히 목재 또는 목재 펄프)에서 획득될 수 있다. 연속되는 공정 단계들에서, 비스코스 공정의 경우, 출발 물질은 맨 먼저 베이스로(예컨대 수산화나트륨액으로) 처리될 수 있으며, 그럼으로써 알칼리 셀룰로오스가 형성된다. 그에 뒤이은 황화탄소와 상기 알칼리 셀룰로오스의 반응 동안 셀룰로오스-크산토겐산염이 형성된다. 이로부터, 베이스(특히 수산화나트륨액)의 추가적인 첨가를 통해, 하나 또는 복수의 방사 노즐을 통해 압착될 수 있는 비스코스 방사 용액이 생성될 수 있다. 방사욕 내에서는 응고를 통해 비스코스 필라멘트들이 형성된다.
본원 출원의 범위에서, "의복 제작(clothing production)에서 발생하는 잔류물"이란 용어는 특히 셀룰로오스를 함유하거나 셀룰로오스로 구성되는 텍스틸 또는 얀의 공손품 및/또는 자투리를 의미할 수 있으며, 상기 잔류물들은 의복을 제작하기 위한 공정 동안 발생한다. 의복의 제작 동안, 예컨대 셀룰로오스를 함유한 텍스틸이 출발 물질로서 제조되며, 그런 다음 상기 출발 물질에서 평평한 부분들(예컨대 T 셔츠의 반(half)의 형태로) 재단된다. 잔류물들은 남겨지며, 이런 잔류물들은 예시적인 실시예에 따라서 다시 셀룰로오스 함유 성형체를 제조하기 위한 공정으로 공급될 수 있다. 다시 말해, 의복 제작에서 발생하는 잔류물들은 셀룰로오스를 함유하거나 셀룰로오스로 구성되는 출발 물질일 수 있으며, 이런 출발 물질은, 사용자가 잔류물을 의복으로서, 또는 다른 방식으로 사용하기 전에, 셀룰로오스를 회수하기 위해 이용될 수 있다. 의복 제작에서 발생하는 잔류물들은 특히 실질적으로 순수한 셀룰로오스로 형성될 수 있으며, 이는 특히 셀룰로오스를 함유하지 않은 (예컨대 단추, 날염 또는 솔기와 같은) 별도의 이물질들을 포함하지 않는다.
본원 출원의 범위에서 "헌 옷(old clothes)"이란 용어는 특히 셀룰로오스의 적어도 일부분을 회수할 때 이미 사용자에 의해 사용(특히 착용)된 것으로 셀룰로오스를 함유하는 의류를 의미할 수 있다. 다시 말해, 헌 옷은 셀룰로오스를 함유하는 출발 물질일 수 있으며, 이런 출발 물질은, 사용자가 헌 옷을 의복으로서, 또는 다른 방식으로 사용한 후에, 상당한 양의 이물질을 포함할 수 있고(그러나 포함하지 않아도 되고) 셀룰로오스의 회수를 위해 이용될 수 있다. 헌 옷들은, 특히 셀룰로오스와 하나 또는 다수의 이물질로 이루어진 혼합물, 특히 (특히 의류의 경우 자주 사용되는) (예컨대 폴리에스테르 및/또는 엘라스테인(elastane)과 같은) 합성물질 및/또는 셀룰로오스를 함유하지 않은 (예컨대 단추, 날염 또는 솔기와 같은) 별도의 이물질들을 포함하는 혼합물로 형성될 수 있다. 폴리에스테르란, 특히 자신의 주사슬(main chain)에 에스테르 작용기(R-[-CO-O-]-R)를 포함한 폴리머들을 의미한다. 폴리카보네이트 및 폴리에틸렌테레프탈레이트가 폴리에스테르에 속한다. 엘라스테인이란, 특히 높은 탄성을 보유한 신축성 화학 섬유를 의미한다. 엘라스테인의 기초가 되는 블록 코폴리머(block copolymer)는 최소한 85%의 폴리우레탄의 질량분율을 함유할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따라서, 셀룰로오스 성형체들은 적어도 부분적으로 리오셀 공정에 의해 제조된 출발 물질(예: 리오셀 텍스틸 잔류물 및/또는 헌 리오셀 텍스틸)을 기반으로 제조될 수 있으며, 이는 신속하면서도 간단한 제조 방법에 의해, 그리고 자원을 절약하고 지속적인 방식으로 수행될 수 있다. 이런 장점들은, 특히 리오셀 셀룰로오스가 문제없이 추가 리오셀 공정으로 공급되어 처리될 수 있다는 점에 기인한다. 리오셀 공정은, 셀룰로오스가 약물로 곧바로 공급될 수 있고 그곳에서 간단히 용해되는 것인 직접 용해 방법이기 때문에, 출발 물질의 복잡한 화학적 전처리는 불필요할 수 있다. 기술한 방식으로, 바람직하게는, 리오셀 셀룰로오스를 함유한 출발 물질은 상기 셀룰로오스의 회수 내지 재사용을 위해 신규 리오셀 공정 내로 유입될 수 있다. 놀라운 방식으로 리오셀 공정 동안 셀룰로오스는 유의적인 성능 저하에 노출되지 않기 때문에, 제조된 성형체의 셀룰로오스의 품질의 명목상의 악화 없이 새로운 리오셀 공정 내로 리오셀 셀룰로오스의 수회의 반복적인 반송 역시도 가능하다. 요컨대 확인된 점에 따르면, 각각 선행하는 반복에서 획득된 리오셀 셀룰로오스를 각각 재사용하면서 연속되는 수회의 리오셀 공정의 경우 제한 점도수(limiting viscosity number)는 매우 극미하게만 감소되었다. 이처럼 연속되는 리오셀 공정들의 시퀀스에서 거의 언급할 가치도 없고 바람직하게는 특히 낮은 리오셀 셀룰로오스의 성능 저하는 앞서 수득된 비스코스를 각각 재사용하면서 연속되는 수회의 비스코스 공정의 경우에서보다 분명히 더 바람직하다. 여기서는, 수회의 리오셀 공정의 시퀀스의 경우에서보다, 제한 점도수의 분명히 더 빠르면서도 더 강한 감소가 기록된다. 그러므로 예시적인 실시예에 따른 리오셀 기반 리오셀 아키텍처(Lyocell-from-Lyocell architecture)는 비스코스 기반 비스코스 아키텍처(viscose-from-viscose architecture)보다 훨씬 더 바람직하다.
하기에서는 본원의 방법 및 본원의 사용의 추가 실시예들이 기술된다.
일 실시예에 따라, 용해된 셀룰로오스원의 희석 단계는, 특히 조절 가능한 공기 중 습기 및/또는 수욕(water bath)을 포함하는 수성 환경(aqueous milieu), 추가로 특히 실질적으로 물로 구성되거나, 또는 물과 용매(특히 NMMO)로 이루어진 혼합물로 구성되는 수성 환경을 통해 달성될 수 있다. 상응하는 방식으로, 용해된 출발 물질의 희석 단계는, 특히 조절 가능한 공기 중 습기 및/또는 수욕을 포함하는 수성 환경, 추가로 특히 실질적으로 물로 구성되거나, 또는 물과 용매(특히 NMMO)로 이루어진 혼합물로 구성되는 수성 환경을 통해 달성될 수 있다. 분명하게, 제1 리오셀 공정에서, 또는 제2 리오셀 공정에서, 물(특히 물과 선택적인 용매를 포함하여 그 아래 배치되는 액욕(liquid bath)과 결합되는 조절 가능한 공기 중 습기)을 통해, 셀룰로오스를 용해시킨 용매의 농도는, 희석되어 수득되는 용액이 셀룰로오스의 용해도 한계 미만으로 감소하고 그렇게 하여 셀룰로오스를 침전시킬 정도로 감소된다. 응고 매체(다시 말해 특히 공기 중 습기 내지 수욕)는 실질적으로 순수 물일 수 있거나, 또는 용매를 공급받을 수 있다.
일 실시예에 따라서, 본원의 방법의 경우, 성형체는 자체의 제조 완료 후에, 그리고 바람직하게는 제공되는 목적(예컨대 의류로서의 용도)을 위해 성형체 자체 또는 성형체로 제조된 제품의 사용 후에 다시 용매 내에서 용해될 수 있고 그에 후속하여 셀룰로오스의 적어도 일부분은 용해된 성형체를 희석하는 것을 통해 침전될 수 있으며, -제3 리오셀 공정을 수행하는 것에 의해- 또 다른 성형체가 수득되게 된다. 달리 말하면, 제2 리오셀 공정 후에, 상기 제3 리오셀 공정을 위한 출발 물질로서 제2 리오셀 공정에서 수득된 제품을 기반으로 적어도 하나의 추가 리오셀 공정이 수행될 수 있다. 다시 말해, 항상 다시 새로 셀룰로오스를 회수하기 위해, 적어도 3회, 특히 적어도 4회, 또는 그보다 더 많은 리오셀 공정이 순서대로 연속해서 수행될 수 있다. 이런 사항이 가능하다는 점은, 리오셀 공정의 수행 동안 셀룰로오스의 매우 극미하게만 발생하는 성능 저하에 기인하며, 이런 성능 저하는, 순서대로 수행되는 수회의 비스코스 공정의 경우에서보다 분명하게 더 적다. 그렇게 하여, 산업 규모의 적용을 위해서도, 리오셀 셀룰로오스의 다단계식 회수가 가능해질 수 있으며, 이는 매우 효율적이고 환경을 보호하는 자원 취급을 달성한다. 또한, 예컨대 순수 형태로, 또는 혼합 편물로서 리오셀 셀룰로오스를 함유하는 텍스틸들(다시 말해 특히 셀룰로오스를 기반으로 제조되는 선형, 표면형 또는 3차원 직물들)은 새로운 리오셀 공정을 수행하여 2회보다 더 많이 재활용될 수 있다. 예를 들면, 리오셀 공정의 경우, 400ml/g의 (셀룰로오스의 중합도와 상관관계가 있는) 초기 제한 점도수에서 출발하여 약 390ml/g으로 오직 극미한 감소만이 일어날 수 있다. 이와 비교하여, 비스코스 공정의 경우, 연속되는 반복들에서 전술한 매개변수는 예컨대 초기 550ml/g에서부터 240ml/g으로 감소될 수 있고 그 다음 단계에서는 220ml/g으로 감소할 수 있다. 이는, 자원을 절약하면서 지속적이며 수회 연속되는, 결과적으로 생성되는 셀룰로오스 재료의 회수를 위해 특별한 방식으로 리오셀 공정을 적합하게 한다.
일 실시예에 따라서, 본원의 방법은, 용매 내에서 출발 물질을 용해하는 용해 단계 전에 출발 물질을 분쇄하는 분쇄 단계, 특히 기계적으로 분쇄하고 추가로 특히 압쇄(shredding)하는 분쇄 단계를 포함할 수 있다. 예컨대 분쇄 단계를 통해 섬유 크기로 출발 물질의 크기의 감소가 수행될 수 있다. 특히 이렇게 준비된 출발 물질은, 점성의 방사 매스를 생성하기 위해, 화학적 전처리 없이도 곧바로 용액으로 변환될 수 있다.
일 실시예에 따라서, 본원의 방법은 화학적 전처리 없이, 특히 화학적 세정 없이, 그리고/또는 점도의 설정 없이 용매 내에서 출발 물질을 용해하는 용해 단계를 포함할 수 있다. 이런 방식으로, 추가 리오셀 공정을 이용하여 리오셀 셀룰로오스의 매우 효율적인 회수가 가능하다.
다른 실시예에 따라서, 본원의 방법은 용매 내에서 출발 물질을 용해하는 용해 단계 전에 출발 물질을 적어도 부분적으로 세정하는, 특히 화학적으로 세정하는 세정 단계를 포함할 수 있다. 셀룰로오스가 매우 순수한 상태로 재사용되어야 한다면, 사전에 수행되는 선택적인 세정 단계를 통해 출발 물질이 세정될 수 있다.
예컨대, 예시적인 실시예에 따라서, 세정 단계는 용매 내에서 출발 물질을 용해하는 용해 단계 전에 출발 물질에서 (특히 출발 물질의 표백을 이용하여) 염료를 적어도 부분적으로 제거하는 제거 단계를 포함할 수 있다. 이런 방식으로, 예컨대 집중적으로 염색된 데님 진(denim jean)을 재사용해야 한다면, 예컨대 순백색 또는 적어도 밝은 셀룰로오스 재료가 출발 물질에서 회수될 수 있다. 그 대안으로, 사전 탈색 없이, 경우에 따라 기계적 분쇄 후에, 재사용할 리오셀 함유 텍스틸들을 직접적으로 용해할 수도 있다.
일 실시예에 따라서, 출발 물질에서는, 자신의 침전 단계 전에(바람직하게는 이미 용해 단계 전에) 출발 물질의 섬유들을 가교 결합하는 가교제(crosslinker)가 적어도 부분적으로 제거될 수 있다. 이는 예컨대 특히 존재하는 가교제들의 유형에 따라서 알칼리성 전처리 및/또는 산성 전처리에 의해 수행될 수 있다. 리오셀 섬유는 분자들과 가교 결합될 수 있는 소섬유가 있는 섬유(fibrillated fiber)이다. 상응하는 가교제는 방해가 될 수 있는데, 그 이유는 가교제가 리오셀 용매 내에서 리오셀 셀룰로오스의 용해도를 감소시킬 수 있기 때문이다. 의도하지 않는 가교 결합을 부분적으로, 또는 완전하게 분해하면서 (예컨대 알칼리성 단계 및/또는 산성 단계를 수행하여) 전처리의 방식으로 가교제를 적어도 부분적으로 제거하는 제거 단계는 수득되는 셀룰로오스의 순도를 높일 수 있다.
일 실시예에 따라서, 출발 물질은 의복 제작 및/또는 헌 옷들(예: 혼합 텍스틸)에서 발생하는 잔류물을 완전하게, 또는 부분적으로 함유할 수 있다. 달리 표현하면, 출발 물질의 적어도 일부분으로서, 텍스틸들, 특히 의복 제작 및/또는 헌 옷들에서 발생하는 잔류물들이 이용될 수 있다. 이 경우, 의복 제작에서 발생하는 잔류물들의 사용이 매우 바람직한데, 그 이유는 상기 유형의 자투리 내지 공손품이 보통 매우 높은 셀룰로오스 성분 및 그에 따른 높은 순도를 보유하기 때문이다. 특히 상기 사용전 소비재 텍스틸(pre-consumer textile)에는 단추, 솔기 또는 날염과 같은 이물질들이 없을 수 있다. 예컨대 의복 제작에서 발생하는 잔류물들은 실질적으로 직조된(그리고 선택적으로 염색된) 셀룰로오스를 포함할 수 있으며, 그럼으로써 상기 잔류물들은, 그로부터 리오셀 공정을 이용하여 셀룰로오스를 회수하기 위해, 필요에 따라 곧바로 용액으로도 변환될 수 있다. 헌 옷들 또는 사용후 소비재 텍스틸들(post-consumer textile)의 경우, 단추, 날염 및 솔기와 같은 보다 더 큰 이물질들은 이미 기계적 분쇄 단계 동안, 또는 후에 분리될 수 있다. 예컨대 안료들 및 (폴리에스테르 및 엘라스테인과 같은) 합성물질들과 같은, 잔류물 또는 헌 옷들의 다른 이물질들은 상응하는 출발 물질의 용해 전에 약물 내지 방사 용액을 형성하기 위해 완전하게, 또는 부분적으로 제거될 수 있지만, 그러나 방사 용액 내에 완전하게, 또는 부분적으로 잔존할 수 있다.
일 실시예에 따라서, 출발 물질은 자신의 침전 단계 전에(특히 용매 내에서 용해 단계 전에) 셀룰로오스를 함유한 적어도 하나의 다른 출발 물질과 혼합될 수 있다. 예컨대 다른 출발 물질은, 목재 펄프, 넝마 펄프(rag pulp)(특히 아마, 넝마 등과 같은 자투리로 이루어진 펄프), 텍스틸, 옷, 무명(cotton)(즉, 목화에서 기인하는 셀룰로오스) 및 비스코스 공정에 의해 제조된 셀룰로오스로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재료를 함유할 수 있다. 다시 말해, 선행 리오셀 공정에서 기인하는 리오셀 셀룰로오스의 형태로 후속 리오셀 공정을 위해 출발 물질의 일부분만을 제공할 수도 있다. 또한, 출발 물질은 불균일한 혼합 직물일 수 있다. 리오셀 셀룰로오스의 형태로 공급되지 않는 출발 물질의 잔류물은 유연하게, 그리고 각각의 가용성에 따라서 하나 또는 복수의 다른 셀룰로오스원을 통해 보충될 수 있다. 그렇게 하여, 리오셀 기반 리오셀 공정(lyocell-from-lyocell process)의 산업 규모의 사용은 리오셀 셀룰로오스의 만일의 일시적인 부족을 통해 저하되지 않는다. 오히려 리오셀 셀룰로오스의 만일의 부족량은 다른 셀룰로오스원들을 통해 보상할 수 있다. 그러나 공정 기술 측면에서 특히 복잡하지 않기 때문에, 바람직하게는 리오셀 셀룰로오스만으로 출발 물질이 형성될 수 있다.
일 실시예에 따라서, 출발 물질의 용해 단계 및/또는 셀룰로오스원의 용해 단계는 직접 용해 공정에 의해 수행될 수 있다. 분명하게, 셀룰로오스는 상기 직접 용해 공정의 경우 각각의 용매 내에서 물리적으로 용해된다. 이런 경우, 바람직하게는 용매로서 삼차 아미노 옥사이드가 사용되며, 특히 바람직하게는 N-메틸모르폴린-N-옥사이드(NMMO)가 사용된다.
일 실시예에 따라서, 본원의 방법은 성형체의 특성들을 설정하기 위해 침전된 셀룰로오스를 후처리하는 후처리 단계를 포함할 수 있다. 상기 선택적인 후처리 단계는 예컨대 수득되는 셀룰로오스 필라멘트들을 건조하고 함침하고, 그리고/또는 성형하는 단계를 포함할 수 있다. 상응하는 후처리 단계를 통해, 리오셀 기반 리오셀 공정의 종료 시 적용 고유의 방식으로 성형체 제조를 종료할 수 있다.
일 실시예에 따라서, 출발 물질의 섬유들 및/또는 성형체의 섬유들은 매끄러운 원형 외부 표면을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 것처럼, 리오셀 공정에 의해 추출된 셀룰로오스 섬유들은 상기 유형의 형태를 특징으로 하며, 그리고 그로 인해 천연 무명에서 존재할 수 있거나, 또는 비스코스 공정에 의해 수득되는 것과 같은 다른 섬유 형태들과 대조를 이룬다.
본 발명에 따라 제조된 성형체들은 예컨대 포장 재료, 섬유 재료, 텍스틸 복합 재료, 섬유 복합 재료, 섬유 플리스, 침상 펠트(needled felt), 퀼트 무명(quilting cotton), 직물, 편물로서; 이불 시트와 같은 가정용 텍스틸들로서, 의류들로서, 충전제, 플로킹 재료(flocking material), 깔개, 배내옷 또는 매트리스와 같은 병원용 텍스틸들로서; 단열 담요, 신발 깔창 및 붕대를 위한 옷감으로서; 이용될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 매우 다양한 기술 분야들에서뿐만 아니라 의료, 화장품 및 건강 분야에서도 적용될 수 있다. 의료 분야에서, 예컨대 상처 치료 및 상처 치유를 위한 재료들은, 기계적 특성들을 결정하는 캐리어와, 특히 피부 및 상처의 표면과 호환될 수 있는 생호환 코팅 재료(biocompatible coating material)로 합성될 수 있다. 수많은 다른 적용도 가능하다.
하기에서는 본 발명의 예시적인 실시예들이 하기 도면들을 참조하여 상세하게 기술된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 셀룰로오스 함유 성형체를 제조하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 리오셀 공정에 의해 제조되는 출발 물질을 기반으로 리오셀 공정을 이용하여 셀룰로오스 함유 성형체를 제조하기 위한 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 리오셀 공정에 의해 제조된 셀룰로오스 섬유를 도시한 도면이다.
도 4는 비스코스 공정에 의해 제조된 셀룰로오스 섬유를 도시한 도면이다.
도 5는 목화에서 추출한 천연 셀룰로오스 섬유를 도시한 도면이다.
여러 도면에서 동일하거나 유사한 컴포넌트들에는 동일한 도면부호들이 부여된다.
도면들을 참조하여 예시적인 실시예들을 기술하기 전에, 본 발명의 예시적인 실시예들이 도출되는 근거가 되는 일부 기본적인 고려사항이 요약된다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따라서, 리오셀 재사용 재료들은 리오셀 섬유들의 제조를 위해 이용된다. 셀룰로오스를 함유한 다른 출발 물질들에 대한 실질적인 차이는, 리오셀이 곧바로 (다시 말해 화학적 전처리 없이, 바람직하게는 분쇄 후에) 다시 약물에 공급될 수 있다는 점이다. 그런 다음, 셀룰로오스는 다시 적합한 용매(특히 NMMO) 내에서 용해된다. 이는, 단지, 리오셀 공정이 직접 용해 공정이며, 그리고 여기서는 셀룰로오스의 유의적인 성능 저하(DP 저하: DP는 평균 중합도, 다시 말해 매크로분자당 모노머 단위들의 개수이다.)가 일어나지 않기 때문에 가능하다.
다시 말해, 우선 첫 번째로, 펄프가 리오셀 공정을 위해 적합한 정도로, 상기 펄프가 리오셀 공정의 범위에서 (특히 점도가 그에 상응하게 설정된 점의 문맥에서) 조건 조절되었다면, 상기 공정에서 발생한 최종 제품(리오셀 섬유 내지 이로 제조된 텍스틸 또는 다른 적용 제품)은 거의 폐쇄된 순환 과정에서 임의로 자주(평균 중합도는 시간에 따라 약간 감소함) 재사용될 수 있다. 다시 말해, 리오셀 재사용 재료들은 종래의 펄프를 대신할 수 있다.
바람직하게는, 본원의 방법의 경우, (리오셀 장치의 필터의 막힘 방지를 위해) 출발 물질 내의 오염물들을 적게 유지하거나, 또는 사전에 분리하고, (재사용된 리오셀 셀룰로오스의 높은 순도의 달성을 위해) 혼합 시 이물질들을 적게 유지하거나, 또는 분리하고, 그리고/또는 보다 더 큰 입자들을 적게 유지하거나, 또는 사전에 분리하는 조치들이 강구될 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 출발 물질로서는, 특히 높은 순도를 갖는 리오셀 섬유 생산 중 발생한 쓰레기 및 사용전 소비재 쓰레기가 선호된다.
바람직하게는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라서, 출발 물질을 공급한 후 처리(예: 세정, 점도 설정)는 불필요할 수 있다. 분명하게, 예시적인 실시예에 따른 방법에 의해, 리오셀 셀룰로오스는 곧바로 다시 리오셀 셀룰로오스로 처리될 수 있다. 달리 표현하면, 리오셀 공정에 의해 제조된 재료들은 후속하는 추가 리오셀 공정을 위한 원료로서 이용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 펄프 회수 시, 리오셀 섬유들의 상당한 비율을 포함한 재생원료(특히 사용후 소비재 쓰레기로 이루어진 재사용된 합성물질)가 이용될 수 있다. 리오셀 공정을 위해 상기 유형의 펄프의 이용을 통해, 자체의 기술적 특성들과 관련하여, 재생원료를 함유하지 않고 제조된 리오셀 섬유와 극미하게만, 또는 심지어 최소로만 구분되거나, 또는 심지어는 전혀 구분되지 않는 재생원료제품들도 가능하다. 특히 본 실시형태에서, 백색 레벨(white level) 및 강도는 재생원료를 함유하지 않은 리오셀 섬유와 상관관계가 있다.
예컨대 출발 물질의 경우, 출발 물질의 총 중량과 관련하여 최소한 3중량 퍼센트, 특히 바람직하게는 최소한 10중량 퍼센트, 추가로 특히 바람직하게는 최소한 50중량 퍼센트의 리오셀 섬유가 제공될 수 있다.
도 1에는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 셀룰로오스 함유 성형체(102)(도 2 비교)를 제조하기 위한 방법의 흐름도(50)가 도시되어 있다.
우선, 도 1을 참조하여, 제품으로서의 이용(블록 60 참조) 후에 리오셀 공정에 의해 재사용되는 출발 물질(110)(도 2 비교)이 어떻게 제조되는지 그 방법이 기술된다.
상기 셀룰로오스를 함유하는 출발 물질(110)을 제조하기 위해, 맨 먼저 셀룰로오스원(48)이 이용되며, 다시 말하면 셀룰로오스를 함유하는 매체가 이용된다. 이는 예컨대 목재 펄프일 수 있다. 적합한 용매(예컨대 도 2에서 도면부호 116 비교, 예컨대 N-메틸모르폴린-N-옥사이드(NMMO)와 같은 삼차 아미노 옥사이드; 그러나 셀룰로오스원(48)을 위해 다른 용매, 예컨대 이온성 액체 역시도 이용될 수 있음) 내에서 셀룰로오스원(48)을 용해하는 용해 단계(52)에 의해, 리오셀 방사 용액 내지 방사 매스가 생성될 수 있으며, 다시 말하면 셀룰로오스는 용액으로 변환될 수 있다.
이렇게 제조된 리오셀 방사 용액 내지 방사 매스는 그 다음 하나 또는 복수의 필터를 통과하여 안내될 수 있고(필터 내에서는 예컨대 이물질이 잔류될 수 있음), 그런 다음 리오셀 장치의 하나 또는 복수의 방사 노즐을 통해 압착될 수 있으며, 그럼으로써 압출 단계에 의해 꿀 점성 일관성(honey-viscous consistency)을 가지면서 셀룰로오스를 함유하는 필라멘트들이 수득되게 된다(블록 54 참조).
방사 노즐들을 통과한 후에, 바람직하게는 물을 함유하거나, 또는 물로 구성되는 응고 매체(특히 예컨대 도 2에 도면부호 191로 도시된 방사욕과 같은 방사욕, 또는 다른 방사욕)를 통해, 용해된 셀룰로오스원(48), 다시 말해 리오셀 방사 용액을 희석하는 것을 통해, 리오셀 방사 용액에서부터 셀룰로오스의 응고 내지 침전(56)이 야기될 수 있다. 이런 방식으로, 셀룰로오스는, 예컨대 섬유들의 형태로, 고체 위상으로(다시 말해 이제는 고형체로서 존재하는 방식으로) 제조될 수 있다.
블록(58)으로 분명하게 확인되는 것처럼, 상기와 같이 획득되거나 추출된 셀룰로오스는 선택적인 후처리로 처리될 수 있으며, 예컨대 셀룰로오스의 건조, 또는 (예컨대 절단하여 스테이플 섬유들을 형성하는 것을 통해) 셀룰로오스의 기하학적 외관의 변경으로 처리될 수 있다.
달리 말하면, 블록들(48, 52, 54, 56 및 58)로 도시된 것처럼, 기재한 본원의 방법은, 용매 내에서 셀룰로오스원(48)을 용해하는 용해 단계(52) 및 후속하여 용해된 셀룰로오스원(48)을 희석함으로써 셀룰로오스를 침전하는 침전 단계(56)를 이용하여 셀룰로오스를 함유한 출발 물질(110)을 제조하는 것을 달성할 수 있다. 달리 표현하면, 출발 물질(110)은 블록들(48, 52, 54, 56 및 58) 내에 도시된 리오셀 공정에 의해 제조될 수 있다.
또한, 출발 물질(110)은, 예컨대 추출될 셀룰로오스를 기반으로 옷의 제작을 통해 추가 처리될 수 있다. 이런 경우, 셀룰로오스는, 특히 추가 구성요소(예컨대 폴리에스테르 및 엘라스테인과 같은 합성물질들)의 이용하에 추가 처리되어 예컨대 텍스틸 패브릭을 형성할 수 있다. 텍스틸 패브릭에서는 부분들이 재단되며, 그리고 이와 동시에 단추 및 솔기처럼 셀룰로오스로 구성되지 않는 추가 몸체들과 함께 처리되어 의류(예: T 셔츠)를 형성할 수 있다.
블록(60)으로 도시된 것처럼, 상기와 같이 제조된 출발 물질(110)은 사용자를 통해 예컨대 의류로서 이용될 수 있다.
사용자가 의류를 폐기한다면, 상기 의류는, 하기에서 보다 더 상세하게 기술되는 후속하는 추가 리오셀 공정을 위한 사용후 소비재 출발 물질(110)로서 이용될 수 있다. 또한, 그 대안으로, 또는 그에 보충하여, 리오셀 셀룰로오스를 함유하는 사용전 소비재 출발 물질(110), 예컨대 의복 제작에서 발생하는 자투리 잔류물을 후속하는 추가 리오셀 공정을 위해 이용할 수도 있다.
하기에서는, 적어도 부분적으로 리오셀 셀룰로오스는 함유하는 출발 물질(110)을 기반으로 리오셀 셀룰로오스로 이루어진 성형체(102)가 본 발명의 일 실시예에 따라 어떻게 제조될 수 있는지 그 방법이 기술된다. 이를 위해, 출발 물질(110)은 리오셀 공정을 수행하기 위해 장치(100)(도 2 참조)로 공급된다(도면부호 78 비교).
상기 장치에서는, 맨 먼저, 출발 물질(110)의 기계적 분쇄 단계(62)가 압쇄를 통해 수행될 수 있다. 그렇게 하여, 특히 셀룰로오스를 함유하지 않은 큰 불순물들, 예컨대 출발 물질(110)을 생성하기 위해 적어도 부분적으로 이용된 헌 옷들의 단추들, 솔기들 및 날염이 출발 물질(110)에서 제거될 수 있다. 기계적 분쇄 단계(62)를 통해, 예컨대 출발 물질(110)은 개별 섬유들로 분리될 수 있다.
또한, 후속 리오셀 공정을 위해, 셀룰로오스를 함유한 다른 재료들과 함께, 리오셀 셀룰로오스를 함유한 출발 물질(110)을 사용할 수도 있다(블록 64 참조). 따라서, 출발 물질(110)은 셀룰로오스를 함유한 다른 출발 물질과 혼합될 수 있다(블록 64 참조). 이렇게, 출발 물질(110)은, 그 대안으로, 또는 그에 보충하여 예컨대 의복 제작에서 발생하는 잔류물들 역시도 함유할 수 있다. 또한, 선택적으로, 출발 물질에는, 예컨대 목재 펄프처럼 셀룰로오스를 함유하는 다른 재료 역시도 첨가할 수 있다. 다시 말해, 셀룰로오스를 함유한 추가 비-리오셀 출발 물질과, 앞에서 기술한 제1 리오셀 공정에 따라서 획득된 출발 물질(110)을 혼합할 수 있다. 비-리오셀 출발 물질은 예컨대 텍스틸에서 기인하는 넝마 펄프, 목화에서 기인하는 무명, 비스코스 공정에서 획득된 셀룰로오스 및/또는 무명 린터(cotton linter)(다시 말해, 예컨대 약 38mm 길이의 무명 린트(cotton lint)에 비해 훨씬 더 짧으면서 목화의 씨에서 자라는 것과 같은 코튼 스트랜드(cotton strand))를 함유할 수 있다. 출발 물질(110)에서, 리오셀 공정에 의해 획득된 셀룰로오스의 비율은 예컨대 3중량 퍼센트와 100중량 퍼센트 사이일 수 있으며, 특히 10중량 퍼센트와 80중량 퍼센트 사이일 수 있다. 특히 바람직하게는, 상기 비율은 100중량 퍼센트이다(적은 이물질 비율이 항상 존재할 수 있다는 점은 통상의 기술자에게 잘 알려져 있음).
기계적 분쇄 단계(62) 직후에, 또는 혼합 단계(64) 직후에, 추가 용매(116)(예컨대 N-메틸모르폴린-N-옥사이드(NMMO)와 같은 예컨대 삼차 아미노 옥사이드) 내에서 (순수한, 또는 혼합된) 출발 물질(110)의 직접 용해 단계는 바람직하게는 화학적 전처리 없이 수행될 수 있으며, 그럼으로써 방사 매스가 수득되게 된다. 더욱 정확하게 말하면, 기계적으로 분쇄된(그리고 선택적으로 혼합된) 출발 물질(110)은 특히 화학적 세정 없이, 그리고 점도의 설정 없이 곧바로 용액으로 변환될 수 있다. 이런 방식으로, 제조 방법 내지 재사용 방법은 현저하게 간단하고 신속하면서도 환경 친화적으로 수행될 수 있다.
그 대안으로, 본원의 방법은, 기계적 분쇄 단계(62) 후에(또는 혼합 단계(64) 후에), 그리고 용해 단계(68) 전에, 출발 물질(110)의 선택적인 화학적 세정 단계(66)를 포함할 수 있다. 상기 선택적인 세정 단계(66)는 예컨대 표백을 통해 염료의 적어도 부분적인 제거 단계를 포함할 수 있다. 그렇게 하여, 예컨대 백색 또는 회색 성형체(102)를 제조하기 위해, 용매(116) 내에서 출발 물질(110)의 후속 용해 단계(68) 전에 출발 물질(110)을 완전하게, 또는 부분적으로 탈색할 수 있다. 또한, 그 대안으로, 또는 그에 보충하여, 선택적인 화학적 세정 단계(66)의 범위에서 출발 물질(110)로부터는 (출발 물질의 용해 단계(68) 전에 또는 후에) 출발 물질(110)의 섬유들을 가교 결합하는 가교제들이 적어도 부분적으로 제거될 수 있다. 상기 가교제들이 출발 물질(110)의 섬유들 사이에 존재하는 적용 분야에서, 출발 물질(110)로부터 예컨대 알칼리성 또는 산성 전처리에 의해 상기 가교제들이 완전하게, 또는 부분적으로 제거될 수 있다. 이는 출발 물질(110)의 용해도를 추가로 개선시킨다.
용매(바람직하게 NMMO) 내에서 출발 물질(110)의 용해 단계(68) 후에, 수득된 리오셀 방사 용액 내지 방사 매스는 하나 또는 복수의 방사 노즐을 통해 압축될 수 있으며, 그럼으로써 압출 단계에 의해 꿀 점성의 점도를 갖는 실들(thread) 내지 필라멘트들이 형성되게 된다(상기 방사에 관련되는 블록 70 참조).
상기 실들 내지 필라멘트들을 낙하하는 동안, 그리고/또는 그 후에, 상기 실들 내지 필라멘트들은 수성 환경과 상호작용 방식으로 연결되고 그렇게 하여 희석된다. 그렇게 하여, 실들 내지 필라멘트들의 용매(116)의 농도는, 예컨대 방사욕으로서의 수성 액욕 내에서, 리오셀 방사 용액이 셀룰로오스 필라멘트들로 이루어진 고체 위상으로 변환되는 정도로 감소된다. 달리 표현하면, 셀룰로오스 필라멘트들의 침전 또는 응고가 발생한다(도면부호 72 참조). 그렇게 하여, 스테이플 섬유를 위한 성형체(102) 내지 프리폼(pre-form)이 수득되게 된다.
다시 말해, 리오셀 공정을 이용한 용해 단계(68), 방사 단계(70) 및 후속 침전 단계(72)는 자체적으로 선행 리오셀 공정에 의해 제조되는 셀룰로오스 재료를 함유하거나, 또는 상기 셀룰로오스 재료로 구성되는 출발 물질(110)을 기반으로 수행된다. 그러므로 분명하게, 기술한 제조 방법은 리오셀 함유 리오셀 방법(lyocell-with-lyocell method)으로서 지칭될 수 있다. 달리 표현하면, 제1 리오셀 공정에 의해 제조된 셀룰로오스를 함유하는 출발 물질(110)은 제2 리오셀 공정을 이용하여 출발 물질(110)을 처리함으로써 셀룰로오스 함유 성형체(102)를 제조하기 위해 이용될 수 있다.
또한, 본원의 방법은 성형체(102)의 특성들에 영향을 미치기 위해 침전된 리오셀 셀룰로오스를 후처리하는 후처리 단계(74)를 포함할 수 있다. 상기 후처리 단계는 예컨대 수득된 필라멘트들을 건조하고, 함침하고, 그리고/또는 최종 성형체(102)로 성형하는 단계를 포함할 수 있다. 예컨대 성형체(102)는 기술한 제조 방법을 통해 섬유들, 포일, 직물, 플리스, 볼, 다공성 스펀지 또는 비드들로 처리될 수 있고 그런 다음 추가 사용 공정으로 공급될 수 있다(도면부호 76 참조).
바람직하게는, 성형체(102)의 사용 후에, 성형체의 리오셀 셀룰로오스는, 추가 리오셀 공정이 도면부호 78과 74 사이의 방법 단계들에 상응하게 수행됨으로써(블록 80 참조), 신규 성형체로부터 회수될 수 있다. 이처럼 반복되는 리오셀 방법 단계들을 이용한 리오셀 재사용의 수회의 반복성은, 리오셀 공정들의 거듭되는 반복을 통한 리오셀 셀룰로오스의 성능 저하 내지 DP 감소가 놀라울 정도로 낮다는 지식을 통해 가능해진다.
도 2에는, 도 1을 참조하여 기술한 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 선행 리오셀 공정에 의해 제조된 출발 물질(110)을 기반으로 리오셀 공정을 이용하여 셀룰로오스 함유 성형체(102)를 제조하기 위한 장치(100)가 도시되어 있다.
다시 말해, 도 2에는, 예컨대 플리스(부직포)의 형태로, 섬유, 포일, 볼, 텍스틸 패브릭, 스펀지로서, 또는 비드들 또는 플레이크들의 형태로 제조될 수 있는 셀룰로오스 함유 성형체(102)를 제조하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 장치(100)가 도시되어 있다. 도 2에 따라서, 성형체(102)는 방사 용액(104)에서 직접적으로 제조된다. 이 경우, 방사 용액은 (특히 공기 중 습기로 이루어진) 응고 유체(106) 및/또는 응고욕(191)(coagulation bath)(선택적으로 예컨대 N-메틸모르폴린-N-옥사이드(NMMO)와 같은 삼차 아미노 옥사이드를 함유하는 수욕)에 의해 성형체(102)로서의 셀룰로오스 섬유들(108)로 변환된다. 본원의 장치(100)에 의해서는, 리오셀 공정이 실행될 수 있다. 이런 방식으로, 성형체(102)로서, 예컨대 이산 길이(discrete length)를 갖는 무한 필라멘트들 또는 섬유들(108) 또는 실질적으로 무한 필라멘트들 및 섬유들(108)의 혼합물들이 제조될 수 있다. 각각 하나 또는 복수의 (방사 구멍들로서도 지칭될 수 있는) 개구부(126)를 포함하는 복수의 노즐은 리오셀 방사 용액(104)을 방출하기 위해 제공된다.
도 2에서 추론할 수 있는 것처럼, 저장 탱크(114)로는, 계량 공급 장치(113)를 통해 셀룰로오스 기반 출발 물질(110)이 공급될 수 있다.
일 실시예에 따라서, 셀룰로오스 기반 출발 물질(110) 내로 물 유입은 하기에서 보다 더 상세하게 기술되는 용매(116)(특히 NMMO)를 통해 수행될 수 있다. 또한, 셀룰로오스 기반 출발 물질(110) 자체는 이미 소정의 잔류 수분(residual humidity)을 함유할 수 있다(건조한 펄프는 예컨대 보통 5중량 퍼센트 내지 8중량 퍼센트의 잔류 수분을 함유함). 특히 기술한 실시예에 따라서, 출발 물질(110)은 사전 습윤화 없이 곧바로 물과 용매(116)로 이루어진 혼합물 내에 제공될 수 있다. 이런 경우, 도 2에 도시된 선택적인 물 탱크(112)는 생략될 수 있다.
대안의 실시예에 따라서, 셀룰로오스를 함유한 출발 물질(110)은, 결과적으로 습윤 셀룰로오스(wet cellulose)를 제공하기 위해, 추가로 습윤화될 수 있다. 이런 목적을 위해, 물은 선택적인 물 탱크(112)에서부터 계량 공급 장치(113)를 통해 저장 탱크(114)로 공급될 수 있다. 그러므로 제어 장치(140)에 의해 제어되는 계량 공급 장치(113)는 설정 가능한 상대 양의 물 및 출발 물질(110)을 저장 탱크(114)로 공급할 수 있다.
적합한 용매(116), 바람직하게는 예컨대 N-메틸모르폴린-N-옥사이드(NMMO)와 같은 삼차 아미노 옥사이드, 또는 용매(116)의 수성 혼합물, 예컨대 물 내의 76% 용액의 NMMO는 용매 탱크 내에 포함된다. 용매(116)의 농도는 농도 조절 장치(118) 내에서 순수 용매 또는 물의 첨가를 통해 설정될 수 있다. 이런 경우, 용매(116)는 혼합 유닛(119) 내에서 출발 물질(110)과 정의 가능한 상대 양으로 혼합될 수 있다. 또한, 혼합 유닛(119) 역시도 제어 유닛(140)에 의해 제어될 수 있다. 그렇게 하여, 농도 조절된 용매(116) 내 셀룰로오스를 함유한 출발 물질(110)은 용해 장치(120) 내에서 설정 가능한 상대 양으로 용해되며, 그럼으로써 리오셀 방사 용액(140)이 수득되게 된다. 리오셀 공정에 따라 재생 셀룰로오스 성형체들의 제조를 위한 방사 용액(104) 내 출발 물질(110), 물 및 용매(116)와 같은 성분들의 (방사 범위(spinning window)로서도 지칭되는) 상대 농도 범위들은 통상의 기술자에게 공지된 것처럼 적합하게 설정될 수 있다.
리오셀 방사 용액(104)은 (다수의 방사 빔(spinning beam) 또는 제트(122)(jet)를 구비하여 형성될 수 있는) 섬유 생성 장치(124)로 공급된다.
리오셀 방사 용액(104)이 제트들(122)의 개구부들(126)을 통해 안내된다면, 리오셀 방사 용액은 이 리오셀 방사 용액(104)에서부터 복수의 평행 실(parallel thread)로 분할된다. 기술한 공정 제어는, 리오셀 방사 용액(104)을 점점 더 길어지고 얇은 실들로 변형하며, 이들 실의 특성들은 제어 유닛(140)을 통해 제어되는 공정 조건들의 상응하는 설정을 통해 설정될 수 있다. 선택적으로, 가스 흐름은, 개구부들(126)에서부터 섬유 수용 유닛(132) 쪽으로 리오셀 방사 용액의 경로 상에서 리오셀 방사 용액(104)을 가속화할 수 있다.
리오셀 방사 용액(104)이 제트들(122)을 통과하여, 그리고 추가로 하류로 이동된 후에, 리오셀 방사 용액(104)의 길고 얇은 실들은 응고 유체(106)와 상호작용한다.
응고 유체(106)(예: 물)와의 상호작용 동안, 리오셀 방사 용액(104)의 용매 농도는 감소되며, 그럼으로써 출발 물질(110)의 셀룰로오스는 적어도 부분적으로 길고 얇은 (항상 여전히 용매 및 물의 잔류물을 함유할 수 있는) 셀룰로오스 섬유들(108)로서 응고되고 침전된다.
압출된 리오셀 방사 용액(104)에서부터 개별 셀룰로오스 섬유들(108)의 초기 형성 동안 또는 후에, 셀룰로오스 섬유들(108)은 섬유 수용 유닛(132) 상에 수용된다. 셀룰로오스 섬유들(108)은 도 2에 도시된 응고욕(191)(예컨대 선택적으로 NMMO와 같은 용매를 함유하는 수욕) 내로 침지될 수 있으며, 그리고 응고욕(191)의 액체와의 상호작용 동안 자신의 침전 단계를 종료할 수 있다. 응고의 공정 설정에 따라서, 셀룰로오스는 셀룰로오스 섬유들(108)을 형성할 수 있거나(도시된 것처럼, 셀룰로오스 섬유들(108)은 단일 물질일 수 있거나, 또는 상호 간에 통합 용융("merging")될 수 있거나, 또는 분리된 셀룰로오스 섬유들(108)로서 존재할 수 있음), 또는 섬유 수용 유닛(132) 상에서 셀룰로오스 소재의 포일 내지 필름을 형성할 수 있다(도 2에는 미도시).
다시 말해, 셀룰로오스 섬유들(108)은 제트들(122)의 방사 노즐들에서 압출되고 (예컨대 침전/응고를 위한 낮은 농도의 NMMO 및 물을 함유하는) 방사욕 내지 응고욕(191)을 통과하여 안내되며, 이때 셀룰로오스 섬유들(108)은 응고욕(191) 내에서 각각의 편향 롤러(193)를 중심으로 안내되며, 그리고 응고욕(191)의 바깥쪽에서는 인출 갈레트(195)(take-off galette)로 공급된다. 인출 갈레트(195)는, 의도되는 섬도(titer)를 달성하기 위해, 셀룰로오스 섬유들(108)의 추가 이송 및 재연신(re-extension)을 제공한다. 인출 갈레트(195)의 하류에서는, 셀룰로오스 섬유들(108)로 이루어진 섬유 다발이 세척 유닛(180) 내에서 세척되고, 경우에 따라 매끄럽게 가공되며, 그리고 최종적으로 절단된다(미도시).
비록 도 2에는 도시되어 있지 않지만, 응고 단계 동안, 그리고 세척 유닛(180) 내에서 후속하는 세척 단계 동안 셀룰로오스 섬유들(108)에서 제거된 리오셀 방사 용액(104)의 용매(116)는 적어도 부분적으로 회수되거나 재사용될 수 있으며, 그리고 후속 주기에서 다시 저장 탱크(114) 내로 이송될 수 있다.
섬유 수용 유닛(132)을 따르는 이송 동안, (여기서는 셀룰로오스 섬유들(108)의 형태인) 성형체(102)는, 용매 잔류물을 제거하기 위한 세척액이 세척 유닛(180)에 공급됨으로써 상기 세척 유닛에 의해 세척될 수 있다. 그런 후에 성형체(102)는 건조될 수 있다.
더 나아가, 성형체(102)는 후처리로 처리될 수 있다(개략적으로 도시된 후처리 유닛(134) 참조). 예컨대 상기 후처리는 수류 결합(hydroentaglement), 니들 처리(needle treatment), 함침, 가압되어 공급되는 증기를 이용한 증기 처리 및/또는 캘린더링 등을 포함할 수 있다.
섬유 수용 유닛(132)은 성형체(102)를 권취 장치(136)로 공급할 수 있으며, 이 권취 장치 상에 성형체(102)가 권취될 수 있다. 그런 다음 성형체(102)는 롤 상품으로서 엔티티(entity)로 공급될 수 있으며, 엔티티는 성형체(102)를 기반으로 예컨대 행주 또는 텍스틸과 같은 제품들을 제조한다.
도 2에 따른 장치(100)를 이용하여 도 1에 따른 본 발명의 예시적인 실시예에 따르는 방법을 수행할 수 있도록 하기 위해, 출발 물질(110)로서, 완전하게, 또는 부분적으로, (마찬가지로 도 2에 따른 장치(100)로 수행할 수 있는) 선행 리오셀 공정에서 획득된 재료가 공급된다.
하기에서는, 본 발명의 예시적인 실시형태들에 따른 공정 제어에 대한 실시예들이 기술된다.
실시예 1:
본 발명의 일 실시형태에 따른 방법의 예시의 적용에서, 실험실 설비에서 리오셀 공정에 따라 제조된 셀룰로오스 섬유들을 추가 리오셀 공정의 수행을 위한 출발 물질로서 사용하였다. 구체적으로 3mm의 섬유 길이를 갖는 리오셀 단섬유(lyocell short-cut fiber)를 사용하였다. 이런 출발 물질은, 결과적으로 방사 가능한 용액을 제조하기 위해, 추가 전처리 없이 수성 NMMO 용액과 혼합하였다. 그에 뒤이어, 상기 방사 용액은 필라멘트들의 형태로 재생하여 1.3dtex의 섬도 및 38mm의 길이를 갖는 스테이플 섬유들로 절단하였다. 이렇게 수득된 섬유들의 특성 검사 동안, 수득된 특성들(특히 섬유 강도(FFK) 및 신장률(FDK))이 동일한 실험실 설비에서 출발 물질로서 전형적인 화학 펄프로 달성할 수 있는 리오셀 섬유들에 필적한다는 점을 확인하였다(표 1 비교).
실시예 2:
실시예 1에서 수득한 리오셀 단섬유들을, 추가 전처리 없이 추가 출발 물질로서 리오셀에 적합한 화학 펄프와 혼합하였다. 본 실시예에서 혼합한 출발 물질의 총량은 20중량 퍼센트의 리오셀 단섬유와 80중량 퍼센트의 화학 펄프로 구성하였다. 그런 다음, 혼합한 출발 물질을 토대로, 뒤이은 리오셀 공정에서, NMMO를 이용하여 방사 용액을 제조하였고 그로부터 스테이플 섬유들을 제조하였다. 실시예 1에서처럼, 그렇게 제조된 리오셀 섬유들의 특성들이, 동일한 실험실 설비에서 일반적인 출발 물질로서 화학 펄프를 이용하여 제조할 수 있는 섬유의 특성들과 실질적으로 일치한다는 점을 확인하였다(표 1 비교).
표 1: 섬유 특성
Figure pct00001
도 3에는, 리오셀 공정에 의해 제조된 셀룰로오스 섬유(200)가 횡단면도로 도시되어 있다. 리오셀 공정에 의해 제조된 셀룰로오스 섬유(200)는 매끄러운 원형 외부 표면(202)을 보유하며, 그리고 셀룰로오스 재료로 균일하면서도 거시적인 구멍들 없이 채워져 있다. 그러므로 통상의 기술자라면, 비스코스 공정에 의해 제조된 셀룰로오스 섬유들(도 4에서 도면부호 204 참조) 및 목화에서 추출한 셀룰로오스 섬유들(도 5에서 도면부호 206 참조)과 상기 셀룰로오스 섬유를 분명하게 구분할 수 있을 것이다.
도 4에는, 비스코스 공정에 의해 제조된 셀룰로오스 섬유(204)가 횡단면도로 도시되어 있다. 셀룰로오스 섬유(204)는 구름 형태이며, 그리고 그의 외주연을 따라 다수의 아치형 구조(208)를 포함한다.
도 5에는, 목화에서 추출한 천연 셀룰로오스 섬유(206)가 횡단면도로 도시되어 있다. 셀룰로오스 섬유(206)는 신장(kidney) 형태이며, 그리고 안쪽에 완전하게 에워싸인 중공(hollow)으로서 재료가 없는 공동(210)(lumen)을 포함한다.
도 3 내지 도 5에 따른 섬유들의 유의적인 기하학적 또는 구조적 차이를 근거로, 통상의 기술자라면, 예컨대 셀룰로오스 섬유가 리오셀 공정에 의해, 비스코스 공정에 의해, 또는 목화에서 자연적으로 형성되었는지 그 여부를 명확하게 확인할 수 있다.
그에 보충하여, 주지할 사항은, "함유하는" 및 "포함하는"이 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않으며 "하나"도 복수를 배제하지 않는다는 점이다. 또한, 역시 주지할 사항은, 상술한 실시예들 중 어느 하나를 참조하여 기술한 특징들 또는 단계들이 앞에서 기술한 실시예들 중 다른 실시예들의 다른 특징들 또는 단계들과 조합되어서도 이용될 수 있다는 점이다. 특허청구범위에 있는 도면부호들은 제한으로서 고려되어서는 안 된다.

Claims (15)

  1. 재생 셀룰로오스 성형체(102)를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    상기 방법은, 리오셀 공정에 의해 제조되고 셀룰로오스를 함유하는 출발 물질(110)이면서, 방사 매스의 제조를 위해 용매 내에서 셀룰로오스원(48)을 용해하는 용해 단계(52), 방사 매스를 압출하는 압출 단계(54), 및 후속하여 방사욕 내에서 침전하는 침전 단계(56)에 의해 제조되는 상기 출발 물질(110)을 공급하는 공급 단계(78);
    방사 매스의 제조를 위해 용매(116) 내에서 셀룰로오스를 함유한 상기 출발 물질(110)을 용해하는 용해 단계(68); 및
    상기 방사 매스를 압출(70)하고 후속하여 이를 방사욕(191) 내에 침전(72)함으로써 상기 성형체(102)를 수득하는 압출 및 침전 단계(70, 72);를 포함하는, 재생 셀룰로오스 성형체의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 셀룰로오스를 함유하여 용해된 상기 출발 물질(110)을 위한 상기 방사욕(191)은 물과 용매를 함유하는, 재생 셀룰로오스 성형체의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용해된 셀룰로오스원(48)을 위한 상기 방사욕은 물과 용매를 함유하는, 재생 셀룰로오스 성형체의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성형체(102)는 필라멘트, 섬유, 특히 무한 섬유, 포일, 스펀지 또는 볼인, 재생 셀룰로오스 성형체의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 추가 리오셀 공정을 수행하는 수행 단계를 포함하며(80), 상기 수행 단계는
    방사 매스의 제조를 위해 용매 내에서 상기 성형체(102)를 용해하는 용해 단계(68); 및
    상기 방사 매스를 압출(70)하고 후속하여 이를 방사욕 내에서 침전(72)함으로써 다른 성형체를 수득하는 압출 및 침전 단계(70, 72);를 포함하는, 재생 셀룰로오스 성형체의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은, 상기 용매(116) 내에서 상기 출발 물질(110)을 용해하는 용해 단계(68) 전에 상기 출발 물질(110)을 분쇄하는 분쇄 단계(62), 특히 기계적으로 분쇄하고 추가로 특히 압쇄하는 상기 분쇄 단계(62)를 포함하는, 재생 셀룰로오스 성형체의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 상기 출발 물질(110)의 화학적 전처리 없이, 특히 화학적 세정 없이, 그리고/또는 점도의 설정 없이 상기 용매(116) 내에서 상기 출발 물질(110), 특히 고형체로서 존재하는 상기 출발 물질(110)을 용해하는 용해 단계를 포함하는, 재생 셀룰로오스 성형체의 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 상기 용매(116) 내에서 상기 출발 물질을 용해하는 용해 단계(68) 전에 상기 출발 물질(110), 특히 고형체로서 존재하는 상기 출발 물질(110)을 적어도 부분적으로 세정하는, 특히 화학적으로 세정하는 세정 단계(66)를 포함하는, 재생 셀룰로오스 성형체의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 세정 단계(66)는 상기 용매(116) 내에서 상기 출발 물질을 용해하는 용해 단계(68) 전에 상기 출발 물질(110)에서 특히 표백을 이용하여 염료를 적어도 부분적으로 제거하는 제거 단계를 포함하는, 재생 셀룰로오스 성형체의 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항, 또는 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 출발 물질(110)에서는, 자신의 침전 단계(72) 전에, 특히 자신의 용해 단계(68) 전에, 상기 출발 물질(110)의 섬유들을 가교 결합하는 가교제가 특히 알칼리성 전처리 및/또는 산성 전처리에 의해 적어도 부분적으로 제거되는, 재생 셀룰로오스 성형체의 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은,
    상기 출발 물질(110)이 완전하게, 또는 부분적으로 의복 제작 및/또는 헌 옷들에서 발생하는 잔류물들로 형성되며;
    상기 출발 물질(110)은 자신의 침전 단계(72) 전에, 특히 상기 용매(116) 내에서 자신의 용해 단계(68) 전에, 셀룰로오스를 함유한 다른 출발 물질과 혼합되되, 특히 상기 다른 출발 물질은, 목재 펄프, 넝마 펄프, 텍스틸, 옷, 무명 및 비스코스 공정에 의해 제조된 셀룰로오스로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재료를 함유하며;
    상기 방법은 상기 침전된 성형체(110)를 후처리하는 후처리 단계(74)를 포함하며;
    상기 출발 물질(110)의 용해 단계(68) 및/또는 상기 셀룰로오스원(48)의 용해 단계(52)는 직접 용해 공정에 의해, 그리고/또는 삼차 아미노 옥사이드, 특히 N-메틸모르폴린-N-옥사이드에 의해, 그리고/또는 용매(116)로서의 이온성 액체에 의해 수행되며;
    상기 출발 물질(110)의 용해 단계(68) 및/또는 후속하는 상기 성형체(102)의 침전 단계(72)는 리오셀 공정에 의해 수행된다는;
    특징들 중 적어도 하나를 포함하는, 재생 셀룰로오스 성형체의 제조 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은
    상기 방사 매스의 제조를 위해 상기 용매 내에서 상기 셀룰로오스원(48)을 용해하는 용해 단계(52); 및
    상기 방사 매스를 압출(54)하고 후속하여 이를 상기 방사욕 내에서 침전(56)하는 압출 및 침전 단계(54, 56);를 이용하여
    셀룰로오스를 함유하는 상기 출발 물질(110)을 제조하는 제조 단계를 포함하는, 재생 셀룰로오스 성형체의 제조 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출발 물질(110)의 섬유들(200), 또는 상기 성형체(102)는 매끄러운 원형 외부 표면(202)을 보유하는, 재생 셀룰로오스 성형체의 제조 방법.
  14. 제2 리오셀 공정으로 출발 물질(110)을 처리하는 처리 단계를 이용하여 셀룰로오스 함유 성형체(102)를 제조하기 위한, 제1 리오셀 공정에 의해 제조되고 셀룰로오스를 함유하는 출발 물질(110)의 이용.
  15. 제14항에 있어서, 상기 출발 물질(110)의 적어도 일부분으로서, 텍스틸들, 특히 의복 제작 및/또는 헌 옷들에서 발생하는 잔류물들이 이용되는, 출발 물질의 이용.
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