WO2011116403A2 - Method for producing a nitrogen-containing polysaccharide - Google Patents

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WO2011116403A2
WO2011116403A2 PCT/AT2011/000141 AT2011000141W WO2011116403A2 WO 2011116403 A2 WO2011116403 A2 WO 2011116403A2 AT 2011000141 W AT2011000141 W AT 2011000141W WO 2011116403 A2 WO2011116403 A2 WO 2011116403A2
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Barbora Siroka
Avinash P. Manian
Thomas Bechtold
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Universität Innsbruck
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    • D06M15/00Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment
    • D06M15/19Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment with synthetic macromolecular compounds
    • D06M15/37Macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D06M15/53Polyethers
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    • C08K5/16Nitrogen-containing compounds
    • C08K5/21Urea; Derivatives thereof, e.g. biuret

Definitions

  • the invention relates to a process for the preparation of a nitrogen-containing polysaccharide. Furthermore, the invention relates to a substance mixture for use in such a process. Finally, the invention relates to moldings and processes for the production of such moldings using nitrogen-containing polysaccharides and the use of these polysaccharides.
  • polysaccharides are the most commonly occurring.
  • Cellulose is the most widely used natural polymer ever, it has excellent properties and is used in a wide variety of applications. It is one of the main components of wood, of fibers such as flax, cotton and is formed as a bacterial cellulose by microbial processes. From wood, cellulose is made by different processes as pulp for a variety of applications, e.g. Fiber and foil production, paper production provided.
  • the potential of this polymeric material which is available from natural sources, is correspondingly great, but this can only be deformed and processed by complex processes. For deformation of the material e.g.
  • the cellulosic polymers are to be separated by suitable chemical concepts.
  • the very strong inter- and intramolecular hydrogen bonds between the cellulose chains can be opened by suitable methods and regenerated after the forming process, which explains the notion of cellulose regeneration.
  • the strong hydrogen bonds between the polymer chains are also the cause, therefore, a simple thermal deformation by heating, such as e.g. of synthetic polymers such as polypropylene or polyamide, or simply dissolving in a solvent are not suitable for the deformation of cellulose. Before the theoretical melting of the cellulose, a degradation reaction takes place with simultaneous destruction of the polymer chains.
  • swelling agents Solvents and mixtures of solutes that are only capable of swelling the polymeric polysaccharide matrix are referred to as swelling agents. Since such mixtures can not achieve complete dissolution of the polymers, but in particular penetrate into the low-order amorphous regions of a polysaccharide matrix, there is a reversible increase in volume of the undissolved matrix, which decreases again after removal of the swelling agent. For the expert are swelling agents therefore fundamentally different to solvents or solution systems for polysaccharides.
  • the swelling agent leads to an increase in volume of fibers and usually also to a significant change in the physical properties, e.g. Fiber strength, flexibility, elasticity, etc. From the physico-chemical state, the interactions between the macromolecules and the swelling agent are more favorable than the intermolecular forces between the macromolecules on the one hand and the swelling agent molecules on the other hand. The at least partial penetration of the swelling agent into the polymer structure (and thus the volume increase) is therefore energetically favored. (Source D. Klemm, B. Philipp, T. Heinze, U. Heinze, W. Wagenknecht, Comprehensive Cellulose Chemistry, Vol I and II, Wiley-VCH, 1998, ISBN 3- 527-29413-9, Vol. 1, Page 43, chapter 2.2 Swelling and Dissolution of Cellulose)
  • alkaline treatment solutions may contain alkali ions (Li, Na, K ions), as well as, for example, alkaline earth hydroxides and quaternary ammonium hydroxides are known.
  • alkali ions Li, Na, K ions
  • alkaline earth hydroxides alkaline earth hydroxides
  • quaternary ammonium hydroxides are known.
  • the treatment in solvent systems has also been described in the prior art. Strongly acidic swelling agents such as ortho-phosphoric acid and polyphosphoric acid have also been described as swelling agents.
  • swelling neutral solutions especially liquids from the classes of ionic liquids (eg 1-n-butyl-3-methylimidazolium chloride, 1-ally-3-methylimidazolium chloride or homologous substances or corresponding acetates), the organic swelling agent (for example, N-methyl-morpholine-N-oxide), the inorganic salts (eg CaCl 2 , ZnCl 2 , LiCl, NaSCN, MgCl 2 ) and more complex mixtures such as LiCl / N, N-dimethylacetamide, NH 4 Cl - sym-dimethylurea , NaCl / urea serve.
  • complex mixtures such as LiCl / N, N-dimethylacetamide, NH 4 Cl - sym-dimethylurea , NaCl / urea serve.
  • complexes between LiCl and urea is known in the art.
  • such solutions can be used as swelling agents for the treatment of cell
  • the cellulose is formed by dissolution in a suitable aqueous or nonaqueous solvent system, in which case, for example, NMMO N-methylmorpholine N-oxide or ionic liquids such as 1-n-butyl-3-methylimidazolium acetate important solvents for cellulose should be mentioned.
  • NMMO N-methylmorpholine N-oxide or ionic liquids such as 1-n-butyl-3-methylimidazolium acetate important solvents for cellulose should be mentioned.
  • the regeneration of the dissolved cellulose in the desired form is carried out here by extruding the viscous mass through spinnerets or slot dies, and washing out the solvent, whereby fiber or films of regenerated cellulose are obtained.
  • quaternary ammonium compounds such as N-alkylpyridinium halides are also suitable for dissolving cellulose, disadvantageously requiring high temperatures for producing a melt of these salts.
  • Alkali metal salts can also be used to dissolve cellulose using suitable solvents.
  • the system's corrosiveness and high cost have prevented a technical use for the formation of cellulose.
  • cellulose can be dissolved in solutions of LiCl in hexamethylphosphoramides or 1-methyl-2-pyrrolidinone (DD 214622 A1).
  • DD 214622 A1 1-methyl-2-pyrrolidinone
  • the known systems consisting of ethylenediamine or hydrazine and thiocyanates are to be regarded as anhydrous basic-reacting solvent systems (Xiao M, Cellulose, 16 (2009) 381-391).
  • Non-aqueous solvent systems rely on the use of mixtures of organic solvents, eg, DMSO (dimethyl sulfoxide) and SO 2 , to which amines are added (Heinze T., Koschella A., Polimeros: Ciencia e Tecnologia, 15 (2005) 84-90).
  • organic solvents eg, DMSO (dimethyl sulfoxide) and SO 2 , to which amines are added
  • alkaline aqueous solutions containing alkali metal hydroxides and other organic components such as urea or thiourea has also been described in the literature (Ruan, D., et al., Macromol Biosci., 2004, 4, 1105-1112).
  • Common to these methods is the disadvantage that regeneration of the polymer dissolved in the alkaline solution requires precipitation in acid to neutralize the caustic soda, otherwise technically unacceptable amounts of water would be required to wash out the caustic soda.
  • the non-derivatizing solvents include also the hydrate melts Lil.2 H 2 0 inorganic salts, LiN0 3l LiAcetat, LiCI0 4 .3 H 2 0, H 2 0 LiSCN.2, ZnCl 2 .4H 2 0, Zn (N0 3) 2 .x H 2 0, FeCl 3 .6H 2 0 and their mixtures with Mg salts Zn salts and thiocyanates and other perchlorates.
  • LiCl is described here merely as a swelling agent (Heinze T., Koschella A., Polimeros: Ciencia e Tecnologia, 15 (2005) 84-90, Leipner et al., Macromol. Chem. Phys., 201 (2000) 2041-2049 Fischer S., et al., Cellulose 10 (2003) 227-236). Due to the present in the melt water of crystallization these systems are added to the aqueous media.
  • Viscose fiber production by the xanthate method cellulose di- and triacetate, methyl cellulose, carboxymethyl cellulose.
  • Viscose has been used for a long time with great commercial success for producing regenerated cellulose.
  • cellulose is treated with NaOH and CS 2 to obtain cellulose xanthate, which in turn is dissolved in a weak NaOH solution to finally obtain the viscose.
  • this process is accompanied by the use and emergence of environmentally problematic chemicals such as CS 2 , H 2 S and heavy metals.
  • a particular method of derivatization is the preparation of cellulose carbamates which have increased solubility in alkaline solutions.
  • Cellulose carbamates are also known as cellulose aminomethanates, cellulose aminomethanoates or cellulose aminoformates.
  • Cellulose carbamates are advantageous compared to cellulose xanthate because they are more stable and can be transported in a dried state while cellulose xanthogenate is not even transportable in solution.
  • the formation of alkali-soluble cellulose carbamates by reacting urea with alkali-activated cellulose has been extensively described in the literature (US 4,999,425, WO 2004/046198, WO 2003/099871).
  • alkaline swelling agents The preliminary treatment in alkaline swelling agents leads to an improved conversion / but the use of alkaline media is cumbersome and requires a subsequent neutralization.
  • alkaline swelling agents alkali metal hydroxides or liquid ammonia have been proposed in the literature (CN 1687137, EP 282 881, DE 19635707, EP 57 105). task This additional swelling pretreatment is to improve the accessibility of the undissolved cellulose structure.
  • a combination of alkaline activation with the simultaneous use of inert solvents e.g. 1-methyl-2-pyrrolidone, alcohols or polyethylene glycol as urea solvent is proposed, for example, in WO 2003/054023 and DE 19940393 for the production of cellulose by cellulose pulp.
  • the reaction mixture can also be processed simultaneously by extrusion into fibers, films and other shaped articles (WO 2003/099872).
  • the disadvantageous use of alkaline solutions can not be circumvented according to WO 2003/099872.
  • the object of the present invention is therefore to remedy this situation and to provide a method and means for carrying out the method so that it is better to make cellulose thermally deformable.
  • This object is achieved by a method for producing a nitrogen-containing polysaccharide, which is characterized in that the polysaccharide is reacted with an amide in the presence of a salt and a polyol at a temperature of at least 90 ° C.
  • the process can be carried out using a mixture of substances comprising:
  • the method according to the invention now provides a possibility for the deformation of cellulose which dispenses with the use of concentrated alkaline or acidic aqueous solutions and allows the formation of the cellulosic matrix in a single-stage treatment process.
  • the above-mentioned composition contains an amide as a derivatizing agent for the polysaccharide, an ionic component (the salt) as a swelling agent, and a polyol having two objects of serving as a co-solvent for the amide and as a plasticizer for the polysaccharide.
  • an amide as a derivatizing agent for the polysaccharide
  • an ionic component the salt
  • a polyol having two objects of serving as a co-solvent for the amide and as a plasticizer for the polysaccharide.
  • the mixtures according to the invention are not stable at room temperature, but at least one component crystallizes out at room temperature owing to the limited solubility.
  • the water content is less than 10% by weight.
  • the content of salt is between 10 and 35% by weight, preferably between 10 and 30% by weight, of amide between 10 and 80% by weight and of polyol between 1 and 50% by weight.
  • the salt may e.g. be selected from the group of alkali salts, alkaline earth salts or mixtures thereof.
  • organic salts When using organic salts, the following conditions and amounts have proved to be advantageous: It is advantageous if the content of salt is between 10 and 35% by weight, preferably between 20 and 30% by weight, of amide between 50 and 70% by weight. and on Polyol between 4 and 20 wt.% Is.
  • Preferred organic salts are salts of carboxylic acids. Preferred examples have the general formula (R 1 - COO) n M.
  • the amide is a carboxylic acid amide, preferably urea or an N-substituted urea. It has turned out to be particularly advantageous if the polyol is also a polyether. In such compounds at least two -OH groups are provided which are in position 1 and TO, i. located at the first and last carbon atom.
  • polyol selected from the group of polyethylene glycols, the polypropylene glycols, copolymers of ethylene glycol and propylene glycol or mixtures thereof selected. Polyols of different chain lengths can be used.
  • the polysaccharide is reacted with a mixture of substances according to the aforementioned type at a temperature of at least 90 ° C.
  • the deformation of the cellulose can take place in the temperature range in which the preparation remains homogeneous. This temperature range is 90-260 ° C, and in a preferred embodiment, temperatures of 140-230 ° C are used.
  • the preferred polysaccharide is cellulose, in which the process works particularly well, and adaptation and optimization of the conditions for other polysaccharides (eg chitosan, alginate, xanthan, pectin) is readily reasonable to one of ordinary skill in the art.
  • polysaccharides eg chitosan, alginate, xanthan, pectin
  • both natural and regenerated, in particular fibrous celluloses can be used.
  • the main task of the process is to increase the nitrogen content of the polysaccharide, ie, if there is still no nitrogen, to bind it chemically or if nitrogen is already present in the polysaccharide, to increase the content of nitrogen.
  • Such modified polysaccharides are well applicable in the textile industry, so that one embodiment may provide that the polysaccharide is a textile or part of a textile. It is then particularly preferred for the textile to contain cotton.
  • amides in particular carboxylic acid amides preferably urea or an N
  • novel findings prove to be advantageous for the initial formation of a polysaccharide, preferably of cellulose, wherein the polysaccharide is subjected to a process of the aforementioned type and simultaneously brought into the desired shape.
  • novel findings also prove to be advantageous for the production of a shaped body, wherein a polysaccharide is reacted with an amide in the presence of a salt and a polyol at a temperature of at least 90 ° C and is brought into the desired shape.
  • the shaping may be e.g. by pressing, extrusion, pressing with rollers or the like.
  • the degree of substitution is the number of hydroxyl groups substituted by carbamate per monosaccharide unit.
  • the DS can vary and reach at most the number of OH groups per monosaccharide unit.
  • the maximum DS 3.
  • a suitable and sufficient DS for the present invention depends on the mode of application and can be changed by selecting the saccharide substrate and the reaction temperature and reaction time.
  • the invention relates to shaped articles containing a nitrogen-containing polysaccharide prepared by a process of the aforementioned kind.
  • Another aspect of the invention relates to the use of a nitrogen-containing polysaccharide prepared by a process of the aforementioned type as an adsorbent. It has been found that such modified polysaccharides have good Adsorptionseigeschaften for liquids and other substances.
  • a mixture prepared by the process according to the invention preferably contains an ionic component as the swelling agent in a concentration of 10-35% by weight and an amide or urea derivative with 10-80% by weight as derivatizing agent, and a polyol as co-solvent in an amount of 1-10% by weight , The proportion of water in the mixture remains below 10 percent by weight.
  • the blend contains 20-30 percent by weight of the ionic component, and a urea derivative of 50-70 percent by weight, and a polyol of 4-20 percent.
  • the softening conditions for the polymer depend on the cellulose used, the comminution of the material and the composition of the preparation used.
  • the time to complete melt may be between 1 minute and 20 hours, in a preferred embodiment the time being between 1 and 60 minutes.
  • Urea is preferably used as the amide component, but after appropriate optimization of the formulation it is also possible to use substituted urea derivatives and other carboxamides.
  • Polyethylengylcole can be used with different chain length, also short-chain polyalcohols, polypropylene glycols and block copolymers of propylene glycol and Polyethylengylcol are used.
  • the added salt component is preferably selected from the group of ionic components which act as swelling agents, alkali or alkaline earth salts being used in one form.
  • ionic components which act as swelling agents, alkali or alkaline earth salts being used in one form.
  • either LiCl or CaCl 2 is used as the ionic component in the preparation.
  • the derivatizing melt thus produced can now be processed into shaped articles by the usual methods, e.g. by extrusion through nozzles or dissolution of the cellulosecarbamat conceptionigen polymer in sodium hydroxide solution and precipitation in an aqueous precipitation bath. If the cellulose carbamate solution is introduced directly into an aqueous solution, cellulose carbamate in amorphous form is obtained.
  • aqueous solutions or organic solvents e.g. serve alcohols.
  • molding methods can be used by injection molding.
  • the plasticizing components remain in the molding and are no longer washed out.
  • the inventive method thus represents a one-step method for the production and deformation of cellulosic materials, wherein when using urea as the amide component at the same time an efficient method for the production of cellulose carbamate is provided.
  • the process can be applied to pulp of various origins, in a preferred embodiment the process is applied to cellulosic textile fabrics applied, in particular textiles are mentioned, which contain at least one cellulose regenerated fiber as a blend component.
  • the following recipe examples show exemplary composition of suitable treatment mixtures and experimental results on their behavior.
  • the cellulosic material used was a fabric of viscose material.
  • a water-diluted mixture of PEG 2000 (a polyethylene glycol) urea and LiCl was applied to the fabric with a padder.
  • PEG 2000 polyethylene glycol
  • LiCl LiCl
  • reaction mixtures of the following composition:
  • the deformation of the materials takes place by the action of heat and pressure.
  • the material samples described below were treated at a pressure of around 1.0 bar for a period of 30 seconds to 2 minutes at temperatures of 150 ° C to 220 ° C.
  • the formation of the cellulose carbamate can be confirmed on the basis of the N content and the IR spectrum, wherein the nitrogen content increases with the use of said formulations with increasing treatment temperature and treatment time up to about 2 wt.% N from the weight of the material.
  • N about 1% by weight of N is obtained after treatment at 190 ° C. for 2 minutes or 220 ° C. for 30 seconds; for a treatment at 220 ° C. for 2 minutes, formulations 1 1, 6 Wt.% N and in formulation 3 2.0 wt.% N bound in the polymer (this corresponds to a degree of substitution DS of 0.2-0.25).
  • the deformability of the polymer can be detected and confirmed under the microscope on the change in the fiber and fabric structure as well as on fiber deformations.
  • Fig. 1 shows the steps of carbamation.
  • Fig. 2 shows the nitrogen content in wt.% Of the treated cellulose
  • Fig. 3 shows a FTIR-ATR spectrum of (a) untreated cellulose and (b)
  • the treating solution was prepared by mixing polyethylene glycol (20% by weight), urea (60% by weight) and sodium acetate (20% by weight). The molecular weight of polyethylene glycol was varied from 4000 to 6000 from 2000. A sufficient amount of deionized water was added. Viscose fabric stored under standard conditions (20 +/- 2 ° C, 65 + 1-2% RH) for at least 48 hours was impregnated with a pad at the above solution at room temperature under 1 bar pressure at a speed of 1 m / min. Thereafter, the textile was dried in a tenter dryer at 105 ° C for 40 seconds to remove water. Thereafter, the dried textile was treated at 1 bar pressure for 2 min at 100 ° C to 250 ° C.
  • the nitrogen content was determined between 0.1 wt.% To about 2 wt.%, Corresponding to a degree of substitution DS of 0.02 to 0.25. The DS increased to 220 ° C and then again slightly to 250 ° C, due to onset of decomposition.

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Abstract

The invention relates to a mixture of matter containing 10-80% by weight of at least one amide, 10-80% by weight of at least one salt and 1-80% by weight of at least one polyol, and also the use of this mixture of matter for producing a nitrogen-containing polysaccharide from a polysaccharide, and relates to diverse uses of the products thus produced.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Stickstoffenthaltenden Polysaccharids  Process for the preparation of a nitrogen-containing polysaccharide
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hersteilung eines Stickstoffenthaltenden Polysaccharids. Weiters betrifft die Erfindung ein Stoffgemisch zur Verwendung in einem solchen Verfahren. Schließlich betrifft die Erfindung Formkörper und Verfahren zur Herstellung solcher Formkörper unter Verwendung von Stickstoffenthaltenden Polysacchariden sowie die Verwendung dieser Polysaccharide. The invention relates to a process for the preparation of a nitrogen-containing polysaccharide. Furthermore, the invention relates to a substance mixture for use in such a process. Finally, the invention relates to moldings and processes for the production of such moldings using nitrogen-containing polysaccharides and the use of these polysaccharides.
Unter den in der Natur vorkommenden Polymeren sind Polysaccharide die am häufigsten auftretenden. Cellulose ist das am weitesten verbreitete natürliche Polymere überhaupt, es weist hervorragende Eigenschaften auf und wird in verschiedensten Anwendungen eingesetzt. Es ist einer der Hauptbestandteile von Holz, von Fasern wie Flachs, Baumwolle und wird als Bakteriencellulose auch durch mikrobielle Prozesse gebildet. Aus Holz wird Cellulose durch unterschiedliche Prozesse als Zellstoff für verschiedenste Anwendungen z.B. Faser- und Folienherstellung, Papierproduktion zur Verfügung gestellt. Dementsprechend groß ist das Potential dieses aus natürlichen Quellen verfügbaren polymeren Werkstoffs, welcher jedoch nur durch aufwändige Verfahren verformt und verarbeitet werden kann. Für eine Verformung des Materials z.B. von der kurzfaserigen Zellstoff-Pulverform in eine Faser für textile Anwendungen oder eine Folie (z.B. Cellophan) sind die Cellulosepolymere durch geeignete chemische Konzepte voneinander zu trennen. Die sehr starken inter- und intramolekularen Wasserstoffbrücken zwischen den Celluloseketten sind durch geeignete Verfahren zu öffnen und nach dem Formungsprozess wieder zu regenerieren, wodurch sich der Begriff der Celluloseregeneration erklärt. Among the naturally occurring polymers, polysaccharides are the most commonly occurring. Cellulose is the most widely used natural polymer ever, it has excellent properties and is used in a wide variety of applications. It is one of the main components of wood, of fibers such as flax, cotton and is formed as a bacterial cellulose by microbial processes. From wood, cellulose is made by different processes as pulp for a variety of applications, e.g. Fiber and foil production, paper production provided. The potential of this polymeric material, which is available from natural sources, is correspondingly great, but this can only be deformed and processed by complex processes. For deformation of the material e.g. from the short fiber pulp powder form into a fiber for textile applications or a film (e.g., cellophane), the cellulosic polymers are to be separated by suitable chemical concepts. The very strong inter- and intramolecular hydrogen bonds between the cellulose chains can be opened by suitable methods and regenerated after the forming process, which explains the notion of cellulose regeneration.
Die starken Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Polymerketten sind auch die Ursache, weshalb eine einfache thermische Verformung durch Erhitzen, wie sie z.B. von synthetischen Polymeren wie Polypropylen oder Polyamid bekannt ist, oder einfaches Auflösen in' einem Lösungsmittel nicht für die Verformung von Cellulose geeignet sind. Vor dem theoretischen Schmelzen der Cellulose findet eine Abbaureaktion mit gleichzeitiger Zerstörung der Polymerketten statt. The strong hydrogen bonds between the polymer chains are also the cause, therefore, a simple thermal deformation by heating, such as e.g. of synthetic polymers such as polypropylene or polyamide, or simply dissolving in a solvent are not suitable for the deformation of cellulose. Before the theoretical melting of the cellulose, a degradation reaction takes place with simultaneous destruction of the polymer chains.
Lösungsmittel und Mischungen von gelösten Stoffen, welche lediglich zur Quellung der polymeren Polysaccharidmatrix fähig sind, werden als Quellmittel bezeichnet. Da solche Mischungen keine vollständige Auflösung der Polymeren erreichen können, jedoch insbesondere in die nieder geordneten amorphen Bereiche einer Polysaccharidmatrix eindringen, kommt es zu einer reversiblen Volumszunahme der ungelösten Matrix, welche nach der Entfernung des Quellmittels wieder zurückgeht. Für den Fachmann sind Quellmittel daher grundsätzlich verschieden zu Lösungsmitteln bzw. Lösungssystemen für Polysaccharide. Solvents and mixtures of solutes that are only capable of swelling the polymeric polysaccharide matrix are referred to as swelling agents. Since such mixtures can not achieve complete dissolution of the polymers, but in particular penetrate into the low-order amorphous regions of a polysaccharide matrix, there is a reversible increase in volume of the undissolved matrix, which decreases again after removal of the swelling agent. For the expert are swelling agents therefore fundamentally different to solvents or solution systems for polysaccharides.
Das Quellmittel führt bei Fasern zu einer Volumszunahme und meist auch zu einer signifikanten Veränderung der physikalischen Eigenschaften, z.B. Faserfestigkeit, Biegsamkeit, Elastizität, usw. Vom physikochemischen Zustand her, sind die Wechselwirkungen zwischen den Makromolekülen und dem Quellungsmittel günstiger, als die intermolekularen Kräfte zwischen den Makromolekülen einerseits und den Quellungsmittelmolekülen andererseits. Das zumindest partielle Eindringen des Quellungsmittels in die Polymerstruktur (und damit die Volumszunahme) ist daher energetisch begünstigt. (Quelle D. Klemm, B. Philipp, T. Heinze, U. Heinze, W. Wagenknecht, Comprehensive Cellulose Chemistry, Vol I und II, Wiley-VCH, 1998, ISBN 3- 527-29413-9, Vol. 1 , Seite 43, Kapitel 2.2 Swelling and Dissolution of Cellulose) The swelling agent leads to an increase in volume of fibers and usually also to a significant change in the physical properties, e.g. Fiber strength, flexibility, elasticity, etc. From the physico-chemical state, the interactions between the macromolecules and the swelling agent are more favorable than the intermolecular forces between the macromolecules on the one hand and the swelling agent molecules on the other hand. The at least partial penetration of the swelling agent into the polymer structure (and thus the volume increase) is therefore energetically favored. (Source D. Klemm, B. Philipp, T. Heinze, U. Heinze, W. Wagenknecht, Comprehensive Cellulose Chemistry, Vol I and II, Wiley-VCH, 1998, ISBN 3- 527-29413-9, Vol. 1, Page 43, chapter 2.2 Swelling and Dissolution of Cellulose)
Bei den Quellmitteln bleibt die Zweiphasenstruktur (Cellulose in gequollenem Zustand) und flüssige Phase, erhalten. Im Gegensatz dazu, entsteht bei Lösungsmitteln, die in der Lage sind das Polymer aufzulösen, eine homogene einphasige Lösung des makromolekularen Stoffs als stabiler Endzustand. Die Behandlung cellulosischer Substrate in Lösungen verschiedenster quellend wirkender Substanzen ist aufgrund der Möglichkeit zur Veränderung der Struktur und Reaktivität der Cellulosefasern umfangreich untersucht worden. In the swelling agent, the two-phase structure (cellulose in the swollen state) and liquid phase remains. In contrast, in solvents capable of dissolving the polymer, a homogeneous single-phase solution of the macromolecular substance is formed as a stable final state. The treatment of cellulosic substrates in solutions of various swelling substances has been extensively studied because of the possibility of changing the structure and reactivity of the cellulose fibers.
Bekannte alkalische Behandlungslösungen können Alkaliionen (Li-, Na-, K-ionen) enthalten, ebenso sind beispielsweise Erdalkalihydroxide und Quartäre Ammoniumhydroxide bekannt. Auch die Behandlung in Lösungsmittelsystemen (alkoholische Lösungen von Quellmitteln) ist nach dem Stand der Technik beschrieben worden. Stark sauer reagierende Quellmittel wie ortho-Phosphorsäure und Polyphosphorsäure sind ebenfalls als Quellmittel beschrieben worden. Known alkaline treatment solutions may contain alkali ions (Li, Na, K ions), as well as, for example, alkaline earth hydroxides and quaternary ammonium hydroxides are known. The treatment in solvent systems (alcoholic solutions of swelling agents) has also been described in the prior art. Strongly acidic swelling agents such as ortho-phosphoric acid and polyphosphoric acid have also been described as swelling agents.
Als quellende neutrale Lösungen können vor allem Flüssigkeiten aus den Klassen der ionischen Flüssigkeiten (z.B. 1-n-Butyl-3-methylimidazolium-chlorid, 1 -Ally-3- methylimidazolium-chlorid oder homologe Substanzen bzw. entsprechende Acetate), der organischen Quellmittel (z.B. N-Methyl-morpholin-N-oxid), der anorganischen Salze (z.B. CaCI2, ZnCI2, LiCI, NaSCN, MgCI2) und komplexere Mischungen wie z.B. LiCI/N,N- Dimethylacetamid, NH4CI - sym-Dimethylharnstoff, NaCI/Harnstoff dienen. Die Bildung von Komplexen zwischen LiCI und Harnstoff ist nach dem Stand der Technik bekannt. Ebenso können solche Lösungen als Quellmittel zur Behandlung von Cellulosischen Materialien verwendet werden. As swelling neutral solutions, especially liquids from the classes of ionic liquids (eg 1-n-butyl-3-methylimidazolium chloride, 1-ally-3-methylimidazolium chloride or homologous substances or corresponding acetates), the organic swelling agent ( For example, N-methyl-morpholine-N-oxide), the inorganic salts (eg CaCl 2 , ZnCl 2 , LiCl, NaSCN, MgCl 2 ) and more complex mixtures such as LiCl / N, N-dimethylacetamide, NH 4 Cl - sym-dimethylurea , NaCl / urea serve. The formation of complexes between LiCl and urea is known in the art. Likewise, such solutions can be used as swelling agents for the treatment of cellulosic materials.
Die Verwendung von Glycerin, Ethylenglykol, Propylenglycol/Harnstoffmischungen zur Weichmachung von Folien aus Celluloseregenerat ist in der Literatur beschrieben worden (siehe z.B. PL 66855). Diese Systeme zielen jedoch lediglich auf den Erhalt einer hohen Feuchtigkeit in der Cellulosestruktur ab, wodurch weichmachende Wirkung erzielt wird. The use of glycerol, ethylene glycol, propylene glycol / urea mixtures to plasticize films of regenerated cellulose has been described in the literature (see, e.g., PL 66855). However, these systems merely aim to maintain high humidity in the cellulosic structure, thereby achieving softening effect.
Für eine gezielte Verformung der Cellulose z.B. zu Fasern oder Folien wird eine weitgehende Auflösung der Wasserstoffbrücken zwischen den Polymerketten erforderlich. Entsprechend der Bedeutung der Cellulose sind für die Verformung von Cellulose zahlreiche Verfahren nach dem Stand der Technik vorgeschlagen worden. Grundsätzlich kann zwischen nicht derivatisierenden Verfahren und derivatisierenden Verfahren unterschieden werden. For a targeted deformation of the cellulose e.g. fibers or films require extensive dissolution of the hydrogen bonds between the polymer chains. In accordance with the importance of cellulose, numerous prior art processes have been proposed for the deformation of cellulose. In principle, a distinction can be made between non-derivatizing methods and derivatizing methods.
Bei den nicht derivatisierenden Verfahren erfolgt die Formung der Cellulose durch Auflösung in einem geeigneten wässrigen oder nichtwässrigen Lösungsmittelsystem, wobei hier beispielsweise NMMO N-Methyl-morpholin-N-oxid oder ionische Flüssigkeiten wie 1-n-Butyl- 3-methyl-imidazolium Acetat als wichtige Lösungsmittel für Cellulose genannt werden sollen. Die Regeneration der gelösten Cellulose in der gewünschten Form erfolgt hier durch Auspressen der viskosen Masse durch Spinndüsen oder Schlitzdüsen, und Auswaschen des Lösungsmittels, wodurch Faser oder Folien aus regenerierter Cellulose erhalten werden. Während bei NMMO die Oxidationswirkung des Produkts Sicherheitsrisiken birgt, ist die Regeneration der ausgewaschen ionischen Flüssigkeiten heute technisch nicht gelöst. Analog sind auch quarternäre Ammoniumverbindungen wie N-Alkylpyridinium Halogenide zur Auflösung von Cellulose geeignet, wobei nachteilig hohe Temperaturen zur Erzeugung einer Schmelze dieser Salze benötigt werden. In the non-derivatizing process, the cellulose is formed by dissolution in a suitable aqueous or nonaqueous solvent system, in which case, for example, NMMO N-methylmorpholine N-oxide or ionic liquids such as 1-n-butyl-3-methylimidazolium acetate important solvents for cellulose should be mentioned. The regeneration of the dissolved cellulose in the desired form is carried out here by extruding the viscous mass through spinnerets or slot dies, and washing out the solvent, whereby fiber or films of regenerated cellulose are obtained. While at NMMO the oxidation effect of the product poses safety risks, the regeneration of washed-out ionic liquids is technically not solved today. Analogously, quaternary ammonium compounds such as N-alkylpyridinium halides are also suitable for dissolving cellulose, disadvantageously requiring high temperatures for producing a melt of these salts.
Bei genauerer Betrachtung der Funktionsweise der genannten Lösungsmittel wird klar, dass starke Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und Polysaccharid benötigt werden, um stabile Lösungen zu erzeugen. Es bilden sich komplexe Strukturen / Assoziate zwischen niedermolekularen Lösungsmittelmolekülen und dem langkettingen Polymeren, sodass auch die Vorstellung einer Komplexbildung zwischen Lösungsmittel und Polymer diskutiert wird. Dementsprechend können auch die klassischen Metallkomplexe, welche zur Lösung der Cellulose vorgeschlagen wurden, zu dieser Gruppe von Systemen gezählt werden. Wichtige Vertreter sind Cuoxam (Alkalische Kupferoxidammoniak Lösung), EWNN (Eisen-Weinsäure- Natronlauge Komplex) oder Cadoxen (Cadmium-Ethylendiamin-Natronlauge Komplex). Neben der begrenzten Lösekraft ist insbesondere der hohe Chemikalienaufwand und der Schwermetallgehalt bzw. die Giftigkeit der Lösung für eine technische Umsetzung nachteilig. A closer look at the operation of these solvents reveals that strong interactions between solvent and polysaccharide are required to produce stable solutions. Complex structures / associates form between low-molecular-weight solvent molecules and the long-chain polymer, so that the idea of complex formation between solvent and polymer is also discussed. Accordingly, the classical metal complexes which have been proposed for the solution of the cellulose can also be counted among this group of systems. Important representatives are cuoxam (alkaline copper oxide ammonia solution), EWNN (iron tartaric acid) Caustic soda complex) or Cadoxene (cadmium-ethylenediamine-sodium hydroxide complex). In addition to the limited dissolving power, in particular the high chemical expenditure and the heavy metal content or the toxicity of the solution for a technical implementation is disadvantageous.
Auch Alkalimetallsalze können bei Verwendung geeigneter Lösungsmittel zur Auflösung von Cellulose verwendet werden. Allen voran ist hier das System Lithiumchlorid / Dimethylacetamid (LiCI/DMAC) zu nennen, welches insbesondere bei analytischen Untersuchungen umfangreich eingesetzt wird. Die Korrosivität des Systems und die hohen Kosten haben jedoch einen technischen Einsatz zur Formung von Cellulose verhindert. Diesen Systemen ähnlich sind die von Herlinger und Hirt (Chemiefasern/Textilindustrie 37/89, (1987) 788-792) vorgeschlagenen Lösungsmittel für Cellulose, welche die Verwendung von substituierten cyclischen Harnstoffderivaten D EU (Dimethylethylenharnstoff), oder DMPU (Dimethylproplyenharnstoff) in Kombination mit LiCI oder LiBr enthalten, wobei diesen Lösungen gemeinsam ist, dass die flüssige Phase aus DMEU oder DMPU gebildet wird, in dem das Li-Salz gelöst wird. Es werden den Systemen keine nennenswerten Wassermengen zugeführt, so dass diese Lösungen im Wesentlichen aus Cellulose, LiCI und dem aprotischen Lösungsmittel bestehen. Bereits geringe Wassermengen wirken sich auf die Löseeigenschaften der Zubereitung nachteilig aus (Potthast A. e al., Cellulose 9 (2002) 41-53). Alkali metal salts can also be used to dissolve cellulose using suitable solvents. First and foremost, the system lithium chloride / dimethylacetamide (LiCl / DMAC), which is extensively used in particular in analytical investigations. However, the system's corrosiveness and high cost have prevented a technical use for the formation of cellulose. Similar to these systems, the solvents proposed by Herlinger and Hirt (Chemiefasern / Textilindustrie 37/89, (1987) 788-792) for cellulose, the use of substituted cyclic urea derivatives D EU (dimethylethyleneurea), or DMPU (Dimethylpropülenenharnstoff) in combination with LiCI or LiBr, these solutions having in common is that the liquid phase of DMEU or DMPU is formed in which the Li salt is dissolved. There are no significant amounts of water supplied to the systems, so that these solutions consist essentially of cellulose, LiCl and the aprotic solvent. Even small amounts of water have a detrimental effect on the dissolution properties of the preparation (Potthast A. et al., Cellulose 9 (2002) 41-53).
Nach demselben physikalischen Lösungsprinzip kann Cellulose in Lösungen von LiCI in Hexamethylphosphoramide oder 1-methyl-2-pyrrolidinone aufgelöst werden (DD 214622 A1). Analog sind die bekannten Systeme bestehend aus Ethylendiamin oder Hydrazin und Thiocyanaten als wasserfreie basisch reagierende Lösungsmittelsysteme anzusehen (Xiao M, Cellulose, 16 (2009) 381 -391 ). According to the same physical solution principle, cellulose can be dissolved in solutions of LiCl in hexamethylphosphoramides or 1-methyl-2-pyrrolidinone (DD 214622 A1). Analogously, the known systems consisting of ethylenediamine or hydrazine and thiocyanates are to be regarded as anhydrous basic-reacting solvent systems (Xiao M, Cellulose, 16 (2009) 381-391).
Andere nicht wässrige Lösungsmittelsysteme beruhen auf der Verwendung von Mischungen organischer Lösungsmittel z.B. DMSO (Dimethylsulfoxid) und S02, zu denen Amine zugesetzt werden (Heinze T., Koschella A., Polimeros: Ciencia e Tecnologia, 15 (2005) 84- 90). Other non-aqueous solvent systems rely on the use of mixtures of organic solvents, eg, DMSO (dimethyl sulfoxide) and SO 2 , to which amines are added (Heinze T., Koschella A., Polimeros: Ciencia e Tecnologia, 15 (2005) 84-90).
Ähnlich wie bei den Metallkomplexen oder bei der Verwendung von ionischen Flüssigkeiten ist die Auflösung an die Bildung stabiler Assoziate bzw. Komplexe gebunden, sodass solche System ebenfalls zur Klasse der nicht derivatisierenden Systeme gezählt werden können. Analog arbeiten Lösungssysteme welche Alkalihydroxidlösungen zur Auflösung der Cellulose verwenden, jedoch sind die begrenzte Lösekraft, welche nur für niedermolekulare Polymere ausreichend ist und die Regeneration durch Ausfällung der Cellulose mit Säure als Nachteile zu nennen. Similar to the metal complexes or the use of ionic liquids, the resolution is bound to the formation of stable associates or complexes, so that such systems can also be counted among the class of non-derivatizing systems. Analogously, solution systems which use alkali metal hydroxide solutions to dissolve the cellulose work, however, are the limited dissolving power, which only for low molecular weight polymers is sufficient and to mention the regeneration by precipitation of the cellulose with acid as disadvantages.
Die Verwendung alkalischer wässriger Lösungen welche Akalihydroxide und weiter organische Komponenten wie Harnstoff oder Thioharnstoff enthalten ist ebenfalls in der Literatur beschrieben worden (D. Ruan, et al., Macromol. Biosci. 2004, 4, 1105-1112). Diesen Verfahren gemeinsam ist der Nachteil, dass eine Regeneration des in der alkalischen Lösung gelösten Polymers die Ausfällung in Säure erfordert, um die Natronlauge zu neutralisieren, ansonsten wären technisch nicht akzeptable Wassermengen zur Auswäsche der Natronlauge erforderlich. The use of alkaline aqueous solutions containing alkali metal hydroxides and other organic components such as urea or thiourea has also been described in the literature (Ruan, D., et al., Macromol Biosci., 2004, 4, 1105-1112). Common to these methods is the disadvantage that regeneration of the polymer dissolved in the alkaline solution requires precipitation in acid to neutralize the caustic soda, otherwise technically unacceptable amounts of water would be required to wash out the caustic soda.
In der Literatur wurden ebenfalls alkalische Mischungen von Salzen, organischen Lösungsmitteln mit Aminoverbindungen, beispielsweise Ethyiendiamin als Lösungsmittel für Cellulose beschrieben (SU 810735). Alkaline mixtures of salts, organic solvents with amino compounds, for example ethylenediamine as solvent for cellulose have also been described in the literature (SU 810735).
Auch die Verwendung saurer Lösungsmittel z.B. Phosphorsäure, oder Schwefelsäure/Polyethylenglycol wurde zur Auflösung von Cellulose vorgeschlagen (Jasiukaityte E, Cellulose 16, (2009) 393-405). Auch bei diesem Verfahren ist entweder eine Neutralisation der Säure oder ein nachteilig hoher Wasserverbrauch bei der Herstellung eines Produkts aus regenerierter Cellulose zu berücksichtigen. Also, the use of acidic solvents e.g. Phosphoric acid, or sulfuric acid / polyethylene glycol has been proposed for the dissolution of cellulose (Jasiukaityte E, Cellulose 16, (2009) 393-405). In this process too, either neutralization of the acid or disadvantageously high water consumption must be considered in the production of a regenerated cellulose product.
Zu den nicht derivatisierenden Lösungsmitteln gehören auch die Hydratschmelzen anorganischer Salze Lil.2 H20, LiN03l LiAcetat, LiCI04.3 H20, LiSCN.2 H20, ZnCI2.4H20, Zn(N03)2.x H20, FeCI3.6H20 sowie deren Mischungen mit Mg-Salzen Zn-Salzen und Thiocyanaten und anderen Perchloraten. LiCI wird dabei lediglich als quellendes Agens beschrieben (Heinze T., Koschella A., Polimeros: Ciencia e Tecnologia, 15 (2005) 84-90; Leipner et al., Macromol. Chem. Phys., 201 (2000) 2041-2049; Fischer S., et al. Cellulose 10 (2003) 227-236). Durch den in der Schmelze vorhandenen Kristallwassergehalt werden diese Systeme zu den wässrigen Medien zugezählt. The non-derivatizing solvents include also the hydrate melts Lil.2 H 2 0 inorganic salts, LiN0 3l LiAcetat, LiCI0 4 .3 H 2 0, H 2 0 LiSCN.2, ZnCl 2 .4H 2 0, Zn (N0 3) 2 .x H 2 0, FeCl 3 .6H 2 0 and their mixtures with Mg salts Zn salts and thiocyanates and other perchlorates. LiCl is described here merely as a swelling agent (Heinze T., Koschella A., Polimeros: Ciencia e Tecnologia, 15 (2005) 84-90, Leipner et al., Macromol. Chem. Phys., 201 (2000) 2041-2049 Fischer S., et al., Cellulose 10 (2003) 227-236). Due to the present in the melt water of crystallization these systems are added to the aqueous media.
Alle bisher vorgeschlagenen Verfahren haben daher spezifische Nachteile, welche die umfangreichere Verwendung der Cellulose als formbares Polymeres weitgehend verhindert haben. Als Ausnahmen sind spezielle Entwicklungen, wie Viskosefasern oder Lyocellfasern, Viskosefolien oder Schwämme oder Materialien aus acetylierten Cellulosen zu nennen, welche alle jedoch spezifische Nachteile aufweisen, wie hohe Kosten, relative hohe Chemikalienemissionen oder Verwendung sicherheitstechnisch kritischer Chemikalien. Bei derivatisierenden Verfahren wird aus der Cellulose durch chemische Umwandlung eine andere Verbindung erzeugt, welche ein verändertes Löse- bzw. Schmelzverhalten zeigt, da die, eine Auflösung bzw. Trennung der Ketten hindernden, Wasserstoffbrücken, durch chemische Modifikation unterbrochen wurden. All previously proposed methods therefore have specific disadvantages which have largely prevented the more extensive use of cellulose as a moldable polymer. Exceptions are special developments, such as viscose fibers or lyocell fibers, viscose films or sponges or materials of acetylated celluloses, all of which, however, have specific disadvantages, such as high costs, relatively high chemical emissions or the use of safety-critical chemicals. In derivatizing methods, another compound is produced from the cellulose by chemical conversion, which shows a different dissolving or melting behavior, since the, a dissolution or separation of the chains hindering, hydrogen bonds, were interrupted by chemical modification.
Als wichtige Beispiele sind für solche Techniken sind zu nennen: Viskosefaserherstellung nach dem Xanthogenatverfahren, Cellulosedi- und -triacetat, Methylcellulose, Carboxymethylcellulose. Important examples of such techniques are: viscose fiber production by the xanthate method, cellulose di- and triacetate, methyl cellulose, carboxymethyl cellulose.
Viskose wurde für einen langen Zeitraum mit großem kommerziellem Erfolg zur Herstellung regenerierter Zellulose eingesetzt. Dabei wird Cellulose mit NaOH und CS2 behandelt, um Cellulosexanthanat zu erhalten, welches wiederum in einer schwachen NaOH-Lösung gelöst wird, um schließlich die Viskose zu erhalten. Allerdings wird dieser Prozess vom Einsatz und von der Entstehung umweltproblematischer Chemikalien wie CS2, H2S und Schwermetallen begleitet. Viscose has been used for a long time with great commercial success for producing regenerated cellulose. In this case, cellulose is treated with NaOH and CS 2 to obtain cellulose xanthate, which in turn is dissolved in a weak NaOH solution to finally obtain the viscose. However, this process is accompanied by the use and emergence of environmentally problematic chemicals such as CS 2 , H 2 S and heavy metals.
Eine sinnvolle Alternative zum Viskoseverfahren wäre daher wünschenswert. Das Cuproammoniumverfahren, welches auf der Löslichkeit von Zellulose in Kupferoxid basiert, wurde zwar eingeführt, jedoch begann der Einsatz dieses Verfahrens bereits in den frühen 1960ern abzunehmen (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry: Cellulose-3.3 Cuproammonium Fibres). Das Lyozellverfahren basiert auf der Lösung von Cellulose in NMMO anstelle von CS2/NaOH, wodurch unangenehme Gerüche und giftige Emissionen von schwefelhaltigen Gasen minimiert werden. A useful alternative to the viscose process would therefore be desirable. Although the cuproammonium process based on the solubility of cellulose in copper oxide has been introduced, the use of this process began to decline as early as the early 1960's (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry: Cellulose-3.3 Cuproammonium Fibers). The lyocell method is based on the solution of cellulose in NMMO instead of CS 2 / NaOH, which minimizes the unpleasant odors and toxic emissions of sulfur-containing gases.
Eine besondere Verfahrensweise zur Derivatisierung ist die Herstellung von Cellulosecarbamaten, welche eine erhöhte Löslichkeit in alkalischen Lösungen aufweisen. Cellulosecarbamate sind auch als Celluloseaminomethanate, Celluloseaminomethanoates oder Celluloseaminoformate bekannt. Cellulosecarbamate sind im Vergleich zu Cellulosexanthogenat vorteilhaft, da sie stabiler sind und in getrocknetem Zustand transportiert werden können, während Cellulosexanthogenat nicht einmal in Lösung transportfähig ist. Die Bildung von alkalilöslichen Cellulosecarbamaten durch Reaktion von Harnstoff mit alkalisch aktivierter Cellulose ist in der Literatur umfangreich beschrieben worden (US 4,999,425, WO 2004/046198, WO 2003/099871). Die vorausgehende Behandlung in alkalischen Quellmitteln führt zu einer verbesserten Umsetzung/jedoch ist die Verwendung alkalische Medien umständlich und erfordert eine anschließende Neutralisation. Als alkalische Quellmittel sind in der Literatur Alkalihydroxide oder flüssiger Ammoniak vorgeschlagen worden (CN 1687137, EP 282 881 , DE 19635707; EP 57 105). Aufgabe dieser zusätzlichen quellenden Vorbehandlung ist die Verbesserung der Zugänglichkeit der ungelösten Cellulosestruktur. A particular method of derivatization is the preparation of cellulose carbamates which have increased solubility in alkaline solutions. Cellulose carbamates are also known as cellulose aminomethanates, cellulose aminomethanoates or cellulose aminoformates. Cellulose carbamates are advantageous compared to cellulose xanthate because they are more stable and can be transported in a dried state while cellulose xanthogenate is not even transportable in solution. The formation of alkali-soluble cellulose carbamates by reacting urea with alkali-activated cellulose has been extensively described in the literature (US 4,999,425, WO 2004/046198, WO 2003/099871). The preliminary treatment in alkaline swelling agents leads to an improved conversion / but the use of alkaline media is cumbersome and requires a subsequent neutralization. As alkaline swelling agents, alkali metal hydroxides or liquid ammonia have been proposed in the literature (CN 1687137, EP 282 881, DE 19635707, EP 57 105). task This additional swelling pretreatment is to improve the accessibility of the undissolved cellulose structure.
Auch der Zusatz von anorganischen oder organischen Säuren zur Verbesserung der Umsetzung zwischen Harnstoff und Cellulose vorgeschlagen worden (PL 163049). Die Herstellung von Cellulosecarbamaten ist auch durch Umsetzung von Cellulose mit Harnstoff in einem inerten organischen Medium z.B. Toluol, Xylo! und Ethylpyridinium-bromid als Beispiel für ionischen Flüssigkeiten beschrieben worden. (DE 19635473; DE 4242437, Cheng et al., Jinxi Huagong 2000, 17(6), 356-357; Hu et al 2007, 24(3), 31-35). Also, the addition of inorganic or organic acids to improve the reaction between urea and cellulose has been proposed (PL 163049). The preparation of cellulose carbamates is also by reacting cellulose with urea in an inert organic medium, e.g. Toluene, xylo! and ethyl pyridinium bromide as an example of ionic liquids. (DE 19635473; DE 4242437, Cheng et al., Jinxi Huagong 2000, 17 (6), 356-357; Hu et al., 2007, 24 (3), 31-35).
Die direkte Umsetzung von Cellulose mit Harnstoff z.B. bei 200°C oder durch Erhitzen mit Mikrowellen ist nach dem Stand der Technik als Methode zur Herstellung von Cellulosecarbamat vorgeschlagen worden (Ekman et al. Kemia-Kimi 1984 11(5) 395-7; Vali et al. Koksnes Kimija 1980, 5, 22-4; Guo et al. Macromolecular Rapid Communications 2009 30(17) 1504-08; CN 101597336). Eine katalytische Wirkung für die Herstellung von Cellulosecarbamat aus Cellulose und Harnstoff, wird nach PL 160866 Co-Salzen zugeschrieben. The direct reaction of cellulose with urea e.g. at 200 ° C. or by microwave heating has been proposed in the prior art as a method of producing cellulose carbamate (Ekman et al., Kemia-Kimi 1984 11 (5) 395-7, Vali et al., Koksnes Kimija 1980, 5, 22-4; Guo et al., Macromolecular Rapid Communications 2009 30 (17) 1504-08, CN 101597336). A catalytic effect for the production of cellulose carbamate from cellulose and urea, is attributed to PL 160866 co-salts.
Ebenfalls eine katalytische Beschleunigung der Umsetzung zwischen Harnstoff und Cellulose durch Magnesium und Calciumsalze wird in DE 44 07 906 beschrieben, wodurch die Reaktionstemperatur auf 120 - 150 °C abgesenkt werden kann. Also, a catalytic acceleration of the reaction between urea and cellulose by magnesium and calcium salts is described in DE 44 07 906, whereby the reaction temperature can be lowered to 120 - 150 ° C.
Eine Kombination der alkalischen Aktivierung mit der gleichzeitigen Verwendung von inerten Lösungsmitteln z.B. 1-Methyl-2-pyrrolidon, Alkoholen oder Polyethylenglycol als Harnstofflösemittel wird beispielsweise in WO 2003/054023 bzw. DE 19940393 für die Cellulosecarbamatherstellung aus Zellstoff vorgeschlagen. Die Reaktionsmischung kann auch gleichzeitig durch Extrusion zu Fasern, Filmen und anderen Formkörper verarbeitet werden (WO 2003/099872). Die nachteilige Verwendung alkalischer Lösungen kann nach WO 2003/099872 jedoch nicht umgangen werden. A combination of alkaline activation with the simultaneous use of inert solvents e.g. 1-methyl-2-pyrrolidone, alcohols or polyethylene glycol as urea solvent is proposed, for example, in WO 2003/054023 and DE 19940393 for the production of cellulose by cellulose pulp. The reaction mixture can also be processed simultaneously by extrusion into fibers, films and other shaped articles (WO 2003/099872). However, the disadvantageous use of alkaline solutions can not be circumvented according to WO 2003/099872.
Auch die Verwendung von überkritischem C02 als Co-Solvens für die Umsetzung zwischen Cellulose und Harnstoff wurde beschrieben, wobei insbesondere höhere Substitutionsgrade bezüglich der eingeführten Carbamatfunktion, als Vorteile genannt werden (Yin et al. Carbohydrate Polymers 2007, 67(2) 147-154; CN 1775810). Man kann daher zwei wichtige Grundprinzipien für die Herstellung von Cellulosecarbamaten erkennen, erstens die Umsetzung nach vorhergehender Aktivierung und zweitens die Umsetzung in einem inerten Lösungsmittel. The use of supercritical C0 2 as co-solvent for the reaction between cellulose and urea has also been described, with particular mention being made of higher degrees of substitution with respect to the carbamate function introduced (Yin et al., Carbohydrate Polymers 2007, 67 (2) 147-154 CN 1775810). It is therefore possible to recognize two important basic principles for the preparation of cellulose carbamates, firstly the reaction after previous activation and secondly the reaction in an inert solvent.
Trotz der umfangreichen Kenntnisse über die Quellung, Auflösung und Derivatisierung der Cellulose ist nach dem heutigen Stand der Technik kein geeignetes Verfahren verfügbar, welches eine einstufige thermische Verformung der Cellulose durch Verwendung eines geeigneten Mediums erlaubt. Despite the extensive knowledge of the swelling, dissolution and derivatization of cellulose, no suitable process is available in the current state of the art which allows one-stage thermal deformation of the cellulose by using a suitable medium.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, hier Abhilfe zu schaffen und ein Verfahren sowie Mittel zur Durchführung des Verfahrens bereit zu stellen, sodass es besser gelingt, Cellulose thermisch verformbar zu machen. The object of the present invention is therefore to remedy this situation and to provide a method and means for carrying out the method so that it is better to make cellulose thermally deformable.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stickstoffenthaltenden Polysaccharids, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Polysaccharid mit einem Amid in Gegenwart eines Salzes und eines Polyols bei einer Temperatur von zumindest 90 °C umgesetzt wird This object is achieved by a method for producing a nitrogen-containing polysaccharide, which is characterized in that the polysaccharide is reacted with an amide in the presence of a salt and a polyol at a temperature of at least 90 ° C.
Das Verfahren kann unter Verwendung eines Stoffgemischs enthaltend: The process can be carried out using a mixture of substances comprising:
• 10 - 80 Gew. % wenigstens eines Amids  • 10 - 80% by weight of at least one amide
• 10 - 80 Gew. % wenigstens eines Salzes  • 10 - 80% by weight of at least one salt
• 1 - 80 Gew. % wenigstens eines Polyols  • 1 - 80% by weight of at least one polyol
optimal realisiert werden. be optimally realized.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun eine Möglichkeit zur Verformung von Cellulose bereitgestellt werden, welche auf die Verwendung konzentrierter alkalischer oder saurer wässrigen Lösungen verzichtet und die Formung der cellulosischen Matrix in einem einstufigen Behandlungsprozess erlaubt. The method according to the invention now provides a possibility for the deformation of cellulose which dispenses with the use of concentrated alkaline or acidic aqueous solutions and allows the formation of the cellulosic matrix in a single-stage treatment process.
Das oben genannte Stoffgemisch enthält ein Amid als Derivatisierungsmittel für das Polysaccharid, eine ionische Komponente (das Salz) als Quellungsmittel und ein Polyol, das zwei Aufgaben erfüllt, nämlich als Co-solvens für das Amid und als Weichmacher für das Polysaccharid zu dienen. Unerwarteterweise konnte gefunden werden, dass bei gleichzeitiger Verwendung dieser Stoffe Bedingungen geschaffen werden können, welche eine Quellung und eine homogene Derivatisierung in einem Verfahrensschritt erlauben, so dass eine thermische Verformbarkeit des Cellulosepolymers erreicht werden kann. Die partielle Derivatisierung des Polysaccharids findet bei einer Temperaturerhöhung auf mindestens 90°C auf direktem Weg statt. The above-mentioned composition contains an amide as a derivatizing agent for the polysaccharide, an ionic component (the salt) as a swelling agent, and a polyol having two objects of serving as a co-solvent for the amide and as a plasticizer for the polysaccharide. Unexpectedly, it has been found that when these materials are used simultaneously, conditions can be created which allow swelling and homogeneous derivatization in one process step, so that thermal deformability of the cellulose polymer can be achieved. The partial derivatization of the polysaccharide takes place at a temperature increase to at least 90 ° C in a direct way.
In dieser Mischung laufen mehrere Vorgänge gleichzeitig ab, welche sind Quellung, Derivatisierung des Cellulosepolymers, Plastifizierung des Polymers und teilweises Erweichen, insbesondere in den amorphen Bereichen der polymeren Struktur. In this mixture, several processes occur simultaneously, which are swelling, derivatization of the cellulose polymer, plasticization of the polymer and partial softening, especially in the amorphous regions of the polymeric structure.
Häufig sind die erfindungsgemäßen Mischungen bei Raumtemperatur nicht stabil, sondern es kristallisiert zumindest eine Komponente aufgrund der beschränkten Löslichkeit bei Raumtemperatur aus. Frequently, the mixtures according to the invention are not stable at room temperature, but at least one component crystallizes out at room temperature owing to the limited solubility.
Es war daher nicht naheliegend solche Zubereitungen auf ihre Eignung zur thermischen Celluloseverformung zu untersuchen, da diese erst bei erhöhter Temperatur in der Lage sind homogene Lösung bilden und damit erfindungsgemäß genutzt werden können. It was therefore not obvious to investigate such preparations for their suitability for thermal cellulose deformation, since they are capable of forming a homogeneous solution only at elevated temperature and thus can be used according to the invention.
Nachfolgend werden vorteilhafte Ausgestaltungen für das Stoffgemisch und das Verfahren dargestellt: In the following, advantageous embodiments of the substance mixture and the process are shown:
Für das Stoffgemisch ist es generell von Vorteil, wenn der Wassergehalt unter 10 Gew. % beträgt. For the mixture of substances, it is generally advantageous if the water content is less than 10% by weight.
Es kann vorgesehen sein, dass der Gehalt an Salz zwischen 10 und 35 Gew. %, vorzugsweise zwischen 10 und 30 Gew. %, an Amid zwischen 10 und 80 Gew. % und an Polyol zwischen 1 und 50 Gew. % beträgt. It can be provided that the content of salt is between 10 and 35% by weight, preferably between 10 and 30% by weight, of amide between 10 and 80% by weight and of polyol between 1 and 50% by weight.
In Versuchen hat sich gezeigt, dass neutrale Salze und organische Salze besonders vorteilhaft sind. Experiments have shown that neutral salts and organic salts are particularly advantageous.
Beim Einsatz neutraler Salze haben sich die nachfolgenden Bedingungen und Mengen als vorteilhaft erwiesen: Vorteilig ist es, wenn der Gehalt an Salz zwischen 10 und 30 Gew. %, an Amid zwischen 10 und 80 Gew. % und an Polyol zwischen 1 und 50 Gew. % beträgt. Das Salz kann z.B. ausgewählt sein aus der Gruppe der Alkalisalze, Erdalkalisalze oder Mischungen daraus. When using neutral salts, the following conditions and amounts have proved to be advantageous: It is advantageous if the content of salt between 10 and 30 wt.% Amide between 10 and 80 wt.% And of polyol between 1 and 50 wt. % is. The salt may e.g. be selected from the group of alkali salts, alkaline earth salts or mixtures thereof.
Beim Einsatz organischer Salze haben sich die nachfolgenden Bedingungen und Mengen als vorteilhaft erwiesen: Vorteilig ist es, wenn der Gehalt an Salz zwischen 10 und 35 Gew. %, vorzugsweise zwischen 20 und 30 Gew. %, an Amid zwischen 50 und 70 Gew. % und an Polyol zwischen 4 und 20 Gew. % beträgt. Als organische Salze kommen bevorzugt Salze von Carbonsäuren in Frage. Bevorzugte Beispiele weisen die allgemeine Formel (R1- COO)nM auf. Bevorzugt ist R1ausgewählt aus der Gruppe Alkyl, Allyl oder Mischungen daraus, ausgewählt aus der Gruppe Alkalimetall, Erdalkalimetall oder Mischungen daraus, wobei n = 1 wenn M ein Alkalimetall und n = 2 wenn M ein Erdalkalimetall ist. When using organic salts, the following conditions and amounts have proved to be advantageous: It is advantageous if the content of salt is between 10 and 35% by weight, preferably between 20 and 30% by weight, of amide between 50 and 70% by weight. and on Polyol between 4 and 20 wt.% Is. Preferred organic salts are salts of carboxylic acids. Preferred examples have the general formula (R 1 - COO) n M. Preferably, R 1 is selected from the group alkyl, allyl or mixtures thereof, selected from the group of alkali metal, alkaline earth metal or mixtures thereof, where n = 1 when M is an alkali metal and n = 2 when M is an alkaline earth metal.
Sowohl in den Ausführungsvarianten bei denen das Salz ein neutrales Salz ist, als auch in den Ausführungsvarianten bei denen das Salz ein organisches Salz ist, können die nachfolgenden optionalen Ausgestallungen möglich sein: Both in the embodiments in which the salt is a neutral salt, as well as in the embodiments in which the salt is an organic salt, the following optional configurations may be possible:
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Amid ein Carbonsäureamid, vorzugsweise Harnstoff oder ein N-substituierter Harnstoff ist. Besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt ist es, wenn das Polyol außerdem ein Polyether ist. Bei solchen Verbindungen sind zumindest zwei -OH Gruppen vorgesehen, die sich in Position 1 und TO, d.h. am ersten und letzten Kohlenstoffatom befinden. In an advantageous embodiment it can be provided that the amide is a carboxylic acid amide, preferably urea or an N-substituted urea. It has turned out to be particularly advantageous if the polyol is also a polyether. In such compounds at least two -OH groups are provided which are in position 1 and TO, i. located at the first and last carbon atom.
Bevorzug ist dabei das Polyol ausgewählt aus der Gruppe der Polyethylenglykole, der Polypropylenglykole, Copolymeren von Ethylenglykol und Propylenglykol oder Mischungen daraus ausgewählt. Polyole unterschiedlicher Kettenlänge können Einsatz finden. Favor is the polyol selected from the group of polyethylene glycols, the polypropylene glycols, copolymers of ethylene glycol and propylene glycol or mixtures thereof selected. Polyols of different chain lengths can be used.
Für das Verfahren ist es von Vorteil, wenn das Polysaccharid mit einem Stoffgemisch nach der vorgenannten Art bei einer Temperatur von zumindest 90 °C umgesetzt wird. Nach der Herstellung der Mischung kann die Verformung der Cellulose im dem Temperaturbereich erfolgen, in dem die Zubereitung homogen bleibt. Dieser Temperaturbereich reicht von 90 - 260 °C, und in einer bevorzugten Ausführung werden Temperaturen von 140 - 230°C angewandt. For the method, it is advantageous if the polysaccharide is reacted with a mixture of substances according to the aforementioned type at a temperature of at least 90 ° C. After the preparation of the mixture, the deformation of the cellulose can take place in the temperature range in which the preparation remains homogeneous. This temperature range is 90-260 ° C, and in a preferred embodiment, temperatures of 140-230 ° C are used.
Das bevorzugte Polysaccharid ist Cellulose, bei dem das Verfahren besonders gut funktioniert, wobei eine Anpassung und Optimierung der Bedingungen für andere Polysaccharide (z.B. Chitosan, Alginat, Xanthan, Pektin) dem Durchschnittsfachmann ohne weiteres zumutbar ist. Für die Textilindustrie können sowohl natürliche als auch regenerierte insbesondere faserförmige Cellulosen verwendet werden. Hauptaufgabe des Verfahrens ist es, den Stickstoffgehalt des Polysaccharids zu erhöhen, d.h. falls noch kein Stickstoff vorhanden ist, diesen chemisch zu binden oder falls bereits Stickstoff im Polysaccharid vorhanden ist, den Gehalt an Sickstoff zu erhöhen. Derartig modifizierte Polysaccharide sind gut in der Textilindustrie einsetzbar, sodass eine Ausführungsvariante vorsehen kann, dass das Polysaccharid ein Textii oder Teil eines Textils ist. Besonders bevorzugt ist dann weiters vorgesehen, dass das Textii Baumwolle enthält. Als Amide haben sich insbesondere Carbonsäureamide, vorzugsweise Harnstoff oder ein N-substituierter Harnstoff als geeignet herausgestellt. The preferred polysaccharide is cellulose, in which the process works particularly well, and adaptation and optimization of the conditions for other polysaccharides (eg chitosan, alginate, xanthan, pectin) is readily reasonable to one of ordinary skill in the art. For the textile industry, both natural and regenerated, in particular fibrous celluloses can be used. The main task of the process is to increase the nitrogen content of the polysaccharide, ie, if there is still no nitrogen, to bind it chemically or if nitrogen is already present in the polysaccharide, to increase the content of nitrogen. Such modified polysaccharides are well applicable in the textile industry, so that one embodiment may provide that the polysaccharide is a textile or part of a textile. It is then particularly preferred for the textile to contain cotton. As amides in particular carboxylic acid amides, preferably urea or an N-substituted urea have been found to be suitable.
Die neuartigen Erkenntnisse erweisen sich als vorteilhaft für die Urformung eines Polysaccharids, vorzugsweise von Cellulose, wobei das Polysaccharid einem Verfahren der vorgenannten Art unterzogen und gleichzeitig in die gewünschte Form gebracht wird. The novel findings prove to be advantageous for the initial formation of a polysaccharide, preferably of cellulose, wherein the polysaccharide is subjected to a process of the aforementioned type and simultaneously brought into the desired shape.
Die neuartigen Erkenntnisse erweisen sich außerdem als vorteilhaft für die Herstellung eines Formkörpers, wobei ein Polysaccharid mit einem Amid in Gegenwart eines Salzes und eines Polyols bei einer Temperatur von zumindest 90 °C umgesetzt wird und in die gewünschte Form gebracht wird. The novel findings also prove to be advantageous for the production of a shaped body, wherein a polysaccharide is reacted with an amide in the presence of a salt and a polyol at a temperature of at least 90 ° C and is brought into the desired shape.
In beiden Fällen kann die Formgebung z.B. durch Pressen, Extrusion, Verpressen mit Rollen oder dergleichen erfolgen. In both cases, the shaping may be e.g. by pressing, extrusion, pressing with rollers or the like.
Der Substitutionsgrad (DS) ist jene Zahl der Hydroxyl-Gruppen, die pro Monosaccharideinheit durch Carbamat substituiert werden. Der DS kann variieren und maximal die Zahl der OH-Gruppen pro Monosaccharideinheit erreichen. Für Cellulose ist der maximale DS = 3. Ein für die vorliegende Erfindung geeigneter und ausreichender DS hängt von der Art der Anwendung ab und kann mittels Wahl des Saccharidsubstrates und der Reaktionstemperatur und Rekationszeit verändert werden. The degree of substitution (DS) is the number of hydroxyl groups substituted by carbamate per monosaccharide unit. The DS can vary and reach at most the number of OH groups per monosaccharide unit. For cellulose, the maximum DS = 3. A suitable and sufficient DS for the present invention depends on the mode of application and can be changed by selecting the saccharide substrate and the reaction temperature and reaction time.
In einem Aspekt betrifft die Erfindung daher Formkörper, enthaltend ein Stickstoffenthaltendes Polysaccharid hergestellt nach einem Verfahren der vorgenannten Art. In one aspect, therefore, the invention relates to shaped articles containing a nitrogen-containing polysaccharide prepared by a process of the aforementioned kind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines Stickstoffenthaltenden Polysaccharids hergestellt nach einem Verfahren der vorgenannten Art als Adsorptionsmittel. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass derartig modifizierte Polysaccharide gute Adsorptionseigeschaften für Flüssigkeiten und andere Stoffe aufweisen. Another aspect of the invention relates to the use of a nitrogen-containing polysaccharide prepared by a process of the aforementioned type as an adsorbent. It has been found that such modified polysaccharides have good Adsorptionseigeschaften for liquids and other substances.
Folglich bietet sich die Verwendung derartiger modifizierter Polysaccharide z.B. als Hygieneprodukt zur Aufnahme von Körperflüssigkeit an. Als Beispiele könnten Windeln, Verbände oder dergleichen genannt werden. Weitere Vorteile und Details werden nachfolgend auch anhand von Beispielen erläutert. Consequently, the use of such modified polysaccharides, for example, as a hygiene product for receiving body fluid on. As examples, diapers, bandages or the like could be mentioned. Further advantages and details are explained below also by way of examples.
Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zubereitete Mischung enthält bevorzugt eine ionische Komponente als Quellmittel in einer Konzentration von 10 - 35 Gewichtsprozent sowie ein Amid oder Harnstoffderivat mit 10 - 80 Gewichtsprozent als Derivatisierungsagens, sowie ein Polyol als Co-Solvens mit einem Anteil von 1 - 10 Gewichtsprozent. Der Wasseranteil in der Mischung bleibt dabei unter 10 Gewichtsprozent. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Mischung 20 - 30 Gewichtsprozent der ionischen Komponente, sowie ein Harnstoffderivat mit 50 - 70 Gewichtsprozent, und ein Polyol mit 4 - 20%. A mixture prepared by the process according to the invention preferably contains an ionic component as the swelling agent in a concentration of 10-35% by weight and an amide or urea derivative with 10-80% by weight as derivatizing agent, and a polyol as co-solvent in an amount of 1-10% by weight , The proportion of water in the mixture remains below 10 percent by weight. In a preferred embodiment, the blend contains 20-30 percent by weight of the ionic component, and a urea derivative of 50-70 percent by weight, and a polyol of 4-20 percent.
Bei Kenntnis der vorliegenden Schrift ist es dem Durchschnittsfachmann ohne weiteres zuzumuten durch Versuche auch andere geeignete Substanzen als Co-Solvent zu ermitteln, z.B. aus der Klasse der Polyhdroxyverbindungen wobei hier beispielsweise Gyicerin als Vertreter zu nennen ist. With knowledge of the present document, it is readily apparent to one of ordinary skill in the art, by attempting to identify other suitable substances as co-solvent, e.g. from the class of polyhydroxy compounds, for example Gyicerin being mentioned here as a representative.
Besonders vorteilhaft ist der, durch das Vorhandensein eines neutralen Quellmittels, mögliche Verzicht auf eine vorangehende alkalische Aktivierung der Cellulose, wodurch auch eine nachfolgende Wäsche bzw. Neutralisation nicht unbedingt erforderlich ist. Particularly advantageous is, by the presence of a neutral swelling agent, possible waiver of a preceding alkaline activation of the cellulose, whereby a subsequent washing or neutralization is not essential.
Die Erweichungsbedingungen für das Polymer richten sich nach der verwendeten Cellulose, der Zerkleinerung des Materials und der angewandten Zusammensetzung der Zubereitung. Die Zeit bis zur vollständigen Schmelze kann zwischen 1 min und 20 Stunden liegen, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform die Zeit zwischen 1 und 60 min liegt. The softening conditions for the polymer depend on the cellulose used, the comminution of the material and the composition of the preparation used. The time to complete melt may be between 1 minute and 20 hours, in a preferred embodiment the time being between 1 and 60 minutes.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei technischen Extrusionsprozessen durch den wesentlich raschern Wärmeübergang und die hohe Scherung auch wesentlich kürzere Zeiten für eine Erweichung der Cellulosemasse realisiert werden können. It should be noted that in technical extrusion processes by the much faster heat transfer and high shear and much shorter times for a softening of the cellulose mass can be realized.
Als Amid-komponente wird bevorzugt Harnstoff verwendet, jedoch können nach entsprechender Optimierung der Rezeptur auch substituierte Harnstoffderivate und andere Carbonsäureamide eingesetzt werden. Urea is preferably used as the amide component, but after appropriate optimization of the formulation it is also possible to use substituted urea derivatives and other carboxamides.
Bei der Verwendung von Harnstoff erfolgt während der Verweilzeit bei erhöhter Temperatur eine partielle Derivatisierung des Cellulosepolymers zum Cellulosecarbamat. Durch die Anwesenheit des Quellungsagens LiCI erfolgt auf wesentlich einfachere Art eine homogene Derivatisierung, gegenüber den, nach dem Stand der Technik beschriebenen Carbamatsynthesen, welche entweder auf aktivierende Zusätze verzichten oder den nachteiligen Zusatz von Alkalihydroxidlösungen wie NaOH oder anderen alkalischen Substanzen wie NH3 anwenden. Der Zusatz von alkalischen Aktivierungsmitteln erfordert üblicherweise deren Entfernung in einem nachgeschalteten Auswasch- und Neutralisationsprozeß, was diese Verfahren aufwendiger macht. When using urea, a partial derivatization of the cellulose polymer to the cellulose carbamate takes place during the residence time at elevated temperature. Due to the presence of the swelling agent LiCl, a homogeneous and simpler way is achieved Derivatization, compared to the carbamate syntheses described in the prior art, which either waive activating additives or apply the disadvantageous addition of alkali metal hydroxide solutions such as NaOH or other alkaline substances such as NH 3 . The addition of alkaline activators usually requires their removal in a subsequent washout and neutralization process, which makes these processes more expensive.
Als Poiyole können Polyethylengylcole mit unterschiedlicher Kettenlänge eingesetzt werden, auch kurzkettige Polyalkohole, Polypropylenglycole und Blockcopolymere aus Propylenglycol und Polyethylengylcol sind einsetzbar. As Poiyole Polyethylengylcole can be used with different chain length, also short-chain polyalcohols, polypropylene glycols and block copolymers of propylene glycol and Polyethylengylcol are used.
Die zugesetzte Salzkomponente wird bevorzugt aus der Gruppe der als quellend wirkenden ionischen Komponenten ausgewählt, wobei in einer Form Alkali oder Erdalkalisalze verwendet werden. In einer besonders bevorzugten Form wird entweder LiCI, oder CaCI2 als ionische Komponente in der Zubereitung eingesetzt. The added salt component is preferably selected from the group of ionic components which act as swelling agents, alkali or alkaline earth salts being used in one form. In a particularly preferred form, either LiCl or CaCl 2 is used as the ionic component in the preparation.
Die so erzeugte derivatisierende Schmelze kann nun nach den üblichen Verfahren zu Formkörpern verarbeitet werden, z.B. durch Extrudieren durch Düsen oder Auflösung des cellulosecarbamathältigen Polymers in Natronlauge und Ausfällung in einem wässrigen Fällbad. Wird die Cellulosecarbamatlösung direkt in eine wässrige Lösung eingebracht, so erhält man Cellulosecarbamat in amorpher Form. The derivatizing melt thus produced can now be processed into shaped articles by the usual methods, e.g. by extrusion through nozzles or dissolution of the cellulosecarbamathältigen polymer in sodium hydroxide solution and precipitation in an aqueous precipitation bath. If the cellulose carbamate solution is introduced directly into an aqueous solution, cellulose carbamate in amorphous form is obtained.
Als Regenerationsbad können wässrige Lösungen oder organische Lösungsmittel z.B. Alkohole dienen. As the regeneration bath, aqueous solutions or organic solvents, e.g. Serve alcohols.
Durch Extrusion der Schmelze in Formkörper, können beispielsweise auch Formungsverfahren nach der Spritzgußtechnik eingesetzt werden. Bei einem optimierten Verfahren verbleiben die Plastifizierungskomponenten im Formkörper und werden nicht mehr ausgewaschen. By extrusion of the melt in the molding, for example, molding methods can be used by injection molding. In an optimized process, the plasticizing components remain in the molding and are no longer washed out.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt damit eine einstufige Methode zur Herstellung und Verformung von Cellulosematerialien dar, wobei bei Verwendung von Harnstoff als Amidkomponente gleichzeitig eine effiziente Methode zur Herstellung von Cellulosecarbamat zur Verfügung gestellt wird. The inventive method thus represents a one-step method for the production and deformation of cellulosic materials, wherein when using urea as the amide component at the same time an efficient method for the production of cellulose carbamate is provided.
Das Verfahren kann auf Zellstoff verschiedensten Ursprungs angewandt werden, in einer bevorzugten Ausführungsform werden das Verfahren auf Textilien aus Cellulosefasern angewandt, wobei hier insbesondere Textilien zu nennen sind, welche zumindest eine Celluloseregeneratfaser als Mischungskomponente enthalten. The process can be applied to pulp of various origins, in a preferred embodiment the process is applied to cellulosic textile fabrics applied, in particular textiles are mentioned, which contain at least one cellulose regenerated fiber as a blend component.
Anwendungsbeispiele: Application examples:
Die folgenden Rezeptbeispiele zeigen exemplarisch Zusammensetzung von geeigneten Behandlungsmischungen und experimentelle Ergebnisse zu deren Verhalten. Als Zellulosematerial wurde ein Gewebe aus Viskosematerial verwendet. Auf das Gewebe wurde eine mit Wasser verdünnte Mischung aus PEG 2000 (einem Polyethylenglycol) Harnstoff und LiCI mit einem Foulard appliziert. Insgesamt wird eine Flottenaufnahme von 75 - 80 % des Materialgewichts realisiert. The following recipe examples show exemplary composition of suitable treatment mixtures and experimental results on their behavior. The cellulosic material used was a fabric of viscose material. A water-diluted mixture of PEG 2000 (a polyethylene glycol) urea and LiCl was applied to the fabric with a padder. Overall, a fleet absorption of 75-80% of the material weight is realized.
Die zum Aufbringen der Mischung erforderliche Wassermenge wird anschließend durch Trocknen bei 105 °C für 40 sec im Labortrockner entfernt. Auf der Ware verbleiben dann Reaktionsmischungen der folgenden Zusammensetzung: The amount of water required for applying the mixture is then removed by drying at 105 ° C for 40 sec in a laboratory dryer. On the goods then remain reaction mixtures of the following composition:
Tabelle 1 : Massenanteile der Mischungen Table 1: Mass fractions of the mixtures
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Bezogen auf das Warengewicht (Cellulose = 100 Gew. %) weisen die Mischungen folgende Anteile auf Based on the weight of the product (cellulose = 100% by weight), the mixtures have the following proportions
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Die Verformung der Materialien erfolgt durch Einwirkung von Hitze und Druck. Die im Folgenden beschriebenen Materialmuster wurden bei einem Druck von rund 1.0 bar für einen Zeitraum von 30 sec bis 2 min bei Temperaturen von 150°C bis 220°C behandelt. The deformation of the materials takes place by the action of heat and pressure. The material samples described below were treated at a pressure of around 1.0 bar for a period of 30 seconds to 2 minutes at temperatures of 150 ° C to 220 ° C.
Die Bildung des Cellulosecarbamats kann anhand des N-Gehalts und des IR-Spektrums bestätigt werden, wobei der Stickstoffgehalt bei Verwendung der genannten Rezepturen mit steigender Behandlungstemperatur und Behandlungszeit bis auf rund 2 Gew. % N vom Materialgewicht ansteigt. So werden bei den Rezepten 1 - 3 rund 1 Gew. % N nach einer Behandlung bei 190 °C für 2 min oder 220°C für 30 sec erhalten, bei einer Behandlung bei 220°C für 2 min werden bei Rezepturen 1 1 ,6 Gew. % N und bei Rezeptur 3 2,0 Gew. % N im Polymer gebunden (dies entspricht einem Substitutionsgrad DS von 0,2 - 0.25). The formation of the cellulose carbamate can be confirmed on the basis of the N content and the IR spectrum, wherein the nitrogen content increases with the use of said formulations with increasing treatment temperature and treatment time up to about 2 wt.% N from the weight of the material. Thus, for recipes 1-3, about 1% by weight of N is obtained after treatment at 190 ° C. for 2 minutes or 220 ° C. for 30 seconds; for a treatment at 220 ° C. for 2 minutes, formulations 1 1, 6 Wt.% N and in formulation 3 2.0 wt.% N bound in the polymer (this corresponds to a degree of substitution DS of 0.2-0.25).
Die Verformbarkeit des Polymeren kann unter dem Mikroskop an der Veränderung der Faser- und Gewebestruktur sowie an Faserdeformationen erkannt und bestätigt werden. The deformability of the polymer can be detected and confirmed under the microscope on the change in the fiber and fabric structure as well as on fiber deformations.
Analysen des Durchschnittspolymerisationsgrads, der Materialfestigkeit und Dehnung bestätigen, dass durch die angewandten Bedingungen der Behandlung keine erkennbare Schädigung des Cellulosepolymeren eintritt. Analyzes of the average degree of polymerization, material strength and elongation confirm that no noticeable damage to the cellulosic polymer occurs due to the treatment conditions used.
Vergleichsversuche mit Rezepturen in denen einer der genannten Bestandteile fehlt, zeigen keine vergleichbaren Resultate bei der Faserverformbarkeit. Comparative tests with formulations in which one of the constituents is missing show no comparable results in fiber formability.
Beispiel mit organischem Salz: Example with organic salt:
Fig. 1 zeigt die Schritte der Carbamation.  Fig. 1 shows the steps of carbamation.
Fig. 2 zeigt den Stickstoffgehalt in Gew. % der behandelten Cellulose Fig. 2 shows the nitrogen content in wt.% Of the treated cellulose
(Reaktionsprodukt) als Funktion der Temperatur. (Reaction product) as a function of temperature.
Fig. 3 zeigt ein FTIR-ATR Spektrum von (a) unbehandelter Cellulose und (b) Fig. 3 shows a FTIR-ATR spectrum of (a) untreated cellulose and (b)
Cellulosecarbamat (mit DS = 0.25). Cellulose carbamate (with DS = 0.25).
Die Behandlungslösung wurde hergestellt durch Mischen von Polyethylenglykol (20 Gew. %), Harnstoff (60 Gew. %) und Natriumacetat (20 Gew. %). Das Molekulargewicht von Polyethylenglykol wurde von 2000 über 4000 bis 6000 variiert. Eine ausreichende Menge an deionisiertem Wasser wurde zugegeben. Viskosetextil, das unter Standardbedingungen (20 +/- 2°C, 65 +1-2% RH) bei zumindest 48 Stunden gelagert wurde, wurde mit einem Foulard mit der obigen Lösung bei Raumtemperatur unter 1 bar Druck imprägniert bei einer Geschwindigkeit von 1 m/min. Danach wurde das Textil in einem Spannrahmentrockner bei 105°C für 40 s getrocknet, um Wasser zu entfernen. Danach wurde das getrocknete Textil bei 1 bar Druck für 2 min bei 100°C bis 250°C behandelt. Anschließend wurde das Textil mit Wasser gewaschen bis das Waschwasser farblos war. Die Reaktionsprodukte wurden danach an Luft unter Standardbedingungen getrocknet (Fig. 1 ). Nach der Behandlung wurde das Reaktionsprodukt auf die Bildung von Cellulosecarbamat (mittels Elementaranalyse auf Stickstoffgehalt) und nach funktionellen Gruppen (mittels FTIR-ATR) untersucht (Fig. 2). The treating solution was prepared by mixing polyethylene glycol (20% by weight), urea (60% by weight) and sodium acetate (20% by weight). The molecular weight of polyethylene glycol was varied from 4000 to 6000 from 2000. A sufficient amount of deionized water was added. Viscose fabric stored under standard conditions (20 +/- 2 ° C, 65 + 1-2% RH) for at least 48 hours was impregnated with a pad at the above solution at room temperature under 1 bar pressure at a speed of 1 m / min. Thereafter, the textile was dried in a tenter dryer at 105 ° C for 40 seconds to remove water. Thereafter, the dried textile was treated at 1 bar pressure for 2 min at 100 ° C to 250 ° C. Subsequently, the textile was washed with water until the washing water was colorless. The reaction products were then dried in air under standard conditions (Figure 1). After treatment, the reaction product was assayed for the formation of cellulose carbamate (by nitrogen elemental elemental analysis) and functional groups (by FTIR-ATR) (Figure 2).
Der Stickstoffgehalt wurde zwischen 0, 1 Gew. % bis ca 2 Gew. % bestimmt, entsprechend einem Substitutionsgrad DS von 0,02 bis 0,25. Der DS nahm bis 220°C zu und danach bis 250°C wieder leicht ab, aufgrund eintretender Zersetzung. The nitrogen content was determined between 0.1 wt.% To about 2 wt.%, Corresponding to a degree of substitution DS of 0.02 to 0.25. The DS increased to 220 ° C and then again slightly to 250 ° C, due to onset of decomposition.
Die FTIR-ATR Ergebnisse der behandelten Cellulose zeigen, dass im Verhältnis zum Spektrum ohne Behandlung der Cellulose ein neuer Absorptionspeak bei 1712 cm"1 auftritt, der einer C-0 Streckschwingung der Carbonlygruppe (C=0) vom Urethan entspricht. The FTIR-ATR results of the treated cellulose show that a new absorption peak occurs at 1712 cm -1 relative to the spectrum without treatment of the cellulose, corresponding to a C-0 stretching vibration of the carbonyl group (C = 0) of the urethane.
Tests für Zug- und Dehntests wurden ausgeführt, um zu beweisen, dass die Behandlung der Cellulose keine nennenswerten Einflüsse auf die mechanischen Eigenschaften der Cellulose hatte. Tensile and tensile tests were performed to prove that the treatment of the cellulose had no appreciable effect on the mechanical properties of the cellulose.
Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden gemäß der Finanzhilfevereinbarung Nr. 214015 im Zuge des Siebten Rahmenprogramms der Europäischen Gemeinschaft RP7/2007-2013 gefördert. The work leading to this invention has been funded under the Grant Agreement No 214015 under the Seventh Framework Program of the European Community FP7 / 2007-2013.

Claims

Patentansprüche claims
1. Stoffgemisch, enthaltend: 1. Mixture of substances containing:
a. 10 - 80 Gew. % wenigstens eines Amids  a. 10 - 80% by weight of at least one amide
b. 10 - 80 Gew. % wenigstens eines Salzes  b. 10 - 80% by weight of at least one salt
c. 1 - 80 Gew. % wenigstens eines Polyols.  c. 1 - 80% by weight of at least one polyol.
2. Stoffgemisch nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wassergehalt unter 10 Gew. % beträgt. 2. Mixture according to claim 1, characterized in that the water content is less than 10 wt.%.
3. Stoffgemisch nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz ein neutrales Salz ist. 3. A mixture according to claim 1 or claim 2, characterized in that the salt is a neutral salt.
4. Stoffgemisch nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz ausgewählt ist aus der Gruppe der Alkalisalze, Erdalkalisalze oder Mischungen daraus, besonders bevorzugt LiCI. 4. A mixture according to claim 3, characterized in that the salt is selected from the group of alkali metal salts, alkaline earth metal salts or mixtures thereof, more preferably LiCl.
5. Stoffgemisch nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Salz zwischen 10 und 30 Gew. %, an Amid zwischen 50 und 70 Gew. % und an Polyol zwischen 4 und 20 Gew. % beträgt. 5. A mixture according to claim 3 or claim 4, characterized in that the content of salt between 10 and 30 wt.%, Of amide between 50 and 70 wt.% And of polyol between 4 and 20 wt.% Is.
6. Stoffgemisch nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz ein organisches Salz ist. 6. A mixture according to claim 1 or claim 2, characterized in that the salt is an organic salt.
7. Stoffgemisch nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Salz ein Salz einer Carbonsäure ist. 7. A mixture according to claim 6, characterized in that the organic salt is a salt of a carboxylic acid.
8. Stoffgemisch nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz der Carbonsäure die allgemeine Formel R1-COOM oder (R1-COO)2 aufweist, wobei R1 ein Alkylrest, ein Allylrest oder eine Mischungen daraus ist und M ein Alkalimetall oder Erdalkalimetall ist. 8. A mixture according to claim 7, characterized in that the salt of the carboxylic acid has the general formula R 1 -COOM or (R 1 -COO) 2 , wherein R 1 is an alkyl radical, an allyl radical or a mixture thereof and M is an alkali metal or Is alkaline earth metal.
9. Stoffgemisch nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an organischem Salz 20 bis 30 Gew. %, an Amid 50 bis 70 Gew. % und Polyol 4 bis 20 Gew. % beträgt. 9. A mixture according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the content of organic salt 20 to 30 wt.%, Of amide 50 to 70 wt.% And polyol is 4 to 20 wt.%.
10. Stoffgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Amid ein Carbonsäureamid, vorzugsweise Harnstoff oder ein N-substituierter Harnstoff ist. 10. A mixture according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the amide is a carboxylic acid amide, preferably urea or an N-substituted urea.
1 1. Stoffgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyol außerdem ein Polyether ist. 1 1. A mixture according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the polyol is also a polyether.
12. Stoffgemisch nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Polyol ausgewählt ist aus der Gruppe der Polyethylenglykole, der Polypropylenglykole, Copolymeren von Ethylenglykol und Propylenglykol oder Mischungen daraus ausgewählt ist. 12. A mixture according to claim 1 1, characterized in that the polyol is selected from the group of polyethylene glycols, the polypropylene glycols, copolymers of ethylene glycol and propylene glycol or mixtures thereof is selected.
13. Verfahren zur Herstellung eines Stickstoffenthaltenden Polysaccharids, dadurch gekennzeichnet, dass das Polysaccharid mit einem Amid in Gegenwart einer ionischen Komponente, vorzugsweise eines Salzes, und eines Polyols bei einer Temperatur von zumindest 90 °C umgesetzt wird. 13. A method for producing a nitrogen-containing polysaccharide, characterized in that the polysaccharide is reacted with an amide in the presence of an ionic component, preferably a salt, and a polyol at a temperature of at least 90 ° C.
14. Verfahren zur Herstellung eines Stickstoffenthaltenden Polysaccharids, dadurch gekennzeichnet, dass das Polysaccharid mit einem Stoffgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 12 bei einer Temperatur von zumindest 90 °C umgesetzt wird. 14. A method for producing a nitrogen-containing polysaccharide, characterized in that the polysaccharide is reacted with a mixture of substances according to any one of claims 1 to 12 at a temperature of at least 90 ° C.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Polysaccharid Cellulose ist. 15. The method according to claim 13 or 14, characterized in that the polysaccharide is cellulose.
16. Verfahren nach Anspruch 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Polysaccharid ein Textil oder Teil eines Textils ist. 16. The method according to claim 13 to 15, characterized in that the polysaccharide is a textile or part of a textile.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Textil Baumwolle enthält. 17. The method according to claim 16, characterized in that the textile contains cotton.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Amid ein Carbonsäureamid, vorzugsweise Harnstoff oder ein N-substituierter Harnstoff ist 18. The method according to any one of claims 13 to 17, characterized in that the amide is a carboxylic acid amide, preferably urea or an N-substituted urea
19. Verfahren zur Urformung eines Polysaccharids, vorzugsweise von Cellulose, dadurch gekennzeichnet, dass das Polysaccharid einem Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 8 unterzogen und gleichzeitig in die gewünschte Form gebracht wird. 19. A process for the primary forming of a polysaccharide, preferably of cellulose, characterized in that the polysaccharide is subjected to a process according to any one of claims 13 to 8 and simultaneously brought into the desired shape.
20. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, wobei ein Polysaccharid mit einem Amid in Gegenwart einer ionischen Komponente, vorzugsweise eines Salzes, und eines Polyols bei einer Temperatur von zumindest 90 °C umgesetzt wird und in die gewünschte Form gebracht wird. 20. A process for producing a shaped body, wherein a polysaccharide is reacted with an amide in the presence of an ionic component, preferably a salt, and a polyol at a temperature of at least 90 ° C and brought into the desired shape.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung durch Pressen, Extrusion, Verpressen mit Rollen oder dergleichen erfolgt. 21. The method according to claim 19 or 20, characterized in that the shaping is carried out by pressing, extrusion, pressing with rollers or the like.
22. Formkörper, enthaltend ein Stickstoffenthaltendes Polysaccharid hergestellt nach einem der Ansprüche 3 bis 18. A molded article containing a nitrogen-containing polysaccharide prepared according to any one of claims 3 to 18.
23. Verwendung eines Stickstoffenthaltenden Polysaccharids hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18 als Adsorptionsmittel. 23. Use of a nitrogen-containing polysaccharide prepared by a process according to any one of claims 13 to 18 as an adsorbent.
24. Hygieneprodukt zur Aufnahme von Körperflüssigkeit, umfassend ein Sickstoffenthaltendes Polysaccharid hergestellt nach einem der Ansprüche 13 bis 18. A sanitary product for receiving body fluid, comprising a nitrogen-containing polysaccharide prepared according to any one of claims 13 to 18.
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