EP3536850A1 - Pulp and lyocell articles with reduced cellulose content - Google Patents
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- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F2/00—Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof
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- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F2/00—Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof
- D01F2/24—Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof from cellulose derivatives
- D01F2/28—Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof from cellulose derivatives from organic cellulose esters or ethers, e.g. cellulose acetate
- D01F2/30—Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof from cellulose derivatives from organic cellulose esters or ethers, e.g. cellulose acetate by the dry spinning process
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- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
- D21C9/00—After-treatment of cellulose pulp, e.g. of wood pulp, or cotton linters ; Treatment of dilute or dewatered pulp or process improvement taking place after obtaining the raw cellulosic material and not provided for elsewhere
- D21C9/001—Modification of pulp properties
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- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
- D21C9/00—After-treatment of cellulose pulp, e.g. of wood pulp, or cotton linters ; Treatment of dilute or dewatered pulp or process improvement taking place after obtaining the raw cellulosic material and not provided for elsewhere
- D21C9/001—Modification of pulp properties
- D21C9/002—Modification of pulp properties by chemical means; preparation of dewatered pulp, e.g. in sheet or bulk form, containing special additives
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- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- D21H11/00—Pulp or paper, comprising cellulose or lignocellulose fibres of natural origin only
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- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- D21H11/00—Pulp or paper, comprising cellulose or lignocellulose fibres of natural origin only
- D21H11/16—Pulp or paper, comprising cellulose or lignocellulose fibres of natural origin only modified by a particular after-treatment
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- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- D21H13/00—Pulp or paper, comprising synthetic cellulose or non-cellulose fibres or web-forming material
- D21H13/02—Synthetic cellulose fibres
Definitions
- the present invention describes special pulp compositions which make it possible to produce a lyocell fiber with a reduced cellulose content in a technically stable manner and the lyocell fiber produced therefrom.
- Lyocell fibers are used in a variety of applications. Purified cellulose is often used as a raw material, with a very low content of cellulose endings.
- the present invention provides a pulp according to claim 1, a lyocell product according to claim 9, and the methods according to claims 16 and 18.
- Preferred embodiments of the invention are given in the subclaims and the following detailed description of the invention.
- the main constituents of non-cellulosic material in the raw material wood are the hemicelluloses (mainly polyoses from the sugar monomers xylose, arabinose, mannose, galactose, glucose and rhamnose), lignin and accessory components.
- Cellulose It is the skeletal substance of the cell walls in the wood and serves mainly the tensile strength.
- the long molecular chains of glucose units are assembled in so-called fibrils several times in a helical structure. This helical arrangement in the cell wall ensures a good bending strength of the tree, e.g. at a wind load or wood z. B. in a roof construction.
- Cellulose is hydrophilic but not water-soluble due to its high crystallinity.
- Lignin Binder for the firm bonding of cellulose in the form of an amorphous matrix.
- lignin is mainly responsible for the compressive strength, on the other hand, is less flexible and hydrophobic in contrast to cellulose. It is responsible for the stamina of the tree. Plants that do not store lignin only reach low stature heights. Lignin is biologically relatively stable and biologically degradable only slowly.
- Hemicellulose for the purposes of the present invention are components present in wood in the form of short-chain polymers of C5 and / or C6 sugars. In contrast to cellulose, they have side groups and can therefore form crystals only to a much lesser extent. Their basic building blocks are mannose, xylose, glucose, rhamnose, galactose. The side groups preferably consist of arabinose groups, acetyl groups and galactose residues as well as O-acetyl groups and 4-O-methylglucuronic acid side groups. It is known that mannans are preferably associated with cellulose, while xylans are more likely to associate with lignin. The composition of hemicelluloses varies greatly depending on the type of wood used.
- hemicelluloses includes those in their native structure as well as those modified by their processing and also those which have been adjusted by specific chemical modification for the particular application. Also included are short chain celluloses and other polyoses with a DP of up to 500.
- Accessory ingredients are wood-derived organic and inorganic non-lignin, cellulose, and hemicellulose, and commonly include salts and low molecular weight organic compounds of up to about 100 atoms, such as tannins, resins, fats and waxes, tanning agents. and humic substances, terpenes, terpenoids and phenolic compounds, pectins, suberines, polyphenols and polyoses.
- a fraction of hemicelluloses of at least 7% by weight is present, whereby the ratio of sugars with five C atoms, such as, for example, B. xylan to sugars with six carbon atoms such. Mannan (hereinafter called C5 / C6 ratio) is in the range of 125: 1 to 1: 3.
- the pulps used here which are preferably used in the context of the present invention, show, as already stated, a relatively high content of hemicelluloses the composition defined here.
- the pulps preferably used in the context of the present invention also show other differences which are listed below.
- the pulps preferably used in the context of the present invention show a rather fluffy view. This results after milling (during the preparation of starting materials for the production of spinning solutions for the lyocell process) in a particle size distribution with a high proportion of larger particles. As a result, the bulk density is much lower, compared to standard pulps with a low hemicellulose content. Such a low bulk density requires adaptations with regard to metering parameters (eg metering using at least two storage tanks) in the preparation of the spinning solutions.
- the pulps preferably used in the context of the present invention show an impregnation behavior with respect to NMMO, which shows that the impregnation is more difficult in comparison with standard pulps.
- the pulp used for the production of lyocell products exhibits a SCAN viscosity in the range of 300 to 440 ml / g, in particular 320 to 420 ml / g, more preferably 320 to 400 ml / g.
- the SCAN viscosity is determined in accordance with SCAN-CM 15:99 using a Cupriethylendiaminannon, a method which is known in the art and which can be performed with commercially available devices, such as with the device Auto PulpIVA PSLRheotek, available from the company PSL Reotek.
- the viscosity of SCAN is an important parameter which influences in particular the processing of pulps in the production of spinning solutions. Even if two pulps show great agreement with respect to their composition, etc., different SCAN viscosities result in completely different behavior during processing.
- a direct solution spinning process like the lyocell method, the pulp is dissolved in NMMO as such. There is no maturation step, comparable for example with the viscose method, where the degree of polymerisation of the cellulose can be adapted to the needs of the process. Therefore, the specifications for the viscosity of a raw pulp are typically for the lyocell process in a small target window. Otherwise problems can occur during production.
- the pulp viscosity is preferably as previously described.
- Lower viscosities lead to a deterioration of the mechanical properties of the lyocell products.
- Higher viscosities can in particular lead to an increased viscosity of the spinning solution, so that spinning is slower overall.
- With lower spinning speeds lower draw ratios are obtained, which again can have a significant influence on the fiber structure and the fiber properties ( Cabohydrate Polymers 2018, 181, 893-901 ). This would require process adaptations that would lead to capacity reduction.
- the use of pulps with the viscosities defined herein, on the other hand, allows for easy processing and the production of high quality products.
- the fiber properties are strongly influenced by the type and by the assembly of the polymers. It is also known that cellulosic fibers produced by the lyocell process have a very high crystallinity of about 44 to 47%, while fibers from the viscose process have a crystallinity of about 29 to 34%.
- the crystallinity describes the alignment of the cellulosic polymers to each other and thus, for example, their ability to absorb, swell and store water.
- the polymer chains are more ordered in the non-crystalline regions of the lyocell fibers than in the viscose fibers. As a result, ordinary lyocell fibers swell less and are less suitable for highly absorbent products than viscose fibers.
- celluloses with reduced cellulose content By using the celluloses with reduced cellulose content according to the invention, a completely different type of aggregation of the polymers and thus a different structure of the lyocell fibers is unexpectedly made possible.
- Their crystallinity is significantly lower, typically 40% or less, such as 39% or less and, for example, in the range of 38% to 30%, such as in the range of 37 to 33%.
- the values for WRV for fibers in accordance with the present invention, isolated or in combination with the other preferred embodiments described herein, preferably in combination with the fiber crystallinity values described herein, are preferably 70% or greater, more preferably 75% or greater , like 80% or more, eg from 70 to 85%.
- the hemicelluloses still have side groups, since the glucuronic acid side groups of xylan under the conditions of acid digestion are relatively stable ( Sixta H (Ed.) (2006): Handbook of Pulp Vol. 1; Wiley VCH p. 418 ).
- the hemicelluloses thus fulfill all conditions to disrupt the crystallization of the cellulose and thus form a more disordered structure compared to standard lyocell fibers.
- higher hemicellulose content and reduced cellulose content would give useless products, especially fibers.
- it has unexpectedly been shown that the content of hemicelluloses in combination with the C5 / C6 ratio allows targeted control of product properties.
- the grades of the new reduced cellulosic lyocell fibers are similar to those of conventional TENCEL® fibers. It can be seen that the fiber strengths are slightly lower than those of the TENCEL® fibers, measured in the examples as strength and workability. At the same time, the cellulose content could be significantly reduced, recorded in the examples as glucan value. The uptake of other wood constituents reduces the crystallinity by up to 21% and the absorbency increases significantly by up to 27%, measured in the examples as crystallinity index and water retention capacity.
- the crystallinities of the new lyocell fibers according to the invention lie between those of conventional TENCEL® fibers and nonwovens Lenzing Viscose® fibers; at the same time, WRV is in the Lenzing Viscose® range.
- the WRV increases more than would be explained by the decreasing crystallinity of the fibers.
- the other ingredients such as in particular hemicelluloses, but also lignin and accessory Components from the wood therefore not only ensure a significant increase in yield, ie improved sustainability, but also a significant improvement in product properties, such as water retention capacity.
- the pulp of the invention is characterized by a reduced content of cellulose, a minimum amount of hemicelluloses and a certain C5 / C6 ratio with respect to the composition of the hemicellulose.
- the pulp which may also be a mixture of different pulps (as long as the essential conditions are met), is a pulp having a hemicellulose content of from 7 to 50% by weight, preferably from 7 to 25% by weight preferably 10 to 20 wt .-%.
- the pulp to be used according to the invention is furthermore preferably a pulp which has a xylan content of at least 9% by weight, preferably a fraction of at least 10% by weight.
- the proportion of mannan can, in combination or independently, be chosen within a wide range, as long as the ratio defined according to the invention is fulfilled. Suitable mannan contents are in the range of 0.1 to 10% by weight, such as from 0.1 to 9% by weight and in embodiments from 0.1 to 6% by weight, from 0.1 to 4% by weight. %, from 5 to 10% by weight, from 6 to 10% by weight, etc.
- the Mannangehalt in the range of 0.1 to 1 wt .-%, preferably in combination with a xylan content of at least 9 wt. -%, preferably at least 10 wt .-%. In other embodiments, the Mannangehalt is higher, preferably in the range of 6 wt .-% or more.
- the cellulose content in the pulp is in a range of equal to or less than 90% by weight to 50% by weight, preferably in the range of 90% by weight. % to 60 wt%, such as from 85 wt% to 70 wt%.
- the weight ratio of cellulose to hemicellulose may range from 1: 1 to 20: 1.
- the level of accessory constituents may be more than 0.05% by weight, preferably more than 0.2% by weight, more preferably more than 0.5% by weight. It has unexpectedly been found that with such proportions of accessory constituents in the pulp according to the invention, the effect can be promoted that the C5 / C6 ratio is also stable in the prepared lyocell products, in particular fibers, and the hemicellulose content does not change significantly (ie the content does not decrease in the lyocell product or only slightly in comparison to the pulp).
- the inventive C5 / C6 ratio achieves such a high retention capacity that at the same time a proportion of metal compounds, generally present as their oxides and hydroxides of up to 25% by weight, based on the weight of the lyocell product (eg, Mg (OH) 2 or Al (OH) 3 for flame retardancy purposes), which further substantially reduces the cellulose content.
- metal compounds are in particular TiO 2 , Al 2 O 3 , MgO, SiO 2 , CeO 2 , Mg (OH) 2 , Al (OH) 3 , BN, ZnO and originate in part from the mineral constituents of the wood or can be used as the cellulose solution functional additives (flame retardant, matting agent, biocide ...) are added.
- lyocell fibers having a cellulose content reduced to less than 70% can be prepared which not only meet the practical requirements in comparison with the known lyocell fibers (mechanical strengths, etc.), but also due to the novel properties resulting for some applications even better.
- the investigations have shown that fibers in the proposed composition have, in particular, an increased water retention capacity and a rapid biodegradability during composting.
- the ratio of C5 / C6 sugars of the non-cellulosic polymers has been shown to be an important factor in adjusting the fiber composition and its resulting properties. Through targeted adjustment of this ratio, also in combination with the content of hemicelluloses, desired product properties can be adjusted in a targeted manner.
- the person skilled in the art is aware of how he / she can control or adjust the C5 / C6 ratio. This can be achieved by a mixture of different pulps such. As softwood pulps with a higher Mannananteil be achieved with hardwood pulps with a higher xylan content. Attempts have confirmed another very effective way to adjust accordingly. By a targeted adjustment of cooking parameters such. As the H-factor, the ratio of C5 to C6 sugars can be controlled. This is shown in Figures 2 and 3. The H factor is considered to be an essential parameter for the control of sulfite boiling (Sixta (Vol. 1 2006) p. 432). He summarizes cooking temperature and cooking time as one size.
- Figure 2 shows the influence of the H-factor in sulfite boiling on the hemicellulose ratio in hardwood using the example of beech.
- xylan content is inherently higher.
- H-factor increases, xylan degrades more than mannan.
- the ratio C5 / C6 decreases.
- Another way to adjust the pulp composition according to the invention is the admixing of C5 and / or C6 sugars, which were previously obtained in other processes or process steps, such as. B. in an alkaline extraction, be it a cold-alkali extraction or an E-stage or the like.
- an alkaline extraction be it a cold-alkali extraction or an E-stage or the like.
- viscose the addition of hemicelluloses in dissolved form to the spinning mass and the subsequent co-spinning are known ( WO2014086883 ).
- viscose fibers can be produced with a reduced cellulose content.
- the viscose process takes place in the aqueous medium and the hemicelluloses are correspondingly alkali-soluble, so the cellulose xanthogenate and the dissolved hemicelluloses can be mixed together and spun together.
- the solution of the pulp in the lyocell process takes place in NMMO or similar solvents, so here no alkaline or aqueous solutions can be added. You would dilute the solvent and reduce the solubility or even lead to unwanted precipitation.
- the hemicelluloses can not be added in the form of solutions in spinning solution production, but must be introduced differently in the process.
- One possibility is the addition in the pulp manufacturing process, so that the mixture can then be dried with the pulp.
- the ratio of xylan to mannan is between 18: 1 to 1: 3, preferably 9: 1 to 1: 2.
- such a mixing ratio allows the incorporation of 0.5-5% by weight of lignin (and / or other accessory Constituents) into the fiber structure without adversely affecting the desired properties.
- the fibers provided according to the invention have typical fiber titers, such as 7 dtex or less, for example 2.2 dtex or less, such as 1.3 dtex or less, possibly even lower, such as 0.9 dtex or less, depending on the desired application. For applications in the nonwoven sector, titres of 1.5 to 1.8 dtex are typical, while for textile applications lower titers, such as 1.2 to 1.5 dtex are suitable.
- the present invention also includes fibers having even lower titers, as well as fibers having significantly higher titers, such as 10 dtex or less, such as 9 dtex or less, or even 7 dtex or less.
- Suitable lower limits for fiber titers are values of 0.5 dtex or greater, such as 0.8 dtex or greater and, in embodiments, 1.3 dtex or greater.
- the upper and lower limits disclosed herein may be combined and the regions formed thereby, such as from 0.5 to 9 dtex, are also included.
- the present invention enables the production of fibers with titers, which allows use in the entire spectrum of fiber applications, including textile applications as well as nonwoven applications.
- the determination of the crystallinity index is carried out by means of Raman spectroscopy. This method is calibrated with data from the X-ray wide-angle method (WAX) and was used by Röder et al. (2009) ( Röder T, Moosbauer J, Kliba G, Schlader S, Zucker Toor G, and Sixta H (2009): Comparative Characterization of Man-Made Regenerated Cellulose Fibers. Lenzinger Berichte Vol. 87, p. 98 ff .).
- Table 1 shows the results of setting the C5 / C6 ratio for two species of wood, using the example of H-factor variation in magnesium bisulfite digestion.
- Table 1 shows the results of setting the C5 / C6 ratio for two species of wood, using the example of H-factor variation in magnesium bisulfite digestion.
- Table 1 shows the results of setting the C5 / C6 ratio for two species of wood, using the example of H-factor variation in magnesium bisulfite digestion.
- Table 1 shows the results of setting the C5 / C6 ratio for two species of wood, using the example of H-factor variation in magnesium bisulfite digestion.
- Table 4 shows mechanical characteristics for standard fibers (lyocell and viscose) compared with characteristics obtained with lyocell fibers made with pulps of the invention. The results clearly demonstrate the advantages of the present invention.
- the new lyocell fibers according to the invention thus combine the respective advantageous properties of hitherto commercially available lyocell or viscose fibers.
- Table 4 ⁇ / b> Properties of conventional and cellulosic reduced lyocell fibers compared to a standard viscose fiber.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung beschreibt spezielle Zellstoffzusammensetzungen, die es erlauben eine Lyocellfaser mit reduziertem Zelluloseanteil grosstechnisch stabil herzustellen, sowie die daraus hergestellte Lyocellfaser.The present invention describes special pulp compositions which make it possible to produce a lyocell fiber with a reduced cellulose content in a technically stable manner and the lyocell fiber produced therefrom.
Description
Die vorliegende Erfindung beschreibt spezielle Zellstoffzusammensetzungen, die es erlauben eine Lyocellfaser mit reduziertem Zelluloseanteil grosstechnisch stabil herzustellen, sowie die daraus hergestellte Lyocellfaser.The present invention describes special pulp compositions which make it possible to produce a lyocell fiber with a reduced cellulose content in a technically stable manner and the lyocell fiber produced therefrom.
Lyocellfasern werden in einer Vielzahl an Anwendungen verwendet. Dabei wird häufig aufgereinigte Zellulose als Rohstoff verwendet, mit einem sehr geringen Anteil an von Zellulose verschiedenen Bestendteilen.Lyocell fibers are used in a variety of applications. Purified cellulose is often used as a raw material, with a very low content of cellulose endings.
Zellstoff wird aus Holz gewonnen, das nur zu 40-44 Gew. % aus Zellulose besteht. Da im Allgemeinen ein hoher Gehalt an Zellulose im Zellstoff von über 95 Gew. % für die Herstellung von Lyocellformkörpern gefordert wird, geht ein Großteil des Rohstoffes für die stoffliche Nutzung während der Kochung und Bleiche verloren. Bekannt sind hierbei eine Vielzahl an Möglichkeiten insbesondere den Anteil an Hemizellulosen gezielt zu verringern, sowohl bei der Zellstoffgewinnung auf dem Weg des Holzes zum Zellstoff bzw. zum Lyocell-Endprodukt:
- a) Aufschluss: Ein Großteil der Hemizellulosen geht in der Sulfit-Kochung verloren; während im alkalischen Aufschluss die Vorhydrolyse speziell zur Entfernung der Hemizellulosen der Kochung vorgeschaltet wird.
- b) Bleiche: in der Regel zur Eliminierung von Rest-Lignin und/ oder zur optischen Aufhellung, zerstört aber auch Hemizelluloseanteile
- c) Teilweise Unlöslichkeit von verzweigten Hemizelluloseanteilen im Lyocell-Lösungsmittel
- d) Abbau im DOPE mit nachfolgender Auflösung im Spinnbad
- a) digestion: a large part of the hemicelluloses is lost in the sulphite boiling; while in the alkaline digestion the prehydrolysis is preceded especially for the removal of the hemicelluloses of the cooking.
- b) bleaching: usually for the elimination of residual lignin and / or for optical brightening, but also destroys hemicellulose components
- c) Partial insolubility of branched hemicellulose moieties in the lyocell solvent
- d) DOPE degradation with subsequent dissolution in a spin bath
Zwar gibt es starke Bestrebungen, diese anderen Bestandteile auch stofflich als Nebenprodukte zu nutzen. Die Umsetzung erfolgt aber nur in geringen Mengen aufgrund bekannter technischer Restriktionen. In den Ablaugen der Zellstoffgewinnung liegen diese weiteren Holzbestandteile in der Form einer Vielzahl verschiedenster Abbauprodukte vor, noch dazu in Mischung mit starken Säuren oder Laugen, was die Auftrennung und Weiterverarbeitung extrem erschwert.Although there are strong efforts to use these other ingredients as a by-product as well. However, the reaction takes place only in small quantities due to known technical restrictions. In the waste liquors of pulp extraction, these other wood components are in the form of a variety of different degradation products before, even in mixture with strong acids or alkalis, which makes the separation and processing extremely difficult.
Dennoch wurden in den vergangenen Jahren Anstrengungen unternommen, um die Rohstoffbasis für Lyocellprodukte zu verbreitern, durch den Einsatz von Zellulosen mit einem erhöhten Anteil an Lignin und/oder Hemizellulosen. Beispielhaft beschreiben die US 6440523 und die
Der in diesen Schriften verfolgte Ansatz besteht im Wesentlichen darin, dass sie entweder den entsprechenden Zellstoff (Pulp) und/oder die daraus hergestellten Lyocellprodukte beschreiben, die neben dem Zelluloseanteil auch einen Hemizellulosenanteil von mehr als 5 Gew. % aufweisen. Allerdings wird in allen diesen Schriften es als wesentlich angesehen, dass die dort beschriebenen höheren Hemizelluloseanteile nur dann möglich sind, wenn gleichzeitig eine Reihe an weiteren wesentlichen Bedingungen erfüllt werden. Diese sind beispielsweise eine bestimmte Viskosität des Zellstoffes, eine maximale Kupferzahl und/oder eine maximale Kappazahl.Essentially, the approach followed in these publications consists in describing either the corresponding pulp and / or the lyocell products produced therefrom which, in addition to the cellulose content, also have a hemicellulose content of more than 5% by weight. However, it is considered essential in all of these documents that the higher hemicellulose levels described therein are only possible if a number of other essential conditions are simultaneously met. These are, for example, a certain viscosity of the pulp, a maximum copper number and / or a maximum kappa number.
Obwohl in diesen Schriften Lyocellprodukte beschrieben werden ist es bemerkenswert, dass die auf diesen Schutzrechten beruhenden Entwicklungen bis heute nicht großtechnisch realisiert wurden, obwohl der Einsatz insbesondere von Zellstoffen mit höherem Hemizellulosegehalt deutliche Kosten- und damit Wettbewerbsvorteile bringen sollte. Dies könnte wohl den Schwierigkeiten beim up-scaling aus dem Labormaßstab und den erzielbaren Fasereigenschaften, die den Erwartungen des Textil- und Nonwovens-marktes nicht entsprechen, geschuldet sein.Although lyocell products are described in these documents, it is noteworthy that developments based on these patent rights have not yet been realized on an industrial scale, although the use, in particular of cellulose with a higher hemicellulose content, should bring significant costs and hence competitive advantages. This may well be due to the difficulties of upscaling from the laboratory scale and the achievable fiber properties, which do not meet the expectations of the textile and nonwovens market.
Im Sinne einer möglichst hohen Ressourcenausnutzung wäre es wünschenswert, aus dem Rohstoff Holz möglichst viele stoffliche Anteile zur Herstellung einer Lyocellfaser verwenden zu können. Das vorrangige Ziel im Streben nach möglichst umfassender Nachhaltigkeit und einem wirklich effektiven Bioraffinerie-Konzept muss sein, das natürliche Rohmaterial Holz von Anfang an so umfassend wie möglich für das Hauptprodukt, nämlich Lyocellformkörper, zu nutzen. Die Gewinnung von Nebenprodukten bleibt dabei von hoher Wichtigkeit, insgesamt bleibt dies aber nachrangig. Die bisherigen Bemühungen dahingehend sind gescheitert, da die Reduktion des Zellullosegehaltes in der Faser entweder zu einer massiven Veränderung der Material- und Eigenschaftsparameter der resultierenden (Lyocell-)Faser (oder anderer Varianten von Formkörpern) geführt hat oder andererseits keine stabile grosstechnische Produktion möglich war. Im Gegenteil, für die großtechnische Anwendung eines Chemiezellstoffes im Lyocell-Verfahren wird in einer Vielzahl von Patenten und Publikationen gefordert, dass der Gehalt an Lignin, Hemizellulosen und akzessorischen Bestandteilen äußerst gering sein soll.In order to maximize resource utilization, it would be desirable to be able to use as much material as possible from the raw material wood to produce a lyocell fiber. The primary goal in the pursuit of maximum sustainability and a truly effective biorefinery concept must be to harness the natural raw material of wood as fully as possible from the outset for the main product, namely lyocell moldings. The extraction of by-products remains of great importance, but overall this remains subordinate. The efforts to date have failed because the reduction of the cellulose content in the fiber either led to a massive change in the material and property parameters of the resulting (lyocell) fiber (or other variants of moldings) or on the other hand, no stable large-scale production was possible. On the contrary, for the large-scale application of a chemical pulp in the lyocell process is required in a variety of patents and publications that the content of lignin, hemicelluloses and accessory components should be extremely low.
Aus diesen Gründen ist es wünschenswert, grosstechnisch einsetzbare Technologien zur Verfügung zu stellen, die eine Verminderung des Zelluloseanteils in der Fertigfaser durch Erhöhung des Anteils anderer Holzbestandteile, insbesondere von Hemizellulosen, aber auch Lignin, ohne wesentliche Einschränkungen in Bezug zu den resultierenden Materialparametern ermöglichen. Derzeit sind trotz der Vielzahl an Ansätzen im Stand der Technik keine grosstechnisch brauchbaren Verfahren zur Herstellung derartiger Lyocell-Produkte mit vermindertem Zelluloseanteil bekannt.For these reasons, it is desirable to use large scale technologies for To provide a reduction in the cellulose content in the finished fiber by increasing the proportion of other wood components, in particular hemicelluloses, but also lignin, without significant restrictions in relation to the resulting material parameters. At present, despite the large number of approaches in the prior art, no industrially useful processes for producing such lyocell products with a reduced cellulose content are known.
Die vorstehend genannten Probleme aus dem Stand der Technik werden durch die vorliegende Erfindung überwunden. Die vorliegende Erfindung stellt einen Zellstoff gemäß Anspruch 1 zur Verfügung, ein Lyocellprodukt gemäß Anspruch 9, sowie die Verfahren nach Anspruch 16 und 18. Bevorzugt Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben sowie der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung.The above problems of the prior art are overcome by the present invention. The present invention provides a pulp according to claim 1, a lyocell product according to claim 9, and the methods according to claims 16 and 18. Preferred embodiments of the invention are given in the subclaims and the following detailed description of the invention.
Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung die folgenden Aspekte zur Verfügung, sowie die in den Unteransprüchen als auch der Beschreibung angeführten bevorzugten Ausführungsformen.
- 1. Zellstoff, geeignet zur Herstellung von Lyocellformkörpern, mit einem Anteil an Zellulose von 90 Gew.-% oder weniger und einem Anteil an Hemizellulosen von mindestens 7 Gew.-%, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der in der Hemizellulose vorliegenden C5/Xylan- zur C6/ Mannan-Fraktion (C5/C6-Verhältnis) im Bereich von 125:1 bis 1:3 liegt.
- 2. Zellstoff nach Ausführungsform 1, wobei das C5/C6-Verhältnis im Bereich von 25:1 bis 1:2 liegt.
- 3. Zellstoff nach Ausführungsform 1 und/oder 2, wobei der Anteil an Hemizellulosen 10 Gew.-% oder mehr beträgt.
- 4. Zellstoff nach mindestens einer der vorstehenden Ausführungsformen, dessen Hemizellulosen in nativem Zustand vorliegen, durch Verarbeitungsprozesse chemisch verändert oder in einem separaten Prozessschritt chemisch modifiziert bzw. funktionalisiert wurden.
- 5. Zellstoff nach mindestens einer der vorstehenden Ausführungsformen, mit einem Ligningehalt von mehr als 1 Gew.-%.
- 6. Zellstoff nach mindestens einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei der Zellulosegehalt durch das Vorhandensein von Lignin, akzessorischen Bestandteilen aus dem Holz und/oder die Zugabe von metallischen Verbindungen weiter reduziert wird.
- 7. Zellstoff nach mindestens einer der vorstehenden Ausführungsformen, mit einem Xylananteil von 9 Gew.-% oder mehr und/oder einem Mannangehalt von 6 Gew.-% oder mehr.
- 8. Zellstoff nach Ausführungsform 7, mit einem Xylangehalt von 9 Gew.-% oder mehr und einem Mannangehalt von 1 Gew.-% oder weniger.
- 9. Lyocellformkörper, hergestellt unter Verwendung des Zellstoffs nach einer der Ausführungsformen 1 bis 8.
- 10. Lyocellformkörßer nach Ausführungsform 9, wobei der Formkörper ausgewählt ist unter Fasern, Filamenten, Stapelfasern, Nonwoven-Gewirken, Filmen und Pulvern in spherischer Form.
- 11. Lyocellformkörper nach mindestens einer der Ausführungsformen 9 und/oder 10, wobei der Formkörper eine Faser, ein Filament oder eine Stapelfaser ist, mit einem Zellulosegehalt von weniger als 90 Gew.-%, einem Hemizellulosegehalt von mehr als 5 Gew.-% und einem C5/C6-Verhältnis von 125:1 bis 1:3, bevorzugt 25:1 bis 1:2.
- 12. Lyocellformkörper nach mindestens einer der Ausführungsformen 9 bis 11, wobei der Hemizellulosegehalt mehr als 10 Gew.-% beträgt.
- 13. Lyocellformkörper nach mindestens einer der Ausführungsformen 9 bis 12, wobei der Formkörper eine Faser, ein Filament oder eine Stapelfaser ist mit einem WRV von größer als 70%, bevorzugt größer als 75%, insbesondere größer als 80%.
- 14. Lyocellformkörper nach mindestens einer der Ausführungsformen 9 bis 13, wobei der Formkörper eine
Kristallinität von 40% oder weniger aufweist. - 15. Lyocellformkörper nach mindestens einer der Ausführungsformen 9 bis 14, mit einem Ligningehalt
von mehr als 0 Gew.-% bis zu 5 Gew.-%. - 16. Verfahren zur Herstellung eines Lyocellformkörpers, umfassend die Auflösung eine Zellstoffs mit einem Anteil an
Zellulose von 90 Gew.-% oder weniger und einem Anteil an Hemizellulosen von mindestens 7 Gew.-%, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der in der Hemizellulose vorliegenden C5/Xylan- zur C6/ Mannan-Fraktion (C5/C6-Verhältnis) im Bereich von 125:1 bis 1:3 liegt, in einem geeigneten Lösungsmittel, und Formung der Lösung zu einem Lyocellformkörper. - 17. Verfahren nach Ausführungsform 16, wobei der Lyocellformkörper durch ein Lyocell-Spinnverfahren erhalten wird.
- 18. Verfahren zur Herstellung eines Zellstoffs nach einer der Ausführungsformen 1 bis 8, wobei das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte umfasst:
- a) Mischen eines reinen Zellstoffs mit Xylan und/oder Mannan;
- b) Behandeln eines Zellstoffs mit einem Hemizelluloseanteil einschließlich Mannan, durch chemische und/oder physikalische Verfahren, um den Hemizellulosenanteil und/oder die Zusammensetzung der enthaltenen Hemizellulose zu modifizieren;
- c) Herstellung eines Zellstoffs unter Einsatz von Nadel und/oder Laubhölzern;
- d) Mischen eines Mannan freien Zellstoffs mit einem Hemicellulose reichen Zellstoff und optional anschließende chemische und/oder physikalische Behandlung der Mischung zur Einstellung des Hemizellulosegehalts und/oder der Zusammensetzung des Hemizelluloseanteils;
- e) Mischen zweier Zellstoffe mit unterschiedlichem Hemicellulosegehalt und/oder Hemicellulosenzusammensetzung, und optional anschließende chemische und/oder physikalische Behandlung der Mischung zur Einstellung des Hemizellulosegehalts und/oder der Zusammensetzung des Hemizelluloseanteils.
- 19. Verfahren nach Ausführungsform 18, wobei die unterschiedlichen Zellstoffe ausgewählt werden unter Laub- und Nadelholz basierten Zellstoffen.
- 1. Pulp, suitable for the production of Lyocellformkörpern, with a content of cellulose of 90 wt .-% or less and a content of hemicelluloses of at least 7 wt .-%, characterized in that the ratio of present in the hemicellulose C5 / xylan - to the C6 / mannan fraction (C5 / C6 ratio) in the range of 125: 1 to 1: 3.
- A pulp according to embodiment 1, wherein the C5 / C6 ratio is in the range of 25: 1 to 1: 2.
- 3. pulp according to embodiment 1 and / or 2, wherein the proportion of hemicelluloses is 10 wt .-% or more.
- 4. pulp according to at least one of the preceding embodiments, the hemicelluloses are in the native state, chemically modified by processing processes or chemically modified or functionalized in a separate process step.
- 5. pulp according to at least one of the preceding embodiments, with a Lignin content of more than 1 wt .-%.
- 6. Pulp according to at least one of the preceding embodiments, wherein the cellulose content is further reduced by the presence of lignin, accessory constituents from the wood and / or the addition of metallic compounds.
- 7. pulp according to at least one of the preceding embodiments, with a xylan content of 9 wt .-% or more and / or a Mannangehalt of 6 wt .-% or more.
- A pulp according to Embodiment 7, having a xylene content of 9% by weight or more and a mannan content of 1% by weight or less.
- 9. Lyocellformkörper, prepared using the pulp according to one of embodiments 1 to 8.
- The lyocell mold coater of embodiment 9, wherein the shaped body is selected from fibers, filaments, staple fibers, nonwoven knits, films and powders in spherical form.
- 11. Lyocellformkörper according to at least one of embodiments 9 and / or 10, wherein the shaped body is a fiber, a filament or a staple fiber, having a cellulose content of less than 90 wt .-%, a hemicellulose content of more than 5 wt .-% and a C5 / C6 ratio of 125: 1 to 1: 3, preferably 25: 1 to 1: 2.
- 12. Lyocellformkörper according to at least one of embodiments 9 to 11, wherein the hemicellulose content is more than 10 wt .-%.
- 13. Lyocellformkörper according to at least one of embodiments 9 to 12, wherein the shaped body is a fiber, a filament or a staple fiber with a WRV of greater than 70%, preferably greater than 75%, in particular greater than 80%.
- 14. Lyocellformkörper according to at least one of embodiments 9 to 13, wherein the shaped body has a crystallinity of 40% or less.
- 15. Lyocellformkörper according to at least one of embodiments 9 to 14, with a Lignin content of more than 0 wt .-% up to 5 wt .-%.
- 16. A process for producing a lyocell molding, comprising dissolving a pulp with a content of cellulose of 90 wt .-% or less and a content of hemicelluloses of at least 7 wt .-%, characterized in that the ratio of present in the hemicellulose C5 / xylan to C6 / mannan fraction (C5 / C6 ratio) ranges from 125: 1 to 1: 3, in a suitable solvent, and forming the solution into a lyocell molded article.
- 17. The method of embodiment 16, wherein the lyocell molded article is obtained by a lyocell spinning process.
- 18. A process for the production of a pulp according to one of embodiments 1 to 8, wherein the process comprises at least one of the following steps:
- a) mixing a pure pulp with xylan and / or mannan;
- b) treating a pulp with a hemicellulosic moiety, including mannan, by chemical and / or physical means to modify the hemicellulosic content and / or the composition of the hemicellulose contained;
- c) production of a pulp using needle and / or hardwoods;
- d) mixing a mannan-free pulp with a hemicellulose-rich pulp and optionally subsequent chemical and / or physical treatment of the mixture to adjust the hemicellulose content and / or the composition of the hemicellulose portion;
- e) mixing two pulps with different hemicellulose content and / or hemicellulose composition, and optionally subsequent chemical and / or physical treatment of the mixture to adjust the hemicellulose content and / or the composition of the hemicellulose portion.
- 19. The method of embodiment 18, wherein the different pulps are selected from foliage and softwood based pulps.
-
Abb.1 zeigt die Korrelation von Kristallinität und Wasserrückhaltevermögen von Lyocellfasern der vorliegenden Erfindung sowie von Standard-Lyocellfaser.Fig.1 shows the correlation of crystallinity and water retention of Lyocell fibers of the present invention as well as standard lyocell fiber. -
Abb.2 zeigt das Verhältnis von Xylan zu Mannan in Sulfitzellstoff in Abhängigkeit vom H-Faktor beim Einsatz von Buchenholz.Fig.2 shows the ratio of xylan to mannan in sulfite pulp as a function of H-factor in the use of beech wood. -
Abb.3 zeigt das Verhältnis von Xylan zu Mannan in Sulfitzellstoff in Abhängigkeit vom H-Faktor beim Einsatz von Fichtenholz.Fig.3 shows the ratio of xylan to mannan in sulfite pulp as a function of H-factor in the use of spruce wood.
Wenn im Lyocellprozess der Anteil an Zellulose reduziert wird, bedeutet dies, dass die Einsparung durch andere Stoffe aus dem Holzrohstoff wettgemacht werden soll. Dabei stellt sich das Problem der Prozesstabilität oder der Eigenschaftsveränderung, wenn der Zelluloseanteil gesenkt wird, wie bereits vorstehend ausgeführt. Die wesentlichen Anteile von nichtzellulosischem Material beim Rohstoff Holz sind die Hemizellulosen (im Wesentlichen Polyosen aus den Zuckermonomeren Xylose, Arabinose, Mannose, Galactose, Glucose und Rhamnose), Lignin und akzessorischen Bestandteile.If the proportion of cellulose in the lyocell process is reduced, this means that the savings made by other materials from the wood raw material should be compensated. This raises the problem of process stability or property change when the cellulose content is lowered, as already explained above. The main constituents of non-cellulosic material in the raw material wood are the hemicelluloses (mainly polyoses from the sugar monomers xylose, arabinose, mannose, galactose, glucose and rhamnose), lignin and accessory components.
Zellulose: Sie stellt die Gerüstsubstanz der Zellwände im Holz dar und dient vorwiegend der Zugfestigkeit. Die langen Molekülketten aus Glukoseeinheiten sind in sogenannten Fibrillen mehrfach in helikaler Struktur zusammengelagert. Diese helikale Anordnung in der Zellwand sorgt für eine gute Biegefestigkeit des Baumes z.B. bei einer Windbelastung oder des Holzes z. B. in einer Dachkonstruktion. Zellulose ist hydrophil, aber aufgrund seiner hohen Kristallinität nicht wasserlöslich.Cellulose: It is the skeletal substance of the cell walls in the wood and serves mainly the tensile strength. The long molecular chains of glucose units are assembled in so-called fibrils several times in a helical structure. This helical arrangement in the cell wall ensures a good bending strength of the tree, e.g. at a wind load or wood z. B. in a roof construction. Cellulose is hydrophilic but not water-soluble due to its high crystallinity.
Lignin: Bindemittel für den festen Verbund der Zellulose in Form einer amorphen Matrix. Damit ist Lignin hauptsächlich für die Druckfestigkeit verantwortlich, ist andererseits wenig flexibel und im Gegensatz zur Zellulose hydrophob. Es ist für das Stehvermögen des Baumes zuständig. Pflanzen, die kein Lignin einlagern, erreichen nur geringe Wuchshöhen. Lignin ist biologisch relativ stabil und biologisch nur langsam abbaubar.Lignin: Binder for the firm bonding of cellulose in the form of an amorphous matrix. Thus, lignin is mainly responsible for the compressive strength, on the other hand, is less flexible and hydrophobic in contrast to cellulose. It is responsible for the stamina of the tree. Plants that do not store lignin only reach low stature heights. Lignin is biologically relatively stable and biologically degradable only slowly.
Hemizellulose im Sinne der vorliegenden Erfindung sind im Holz vorliegende Komponenten in Form kurzkettiger Polymere aus C5 und/oder C6-Zuckern. Im Gegensatz zu Zellulose weisen sie Seitengruppen auf und können daher nur in viel geringerem Ausmaß Kristalle bilden. Ihre Grundbausteine sind Mannose, Xylose, Glucose, Rhamnose, Galactose. Die Seitengruppen bestehen vorzugsweise aus Arabinosegruppen, Acetylgruppen und Galactoseresten sowie O-Acetylgruppen und 4-O-Methylglucuronsäureseitengruppen. Es ist bekannt, dass sich Mannane vorzugsweise mit Zellulose assoziiert finden, während Xylane eher mit Lignin assoziieren. Die Zusammensetzung der Hemicellulosen ist je nach verwendeter Holzart stark unterschiedlich. Im Laufe des Verarbeitungsprozesses bei der Herstellung von Zellstoff werden Seitenketten zum Teil abgetrennt und die Polymerketten aufgespalten. Im Rahmen dieser Erfindung umfasst die Bezeichnung Hemizellulosen solche in ihrer nativen Struktur wie auch solche, die durch ihre Verarbeitung verändert wurden und ebenfalls solche, die durch gezielte chemische Modifikation für den jeweiligen Verwendungszweck eingestellt wurden. Ebenfalls umfasst sind auch kurzkettige Zellulosen und andere Polyosen mit einem DP von bis zu 500.Hemicellulose for the purposes of the present invention are components present in wood in the form of short-chain polymers of C5 and / or C6 sugars. In contrast to cellulose, they have side groups and can therefore form crystals only to a much lesser extent. Their basic building blocks are mannose, xylose, glucose, rhamnose, galactose. The side groups preferably consist of arabinose groups, acetyl groups and galactose residues as well as O-acetyl groups and 4-O-methylglucuronic acid side groups. It is known that mannans are preferably associated with cellulose, while xylans are more likely to associate with lignin. The composition of hemicelluloses varies greatly depending on the type of wood used. In the process of manufacturing pulp, side chains are partially separated and the polymer chains split. In the context of this invention, the term hemicelluloses includes those in their native structure as well as those modified by their processing and also those which have been adjusted by specific chemical modification for the particular application. Also included are short chain celluloses and other polyoses with a DP of up to 500.
Akzessorische Bestandteile: Akzessorische Bestandteile sind organische und anorganische Begleitstoffe aus dem Holz, die nicht Lignin, Zellulose und Hemizellulose sind, und üblicher Weise Salze und niedermolekulare organische Verbindungen mit bis zu etwa 100 Atomen umfassen, wie Tannine, Harze, Fette und Wachse, Gerb- und Huminstoffe, Terpene, Terpenoide und phenolische Verbindungen, Pektine, Suberine, Polyphenole und Polyosen.Accessory Ingredients: Accessory ingredients are wood-derived organic and inorganic non-lignin, cellulose, and hemicellulose, and commonly include salts and low molecular weight organic compounds of up to about 100 atoms, such as tannins, resins, fats and waxes, tanning agents. and humic substances, terpenes, terpenoids and phenolic compounds, pectins, suberines, polyphenols and polyoses.
Wenn nun der Zelluloseanteil wie gewünscht in einem Zellstoffmaterial gesenkt wird und andere Bestandteile des Rohstoffes Holz diese Reduktion kompensieren sollen, hat sich überraschenderweise gezeigt, dass es nur durch die Kombination von verschiedenen Zuckerarten in einem bestimmten Verhältnis möglich ist, einen Zellstoff anzugeben, der trotz seines verringerten Zelluloseanteils eine grosstechnische Herstellung von Lyocellprodukten sicher ermöglicht, wobei diese Produkte ebenfalls einen verringerten Zelluloseanteil aufweisen, dennoch aber zufriedenstellende Produkteigenschaften aufweisen.Now, if the cellulose content is lowered as desired in a pulp material and other components of the raw material wood to compensate for this reduction, it has surprisingly been found that it is possible only by the combination of different sugars in a certain ratio to specify a pulp, despite its reduced cellulose content safely allows a large-scale production of lyocell products, which products also have a reduced cellulose content, but still have satisfactory product properties.
Erfindungsgemäß ist wesentlich, dass bei einem reduzierten Zelluloseanteil im Zellstoff von weniger als 90 Gew.-% ein Anteil an Hemizellulosen von mindestens 7 Gew.-% vorliegt, wobei dass das Verhältnis von Zuckern mit fünf C-Atomen wie z. B. Xylan zu Zuckern mit sechs C-Atomen wie z. B. Mannan (im Folgenden C5/C6-Verhältnis genannt) im Bereich von 125:1 bis 1:3 liegt.According to the invention, it is essential that, with a reduced cellulose content in the pulp of less than 90% by weight, a fraction of hemicelluloses of at least 7% by weight is present, whereby the ratio of sugars with five C atoms, such as, for example, B. xylan to sugars with six carbon atoms such. Mannan (hereinafter called C5 / C6 ratio) is in the range of 125: 1 to 1: 3.
Mit einem derartigen Zellstoff lässt sich überraschenderweise die grosstechnische Herstellung von Lyocellprodukten sicher realisieren, obwohl der Zelluloseanteil im Zellstoff abgesenkt ist.With such a pulp, surprisingly, the large-scale production of lyocell products can certainly be realized, even though the cellulose content in the pulp is lowered.
Die hier verwendeten Zellstoffe, die bevorzugt im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, zeigen, wie bereits ausgeführt, einen relativ hohen Gehalt an Hemizellulosen mit der hier definierten Zusammensetzung. Im Vergleich mit Standardzellstoffen mit geringen Hemizellulosengehalt, verwendet insbesondere im Stand der Technik für die Herstellung von Standard Lyocellfasern, zeigen die bevorzugt im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Zellstoffe auch noch weitere Unterschiede, die nachfolgend aufgeführt sind.The pulps used here, which are preferably used in the context of the present invention, show, as already stated, a relatively high content of hemicelluloses the composition defined here. In comparison with standard pulps with low hemicellulosic content, used in particular in the prior art for the production of standard lyocell fibers, the pulps preferably used in the context of the present invention also show other differences which are listed below.
Im Vergleich mit Standardzellstoffen zeigen die bevorzugt im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Zellstoffe eine eher fluffige Anschauung. Dies resultiert nach der Vermahlung (während der Herstellung von Startmaterialien für die Herstellung von Spinnlösungen für den Lyocellprozess) in einer Partikelgrößenverteilung mit einem hohen Anteil an größeren Partikeln. Resultierend daraus ist die Schüttdichte viel geringer, im Vergleich mit Standardzellstoffen mit einem geringen Hemizellulosengehalt. Eine derart niedrige Schüttdichte erfordert Adaptionen im Hinblick auf Dosierungsparameter (z.B. Dosierung unter Verwendung von mindestens zwei Vorratsbehältern) bei der Herstellung der Spinnlösungen. Zusätzlich zeigen die im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eingesetzten Zellstoffe ein Imprägnierungsverhalten gegenüber NMMO, das im Vergleich mit Standardzellstoffen zeigt, dass hier die Imprägnierung schwieriger ist. Dies kann überprüft werden durch die Evaluierung des Imprägnierungsverhaltens mit der Cobb-Evaluierung. Während Standardzellstoffe typischerweise einen Cobb-Wert von mehr als 2,8 g/g zeigen (bestimmt in Übereinstimmung mit DIN EN ISO 535 mit Adaptionen im Hinblick auf die Verwendung einer wässrigen Lösung von 78% NMMO bei 75°C mit einer Imprägnierungszeit von zwei Minuten) zeigen die vorzugsweise im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Zellstoffe Cobb-Werte von etwa 2,3 g/g. Dies erfordert Adaptionen während der Herstellung von Spinnlösungen, wie erhöhte Lösungszeit (z.B. erläutert in
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt der Zellstoff, verwendet für die Herstellung von Lyocellprodukten, vorzugsweise Fasern, wie hier beschrieben, eine SCAN-Viskosität im Bereich von 300 bis 440 ml/g, insbesondere 320 bis 420 ml/g, stärker bevorzugt 320 bis 400 ml/g. Die SCAN-Viskosität wird in Übereinstimmung mit SCAN-CM 15:99 bestimmt, unter Verwendung einer Cupriethylendiaminlösung, einer Methode die dem Fachmann bekannt ist und die mit kommerziell erhältlichen Vorrichtungen durchgeführt werden kann, wie mit der Vorrichtung Auto PulpIVA PSLRheotek, erhältlich von der Firma PSL-Reotek. Die SCAN-Viskosität ist ein wichtiger Parameter der insbesondere die Verarbeitung der Zellstoffe bei der Herstellung von Spinnlösungen beeinflusst. Selbst wenn zwei Zellstoffe eine große Übereinstimmung im Hinblick auf ihre Zusammensetzung etc. zeigen, führen unterschiedliche SCAN-Viskositäten zu einem vollständig verschiedenen Verhalten während der Verarbeitung. In einem direkten Lösungsspinnverfahren, wie dem Lyocellverfahren wird der Zellstoff in NMMO als solches aufgelöst. Es existiert kein Reifungsschritt, vergleichbar beispielsweise mit dem Viskoseverfahren, wo der Polymerisationsgrad der Zellulose an die Bedürfnisse des Verfahrens angepasst werden kann. Daher sind die Spezifikationen für die Viskosität eines Rohzellstoffes typischerweise für den Lyocellprozess in einem kleinen Zielfenster. Ansonsten können Probleme während der Produktion auftreten. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass die Zellstoffviskosität vorzugsweise wie zuvor beschrieben ist. Geringere Viskositäten führen zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Lyocellprodukte. Höhere Viskositäten können insbesondere zu einer erhöhten Viskosität der Spinnlösung führen, so dass das Spinnen insgesamt langsamer wird. Mit geringeren Spinngeschwindigkeiten werden auch geringere Zugverhältnisse erhalten, was erneut einen signifikanten Einfluss auf die Faserstruktur und die Fasereigenschaften haben kann (
Der Ausdruck "Lyocellprozess", bzw. die Ausdrücke "Lyocelltechnologie" und "Lyocellverfahren", sowie sie hier verwendet werden, benennen einen Direktlösungsprozess von Holzcellulosezellstoff oder anderen Zellulose basierten Ausgangsmaterialien in einem polaren Lösungsmittel (z.B. N-Methylmorpholin-n-oxid(NMMO, NMO) oder ionischen Flüssigkeiten). Kommerziell wird diese Technologie verwendet um eine Gruppe an Cellulosestapelfasern herzustellen, kommerziell erhältlich von der Lenzing AG, Lenzing, Österreich unter der Marke TENCEL® oder TENCEL™), die weit verbreitet in der Textilindustrie oder der Nonwoven-Industry verwendet werden. Andere Celluloseformkörper erhalten durch die Lyocelltechnologie wurden auch bereits hergestellt. In Übereinstimmung mit diesem Verfahren wird die Celluloselösung üblicherweise in einem sogenannten dry-wet-spinning-Verfahren extrudiert, unter Verwendung eines Formungswerkzeugs und die geformte Lösung erreicht z.B. nach dem Passieren eines Air-Gaps in ein Fällbad, wo der geformte Körper erhalten wird durch das Ausfällen der Cellulose. Der Formkörper wird gewaschen und optionale getrocknet, nach weiteren Behandlungsschritten. Ein Verfahren für die Herstellung von Lyocellfasern ist z.B. beschrieben in
- Semi-kommerzielle Pilotanlage: etwa 1 kt/a
- Kommerzielle Einheit größer 30 kt/a
- Semi-commercial pilot plant: about 1 kt / a
- Commercial unit greater than 30 kt / a
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich gezeigt, dass insbesondere bei der Faserherstellung im Rahmen eines Lyocellprozesses eine Orientierung in Produktionsrichtung und eine Verstreckung der Fasern stattfindet. Aus einem anfänglichen mehr oder weniger orientierungslosen Mix von verschiedenen Polymeren und anderen Bestandteilen im Dope
wird durch die starke Querschnittverengung an der Spinndüse eine erste Orientierung der Polymere in Produktionsrichtung erreicht. Durch die zusätzliche Verstreckung im Luftspalt nach der Spinndüse und während der folgenden Prozessschritte entsteht eine verstreckte orientierte Faserstruktur der Polymere. Diese Vorgänge sind aus der Fachliteratur gut bekannt.In the context of the present invention, it has been found that, in particular during fiber production in the context of a lyocell process, an orientation takes place in the direction of production and a stretching of the fibers. From an initial, more or less disoriented mix of different polymers and other ingredients in the dope
is achieved by the strong cross-sectional constriction at the spinneret a first orientation of the polymers in the production direction. The additional stretching in the air gap after the spinneret and during the following process steps results in a stretched oriented fiber structure of the polymers. These processes are well known in the literature.
Dabei werden die Fasereigenschaften von der Art und von der Zusammenlagerung der Polymere stark beeinflusst. Es ist weiterhin bekannt, dass zellulosische Fasern, die nach dem Lyocell-Prozeß hergestellt sind, eine sehr hohe Kristallinität von ca. 44 bis 47% aufweisen, während Fasern aus dem Viskoseprozess eine Kristallinität von ca. 29 bis 34% aufweisen. Die Kristallinität beschreibt die Ausrichtung der Zellulosepolymere zu einander und damit z.B ihre Fähigkeit Wasser aufzusaugen, zu quellen und einzulagern. Zusätzlich sind die Polymerketten in den nicht-kristallinen Bereichen der Lyocellfasern stärker geordnet als bei Viskosefasern. Dadurch quellen gewöhnliche Lyocellfasern weniger und sind weniger für stark saugfähige Produkte geeignet als Viskosefasern.The fiber properties are strongly influenced by the type and by the assembly of the polymers. It is also known that cellulosic fibers produced by the lyocell process have a very high crystallinity of about 44 to 47%, while fibers from the viscose process have a crystallinity of about 29 to 34%. The crystallinity describes the alignment of the cellulosic polymers to each other and thus, for example, their ability to absorb, swell and store water. In addition, the polymer chains are more ordered in the non-crystalline regions of the lyocell fibers than in the viscose fibers. As a result, ordinary lyocell fibers swell less and are less suitable for highly absorbent products than viscose fibers.
Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Zellstoffe mit vermindertem Zellulosegehalt wird unerwarteter Weise eine ganz andere Art der Aggregierung der Polymere und damit eine andere Struktur der Lyocell-Fasern ermöglicht. Deren Kristallinität liegt deutlich niedriger, typischer Weise 40% oder weniger, wie 39% oder weniger und beispielsweise im Bereich von 38% bis 30%, wie beispielsweise im Bereich von 37 bis 33%.By using the celluloses with reduced cellulose content according to the invention, a completely different type of aggregation of the polymers and thus a different structure of the lyocell fibers is unexpectedly made possible. Their crystallinity is significantly lower, typically 40% or less, such as 39% or less and, for example, in the range of 38% to 30%, such as in the range of 37 to 33%.
Die Werte für WRV für Fasern in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, isoliert oder in Kombination mit den hier beschriebenen anderen bevorzugten Ausführungsformen, bevorzugt in Kombination mit denhier beschrieben Werten für die Kristallinität der Faser, betragen bevorzugt 70% oder mehr, insbesondere 75% oder mehr, wie 80% oder mehr, z.B. von 70 bis 85%.The values for WRV for fibers in accordance with the present invention, isolated or in combination with the other preferred embodiments described herein, preferably in combination with the fiber crystallinity values described herein, are preferably 70% or greater, more preferably 75% or greater , like 80% or more, eg from 70 to 85%.
Es ist aus der Literatur bekannt, dass auch Xylane eine Kristallstruktur ausbilden, sofern ihre Seitenketten im Verlauf des Produktionsprozesses abgespalten wurden und sie aus einer reinen Xylanlösung ausgefällt werden (Fengel, Wegener S. 113;
Wie in den Beispielen gezeigt, sind die Qualitäten der neuen Lyocell Fasern mit reduziertem Zelluloseanteil denen herkömmlicher TENCEL® Fasern ähnlich. Es wird deutlich, dass die Faserfestigkeiten leicht unter denen der TENCEL® Fasern liegen, in den Beispielen als Festigkeit und Arbeitsvermögen gemessen. Gleichzeitig konnte der Zellulosegehalt deutlich gesenkt werden, in den Beispielen als Glucanwert erfasst. Durch die Aufnahme anderer Holzbestandteile sinkt die Kristallinität um bis zu 21% und die Saugfähigkeit steigt um bis zu 27% deutlich an, in den Beispielen als Kristallinitätsindex und Wasserrückhaltevermögen gemessen. Interessanter Weise liegen die Kristallinitäten der neuen erfindungsgemäßen Lyocellfasern zwischen denen herkömmlicher TENCEL® Fasern und Nonwovens Lenzing Viscose® Fasern, gleichzeitig liegt das WRV im Bereich der Lenzing Viscose®. Das WRV steigt also stärker an als es durch die sinkenden Kristallinität der Fasern zu erklären wäre. Das ist ein deutliches Anzeichen der unerwarteten Eigenschaften, die sich mit der vorliegenden Erfindung realisieren lassen. Die weiteren Bestandteile wie insbesondere Hemizellulosen, aber auch Lignin und akzessorische Bestandteile aus dem Holz sorgen also nicht nur für eine deutliche Ausbeuteerhöhung, also eine verbesserte Nachhaltigkeit, sondern ebenso für eine deutliche Verbesserung der Produkteigenschaften, wie des Wasserrückhaltevermögens.As shown in the examples, the grades of the new reduced cellulosic lyocell fibers are similar to those of conventional TENCEL® fibers. It can be seen that the fiber strengths are slightly lower than those of the TENCEL® fibers, measured in the examples as strength and workability. At the same time, the cellulose content could be significantly reduced, recorded in the examples as glucan value. The uptake of other wood constituents reduces the crystallinity by up to 21% and the absorbency increases significantly by up to 27%, measured in the examples as crystallinity index and water retention capacity. Interestingly, the crystallinities of the new lyocell fibers according to the invention lie between those of conventional TENCEL® fibers and nonwovens Lenzing Viscose® fibers; at the same time, WRV is in the Lenzing Viscose® range. Thus, the WRV increases more than would be explained by the decreasing crystallinity of the fibers. This is a clear indication of the unexpected properties that can be realized with the present invention. The other ingredients such as in particular hemicelluloses, but also lignin and accessory Components from the wood therefore not only ensure a significant increase in yield, ie improved sustainability, but also a significant improvement in product properties, such as water retention capacity.
Wie in Anspruch 1 definiert, ist der erfindungsgemäße Zellstoff durch einen verminderten Zellulosegehalt, einen Mindestgehat an Hemizellulosen und ein bestimmtes C5/C6-Verhältnis im Hinblick auf die Zusammensetzung der Hemizellulose gekennzeichnet.As defined in claim 1, the pulp of the invention is characterized by a reduced content of cellulose, a minimum amount of hemicelluloses and a certain C5 / C6 ratio with respect to the composition of the hemicellulose.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Zellstoff, der auch eine Mischung unterschiedlicher Zellstoffe sein kann (solange die wesentlichen Bedingungen eingehalten werden), ein Zellstoff der einen Hemicelluloseanteil von von 7 bis 50 Gew.-% , bevorzugt 7 bis 25 Gew.-%, stärker bevorzugt 10 bis 20 Gew.-%.In a preferred embodiment, the pulp, which may also be a mixture of different pulps (as long as the essential conditions are met), is a pulp having a hemicellulose content of from 7 to 50% by weight, preferably from 7 to 25% by weight preferably 10 to 20 wt .-%.
Der erfindungsgemäß zu verwendende Zellstoff ist weiterhin vorzugsweise ein Zellstoff, der einen Xylananteil von mindestens 9 Gew.-% aufweist, bevorzugt einen Anteil von mindestens 10 Gew.-%. Der Anteil an Mannan kann, in Kombination oder unabhängig davon in einem weiten Bereich gewählt werden, solange das erfindungsgemäß definierte Verhältnis erfüllt ist. Geeignete Mannangehalte liegen im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-%, wie von 0,1 bis 9 Gew.-% und in Ausführungsformen von 0,1 bis 6 Gew.-%, von 0,1 bis 4 Gew.-%, von 5 bis 10 Gew.-%, von 6 bis 10 Gew.-% etc. In Ausführungsformen liegt der Mannangehalt im Bereich von 0,1 bis 1 Gew.-%, vorzugsweise in Kombination mit einem Xylangehalt von mindestens 9 Gew.-%, bevorzugt mindestens 10 Gew.-%. In anderen Ausführungsformen ist der Mannangehalt höher, vorzugsweise im Bereich von 6 Gew.-% oder mehr.The pulp to be used according to the invention is furthermore preferably a pulp which has a xylan content of at least 9% by weight, preferably a fraction of at least 10% by weight. The proportion of mannan can, in combination or independently, be chosen within a wide range, as long as the ratio defined according to the invention is fulfilled. Suitable mannan contents are in the range of 0.1 to 10% by weight, such as from 0.1 to 9% by weight and in embodiments from 0.1 to 6% by weight, from 0.1 to 4% by weight. %, from 5 to 10% by weight, from 6 to 10% by weight, etc. In embodiments, the Mannangehalt in the range of 0.1 to 1 wt .-%, preferably in combination with a xylan content of at least 9 wt. -%, preferably at least 10 wt .-%. In other embodiments, the Mannangehalt is higher, preferably in the range of 6 wt .-% or more.
In einer bevorzugten Ausführungsform, isoliert oder in Kombination mit den vorstehend und nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen, liegt der Celluloseanteil im Zellstoff in einem Bereich von gleich oder weniger als 90 Gew.-% bis 50 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 90 Gew.-% bis 60 Gew.-%, wie von 85 Gew.-% bis 70 Gew.-%.In a preferred embodiment, isolated or in combination with the embodiments described above and below, the cellulose content in the pulp is in a range of equal to or less than 90% by weight to 50% by weight, preferably in the range of 90% by weight. % to 60 wt%, such as from 85 wt% to 70 wt%.
Das Gewichstverhältnis von Cellulose zu Hemizellulose kann im Bereich von 1:1 bis 20:1 liegen. Der Anteil an akzessorischen Bestandteilen kann mehr als 0,05 Gew. % betragen, bevorzugt mehr als 0,2 Gew.-%, stärker bevorzugt mehr als 0,5 Gew.-%. Es hat sich unerwarteter Weise gezeigt, dass mit derartigen Anteilen an akzessorischen Bestandteilen im erfindungsgemäßen Zellstoff der Effekt unterstützt werden kann, dass das C5/C6-Verhältnis auch in den hergestellten Lyocellprodukten, insbesondere Fasern, stabil und der Hemizellulosegehalt sich nicht wesentlich verändert (d.h. der Gehalt sinkt im Lyocellprodukt nicht oder nur in geringem Maße ab im Vergleich zum Zellstoff).The weight ratio of cellulose to hemicellulose may range from 1: 1 to 20: 1. The level of accessory constituents may be more than 0.05% by weight, preferably more than 0.2% by weight, more preferably more than 0.5% by weight. It has unexpectedly been found that with such proportions of accessory constituents in the pulp according to the invention, the effect can be promoted that the C5 / C6 ratio is also stable in the prepared lyocell products, in particular fibers, and the hemicellulose content does not change significantly (ie the content does not decrease in the lyocell product or only slightly in comparison to the pulp).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird durch das erfindungsgemässe C5/C6-Verhältnis ein derart hohes Rückhaltevermögen erreicht, dass gleichzeitig ein Anteil von Metallverbindungen, in der Regel vorliegend als deren Oxyde und Hydroxyde von bis zu 25 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Lyocellprodukts (z.B. Mg(OH)2 oder Al(OH)3 zu Flammschutzzwecken) ermöglicht wird, was den Zelluloseanteil weiterhin substanziell reduziert. Solche Metallverbindungen sind insbesondere TiO2, Al2O3, MgO, SiO2, CeO2, Mg(OH)2, Al(OH)3, BN, ZnO und stammen teilweise aus den mineralischen Bestandteilen des Holzes bzw. können der Zelluloselösung als funktionelle Additive (Flammschutz, Mattierungsmittel, Biozid...) zugesetzt werden.In a further preferred embodiment, the inventive C5 / C6 ratio achieves such a high retention capacity that at the same time a proportion of metal compounds, generally present as their oxides and hydroxides of up to 25% by weight, based on the weight of the lyocell product (eg, Mg (OH) 2 or Al (OH) 3 for flame retardancy purposes), which further substantially reduces the cellulose content. Such metal compounds are in particular TiO 2 , Al 2 O 3 , MgO, SiO 2 , CeO 2 , Mg (OH) 2 , Al (OH) 3 , BN, ZnO and originate in part from the mineral constituents of the wood or can be used as the cellulose solution functional additives (flame retardant, matting agent, biocide ...) are added.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind Lyocellfasern mit einem auf bis zu unter 70% reduzierten Zelluloseanteil herstellbar, die den praktischen Anforderungen im Vergleich mit den bekannten Lyocellfasern (mechanische Festigkeiten etc.) nicht nur entsprechen, sondern bedingt durch die erfindungsgemäß resultierenden neuen Eigenschaften für manche Anwendungen sogar noch besser geeignet sind. Die entsprechenden Untersuchungen haben ergeben, dass Fasern in der vorgeschlagenen Zusammensetzung insbesondere ein erhöhtes Wasserrückhaltevermögen und eine rasche, biologische Abbaubarkeit bei der Kompostierung aufweisen.In a further preferred embodiment, lyocell fibers having a cellulose content reduced to less than 70% can be prepared which not only meet the practical requirements in comparison with the known lyocell fibers (mechanical strengths, etc.), but also due to the novel properties resulting for some applications even better. The investigations have shown that fibers in the proposed composition have, in particular, an increased water retention capacity and a rapid biodegradability during composting.
Erfindungsgemäß hat sich das Verhältnis von C5/C6-Zuckern der nicht-zellulosischen Polymere als ein wichtiger Faktor zur Einstellung der Faserzusammensetzung und ihrer daraus resultierenden Eigenschaften gezeigt. Durch gezielte Einstellung dieses Verhältnisses, auch in Kombination mit dem Gehalt an Hemizellulosen lassen sich so gewünschte Produkteigenschaften gezielt einstellen.According to the invention, the ratio of C5 / C6 sugars of the non-cellulosic polymers has been shown to be an important factor in adjusting the fiber composition and its resulting properties. Through targeted adjustment of this ratio, also in combination with the content of hemicelluloses, desired product properties can be adjusted in a targeted manner.
Dem Fachmann ist in diesem Zusammenhang bekannt, wie er das C5/C6-Verhältnis steuern bzw. einstellen kann. Dies kann durch eine Mischung von verschiedenen Zellstoffen wie z. B. Nadelholzzellstoffen mit einem höheren Mannananteil mit Laubholzzellstoffen mit einem höheren Xylananteil erreicht werden. Versuche haben eine weitere sehr wirkungsvolle Möglichkeit zur entsprechenden Einstellung bestätigt. Durch eine gezielte Einstellung der Kochparameter wie z. B. dem H-Faktor, kann das Verhältnis von C5- zu C6-Zuckern gesteuert werden. Dies wird in den Abbildungen 2 und 3 dargestellt. Der H-Faktor gilt als ein wesentlicher Parameter zur Steuerung der Sulfitkochung (Sixta (Vol. 1 2006) S. 432). Er fasst Kochtemperatur und Kochzeit als eine Größe zusammen.The person skilled in the art is aware of how he / she can control or adjust the C5 / C6 ratio. This can be achieved by a mixture of different pulps such. As softwood pulps with a higher Mannananteil be achieved with hardwood pulps with a higher xylan content. Attempts have confirmed another very effective way to adjust accordingly. By a targeted adjustment of cooking parameters such. As the H-factor, the ratio of C5 to C6 sugars can be controlled. This is shown in Figures 2 and 3. The H factor is considered to be an essential parameter for the control of sulfite boiling (Sixta (Vol. 1 2006) p. 432). He summarizes cooking temperature and cooking time as one size.
Bei Einsatz von Nadelholz ist das Hemizellulosenverhältnis anders herum. Der Anteil von Mannan im Holz und im Zellstoff ist höher. Hier wird entgegen der Erwartung Mannan schneller abgebaut als Xylan wie aus
Eine weitere Möglichkeit, die erfindungsgemäße Zellstoffzusammensetzung einzustellen, ist das Zumischen von C5- und/oder C6-Zuckern, die vorher in anderen Prozessen bzw. Prozessschritten gewonnen wurden, wie z. B. in einer alkalischen Extraktion, sei es eine Kalt-Alkaliextraktion oder eine E-Stufe oder ähnliches. Für die Herstellung von Viskose sind die Zugabe von Hemizellulosen in gelöster Form zur Spinnmasse und die anschließende gemeinsame Ausspinnung bekannt (
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass die genaue Beachtung der Hemizellulose-Zusammensetzung ein entscheidender Punkt für die technische Produktion von Lyocellformkörpern, insbesondere Fasern, darstellt. Eine grosstechnisch umsetzbare Mitverwendung von Hemizellulose in der Faserstruktur ist nur dann möglich, wenn der Anteil der C5-Fraktion mit dem Anteil der C6-Fraktion in Korrelation gebracht wird. Bevorzugt ist das Verhältnis von Xylan zu Mannan zwischen 18:1 bis 1:3, bevorzugt 9:1 bis 1:2., Gleichzeitig ermöglicht ein solches Mischungsverhältnis den Einbau von 0,5-5 Gew.% Lignin (und/oder anderer akzessorischer Bestandteile) in die Faserstruktur, ohne die gewünschten Eigenschaften in nachteiligem Ausmaß zu beeinträchtigen.It has surprisingly been found that careful consideration of the hemicellulose composition is a decisive factor for the industrial production of lyocell molded articles, in particular fibers. A co-utilization of hemicellulose in the fiber structure is only possible if the proportion of the C5 fraction is correlated with the proportion of the C6 fraction. Preferably, the ratio of xylan to mannan is between 18: 1 to 1: 3, preferably 9: 1 to 1: 2. At the same time, such a mixing ratio allows the incorporation of 0.5-5% by weight of lignin (and / or other accessory Constituents) into the fiber structure without adversely affecting the desired properties.
Die erfindungsgemäß bereitgestellten Fasern weisen übliche Fasertiter auf, wie 7 dtex oder weniger, beispielsweise 2,2 dtex oder weniger, wie 1,3 dtex, oder weniger, ggf. auch noch geringer, wie 0,9 dtex oder weniger, in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung. Für Anwendungen im Nonwoven-Bereich sind insbesondere Titer von 1,5 bis 1,8 dtex typisch, während für Textilanwendungen geringere Titer, wie 1,2 bis 1,5 dtex geeignet sind. Die vorliegende Erfindung umfasst aber auch Fasern mit noch geringeren Titern ebenso wie Fasern mit deutlich höheren Titern, wie 10 dtex oder weniger, wie 9 dtex oder weniger, oder auch 7 dtex oder weniger. Geeignete untere Grenzen für Fasertiter sind Werte von 0,5 dtex oder mehr, wie 0,8 dtex oder mehr und in Ausführungsformen 1,3 dtex oder mehr. Die hier offenbarten oberen und unteren Grenzwerte könne kombiniert werden und die dadurch geformten Bereiche, wie von 0,5 bis 9 dtex, sind ebenfalls mit umfasst. Überraschend ermöglicht die vorliegende Erdfindung die Herstellung von Fasern mit Titern, die den Einsatz im gesamten Spektrum der Faseranwendungen ermöglicht, umfassend Textilanwendungen als auch Nonwoven Anwendungen.The fibers provided according to the invention have typical fiber titers, such as 7 dtex or less, for example 2.2 dtex or less, such as 1.3 dtex or less, possibly even lower, such as 0.9 dtex or less, depending on the desired application. For applications in the nonwoven sector, titres of 1.5 to 1.8 dtex are typical, while for textile applications lower titers, such as 1.2 to 1.5 dtex are suitable. However, the present invention also includes fibers having even lower titers, as well as fibers having significantly higher titers, such as 10 dtex or less, such as 9 dtex or less, or even 7 dtex or less. Suitable lower limits for fiber titers are values of 0.5 dtex or greater, such as 0.8 dtex or greater and, in embodiments, 1.3 dtex or greater. The upper and lower limits disclosed herein may be combined and the regions formed thereby, such as from 0.5 to 9 dtex, are also included. Surprisingly, the present invention enables the production of fibers with titers, which allows use in the entire spectrum of fiber applications, including textile applications as well as nonwoven applications.
Soweit in dieser Anmeldung auf Parameter Bezug genommen wird, werden diese wie hierbeschrieben bestimmt. Dabei ist wesentlich, dass diese Parameter erhalten werden mit den Fasern als solches, umfassend maximal 1 Gew.-% Additive, wie Mattierungsmittel etc. Allerdings können die hier beschriebenen Fasern selbstverständlich konventionelle Additive in üblichen Mengen ausweisen, soweit dies nicht die Herstellung von Spinnlösungen und/oder das Herstellungsverfahren der Fasern beeinträchtigt.As far as parameters are referred to in this application, they are determined as described herein. It is essential that these parameters are obtained with the fibers as such, comprising a maximum of 1 wt .-% additives, such as matting agent, etc. However, the fibers described here can of course conventional additives in conventional amounts, unless this is the production of spinning solutions and / or affects the manufacturing process of the fibers.
Die nachfolgenden Beispiele illustrieren Aspekte der vorliegenden Erfindung.The following examples illustrate aspects of the present invention.
Die Bestimmung des Kristallinitätsindex erfolgt mittels Raman-Spektroskopie. Diese Methode wird mit Daten aus der Röntgenweitwinkelmethode (WAX) kalibriert und wurde von Röder et al. (2009) (
Die Probe wird bei 20 ±0,1 °C über Nacht quellen gelassen. Nach weiterer Verdünnung wird die Probe gemäß Zellcheming-Merkblatt IV/33/57 bei 3000-facher Erdbeschleunigung in einer Zentrifuge abgeschleudert. Das Wasserrückhaltevermögen berechnet sich dann wie folgt:
Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Einstellung des C5/C6-Verhältnisses, für zwei Holzarten, am Beispiel der Variation des H-Faktors im Magnesium-Bisulfit-Aufschluss.
Im Technikum wurde ein neuer erfindungsgemäßer Kraft-Chemiezellstoff aus Eukalyptusholz nach dem VisCBC-Verfahren hergestellt. Der H-Faktor betrug 1200, das Effektivalkali in der Kochlauge lag bei 25 g/l. Die Bleiche erfolgte nach einer TCF-Sequenz. Relevante Prozessinformationen und Produkteigenschaften sind in Tabelle 2 angegeben.
Bei diesem neuen Chemizellstoff mit reduziertem Zellulosegehalt wurde das Xylan-zu-Mannan-Verhältnis extrem in die Höhe getrieben, nämlich auf 121 in der fertigen Faser, und gleichzeitig der Zellulosegehalt mit ca. 85% sehr niedrig gehalten werden. Dieser neue Zellstoff erfüllt in jeder Hinsicht die Anforderungen des Lyocell-Verfahrens zur Herstellung der neuen Lyocell-Faser mit reduziertem Zellulosegehalt.With this new chemical pulp with reduced cellulose content, the xylan-to-mannan ratio has been pushed extremely high, namely to 121 in the finished fiber and at the same time the cellulose content is kept very low at about 85%. This new pulp meets in every respect the requirements of the Lyocell process for the production of the new lyocell fiber with reduced cellulose content.
In Tabelle 3 sind die Gehälter der Zuckermonomere der Ausgangszellstoffe für die Lyocell-Faserherstellung zusammen gefasst.
Tabelle 4 zeigt mechanische Kennwerte für Standard Fasern (Lyocell und Viskose) im Vergleich mit Kennwerten, die mit Lyocellfasern erreicht wurden, die mit erfindungsgemäßen Zellstoffen hergestellt wurde. Die Ergebnisse demonstrieren eindrücklich die Vorteile der vorliegenden Erfindung.Table 4 shows mechanical characteristics for standard fibers (lyocell and viscose) compared with characteristics obtained with lyocell fibers made with pulps of the invention. The results clearly demonstrate the advantages of the present invention.
Sowohl bei Technikumsversuchen als auch bei grosstechnisch hergestellten Lyocellfasern in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt sich, dass für kommerziell relevante Titer akzeptable Werte für Festigkeit und Arbeitsvermögen realisiert werden können, trotz erheblich abgesenktem Zelluloseanteil. Gleichzeitig erhöht sich das WRV drastisch, sodass derartige Fasern für neue Anwendungsbereiche interessant werden, die bislang von Viskosefasern besetzt sind. Im Vergleich mit kommerziell erhältlichen Viskosefasern können aber mit den erfindungsgemäßen Lyocellfasern deutlich höhere mechanische Kennwerte erreicht werden.Both pilot plant and large scale lyocell fibers in accordance with the present invention show that acceptable levels of strength and workability can be realized for commercially relevant titers, despite substantially reduced cellulose levels. At the same time, the WRV is drastically increasing, so that such fibers are interesting for new applications, which are so far occupied by viscose fibers. In comparison with commercially available viscose fibers, however, significantly higher mechanical characteristics can be achieved with the lyocell fibers according to the invention.
Die neuen, erfindungsgemäßen Lyocellfasern kombinieren also die jeweils vorteilhaften Eigenschaften bislang kommerziell erhältlicher Lyocell- bzw. Viskosefasern.
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