DE102023129562A1

DE102023129562A1 - Profilierte Zellulosefaser mit verbesserter Zugkraft und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102023129562A1
Application number: DE102023129562.4A
Authority: DE
Inventors: Dominik Mayer; Josef Schachtner; Antje Ota; Frank Hermanutz; Ronald BEYER
Original assignee: Kelheim Fibres GmbH
Current assignee: Kelheim Fibres GmbH
Priority date: 2023-10-26
Filing date: 2023-10-26
Publication date: 2025-04-30
Also published as: WO2025087981A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft profilierte Zellulosefaser mit einem Aspektverhältnis der größten zur kleinsten Querschnittsdicke der Zellulosefaser von mindestens 1,25, einer Feinheit von höchstens 50 dtex und einer Höchstzugkraft von mindestens 22 cN/tex. Solche Fasern können mit Vorteil für Anwendungen mit hohem mechanischen Festigkeitsbedarf und einem hohen Wasserrückhaltevermögen eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zur Herstellung solcher profilierter Zellulosefasern, Vorrichtungen, die zur Herstellung solcher Zellulosefasern angepasst sind und Verwendungen der erfindungsgemäßen Zellulosefasern zu Herstellung von Garnen, Geweben oder Vliesstoffs oder als Verstärkungsmaterial in Baustoffen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft profilierte Zellulosefasern mit einem Aspektverhältnis der größten zur kleinsten Querschnittsdicke der Zellulosefaser von mindestens 1,25, einer Feinheit von höchstens 50 dtex und einer Höchstzugkraft von mindestens 22 cN/tex. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zur Herstellung solcher profilierter Zellulosefasern, Vorrichtungen, die zur Herstellung solcher Zellulosefasern angepasst sind und Verwendungen der erfindungsgemäßen Zellulosefasern zu Herstellung von Garnen, Geweben oder Vliesstoffs oder als Verstärkungsmaterial in Baustoffen.
Stand der Technik
Mehrgliedrige Viskosefilamente weisen gegenüber herkömmlichen Viskosefilamenten mit kreisförmigem Querschnitt ein größeres Volumen auf, da die Umfangsfläche der mehrgliedrigen Filamente oder Fasern größer ist als ihre tatsächliche Querschnittsfläche. Solche Viskosefasern werden daher bevorzugt in Textilanwendungen verwendet, in denen Bauschigkeit beabsichtigt wird, beispielsweise in Florgewebe. Ein Filamentgarn, das aus X- oder Y-förmigen Viskose-Endlosfilamenten besteht, ist beispielsweise in der japanischen Patentanmeldung JPS-61-113812 beschrieben.
Ein weiterer Vorteil von profilierten Viskosefilamenten ist ihre erhöhte Saugfähigkeit im Vergleich zu Filamenten mit rundem Querschnitt. Als Stapelfasern verarbeitete profilierte Filamente können daher zweckmäßig zur Herstellung von absorbierenden Produkten, wie beispielsweise Tampons, Tücher und Tupfer, verwendet werde. Das UK-Patent 1 333 047 beschreibt hierzu beispielsweise eine absorbierende Viskosefaser, in der die Filamente eine kollabierte Hohlstruktur und einen mehrgliedrigen Querschnitt aufweisen. Obwohl diese Filamente im Vergleich zu herkömmlichen Viskosefilamenten eine relativ hohe Saugfähigkeit aufweisen, haben sie den Nachteil, dass sie kompliziert herzustellen sind, da die Filamente mit einer aufgeblasenen, hohlen Struktur geformt und anschließend kollabiert werden müssen. Das Verfahren in UK-1 333 047 angegebene Verfahren hat darüber hinaus den Nachteil, dass das Kollabieren der Faser schwierig so gesteuert werden kann, dass ein gleichmäßiger Filamentquerschnitt erreicht wird, so dass die resultierenden Filamente meist unregelmäßige vielgliedrige Querschnittsformen aufweisen.
Die US 5,458,835 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Viskosefilamenten in Stapelfaserform, die eine Feinheit von mindestens 5.0 dtex und einen mehrgliedrigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise mit einer Y, X, H oder T-förmigen Ausbildung. Gemäß dem Verfahren in der US 5,458,835 wird zur Herstellung der Fasern Viskose extrudiert und in ein Bad aus wässriger Schwefelsäure, Zinksulfat und Natriumsulfat eingeleitet. Anschließend werden die Fasern mit einem Verhältnis von 50% verstreckt, zu einem Stapelfasergarn konfektioniert und gewaschen und getrocknet. Die so hergestellten Fasern wiesen eine Höchstzugkraft (filament tenacity) von etwa 15 bis 19 cN/tex auf.
Die in der US 5,458,835 beschriebenen Viskosefilamente weisen für Anwendungen, bei denen es in erster Linie auf die Saugfähigkeit der Fasern ankommt, eine ausreichende Festigkeit auf. Diese reicht aber für anspruchsvollere Anwendungen, bei denen die Fasern höheren Zugkräften ausgesetzt sind (z.B. Anwendungen, in denen die Fasern zu Verstärkungszwecken eingesetzt werden) nicht aus. Es besteht daher ein Bedarf für profilierte Zellulosefasern mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und insbesondere einer verbesserten Festigkeit gegenüber einer Zugweinwirkung.
Profilierte Zellulosefasern mit mehrschenkeligem Querschnitt werden in der EP 2732980 B1 beschrieben, wobei ein im Vergleich zum Stand der Technik erhöhter Titer und eine verbesserte Saugfähigkeit bereitgestellt werden soll. Mechanische Eigenschaften wie eine Höchstzugkraft der hergestellten Zelllosefasern werden in diesem Dokument allerdings nicht angegeben.
Flache Zellulosefasern mit einem Breite/Dicke Verhältnis von 10:1 oder mehr und einem Gehalt an mindestens 98% Zellulose, die transparent sein sollen, sind in der EP 2785899 B1 beschrieben. In der EP 2785899 B1 werden solche Fasern durch Verspinnen einer Viskosespinnmasse mit einem Koagulationsverzögerer in ein Spinnbad mit einem Schwefelsäuregehalt von 100 bis 140 g/l erzeugt, wobei die Spinnfäden mit einem Düsenverzug von 2,0 bis 3,0 abgezogen und mit einem Verhältnis von 20% -35% verstreckt werden.
Ein weiteres Problem von im Stand der Technik vorgeschlagenen profilierten Zellulosefasern stellt das zu ihrer Herstellung angegebene Verfahren dar, bei dem das Material nach der Extrusion in ein relativ hoch konzentriertes Säurebad eingebracht wird. Dieses enthält zusätzlich reinen relativ hohen Salzanteil (in Form von Natrium- und Zinksulfat), der eine hohe Salzfracht der Fällungslösung bedingt und sich in hohen Entsorgungskosten der Reaktionsmischung auswirkt, insbesondere zumal die eingesetzte Schwefelsäure für eine Entsorgung ebenfalls neutralisiert werden muss. Dies hat relativ hohe Kosten für die Herstellung solcher Fasern zur Folge.
Vor diesem Hintergrund besteht auch ein Bedarf nach kostengünstiger und ökonomischer bzw. umweltverträglicher herzustellenden profilierten Zellulosefasern.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit diesem Bedarf.
Beschreibung der Erfindung
In den dieser Erfindung zu Grunde liegenden Untersuchungen wurde überraschend gefunden, dass eine Profilierung von Zellulosefasern auch dann erhalten bleibt, wenn die Fasern mit einem im Vergleich zum Stand der Technik, deutlich vergrößerten Verhältnis verstreckt werden. Hier wäre normalerweise zu erwarten, dass bei höherer Verstreckung eine Profilierung weitgehend nivelliert wird, zumal das Material bei der Verstreckung noch relativ flexibel ist. Diese Nivellierung kann aber durch die Einstellung der Verarbeitungsviskosität der Spinnlösung soweit unterdrückt werden, dass das durch eine Profildüse generierte Profil in wünschenswertem Umfang erhalten bleibt. Durch die höhere Verstreckung wird in der Folge eine höhere lineare Ausrichtung der Zelluloseketten erreicht, was verbesserte Zugeigenschaften zur Folge hat.
Es wurde weiterhin überraschend gefunden, dass solche profilierten Zellulosefasern mit Hilfe eines Verfahrens hergestellt werden können, bei dem die Zellulose für das Verspinnen in einer ionischen Flüssigkeit (als Direktlösemittel) gelöst wird und die durch Extrusion generierten Stränge in einem wässrigen Koagulationsmedium zu Zellulose-Filamenten ausgefällt werden. Im Rahmen dieser Behandlung verändert sich zwar die durch Extrusionsdüsen zunächst erzeugte Profilstruktur in Folge des starken Verstreckens teilweise, bleibt aber soweit erhalten, dass durch die Einstellung der Düsengeometrie eine gewünschte Profilstruktur gezielt realisiert werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung demzufolge eine profilierte Zellulosefaser mit einem Aspektverhältnis der größten zur kleinsten Querschnittsdicke der Zellulosefaser von mindestens 1,25, einer Feinheit von höchstens 50 dtex und einer Höchstzugkraft (trocken) von mindestens 22 cN/tex.
Das Aspektverhältnis wird im Kontext der hier beschriebenen Erfindung als Mittelwert des Aspektverhältnisses aus dem Querschnitt von 10 zufällig ausgewählten Fasern bestimmt.
Das angegebene Aspektverhältnis ist ein Maß für die Abweichung der Profilform der angebenden Zellulosefasern von einer runden Profilform, bei der das Aspektverhältnis „1,0“ ist. Je größer das Aspektverhältnis, desto größer ist die Abweichung der Profilform von einer runden Profilform. Für das Aspektverhältnis ist ein stärker von einer runden Profilform abweichendes Aspektverhältnis bevorzugt, wobei es sich als günstig herausgestellt hat, wenn die Zellulosefaser ein Aspektverhältnis im Bereich von 1,3 bis 5, insbesondere im Bereich von 1,5 bis 4,0, und weiter bevorzugt im Bereich von 1,7 bis 4,0 aufweist.
Der Ausdruck „Zelluloseregeneratfaser“ bezeichnet eine Zellulosefaser, die nicht natürlichen Ursprungs ist, und die eine Dicke und Länge aufweisen kann, die in natürlichen Fasern nicht erreicht wird. Im Kontext der hier beschriebenen Erfindung haben die Begriffe „Zellulosefaser“ und „Zelluloseregeneratfaser“ mit synonyme Bedeutung, wenn sie sich auf erfindungsgemäß herzustellende Produkte und Fasern beziehen, da es sich bei den erfindungsgemäßen profilierten Zellulosefasern um Zelluloseregeneratfasern handelt.
Die Feinheit ist ein Maß für die Dicke der Fasern und ist auf höchstens 50 dtex beschränkt.
Für die Höchstzugkraft (trocken) günstig erreichbare und einstellbare Bereiche liegen bei von 25 bis 50 cN/tex, insbesondere im Bereich von 25 bis 32 cN/tex, und weiter bevorzugt im Bereich von 25 bis 30 cN/tex. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die erfindungsgemäßen Zellulosefasern eine Höchstzugkraft (nass) im Bereich 10-30 cN/tex und insbesondere 15-25 cN/tex aufweist. „Trocken“ bezeichnet hier dem Umstand, dass die Höchstzugkraft für (in Bezug auf Wasser) trockene Fasern bestimmt wird. „Nass“ heißt hingegen, dass die Fasern bei der Bestimmung Nass im Sinne von auf der Faseroberfläche vorhandenem Wasser waren. Solche Zugkrafteigenschaften stellen eine ausreichende Belastungsfähigkeit sicher, die für eine Verwendung der Fasern für Verstärkungszwecke von Bedeutung ist.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Dehnung der erfindungsgemäßen Zellulosefasern im Bereich von 3 bis 18%, bevorzugt 5 bis 10 %, weiter bevorzugt 5 bis 8% liegt. Die Dehnung und Höchstzugkraft wird im Kontext der hier beschriebenen Erfindung mittels DIN EN ISO 5079: 2020 bestimmt.
Eine noch weitere Eigenschaft, die für erfindungsgemäße Zellulosefasern eingestellt werden kann, ist der Modul, der für eine Dehnung im Bereich von 0,2 bis 0,4 % vorzugsweise im Bereich von 500 bis 2500 cN/tex, insbesondere von 800 bis 2000 cN/tex und weiter bevorzugt von 600 bis 1600 cN/tex liegt. Der Modul wird im Kontext der hier beschrieben Erfindung nach BISFA bei 5% Dehnung gemessen.
Hinsichtlich ihrer Dimensionen unterliegen die erfindungsgemäßen Zellulosefasern keinen relevanten Beschränkungen mit der Maßgabe, dass diese die angegebene Feinheit von 50 dtex nicht überschreiten. Für die meisten Anwendungen der Zellulosefasern ist es zweckmäßig, wenn diese eine Feinheit im Bereich von 2 bis 20 dtex, und insbesondere im Bereich von 3 bis 9 dtex aufweisen. In einer gewissen Korrelation mit der Feinheit der Zellulosefasern steht der Faserdurchmesser, bei dem sich durch die Profilform des Querschnitts allerdings Abweichungen gegenüber runden Fasern ergeben. Aus diesem Grund wird für die erfindungsgemäßen Zellulosefasern auch der „größte Faserdurchmesser“ angegeben, der sich dadurch ergibt, dass ein Kreis, der den Faserquerschnitt vollständig einschließt, um diesen gelegt, und dessen Durchmesser bestimmt wird. Für diesen größten Faserdurchmesser ist es bevorzugt, wenn es für die erfindungsgemäßen Zellulosefasern in einem Bereich von 11 bis 150 µm, und insbesondere 12 bis 70 µm eingestellt ist.
Die erfindungsgemäßen Zellulosefasern zeichnen sich dadurch aus, dass sie in praktisch unbegrenzter Länge (d.h. als Endlosfasern bzw. „Filamente“) hergestellt werden können. Demzufolge sind die erfindungsgemäßen Zellulosefasern in einer bevorzugten Ausführungsform als Endlosfasern ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft liegt das Filament aufgewickelt, z.B. auf einer Spule, vor. Die Fasern können andererseits auf jede beliebige Länge geschnitten werden oder als Stapelfaser ausgebildet sein. Für solche Stapelfasern ist es besonders bevorzugt, wenn sie eine Länge von 3 bis 150 mm, insbesondere von 15 bis 120 mmm und noch weiter bevorzugt 30 bis 80 mm aufweisen.
Die angegebenen profilierten Zellulosefasern zeichnen sich gegenüber Zellulosefasern mit rundem Querschnitt (mit gleicher dtex Feinheit) durch ein günstiges Wasserrückhaltevermögen, das nach DIN 53184 bestimmt wird, aus. Für dieses ist es insbesondere bevorzugt, wenn es im Bereich von 45 bis 120 % und bevorzugt 60 bis 90% liegt. Die Bedeutung dieses vorteilhaften Wasserrückhaltevermögens liegt darin, dass es in einem engen Zusammenhang mit den amorphen Anteilen und dem Hohlraumsystem zwischen den kristallinen Bereichen steht. Dieses Porensystem hat einen entscheidenden Einfluss auf die Sorptionseigenschaften der Fasern und spielt beispielsweise bei Färbeprozessen eine wichtige Rolle.
Hinsichtlich der Form des Profils mit dem die erfindungsgemäße Zellulosefaser ausgebildet ist, unterliegt diese ebenfalls keinen relevanten Beschränkungen, sofern das Profil ein Aspektverhältnis von mindestens 1,25 sicherstellt. So kann die erfindungsgemäße Zellulosefaser z.B. bandförmig ausgebildet sein, wobei vom Mittelpunkt des Querschnitts ausgehende „Arme“ des Profils in einer Ebene oder mit einem Winkel zueinander, bevorzugt im Bereich von 90° bis 170°, angeordnet sein können. Die Zellulosefaser kann auch C-Förmig ausgebildet sein. Alternativ kann die Zelluosefaser mit trilobaler Struktur ausgebildet sein, wobei die Winkel zwischen vom Mittelpunkt des Querschnitts ausgehenden „Arme“ des Profils gleich oder verschieden sein können so dass sich z.B. eine Y-Form ergibt. Weiterhin kann die Zellulosefaser mit tetralobaler Struktur (d.h. mit vier vom Mittelpunkt des Querschnitts ausgehenden „Armen“ des Profils) ausgebildet sein, wobei die Winkel zwischen den Armen des Profils gleich (als „+“-Form) oder verschieden (z.B. als X-form) ausgebildet sein können. Weiterhin sind noch höherlobale Profilformen möglich.
Es ist ebenfalls möglich, dass die Profilform in H-Form oder in einer H-ähnlichen Form ausgebildet ist, wobei „Arme“ des Profils von einem linearen Teil des Profils ausgehen, und in einem Winkel von vorzugsweise im Bereich von 50° bis 140° von den linearen Profilteil ausgehen. Darüber hinaus können die Zellulosefasern Profilformen, wie sie in der EP 2732080 B1 beschrieben sind (soweit diese durch die vorstehend angegebenen Formen nicht bereits erfasst sind) aufweisen.
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von profilierten Zellulosefasern, wie sie im Vorstehenden angegeben wurden. Dieses Verfahren beinhaltet mindestens die folgenden Schritte: (i) Herstellen einer Spinnmasse aus Zellulose und einer ionischen Flüssigkeit; (ii) Verspinnen der Spinnmasse durch eine profilierte Düse bei einer Temperatur, bei der der Crossover in einem Bereich von 5 bis 55 rad/s liegt; (iii) Einbringen von extrudierten Fasern in ein Koagulationsbad und (iv) Verstrecken der erzeugten Fasern mit einer maximalen Verstreckung von mindestens 100%.
Die maximale Verstreckung bezeichnet in Kontext des hier beschriebenen Verfahrens den Prozentsatz, um den ein gegebener Abschnitt nach dem Verstrecken länger ist als vor dem Verstrecken. Ein Verstrecken von mindestens 100% heißt entsprechend, dass die Faser auf das Doppelte ihrer ursprünglichen Länge (um 100%) gedehnt wurde.
Der „Crossover“ bezeichnet den Punkt, bei dem der Elastizitätsmodul bei einem Frequenzdurchlauf gleich dem viskosen Modul ist. Der Crossover der Spinnlösung wird hier als Kreisfrequenz mit der Einheit rad/s angegeben und wird mit Hilfe eines Rotationsrheometers bestimmt. Der Crossover ist temperaturabhängig, wobei der Fachmann die Temperatur, bei der der Crossover der Spinnlösung im Bereich von 5 bis 55 rad/s liegt, durch eine Messreihe bestimmen kann, bei der die Temperatur systematisch variiert wird. Die Temperatur in Schritt (ii) wird vorzugsweise so eingestellt wird, dass der Crossover im Bereich von 8 bis 50 rad/s, insbesondere im Bereich von 10 bis 40 rad/s, und weiter bevorzugt 13 bis 35 rad/s liegt.
In einer gewissen Korrelation zum Crossover, steht die Nullscherviskosität der Spinnlösung, die zweckmäßig auf einen Bereich von 1500 bis 9000 Pa.s und bevorzugt im Bereich von 2000 bis 8000 Pa.s eingestellt werden kann.
Für das erfindungsgemäßen Verfahren hat es sich gezeigt, dass es die Einstellung der Temperatur in dem Bereich, bei dem der Crossover im Bereich von 5 bis 55 rad/s liegt, ermöglicht, die durch Extrusion erzeugten Fasern sehr stark zu verstecken, ohne dass die Profilstruktur der Fasern dabei vollständig verloren geht. Dadurch ist ein Verstrecken der Fasern um einen Prozentsatz von deutlich mehr als 100% möglich. Da durch ein höheres Verstrecken verbesserte mechanische Eigenschaften realisiert werden können, ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt, wenn die maximale Verstreckung höher ist als 100%, wie z.B. 110% oder mehr und insbesondere im Bereich von 100% bis 1600 % und weiter bevorzugt 300% bis 1000% eingestellt wird.
Aus den obigen Angaben ergeben sich für die meisten Spinnlösungen geeignete Spinntemperaturen, die mehr als 25°C betragen. Besonders günstige Spinntemperaturen liegen z.B. im Bereich von 50 bis 85°C und insbesondere 55 bis 75°C.
Für das Verspinnen ist es bevorzugt, wenn die Spinnmasse nach dem Passieren der profilierten Düse über einen Luftspalt in ein Koagulationsbad geführt wird. Durch die Veränderung der Diffusion durch die speziellen osmotischen Bedingungen kann die Phaseninversion entscheidend verzögert werden und eine homogene Regeneration der Zellulose erreicht werden. Des Weiteren verhindern diese Bedingungen die Ausbildung einer fibrillären Faserstruktur und verringern somit die Fibrillierneigung der mit Luftspalt gesponnenen Fasern.
Die Länge des Luftspalts ist zweckmäßig so eingestellt, dass die extrudierten Fasern für einen optimalen Zeitraum mit Luft in Kontakt gelangen, bevor sie in das Koagulationsbad eingeführt werden. Hierbei hat sich eine Länge des Luftspalts in Schritt (ii) im Bereich von 5 bis 25 mm und insbesondere 8 bis 15 mm als besonders günstig herausgestellt.
Bei der Auswahl der jeweiligen Ausgangs-Zellulose, die in das erfindungsgemäße Verfahren einbezogen wird, und aus der die angegebenen Zellulosefasern hergestellt werden, unterliegt die vorliegende Erfindung keinen wesentlichen Beschränkungen. Sie liegt vorzugsweise als faserige Zellulose, insbesondere Holzpulpe, Linters, Papier, und/oder in Form anderer Naturzellulosefasern vor. Unter den Naturzellulosefasern können Hanf-, Flachs-, Kokos-, Jute-, Bambus- und/oder Sisal-Fasern als vorteilhaft angegeben werden. In Einzelfällen kann es günstig sein, wenn die Zellulose teilweise derivatisiert ist, wobei Ester oder Ether bevorzugte Derivate darstellen. Die nachfolgenden Betrachtungen, die im Wesentlichen auf „Zellulose“ abstellen, sind, sofern nicht anders zu verstehen, auch bei derivatisierter Zellulose anzuwenden. Bei den Estern kann es sich beispielsweise handeln um, phosphorsäure- und/oder stickstoffhaltige Ester, wie Zellulosecarbamat bzw. -allophonat, Zellullosecarboxylate, wie Zelluloseacetat, Zellulosepropionat und Zellulosebutyrat, und bei den Ethern um Carboxymethylzellulose, Hydroxyethylzellulose und Hydroxypropylzellulose oder z. B. um Zellulose-2,5-Acetat. Demzufolge kommen erfindungsgemäß auch Zellulose-Derivate in Frage.
Wird nachfolgend oder im Vorangehenden von „Zellulose“ gesprochen, dann soll dieser Begriff allgemein verstanden werden und auch Zellulose-Derivate umfassen. Zellulosederivate sind daher für die erfindungsgemäß angestrebten Zwecke ebenfalls geeignet.
Von besonderem Wert für die Verarbeitung von Zellulose anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, wenn diese ein Molekulargewicht Mw von 100.000 bis 500.000 g/mol und bevorzugt 200.000 bis 400.000 g/mol, bestimmt jeweils mittels GPC (Gelpermeationschromatographie) unter Verwendung geeigneter Standards, aufweist. Durch die Verarbeitung höher-molekularer Zellulose (Mw > 130.000) werden verbesserte vorteilhafte Produkteigenschaften, wie beispielsweise Festigkeit, Elastizitäts-Modul und Steifigkeit erreicht. Ein solches Molekulargewicht kann beispielsweise durch Bestrahlung von Zellulose mit Elektronenstrahlung eingestellt werden.
Für die erfolgreiche Verwirklichung der vorliegenden Erfindung ist es nicht erforderlich, dass neben der Zellulose und der ionischen Flüssigkeit weitere Komponenten in die Spinnmasse oder die daraus hergestellten Zelllosefasern einbezogen werden. Zusätzliche Additive können aber an verschiedenen Stellen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden. So können sie dem Koagulationsmedium, der die Zellulose enthaltenden Spinnlösung, und/oder in einem nachgeschalteten Schritt, beispielsweise in einem Modifizierungsmedium, beigegeben werden. Bei den Additiven kann es sich beispielsweise um Mikrokapseln, Porenbildner, Weichmacher, Mattierungsmittel, Markierungsmittel, Flammschutzmittel, Bakterizide, Vernetzungsmittel, Hydrophobiermittel, Antistatika und/oder Farbmittel handeln.
Die ionische Flüssigkeit, die im erfindungsgemäßen Verfahren als Direktlösemittel eine der wesentlichen Komponenten darstellt, unterliegt keinen wesentlichen Beschränkungen, mit der Maßgabe, dass in Kombination mit der Zellulose eine homogene Lösung mit geeigneten Verarbeitungseigenschaften gebildet werden kann. Von besonderem Vorteil ist es, wenn die ionische Flüssigkeit eine Verbindung ist, die mit der der allgemeinen Formel [Q⁺]_n[Z]^n- charakterisiert werden kann, wobei [Q⁺] das Kation der ionischen Flüssigkeit bezeichnet, und als ein quaterniertes Ammonium-[R¹R²R³R⁴N⁺], Phosphonium-[R¹R²R³R⁴P+] oder Sulfonium-[R¹R²R³S⁺]-Kation oder ein analoger quaternierter Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefel-Heteroaromat der folgenden Formeln (I), (II), (III), (IV), (V) und (VI)

vorliegen kann. In diesen Verbindungen bezeichnen die Reste R¹, R², R³, R⁴ bzw. die Reste R¹ bis R⁸ in den Formeln (I) bis (VI), unabhängig voneinander, lineare, cyclische, verzweigte, gesättigte oder ungesättigte Alkylreste, mono- oder polycyclische, aromatische oder heteroaromatische Reste oder mit weiteren funktionellen Gruppen substituierte Derivate dieser Reste sind, wobei R¹, R², R³ und R⁴ untereinander verbunden sein können. Das Anion [Z]^n- liegt vorzugsweise in Form eines Carboxylats, Halogenids, Pseudohalogenids, Amids, in Form von Phosphorbindungen oder Nitroverbindungen vor.
Bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser ionischen Flüssigkeiten, die sich dadurch kennzeichnet, dass sich die Carboxylate durch die Formel R¹CO₂ ^-, die Halogenide bzw. Pseudohalogenide durch die Formel F^-, Cl^-, Br^-, I^-, BF₄ ^-, PF₆ ^-, AlCl₄ ^-, Al₂Cl₇ ^-, Al₃Cl₁₀ ^-, AlBr₄ ^-, FeCl₄ ^-, BCl₄ ^-, SbF₆ ^-, AsF₆ ^-, ZnCl₃ ^-, SnCl₃ ^-, CuCl₂ ^-, CF₃SO₃ ^-, (CN)₂N^-, (CF₃SO₃)₂N^-, CF₃CO₂ ^-, CCl₃CO₂ ^-, CN^-, SCN^-, OCN^-, die Phosphorverbindungen als Phosphate durch die Formel PO₄ ^3-, HPO₄ ^2-, H₂PO₄ ^-, R¹PO₄ ^2-, HR¹PO₄ ^-, R¹R²PO₄ ^-, Phosphonate und Phosphinate durch die Formel R¹HPO₃ ^-, R¹R²PO₂ ^-, R¹R²PO₃ ^-, Phosphite durch die Formel PO₃ ^3-, HPO₃ ^2-, H₂PO₃ ^-, R¹PO₃ ^2-, R¹HPO₃ ^-, R¹R²PO₃ ^- sowie Phosphonite und Phosphinite durch die Formel R¹R²PO₂ ^-, R¹HPO₂ ^-, R¹R²PO^-, R¹HPO^- dargestellt sind, wobei R¹ und R² die vorstehend aufgezeigte Bedeutung haben.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der oben bezeichnete Alkylrest in Form eines C₁-C₁₈-Alkylrestes, insbesondere eines Alkylrestes mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise eines Methyl-, Ethyl-, 1-Propyl-, 2-Propyl-, 1-Butyl-, oder 2-Butylrestes vorliegt, der cyclische Alkylrest in Form eines C_3-10-Cycloalkylrestes, insbesondere in Form eines Cyclopropyl-, Cyclobutyl-, Cyclopentyl- oder Cyclohexyl-Restes vorliegt, der ungesättigte Alkylrest in Form eines Vinyl, 2-Propenyl, 3-Butenyl, cis-2-butenyl, trans-2-butenyl-Restes vorliegt, der aromatische Rest in Form eines Phenyl- oder Naphthyl-Restes vorliegt, der mit 1 bis 3 Halogenatomen, Alkylresten mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder PhenylResten substituiert sein kann, und der heteroaromatische Rest in Form eines O-, S- oder N-enthaltenden heterocyclischen Restes mit 2 bis 5 Kohlenstoffatomen vorliegt.
Die nachfolgend bezeichneten ionischen Flüssigkeiten können als besonders gut geeignet für das erfindungsgemäße Verfahren angegeben werden: Imidazoliumcarboxylate in Form von [EMIM] [Acetat], [EMIM] [Propionat], [EMIM] [Butyrat], [EMIM] [Pentanoat], [EMIM] [Hexanoat], [EMIM] [Heptanoat], [EMIM] [Oktanoat], [EMIM] [Nonanoat], [EMIM] [Decanat] und/oder Imidazoliumphosphate [MMIM] [DMP], [MMIM] [DEP], [EMIM] [DEP]. Darin bedeutet EMIM 1-Ethyl-3-Methylimidazolium, [MMIM] 1,3-Dimethylimidazolium, [DEP] Diethylphosphat und [DMP] Dimethylphosphat. Dabei bezeichnet „EMIM“ 1-Ethyl-3-Methylimidazolium, „MMIM“ 1,3-Dimethylimidazolium, „DMP“ Dimethylphosphat und „DEP“ Diethylphosphat. Eine im Rahmen der vorliegenden Erfindung ganz besonders bevorzugte ionische Flüssigkeit ist [EMIM] [Octanoat].
Die Konzentration der Zellulose in der ionischen Flüssigkeit liegt im für die Herstellung von Spinnlösungen aus ionischen Flüssigkeiten und Zellulose üblichen Rahmen, d.h. im oben angegebenen Molekulargewichtsbereich der Zellulosebasierten Polymere können Zelluloselösungen im Konzentrationsbereich zwischen etwa 4 und 16, insbesondere zwischen etwa 6 und 14 Gew.-% Zellulose in dem Direktlösungsmittel, insbesondere in den ionischen Flüssigkeiten, verarbeitet werden.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahren wurde beobachtet, dass die Profilstruktur durch den hohen Verstreckungsgrad partiell beeinträchtigt wird, d.h. dass die Profilstruktur nach dem Verstrecken weniger ausgeprägt ist als beim Austritt der Spinnmasse aus der Düse. Dies bedingt, dass das Aspektsverhältnis der Düse größer sein muss, als das Aspektverhältnis, das in den über das Verfahren hergestellten Zellulosefasern gewünscht ist. Bevorzugt ist es demzufolge, wenn das Verspinnen in Schritt (ii) über eine Düse mit einem Aspektverhältnis von mindestens 1,5, insbesondere im Bereich von 2 bis 13 und weiter bevorzugt im Bereich von 2 bis 8 und noch weiter bevorzugt 2 bis 5 erfolgt.
Zur Erzeugung eines gewünschten Faserprofils erfolgt das Verspinnen in Schritt (ii) bevorzugt über eine Düse mit einer schlitzförmigen, trilobalen, tetralobalen, insbesondere kreuzförmigen Austrittsöffnung. Die „Düse“ bezeichnet das Bauteil des Extruders, über das die Spinnmasse den Extruder verlässt, während „Austrittsöffnung“ die Öffnung als solche bezeichnet. Bevorzugt weist die Düse im erfindungsgemäßen Verfahren eine Vielzahl von Austrittsöffnungen auf, beispielweise 50 oder mehr, bevorzugt 100 oder mehr und noch weiter bevorzugt 150 bis 500 Austrittsöffnungen.
Nach dem Austritt aus der Spinndüse wird die Spinnmasse in ein Koagulationsmedium eingeleitet, in dem die ionische Flüssigkeit in die flüssige Phase des Koagulationsmedium übertreten kann; dadurch wird die Zellulose zu Spinnfäden und Fasern koaguliert. Das Koagulationsmedium unterliegt im Allgemeinen keinen besonderen Einschränkungen, wobei es aus Kostengründen allerdings bevorzugt ist, wenn als Koagulationsmedium zumindest anteilsmäßig Wasser eingesetzt wird; Wasser wirkt hierbei als „Nichtlösemittel” für die erzeugten Zellulosefasern. Zusätzlich zu Wasser kann eine Menge eines weiteren Lösungsmittels im Koagulationsmedium vorhanden sein, das die Koagulationsgeschwindigkeit optimiert.
Für die Koagulation kann die Temperatur für ein optimales Verarbeitungsergebnis eingestellt werden, die in Abhängigkeit von im Koagulationsmedium enthaltenen Substanzen fachmännisch ermittelt werden kann. Allgemein ist es bevorzugt, dass das Koagulationsmedium aus protischem Lösungsmittel oder einem Gemisch protischer Lösungsmittel, wie insbesondere Wasser und/oder Alkohole, gebildet ist. Unter den Alkoholen gelten Methanol, Ethanol und/oder Isopropanol als besonders bevorzugt. Zudem ist es möglich, dass das Koagulationsmedium weiterhin ein der mehrerer Kohlehydrate enthält, wobei für Details zu einer hierzu günstigen Verfahrensführung auf die DE 10 2013 002 833 B4 und zu zweckmäßig zu verwendenden Kohlehydraten auf [0028] dieses Patents verwiesen werden kann.
Das Spinnlösung wird mit einer Geschwindigkeit aus dem Extruder ausgegeben und in das Koagulationsmedium überführt, die einen guten Kompromiss zwischen Verarbeitungsgeschwindigkeit und Kontaktzeit der Spinnlösung im Luft im Luftspalt sicherstellt. Bevorzugt ist diese Geschwindigkeit im Rahmen der angegebenen Erfindung auf einen Bereich von 2 bis 3 m/min und insbesondere 2,2 bis 2,5 m/min einzustellen.
Für das Verstrecken ist es vorteilhaft, wenn es zu einem Zeitpunkt erfolgt, an dem sich die Filamente noch im gequollenen bzw. nicht ausgewaschenen Zustand befinden.
Das Verstrecken ist in der Weise nicht in relevantem Umfang beschränkt, dass es direkt im Koagulationsmedium erfolgen kann, indem die Filamente schneller abgezogen als eingeleitet werden. Die Temperatur im Koagulationsmedium zum optimalen Verstrecken hängt von verschiedenen Bedingungen ab, die sich in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Koagulationsmediums fachmännisch ermitteln lassen. In einer Ausführungsform erfolgt das Verstrecken in einem Bad mit Koagulationsmedium, das einem ersten Bad mit Koagulationsmedium nachgeschaltet ist, so dass das Verstrecken erst auf einer Stufe erfolgt, an dem ein Teil der ionischen Flüssigkeit bereits aus der versponnenen Mischung herausgelöst wurde. Das Verstrecken selbst kann erreicht werden, indem z.B. die Faser mit einer langsameren Geschwindigkeit, z.B. über die Rolle, in einen Verstreckungsbereich eingebracht wird und schneller aus diesem Bereich abgezogen wird.
Nachfolgend zu dem Verstrecken können die erzeigten Fasern gewaschen und getrocknet werden. Auf diese Weise können kostenrelevante Lösungsmittel, wie insbesondere die ionischen Flüssigkeiten, aber auch gegebenenfalls eingesetzte Kohlenhydrate, wie Zucker zurückgewonnen werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung Zellulosefasern, die nach dem im Vorstehenden beschriebenen Verfahren hergestellt wurden oder herstellbar sind. Solche Zellulosefasern oder Zellulosefasern wie sie vorstehend angegeben sind, lassen sich vielfältigen Verwendungszwecken zuführen, beispielsweise einer Verwendung in textilen Materialien, wie Fäden, Garnen, Zwirnen und dergleichen, sowie textilen Flächengebilden, insbesondere Geweben, Gewirken, Gestricken, Gelegen, Vliesstoffen und Watten. Diese Textilien und insbesondere die Fasern bzw. Garne können vorteilhafte als Verstärkungsmaterialien in faserbasierten Verbundwerkstoffen eingesetzt werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von profilierten Zellulosefasern, insbesondere profilierten Zellulosefasern wie sie im Vorstehenden angegeben wurden, wobei die Vorrichtung einen Vorrichtungsteil zum Durchleiten einer Spinnlösung durch einen beheizbaren Düsenkopf mit mindestens einer profilierten Austrittsöffnung, ein diesem Vorrichtungsteil nachgeschaltetes Koagulationsbad, einen zwischen dem Koagulationsbad und der Austrittsöffnung angeordneten Luftspalt und eine Fördereinrichtung zur Verstreckung der über die profilierten Austrittsöffnung generierten Zellulosefasern beinhaltet, wobei die profilierte Austrittsöffnung ein Aspektverhältnis der größten zur kleinsten Querschnittsdicke der Austrittsöffnung im Bereich von 1,5 bis 15 aufweist.
Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung von Zellulosefasern, wie sie im vorstehenden angegeben wurden, zur Herstellung eines Garns, Gewebes oder Vliesstoffs, wobei ein Gewebe durch Stricken, Weben, Wirken, Sticken, Flechten hergestellt wird, und der Vliesstoff bevorzugt als kardierter Vliesstoff, insbesondere als Nadelvlies oder Spunlacedvlies, thermobondiertes Vlies oder als Vliesnähwirkstoff ausgebildet ist. Alternativ können die Zellulosefasern mittels eines Papier-, Wetlaid- oder Airlaidverfahrens verarbeitet werden, oder durch kombinierte Verfahren wie kombinierte Carded - Wetlaid oder Carded-Airlaid-Technologien.
Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung von Zellulosefasern, wie sie im Vorstehenden angegeben wurden, zur Herstellung eines Compounds, bei dem die Zellulosefasern in eine Matrix aus thermoplastischen oder härtbaren Polymeren eingebaut werden. Bei hierzu geeigneten thermoplastischen Polymeren kann es sich insbesondere um gesättigte Harze auf Polyesterbasis, wie Polymilchsäureharz; Olefinharze wie Harze auf Polyethylenbasis und Harze auf Polypropylenbasis; auf Zellulose basierende Harze wie triacetylierte Zellulose und diacetylierte Zellulose; Nylonharze, Vinylchloridharze, Styrolharze, (Meth)acrylharze, Vinyletherharze, Polyvinylalkoholharze, Harze auf Polyamidbasis, Harze auf Polycarbonatbasis, Harze auf Polysulfonatbasis und dergleichen handeln. Diese thermoplastischen Harze können allein verwendet werden oder können als gemischte Harze von zwei oder mehr Arten verwendet werden. Härtbare Polymere, die verwendet werden können, sind beispielsweise Photohärtbare Harze oder duroplastische Harze, wie Poxyharze, Phenolharze, Harnstoffharze, Melaminharze, ungesättigte Polyesterharze, Diallylphthalatharze, Polyurethanharze, siliziumhaltige Harze, Polyimidharze, elastomere Harze, und dergleichen. Duroplastische Harze können ebenfalls als ein Harz allein oder als Kombination von zwei oder mehreren Arten der genannten Harze verwendet werden.
Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung von Zellulosefasern, wie vorstehend beschrieben, als Verstärkungsmaterial in Baustoffen.
Zur weitergehenden Erläuterung der Erfindung dienen die folgenden Beispiele:

Zellstoff mit einem gewichtsmittleren Molekulargewicht von etwa 600.000 g/mol wurde mit Elektronenstrahlen und einer Strahlendosis von 80 kGy bestrahlt um Zellulose mit einem gewichtsmittleren Molekulargewicht von etwa 300.000 g/mol zu erhalten. Das Verhältnis Mw/Mn der so hergestellten Zellulose betrug 8,8.

Aus dieser Zellulose wurde durch Mischung mit 1-Ethyl-2-methyl-imidazoliumoktanoat mit Hilfe eines Dünnschichtverdampfers der Firma VTA bei 110°C eine Spinnlösung bzw. -masse mit einer Zellulosekonzentration von 12 Gew.-% hergestellt.
Mit dieser Spinnmasse wurden zunächst Frequenz-Sweep Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen mit einem Platte-Platte Rheometer (Anton Paar MCR 301Rheometer) durchgeführt, um die optimale Spinntemperatur zu bestimmen. Der Frequenzbereich reichte dabei von 100 bis 1 rads bei einer gleichbleibenden Deformation von 3%; die Temperatur wurde im Bereich von 110°C bis 20°C in 10K Schritten variiert. Die so erhaltenen 10 Messungen wurden mathematisch zu einer Masterkurve zusammengefasst. Für jede Temperatur wurden mit Hilfe des Carreau-Yasuda-Models die Nullscherviskosität und der Crossover bestimmt (sh. Tabelle 1)

Die hierbei bestimmten Werte sind Tabelle angegeben. Ein Crossover im Bereich von 10 - 50 rad s stellt für die Herstellung von profilierten Zellulosefasern ideale Spinnbedingungen dar. Die dazugehörigen Nullscherviskositäten lagen zwischen 1000 und 5000 Pa·s. Tabelle 1: Nullscherviskositäten und Crossover bei verschiedenen Temperaturen von der Spinnmasse

Zellulose	Temperatur [°C]	Nullscherviskosität η₀ ^a [Pa·s]	Cross over ω_S [rad/s]
	110	161	366
	100	244	225
	90	390	135
	80	662	76,2
	70	1186	40,7
	60	2272	20,2
	50	4727	9,2
	40	10747	3,8

Die so hergestellten Spinnlösungen wurden in einem Extruder über verschiedene Profildüsen mit Kreuzprofil verarbeitet. Diese Düsen wiesen unterschiedliche Schenkellängen sowie -breiten auf (sh. folgende Tabelle 2). Der Luftspalt zum Koagulationsmedium wurde auf einen Abstand von 10 mm eingestellt. Anschließend wurden die erzeugten Fasern bei 65°C verstreckt. Die verschiedenen Verarbeitungsparameter sind in der folgenden Tabelle 2 wiedergegeben: Tabelle 2: Vergleich der Verstreckbarkeit in Abhängigkeit des Kreuzprofils

Schenkelbreite Schenkellänge Kapillare max. Verstreckung @ 65°C; V_Austritt = 2,4

[µm] [µm] [µm] m/min [%]

Düse 1 70 100 400 990

Düse 2 70 250 400 700

Düse 3 90 130 508 850
Die maximale Verstreckbarkeit ließ sich durch Veränderung der Spinntemperatur beeinflussen. Durch Modulation der Spinntemperatur von mittels der Düse 2 hergestellten Fasern konnten maximale Verstreckungen im Bereich von 350 % (bei 55°C), 700% (bei 65°C) und 1250% (bei 70°C) erreicht werden.
Beim Vergleich der textilmechanischen Eigenschaften von Fasermaterialien, welches unter identischen Bedingungen mit den verschiedenen Düsen hergestellt wurde, zeigten sich annähernd identische Höchstzugkräfte (sh. 1). Für die Module (0,2-0,4%) konnten jedoch deutliche Unterschiede beobachtet werden, wobei mit der Düse 2 (70µm, lange Schenkel) hergestellte Fasern einen höheren Modul (0,2-0,4%) aufwiesen (sh 2).

Die für die unterschiedlichen hergestellten Fasern ermittelten textilmechanischen Eigenschaften (mit Standardabweichung) sind in den folgenden Tabellen 3 bis 5 angegeben: Tabelle 3: Textilmechanische Eigenschaften Verstreckreihe an Düse 1 (70µm, kurze Schenkel).

Bezeichnung		Faser 1	Faser 2	Faser 3	Faser 4
Düse	[n]	1	1	1	1
Temp.	[°C]	65	65	65	65
Verstreckung	[%]	600	750	890	990
Dehnung	[%]	4,9±0,6	4,2±0,7	4,3±0,5	3,8±0,4
Hz. Kraft	[cN/tex]	27,3±1,6	27,0±2,3	28,8±1,4	29,5t1,7
Feinheit	[dtex]	6,90±0,57	6,030,43	5,15±0,42	4,67±0,3
Mod.(0,2-0,4%)	[cN/tex]	1749±95	1652±76	1750±69	1768±89

Tabelle 4: Textilmechanische Eigenschaften Verstreckreihe an Düse 2.

Bezeichnung		Faser 5	Faser 6	Faser 7	Faser 8	Faser 9
Düse	[n]	2	2	2	2	2
Temp.	[°C]	65	65	75	75	75
Verstreckung	[%]	300	600	600	930	1200
Dehnung	[%]	6,8±1,0	4,0±0,7	5,8±0,8	4,1±0,3	3,8±0,4
Hz. Kraft	[cN/tex]	28,1±2,0	29,0±3,4	24,9±2,3	26,9±1,5	29,5±1,7
Feinheit	[dtex]	24,49± 1,00	12,74± 1,53	13,88± 1,10	10,23± 0,73	7,71± 0,63
Mod.(0,2-0,4%)	[cN/tex]	1992± 87	2120± 208	1567± 126	1777± 84	1846± 62

Tabelle 5: Textilmechanische Eigenschaften Verstreckreihe an Düse 3.

Bezeichnung		Faser 10	Faser 11
Düse	[n]	3	3
Temp.	[°C]	65	65
Verstreckung	[%]	600	750
Dehnung	[%]	5,5±0,5	4,3±0,6
Hz. Kraft	[cN/tex]	26,8±1,1	26,5±1,2
Feinheit	[dtex]	10,84±0,47	9,23±0,54
Mod.(0,2-0,4%)	[cN/tex]	1747±50	1813±96

Für alle hergestellten Zellulosefasern ließ sich die Kreuzform der Fasern eindeutig erkennen. In den mit Düse 1 oder Düse 3 hergestellten Fasern war diese allerdings weniger stark ausgeprägt als bei der Düse 2 mit längeren Schenkeln. Es wurde beobachtet, dass die Ausprägung der Arme bei höherer Verstreckung größer zu sein scheint. Mit zunehmender Spinntemperatur nimmt die Ausprägung der Arme unter sonst identischen Spinnbedingungen hingegen ab. Exemplarisch ist die Profilform für mit der Düse 2 bei 65°C versponnen und auf 600% verstreckte Fasern in 3 dargestellt.

Für die hergestellten Fasern wurde jeweils das Wasserrückhaltevermögen gemäß DIN 53814 bestimmt. Die Ergebnisse dieser Bestimmungen sind in der folgenden Tabelle 6 wiedergegeben. Tabelle 6: Übersicht Wasserrückhaltevermögen

Versuch	Düse	Temperatur [°C]	Verstreckung [%]	Feinheit [dtex]	WRV [%]
Faser 1	1	65	600	6,9	58
Faser 2	1	65	750	6	64
Faser 3	1	65	890	5,2	52
Faser 4	1	65	990	4,7	61
Faser 5	2	65	300	24,5	60
Faser 6	2	65	600	12,7	60
Faser 7	2	75	600	13,9	68
Faser 8	2	75	930	10,2	60
Faser 9	2	75	1200	7,7	55
Faser 10	3	65	600	10,8	52
Faser 11	3	65	750	9,2	56

Aus Tabelle 6 ist zu entnehmen, dass das Wasserrückhaltevermögen aller hergestellten Fasern unabhängig von Faserquerschnitt, Faserüberflächen bzw. Faserdurchmesser in einem vergleichbaren Bereich liegt. Im Vergleich dazu liegt das Wasserrückhaltevermögen von Lyocellfasern bei etwa 60-70% und das von hydrophiler Baumwollfasern bei etwa 40-60%. Die Übersicht in Tabelle 6 zeigt damit, dass abhängig von der Verstreckung und Düsengeometrie ein mit solchen Fasern vergleichbares Wasserrückhaltevermögen eingestellt werden kann. Allerdings liegt der E-Modul von kommerziellen Lyocellfasern nur bei etwa 700 cN/tex; durch spezielles Verspinnen werden E-Module bis 1800 cN/tex erreicht. Baumwollfasern weisen einen E-Modul im Bereich von 300-600 cN/tex auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JPS-61-113812 [0002]
UK 1 333 047 [0003]
US 5,458,835 [0004, 0005]
EP 2732980 B1 [0006]
EP 2785899 B1 [0007]
EP 2732080 B1 [0025]
DE 10 2013 002 833 B4 [0046]

Claims

Profilierte Zellulosefaser mit einem Aspektverhältnis der größten zur kleinsten Querschnittsdicke der Zellulosefaser von mindestens 1,25, einer Feinheit von höchstens 50 dtex und einer Höchstzugkraft (trocken) von mindestens 22 cN/tex.
Profilierte Zellulosefaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellulosefaser eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist: - eine Höchstzugkraft (trocken) im Bereich von 25 bis 50 cN/tex, bevorzugt 25 bis 35 cN/tex, 25 bis 30 cN/tex; - eine Höchstzugkraft (nass) im Bereich von 10 bis 30 cN/tex, bevorzugt 15 bis 25 cN/tex, und weiter bevorzugt 10 bis 22 cN/tex; - eine Dehnung von 3% bis 18%, bevorzugt 5% bis 10 % und noch weiter bevorzugt 5% bis 8%; - einen Modul für eine Dehnung im Bereich von 0,2 bis 0,4 % im Bereich von 500 bis 2500 cN/tex, bevorzugt 800 bis 2000 cN/tex und weiter bevorzugt 800 bis 1600 cN/tex.
Profilierte Zellulosefaser gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellulosefaser ein Aspektverhältnis im Bereich von 1,3 bis 5 und bevorzugt 1,5 bis 4,0 aufweist.
Profilierte Zellulosefaser gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellulosefaser eine Feinheit im Bereich von 2 bis 20 dtex, und bevorzugt 3 bis 9 dtex und/oder einen größten Faserdurchmesser im Bereich von 11 bis 150 µm, und bevorzugt 12 bis 70 µm aufweist.
Profilierte Zellulosefaser gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser als Endlosfaser (Filament) ausgebildet ist, und bevorzugt aufgewickelt vorliegt, oder in Form von Stapeln vorliegt, bevorzugt mit einer Länge von 3 bis 150 mm, weiter bevorzugt 15 bis 120 mmm und noch weiter bevorzugt 30 bis 80 mm.
Profilierte Zellulosefaser gemäß mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellulosefaser ein Wasserrückhaltevermögen gemäß DIN 53814:1974 im Bereich von 45 bis 120 % und bevorzugt 60 bis 90% aufweist.
Profilierte Zellulosefaser gemäß mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellulosefaser ein bandförmiges, trilobales, tetralobales, oder höherlobales Profil aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer profilierten Zellulosefaser, bevorzugt einer Zellulosefaser gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren die Schritte (i) Herstellen einer Spinnmasse aus Zellulose und einer ionischen Flüssigkeit; (ii) Verspinnen der Spinnmasse durch eine profilierte Düse, bevorzugt über einen Luftspalt, bei einer Temperatur, bei der der Crossover in einem Bereich von 5 bis 55 rad/s liegt; (iii) Einbringen von extrudierten Fasern in ein Koagulationsbad und (iv) Verstrecken der erzeugten Fasern mit einer maximalen Verstreckung von mindestens 100% umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in Schritt (ii) so eingestellt wird, dass der Crossover im Bereich von 8 bis 50 rad/s, bevorzugt 10 bis 40 rad/s, und weiter bevorzugt 13 bis 35 rad/s liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Verstreckung in Schritt (iv) im Bereich von 100 bis 1600 % und bevorzugt 300 bis 1000% eingestellt wird.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in Schritt (ii) im Bereich von 50 bis 85°C bevorzugt 55 bis 75°C eingestellt wird und/oder der Luftspalt in Schritt (ii) eine Länge im Bereich von 5 bis 25 mm und bevorzugt 8 bis 15 mm aufweist.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die in das Verfahren einbezogenen Zellulose ein Molekulargewicht Mw von 100.000 bis 500.000 g/mol und bevorzugt 200.000 bis 400.000 g/mol, bestimmt jeweils mittels GPC (Gelpermeationschromatographie) unter Verwendung geeigneter Standards, aufweist.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verspinnen in Schritt (ii) über eine Düse mit einem Aspektverhältnis von mindestens 1,5, bevorzugt im Bereich von 2 bis 13 und weiter bevorzugt im Bereich von 2 bis 8 erfolgt.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verspinnen in Schritt (ii) über eine Düse mit einer schlitzförmigen, trilobalen, tetralobalen, insbesondere kreuzförmigen Austrittsöffnung, oder mehreren entsprechenden Austrittöffnungen erfolgt.
Zellulosefaser hergestellt oder herstellbar nach einem Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 bis 14.
Vorrichtung zur Herstellung von profilierten Zellulosefasern mit einem Vorrichtungsteil zum Durchleiten einer Spinnlösung durch einen beheizbaren Düsenkopf mit mindestens einer profilierten Austrittsöffnung, einem diesem Vorrichtungsteil nachgeschalteten Koagulationsbad, einem zwischen dem Koagulationsbad und der Austrittsöffnung angeordneten Luftspalt und einer Fördereinrichtung zur Verstreckung der über die profilierten Austrittsöffnung generierten Zellulosefasern, wobei die profilierte Austrittsöffnung ein Aspektverhältnis der größten zur kleinsten Querschnittsdicke der Austrittsöffnung im Bereich von 1,5 bis 15 aufweist.
Verwendung von Zellulosefasern gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung eines Garns, Gewebes oder Vliesstoffs, wobei ein Gewebe durch Stricken, Weben, Wirken, Sticken, Flechten hergestellt wird, und der Vliesstoff bevorzugt als kardierter Vliesstoff, insbesondere als Nadelvlies oder Spunlacedvlies, thermobondiertes Vlies oder als Vliesnähwirkstoff ausgebildet ist.
Verwendung von Zellulosefasern gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 als Verstärkungsmaterial in Baustoffen oder zur Herstellung eines Compounds, bei dem die Zellulosefasern in eine Matrix aus thermo- oder duroplastischen Polymeren eingebaut werden.