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WO2017137284A1 - Verfahren zur herstellung von polymerfasern aus in ionischen flüssigkeiten gelösten polymeren durch einen luftspaltspinnprozess - Google Patents

Verfahren zur herstellung von polymerfasern aus in ionischen flüssigkeiten gelösten polymeren durch einen luftspaltspinnprozess Download PDF

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Publication number
WO2017137284A1
WO2017137284A1 PCT/EP2017/052078 EP2017052078W WO2017137284A1 WO 2017137284 A1 WO2017137284 A1 WO 2017137284A1 EP 2017052078 W EP2017052078 W EP 2017052078W WO 2017137284 A1 WO2017137284 A1 WO 2017137284A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fibers
polymer
spinning solution
solvent
ionic liquid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2017/052078
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Falko ABELS
Tomasz CWIK
Ronald BEYER
Frank Hermanutz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Priority to US16/077,344 priority Critical patent/US11585015B2/en
Priority to ES17702113T priority patent/ES3048882T3/es
Priority to CA3014253A priority patent/CA3014253C/en
Priority to PL17702113.6T priority patent/PL3414371T3/pl
Priority to EP17702113.6A priority patent/EP3414371B1/de
Publication of WO2017137284A1 publication Critical patent/WO2017137284A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Priority to US18/098,606 priority patent/US12247321B2/en
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/06—Wet spinning methods
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D1/00—Treatment of filament-forming or like material
    • D01D1/02—Preparation of spinning solutions
    • 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
    • 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
    • D01F2/02—Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof from solutions of cellulose in acids, bases or salts

Definitions

  • the invention relates to a process for producing polymer fibers from polymers dissolved in ionic liquids by an air-gap spinning process, which is characterized in that a) a spinning solution containing an ionic liquid and a dissolved polymer is prepared, b) this spinning solution by an extruder is passed before it is cut into fibers via a nozzle and c) the resulting fibers are passed through an air gap through a coagulation bath.
  • the spinning solution containing the dissolved polymer is passed directly into a precipitation bath.
  • the polymer coagulates and the resulting fibers are spun directly from the precipitation bath.
  • the spinning solution In the dry-spinning process, the spinning solution is forced through a spinneret and then passed through a tempered air gap. In the air gap, the exiting jets of the spinning solution solidify into fibers.
  • a special form of the dry spinning process is the dry-wet spinning process.
  • the fibers obtained are passed, after passing through the air gap, into a coagulation bath containing a precipitating agent for the polymer. In this coagulation bath, the fibers solidify further.
  • Cellulose fibers are predominantly produced by the viscose process.
  • the resulting fibers are called viscose fibers.
  • pulp which has been obtained, for example, from wood by the force method is brought into solution by a chemical reaction.
  • alkali and carbon disulphide With the help of alkali and carbon disulphide, cellulose xanthate is obtained. This dissolves after addition of acid with elimination of carbon disulfide.
  • the methods described above are alternative methods to the viscose process. They have the principal advantage that carbon disulfide and carbon disulfide conversions can be dispensed with.
  • the performance properties of the cellulose fibers produced by means of the alternative processes correspond to or exceed those of the viscose fibers.
  • Such properties are in particular the strengths of the fiber, its elasticity, its modulus of elasticity.
  • the fibers obtained should be as uniform and homogeneous as possible, that is to say that as far as possible all fibers have the same properties.
  • the object of the present invention was therefore a process for the production of polymer fibers, in which polymer fibers having the best possible performance properties are obtained.
  • the process should be well suited for the production of cellulose fibers; the resulting cellulose fibers should at least achieve the performance properties of the viscose fiber and if possible exceed it.
  • the polymer fibers produced by the above method are preferably polymer fibers made from renewable raw materials. Preferably, it is cellulose fibers.
  • the ionic liquid is preferably salts which have a melting point of less than 100 ° C. under atmospheric pressure (1 bar). Particular preference is given to salts which are liquid at 21 ° C., 1 bar.
  • the term ionic liquid here also includes mixtures of different salts.
  • the ionic liquid is salts of an organic cation and an anion.
  • Suitable organic cations are, in particular, organic cations with heteroatoms, such as nitrogen, sulfur, oxygen or phosphorus.
  • the organic cations are compounds having an ammonium group (ammonium cations), an oxonium group (oxonium cations), a sulfonium group (sulfonium cations) or a phosphonium group ( Phosphonium cations).
  • the organic cations are ammonium cations, which here mean non-cyclic cations with tetrablocated nitrogen and localized positive charge on the nitrogen atom (quaternary ammonium compounds) or heterocyclic cations with at least one, preferably one to three, nitrogen atoms in the ring system become.
  • quaternary ammonium cations may be mentioned in particular those having three or four aliphatic substituents on the nitrogen atom.
  • Such aliphatic substituents are, in particular, C 1 - to C 12 -alkyl groups or C 1 - to C 12 -hydroxyalkyl groups.
  • Preferred organic cations having at least one nitrogen are organic, heterocyclic cations having one to three, in particular one or two, nitrogen atoms as constituent of the heterocyclic ring system.
  • Suitable compounds are monocyclic, bicydic, aromatic or nonaromatic ring systems.
  • bicydic systems Called e.g. bicydic systems, as described in WO 2008/043837.
  • the bicyclic systems of WO 2008/043837 are diazabicyclo derivatives, preferably from a 7- and a 6-ring, which contain an amidinium group; in particular the 1,8-diazabicyclo (5.4.0) undec-7-enium cation may be mentioned.
  • monocyclic cations such as pyridinium cations, pyridinylium cations, pyrimidinium cations, pyrazinium cations, imidazolium cations, pyrazolium cations, pyrazolinium cations, imidazolinium cations, thiazolium cations, triazine cations, pyrazolinium cations.
  • zolium cations, pyrrolidinium cations and imidazolidinium cations are e.g. in WO 2005/1 13702.
  • the nitrogen atoms are in each case by a hydrogen atom or an organic group having generally not more than 20 C atoms, preferably a hydrocarbon group, in particular a C 1 to C 16 alkyl group, in particular a C1 to C10, particularly preferably a C1 to C4 alkyl groups substituted.
  • the carbon atoms of the ring system may also be substituted by organic groups having generally not more than 20 carbon atoms, preferably a hydrocarbon group, in particular a C1 to C16 alkyl group, in particular a C1 to C10, more preferably a C1 to C4 alkyl groups.
  • Particularly preferred cations are imidazolium cations, pyrimidinium cations and pyrazolium cations.
  • Very particularly preferred cations are imidazolium cation of the formula I below
  • R1 is an organic radical having 1 to 20 carbon atoms and
  • R2, R3, R4 and R5 stand for an H atom or an organic radical having 1 to 20 C atoms.
  • R 1 and R 3 are preferably independently an organic radical having 1 to 10 C atoms.
  • R 1 and R 3 are an aliphatic radical, in particular an aliphatic radical without further heteroatoms, e.g. for an alkyl group.
  • R 1 and R 3 independently of one another are a C 1 to C 10 or a C 1 to C 4 alkyl group, very particularly preferably R 1 and R 3 independently of one another are a methyl group or an ethyl group.
  • R 2, R 4 and R 5 are preferably independently an H atom or an organic radical having 1 to 10 C atoms;
  • R 2, R 4 and R 5 represent an H atom or an aliphatic radical.
  • R 2, R 4 and R 5 independently of one another are an H atom or an alkyl group, in particular R 2, R 4 and R 5 independently of one another represent an H Atom or a C1 to C4 alkyl group.
  • R2, R4 and R5 are each an H atom.
  • the anion belonging to the organic cation may be any anion.
  • anions of the ionic liquids are preferably organic anions having at least one carboxylate group, termed carboxylates for short.
  • carboxylates Preferably, the carboxylates contain only one carboxylate group.
  • carboxylates are organic anions having 1 to 20 C atoms and a carboxylate group.
  • the carboxylates contain no further heteroatoms apart from the oxygen atoms of the carboxylate group.
  • Suitable carboxylates of the alkanecarboxylic acids, alkene carboxylic acids and alkadiene carboxylic acids are also known as fatty acid carboxylates.
  • carboxylates are C 1 - to C 20 -alkanoates (carboxylates of alkanecarboxylic acids), in particular C 1 - to C 16 -alkanoates. Mention may in particular be made of the carboxylates of formic acid (C1-carboxylic acid), acetic acid (C2-carboxylic acid), propionic acid (C3-carboxylic acid), n-butyric acid (C4-carboxylic acid), n-valeric acid (C5-carboxylic acid), n-caprolactone (C6 carboxylic acid) n-caprylic acid (C8 carboxylic acid, octanoic acid), n-capric acid (C10 carboxylic acid, decanoic acid), lauric acid (C12 carboxylic acid, dodecanoic acid), palmitic acid (C16 carboxylic acid, hexadecanoic acid) or stearic acid (C18 carboxylic acid (C18
  • the anions of the salts are carboxylates of C6 to C12 alkanecarboxylic acids (i.e., C6 to C12 alkanoates), most preferably carboxylates of C8 alkanecarboxylic acids, especially n-octanoate.
  • the ionic liquids are therefore particularly preferably salts
  • this cation is an organic, heterocyclic cation having one to three nitrogen atoms as a constituent of the heterocyclic ring system
  • ionic liquids may be mentioned preferably: 1-ethyl-3-methyl-imidazolium acetate,
  • a spinning solution is prepared which contains an ionic liquid and a dissolved polymer.
  • the polymer is preferably cellulose, see above for the polymer fibers.
  • the cellulose is obtained in particular from wood or other plant materials, mention may be made of wood such as beech, spruce, eucalyptus or pine or other plant materials such as bamboo, straw and grasses.
  • Cellulose is e.g. separated from the wood and other plant materials by the power process, and accumulates as so-called pulp, which is generally more than
  • the average degree of polymerization (DP) of the cellulose in the pulp may be e.g. from 200 to 2000.
  • the DP value indicates the average number of glucose units per cellulosic chain.
  • the average degree of polymerization of the cellulose can be reduced by breaking up the polymer chains.
  • dissolved cellulose can be exposed to elevated temperature and / or brought into contact with acids or bases.
  • the spinning solution prepared and used in the further process therefore preferably contains a dissolved cellulose having a DP 200 of up to 2000, particularly preferably from 300 to 1000 and very particularly preferably from 400 to 800.
  • the spinning solution contains as solvent the above ionic liquid.
  • the spinning solution may contain other solvents. These further solvents should preferably be miscible with the ionic liquid and be used only in amounts such that the solubility of the polymers, or of the cellulose, in the solution is not impaired.
  • polar, protic solvents such as methanol, ethanol or water in amounts of less than 10 parts by weight, in particular less than 3 parts by weight per 100 parts by weight of ionic liquid are suitable.
  • the content of other solvents in the spinning solution is less than 1 part by weight and in particular less than 0.1 parts by weight per 100 parts by weight of ionic liquid.
  • the content of the cellulose in the spinning solution is preferably 6 to 20 parts by weight, more preferably 10 to 14 parts by weight per 100 parts by weight of ionic liquid.
  • the spinning solution may contain other ingredients.
  • water can be used to adjust the flow behavior and / or flame retardant additives and / or pigments, in particular for coloring the fiber.
  • a preferred content of water is, for example, 0.1-5% by weight, based on the total spinning solution.
  • the content of pigments or active substances, such as stabilizers, for example antioxidants, antibacterial agents, UV inhibitors, etc. may be, for example, 0.1-2% by weight, based on the total spinning solution.
  • the spinning solution can be prepared by conventional methods.
  • cellulose can be mixed with the ionic liquid and brought into solution at elevated temperature.
  • the polymer or cellulose may optionally be mechanically comminuted beforehand, for example by a painting process, in order to simplify the dissolution process.
  • mechanical comminution it may be helpful to use swollen polymer or cellulose.
  • Suitable swelling agents are, in particular, the non-solvent described below.
  • the dissolution process is generally assisted by mechanical measures such as stirring.
  • the solution process can also be improved or accelerated by ultrasound. If the spinning solution is to contain further constituents, these may be e.g. be introduced together with the cellulose or subsequently.
  • the polymer or cellulose is dissolved in the ionic liquid using an auxiliary liquid which does not or only partially dissolves the polymer or cellulose (also referred to below as non-solvent).
  • the non-solvent is largely or completely removed during the dissolution process, preferably by distillation, and is then contained in the spinning solution only in the amounts of the other solvents specified above.
  • the non-solvent is preferably miscible with the ionic liquid.
  • the spinning solution in process step a) is therefore preferably obtained by
  • Suitable non-solvents for cellulose are in particular water and alkanols, preferably water and methanol, more preferably water.
  • the amount of non-solvent is preferably at least 30 parts by weight, more preferably at least 50, most preferably at least 80 parts by weight of non-solvent based on 100 parts by weight of polymer or cellulose.
  • the non-solvent can be used in large excess. However, since it is removed again, it is preferred more than 200 parts by weight, in particular not more than 150 parts by weight of non-solvent per 100 parts by weight of polymer.
  • ionic liquid is also used and a heterogeneous mixture is obtained which contains the cellulose, the non-solvent and the ionic liquid.
  • the total amount of the ionic liquid is used in a1) and a heterogeneous mixture is obtained which contains the cellulose, the non-solvent and the ionic liquid in the amounts indicated above.
  • the remainder may be e.g. be added during the removal of the non-solvent by distillation or may be added subsequently to the spinning solution.
  • the non-solvent is preferably distilled off at a temperature of 50 to 150 ° C, more preferably at a temperature of 80 to 130 ° C.
  • the distilling off takes place in a preferred embodiment at a reduced pressure, that is to say at a pressure of less than 1 bar, in particular at a pressure of not more than 500 millibar, more preferably of not more than 100 millibar and most preferably not more than 40 millibar.
  • the pressure can e.g. 5 to 500 millibar, in particular 20 to 100 mbar.
  • a thin-film evaporator is used in a particularly preferred embodiment. It may be e.g. to act a falling film evaporator or a rotor evaporator.
  • a rotor evaporator is a rotor evaporator.
  • This is generally a cylinder that contains a rotor inside.
  • the distance between the cylinder and the rotor is preferably at most 10 millimeters, more preferably at most 1 millimeter.
  • the cylinder is heated.
  • Rotor mounted mixing elements e.g. Wiper blades, ensure good mixing of the heterogeneous mixture during distillation.
  • the heterogeneous mixture obtained in a1) is preferably introduced at the upper end of the heated cylinder.
  • the heterogeneous mixture is distributed on the inner wall of the cylinder.
  • the non-solvent preferably water, evaporates and the cellulose goes into solution.
  • the resulting dope can be removed.
  • the discharge of the spinning solution can be done by conventional pumps, such as a gear pump.
  • the preparation of the solution can be carried out continuously and the spinning solution at the output can be continuously fed to the further spinning process.
  • a spinning solution is obtained which is free of gas bubbles and which has a very high homogeneity.
  • the thin film evaporator may e.g. be operated at a pressure of 40-80 millibar, a temperature of 80-130 ° C and a flow rate of 0.5-2kg / h heterogeneous mixture.
  • a larger throughput is possible.
  • the spinning solution obtained in a) is passed through an extruder.
  • the spinning solution obtained in a) is first filtered before being fed to the extruder. By the filtration undissolved components should be separated.
  • the filtration is carried out under pressure, in particular, a pressure filter vessel is suitable for carrying out the filtration.
  • the filtration is preferably carried out at a pressure of at least 1, 2, in particular at least 1, 5 bar. More than 3 bar are generally not necessary.
  • the spinning solution passes after process step a) and a preferably subsequent filtration directly into the extruder.
  • the extruder preferably consists essentially of an outer shell, generally in the form of a cylinder, and at least one auger inserted therein.
  • this is an extruder with one or two screws, in particular it is an extruder with a screw.
  • the channel depth can remain the same or change over the entire length of the snails.
  • the screws are core-progressive, that is, that the thread depth at the feeder is greater than the channel depth at the outlet of the extruder.
  • the ratio of the flight depth at the inlet to the outlet is 1.2: 1 to 3: 1, more preferably 1.5 to 1 to 2: 1.
  • Conventional screws with a screw diameter D of, for example, 5 to 500 millimeters can be used.
  • screw diameter D of 5 to 250 millimeters preferred; Particularly preferred are 5 to 50 millimeters and in particular a screw diameter D of 10 to 50 millimeters.
  • the length of the screws is usually given as a multiple of D.
  • Preferred screw lengths are 10 to 50 D, in particular 15 to 30 D.
  • the speed of the screws is preferably 10 to 300, more preferably 25 to 100 revolutions per minute.
  • the temperature of the spinning solution in the extruder is preferably 20 to 150 ° C, especially 40 to 120 ° C, most preferably 40-90 ° C.
  • the pressure at which the spinning solution is conveyed through the extruder can e.g. 10 to 200 bar, in particular 15 to 150 bar, very particularly preferably 20 to 120 bar.
  • the spinning solution After passing through the extruder, the spinning solution passes through a pump, e.g. a gear pump, to the spinning head.
  • the spinner head generally includes a final filtration device and a manifold block to distribute the spinning solution as evenly as possible over all the holes of the nozzle and the nozzle.
  • the spinning solution is divided into polymer fibers.
  • L / D ratio can be e.g. 2/1 to 8/1 amount.
  • the throughput of the spinning solution through the extruder depends on the number of holes of the nozzle and the pressure. At pressures of 15 to 150 bar and a number of holes of 168, the throughput may be, for example 3 to 20 cm 3 / min; for a nozzle with a number of holes of 1000, the throughput may be, for example, 17 to 1 19 cm 3 / min.
  • the spinning solution is divided into fibers.
  • the fibers initially consist of the spinning solution.
  • the exit speed of the spinning solution or the forming fibers from the nozzle is e.g. 2.5 to 40 m / min, preferably 4m / min to 30m / min, more preferably 5.5 to 20m / min.
  • the fibers obtained when passing through the nozzle are passed through an air gap through a coagulation bath.
  • the width of the air gap may be e.g. 5 mm (mm) to 50 mm. Preferably, the width of the air gap is 8 to 20 mm.
  • the fibers are preferably drawn. By stretching the fiber is extended and the polymer oriented simultaneously in the pulling direction.
  • Galettenduos are two rotating rollers, which are arranged one above the other. They serve as drives for the transmission of the fiber. Both rollers rotate at the same speed in the same direction and have the same diameter, moreover, they are generally not quite parallel to each other, but at a slight angle. This causes at several wraps of the fiber around both rollers a distance between the wraps. This prevents the fibers from touching and being mechanically damaged.
  • the stretching can therefore be effected in a simple manner by an increased transport speed of the godet duo. If this is higher than the exit speed of the fiber from the nozzle, the fiber is stretched directly after exiting the nozzle.
  • the degree of stretching results from the ratio of the transport speed of the godet duo to the exit speed of the fiber from the nozzle. Without stretching, i. at the same speeds, the degree of stretching results 1.
  • the degree of stretching is from 1.5 to 3.5, more preferably from 1.8 to 3.5.
  • the transport speed of the godet duo can e.g. 1 to 200 meters (m) / minute (min). Preferably, it is 15 to 40m / min.
  • the fibers enter the coagulation bath.
  • the coagulation bath contains a non-solvent for the polymer or for the cellulose. Non-solvents are described above. Preferred non-solvent is water.
  • the coagulation bath may also contain solvents that dissolve the polymer, eg, ionic liquid.
  • ionic liquid dissolves the polymer
  • the content of ionic liquid or other solvents which dissolve the polymer or cellulose should preferably be kept so low that the coagulation of the polymer is not significantly impaired.
  • the coagulation bath should particularly preferably contain not more than 30% by weight, very particularly preferably not more than 10% by weight, of such solvents. The percentages are based on the total weight of the coagulation bath.
  • the temperature of the coagulation bath is generally not increased, for example between 10 and 30 ° C.
  • the contact time of the fiber in the coagulation bath can, for. B.1 seconds to 60 seconds, preferably 5 to 20 seconds.
  • the fibers After passage through the coagulation bath, the fibers are substantially solidified in their structure and are hardly changed in their mechanical properties by the subsequent process steps, such as washing, equipment with additives, drying and winding.
  • the fiber passes through several wash baths, e.g. Water baths, so that the ionic liquid is removed as completely as possible from the fiber. This can be followed by baths to equip the fiber. These are e.g. to water baths containing conventional additives, eg. B Phosphorus compounds for fire protection equipment or surface treatment additives. The latter prevent a later sticking together of the rolled up fiber.
  • the drying can be carried out by heatable godet ducts and / or the supply of hot air in a heating channel. Finally, the fiber is wound up.
  • the fibers finally produced in process step c), which are also referred to as filaments, are so-called endless fibers or continuous filaments.
  • staple fibers these are not purposefully cut but obtained at the end of the production process as rolled-up fibers.
  • fibers e.g. Cellulose fibers
  • very good application properties e.g. Cellulose fibers
  • cellulose fibers with a defibrillation grade of 1 to 2.5 can be obtained with the method.
  • defibrillation refers to the formation or presence of fibrils, ie fine hairs, which protrude from the fiber; these fibrils are generally undesirable for textile applications because they make the fiber rough.
  • Defibrillation is assessed visually by a defibrillation note.
  • the fibers are added to water and shaken. The presence of protruding fibrils is then checked under the microscope. For grading grades from 1 to 6 are given. At grade 1 there are no fibrils (no defibrillation) at grade 6 the fiber is completely fibrillated.
  • the thickness of the cellulose fibers obtained is preferably 2-20 ⁇ ,
  • the fineness of the fiber i. Weight based on fiber length, is preferably 1 -4 dtex.
  • the unit tex stands for grams on 1000 meters of fiber; 1 dtex equals 0.1 tex or gram per 10000 meters of fiber.
  • the maximum tensile force of the fiber is in particular 10 to 100 cN / tex, particularly preferably 20 to 60 cN / tex.
  • the breaking elongation of the fiber is in particular 1 to 30%, particularly preferably 10 to 30%, e.g. 12 to 20%.
  • EMIM octanoate 1-ethyl-, 3-methyl-imidazolium octanoate (R1 in formula I is ethyl and R3 in formula I is methyl), EMIM octanoate is an ionic liquid, hereinafter also referred to as IL for ionic liquid)
  • EMIM octanoate was mixed with ice, since warming occurs when water is added. Subsequently, the cellulose was added. The mixture was mixed for about 45 minutes in an "AMK kneader" at 40 rpm and room temperature.
  • the characterization of the spinning solution is carried out by means of a rheometer.
  • Rheological investigations serve primarily to check the spinnability of a dope.
  • Important parameters here are the zero-shear viscosity, ie the theoretical viscosity at no load and the crossover, ie the point at which the loss and storage modulus are the same. Frequez sweep tests are performed to obtain these quantities.
  • the spinning solution should have pseudoplastic behavior and be no gel. Since spun over an air gap, the solution must have a sufficiently large elastic behavior to form stable filaments, but these filaments must also be stretched. Therefore, a sufficiently viscous behavior should be present.
  • the spinning solution had a zero shear viscosity of 1000 Pas at 110 ° C., or 20000 Pas at 50 ° C., and a crossover at about 16rad / s at 110 ° C.) or about 0, 8rad / s at 50 ° C. It also had up to 50 ° C pseudoplastic behavior.
  • These values were determined using a Rheometrics Dynamic Stress Rheometer SR 500.
  • the measuring head was a 25 mm diameter plate, which measured a force-controlled frequency sweep and the frequency range was from 100 to 0.1 rad / s for one force This measurement was carried out in each case at 1 10 ° C to 40 ° C in descending order in 10K increments The measuring gap was 1 mm. Processing of the spinning solution
  • the spinning solution was transferred to a "pressure filtration kettle 10 liter" from Karl Kurt Juchheim using a stainless steel austenitic steel fabric number 1.4401 with a mesh size of 0.043 mm and a wire gauge of 0.035 mm.
  • the filtration unit was placed on a rack over the extruder.
  • the pressure filter boiler was connected to the intake at the extruder with a heatable transport line.
  • the extruder was an extruder called Haake Polylab Rheocord.
  • the screw of the extruder was core progressive with a ratio of flight depths of 2 to 1, i.
  • the passage depth is twice as large at the feeder as at the outlet.
  • the diameter of the screw was 19mm, the length 25xDurchmesser, ie 475mm.
  • the dope was passed through the filter through 2bar pressure in the extruder. There she was transported by a screw to the spinning pump.
  • the spinning pump used was a Feinprüf- gear pump with a displacement of 0.6cm 3 / U.
  • the spinning solution was passed through the spinning head, where it was evenly distributed over another filter and a manifold block on the nozzle.
  • the nozzle used here has a hole diameter of 60 ⁇ with an L / D ratio of 2/1, has 168 holes and is from Enkatechnika. This complete setup from the pressure filtration to the nozzle was heated to the spinning temperature.
  • the emerging from the nozzle filaments were passed through an air gap of 10mm in a coagulation bath.
  • the coagulant contained water as a non-solvent.
  • the temperature of the coagulation bath was 21 ° C.
  • the fiber was deflected after an immersion depth of 300 mm and withdrawn from the coagulation bath via a pair of godets at a defined speed and transported on. Depending on the desired drawing and exit speed, the take-off speed varied according to the table.
  • a wet-spinning machine from Fourne was used. This comprises a total of 9 door duos.
  • the drying step was carried out on a heated galette duo at 80 ° C.
  • the fiber was then passed through a hot air duct at (1200mm, 120 ° C) and wound after the last pair of godets with a tension controlled Oeriklon Barmag winder type WUFF 6E.
  • the textile-mechanical properties were measured with a "Favimat” from the company Textechno and the average values were determined from 20 individual fiber measurements.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Polymerfasern aus in ionischen Flüssigkeiten gelösten Polyme- ren durch einen Luftspaltspinnprozess, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine Spinnlösung, welche eine ionische Flüssigkeit und ein gelöstes Polymer enthält, her- gestellt wird, b) diese Spinnlösung durch einen Extruder geführt wird, bevor sie über eine Düse in Fasern zerteilt wird und c) die erhaltenen Fasern über einen Luftspalt durch ein Koagulationsbad geführt werden.

Description

Verfahren zur Herstellung von Polymerfasern aus in ionischen Flüssigkeiten gelösten Polymeren durch einen Luftspaltspinnprozess
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polymerfasern aus in ionischen Flüssigkeiten gelösten Polymeren durch einen Luftspaltspinnprozess, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass a) eine Spinnlösung, welche eine ionische Flüssigkeit und ein gelöstes Polymer enthält, hergestellt wird, b) diese Spinnlösung durch einen Extruder geführt wird, bevor sie über eine Düse in Fasern zerteilt wird und c) die erhaltenen Fasern über einen Luftspalt durch ein Koagulationsbad geführt werden.
Zur Herstellung von Polymerfasern sind verschiedene Spinnverfahren beschrieben. Von Bedeutung sind das Nassspinnverfahren und das Trockenspinnverfahren.
Beim Nassspinnverfahren wird die Spinnlösung, welche das gelöste Polymer enthält, direkt in ein Fällbad geführt. Im Fällbad koaguliert das Polymer und die erhaltenen Fasern werden direkt aus dem Fällbad gesponnen.
Beim Trockenspinnverfahren wird die Spinnlösung durch eine Spinndüse gepresst und danach durch einen temperierten Luftspalt geführt. In dem Luftspalt verfestigen sich die austretenden Strahlen der Spinnlösung zu Fasern. Eine besondere Form des Trockenspinnprozesses ist der Trocken-Nass-Spinnprozess. Bei einem Trocken-Nass-Spinnprozess werden die erhaltenen Fasern nach Passieren des Luftspalts in ein Koagulationsbad geführt, welches ein Fällungsmittel für das Polymere enthält. In diesem Koagulationsbad verfestigen sich die Fasern weiter.
Ein derartiger Trocken-Nass-Spinnprozess ist für die Herstellung von Cellulosefasern beschrieben. So offenbart DE-A 4444140 und US 4246221 die Herstellung von Cellulosefasern aus Spinnlösungen, welche Cellulose und als Lösungsmittel N-Methylmorpholin-N-oxid (NMMO) enthalten (Lyocell® verfahren).
Derartige Verfahren sind auch für Spinnlösungen bekannt, welche Cellulose und als Lösemittel ionische Flüssigkeiten enthalten, siehe WO 2006/000197, WO 2007/076979 und WO
2009/1 18262. Cellulosefasern werden überwiegend nach dem Viskoseprozess hergestellt. Die erhaltenen Fasern werden Viskosefasern genannt. Beim Viskoseprozess wird Zellstoff, der z.B. nach dem Kraftverfahren aus Holz gewonnen wurde, durch eine chemische Umsetzung in Lösung gebracht. Mit Hilfe von Alkali und Schwefelkohlenstoff erhält man Cellulose-xanthogenat. Dieses löst sich nach Zusatz von Säure unter Abspaltung von Schwefelkohlenstoff. Die oben beschriebenen Verfahren sind Alternativ-Verfahren zum Viskoseprozess. Sie haben den prinzipiellen Vorteil, dass auf Schwefelkohlenstoff und Umsetzungen mit Schwefelkohlenstoff verzichtet werden kann.
Gewünscht ist, dass die anwendungstechnischen Eigenschaften der mit Hilfe der Alternativverfahren hergestellten Cellulosefasern denen der Viskosefasern entsprechen oder diese übertreffen. Derartige Eigenschaften sind insbesondere die Festigkeiten der Faser, ihre Elastizität, Ihr Elastizitätmodul. Insbesondere sollen die erhaltenen Fasern möglichst gleichmäßig und homo- gen sein, das heißt, dass möglichst alle Fasern gleiche Eigenschaften haben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher ein Verfahren zur Herstellung von Polymerfasern, bei dem Polymerfasern mit möglichst guten anwendungstechnischen Eigenschaften erhalten werden. Insbesondere soll sich das Verfahren gut für die Herstellung von Cellulosefasern eignen; die erhaltenen Cellulosefasern sollen die anwendungstechnischen Eigenschaften der Viskosefaser mindestens erreichen und wenn möglich übertreffen.
Zu den Polymerfasern Bei den Polymerfasern, welche mit dem obigen Verfahren hergestellt werden, handelt es sich vorzugsweise um Polymerfasern aus nachwachsenden Rohstoffen. Bevorzugt handelt es sich um Cellulosefasern.
Zur ionischen Flüssigkeit
Bei der ionischen Flüssigkeit handelt es sich vorzugsweise um Salze, die bei Normaldruck (1 bar) einen Schmelzpunkt kleiner 100°C besitzen. Besonders bevorzugt handelt es sich um Salze, die bei 21 °C, 1 bar flüssig sind. Der Begriff ionische Flüssigkeit umfasst hier auch Mischungen verschiedener Salze.
Vorzugsweise handelt es sich bei der ionischen Flüssigkeit um Salze aus einem organischen Kation und einem Anion.
Geeignete organische Kationen sind insbesondere organische Kationen mit Heteroatomen, wie Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff oder Phosphor.
Insbesondere handelt es sich bei den organischen Kationen um Verbindungen mit einer Ammo- nium-gruppe (Ammonium - Kationen), einer Oxonium -gruppe (Oxonium-Kationen), einer Sulfo- nium - gruppe (Sulfonium-Kationen) oder einer Phosphonium - Gruppe (Phosphonium-Katio- nen).
Bevorzugt handelt es sich um ein organisches Kation mit mindestens einem Stickstoffatom. In einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei den organischen Kationen um Ammonium - Kationen, worunter hier nicht-cyclische Kationen mit vierbindigem Stickstoff und lokalisierter positiver Ladung am Stickstoffatom (quaternäre Ammoniumverbindungen) oder heterocyclische Kationen mit mindestens einen, vorzugsweise ein bis drei Stickstoffatomen im Ringsystem verstanden werden.
Als quaternäre Ammonium- Kationen genannt seien insbesondere solche mit drei oder vier aliphatischen Substituenten am Stickstoffatom. Solche aliphatischen Substituenten sind insbe- sondere C1- bis C12- Alkylgruppen oder C1 bis C12 Hydroxyalkylgruppen.
Bevorzugte organische Kationen mit mindestens einem Stickstoff sind organische, heterocyclische Kationen mit ein bis drei, insbesondere ein oder zwei Stickstoffatomen als Bestandteil des heterocyclischen Ringsystems.
In Betracht kommen monocyclische, bicydische, aromatische oder nicht-aromatische Ringsysteme.
Genannt seien z.B. bicydische Systeme, wie sie in WO 2008/043837 beschrieben sind. Bei den bicyclischen Systemen der WO 2008/043837 handelt es sich um Diazabicyclo- Derivate, vorzugsweise aus einem 7- und einem 6 Ring, welche eine Amidiniumgruppe enthalten; genannt sei insbesondere das 1 ,8-Diazabicyclo(5.4.0)undec-7-enium- Kation.
Insbesondere in Betracht kommen monocyclische Kationen, wie Pyridinium-Kationen, Pyridazi- nium-Kationen, Pyrimidinium-Kationen, Pyrazinium-Kationen, Imidazolium-Kationen, Py- razolium-Kationen, Pyrazolinium-Kationen, Imidazolinium-Kationen, Thiazolium-Kationen, Tria- zolium-Kationen, Pyrrolidinium-Kationen und Imidazolidinium-Kationen. Diese Kationen sind z.B. in WO 2005/1 13702 aufgeführt. Soweit es für eine positive Ladung am Stickstoffatom oder im aromatischen Ringsystem notwendig ist, sind die Stickstoffatome jeweils durch ein Wasser- stoffatom oder eine organische Gruppen mit im Allgemeinen nicht mehr als 20 C-Atomen, vorzugsweise eine Kohlenwasserstoffgruppe, insbesondere eine C1 bis C16 Alkylgruppe, insbesondere eine C1 bis C10, besonders bevorzugt eine C1 bis C4 Alkylgruppen substituiert.
Auch die Kohlenstoffatome des Ringsystems können durch organische Gruppen mit im Allge- meinen nicht mehr als 20 C-Atomen, vorzugsweise eine Kohlenwasserstoffgruppe, insbesondere eine C1 bis C16 Alkylgruppe, insbesondere eine C1 bis C10, besonders bevorzugt eine C1 bis C4 Alkylgruppen substituiert sein. Besonders bevorzugte Kationen sind Imidazolium - Kationen, Pyrimidinium- Kationen und Py- razolium-Kationen. Ganz besonders bevorzugte Kationen sind Imidazolium-Kation der nachstehenden Formel I
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worin R1 für einen organischen Rest mit 1 bis 20 C-Atomen steht und
R2, R3, R4 und R5 für ein H-Atom oder einen organischen Rest mit 1 bis 20 C-Atomen stehen, ist.
In Formel I stehen R1 und R3 vorzugsweise unabhängig für einen organischen Rest mit 1 bis 10 C-Atomen. Insbesondere stehen R1 und R3 für einen aliphatischen Rest, insbesondere einen aliphatischen Rest ohne weitere Heteroatome, z.B. für eine Alkylgruppe. Besonders bevorzugt stehen R1 und R3 unabhängig voneinander für eine C1 bis C10 bzw. eine C1 bis C4 Alkylgruppe, ganz besonders bevorzugt stehen R1 und R3 unabhängig voneinander für eine Methylgruppe oder eine Ethylgruppe.
In Formel I stehen R2, R4 und R5 vorzugsweise unabhängig für ein H-Atom oder einen organischen Rest mit 1 bis 10 C-Atomen; insbesondere stehen R2, R4 und R5 für ein H-Atom oder einen aliphatischen Rest. Besonders bevorzugt stehen R2, R4 und R5 unabhängig voneinander für ein H-Atom oder eine Alkylgruppe, insbesondere stehen R2, R4 und R5 unabhängig vonei- nander für ein H-Atom oder eine C1 bis C4 Alkylgruppe. Ganz besonders bevorzugt stehen R2, R4 und R5 jeweils für ein H-Atom.
Bei dem zum organischen Kation gehörenden Anion kann es sich um ein beliebiges Anion handeln.
In Betracht kommen insbesondere die üblichen Anionen von ionischen Flüssigkeiten, genannt seien exemplarisch Cl-, Br-, BF4-, H3C-COO-, HCOO-, H3C-0-S03-, H3C-S03-, F3C-0-S03-, PF6-, CH3-CH2-COO-SCN-, S032-, N03-, CI04-. Vorzugsweise handelt es sich bei den Anionen der ionischen Flüssigkeiten um organische Anionen mit mindestens einer Carboxylatgruppe, kurz Carboxylate genannt. Vorzugsweise enthalten die Carboxylate nur eine Carboxylatgruppe. Als derartige Carboxylate seien insbesondere organische Anionen mit 1 bis 20 C-Atomen und einer Carboxylatgruppe genannt.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Carboxylate außer den Sauerstoffatomen der Carboxylatgruppe keine weiteren Heteroatome. Als solche genannt seien z.B. die Anionen der Alkancarbonsauren, Alkencarbonsäuren, Alkincarbonsauren, Alkadiencarbonsauren, Alkat- riencarbonsäuren, Benzoesäure oder Phenylessigsäure. Geeignete Carboxylate der Alkancarbonsauren, Alkencarbonsäuren und Alkadiencarbonsäuren sind auch als Fettsäure- Carboxylate bekannt.
Ganz besonders bevorzugte Carboxylate sind C1- bis C20- Alkanoate (Carboxylate der Alkan- carbonsäuren), insbesondere C1- bis C16- Alkanoate. Genannt seien insbesondere die Carboxylate der Ameisensäure (C1 -Carbonsäure), Essigsäure (C2-Carbonsäure), Propionsäure (C3-Carbonsäure), n-Buttersäure (C4-Carbonsäure), n-Valeriansäure (C5-Carbonsäure), n-Ca- pronsäure (C6-Carbonsäure) n-Caprylsäure (C8-Carbonsäure, Octansäure), n-Caprinsäure (C10-Carbonsäure, Decansäure), Laurinsäure (C12-Carbonsäure, Dodecansäure), Palmitinsäure (C16-Carbonsäure, Hexadecansäure) oder Stearinsäure (C18-Carbonsäure).
In einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei den Anionen der Salze um Car- boxylate der C6 bis C12 Alkancarbonsäuren (d.h. C6- bis C12-Alkanoate), ganz besonders bevorzugt um Carboxylate der C8-Alkancarbonsäuren, insbesondere das n-Octanoat.
Bei den ionische Flüssigkeiten handelt es sich daher besonders bevorzugt um Salze
-deren Kation ein organisches, heterocyclisches Kation mit ein bis drei Stickstoffatomen als Be- standteil des heterocyclischen Ringsystems ist und
- deren Anion ein Carboxylat ist.
Als derartige ionische Flüssigkeiten genannt seien vorzugsweise: 1-Ethyl-3-methyl-imidazolium acetat,
1 -Methyl-3-methyl-imidazolium acetat,
1-Ethyl-3-ethyl-imidazolium acetat,
1 -Ethyl-3-methyl-imidazolium octanoat,
1 -Methyl-3-methyl-imidazolium octanoat,
1 -Ethyl-3-ethyl-imidazolium octanoat,
Zu Verfahrensschritt a) Im Verfahrensschritt a) wird eine Spinnlösung hergestellt, welche eine ionische Flüssigkeit und ein gelöstes Polymer enthält. Bei dem Polymer handelt es sich vorzugsweise um Cellulose, siehe obige Ausführungen zu den Polymerfasern.
Die Cellulose wird insbesondere aus Holz oder anderen pflanzlichen Materialen gewonnen, ge- nannt seien Hölzer wie Buche, Fichte, Eucalyptus oder Pinie oder andere pflanzliche Materialien wie Bambus, Stroh und Gräser.
Cellulose wird z.B. durch den Kraft-prozess aus den Hölzern und anderen pflanzlichen Materialien abgetrennt und fällt als sogenannter Zellstoff an, der im Allgemeinen zu mehr als
90 Gew.%, insbesondere zu mehr als 92 Gew.%, besonders bevorzugt zu mehr als 96% aus Cellulose besteht.
Der durchschnittliche Polymerisationsgrad (DP) der Cellulose im Zellstoff kann z.B. von 200 bis 2000 betragen. Der DP-Wert gibt die durchschnittliche Anzahl von Glucose-einheiten je Cellu- lose-kette an.
Der durchschnittliche Polymerisationsgrad der Cellulose kann durch Aufbrechen der Polymerketten verringert werden. Dazu kann gelöste Cellulose erhöhter Temperatur ausgesetzt werden und/oder mit Säuren oder Basen in Kontakt gebracht werden.
Es ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass auch Cellulose mit einem hohen DP verwendet werden kann und eine Vorbehandlung der Cellulose oder eine Nachbehandlung der In der Spinnlösung gelösten Cellulose zur Verringerung des DP nicht notwendig ist. Die hergestellte und im weiteren Verfahren verwendete Spinnlösung enthält daher vorzugsweise eine gelöste Cellulose mit einem DP 200 von bis 2000, besonders bevorzugt von 300 bis 1000 und ganz besonders bevorzugt von 400 bis 800.
Die Spinnlösung enthält als Lösemittel die obige ionische Flüssigkeit. Neben der ionischen Flüs- sigkeit kann die Spinnlösung weitere Lösemittel enthalten. Diese weiteren Lösemittel sollten vorzugsweise mit der ionischen Flüssigkeit mischbar sein und nur in solchen Mengen mitverwendet werden, dass die Löslichkeit der Polymeren, bzw. der Cellulose, in der Lösung nicht beeinträchtigt wird. In Betracht kommen insbesondere polare, protische Lösemittel wie Methanol, Ethanol oder Wasser in Mengen unter 10 Gewichtsteilen, insbesondere unter 3 Gewichtsteilen auf 100 Gewichtsteile ionische Flüssigkeit. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Gehalt an anderen Lösemitteln in der Spinnlösung kleiner 1 Gewichtsteil und insbesondere kleiner 0,1 Gewichtsteile auf 100 Gewichtsteile ionische Flüssigkeit.
Der Gehalt der Cellulose in der Spinnlösung beträgt vorzugsweise 6 bis 20 Gewichtsteile, be- sonders bevorzugt 10 bis 14 Gewichtsteile auf 100 Gewichtsteile ionische Flüssigkeit. Die Spinnlösung kann weitere Bestandteile enthalten. In Betracht kommen z.B. Wasser, um das Fließverhalten anzupassen und/ oder Flammschutzadditive und oder Pigmente insbesondere zur Färbung der Faser. Ein bevorzugter Gehalt an Wasser ist z.B. 0,1 - 5 Gew %, bezogen auf die gesamte Spinnlösung. Der Gehalt an Pigmenten oder Wirkstoffen wir Stabilisatoren, z.B. Antioxidantien, antibakterielle Wirkstoffe, UV-Inhibitoren etc., kann z.B. 0,1 - 2 Gew.%, bezogen auf die gesamte Spinnlösung betragen. Die Spinnlösung kann durch übliche Verfahren hergestellt werden. So kann z.B. Cellulose mit der ionischen Flüssigkeit vermischt werden und bei erhöhter Temperatur in Lösung gebracht werden. Das Polymer bzw. die Cellulose kann ggf. vorher mechanisch zerkleinert werden, z.B. durch einen Mal-prozess, um den Lösungsvorgang zu vereinfachen. Bei einer mechanischen Zerkleinerung kann es hilfreich sein, gequollenes Polymer bzw. Cellulose zu verwenden. Als Quellmittel kommt insbesondere das weiter unten beschriebene Nicht-Lösemittel in Betracht.
Der Lösungsprozess wird im Allgemeinen durch mechanische Maßnahmen wie Rühren unterstützt. Insbesondere kann der Lösungsprozess auch durch Ultraschall verbessert oder beschleunigt werden. Sofern die Spinnlösung weitere Bestandteile enthalten soll, können diese z.B. zusammen mit der Cellulose oder nachträglich eingebracht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Polymer bzw. die Cellulose, in der ionischen Flüssigkeit unter Verwendung einer Hilfs-flüssigkeit, welche das Polymer bzw. die Cellulose nicht oder nur teilweise löst (im Nachfolgenden auch Nicht-Lösemittel genannt) in Lösung ge- bracht. Das Nicht-Lösemittel wird während des Lösungsvorgangs weitgehend oder vollständig entfernt, vorzugsweise durch Destillation, und ist in der Spinnlösung dann nur noch in den oben angegebenen Mengen der weiteren Lösemittel enthalten. Das Nicht-Lösemittel ist vorzugsweise mit der ionischen Flüssigkeit mischbar. Die Spinnlösung in Verfahrensschritt a) wird daher vorzugsweise erhalten durch
a1 ) Herstellung eines heterogenen Gemisches aus Polymer, einem Nicht-Lösemittel und gegebenenfalls ionischer Flüssigkeit und
a2) Abdestillieren des Nicht-Lösemittels. Geeignete Nicht-Lösemittel für Cellulose sind insbesondere Wasser und Alkanole, bevorzugt Wasser und Methanol, besonders bevorzugt Wasser.
Die Menge des Nicht-Lösemittels beträgt vorzugsweise mindestens 30 Gewichtsteile , besonders bevorzugt mindesten 50, ganz besonders bevorzugt mindestens 80 Gewichtsteile Nicht- Lösemittel bezogen auf 100 Gewichtsteile Polymer bzw. Cellulose. Das Nicht-Lösemittel kann in großem Überschuss verwendet werden. Da es jedoch wieder entfernt wird, ist bevorzugt, nicht mehr als 200 Gewichtsteile, insbesondere nicht mehr als 150 Gewichtsteile Nicht-Lösemittel auf 100 Gewichtsteile Polymer zu verwenden.
Vorzugsweise wird in a1 ) ionische Flüssigkeit mitverwendet und es wird eine heterogenes Ge- misch erhalten, welches die Cellulose, das Nicht-Lösemittel und die ionische Flüssigkeit enthält.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Gesamtmenge der ionischen Flüssigkeit in a1 ) mitverwendet und es wird eine heterogenes Gemisch erhalten, welches die Cellulose, das Nicht-Lösemittel und die ionische Flüssigkeit in den oben angegebenen Mengen ent- hält.
Soweit nur eine Teilmenge der ionischen Flüssigkeit verwendet wird, kann der Rest z.B. während der Entfernung des Nicht-Lösemittels durch Destillation zugegeben werden oder auch nachträglich der Spinnlösung zugesetzt werden.
Die Ausbildung der Lösung des Polymeren, bzw. der Cellulose, erfolgt während des Abdestillie- rens des Nicht-Lösemittels in a2).
Das Nicht-Lösemittel wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 50 bis 150°C, besonders be- vorzugt bei einer Temperatur von 80 bis 130°C abdestilliert.
Das Abdestillieren erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform bei einem verminderten Druck, das heißt bei einem Druck kleiner 1 bar, insbesondere bei einem Druck von maximal 500 Millibar, besonders bevorzugt von maximal 100 Millibar und ganz besonders bevorzugt bei maximal 40 Millibar. Der Druck kann z.B. 5 bis 500 millibar, insbesondere 20 bis 100 mbar betragen.
Zum Abdestillieren des Nicht-Lösemittels wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform ein Dünnschichtverdampfer verwendet. Es kann sich dabei z.B. um einen Fallfilmverdampfer oder einen Rotorverdampfer handeln.
Vorzugsweise handelt es sich um einen Rotorverdampfer. Dabei handelt es sich im Allgemeinen um einen Zylinder, der im Inneren einen Rotor enthält. Der Wandabstand zwischen Zylinder und Rotor beträgt vorzugsweise maximal 10 Millimeter, besonders bevorzugt maximal 1 Millimeter. Der Zylinder ist beheizt. Auf den Rotor angebrachte Mischelemente, z.B. Wischblätter, sor- gen für eine gute Durchmischung des heterogenen Gemisches während der Destillation.
Das in a1 ) erhaltene heterogene Gemisch wir vorzugsweise am oberen Ende des beheizten Zylinders eingebracht. Das heterogene Gemisch verteilt sich auf der Innenwand des Zylinders. Das Nicht-Lösemittel, vorzugsweise Wasser, verdampft und die Cellulose geht in Lösung. Am unteren Ende des Zylinders kann die erhaltene Spinnlösung entnommen werden. Der Austrag der Spinnlösung kann durch übliche Pumpen, z.B. eine Zahnradpumpe, erfolgen. Mit Hilfe des Dünnschichtverdampfers kann die Herstellung der Lösung kontinuierlich erfolgen und die Spinnlösung am Ausgang kann kontinuierlich dem weiteren Spinnprozess zugeführt werden. Mit Hilfe des Dünnschichtverdampfers wird eine Spinnlösung erhalten, die frei ist von Gasblasen und die eine sehr hohe Homogenität hat.
Der Dünnschichtverdampfer kann z.B. bei einem Druck von 40-80 millibar, einer Temperatur von 80-130°C und einem Durchsatz von 0,5-2kg/h heterogenes Gemisch betrieben werden. Bei größeren Dünnschichtverdampfern ist natürlich ein größerer Durchsatz möglich.
Zu Verfahrensschritt b)
In Verfahrensschritt b wird die in a) erhaltene Spinnlösung durch einen Extruder geführt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die in a) erhaltene Spinnlösung zunächst filtriert, bevor sie dem Extruder zugeführt wird. Durch die Filtration sollen nicht gelöste Bestandteile, abgetrennt werden.
Vorzugsweise wird die Filtration unter Druck durchgeführt, insbesondere eignet sich ein Druck- filterkessel zur Durchführung der Filtration. Die Filtration wird vorzugsweise bei einem Druck von mindestens 1 ,2, insbesondere mindestens 1 ,5 bar durchgeführt. Mehr als 3 bar sind im Allgemeinen nicht notwendig.
In einer bevorzugten Ausführungsform gelangt die Spinnlösung nach Verfahrensschritt a) und einer sich vorzugsweise anschließenden Filtration unmittelbar in den Extruder.
Der Extruder besteht vorzugsweise im Wesentlichen aus einem äußeren Mantel, im Allgemeinen in Form eines Zylinders, und mindestens einer darin eingebrachten Förderschnecke. Vorzugsweise handelt es sich hier um einen Extruder mit einer oder zwei Schnecken, insbesondere handelt es sich um einen Extruder mit einer Schnecke.
Die Gangtiefe kann über die gesamte Länge der Schnecken gleich bleiben oder sich ändern. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schnecken kernprogressiv, das heißt dass das die Gangtiefe am Einzug größer ist als die Gangtiefe am Auslass des Extruders. Insbesondere beträgt das Verhältnis der Gangtiefe am Einzug zu der Auslass 1 ,2 : 1 bis 3 : 1 , besonders bevorzugt 1 ,5 zu 1 bis 2 : 1. Es können übliche Schnecken mit einem Schneckendurchmesser D von z.B. 5 bis 500 Millimeter verwendet werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren sind Schneckendurchmesser D von 5 bis 250 Millimeter bevorzugt; besonders bevorzugt sind 5 bis 50 Millimeter und insbesondere ein Schneckendurchmesser D von 10 bis 50 Millimeter.
Die Länge der Schnecken wir üblicherweise als Vielfaches von D angegeben. Bevorzugte Schneckenlängen sind 10 bis 50 D, insbesondere 15 bis 30 D.
Die Drehzahl der Schnecken ist vorzugsweise 10 bis 300, besonders bevorzugt 25-100 Umdrehungen pro Minute. Die Temperatur der Spinnlösung im Extruder ist vorzugsweise 20 bis 150°C, insbesondere 40 bis 120°C, ganz besonders bevorzugt 40-90°C.
Der Druck mit dem die Spinnlösung durch den Extruder gefördert wird kann z.B. 10 bis 200 bar, insbesondere 15 bis 150 bar, ganz besonders bevorzugt 20 bis 120 bar betragen.
Nach Durchgang durch den Extruder gelangt die Spinnlösung mit Hilfe einer Pumpe, z.B. eine Zahnradpumpe, zum Spinnkopf. Der Spinnkopf enthält im Allgemeinen eine abschließende Filtrationsvorrichtung und einen Verteilerblock, um die Spinnlösung möglichst gleichmäßig auf alle Löcher der Düse zu verteilen und die Düse. Bei Durchtritt durch die Düse wird die Spinnlösung in Polymerfasern zerteilt.
In Betracht kommen z.B. Düsen mit einem Lochdurchmesser D von 90 - 60 μηη.
Das Verhältnis von Länge der Löcher L (auch Kapillarlänge genannt) zu Lochdurchmesser, kurz
L/D Verhältnis kann z.B. 2/1 bis 8/1 betragen.
Der Durchsatz der Spinnlösung durch den Extruder hängt ab von der Lochzahl der Düse und dem Druck. Bei Drücken von 15 bis 150 bar und einer Lochzahl von 168 kann der Durchsatz z.B. 3 bis 20 cm3/min betragen; bei einer Düse mit einer Lochzahl von 1000 kann der Durchsatz z.B. 17 bis 1 19 cm3/min betragen.
Soweit Verbindungselemente zwischen den Vorrichtungen vorhanden sind, handelt es sich im einfachsten Fall und daher vorzugsweise um Verbindungsleitungen, insbesondere eine Rohrleitungen. Verfahrensschritte b) bis c) werden vorzugsweise kontinuierlich durchgeführt; besonders bevorzugt werden sämtliche Verfahrensschritte a) bis c) kontinuierlich durchgeführt. Daher sind alle Elemente und Vorrichtungen, welche die in a) hergestellte Spinnlösung enthalten oder befördern, also auch jegliche Verbindungleitungen zwischen den Vorrichtungen beheizt oder - bei kurzen Leitungen - vorzugsweise ausreichend isoliert, so dass die Temperatur der Spinnlösung möglichst gleichbleibend ist, so dass ein gutes Fließverhalten durch die gesamten Verfahrensschritte bis zum Austritt aus der Düse gewährleistet ist. Zu Verfahrensschritt c)
Durch die Düse wird die Spinnlösung in Fasern zerteilt. Die Fasern bestehen anfangs noch aus der Spinnlösung. Die Austrittsgeschwindigkeit der Spinnlösung bzw. der sich bildenden Fasern aus der Düse beträgt z.B. 2,5 bis 40 m/min, vorzugsweise 4m/min bis 30m/min, besonders bevorzugt 5,5 bis 20m/min.
Die bei Durchtritt durch die Düse erhaltenen Fasern werden über einen Luftspalt durch ein Koa- gulationsbad geführt werden.
Die Breite des Luftspalts kann z.B. 5 Millimeter (mm) bis 50 mm betragen. Bevorzugt beträgt die Breite des Luftspalt 8 bis 20 mm. In dem Luftspalt werden die Fasern vorzugsweise verstreckt. Durch die Verstreckung wird die Faser verlängert und das Polymer gleichzeitig in Zugrichtung orientiert.
Die Faser wird nach Austritt aus der Düse über sogenannte Galettenduos transportiert, wie es für Spinnprozesse üblich ist. Galettenduos sind zwei rotierende Walzen, welche übereinander angeordnet sind. Sie dienen als Antriebe zur Weiterleitung der Faser. Beide Walzen drehen mit derselben Geschwindigkeit in die gleiche Richtung und haben den gleichen Durchmesser, zudem stehen sie im Allgemeinen nicht ganz parallel zueinander, sondern in einem leichten Winkel. Dieser verursacht bei mehreren Umschlingungen der Faser um beide Walzen einen Abstand zwischen den Umschlingungen. So können sich die Fasern nicht berühren und sich me- chanisch nicht schädigen.
Die Verstreckung kann daher in einfacher Weise durch eine erhöhte Transportgeschwindigkeit der Galettenduos bewirkt werden. Ist diese höher als die Austrittsgeschwindigkeit der Faser aus der Düse wird die Faser direkt nach Austritt aus der Düse entsprechend verstreckt.
Der Verstreckungsgrad ergibt sich aus dem Verhältnis der Transportgeschwindigkeit der Galettenduos zur Austrittsgeschwindigkeit der Faser aus der Düse. Ohne Verstreckung, d.h. bei gleichen Geschwindigkeiten, ergibt sich der Verstreckungsgrad 1. Vorzugsweise beträgt der Verstreckungsgrad 1 ,5 bis 3,5 besonders bevorzugt 1 ,8 bis 3,5.
Die Transportgeschwindigkeit der Galettenduos kann z.B. 1 bis 200 Meter(m)/Minute (min) betragen. Vorzugsweise beträgt sie 15 bis 40m/min.
Nach dem Luftspalt gelangen die Fasern in das Koagulationsbad. Das Koagulationsbad enthält ein Nicht-Lösemittel für das Polymer bzw. für die Cellulose. Nicht-Lösemittel sind oben beschrieben. Bevorzugtes Nicht-Lösemittel ist Wasser. Neben dem Nicht-Lösemittel kann das Koagulationsbad auch Lösemittel enthalten, die das Polymer lösen, z.B. ionische Flüssigkeit. Die Faser enthält beim Eintauchen in das Koagulationsbad im Allgemeinen noch ionische Flüssigkeit aus der Spinnlösung und gibt diese an das Koagulationsbad ab. Auf diese Weise reichert sich ionische Flüssigkeit mit der Zeit im Koagulationsbad an. Der Gehalt an ionischer Flüssigkeit oder sonstigen Lösemitteln, welche das Polymer, bzw. Cellulose lösen, sollte vorzugsweise so gering gehalten werden, dass die Koagulation des Polymeren nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Besonders bevorzugt sollte das Koagulationsbad maximal 30 Gew.%, ganz besonders bevorzugt maximal 10 Gew.% an derartigen Lösemitteln enthalten. Die Prozentangaben sind auf das Gesamtgewicht des Koagulationsbads bezogen. Die Temperatur des Koagulationsbads ist im Allgemeinen nicht erhöht, sie kann z.B. zwischen 10 und 30°C liegen.
Die Kontaktzeit der Faser im Koagulationsbad kann z. B.1 Sekunde bis 60 Sekunden betragen, vorzugsweise beträgt sie 5 bis 20 Sekunden.
Nach Durchgang durch das Koagulationsbad sind die Fasern im Wesentlichen in ihrer Struktur erstarrt und werden durch die sich anschließenden Verfahrensschritte, wie Waschen, Ausrüstung mit Additiven, Trocknen und Aufspulen kaum noch in ihren mechanischen Eigenschaften verändert.
Im Allgemeinen durchläuft die Faser mehrere Waschbäder, z.B. Wasserbäder, damit die ionische Flüssigkeit möglichst vollständig aus der Faser entfernt wird. Daran können sich Bäder zur Ausrüstung der Faser anschließen. Dabei handelt es sich z.B. um Wasserbäder, die übliche Additive enthalten, z. B Phosphorverbindungen zur Brandschutzausrüstung oder Additive zur Oberflächenbehandlung. Letztere verhindern ein späteres Zusammenkleben der aufgerollten Faser. Die Trocknung kann auf durch beheizbare Galettenduos und/oder Zufuhr von heißer Luft in einem Heizkanal erfolgen. Abschließend wird die Faser aufgespult.
Die im Verfahrensschritt c) schließlich erzeugten Fasern, welche auch als Filamente bezeichnet werden, sind sogenannte Endlosfasern, bzw. Endlosfilamente. Diese werden im Gegensatz zu sogenannten Stapelfasern nicht gezielt zerteilt sondern am Ende des Herstellungsprozesses als aufgerollte Faser erhalten .
Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind Fasern, z.B. Cellulosefasern, mit sehr guten an- wendungstechnischen Eigenschaften erhältlich.
Insbesondere können mit dem Verfahren Cellulosefasern mit einer Defibrillationsnote von 1 bis 2,5 erhalten werden. Der Begriff Defibrillation bezeichnet das Entstehen oder Vorhandensein von Fibrillen, d.h. feinen Härchen, welche von der Faser abstehen; diese Fibrillen sind für textile Anwendungen im Allgemeinen unerwünscht, da sie die Faser rau machen. Die Defibrillation wird optisch durch eine Defibrillationsnote beurteilt. Dazu werden die Fasern in Wasser gegeben und geschüttelt. Unter dem Mikroskop wird danach das Vorhandensein von abstehenden Fibrillen überprüft. Zur Beurteilung werden Noten von 1 bis 6 vergeben. Bei Note 1 stehen keine Fibrillen ab (keine Defibrillation) bei Note 6 ist die Faser vollständig fibrilliert.
Die Dicke der erhaltenen Cellulosefasern beträgt vorzugsweise 2-20μηΊ,
Die Feinheit der Faser, d.h. Gewicht bezogen auf Faserlänge, beträgt bevorzugt 1 -4 dtex.
Die Einheit tex steht für Gramm auf 1000 Meter Faser; 1 dtex entspricht 0,1 tex oder Gramm auf 10000 Meter Faser.
Die Höchstzugkraft der Faser beträgt insbesondere 10 bis 100 cN/tex, besonders bevorzugt 20 bis 60 cN/tex.
Die Bruchdehnung der Faser beträgt insbesondere 1 bis 30%, besonders bevorzugt 10 bis 30%, z.B. 12 bis 20%.
Beispiele In den Beispielen verwendete Verbindungen und Rohstoffe:
EMIM Octanoat: 1-Ethyl-, 3-methyl-imidazolium octanoat (R1 in Formel I ist Ethyl und R3 in Formel I ist Methyl), EMIM Octanoat ist eine ionische Flüssigkeit, im Nachfolgenden auch mit IL für ionic liquid bezeichnet)
Cellulose: Eukalyptussulfid Zellstoff (Beispiele 1 bis 5) und Baumwoll-Linters in Beispielen 6 bis 1 1.
Beispiele 1 bis 5 In diesen Beispielen wurden Cellulosefasern gemäß nachfolgender Beschreibung hergestellt:
Herstellung der Spinnlösung
Zunächst wurde ein heterogenes Gemisch aus folgenden Bestandteilen hergestellt.
1 1 Gewichtsprozent Cellulose, Eucalyptus-Zellstoff
8,1 Gewichtsprozent Wasser und
80,9 Gewichtsprozent Octanoat
Dazu wurde EMIM Octanoat mit Eis versetzt, da bei einer Zugabe von Wasser eine Erwärmung auftritt. Anschließend wurde die Cellulose zugegeben. Das Gemisch wurde ca 45min in einem „AMK-Kneter" bei 40U/min und Raumtemperatur durchmischt.
Das Wasser wurde anschließend in einem Dünnschichtverdampfer (Typ: VD 83-6-RRS-1 1 der Firma VTA) abdestilliert:
Rotationsgeschwindigkeit: 400 U/min
Manteltemperatur 120 °C
Temperatur Austragspumpe: 1 10 °C
Vakuum: 60 mbar Nach der Destillation wurde eine Spinnlösung mit 12 Gew. % gelöster Cellulose erhalten.
Charakterisierung der Spinnlösung:
Die Charakterisierung der Spinnlösung erfolgt mittels eines Rheometers. Rheologische Unter- suchungen dienen in erster Linie zur Überprüfung der Spinnbarkeit einer Spinnmasse. Wichtige Kenngrößen sind hier die Nullscherviskosität, also die theoretische Viskosität bei keiner Belastung und der Crossover, also der Punkt, bei dem Verlust und Speichermodul gleich groß sind. Um diese Größen zu erhalten werden Frequez-Sweep-Tests durchgeführt. Zudem sollte die Spinnlösung strukturviskoses Verhalten aufweisen und kein Gel sein. Da über einen Luftspalt gesponnen wird, muss die Lösung ein ausreichend großes elastisches Verhalten aufweisen um stabile Filamente zu bilden, jedoch müssen diese Filamente auch verstreckt werden. Deshalb sollte auch ein ausreichend viskoses Verhalten vorhanden sein.
In diesem Fall wies die Spinnlösung je nach Temperatur eine Nullscherviskosität von 1000 Pas bei 1 10°C, bzw. 20000 Pas bei 50°C, sowie einen Crossover bei ca. 16rad/s bei 1 10°C) bzw. ca. 0,8rad/s bei 50°C auf. Ebenfalls besaß sie bis 50°C strukturviskoses Verhalten. Bestimmt wurden diese Werte mit einem„Dynamic Stress Rheometer SR 500" von Rheometrics. Als Messkopf diente eine Platte mit 25mm Durchmesser. Gemessen wurde ein kraftgesteuerter Frequenz-Sweep. Der Frequenzbereich ging von 100rad/s bis 0,1 rad/s bei einer Kraft von 100Pas. Diese Messung wurde jeweils bei 1 10°C bis 40°C absteigend in 10K Schritten durchgeführt. Der Messspalt betrug 1 mm. Verarbeitung der Spinnlösung
Die Spinnlösung wurde in einen„Druckfiltrations-Kessel 10ltr" von Karl Kurt Juchheim überführt. Als Filter diente ein Metallgewebe aus rostfreiem austenitischem Stahl Werkstoffnummer 1.4401 mit einer Maschenweite von 0,043mm und einer Drahtstärke von 0,035mm.
Die Filtrationseinheit wurde auf einem Gestell über dem Extruder positioniert. Der Druckfilter- Kessel war mit einer beheizbaren Transfährleitung mit dem Einzug am Extruder verbunden.
Beim Extruder handelte es sich um einen Extruder mit der Bezeichnung Haake Polylab Rheo- cord. Die Schnecke des Extruders war kernprogressiv mit einem Verhältnis der Gangtiefen von 2 zu 1 , d.h. die Gangtiefe ist am Einzug doppelt so groß wie am Auslass. Der Durchmesser der Schnecke betrug 19mm, die Länge 25xDurchmesser, also 475mm.
Die Spinnmasse wurde mittels 2bar Druck durch den Filter in den Extruder geleitet. Dort wurde sie mit einer Schnecke zur Spinnpumpe befördert. Die eingesetzte Spinnpumpe war eine Feinprüf- Zahnradpumpe mit einem Fördervolumen von 0,6cm3/U. Die Spinnlösung wurde durch den Spinnkopf geleitet, wobei sie sich dort über einen weiteren Filter und einen Verteilerblock gleichmäßig auf die Düse verteilt wurde. Die hier eingesetzte Düse hat einen Lochdurchmesser von 60μηη mit einem L/D Verhältnis von 2/1 , besitzt 168 Loch und ist von Enka Technika. Dieses komplette Setup von der Druckfiltration bis zur Düse war auf die Spinntemperatur beheizt.
Die aus der Düse austretenden Filamente wurden über einen Luftspalt von 10mm in ein Koagulationsbad geführt. Das Koagulationsmittel enthielt Wasser als Nicht-Lösemittel. Die Temperatur des Koagulationsbades betrug 21 °C. Die Faser wurde nach einer Eintauchtiefe von 300mm umgelenkt und über ein Galettenduo mit einer definierten Geschwindigkeit aus dem Koagulationsbad abgezogen und weitertransportiert. Je nach gewünschter Verstreckung und Austrittsgeschwindigkeit variierte die Abzugsgeschwindigkeit gemäß Tabelle Es wurde eine Nassspinnanlage der Firma Fourne verwendet. Diese umfasst insgesamt 9 Ga- lettenduos.
Zwischen den ersten fünf dieser Galettenduos befanden sich 3 Waschbäder mit jeweils
1200 mm Länge. In ihnen befand sich Wasser mit einer Temperatur von 88°C. Den Abschluss dieser Waschstrecke bildete ein Waschgalettenduo. Hier wurde die Faser ein letztes Mal kontinuierlich mit Wasser bei Raumtemperatur gespült. Der Waschvorgang erfolgte direkt auf der Galette. Nach dem Waschgalettenduo kamen zwei weitere Galettenduos für die Präparation zum Einsatz. Zwischen diesen beiden Antrieben befand sich ein wässriges Tauchbad, durch welches die Faser geleitet wurde. Durch die Präparation, das heißt durch die Additive im Tauchbad, wurde die Faser in üblicher Weise nicht-klebend ausgerüstet, so dass ein Verkleben der einzelnen Filamente bei der Trocknung verhindert wird.
Der Trockenschritt erfolgte auf einem beheizbaren Galettenduo bei 80°C. Anschließend wurde die Faser durch einen Heißluftkanal bei (1200mm; 120°C) geführt und nach dem letzten Galettenduo mit einem tensionsgesteuerten Oeriklon Barmag Wickler Typ WUFF 6E aufgespult.
Die vorstehende beschriebene Herstellung der Cellulosefasern wurde bei unterschiedlichen Be- dingungen wiederholt. In der Tabelle finden sich die notwendigen Angaben zur Herstellung und Eigenschaften der erhaltenen Cellulosefaser.
Die textilmechanischen Eigenschaften wurden mit einem„Favimat" der Firma Textechno gemessen. Es wurden jeweils die Mittelwerte aus 20 Einzelfasermessungen bestimmt.
Tabelle mit Angaben zur Herstellung und Fasereigenschaften
Beispiel Beispiel Beispiel Beispiel Beispiel 1 2 3 4 5
Lösungskonzetration [%] 12 12 12 12 12
Spinntemperatur [°C] 54 60 60 90 90
Austrittsgeschwindigkeit [m/min] 5,9 5,9 12,8 12,8 27,8
Abzugsgeschwindigkeit [m/min] 10,7 10,7 22,5 15 39,0
Verstreckung [%] 80 80 90 120 40
Antriebe 1-9 [m/min] 10,7 10,7 22,5 28 39
Textilmechanische
Eigenschaften
Bruchdehnung [%] 6 9 6 6 6
Höchstzugkraft [cN/tex] 37 34 41 51 31
Einzelfaserfeinheit [dtex] 1 ,8 2,0 1 ,8 1 ,7 2,4
E-Modul [cN/tex] 1900 1600 1900 1900 1600 Beispiel 6-8:
Ausführung wie in Beispiel 1 -5. Als Zellstoff wurde Baumwoll-Linters eingesetzt. Der Alpha lulosegehalt führt zu noch wesentlich verbesserten Fasereigenschaften
Figure imgf000018_0001
Beispiel 9-1 1 (Vergleichsbeispiele)
Ausführung war wie in Beispiel 6-8, jedoch ohne Schneckenextruder:
Die Verstreckung konnte nicht mehr erreicht werden. Eine Zusammenfassung der Fasereigenschaften bei max. Verstreckung im Vergleich zu Beispiel 6-8 zeigt nachfolgende Tabelle:
Beispiel Beispiel Beispiel
9 10 1 1
Lösungskonzentration [%] 12 12 12
Spinntemperatur [°C] 54 60 60
Austrittsgeschwindigkeit [m/min] 5,9 5,9 12,8
Abzugsgeschwindigkeit [m/min] 8,5 10,2 17,9
Verstreckung [%] 45 70 40
Antriebe 1-9 [m/min] 8.5 10,2 17,9
Textilmechanische Eigenschaften
Bruchdehnung [%] 14 16 15
Höchstzugkraft [cN/tex] 23 29 21
Einzelfaserfeinheit [dtex] 2,6 2,5 3,2
E-Modul [cN/tex] 800 900 600

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Polymerfasern aus in ionischen Flüssigkeiten gelösten Polymeren durch einen Luftspaltspinnprozess, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine Spinnlösung, welche eine ionische Flüssigkeit und ein gelöstes Polymer enthält, hergestellt wird, b) diese Spinnlösung durch einen Extruder geführt wird, bevor sie über eine Düse in Fasern zerteilt wird und c) die erhaltenen Fasern über einen Luftspalt durch ein Koagulationsbad geführt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Polymerfasern um Fasern aus nachwachsenden Rohstoffen handelt
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Polymerfasern um Cellulosefasern handelt
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
das Kation der ionischen Flüssigkeit ein organisches, heterocyclisches Kation mit ein bis drei Stickstoffatomen als Bestandteil des heterocyclischen Ringsystems ist und das Anion der ionischen Flüssigkeit eine Verbindung mit einer Carboxylatgruppe ist.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kation der ionischen Flüssigkeit ein Imidazolium-Kation der nachstehenden Formel I
Figure imgf000019_0001
worin
R1 für einen organischen Rest mit 1 bis 20 C-Atomen steht und
R2, R3, R4 und R5 für ein H-Atom oder einen organischen Rest mit 1 bis 20 C-Atomen stehen, ist.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Polymeren in der Spinnlösung um Cellulose mit einem durchschnittlichen Polymerisationsgrad DP von 200 bis 2000 handelt.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnlösung in Verfahrensschritt a) durch a1 ) Herstellung eines heterogenen Gemisches aus Polymer, einem Lösemittel, welches das Polymer nicht oder nur teilweise löst (kurz Nicht-Lösemittel), und gegebenenfalls ionischer Flüssigkeit und
a2) Abdestillieren des Nicht-Lösemittels
erhalten wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Nicht-Löse- mittel um Wasser handelt.
9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdestillieren des Nicht-Lösemittels in einem Dünnschichtverdampfer erfolgt.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdestillieren des Lösemittels bei einer Temperatur von 50 bis 150°C und einem Druck kleiner 1 bar erfolgt.
1 1. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Ver- fahrensschritt b) die Temperatur der Spinnlösung im Extruder 40 bis 120°C beträgt.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach die Fasern nach Durchgang durch die Düse verstreckt werden, wobei der Verstreckungsgrad 1 ,5 bis 3,5 beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kon taktzeit im Koagulationsbad 1 Sekunde bis 60 Sekunden beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritte a) bis c) kontinuierlich durchgeführt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den erhaltenen Fasern um Cellulosefasern mit einer Defibrillationsnote von 1 bis 2,5 handelt.
Verfahren zur Herstellung von Polymerfasern aus in ionischen Flüssigkeiten gelösten Polymeren durch einen Luftspaltspinnprozess
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