WO1995011261A1 - Verfahren zur herstellung von lösungen von cellulose - Google Patents

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Definitions

  • Tertiary amine oxides are known as alternative solvents for cellulose. From US Pat. No. 2,179,181 it is known, for example, that tertiary amine oxides can dissolve cellulose without derivatization and that cellulosic shaped bodies such as fibers can be obtained from these solutions by precipitation. US Pat. Nos. 3,447,939, 3,447,956 and 3,508,941 describe further processes for the preparation of cellulosic solutions, cyclic amine oxides preferably being used as solvents. In all of these processes, cellulose is physically dissolved at an elevated temperature.
  • the invention further relates to a process for the production of cellulosic moldings, in which process the cellulose solution produced according to the invention is shaped and introduced into a precipitation bath.
  • process the cellulose solution produced according to the invention is shaped and introduced into a precipitation bath.
  • foils, tubular foils, spun fibers and sponges are to be regarded as shaped bodies.

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer formbaren Lösung von Cellulose in einem wasserhältigen tertiären Aminoxid, gekennzeichnet durch die Kombination der Maßnahmen, daß (a) vorzerkleinerte cellulosische Materialien in eine wässerige Lösung eines tertiären Aminoxids eingebracht werden, um eine erste Suspension mit einer Trockenstoffdichte von mindestens 10 Massen % Cellulose herzustellen, (b) die erste Suspension einer Hochkonsistenzmahlung unterzogen wird, wobei eine zweite Suspension erhalten wird, und (c) die zweite Suspension durch Wärmezufuhr unter vermindertem Druck in die formbare Lösung von Cellulose übergeführt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung von Lösungen von Cellulose
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer formbaren Lösung von Cellulose in einem wasserhaltigen tertiären Aminoxid.
Tertiäre Aminoxide sind als alternative Lösungsmittel für Cellulose bekannt. Aus der US-PS 2,179,181 ist beispielsweise bekannt, daß tertiäre Aminoxide Cellulose ohne Derivatisierung zu lösen vermögen und daß aus diesen Lösungen durch Fällung cellulosische Formkörper wie Fasern gewonnen werden können. In den US-PSen 3,447,939, 3,447,956 und 3,508,941 werden weitere Verfahren zur Herstellung cellulosischer Lösungen beschrieben, wobei als Lösungsmittel bevorzugt cyclische Aminoxide eingesetzt werden. Bei allen diesen Verfahren wird Cellulose bei erhöhter Temperatur physikalisch gelöst.
Wenn die Lösung in einem Doppelschneckenextruder oder in einem Rührgefäß bereitet wird, muß der Zellstoff einer Voraktivierung unterzogen werden, um den Löseprozeß ausreichend schnell zu vollziehen (siehe "Das Papier", Heft 12, Seiten 784-788). Als Voraktivierung werden die Bildung und Regenerierung von Alkalicellulose oder eine hydrothermische Zellstoffbehandlung vorgeschlagen.
Auch gemäß der DD-A - 226 573 wird vor der Lösungsbereitung, die ebenfalls in einem Extruder durchgeführt wird, die Cellulose voraktiviert. Die genannte DD-A geht von einer N MO-hältigen Cellulose-Suspension mit einer niedrigen Stoffdichte von maximal 2,5 Massen% Cellulose aus. Diese Cellulose-Suspension wird in einem Rührgefäß homogenisiert. Anschließend wird durch Zentrifugieren oder Abpressen die Stoffdichte auf 12,5 Massen! erhöht, auf einen Wassergehalt von 10 - 15 Massen% (bezogen auf NMMO) getrocknet und in einem Extruder mit Entgasungszone bei Temperaturen zwischen 75 und 120°C in eine klare Lösung übergeführt. Das Verfahren gemäß der genannten DD-A - 226 573 ist mit dem Nachteil behaftet, daß nach der Homogenisierung die Stoffdichte von 2,5 Massen% auf 12,5 Massen! erhöht werden muß, bevor mit der eigentlichen Lösungsherstellung begonnen werden kann. Dies erfordert einen eigenen, zusätzlichen Arbeitsschritt. Außerdem wird beim Abpressen oder Zentrifugieren nicht nur Wasser, sondern unerwünschterweise auch NMMO entfernt.
Das in der EP-A - 0 356 419 der Anmelderin beschriebene Verfahren geht u.a. von Zellstoff aus, der in trockenem Zustand gemahlen wurde. Der Einsatz eines trocken gemahlenen Zellstoffes gestattet, den Zellstoff in einer so großen Menge in die wässerige NMMO-Lösung einzurühren, daß sich der Arbeitsschritt zur Erhöhung der Stoffdichte erübrigt. Allerdings kann das Ausgangsmaterial, also der trocken gemahlene Zellstoff, Verhornungen aufweisen, die von einer lokalen Überhitzung in der Mahlvorrichtung stammen und sich auf die Löslichkeit im wässerigen NMMO nachteilig auswirken. Außerdem schädigt eine trockene Feinmahlung die Cellulose- struktur. In dieser Hinsicht wäre eine zu größeren Teilchen führende trockene Mahlung zwar besser, größere Teilchen müssen zur Lösung aber besser aufgeschlossen werden, da andernfalls die Cellulose nur oberflächlich angequollen und schlecht gelöst wird, was Gelkörper zur Folge hat, die der Cellulose-Lösung eine schlechte Filtrierbarkeit verleihen.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Herstellung von Lösungen von Cellulose in tertiären Aminoxiden zu vereinfachen und zu verbessern.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer formbaren Lösung von Cellulose in einem wasserhaltigen tertiären Aminoxid, ist gekennzeichnet durch die Kombination der Maßnahmen, daß (a) vorzerkleinerte cellulosische Materialien in eine wässerige Lösung eines tertiären Aminoxids eingebracht werden, um eine erste Suspension mit einer Trockenstoffdichte von mindestens 10 Massen% Cellulose herzustellen,
(b) die erste Suspension einer Hochkonsistenzmahlung unterzogen wird, wobei eine zweite Suspension erhalten wird, und
(c) die zweite Suspension durch Wärmezufuhr unter vermindertem Druck in die formbare Lösung von Cellulose überzuführen.
Es hat sich gezeigt, daß eine nasse Mahlung im Hochkonsistenz¬ bereich in Anwesenheit eines tertiären Aminoxids das cellulosische Material derart gut aufschließt bzw. aktiviert, daß die Lösungsherstellung erleichtert wird. Als Mahlgeräte eignen sich herkömmliche Hochkonsistenzmischer, Disperger und Refiner.
Die nasse Mahlung der Cellulose im Hochkonsistenzbereich ist als solche aus der CA-PS 914674 bekannt. Sie dient dazu, Cellulose, die für eine nachfolgende Umsetzung zu Cellulose- acetat bestimmt ist, für die chemische Reaktion besser aufzuschließen.
Bei der nassen Mahlung werden die Fasern geschnitten, fibrilliert und gequollen. Unter Fibrillieren versteht man das Aufspalten der Fasern parallel zur Faserachse. Ein großer Teil der Fibrillen bleibt nach dem Mahlen fransenartig an den Fasern hängen. Zur Mahlung dienen Maschinen, wie z.B. Holländer, Kegelstoffmühlen, Refiner Scheibenmühlen, Stofflöser und Pulper. Bei der Mahlung wird der Stoffbrei zwischen einem bewegten und einem feststehenden Maschinenteil bearbeitet.
Hochkonsistenzmahlen ist das Mahlen einer wässerigen Suspension, die zwischen etwa 10 Massen% und 35 Massen! Trockensubstanz (Cellulose) aufweist. Beim Hochkonsistenz¬ mahlen wird die zum Mahlen aufgewendete Energie auf die Cellulose besser übertragen als beim herkömmlichen Mahlen. Dadurch kommt es nicht nur zu einem Aufspalten der Cellulose in Einzelfasern sondern auch zu einem Fibrillieren und Zerschneiden der einzelnen Fasern.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich weiters dadurch aus, daß die gewünschte Wirkung selbst dann auftritt, wenn die zur Herstellung der ersten Suspension verwendete wässerige Lösung das tertiäre Aminoxid nur zwischen 60 und 72 Massen! enthält und somit einen relativ hohen Wassergehalt aufweist. Dies ermöglicht es auf einfache Weise, z.B. gebrauchte Spinnbäder bzw. Koagulationsbäder nach Regenerierung als Lösungsmittel wiederzuverwenden. Es hat sich gezeigt, daß die gewünschte Wirkung auch dann auftritt, wenn Zusatzstoffe in der ersten und/oder in der zweiten Suspension anwesend sind, wie z.B. Ti02, Kaolin, Farbstoffe, Graphit, BaSO-, Carboxymethylcellulose und Flammschutzmittel.
Zur Auflösung der Cellulose im Schritt (c) muß dann lediglich der Wassergehalt auf unter 17 Massen! eingestellt werden. Dies kann so durchgeführt werden, daß zunächst in einem ersten Schritt das überschüssige Wasser abgezogen und dann in einem Extruder die erhaltene Masse zur Lösung aufgeschmolzen wird. Diese Arbeitsgänge sind z.B. aus der DE-A - 28 30 685 bekannt. Zweckmäßigerweise werden diese beiden Arbeitsgänge aber zu einem einzigen vereinigt, indem die im Schritt (b) erhaltene zweite Suspension direkt gemäß dem in der EP-A - 0 356 419 beschriebenen Verfahren in die Lösung übergeführt wird.
Es hat sich gezeigt, daß das im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte, vorzerkleinerte cellulosische Material noch mit einer Teilchengröße von 70 mm problemlos zur zweiten Suspension verarbeitet werden kann. Besonders vorteilhaft werden Cellulosechips mit einer Größe bis zu 20 mm als vorzerkleinertes Material eingesetzt. Diese Chips können beispielsweise in einer Hammermühle oder in einer Schneidmühle gewonnen werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß nicht nur hochwertiger Zellstoff als cellulosisches Material eingesetzt werden kann, sondern beispielsweise zumin¬ dest teilweise auch Altpapier, Altkarton oder Papierpreßteile. Es ist sogar möglich, als das cellulosische Material teilweise Holzschnitzel und/oder Sägespäne vorzusehen und zu verarbeiten. Es ist bekannt, daß Holzfasern, die normalerweise dicke Zellwände aufweisen, Fasern mit hohem Ligningehalt oder mit hohem Harzgehalt die Reaktivität der Cellulose herab¬ setzen. Die erfindungsgemäß vorgesehene Hochkonsistenzmahlung in Gegenwart eines tertiären Aminoxids aktiviert diese cellulosischen Materialien aber derart gut, daß im Schritt (c) eine homogene Lösung mit guten Filtrationseigenschaften gebildet wird.
Im erfindungsgemäßen Verfahren hat sich als tertiäres Aminoxid N-Methyl-morpholin-N-oxid besonders gut bewährt.
Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zur Herstellung cellulosischer Formkörper, bei welchem Verfahren die erfindungsgemäß hergestellte Cellulose-Lösung geformt und in ein Fällbad eingebracht wird. Als Formkörper sind beispielsweise Folien, Schlauchfolien, gesponnene Fasern und Schwämme anzusehen.
Mit den nachfolgenden Beispielen wird die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform näher beschrieben.
Allgemeine Verfahrensweise
Zellstoff wurde vorzerkleinert und in einem Mischer mit einer solchen Menge 72!igem NMMO (28 Massen! Wasser) imprägniert, daß ll-16!ige Suspensionen erhalten wurden. Anschließend wurden die Suspensionen auf eine Temperatur zwischen 50-65°C erhitzt. Der auf diese Weise mit NMMO vorimprägnierte Zellstoff wurde aus dem Mischer mittels einer Exzenterpumpe kontinuierlich ausgetragen und mit einer Förderschnecke einem Refiner zugeführt. Das über die Mahl- bzw. Dispergierplatten des Refiners geführte Produkt wurde über einen Austragsstutzen abgenommen und mittels einer Exzenterschneckenpumpe in ein Puffergefäß (z.B. Mischer) überführt, von dem es zur Lösungsbereitung entnommen wurde. Die Lösung wurde gemäß dem in der EP-A - 0 356 419 beschriebenen Verfahren bereitet.
Beispiele 1-4
Zur Mahlung wurde ein Krima-Disperger KD 450 (Scheibendurch¬ messer 450 mm; Rotordrehzahl 1500 min ) verwendet. Ausgangsmaterial war ein Vorhydrolyse-Sulfatzellstoff des Typs Buckeye V5 (Hersteller: Procter & Gamble), der mittels eines Schneidgranulators auf eine Größe von 4 mm vorzerkleinert und mit 70!igem NMMO abgemischt war. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 dargestellt:
Tabelle 1
Beisp. Konsistenz Durchsatz Mahlspalt
Nr. (Massen!) (kg/h) (mm)
1 11,40 272 0,05
2 11,38 272 0,10
3 11,83 272 0,20
4 11,68 272 0,30
Vergleich 11,49
Die in den Beispielen 1-4 erhaltenen Suspensionen konnten in kürzerer Zeit in eine Lösung übergeführt werden als die ungemahlene Vergleichssuspension (Vergleich), in der noch dazu vereinzelt Gelkörper zu sehen waren.
Wie bereits erwähnt, wurde das Vergleichsbeispiel mit ungemahlenem und somit lediglich vorzerkleinertem und mit Aminoxid imprägnierten Zellstoff durchgeführt. Die ZellstoffStückchen umgeben sich entsprechend der Lösungs¬ herstellung nach dem NMMO-Verfahren (unabhängig davon, ob die Lδsungsbereitung im Rührkessel, Extruder oder im Filmtruder durchgeführt wurde) während des Abdampfens von Wasser mit hochviskoser, frisch entstandener Celluloselösung und stellen dadurch für den weiteren Stoffaustausch ein Hindernis dar. Es wird angenommen, daß dies die Ursache dafür ist, daß Gelkörper entstehen und sich die hochviskose Lösung nur teilweise ausbildet. Diese Gelkörper führen zu Filtrationsproblemen.
Beispiele 5 und 6
Zur Mahlung wurde ein Andritz Sprout-Bauer Refiner (Scheibendurchmesser 300 mm; Rotordrehzahl 3000 min" ) verwendet. Ausgangsmaterial war ein Vorhydrolyse-Sulfatzell¬ stoff des Typs Buckeye V5 (Hersteller: Procter & Gamble) mit einer Teilchengröße maximal 70 mm vorzerkleinert und mit 70!igem NMMO abgemischt war. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 dargestellt:
Tabelle 2
Beisp. Konsistenz Durchsatz Mahlspalt
Nr. (Massen!) (kg/h) (mm)
5 14,5 150 0,20
6 14,5 150 0,30-
Vergleich 15,9
Da die Cellulosestückchen eine Größe von maximal 70 x 70 mm hatten, war zur Lösungsbereitung eine längere Zeit als bei den Beispielen 1-4 erforderlich. Aber auch hier war das Phänomen zu beobachten, daß die in den Beispielen 5 und 6 erhaltenen Suspensionen in kürzerer Zeit in eine Lösung übergeführt werden konnten als die ungemahlene VergleichsSuspension, in der noch dazu Gelkörper zu sehen waren.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer formbaren Lösung von Cellulose in einem wasserhaltigen tertiären Aminoxid, gekenn¬ zeichnet durch die Kombination der Maßnahmen, daß
(a) vorzerkleinerte cellulosische Materialien in eine wässerige Lösung eines tertiären Aminoxids eingebracht werden, um eine erste Suspension mit einer Trockenstoffdichte von mindestens 10 Massen! Cellulose herzustellen,
(b) diese erste Suspension einer Hochkonsistenzmahlung unterzogen wird, wobei eine zweite Suspension erhalten wird, und
(c) diese zweite Suspension durch Wärmezufuhr unter vermindertem Druck in die formbare Lösung von Cellulose übergeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Herstellung der ersten Suspension eingesetzte wässerige Lösung das tertiäre Aminoxid zwischen 60 und 72 Massen! enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vorzerkleinerte cellulosische Material eine Teilchen¬ größe von maximal 70 mm aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als cellulosisches Material zumindest teilweise Altpapier eingesetzt wird, welches zerkleinert ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als cellulosisches Material zumindest teilweise Holzschnitzel und/oder Sägespäne eingesetzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als cellulosisches Material teilweise Zellstoff eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in Anspruch 1 angeführte Schritt (c) in einem Filmtruder vorgenommen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als tertiäres Aminoxid N-Methyl-morpholin- -N-oxid eingesetzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Suspension und/oder der zweiten Suspension Additive zugegeben werden.
10. Verfahren zur Herstellung cellulosischer Formkörper, bei welchem Verfahren eine gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 herge¬ stellte Lösung von Cellulose geformt und in ein Fällbad einge¬ bracht wird.
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