Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines cellulosischen Formkörpers, insbesondere cellulosischer Fasern.

Als Alternative zum Viskoseverfahren wurden in den letzten Jahren eine Reihe von Verfahren beschrieben, bei denen Cellulose ohne Bildung eines Derivats in einem organischen Lösungsmittel, einer Kombination eines organischen Lösungsmittels mit einem anorganischen Salz oder in wässerigen Salzlösungen gelöst wird. Cellulosefasern, die aus solchen Lösungen hergestellt werden, erhielten von der BISFA (The International Bureau for the Standardisation of man made Fibres) den Gattungsnamen Lyocell zugeteilt. Als Lyocell wird von der BISFA eine Cellulosefaser definiert, die durch ein Spinnverfahren aus einem organischen Lösungsmittel erhalten wird. Unter "organisches Lösungsmittel" wird von der BISFA ein Gemisch aus einer organischen Chemikalie und Wasser verstanden.

Bis heute hat sich jedoch nur ein einziges Verfahren zur Herstellung einer Cellulosefaser der Gattung Lyocell bis zur industriellen Realisierung durchgesetzt, und zwar das Aminoxidverfahren. Bei diesem Verfahren wird als Lösungsmittel bevorzugt N-Methylmorpholin-N-oxid (NMMO) verwendet. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird für den Begriff "tertiäre Aminoxide" stellvertretend die Abkürzung "NMMO" verwendet, wobei NMMO noch zusätzlich für das heute vorzugsweise verwendete N-Methylmorpholin-N-oxid steht.

Tertiäre Aminoxide sind schon seit langem als alternative Lösungsmittel für Cellulose bekannt. Aus der US-PS 2,179,181 ist beispielsweise bekannt, daß tertiäre Aminoxide hochwertigen Chemiezellstoff 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 jedoch 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 NMMO-hältigen Cellulose-Suspension aus, die zunächst in einem Rührgefäß homogenisiert wird. 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.

In der EP-A - 0 356 419 der Anmelderin wird ein Verfahren beschrieben, das vorzugsweise in einem Dunnschichtbehandlungs¬ apparat durchgeführt wird, in welchem eine Suspension des zerkleinerten Zellstoffs in einem wäßrigen tertiären Aminoxid in Form einer dünnen Schicht ausgebreitet über eine Heizfläche transportiert wird, wobei die Oberfläche dieser dünnen Schicht einem Vakuum ausgesetzt wird. Beim Transport der Suspension über die Heizfläche wird Wasser abgedampft und die Cellulose kann in Lösung gebracht werden, sodaß aus dem Filmtruder eine verspinnbare Celluloselösung ausgetragen wird.

Sämtliche der oben beschriebenen Verfahren verwenden als Ausgangsmaterial hochwertigen Chemiezellstoff, der z.B. aus Buchenholz oder Fichtenholz gewonnen wird. Über die Verwendung anderer cellulosehaltiger Materialien ist im Stand der Technik wenig bekannt.

Eine Verarbeitung lignocellulosischer Materialien im NMMO-Verfahren ist aus der WO 86/05526 bekannt. Für die Verarbeitung werden relativ aggressive Bedingungen empfohlen. So wird beispielsweise Pappelholz zunächst einem speziellen Hydrolyseverfahren unterzogen und das dabei erhaltene feste Produkt bei Raumtemperatur mit NMMO, das einen Wassergehalt von 13,5% aufweist, vermischt. Beim verwendeten NMMO handelt es sich um das bei Raumtemperatur in festem Zustand vorliegende Monohydrat des NMMO (Schmelzpunkt > 70 ^* C). Die feste Mischung wird homogenisiert und auf 130 ^* C erhitzt und aufgeschmolzen, wobei das hydrolysierte Holz in Lösung geht.

Auch in "Holzforschung", 4_2, Seiten 21-27 (1988) ist beschrieben, daß lignocellulosisches Material in einer Lösung von NMMO in Dimethylsulfoxid gelöst werden kann. Das eingesetzte NMMO ist keine wäßrige Lösung sondern besitzt einen Wassergehalt von 15%, was ebenfalls etwa dem Monohydrat entspricht.

Es ist wünschenswert, bei der Herstellung von Cellulose¬ lösungen weniger aggressive Bedingungen anzuwenden, bzw. einen Aufschmelzprozeß überhaupt zu vermeiden, da aus der Literatur bekannt ist, daß sowohl die Cellulose als auch NMMO bei erhöhter Temperatur einem Abbauprozeß unterliegen, und daß die Abbauprodukte die physikalischen Daten der Lyocell-Fasern, wie Festigkeit und Dehnung, verschlechtern. Ferner ist es wünschenswert, die Rohstoffbasis für das Aminoxidverfahren zur erweitern, um Zellstoffe, die in einem tertiären Aminoxid entweder schlecht gelöst werden können oder aus einer Lösung nur schlecht oder überhaupt nicht versponnen werden können, zu Fasern zu verarbeiten.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, das Verfahren zur Herstellung cellulosischer Formkörper, insbesondere von Fasern, nach dem Aminoxidverfahren so zu verbessern, daß als Ausgangsmaterial zumindest teilweise Zellstoffmaterialien eingesetzt werden können, die in wäßrigem Aminoxid nur schlecht löslich sind, oder daß Zellstoffmaterialien eingesetzt werden können, die in wäßrigem Aminoxid zwar löslich sind, deren Lösungen aber im Stand der Technik entweder nicht oder nur schlecht verspinnbar sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines cellulosischen Formkörpers, insbesondere Cellulosefasern, wobei ein cellulosehaltiges Material in eine wässerige Lösung eines tertiären Aminoxids eingebracht wird, um das cellulosehaltige Material zu suspendieren, aus der Suspension unter intensivem Mischen und unter

Anwendung von erhöhter Temperatur und verringertem Druck so lange Wasser abgezogen wird, bis eine Lösung von

Cellulose gebildet wird, und die Lösung unter Verwendung eines Formwerkzeuges, insbesondere einer Spinndüse, geformt und in ein Fällbad eingebracht wird, um die gelöste Cellulose zu fällen, ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Celluloselösung eine Suspension eingesetzt wird, die ein cellulosehaltiges Material enthält, das einer

Elektronenstrahlung ausgesetzt wurde.

Es hat sich gezeigt, daß alternative Zellstoffguellen, wie z.B. Baumwollrandabschnitte aus Konfektionsquellen und sonstige cellulosische Abfälle, ohne chemische Aktivierungsbehandlung im Aminoxidverfahren gelöst und zu Fasern verarbeitet werden können, wenn sie vorher einer Elektronenbestrahlung ausgesetzt werden. Auch Zellstoffe, die zwar gelöst, aber deren Lösung nur bei unwirtschaftlichen Konzentrationsverhältnissen oder nur schwierig versponnen werden können, wie z.B. der Zellstoff der Type Alistaple LD

9.2, können nach der Bestrahlung zu Fasern verarbeitet werden. Die Dauer und Intensität der anzuwendenden

Elektronenstrahlung, das heißt die eingestrahlte Dosis, hängt naturgemäß von der Art des eingesetzten Rohstoffes ab, kann jedoch vom Fachmann durch Vorversuche auf einfache Weise selbst herausgefunden werden.

Die Anwendung von Elektronenstrahlen zur Modifizierung des Polymerisationsgrades von Cellulosecarbamat ist zwar bekannt. Dabei wird jedoch ein Cellulosederivat, d.h. das Cellulosecarbamat, bestrahlt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Herstellung der Suspension eine wässerige Lösung des tertiären Aminoxids eingesetzt, die zwischen 60 und 80 Massen% Aminoxid enthält.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß als cellulosisches Material zusätzlich unbestrahltes cellulosisches Material eingesetzt wird.

Es hat sich gezeigt, daß auch Mischungen eines bestrahlten und eines unbestrahlten cellulosischen Materials im Verfahren hervorragend eingesetzt werden können. Dem bestrahlten cellulosischen Material kann einerseits zur weiteren Verbesserung der Verarbeitbarkeit ein bereits im unbestrahlten Zustand gut zur Auflösung und Verspinnung geeigneter, zumeist eher niedermolekularer Zellstoff zugegeben werden. Andererseits können durch die Bestrahlung dem bestrahlten Zellstoff so hervorragende Eigenschaften verliehen werden, daß er, ohne wesentliche Verluste in der Verarbeitung in Kauf nehmen zu müssen, auch mit weniger gut für das Aminoxidverfahren geeigneten Materialien, z.B. hochmolekularem Zellstoff oder den erwähnten Textilien, gemischt werden kann.

Es hat sich ferner gezeigt, daß sich die Suspension aus dem bestrahlten Zellstoff oder dem bestrahlten cellulosehältigen Material am besten nach der Dünnschichttechnik in eine spinnbare Lösung überführen läßt. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung gebildet wird, indem die Suspension kontinuierlich in ein evakuierbares, beheizbares Gefäß eingebracht wird, die eingebrachte Suspension zur Bildung von zwei Oberflächen schicht- bzw. filmartig mechanisch ausgebreitet wird, die ausgebreitete Suspension zur Wärmezufuhr über eine Oberfläche mit einer Heizfläche in Kontakt gebracht wird, die ausgebreitete Suspension unter intensivem Mischen über die Heizfläche transportiert wird, während des Transportes über die Heizfläche die dieser Heizfläche abgewandte, zweite Oberfläche einem verminderten Druck ausgesetzt wird, um Wasser zu verdampfen, bis das cellulosehaltige Material in Lösung gegangen ist, und die Lösung aus dem Gefäß kontinuierlich abgezogen wird.

Eine zweckmäßige Einrichtung, in welcher diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden kann, ist ein Dunnschichtbehandlungsapparat, wie ihn z.B. die Firma Buss (Schweiz) als Filmtruder herstellt. Es hat sich gezeigt, daß sich ein derartiger Dunnschichtbehandlungsapparat ganz besonders gut eignet, diese Zellstoffe und diese cellulosehältigen Materialien zu lösen. Es wird angenommen, daß dies auf die hohen Scherkräfte zurückzuführen ist, die im Dunnschichtbehandlungsapparat auftreten.

Mit den nachfolgenden Beispielen wird die Erfindung näher beschrieben, wobei der Einfluß der Bestrahlung von Zellstoffen auf ihre Molekulargewichtsverteilung (Beispiel 1), auf ihr Auflösungsverhalten in einem wäßrigen tertiären Aminoxid

(Beispiel 2) und auf die Spinnbarkeit der Celluloselösungen (Beispiel 3) dokumentiert wird.

Beispiel 1

Zuerst wurde mittels Gelpermeationschromatographie (GPC) das Molekulargewichtsprofil (dN/N [%] gegen log MG Pseudopolystyrol) des Zellstoffs Viscokraft LV (Hersteller: International Paper), eines Zellstoffs, der im Aminoxidverfahren aufgrund seines Löslichkeitsverhaltens gut eingesetzt werden kann, aufgenommen. Die Größe dN/N (%) beschreibt dabei den prozentuellen Häufigkeitsanteil der Molmassenfraktion.

Vor Durchführung der GPC wurde eine HPLC-Säule über Polystyrolpolymere kalibriert. Die detektierten Massen beziehen sich daher auf Polystyrolpolymere.

Zur Aufnahme der GPC wurde der Zellstoff in LiCl/DMAc gelöst und über die HPLC-Säule mit definierten Ausschlußvolumina chromatographiert. Detektiert wurde über einen Brechungsindexdetektor.

Das Ergebnis ist in der Figur la (in allen Figuren: Abszisse: log MG Pseudopolystyrol; Ordinate: dN/N [%]) dargestellt und zeigt eine relativ enge Verteilung mit einem Maximum des Logarithmus des Molekulargewichts (log MG Pseudopolystyrol) von etwa 5,75.

Als Vergleich dazu wurde das Molekulargewichtsprofil eines weiteren Zellstoffs aufgenommen, der sich praktisch nicht zur Verwendung im Aminoxidverfahren eignet (Alistaple LD 9.2; Hersteller: Western Pulp). Das Ergebnis ist in der Figur lb dargestellt und zeigt, daß die Verteilung nicht nur viel breiter ist, als beim Zellstoff Viscokraft LV, sondern auch, daß das Maximum höher liegt, und zwar bei einem log MG Pseudopolystyrol von etwa 6,0.

Um den günstigen Einfluß der Bestrahlung auf das Molekulargewichtsprofil zu zeigen, wurde der gleiche Zellstoff Alistaple LD 9.2 in einer 500 kV Elektronenbeschleunigungs¬ apparatur mit einer Strahlungsdosis von 20 kGy bestrahlt (Inertgas: Gemisch aus C0 ₂ und N_; Temperatur: 25 ^* C) und vom bestrahlten Zellstoff das Molekulargewichtsprofil aufgenommen. Das Ergebnis ist in der Figur lc dargestellt. Der Einfluß der Bestrahlung ist klar ersichtlich: die Verteilungskurve ist viel enger und ähnelt stark jener des Zellstoffs Viscokraft LV. Auch das Maximum wurde in Richtung eines niedrigeren Molekulargewichtes verschoben und liegt nun bei etwa 5,75, also ebenfalls im Bereich von Viscokraft LV.

Mit diesen Ergebnissen wird dokumentiert, daß mittels Elektronenbestrahlung aus einem Zellstoff, der im Aminoxidverfahren nur schlecht oder überhaupt nicht eingesetzt werden kann, ein Zellstoff erhalten wird, dessen Molekulargewichtsverteilung der eines im Aminoxidverfahren gut einsetzbaren Zellstoffs stark ähnelt.

Beispiel 2

Um das Auflösungsverhalten zu untersuchen, wurde zunächst zerkleinerter Zellstoff Viscokraft LV (durchschnittlicher Polymerisationsgrad: 450) in wäßrigem, 50%igem NMMO suspendiert, in einen Kneter (Type: IKA-Laborkneter HKD-T; Hersteller: IKA-Labortechnik) gegeben und eine Stunde imprägnieren gelassen. Anschließend wurde durch Beheizung des Kneters mit einem auf 130 ^* C temperierten Heizmedium und durch in definierten zeitlichen Schritten durchgeführte Verringerung des Unterdrucks Wasser abgedampft, bis der Zellstoff vollständig in Lösung gegangen war. Bei Erreichen eines Unterdruckes von 125 mbar wurde in gewissen Zeitabständen (3 x 5 Minuten, 4 Minuten, dann je 2 Minuten, bis zur vollständigen Auflösung) eine Probe dem Kneter entnommen und mikroskopisch (Vergrößerung: 100 x) untersucht.

Zur Bewertung der Probe wurden folgende Auflösungsnoten vergeben:

Note 5: viele Faserteile sind zu sehen;

Note 4: viele ungelöste Partikel und lange Kristallite sind zu sehen; Note 3: etwas kürzere Kristallite sind zu sehen; Note 2: wenige Kristallite sind zu sehen; Note 1: es sind praktisch keine ungelösten Partikel zu sehen.

Die Ergebnisse sind unten in der Tabelle 1 angegeben. Ihr ist zu entnehmen, daß sich Viscokraft LV nach etwa 10 Minuten zu lösen beginnt, wobei der AuflösungsVorgang in der Folge ziemlich gleichmäßig verläuft und nach etwa 23 Minuten abgeschlossen ist. Die Temperatur beträgt zu diesem Zeitpunkt 99,0'C.

Der obige Versuch wurde zum Vergleich unter sonst gleichen Bedingungen mit dem Zellstoff Alistaple LD 9.2 (durchschnittlicher Polymerisationsgrad: 1978) wiederholt. Die Ergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle 1 angegeben und zeigen, daß sich dieser Zellstoff erst nach 29 Minuten und bei einer höheren Temperatur (104,7 ^* C) auflöst. Dies zeigt deutlich, daß sich dieser Zellstoff schlechter löst.

Um den Einfluß der Bestrahlung zu zeigen, wurde der Versuch mit bestrahltem (20 kGy) Alistaple LD 9.2 (durchschnittlicher Polymerisationsgrad nach Bestrahlung: 414) wiederholt. Auch diese Ergebnisse sind in der Tabelle 1 angegeben. Sie zeigen, daß sich der bestrahlte Zellstoff bereits nach 19 Minuten und bei einer Temperatur von nur 95,4 ^* C auflöst. Der Entwicklung der Auflösenoten kann entnommen werden, daß sich der bestrahlte Zellstoff nach einer 15minütigen Vorbereitungszeit offenbar sprunghaft auflöst.

Tabelle 1

Zellstoff Zeit Lösenote Temperatur Druck

(min) C C) (mbar)

Viscokraft

II 0 5 88,2 125

II 5 5 89,8 100

II 10 5 91,3 75

II 15 1,5 93,8 50

II 19 1,5 96,1 50

II 21 1,2 97,6 50

II 23 1 99,0 50

Alistaple (unbestrahlt)

II 0 5 86,3 125

II 5 5 87,0 100

II 10 5 87,6 75

II 15 5 93,0 50

II 19 3,5 96,0 50

II 21 3 98,3 50

II 23 2,5 99,6 50

II 25 2 101,1 50

II 27 1,2 103,0 50

II 29 1 104,7 50

Alistaple (bestrahlt)

0 5 87,4 125

" 5 5 88,9 100

10 5 91,5 75

15 2 93,9 50

19 1 95,4 50

Bemerkenswert erscheint auch, daß der bestrahlte Zellstoff Alistaple LD 9.2 schneller und schonender gelöst werden kann als Viscokraft LV, obwohl beide Zellstoffe praktisch den gleichen durchschnittlichen Polymerisationsgrad aufweisen.

Beipiel 3

Um den Einfluß der Zellstoffbestrahlung auf das Spinnverhalten zu untersuchen, wurden zunächst aus Buchenholz-Sulfitzell¬ stoff, der mit Ozon gebleicht war (BKZ03; Hersteller: Lenzing AG), Lösungen mit 15% Cellulose hergestellt.

Als Spinnapparat wurde ein in der Kunststoffverarbeitung gebräuchliches Schmelzindexgerät der Firma Davenport verwendet. Dieses Gerät besteht aus einem beheizten, temperaturregelbaren Zylinder, in den die Spinnmasse eingefüllt wird. Mittels eines Kolbens, der mit einem Gewicht belastet wird, wird die Spinnmasse durch die an der Unterseite des Zylinders angebrachte Spinndüse extrudiert. Für die Versuche wurde die in den Spinnapparat eingebrachte Spinnmasse bei verschiedenen Temperaturen (zwischen 90 ^* C und 120 ^* C) durch eine Düse mit einem Durchmesser von 100 μm extrudiert, durch einen Luftspalt (3 cm) mit trockener Luft in ein wäßriges Fällbad geführt, umgelenkt und über eine Galette abgezogen, die hinter dem Fällbad vorgesehen war. Der Spinnmasseausstoß durch die Düse betrug 0,030 g/min.

Das Spinnverhalten wurde untersucht, indem die maximale Abzugsgeschwindigkeit (m/min) ermittelt wurde. Diese maximale Abzugsgeschwindigkeit ist jene Geschwindigkeit bei einer vorgegebenen Temperatur, bei der der abgezogene Spinnfaden reißt. Sie ist damit ein Maß für das Spinnverhalten. Je höher dieser Wert ist, desto besser ist das Spinnverhalten.

Anschließend wurden der Versuch mit dem gleichen Zellstoff unter identischen Bedingungen wiederholt, außer daß der eingesetzte Zellstoff einmal mit 10 kGy und ein weiteres Mal mit 20 kGy bestrahlt war. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2a angegeben.

Tabelle 2a

Zellstoff Tιemperatu max. Abzugsgeschw. (m/min)

BKZ03

(unbestrahlt) 120 72

II 115 59

II 110 67

II 105 57

It 100 49

It 95 52

(10 kGy) 120 189 tl 115 171

II 110 172

II 105 134

II 100 144

•1 95 122

II 90 117

(20 kGy) 110 197

II 105 161

II 100 199

II 95 184

II 90 177

Der Tabelle 2a kann entnommen werden, daß sich die Spinnbarkeit des Zellstoffes mit Bestrahlung verbessern läßt.

Zum Vergleich wurden die obigen Versuche mit dem Zellstoff Alistaple LD 9.2 wiederholt, wobei sich jedoch zeigte, daß die aus einer I5%igen Lösung aus unbestrahltem Alistaple LD 9.2 extrudierten Fäden sofort, also bereits bei sehr geringer Abzugsgeschwindigkeit, rissen. Solche Lösungen werden als nicht verspinnbar bezeichnet. Die Ergebnisse mit bestrahltem (10 kGy und 20 kGy) Alistaple LD 9.2 sind in der nachfolgenden Tabelle 2b angegeben.

Tabelle 2b

Zellstoff Temperatur ( ^* C) max. Abzugsgeschw. (m/min) Alistaple

(10 kGy) 120 155

" 115 169

" 110 175

II 105 182 II 100 172 tl 95 144

" 90 150

(20 kGy) 120 199,7

" 115 195

" 110 187

" 105 193

" 100 185

" 95 178,3

" 90 184,3

Es hat sich ferner gezeigt, daß sich die textilen Daten von Fasern, die aus bestrahlten Zellstoffen hergestellt werden, nicht wesentlich von jenen unterscheiden, die von Fasern aus unbestrahlten Zellstoffen bekannt sind, und daß Zellstoffe, wie z.B. Alistaple LD 9.2, deren Lösungen als nicht verspinnbar gelten, durch Elektronenbestrahlung derart modifiziert werden, daß sie im Aminoxidverfahren eingesetzt werden können.