DE4409609A1

DE4409609A1 - Process for spinning cellulose fibres and filament yarns

Info

Publication number: DE4409609A1
Application number: DE19944409609
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr Michels; Reinhard Dr Maron; Klaus Berghof
Original assignee: Thueringisches Institut fuer Textil und Kunststoff Forschung eV
Current assignee: Ostthueringische Materialpruefgesellschaft fur Te
Priority date: 1994-03-21
Filing date: 1994-03-21
Publication date: 1994-10-13

Abstract

Process for spinning cellulose fibres and filament yarns by the dry-wet extrusion process from a solution of cellulose in a water-containing N-oxide of a tertiary amine, in particular N-methylmorpholine N-oxide, by extruding the solution through die channels having an exit-side capillary section which has a cross-section minimum dimension d within the range from 40 to 100 mu m and in which the cellulose molecules are preoriented by shearing forces, into a medium which does not precipitate the cellulose, further orienting the cellulose molecules by drawdown of the extruded solution jet in this medium in a ratio V within the range 0.5 V 3 and precipitating the cellulose from the solution jet by contacting with a precipitating medium without drawing. The process is characterised in that the cellulose solution is extruded through die channels whose length L is within the range from 200 to 800 mu m and whose capillary section has a length l within the range from 40 to 180 mu m. This short channel die process involves reduced capital investment costs for spinning dies and spinning pumps and reduced operating costs for the spinning plant.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erspinnen von Cellulosefasern und -filamentgarnen nach dem Trocken-Naßextrusions verfahren aus einer Lösung von Cellulose in einem Wasser enthal tenden N-Oxid eines tertiären Amins, insbesondere N-Methylmorpho lin-N-oxid durch Extrudieren der Lösung durch Düsenkanäle mit einem ausgangsseitigen Kapillarabschnitt, der eine Querschnitts dimension d in dem Bereich von 40 bis 100 µm hat und in dem die Cellulosemoleküle durch Scherkräfte vororientiert werden, in ein die Cellulose nicht ausfällendes Medium, weiteres Orientieren der Cellulosemoleküle durch Verzug des extrudierten Lösungsstrahls in diesem Medium in einem Verhältnis V in dem Bereich 0,5<V<3 und Ausfällen der Cellulose aus dem Lösungsstrahl durch Berührung mit einem Fällmedium ohne Verstreckung.The invention relates to a method for spinning Cellulose fibers and filament yarns after dry-wet extrusion process from a solution of cellulose in water tendency N-oxide of a tertiary amine, especially N-methylmorpho lin-N-oxide by extruding the solution through nozzle channels an output-side capillary section that has a cross-section has dimension d in the range from 40 to 100 µm and in which the Cellulose molecules are pre-oriented by shear forces into one medium not precipitating the cellulose, further orientation the cellulose molecules by warping the extruded solution jet in this medium in a ratio V in the range 0.5 <V <3 and precipitation of the cellulose from the solution jet by touch with a precipitation medium without stretching.

Aus EP-A-92890004.2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines cellulosischen Formkörpers bekannt, bei dem eine cellulosische Aminoxidlösung durch eine Langkanaldüse gepreßt, anschließend durch einen Luftspalt geführt, in diesem verstreckt und schließ lich in einem Fällbad koaguliert wird. Dabei betragen der mini male Lochdurchmesser der Langkanaldüse höchstens 150 µm und die Länge des Düsenkanals mindestens 1000 µm. Der ausgangsseiti ge zylindrische Kapillarabschnitt des Düsenkanals hat eine Länge von mindestens 250 µm. Das Verzugsverhältnis liegt nach den Beispielen beträchtlich höher als 3. Nur in dem Beispiel Nr. 6 wird bei einer Kapillarlänge von 430 µm und einem Kapillardurch messer von 50 µm mit einem Verzug im Luftspalt von 1,4 gearbei tet. Der Düsenkanal muß generell so lang und von so kleinem Durchmesser sein, daß die auf die Lösung in dem Düsenkanal ein wirkenden Scherkräfte zu einer ausreichenden Vororientierung des Cellulosepolymeren führen. Der Benutzung von Langkanaldüsen bei der Verspinnung mit kleinen Verzugsverhältnissen verteuert die Investitionskosten und die Betriebskosten, da der Materialauf wand (Tantal, Edelmetall) für die Düsen beträchtlich ist und der Spinndruck proportional zur Länge des Kapillarabschnitts ansteigt.EP-A-92890004.2 describes a method for producing a known cellulosic molded body, in which a cellulosic Amine oxide solution pressed through a long-channel nozzle, then passed through an air gap, stretched in it and closes is coagulated in a precipitation bath. The mini Male hole diameter of the long channel nozzle at most 150 µm and the length of the nozzle channel is at least 1000 µm. The exit side The cylindrical capillary section of the nozzle channel has a length of at least 250 µm. The default ratio is after Examples considerably higher than 3. Only in example No. 6 is at a capillary length of 430 microns and a capillary diameter of 50 µm with a warpage in the air gap of 1.4 tet. The nozzle channel must generally be so long and of such a small size Diameter be that the solution in the nozzle channel acting shear forces for a sufficient pre-orientation of the Lead cellulose polymers. The use of long channel nozzles spinning with small delay ratios makes it more expensive Investment costs and operating costs because of the material wall (tantalum, precious metal) for the nozzles is considerable and the spinning pressure is proportional to the length of the capillary section increases.

Aus DE-A-42 19 658.2 ist ebenfalls die Erspinnung von Cel lulosefasern und -filamenten nach dem Trocken-Naßextrusionsver fahren aus Aminoxidlösung bei einem Verzugsverhältnis im Luft spalt von weniger als 3 bekannt. Zur Dimensionierung der Spinn kapillaren ist lediglich für die Filamentherstellung ein Durch messer d = 120 bzw. 100 m und ein Verhältnis 1/d = 2 ange geben.From DE-A-42 19 658.2 is also the spinning of Cel loose fibers and filaments after the dry-wet extrusion process drive from amine oxide solution with a draft ratio in the air gap of less than 3 known. To dimension the spinning capillaries is only a through for filament production knife d = 120 or 100 m and a ratio of 1 / d = 2 give.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erspinnen von Cellulosefasern und -filamentgarnen nach dem Trocken-Naßextrusionsverfahren aus einer Lösung von Cellulose in einem Wasser enthaltenden N-Oxid eines tertiären Amins zu schaffen, bei dem trotz eines geringen Verzuges von 0,5<V<3 des Lösungsstrahls in dem nicht ausfällenden Medium der Aufwand für den Spinnbetrieb reduziert wird. Insbesondere sollen die Kosten für die Spinnapparatur, insbesondere für die Spinndüsen und Spinnpumpen, verringert werden. Darüber hinaus sollen auch die Betriebskosten der Spinnanlage verringert wer den. Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschrei bung.The present invention is based on the object Process for spinning cellulose fibers and filament yarns after the dry-wet extrusion process from a solution of Cellulose in a water-containing N-oxide of a tertiary To create amines, in which despite a slight delay of 0.5 <V <3 of the solution jet in the non-precipitating medium the effort for spinning is reduced. Especially the costs for the spinning equipment, especially for the Spinnerets and spinning pumps can be reduced. Furthermore should also reduce the operating costs of the spinning system the. Further advantages result from the following description exercise.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Celluloselösung durch Düsenkanäle extrudiert, deren Länge L in dem Bereich von 200 bis 800 µm liegt und deren Kapillarabschnitt eine Länge l in dem Bereich von 40 bis 180 µm hat. Es wurde gefunden, daß bei der Extrusion der Lösung durch die hier definierte Kurz kanaldüse mit der durch sie erzielten Kosteneinsparung trotz des geringen Verzuges in dem nicht ausfällenden Medium günstige physikalische Fasereigenschaften erreicht werden. Die Senkung der Investitionskosten resultiert aus der einfacheren Fertigung der Düse bei gleichzeitiger Einsparung an teurem Düsenwerkstoff und durch die Kosteneinsparung für die Spinnmaschinen (Pumpen) infolge des geringeren Spinndruckes. Die Senkung der Betriebs kosten ergibt sich durch den geringeren Energieverbrauch für die Spinndruckerzeugung und den geringeren Aufwand für die Spinndüsen reinigung.This task is carried out in the process mentioned at the beginning solved according to the invention in that the cellulose solution extruded through nozzle channels whose length L is in the range of 200 to 800 microns and the capillary section has a length l in the range of 40 to 180 µm. It was found that when extruding the solution using the short defined here duct nozzle with the cost savings achieved by them despite the low warpage in the non-precipitating medium cheap physical fiber properties can be achieved. The reduction the investment costs result from the simpler production the nozzle while saving on expensive nozzle material and by saving costs for the spinning machines (pumps) due to the lower spinning pressure. Lowering the operating costs result from the lower energy consumption for the Generation of spinning pressure and less effort for the spinnerets cleaning.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7. Die nach Anspruch 7 ersponnenen Hohlprofilfasern zeichnen sich durch ge ringes Gewicht je Längeneinheit und hohe Sprungelastizität aus, so daß sie sich z. B. für Polsterzwecke eignen.Preferred embodiments of the method according to the invention result from the subclaims 2 to 7. According to claim 7 spun hollow profile fibers are characterized by ge low weight per unit length and high resilience, so that they z. B. suitable for upholstery purposes.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung und durch die Beispiele näher beschrieben. Es zeigtThe invention is based on the drawing and described in more detail by the examples. It shows

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Apparatur zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung; und Figure 1 is a schematic representation of an apparatus for performing the method of the invention. and

Fig. 2 einen Teilschnitt einer Spinndüse für das erfindungs gemäße Verfahren, der die Dimensionierung und Form eines Düsen kanals zeigt. Fig. 2 is a partial section of a spinneret for the method according to the Invention, which shows the dimensioning and shape of a nozzle channel.

Nach der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist eine Spinndüse 3 in einem Abstand VS von der Oberseite 4 eines Spinn bades 10 vorgesehen, das sich in einem Behälter 1 befindet. In dem Behälter 1 unterhalb des Spinnbadniveaus 4 ist ein Spinn trichter 2 fest angeordnet, der sich durch den Boden des Spinn behälters 1 hindurch erstreckt. Der Eingangsdurchmesser und der Ausgangsdurchmesser des Spinntrichters 2 sind mit ED bzw. AD be zeichnet. Die Länge des Spinntrichters ist mit SL bezeichnet. Die ersponnene Fadenschar 5 wird von dem in dem Spinntrichter 2 fallenden Spinnbad soweit beschleunigt, daß die Zuliefergeschwin digkeit der zusammengeführten Fadenschar zum Umlenkorgan 6 etwa gleich der Abzugsgeschwindigkeit ist, so daß praktisch keine Nachverstreckung an dem Umlenkorgan 6 eintritt.According to the schematic representation of FIG. 1, a spinneret 3 is provided at a distance VS from the top 4 of a spinning bath 10 , which is located in a container 1 . In the container 1 below the spinning bath level 4 , a spinning funnel 2 is fixedly arranged, which extends through the bottom of the spinning container 1 therethrough. The input diameter and the output diameter of the spinning funnel 2 are marked with ED and AD, respectively. The length of the spinning funnel is labeled SL. The spun yarn sheet 5 is accelerated by the spinning bath falling in the spinning funnel 2 to such an extent that the speed of delivery of the merged yarn sheet to the deflection element 6 is approximately equal to the take-off speed, so that practically no post-stretching occurs on the deflection element 6 .

Fig. 2 zeigt den Längsschnitt eines Spinndüsenkanals in der typischen Form, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren An wendung findet. Der Kanal der Spinndüse 3 umfaßt einen Kapillar abschnitt 7 am Ausgangsende und einen Vorkanalabschnitt 8, der sich eingangsseitig über den längsten Teil der Dicke der Düsenplatte erstreckt. Die Scherkräfte auf die Celluloselösung sind haupt sächlich in dem Kapillarabschnitt 7 wirksam, während sie in dem Abschnitt 8 aufgrund des großen Durchmessers zu vernachlässigen sind. Die beiden Abschnitte 7 und 8 sind durch einen kegelstumpf förmigen Übergangsabschnitt 9 miteinander verbunden. Der Durch messer D des Vorkanalabschnitts 8 ist etwa gleich dem 6fachen des Durchmessers d des Kapillarabschnitts. Fig. 2 shows the longitudinal section of a spinneret channel in the typical form as it is used in the method according to the invention. The channel of the spinneret 3 comprises a capillary section 7 at the outlet end and a pre-channel section 8 which extends on the inlet side over the longest part of the thickness of the nozzle plate. The shear forces on the cellulose solution are mainly effective in the capillary section 7 , while in section 8 they are negligible due to the large diameter. The two sections 7 and 8 are connected to one another by a truncated cone-shaped transition section 9 . The diameter D of the pre-channel section 8 is approximately equal to 6 times the diameter d of the capillary section.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend durch die Beispiele erläutert.The method according to the invention is subsequently described by Examples explained.

example 1

In einem Kneter werden Zellstoff mit einem DP = 490 und wäßrige N-Methylmorpholin-N-oxidlösung gemischt. Bei 80°C wird unter Vakuum und gleichzeitigem Lösen soviel Wasser ent fernt, daß eine Lösung aus 12% Cellulose und 88% N-Methylmorpho lin-N-oxid-Monohydrat entsteht. Der Durchschnittspolymerisations grad der Cellulose wird mittels Cuoxammethode gemessen.Pulp with a DP = 490 and aqueous N-methylmorpholine-N-oxide solution mixed. At 80 ° C as much water is removed under vacuum and simultaneous dissolution removes that a solution of 12% cellulose and 88% N-methylmorpho lin-N-oxide monohydrate is formed. The average polymerization The degree of cellulose is measured using the Cuoxam method.

Die Nullscherviskosität η_o der Lösung folgt aus rotations viskosimetrischen Messungen bei 95°C und Extrapolation mittels Carreau-Ansatz, die Viskosität η durch Extrapolation nach Ostwald de Waele. Über eine Förderschnecke und Zahnradpumpe wird die Cel luloselösung durch Spinndüsen der in Fig. 2 gezeigten Form mit einem Kapillardurchmesser d = 50 µm und einer Kapillarlänge l = 40 µm und demzufolge einem 1/d-Verhältnis von 0,8 gepreßt. Die Fadenschar wird durch einen Luftspalt von 10 mm geführt, im Verhältnis 1 : 2,65 verzogen und von einem mit wäßrigem Spinnbad gespeisten Spinntrichter der Dimensionierung SL = 400 mm, ED = 90 mm und AD = 6 mm erfaßt und mit einer Geschwindigkeit von 40 m/min abgezogen.The zero shear viscosity η _{o of} the solution follows from rotational viscometric measurements at 95 ° C and extrapolation using the Carreau approach, the viscosity η by extrapolation according to Ostwald de Waele. Via a screw conveyor and gear pump, the cellulose solution is pressed through spinnerets of the shape shown in FIG. 2 with a capillary diameter d = 50 μm and a capillary length l = 40 μm and consequently a 1 / d ratio of 0.8. The thread sheet is passed through an air gap of 10 mm, warped in a ratio of 1: 2.65 and captured by a spinning funnel of the dimensions SL = 400 mm, ED = 90 mm and AD = 6 mm fed with an aqueous spinning bath and at a speed of 40 subtracted m / min.

Die Fadenschar wird gewaschen, geschnitten, präpariert und getrocknet. Es werden die textilphysikalischen Eigenschaften in üblicher Weise bestimmt. Die Spinndüsengeometrie und die Kenn werte der Spinnlösung sind in der Tabelle 1a, die Spinnparameter und die Dimensionierung des Spinntrichters in Tabelle 1b und die ermittelten textilphysikalischen Parameter in der Tabelle 2 an gegeben.The thread group is washed, cut, prepared and dried. It shows the textile-physical properties determined in the usual way. The spinneret geometry and the characteristic values of the spinning solution are the spinning parameters in Table 1a and the dimensioning of the spinning funnel in Table 1b and the determined physical parameters in Table 2 given.

Examples 2 to 6

Es wird wie in Beispiel 1 gearbeitet, wobei jedoch die Spinndüsengeometrie und zum Teil auch die Lösungskennwerte, Spinnparameter und Trichterdimensionen geändert werden. Die Werte zusammen mit den ermittelten textilphysikalischen Parame tern sind ebenfalls in den Tabellen angegeben. Die Luftspalt breiten liegen in dem Bereich von 5 bis 20 mm.The procedure is as in Example 1, but the Spinneret geometry and partly also the solution parameters, Spinning parameters and funnel dimensions can be changed. The Values together with the determined textile-physical parameters ters are also given in the tables. The air gap widths are in the range from 5 to 20 mm.

Aus den Tabellen ist ersichtlich, daß nach dem erfindungs gemäßen Verfahren mit der Kurzkanaldüse bei Spinndrucken in dem Bereich von etwa 4 bis 100 Bar Spinnprodukte mit befriedigenden textilphysikalischen Eigenschaften erhalten werden. Demgegen über liegen die Spinndrucke unter Benutzung der Langkanaldüse nach EP-A-92890004 unter sonst gleichen Bedingungen erheblich über 100 Bar, z. B. nach dem vergleichbaren Beispiel Nr. 6 bei etwa 580 Bar. From the tables it can be seen that after the Invention according to the method with the short channel nozzle at spinning pressures in the Range from about 4 to 100 bar spinning products with satisfactory Textile-physical properties can be obtained. Against it the spinning pressures are above using the long channel nozzle according to EP-A-92890004 under otherwise identical conditions over 100 bar, e.g. B. according to the comparable example No. 6 about 580 bar.

Tabelle 1a Table 1a

Tabelle 1b Table 1b

Tabelle 2 Table 2

Claims

1. A method for spinning cellulose fibers and filament yarn by the dry-wet extrusion process, from a solution of cellulose in a water-containing N-oxide of a tertiary amine, in particular N-methylmorpholine-N-oxide, by extruding the solution through nozzle channels with a capillary section on the outlet side, which has a minimum cross-sectional dimension d in the range from 40 to 100 µm and in which the cellulose molecules are pre-oriented by shear forces, into a medium that does not precipitate the cellulose, further orientation of the cellulose molecules by warping the extruded solution jet in this medium in a ratio V in the range 0.5 <V <3 and precipitation of the cellulose from the solution jet by contact with a precipitation medium without stretching, characterized in that the cellulose solution is extruded through nozzle channels, the length L in the range of 200 is up to 800 microns and the capillary section has a length 1 in the area I have from 40 to 180 µm.

2. The method according to claim 1, characterized in that the capillary section has a length 1 in the range of 50 to 150 µm.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized net that the length L of the nozzle channels in the range of 300 up to 500 µm.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the capillary section has a ratio 1 / d from 0.8 to 1.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the input channel section of the Nozzle channel is cylindrical and the solution in it acting shear forces compared to those in the capillary section effective shear forces are negligible.

6. The method according to claim 5, characterized in that the ratio D / d of the pre-channel diameter D to the capil tard diameter d is in the range from 3 to 10.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized characterized in that the solution is extruded into hollow profiles.