WO2015049040A1 - Method for producing moulded bodies - Google Patents
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- WO2015049040A1 WO2015049040A1 PCT/EP2014/002609 EP2014002609W WO2015049040A1 WO 2015049040 A1 WO2015049040 A1 WO 2015049040A1 EP 2014002609 W EP2014002609 W EP 2014002609W WO 2015049040 A1 WO2015049040 A1 WO 2015049040A1
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- D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
Definitions
- the present invention relates to a process for the production of molding solution from a matrix substance, which is mixed with a solvent to prepare a molding solution, and then this solvent is at least partially removed from the molding solution and the molding solution is fed to a molding apparatus.
- shaped body encompasses all sorts of bodies that are made of a natural or artificial basic substance, usually with the aid of a molding tool that transforms the basic substance into a mold for the shaped bodies but not by way of limitation or limitation, the lyocell and viscose fibers are to be mentioned.
- Lococell iscose fibers are fibers which consist of the basic material cellulose and a
- the shaped articles are, for example, staple fibers, non-wovens such as nonwoven, hybrid fibers, functionalized fibers and filaments (fibers with a length of far more than 1 meter). They consist of 100% cellulose and, like viscose fibers, are made from natural pulp. Moldings such as filaments can be used for example as a precursor for further processing into carbonized fibers.
- Hybrid fibers or hybrids are fibers of a mixture of different starting materials, such as cellulose and PAN (polyacrylonitrile), cellulose and thermoplastics, or cellulose and polymers. These starting materials can either be dissolved together as a molding solution or only mixed.
- functionalized fibers functional materials such as silver, paraffin, or carbons are added before, during, or after the dissolution process to affect the property of the fiber.
- the pulp is dissolved directly and unchanged by the non-toxic solvent NMMO (N-methylmorpholine-N-oxide) without prior reaction with sodium hydroxide solution and derivatization to the xanthate.
- NMMO N-methylmorpholine-N-oxide
- the spinning of the lyocell fibers takes place in a dilute, aqueous NMMO bath, whereby the solubility limit of the cellulose falls below and thereby a thread is formed.
- the appropriate molding solution is forced through spinnerets.
- This lyocell process is described, for example, in DE 1 713 486, US Pat. No. 3,447,939 or GB 8 216 566.
- the preparation of the suitable molding solution takes place, for example, in a cylindrical, vertically operating thin-film solvent (film extruder), as described, for example, in GB 08 / 875,437 or US Pat. No. 5,888,288, A or a horizontally operating thick-film solvent (kneading reactor), as described in DE 198 37 210 or WO 02/20885 AI is shown.
- film extruder a cylindrical, vertically operating thin-film solvent
- GB 08 / 875,437 or US Pat. No. 5,888,288, A or a horizontally operating thick-film solvent (kneading reactor), as described in DE 198 37 210 or WO 02/20885 AI is shown.
- the molding solution is prepared in the further processable viscosity and the associated cellulose concentration necessary for the spinning process.
- Both devices for the production of the forming solution for the production of lyocell fibers are not optimally suited for the entire dissolving process of the basic material pulp in the solvent NMMO.
- the vertical thin film dissolver has good heat transfer, but a short residence time, which does not allow the necessary swelling of natural fibers and the necessary homogenization for a perfect mold solution.
- the horizontal thick-film solvent realizes a longer residence time, which leads to a good penetration of the solvent into the fiber and thus a good homogenization for a very good molding solution.
- shaped articles such as filaments, hybrid fibers and functionalized fibers require a very high quality molding solution that can not be produced by a thin film evaporator alone.
- TASK TASK
- the present invention is based on the object, the above-mentioned method so in order to be able to realize larger capacities, for example of more than 100 t of fibers per day and production line.
- the molding solution is fed to a cylindrical or mecanicförmigen Dick Anlagenser or a combination of a cross-sectionally vertical cylindrical thin film evaporator and a horizontal cylindrical or eight-shaped Dick Anlagenser.
- a thin-film evaporator is an evaporator that vaporizes solutions in a thin film. It is usually operated in a vacuum and is therefore suitable for gentle separation of mixtures. His way of working is as follows:
- a liquid is passed from above to vertical evaporator surface.
- the evaporator surface is a tube with a mechanical stirring system in the middle.
- the thin solution film is formed by the stirring system with fixed or movable stirring blades which brush along the heating surface.
- the required evaporation energy is introduced into the solution film via an external double cladding http://en.wikipedia.Org/wiki/Deplayer evaporator#cite_note-1
- a thin-film solvent is a derivative name of a thin-film evaporator.
- the solvent in addition to the evaporation, one substance is dissolved in another, for example cellulose in a solvent.
- a thick-film dissolver should be understood to mean a mixing kneader in which, in contrast to the thin-film solvent, the medium to be evaporated is not vaporized in a thin film, but via surface renewal of a thick layer.
- the terminology is chosen to identify the contrast to a thin-film solvent. Solvent and medium (cellulose) is brought together by a kneading and shearing action.
- the thick-film solvents are above all so-called mixing kneaders, which can be single-shaft or double-shaft. Essentially, a single-shaft and two-shaft mixing kneader are distinguished.
- a single-shaft mixing kneader with horizontally arranged shaft is described for example in EP 91 405 497.1.
- Multi-shaft mixing and kneading machines with a cross-sectionally eight-shaped housing are described in CH-A 506 322, EP 0 517 068 B, DE 199 40 521 A1 or DE 101 60 535.
- These mixing and kneading elements clean the disks and kneading bars of the first shaft.
- the kneading bars on both shafts in turn clean the inside of the housing.
- the dissolution process was analyzed on the basis of the basic pulp pulp in NMMO process technology on the basis of the two known devices. It was found that the dissolution process in principle in three sections can be divided, which require very different process conditions.
- the evaporation of water from a pulp-solvent suspension also called mash
- the dissolution window ie those conditions under which the cellulose dissolves in the aqueous NMMO, and thus approx which corresponds to 2.5 times the hydrate of the NMMO.
- This section requires a lot of heat energy to evaporate the water, but does not require additional residence time because the pulp is not yet dissolved, and the viscosity of the suspension is low.
- the third section is determined by the homogenization of the spinning solution and also lower water evaporation to about 0.8 to 1.0 times the hydrate depending on the pulp concentration.
- the thin-film evaporator is preceded by a mixer in which the basic substance, ie in particular cellulose, is premixed with the solvent. This results in an intensively mixed mash.
- a horizontal kneading reactor is preferably used here.
- the dissolution process requires a high residence time and intensive mixing and incorporation of shear to produce a high quality mold solution.
- the dissolution with pulp concentrations of up to 36% by weight additionally helps to produce a high quality of the molding solution.
- the MasterConti process can be used to set the appropriate optimum molding viscosity (e.g., spinning) by dilution.
- the process engineering evaluation now shows, in connection with the devices used for the dissolution stage, that the horizontal, cylindrical or eight-shaped thick-film solvent or the above-described combination of thin and thick-film solvent is excellently suited for the production of high-quality molding solution.
- the concentrated solution already explained in WO 2009/098073 was included in the consideration. It is thus possible to combine the two-stage preparation of the spinning solution with a concentrated solution of cellulose with subsequent recovery and thus to achieve a further increase in efficiency.
- the concentration of the molding solution and / or the diluent should be controlled via the optical index (refractive index). This is done with the diluent before introduction into the molding solution and / or with the molding solution after dilution. An optical index of the diluent and / or the molding solution in the range from 1.45 to 1.52 is desired.
- an aqueous tertiary amine oxide is preferably used as the solvent or diluent.
- the invention should not be limited thereto.
- the invention is not limited to pulp, but also includes substances such as proteins, polylactides, polyacrylonitrile (PAN) or starch or a mixture of these substances, whereby hybrid fibers or composite arise. In the present process, it is of minor importance which molding is produced.
- filaments, nonwovens or filament yarn are produced.
- the formation of the solution into a desired cellulosic molding can be carried out with known spinnerets for the production of fibers, slot dies or hollow thread spinnerets. Following formation, ie, prior to introduction of the shaped solution into the coagulation bath, it may also be stretched. To produce the desired quality of the molded body, it is possible that the fiber is not or not completely dried after molding and little to no stretching. This production feature after creating the molding solution allows the molding to dry out without tension. DESCRIPTION OF THE FIGURES
- FIG. 1 shows in its single figure a block diagram of a process according to the invention for the production of moldings from a basic substance, in particular from renewable raw materials.
- the cellulose or the premixed cellulase mashes required for this purpose is fed via a feed line 1 to a thin-film evaporator 2.
- a feed line 1 is fed to a thin-film evaporator 2.
- Such vertical cylindrical apparatus are known for example from GB 08 / 875,437 or US 5,888,288.
- the cellulase mash can also be fed directly to the kneading reactor 4.
- the suspension when used, the suspension is concentrated. From there, the concentrated suspension is transferred directly into a thick-film solvent, preferably a horizontal kneading reactor 4.
- kneading reactors are known, for example, from DE 199 40 521 A1 or DE 41 18 884.
- the invention is not limited to these thin-film evaporators and kneading reactors.
- the invention encompasses all treatment devices in which renewable raw materials can be subjected to a treatment for a later shaping.
- the treatment of the renewable raw material by means of a solvent preferably an aqueous tertiary amine oxide, which was previously mixed as Zellulosemaische and is accordingly supplied in the feed line 1 to the thin-film evaporator.
- a solvent preferably an aqueous tertiary amine oxide, which was previously mixed as Zellulosemaische and is accordingly supplied in the feed line 1 to the thin-film evaporator.
- the cellulase mash can also be fed directly to the kneading reactor 4.
- the production of a molding solution in a kneading reactor or the described combination of thin-film evaporator and kneading reactor results in a high quality ground substance for subsequent spinning into a filament, staple fiber or nonwoven by a wet spinning process, which is primarily but not necessarily carried out by an air gap.
- the relatively high viscosity molding solution may be diluted to a spinnable molding solution prior to final processing into fibers. This is done in the discharge device 5 via a feed line 6 or even before the discharge device 5 in the kneading reactor 4 at any point and / or split. This procedure was confirmed in experiments. Also, a combination of both addition sites is possible if the dilution ratio is very high.
- a pump 7 is turned on, by means of which the molding solution is stowed after the discharge.
- the input of the suspension consisting of the ground substance, in particular the renewable raw material, and the solvent in the thin-film evaporator 2 or directly into the kneading reactor 4.
- the concentrated suspension is discharged from the thin-film evaporator 2 through a direct transition 3 directly or via a pump or valve and introduced into the thick-film dissolver 4.
- a kneading reactor In thick-film solvent 4, in which the basic substance can also be registered directly, a kneading reactor, if necessary, the evaporation of water takes place until reaching the release window, wherein the heat addition from the outside by means of a heating mantle, heated kneading and / or heated kneading ( Disc elements) can be done. Another mechanical heat input occurs during mixing itself by the corresponding shear energy. Due to the intensive mixing and the registered shear energy, the basic substance is completely dissolved and a high quality forming solution is created.
- the suspension is converted into a molding solution (molding solution) and further concentrated so that it has approximately 8 to 36% of ground substance towards the end of the kneading reactor 4 shortly before the discharge device 5.
- This molding solution may be too viscous for later spinning. It is now, if required by the requirements of the spinning process, diluted with a diluent which is supplied via the feed line 6.
- the concentration of the molding solution is controlled before and / or after the addition of the diluent via the optical index.
- This optical index is also called the refractive index. It marks the refraction (change of direction) and the reflection behavior (reflection and total reflection) of electromagnetic waves when hitting an interface between two media.
- it is thought to add an additive before the discharge or in the discharge, possibly also via the supply line 6, nor the molding solution / mixture.
- An additive or an additive mixture can also be used together with the Thinner can be supplied.
- Vapors formed in the thin-film evaporator 2 or in the kneading reactor 4 are supplied to a condensation 10 via a gas-space connection 9.
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Abstract
Description
Verfahren zur Herstellung von Formkörpern Process for the production of moldings
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formlösung aus einer Grundsubstanz, die zum Herstellen einer Formlösung mit einem Lösungsmittel vermischt und anschliessend dieses Lösungsmittel zumindest teilweise aus der Formlösung entfernt und die Formlösung einer Einrichtung zum Formen zugeführt wird. The present invention relates to a process for the production of molding solution from a matrix substance, which is mixed with a solvent to prepare a molding solution, and then this solvent is at least partially removed from the molding solution and the molding solution is fed to a molding apparatus.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
Im vorliegenden Fall werden unter dem Begriff „Formkörper" alle möglichen Körper subsumiert, die aus einer natürlichen oder künstlichen Grundsubstanz hergestellt werden. Dies geschieht in der Regel mit Hilfe eines Formwerkzeugs, mit dem die Grundsubstanz in eine Form für die Formkörper gebracht wird. Als Beispiel, jedoch keineswegs einschränkend oder abschliessend, sollen die Lyocell- und Viskosefasern erwähnt werden. Lyocell-A iskosefasern sind Fasern, die aus dem Grundmaterial Zellulose bestehen und über ein In the present case, the term "shaped body" encompasses all sorts of bodies that are made of a natural or artificial basic substance, usually with the aid of a molding tool that transforms the basic substance into a mold for the shaped bodies but not by way of limitation or limitation, the lyocell and viscose fibers are to be mentioned.Lococell iscose fibers are fibers which consist of the basic material cellulose and a
BESTÄTIGUNGSKOPIE Löseverfahren mit anschliessender Verspinnung industriell hergestellt werden. Manche der Formkörper erfordern eine hochwertige Qualität der Formlösung, um die Qualitätsanforderungen des Formkörpers, z.B. des Filaments, zu erfüllen. Die chemische Natur der Viskose-/ Lyocellfasern gleicht der von Baumwollfasern. CONFIRMATION COPY Solubilization process with subsequent spinning industrially produced. Some of the moldings require a high quality mold solution to meet the quality requirements of the molded article, eg filament. The chemical nature of viscose / lyocell fibers is similar to that of cotton fibers.
Die Formkörper sind zum Beispiel Stapelfasern, Non-wovens wie Vlies, Hybridfasern, funktionalisierte Fasern und Filamente (Fasern mit einer Länge von weit mehr als 1 Meter). Sie bestehen zu 100% aus Zellulose und werden, so wie Viskosefasern, aus natürlichem Zellstoff hergestellt. Formkörper wie Filamente können beispielsweise als Vormaterial (Precursor) zur Weiterverarbeitung zu karbonisierten Fasern verwendet werden. Hybridfasern oder Hybrids sind Fasern aus einem Gemisch verschiedener Ausgangsstoffe, wie Cellulose und PAN (Polyacrylnitril), Cellulose und Thermoplaste oder Cellulose und Polymere. Diese Ausgangsstoffe können entweder zusammen als Formlösung gelöst oder nur vermischt werden. Bei funktionalisierten Fasern werden funktionelle Materialien, wie Silber, Paraffin oder Carbone, vor, während oder nach dem Löseprozess zugegeben, um die Eigenschaft der Faser zu beeinflussen. The shaped articles are, for example, staple fibers, non-wovens such as nonwoven, hybrid fibers, functionalized fibers and filaments (fibers with a length of far more than 1 meter). They consist of 100% cellulose and, like viscose fibers, are made from natural pulp. Moldings such as filaments can be used for example as a precursor for further processing into carbonized fibers. Hybrid fibers or hybrids are fibers of a mixture of different starting materials, such as cellulose and PAN (polyacrylonitrile), cellulose and thermoplastics, or cellulose and polymers. These starting materials can either be dissolved together as a molding solution or only mixed. For functionalized fibers, functional materials such as silver, paraffin, or carbons are added before, during, or after the dissolution process to affect the property of the fiber.
Bei den Lyocellfasern wird der Zellstoff durch das ungiftige Lösungsmittel NMMO (N-Methylmorpholin-N-Oxid) ohne vorherige Reaktion mit Natronlauge und Derivatisierung zum Xanthogenat direkt und unverändert aufgelöst. Das Verspinnen der Lyocellfasern erfolgt in einem verdünnten, wässrigen NMMO- Bad, wobei die Löslichkeitsgrenze der Zellulose unterschritten und dadurch ein Faden gebildet wird. Zu diesem Zweck wird die entsprechende Formlösung durch Spinndüsen gedrückt. Dieses Lyocell-Verfahren wird beispielsweise in der DE 1 713 486, US-A-3 447 939 oder GB 8 216 566 beschrieben. Die Herstellung der geeigneten Formlösung erfolgt beispielsweise in einem zylindrischen, vertikal arbeitenden Dünnschichtlöser (Filmtruder), wie dies zum Beispiel in GB 08/875,437 oder US 5,888,288,A beschrieben ist, oder einem horizontal arbeitenden Dickschichtlöser (Knetreaktor), wie dies in der DE 198 37 210 oder der WO 02/20885 AI aufgezeigt ist. In the lyocell fibers, the pulp is dissolved directly and unchanged by the non-toxic solvent NMMO (N-methylmorpholine-N-oxide) without prior reaction with sodium hydroxide solution and derivatization to the xanthate. The spinning of the lyocell fibers takes place in a dilute, aqueous NMMO bath, whereby the solubility limit of the cellulose falls below and thereby a thread is formed. For this purpose, the appropriate molding solution is forced through spinnerets. This lyocell process is described, for example, in DE 1 713 486, US Pat. No. 3,447,939 or GB 8 216 566. The preparation of the suitable molding solution takes place, for example, in a cylindrical, vertically operating thin-film solvent (film extruder), as described, for example, in GB 08 / 875,437 or US Pat. No. 5,888,288, A or a horizontally operating thick-film solvent (kneading reactor), as described in DE 198 37 210 or WO 02/20885 AI is shown.
In diesen Vorrichtungen und nach den bekannten Verfahren wird die Formlösung in der für den Spinnprozess notwendigen weiter verarbeitbaren Viskosität und der dazugehörigen Zellulosekonzentration hergestellt. In these devices and according to the known methods, the molding solution is prepared in the further processable viscosity and the associated cellulose concentration necessary for the spinning process.
Beide Vorrichtungen für die Erzeugung der Formlösung für die Herstellung der Lyocellfasern sind nicht optimal für den gesamten Löseprozess des Grundmateriales Zellstoff im Lösemittel NMMO geeignet. Der vertikale Dünnschichtlöser hat einen guten Wärmeübergang, aber eine kurze Verweilzeit wodurch das notwendige Quellen der Naturfasern und die notwendige Homogenisierung für eine perfekte Formlösung nicht ermöglicht wird. Der horizontale Dickschichtlöser realisiert eine längere Verweilzeit, die zu einer guten Penetration des Lösungsmittels in die Faser und damit einer guten Homogenisierung für eine sehr gute Formlösung führt. Both devices for the production of the forming solution for the production of lyocell fibers are not optimally suited for the entire dissolving process of the basic material pulp in the solvent NMMO. The vertical thin film dissolver has good heat transfer, but a short residence time, which does not allow the necessary swelling of natural fibers and the necessary homogenization for a perfect mold solution. The horizontal thick-film solvent realizes a longer residence time, which leads to a good penetration of the solvent into the fiber and thus a good homogenization for a very good molding solution.
Beide Vorrichtungen werden aber dennoch heute für die Erzeugung der Formlösung für die Lyocellfasern in der Industrie eingesetzt. Aufgrund der oben beschriebenen suboptimalen Bedingungen werden die Löser für beide Verfahren immer grösser uns sind durch ihre maximalern Baugrössen limitiert. Grössere Linienkapazitäten von mehr als 50 t Fasern per Tag sind mit diesen Vorrichtungen so nicht realisierbar. Kapazitäten von 100 t Fasern pro Tag und Produktionslinie sind notwendig, um dieser Technologie langfristig effizienter und damit konkurrenzfähig zur Viskosefaser oder zur Modalfaser zu machen. However, both devices are still used today for the production of the molding solution for the lyocell fibers in the industry. Due to the suboptimal conditions described above, the solvers for both processes are getting bigger and larger and are limited by their maximum size. Larger line capacities of more than 50 t of fibers per day are thus not feasible with these devices. Capacities of 100 t of fibers per day and production line are necessary to make this technology more efficient in the long term and thus competitive with viscose fiber or modal fiber.
Manche Formkörper, wie zum Beispiel Filamente, Hybridfaser und funktionalisierte Fasern erfordern eine sehr hochwertige Formlösung, die von einem Dünnschichtverdampfer allein nicht erzeugt werden kann. AUFGABE Some shaped articles, such as filaments, hybrid fibers and functionalized fibers require a very high quality molding solution that can not be produced by a thin film evaporator alone. TASK
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das o.g. Verfahren so zu optimieren, um grössere Kapazitäten, zum Beispiel von mehr als 100 t Fasern pro Tag und Produktionslinie, realisieren zu können. The present invention is based on the object, the above-mentioned method so in order to be able to realize larger capacities, for example of more than 100 t of fibers per day and production line.
Zusätzlich liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Formlösungen einer Qualität zu erzeugen, um Filamente, Precursor für karbonisierte Fasern, Hybridfasern und funktionalisierte Fasern herstellen zu können. In addition, it is an object of the present invention to provide mold solutions of a quality capable of producing filaments, precursors for carbonized fibers, hybrid fibers and functionalized fibers.
LÖSUNG DER AUFGABE SOLUTION OF THE TASK
Zur Lösung der Aufgabe führt, dass die Formlösung einem im Querschnitt zylindrischen oder achtförmigen Dickschichtlöser oder einer Kombination aus einem im Querschnitt vertikalen zylindrischen Dünnschichtverdampfer und einem horizontalem zylindrischen oder achtförmigen Dickschichtlöser zugeführt wird. To achieve the object, that the molding solution is fed to a cylindrical or achtförmigen Dickschichtlöser or a combination of a cross-sectionally vertical cylindrical thin film evaporator and a horizontal cylindrical or eight-shaped Dickschichtlöser.
Ein Dünnschichtverdampfer ist ein Verdampfer, der Lösungen in einem dünnen Film verdampft. Er wird meistens im Vakuum betrieben und eignet sich deshalb zum schonenden Trennen von Stoffgemischen. Seine Arbeitsweise ist folgende: A thin-film evaporator is an evaporator that vaporizes solutions in a thin film. It is usually operated in a vacuum and is therefore suitable for gentle separation of mixtures. His way of working is as follows:
Eine Flüssigkeit wird von oben auf senkrecht stehende Verdampferfläche geleitet. Die Verdampferfläche ist ein Rohr mit einem mechanischen Rührsystem in der Mitte. Der dünne Lösungsfilm wird durch das Rührsystem mit feststehenden oder beweglichen Rührblättern gebildet, die an der Heizfläche entlang streifen. Die benötigte Verdampfungsenergie wird über einen aussenliegenden Doppelmantel in den Lösungsfilm eingebrachten http://de.wikipedia.Org/wiki/D%C3%BCnnschichtverdampfer#cite_note-1 A liquid is passed from above to vertical evaporator surface. The evaporator surface is a tube with a mechanical stirring system in the middle. The thin solution film is formed by the stirring system with fixed or movable stirring blades which brush along the heating surface. The required evaporation energy is introduced into the solution film via an external double cladding http://en.wikipedia.Org/wiki/Deplayer evaporator#cite_note-1
Da der Apparat sehr gut im Vakuum betrieben werden kann, eignet er sich zur schonenden Destillation bei niedrigen Temperaturen. Für Kristallisationsvorgänge sind Dünnschichtverdampfer mit beweglichen Rührblättern geeignet. Ein Dünnschichtlöser ist eine abgeleitete Bezeichnung eines Dünnschichtverdampfers.Beim Löser wird zusätzlich zum Verdampfen noch ein Stoff in einem anderen gelöst, z.B. Zellulose in einem Lösungsmittel. Since the apparatus can be operated very well in a vacuum, it is suitable for careful distillation at low temperatures. For crystallization processes, thin-film evaporators with movable stirring blades are suitable. A thin-film solvent is a derivative name of a thin-film evaporator. In the solvent, in addition to the evaporation, one substance is dissolved in another, for example cellulose in a solvent.
Unter einem Dickschichtlöser soll ein Mischkneter verstanden werden, bei dem im Gegensatz zum Dünnschichtlöser das zu verdampfende Medium nicht in einem dünnen Film verdampft wird, sondern über Oberflächenerneuerung einer dicken Schicht. Die Begrifflichkeit ist gewählt um den Gegensatz zu einem Dünnschichtlöser kenntlich zu machen. Lösungsmittel und Medium (Zellulose) wird durch eine Knet- und Scherwirkung zusammengebracht. A thick-film dissolver should be understood to mean a mixing kneader in which, in contrast to the thin-film solvent, the medium to be evaporated is not vaporized in a thin film, but via surface renewal of a thick layer. The terminology is chosen to identify the contrast to a thin-film solvent. Solvent and medium (cellulose) is brought together by a kneading and shearing action.
Bevorzugt wird ein horizontaler, im Querschnitt zylindrischer oder achtförmiger Dickschichtlöser oder eine Kombination aus einem vertikalen im Querschnitt zylindrischen Dünnschichtverdampfer und einem horizontalen im Querschnitt zylindrischen oder achtförmigen Dickschichtlöser. Bei den Dickschichtlöser handelt es sich vor allem um so genannte Mischkneter, die einwellig oder zweiwellig sein können. Im Wesentlichen werden einwellige und zweiwellige Mischkneter unterschieden. Ein einwelliger Mischkneter mit horizontal angeordneter Welle wird beispielsweise in der EP 91 405 497.1 beschrieben. Mehrwellige Misch- und Knetmaschinen mit im Querschnitt achtförmigem Gehäuse werden in der CH-A 506 322, der EP 0 517 068 B, der DE 199 40 521 A1 oder der DE 101 60 535 beschrieben ist. Dort befinden sich auf einer horizontal angeordneten Welle radiale Scheibenelemente und zwischen den Scheiben angeordnete axial ausgerichtete Knetbarren. Zwischen diese Scheiben greifen von der anderen horizontal angeordneten Welle rahmenartig geformte Misch- und Knetelemente ein. Diese Misch- und Knetelemente reinigen die Scheiben und Knetbarren der ersten Welle. Die Knetbarren auf beiden Wellen reinigen wiederum die Gehäuseinnenwand. Preference is given to a horizontal, in cross-section cylindrical or achtförmiger thick-film solvent or a combination of a vertical cylindrical thin-film evaporator in cross-section and a horizontal in cross-section cylindrical or eight-shaped Dickschichtlöser. The thick-film solvents are above all so-called mixing kneaders, which can be single-shaft or double-shaft. Essentially, a single-shaft and two-shaft mixing kneader are distinguished. A single-shaft mixing kneader with horizontally arranged shaft is described for example in EP 91 405 497.1. Multi-shaft mixing and kneading machines with a cross-sectionally eight-shaped housing are described in CH-A 506 322, EP 0 517 068 B, DE 199 40 521 A1 or DE 101 60 535. There are located on a horizontally arranged shaft radial disc elements and arranged between the discs axially aligned kneading. Between these discs engage from the other horizontally arranged wave frame-like shaped mixing and kneading elements. These mixing and kneading elements clean the disks and kneading bars of the first shaft. The kneading bars on both shafts in turn clean the inside of the housing.
Der Löseprozess wurde anhand der Grundmasse Zellstoff in NMMO prozesstechnisch auf der Basis der beiden bekannten Vorrichtungen analysiert. Es wurde festgestellt, dass der Löseprozess prinzipiell in drei Abschnitte unterteilt werden kann, die sehr unterschiedliche Prozessbedingungen erfordern. Im ersten Abschnitt findet die Wasserverdampfung aus einer Zellstoff-Lösemittel- Suspension (auch Maische genannt) bis zum Startpunkt des Lösens des Zellstoffes statt, welches dem Erreichen des Lösefensters, also jene Bedingungen, unter denen sich die Cellulose im wässrigen NMMO auflöst, und damit ca. dem 2.5 fachen Hydrates des NMMO entspricht. Dieser Abschnitt benötigt viel Wärmeenergie zur Verdampfung des Wassers, bedingt aber keine zusätzliche Verweilzeit, weil der Zellstoff noch nicht gelöst wird, und die Viskosität der Suspension ist niedrig. The dissolution process was analyzed on the basis of the basic pulp pulp in NMMO process technology on the basis of the two known devices. It was found that the dissolution process in principle in three sections can be divided, which require very different process conditions. In the first section, the evaporation of water from a pulp-solvent suspension (also called mash) takes place up to the starting point of dissolution of the pulp, which reaches the dissolution window, ie those conditions under which the cellulose dissolves in the aqueous NMMO, and thus approx which corresponds to 2.5 times the hydrate of the NMMO. This section requires a lot of heat energy to evaporate the water, but does not require additional residence time because the pulp is not yet dissolved, and the viscosity of the suspension is low.
Nach Erreichen des Lösefensters findet im zweiten Abschnitt das Hauptlösen mit einem starken Viskositätsanstieg und der dafür notwendigen geringen Wasserverdampfung bis zum ca. 1.5 fachen Hydrats des NMMO statt. Der dritte Abschnitt ist von der Homogenisierung der Spinnlösung und einer ebenfalls geringeren Wasserverdampfung bis zum ca. 0.8 bis 1.0 fachen Hydrats je nach Zellstoffkonzentration bestimmt. After reaching the dissolving window, the main dissolution takes place in the second section with a strong increase in viscosity and the necessary low evaporation of water up to 1.5 times the hydrate of the NMMO. The third section is determined by the homogenization of the spinning solution and also lower water evaporation to about 0.8 to 1.0 times the hydrate depending on the pulp concentration.
Die prozesstechnische Auswertung zeigt nun im Zusammenhang mit den für die Lösestufe benutzten Vorrichtungen, dass sich der Dünnschichtverdampfer aufgrund der guten Wärmeübergänge sehr gut für die grosse Wasserverdampfung bei niedriger Viskosität und kurzer Verweilzeit im ersten Abschnitt und der Dickschichtverdampfer oder Knetreaktor aufgrund der sehr guten Homogenisierung, der längeren Verweilzeiten sowie der Verarbeitung von höheren Viskositäten und der geringeren Wasserverdampfung für den zweiten und dritten Abschnitt eignet. The process engineering evaluation shows now in connection with the devices used for the Lösestufe that the thin film evaporator due to the good heat transfer very well for the large water evaporation at low viscosity and short residence time in the first section and the thick film evaporator or kneading reactor due to the very good homogenization, the longer residence times and the processing of higher viscosities and the lower water evaporation for the second and third section.
Beide Vorrichtungen sind so verknüpft, dass die Produkträume direkt miteinander verbunden sind, wodurch die Übergabestelle als komplizierte Schnittstelle innen liegend ist und damit die Übergabe von sich zum Teil ändernden Produktkonsistenzen entfällt. Schwankungen eines geringen Hold- up des Dünnschichtlösers kann der Dickschichtverdampfer oder Knetreaktor problemlos ausgleichen. In manchen Fällen ist eine Trennung der Apparate jedoch erforderlich um unterschiedliche Prozessbedingungen (z.B. Vakuas) realisieren zu können. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dem Dünnschichtverdampfer noch ein Mischer vorgeschaltet, in dem die Grundsubstanz, d.h. insbesondere Cellulose, mit dem Lösungsmittel vorgemischt wird. Hierdurch entsteht eine intensiv durchgemischte Maische. Als Mischer wird hier bevorzugt ein horizontaler Knetreaktor verwendet. Both devices are linked so that the product spaces are directly connected to each other, whereby the transfer point is located as a complicated interface inside and thus eliminates the transfer of sometimes changing product consistencies. Fluctuations in a small hold-up of the thin-film solvent can be the thick-film evaporator or kneading reactor easily compensate. In some cases, however, a separation of the apparatuses is required in order to be able to realize different process conditions (eg vacuas). In a preferred embodiment of the invention, the thin-film evaporator is preceded by a mixer in which the basic substance, ie in particular cellulose, is premixed with the solvent. This results in an intensively mixed mash. As a mixer, a horizontal kneading reactor is preferably used here.
Zur vollständigen Lösen des Zellstoffes in NMMO wurde festgestellt, dass der Löseprozess eine hohe Verweilzeit erfordert und ein intensives Durchmischen und Einbringung von Scherung, um eine Formlösung hoher Qualität zur erzeugen. Das Lösen mit Zellstoffkonzentrationen von bis zu 36 Gew.% (Konzentration des Zellstoffes in der Formlösung) unterstützt zusätzlich die Erzeugung einer hohen Qualität der Formlösung. Durch das MasterConti- Verfahren kann die entsprechend optimale Viskosität für die Formgebung (z.B. die Verspinnung) durch Verdünnung eingestellt werden. Die prozesstechnische Auswertung zeigt nun im Zusammenhang mit den für die Lösestufe benutzten Vorrichtungen, dass sich der horizontale, zylindrische oder achtförmigen Dickschichtlöser oder die oben beschriebene Kombination aus Dünn- und Dickschichtlöser ausgezeichnet zur Erzeugung von qualitativ hochwertiger Formlösung eignet. For complete dissolution of the pulp in NMMO, it has been found that the dissolution process requires a high residence time and intensive mixing and incorporation of shear to produce a high quality mold solution. The dissolution with pulp concentrations of up to 36% by weight (concentration of the pulp in the molding solution) additionally helps to produce a high quality of the molding solution. The MasterConti process can be used to set the appropriate optimum molding viscosity (e.g., spinning) by dilution. The process engineering evaluation now shows, in connection with the devices used for the dissolution stage, that the horizontal, cylindrical or eight-shaped thick-film solvent or the above-described combination of thin and thick-film solvent is excellently suited for the production of high-quality molding solution.
Zur weiteren Erhöhung der Kapazität des Verfahrens wurde die schon in der WO 2009/098073 erläuterte konzentrierte Lösung in die Betrachtung einbezogen. Es ist damit möglich die zweistufige Herstellung der Spinnlösung mit einer konzentrierten Lösung der Cellulose mit nachfolgender Rückgewinnung zu kombinieren und damit eine noch weitere Erhöhung der Effizienz zu erreichen. Wie schon bei der WO 2009/098073 soll die Konzentration der Formlösung und/oder des Verdünners über den optischen Index (Brechungsindex) kontrolliert werden. Dies geschieht beim Verdünner vor dem Einbringen in die Formlösung und/oder bei der Formlösung nach der Verdünnung. Gewünscht wird ein optischer Index des Verdünners und/oder der Formlösung im Rahmen von 1.45 bis 1.52. To further increase the capacity of the process, the concentrated solution already explained in WO 2009/098073 was included in the consideration. It is thus possible to combine the two-stage preparation of the spinning solution with a concentrated solution of cellulose with subsequent recovery and thus to achieve a further increase in efficiency. As in WO 2009/098073, the concentration of the molding solution and / or the diluent should be controlled via the optical index (refractive index). This is done with the diluent before introduction into the molding solution and / or with the molding solution after dilution. An optical index of the diluent and / or the molding solution in the range from 1.45 to 1.52 is desired.
Als Lösungsmittel bzw. Verdünnungsmittel wird bevorzugt ein wässriges tertiäres Aminoxid verwendet. Jedoch soll darauf die Erfindung nicht beschränkt sein. Auch ist die Erfindung nicht auf Zellstoff beschränkt, sondern umfasst werden auch Stoffe, wie Proteine, Polylaktide, Polyacrylnitril (PAN) oder Stärke oder ein Gemisch dieser Stoffe, wobei Hybrid-Fasern oder Composite entstehen. Beim vorliegenden Verfahren ist es von untergeordneter Bedeutung, welcher Formkörper hergestellt wird. Vorzugsweise werden Filamente, Vliese bzw. Filamentgarn hergestellt. Es können aber auch Hybridfasern, funktionalisierte Fasern, Filme, Hohlfasern, Membranen od. dgl. hergestellt werden. Die Formung der Lösung zu einem gewünschten zellulosischen Formkörper kann mit bekannten Spinndüsen zur Herstellung von Fasern, Schlitzdüsen oder Hohlfadenspinndüsen erfolgen. Im Anschluss an die Formung, d.h., vor dem Einbringen der geformten Lösung in das Koagulationsbad, kann diese auch verstreckt werden. Zur Erzeugung der gewünschten Qualität des Formkörpers ist es möglich dass die Faser nach Formung nicht oder nicht vollständig getrocknet und wenig bis gar nicht verstreckt wird. Dieses Produktionsmerkmal nach Erstellen der Formlösung ermöglicht dem Formkörper ohne Spannung auszutrocknen. FIGURENBESCHREIBUNG As the solvent or diluent, an aqueous tertiary amine oxide is preferably used. However, the invention should not be limited thereto. Also, the invention is not limited to pulp, but also includes substances such as proteins, polylactides, polyacrylonitrile (PAN) or starch or a mixture of these substances, whereby hybrid fibers or composite arise. In the present process, it is of minor importance which molding is produced. Preferably, filaments, nonwovens or filament yarn are produced. However, it is also possible to produce hybrid fibers, functionalized fibers, films, hollow fibers, membranes or the like. The formation of the solution into a desired cellulosic molding can be carried out with known spinnerets for the production of fibers, slot dies or hollow thread spinnerets. Following formation, ie, prior to introduction of the shaped solution into the coagulation bath, it may also be stretched. To produce the desired quality of the molded body, it is possible that the fiber is not or not completely dried after molding and little to no stretching. This production feature after creating the molding solution allows the molding to dry out without tension. DESCRIPTION OF THE FIGURES
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in ihrer einzigen Figur ein blockschaltbildliches Schema für ein erfindungsgemässes Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus einer Grundsubstanz, insbesondere aus nachwachsenden Rohstoffen. Die hierfür notwendige Zellulose bzw. die vorgemischte Zellulosemaische wird über eine Zuleitung 1 einem Dünnschichtverdampfer 2 zugeführt. Derartige vertikale zylindrische Apparate sind beispielsweise aus der GB 08/875,437 oder US 5,888,288 bekannt. Optional kann die Zellulosemaische auch dem Knetreaktor 4 direkt zugeführt werden. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing; this shows in its single figure a block diagram of a process according to the invention for the production of moldings from a basic substance, in particular from renewable raw materials. The cellulose or the premixed cellulase mashes required for this purpose is fed via a feed line 1 to a thin-film evaporator 2. Such vertical cylindrical apparatus are known for example from GB 08 / 875,437 or US 5,888,288. Optionally, the cellulase mash can also be fed directly to the kneading reactor 4.
Im Dünnschichtverdampfer 2, wenn benutzt, wird die Suspension aufkonzentriert. Von dort wird die konzentrierte Suspension direkt in einen Dickschichtlöser, bevorzugt einen horizontalen Knetreaktor 4, übergeben. Diese Knetreaktoren sind beispielsweise aus der DE 199 40 521 AI oder der DE 41 18 884 bekannt. Auf diese Dünnschichtverdampfer und diese Knetreaktoren ist jedoch nicht die Erfindung beschränkt. Von der Erfindung werden alle Behandlungseinrichtungen umfasst, in denen nachwachsende Rohstoffe einer Behandlung zu einer späteren Formgebung unterzogen werden können. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Behandlung des nachwachsenden Rohstoffs mittels eines Lösungsmittels, bevorzugt einem wässrigen tertiären Aminoxid, welches schon vorgängig als Zellulosemaische gemischt wurde und dementsprechend in der Zuleitung 1 dem Dünnschichtverdampfer zugeführt wird. Optional kann die Zellulosemaische auch dem Knetreaktor 4 direkt zugeführt werden. In the thin-film evaporator 2, when used, the suspension is concentrated. From there, the concentrated suspension is transferred directly into a thick-film solvent, preferably a horizontal kneading reactor 4. These kneading reactors are known, for example, from DE 199 40 521 A1 or DE 41 18 884. However, the invention is not limited to these thin-film evaporators and kneading reactors. The invention encompasses all treatment devices in which renewable raw materials can be subjected to a treatment for a later shaping. In the present embodiment, the treatment of the renewable raw material by means of a solvent, preferably an aqueous tertiary amine oxide, which was previously mixed as Zellulosemaische and is accordingly supplied in the feed line 1 to the thin-film evaporator. Optionally, the cellulase mash can also be fed directly to the kneading reactor 4.
Im Dünnschichtverdampfer 2 erfolgt unter Wärmezugabe eine Wasserverdampfung aus der Suspension, ohne dabei den Zellstoff zu lösen. In the thin-film evaporator 2 takes place with addition of heat Water evaporation from the suspension without dissolving the pulp.
In dem Knetreaktor 4 erfolgt unter Wärmezugabe ein intensives Durchmischen des Rohstoffs mit dem Lösungsmittel, ein teilweises Verdampfen des Wassers aus dem Lösungsmittels und damit das Lösen des Zellstoffes, so dass eine relativ hochviskose Formlösung entsteht. Diese Formlösung wird dann über eine Austragseinrichtung 5 der Spinnanlage 8 zugeführt. In the kneading reactor 4 takes place under heat addition intensive mixing of the raw material with the solvent, a partial evaporation of the water from the solvent and thus the dissolution of the pulp, so that a relatively high-viscosity molding solution is formed. This mold solution is then fed via a discharge device 5 of the spinning unit 8.
Die Erzeugung einer Formlösung in einem Knetreaktor bzw. die beschriebene Kombination aus Dünnschichtverdampfer und Knetreaktor ergibt eine hochwertige Grundsubstanz zur nachfolgender Verspinnung zu einem Filament, Stapelfaser oder Vlies durch ein Nassspinnverfahren, welches vorrangig aber nicht zwingend durch einen Luftspalt erfolgt. Die relativ hochviskose Formlösung kann vor der endgültigen Verarbeiten zu Fasern auf eine spinnfähige Formlösung verdünnt werden. Dies geschieht in der Austragseinrichtung 5 über eine Zuleitung 6 oder sogar noch vor der Austragseinrichtung 5 in dem Knetreaktor 4 an beliebiger Stelle und/oder gesplittet. Diese Vorgehensweise wurde in Versuchen bestätigt. Auch an eine Kombination beider Zugabeorte ist möglich wenn das Verdünnungsverhältnis sehr hoch ist. The production of a molding solution in a kneading reactor or the described combination of thin-film evaporator and kneading reactor results in a high quality ground substance for subsequent spinning into a filament, staple fiber or nonwoven by a wet spinning process, which is primarily but not necessarily carried out by an air gap. The relatively high viscosity molding solution may be diluted to a spinnable molding solution prior to final processing into fibers. This is done in the discharge device 5 via a feed line 6 or even before the discharge device 5 in the kneading reactor 4 at any point and / or split. This procedure was confirmed in experiments. Also, a combination of both addition sites is possible if the dilution ratio is very high.
Nach der Austragseinrichtung 5 und vor der Spinnanlage 8 ist eine Pumpe 7 eingeschaltet, mittels der die Formlösung nach dem Austrag gestaut wird. After the discharge device 5 and before the spinning unit 8, a pump 7 is turned on, by means of which the molding solution is stowed after the discharge.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird wie folgt durchgeführt: The process according to the invention is carried out as follows:
Über die Zuleitung 1 erfolgt die Eingabe der Suspension, bestehend aus der Grundsubstanz, insbesondere des nachwachsenden Rohrstoffes, und des Lösungsmittels in den Dünnschichtverdampfer 2 oder direkt in den Knetreaktor 4. Unter Wärmezugabe von aussen mittels Heizmantel erfolgt ein intensives Verdampfen des Wasser aus der Suspension bis zum Lösefenster, ohne die Lösung der Grundsubstanz zu starten. Die konzentrierte Suspension wird aus dem Dünnschichtverdampfer 2 durch einen direkten Übergang 3 direkt oder über eine Pumpe oder Ventil ausgetragen und in den Dickschichtlöser 4 eingetragen. Im Dickschichtlöser 4, in den die Grundsubstanz auch direkt eingetragen werden kann, einem Knetreaktor, erfolgt ein intensives Durchmischen gegebenenfalls auch die Wasserverdampfung bis zum Erreichen des Lösefensters, wobei die Wärmezugabe von aussen mittels eines Heizmantels, durch beheizte Knetwellen und/oder durch beheizte Knetelemente (Scheibenelemente) erfolgen kann. Ein weiterer mechanischer Wärmeeintrag erfolgt beim Durchmischen selbst durch die entsprechende Scherenergie. Durch das intensive Durchmischen und die eingetragene Scherenergie wird Grundsubstanz vollständig gelöst und es entsteht eine Formlösung hoher Qualität. About the supply line 1, the input of the suspension, consisting of the ground substance, in particular the renewable raw material, and the solvent in the thin-film evaporator 2 or directly into the kneading reactor 4. With heat addition from the outside by means of heating jacket takes place an intensive evaporation of the water from the suspension to to the release window, without starting the solution of the ground substance. The concentrated suspension is discharged from the thin-film evaporator 2 through a direct transition 3 directly or via a pump or valve and introduced into the thick-film dissolver 4. In thick-film solvent 4, in which the basic substance can also be registered directly, a kneading reactor, if necessary, the evaporation of water takes place until reaching the release window, wherein the heat addition from the outside by means of a heating mantle, heated kneading and / or heated kneading ( Disc elements) can be done. Another mechanical heat input occurs during mixing itself by the corresponding shear energy. Due to the intensive mixing and the registered shear energy, the basic substance is completely dissolved and a high quality forming solution is created.
Durch das Verdampfen eines Anteils aus dem Lösungsmittel wird die Suspension in eine Formlösung (Formlösung) umgewandelt und weiter aufkonzentriert, so dass sie gegen Ende des Knetreaktors 4 kurz vor der Austragseinrichtung 5 etwa einen Anteil von 8 bis 36 % an Grundsubstanz aufweist. Diese Formlösung ist für ein späteres Verspinnen gegebenenfalls zu hochviskos. Sie wird nun, falls durch die Anforderungen des Spinnprozesses bedingt, mit einem Verdünner verdünnt, der über die Zuleitung 6 zugeführt wird. Dabei wird die Konzentration der Formlösung vor und/oder nach der Zugabe des Verdünners über den optischen Index kontrolliert. Dieser optische Index wird auch als Brechungsindex bezeichnet. Er kennzeichnet die Brechung (Richtungsänderung) und das Reflektionsverhalten (Reflektion und Totalreflektion) von elektromagnetischen Wellen beim Treffen auf eine Grenzfläche zweier Medien. Des Weiteren ist daran gedacht, vor dem Austrag oder in den Austrag, ggf. auch über die Zuleitung 6, noch der Formlösung/Mischung ein Additiv zuzuführen. Ein Additiv bzw. ein Additivgemisch kann auch zusammen mit dem Verdünner zugeführt werden. By evaporating a portion from the solvent, the suspension is converted into a molding solution (molding solution) and further concentrated so that it has approximately 8 to 36% of ground substance towards the end of the kneading reactor 4 shortly before the discharge device 5. This molding solution may be too viscous for later spinning. It is now, if required by the requirements of the spinning process, diluted with a diluent which is supplied via the feed line 6. The concentration of the molding solution is controlled before and / or after the addition of the diluent via the optical index. This optical index is also called the refractive index. It marks the refraction (change of direction) and the reflection behavior (reflection and total reflection) of electromagnetic waves when hitting an interface between two media. Furthermore, it is thought to add an additive before the discharge or in the discharge, possibly also via the supply line 6, nor the molding solution / mixture. An additive or an additive mixture can also be used together with the Thinner can be supplied.
Im Dünnschichtverdampfer 2 beziehungsweise im Knetreaktor 4 entstehende Dämpfe werden über eine Gastraumverbindung 9 einer Kondensation 10 zugeführt. Vapors formed in the thin-film evaporator 2 or in the kneading reactor 4 are supplied to a condensation 10 via a gas-space connection 9.
DRES. WEISS & ARAT DRES. WHITE & ARAT
Patentanwälte patent attorneys
European Patent Attorney Aktenzeichen: P 4782 PCT Datum: 26.09.14 W/ST European Patent Attorney Reference: P 4782 PCT Date: 26.09.14 W / ST
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