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WO2025087981A1 - Profiled cellulose fibre having improved tensile strength and method for producing same - Google Patents

Profiled cellulose fibre having improved tensile strength and method for producing same Download PDF

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Publication number
WO2025087981A1
WO2025087981A1 PCT/EP2024/079971 EP2024079971W WO2025087981A1 WO 2025087981 A1 WO2025087981 A1 WO 2025087981A1 EP 2024079971 W EP2024079971 W EP 2024079971W WO 2025087981 A1 WO2025087981 A1 WO 2025087981A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cellulose
range
profiled
fibers
tex
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/079971
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Dominik Mayer
Josef SCHACHTNER
Antje Ota
Frank Hermanutz
Ronald BEYER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kelheim Fibres GmbH
Original Assignee
Kelheim Fibres GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kelheim Fibres GmbH filed Critical Kelheim Fibres GmbH
Publication of WO2025087981A1 publication Critical patent/WO2025087981A1/en
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/06Wet spinning methods
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/253Formation of filaments, threads, or the like with a non-circular cross section; Spinnerette packs therefor
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F2/00Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F2/00Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof
    • D01F2/02Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof from solutions of cellulose in acids, bases or salts

Definitions

  • the present invention relates to profiled cellulose fibers having an aspect ratio of the largest to the smallest cross-sectional thickness of the cellulose fiber of at least 1.25, a fineness of at most 50 dtex, and a maximum tensile strength of at least 22 cN/tex.
  • the present invention further relates to processes for producing such profiled cellulose fibers, devices adapted for producing such cellulose fibers, and uses of the cellulose fibers according to the invention for producing yarns, woven fabrics, or nonwovens, or as reinforcing material in building materials.
  • multi-link viscose filaments Compared to conventional viscose filaments with a circular cross-section, multi-link viscose filaments have a larger volume because the circumferential area of the multi-link filaments or fibers is larger than their actual cross-sectional area. Such viscose fibers are therefore preferred in textile applications where bulkiness is desired, such as pile fabrics.
  • a filament yarn consisting of X- or Y-shaped continuous viscose filaments is described, for example, in Japanese patent application JPS-61-113812.
  • profiled viscose filaments are their increased absorbency compared to filaments with a round cross-section.
  • Profiled filaments processed as staple fibers can therefore be used to produce absorbent products such as tampons, wipes, and swabs.
  • UK Patent 1 333 047 describes an absorbent viscose fiber in which the filaments have a collapsed hollow structure and a multi-segmented cross-section.
  • these filaments have a relatively high absorbency compared to conventional viscose filaments, they have the disadvantage of being complicated are difficult to produce, as the filaments must be formed with an inflated, hollow structure and then collapsed.
  • the process specified in UK-1 333 047 also has the disadvantage that fiber collapse is difficult to control to achieve a uniform filament cross-section, so that the resulting filaments usually have irregular, multi-segmented cross-sectional shapes.
  • US 5,458,835 describes a process for producing viscose filaments in staple fiber form, which have a fineness of at least 5.0 dtex and a multi-segment cross-section, for example, with a Y, X, H, or T-shaped configuration.
  • viscose is extruded to produce the fibers and introduced into a bath of aqueous sulfuric acid, zinc sulfate, and sodium sulfate.
  • the fibers are then drawn at a ratio of 50%, made into a staple fiber yarn, and washed and dried.
  • the fibers thus produced have a filament tenacity of approximately 15 to 19 cN/tex.
  • the present invention addresses this need.
  • such profiled cellulose fibers can be produced by a process in which the Cellulose is dissolved in an ionic liquid (as a direct solvent) for spinning, and the strands generated by extrusion are precipitated into cellulose filaments in an aqueous coagulation medium.
  • the profile structure initially created by the extrusion dies undergoes some changes due to the intense stretching, but remains intact to such an extent that a desired profile structure can be specifically realized by adjusting the die geometry.
  • the present invention accordingly relates to a profiled cellulose fiber having an aspect ratio of the largest to the smallest cross-sectional thickness of the cellulose fiber of at least 1.25, a fineness of at most 50 dtex and a maximum tensile strength (dry) of at least 22 cN/tex.
  • the aspect ratio is determined as the average of the aspect ratio from the cross-section of 10 randomly selected fibers.
  • the specified aspect ratio is a measure of the deviation of the profile shape of the specified cellulose fibers from a round profile shape, for which the aspect ratio is "1.0".
  • the larger the aspect ratio the greater the deviation of the profile shape from a round profile shape.
  • an aspect ratio that deviates more from a round profile shape is preferred, whereby it has proven advantageous if the cellulose fiber has an aspect ratio in the range of 1.3 to 5, in particular in the range of 1.5 to 4.0, and more preferably in the range of 1.7 to 4.0.
  • regenerator cellulose fiber refers to a cellulose fiber that is not of natural origin and that can have a thickness and length not achieved in natural fibers.
  • cellulose fiber and regenerated cellulose fiber have a synonymous meaning when they refer to products and fibers to be produced according to the invention, since the profiled cellulose fibers according to the invention are regenerated cellulose fibers.
  • the fineness is a measure of the thickness of the fibers and is limited to a maximum of 50 dtex.
  • the ranges that can be conveniently achieved and adjusted for the maximum tensile strength (dry) are from 25 to 50 cN/tex, in particular in the range from 25 to 32 cN/tex, and more preferably in the range from 25 to 30 cN/tex.
  • the cellulose fibers according to the invention have a maximum tensile strength (wet) in the range of 10-30 cN/tex and in particular 15-25 cN/tex.
  • “Dry” here refers to the fact that the maximum tensile strength is determined for dry fibers (with respect to water).
  • Wet on the other hand, means that the fibers were wet during the determination, in the sense of water present on the fiber surface. Such tensile properties ensure sufficient load-bearing capacity, which is important for the use of the fibers for reinforcement purposes.
  • the elongation of the cellulose fibers according to the invention is in the range of 3 to 18%, preferably 5 to 10%, more preferably 5 to 8%.
  • the elongation and maximum tensile force are determined in the context of the invention described here using DIN EN ISO 5079: 2020.
  • modulus which for an elongation in the range of 0.2 to 0.4% is preferably in the range of 500 to 2500 cN/tex, in particular 800 to 2000 cN/tex, and more preferably 600 to 1600 cN/tex.
  • the modulus is measured according to BISFA at 5% elongation.
  • the cellulose fibers according to the invention are not subject to any relevant restrictions, provided that they do not exceed the stated fineness of 50 dtex.
  • the fiber diameter has a certain correlation with the fineness of the cellulose fibers, although the profile shape of the cross section results in deviations from round fibers.
  • the "largest fiber diameter" is also specified for the cellulose fibers according to the invention. This diameter is obtained by placing a circle that completely encloses the fiber cross-section around it and determining its diameter. For this largest fiber diameter, it is preferred if the cellulose fibers according to the invention is set in a range from 11 to 150 pm, and in particular 12 to 70 pm.
  • the cellulose fibers according to the invention are characterized in that they can be produced in virtually unlimited lengths (i.e., as continuous fibers or "filaments"). Accordingly, in a preferred embodiment, the cellulose fibers according to the invention are formed as continuous fibers. In a preferred embodiment, the filament is wound up, e.g., on a spool.
  • the fibers can, on the other hand, be cut to any desired length or be formed as staple fibers. For such staple fibers, it is particularly preferred if they have a length of 3 to 150 mm, in particular of 15 to 120 mm, and even more preferably 30 to 80 mm.
  • the specified profiled cellulose fibers are distinguished from cellulose fibers with a round cross-section (with the same dtex fineness) by their favorable water retention capacity, determined according to DIN 53184. For this purpose, it is particularly preferred if it is in the range of 45 to 120% and preferably 60 to 90%.
  • the significance of this advantageous water retention capacity lies in its close relationship with the amorphous components and the void system between the crystalline regions. This pore system has a decisive influence on the sorption properties of the fibers and plays an important role, for example, in dyeing processes.
  • the profile with which the cellulose fiber according to the invention is formed this is also not subject to any relevant restrictions, provided that the profile ensures an aspect ratio of at least 1.25.
  • the cellulose fiber according to the invention can be ribbon-shaped, wherein "arms" of the profile extending from the center of the cross-section can be arranged in a plane or at an angle to one another, preferably in the range of 90° to 170°.
  • the cellulose fiber can also be C-shaped.
  • the cellulose fiber can be formed with a trilobal structure, wherein the angles between the "arms" of the profile extending from the center of the cross-section can be the same or different, resulting, for example, in a Y-shape.
  • the cellulose fiber can be formed with a tetralobal structure (i.e., with four "arms" of the profile extending from the center of the cross-section).
  • the angles between the arms of the profile can be the same (as a "+” shape) or different (e.g. as an X-shape).
  • even more global profile shapes are possible.
  • the profile shape may be H-shaped or H-like, with “arms” of the profile extending from a linear part of the profile and extending from the linear profile part at an angle of preferably in the range of 50° to 140°.
  • the cellulose fibers may have profile shapes as described in EP 2732080 B1 (insofar as these are not already covered by the shapes specified above).
  • the present invention relates to a process for producing profiled cellulose fibers as specified above.
  • This process comprises at least the following steps: (i) preparing a dope of cellulose and an ionic liquid; (ii) spinning the dope through a profiled die at a temperature at which the crossover is in a range of 5 to 55 rad/s; (iii) introducing extruded fibers into a coagulation bath; and (iv) drawing the produced fibers to a maximum draw of at least 100%.
  • maximum stretch refers to the percentage by which a given section is longer after stretching than before.
  • a stretch of at least 100% means that the fiber has been stretched to twice its original length (by 100%).
  • the "crossover” refers to the point at which the elastic modulus is equal to the viscous modulus during a frequency sweep.
  • the crossover of the spinning solution is specified here as the angular frequency with the unit rad/s and is determined using a rotational rheometer.
  • the crossover is temperature-dependent; the person skilled in the art can determine the temperature at which the crossover of the spinning solution lies in the range of 5 to 55 rad/s by a series of measurements in which the temperature is systematically varied.
  • the temperature in step (ii) is preferably adjusted so that the crossover lies in the range of 8 to 50 rad/s, in particular in the range of 10 to 40 rad/s, and more preferably 13 to 35 rad/s.
  • there is the zero shear viscosity of the spinning solution which can be conveniently adjusted to a range of 1500 to 9000 Pa.s and preferably in the range of 2000 to 8000 Pa.s.
  • suitable spinning temperatures for most spinning solutions are above 25°C.
  • Particularly favorable spinning temperatures are, for example, in the range of 50 to 85°C and, in particular, 55 to 75°C.
  • the spinning dope After passing through the profiled nozzle, is passed through an air gap into a coagulation bath.
  • phase inversion can be significantly delayed and homogeneous regeneration of the cellulose can be achieved.
  • these conditions prevent the formation of a fibrillar fiber structure and thus reduce the tendency of fibers spun with an air gap to fibrillate.
  • the length of the air gap is preferably adjusted to ensure that the extruded fibers are in contact with air for an optimal period of time before being introduced into the coagulation bath.
  • the present invention is not subject to any significant limitations. It is preferably present as fibrous cellulose, in particular wood pulp, linters, paper, and/or in the form of other natural cellulose fibers.
  • natural cellulose fibers hemp, flax, coconut, jute, bamboo, and/or sisal fibers can be cited as advantageous.
  • the cellulose is partially derivatized, with esters or ethers being preferred derivatives.
  • esters or ethers being preferred derivatives.
  • the esters can be, for example, phosphoric acid and/or nitrogen-containing esters, such as cellulose carbamate or allophonate, cellulose carboxylates, such as cellulose acetate, cellulose propionate, and cellulose butyrate, and the ethers can be carboxymethylcellulose, hydroxyethylcellulose, and hydroxypropylcellulose, or, for example, cellulose 2,5-acetate. Accordingly, cellulose derivatives are also suitable according to the invention.
  • Mw molecular weight of 100,000 to 500,000 g/mol, and preferably 200,000 to 400,000 g/mol, determined in each case by GPC (gel permeation chromatography) using suitable standards.
  • GPC gel permeation chromatography
  • additives can be used at various points in the process according to the invention.
  • they can The additives can be added to the coagulation medium, the spinning solution containing the cellulose, and/or in a subsequent step, for example, in a modification medium.
  • These additives can be, for example, microcapsules, pore formers, plasticizers, matting agents, marking agents, flame retardants, bactericides, crosslinking agents, hydrophobic agents, antistatic agents, and/or colorants.
  • the ionic liquid which is one of the essential components in the process according to the invention as a direct solvent, is not subject to any significant restrictions, provided that in combination with the cellulose, a homogeneous solution with suitable processing properties can be formed. It is particularly advantageous if the ionic liquid is a compound that can be characterized by the general formula [Q + ] n [Z] n ", where [Q + ] denotes the cation of the ionic liquid, and as a quaternized ammonium [R 1 R 2 R 3 R 4 N + ], phosphonium [R 1 R 2 R 3 R 4 P+] or sulfonium [R 1 R 2 R 3 S + ] cation or an analogous quaternized nitrogen, phosphorus or sulfur heteroaromatic of the following formulas (I), (II), (III), (IV), (V) and (VI) In these compounds, the radicals R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and the radicals R 1 to R 8 in the formulas
  • the above-described alkyl radical is in the form of a C 1 -C 18 alkyl radical, in particular an alkyl radical having 1 to 4 carbon atoms, preferably a methyl, ethyl, 1-propyl, 2-propyl, 1-butyl or 2-butyl radical
  • the cyclic alkyl radical is in the form of a C 3 -C 10 cycloalkyl radical, in particular in the form of a cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl or cyclohexyl radical
  • the unsaturated alkyl radical is in the form of a vinyl, 2-propenyl, 3-butenyl, cis-2-butenyl, trans-2-butenyl radical
  • the aromatic radical is in the form of a phenyl or naphthyl radical which is substituted with 1 to 3 halogen atoms, alkyl radicals having 1 to 4 carbon atoms or phenyl radicals
  • imidazolium carboxylates in the form of [EMIM] [acetate], [EMIM] [propionate], [EMIM] [butyrate], [EMIM] [pentanoate], [EMIM] [hexanoate], [EMIM] [heptanoate], [EMIM] [octanoate], [EMIM] [nonanoate], [EMIM] [decanate] and/or imidazolium phosphates [MMIM] [DMP], [MMIM] [DEP], [EMIM] [DEP].
  • EMIM denotes 1-ethyl-3-methylimidazolium, [MMIM] 1,3-dimethylimidazolium, [DEP] diethyl phosphate, and [DMP] dimethyl phosphate.
  • EMIM denotes 1-ethyl-3-methylimidazolium, "MMIM” 1,3-dimethylimidazolium, "DMP” dimethyl phosphate, and "DEP” diethyl phosphate.
  • a particularly preferred ionic liquid in the context of the present invention is [EMIM] [octanoate].
  • the concentration of cellulose in the ionic liquid is within the usual range for the production of spinning solutions from ionic liquids and cellulose, i.e. in the molecular weight range of the cellulose-based polymers specified above, cellulose solutions can be processed in the concentration range between about 4 and 16, in particular between about 6 and 14 wt.% cellulose in the direct solvent, in particular in the ionic liquids.
  • the profile structure is partially impaired by the high degree of stretching, i.e., the profile structure is less pronounced after stretching than when the spinning dope exits the nozzle.
  • spinning in step (ii) preferably takes place through a die with a slot-shaped, trilobal, tetralobal, or especially cross-shaped outlet opening.
  • the "die” refers to the component of the extruder through which the spinning mass leaves the extruder, while “outlet opening” refers to the opening itself.
  • the die in the process according to the invention has a plurality of outlet openings, for example 50 or more, preferably 100 or more, and even more preferably 150 to 500 outlet openings.
  • the spinning dope is introduced into a coagulation medium, where the ionic liquid can pass into the liquid phase of the coagulation medium; this coagulates the cellulose into filaments and fibers.
  • the coagulation medium is generally not subject to any particular restrictions, although for cost reasons it is preferred to use at least a portion of water as the coagulation medium; water acts as a non-solvent for the cellulose fibers produced. In addition to water, a quantity of another solvent can be present in the coagulation medium to optimize the coagulation rate.
  • the temperature can be adjusted for an optimal processing result, which can be determined by a professional depending on the substances contained in the coagulation medium.
  • the coagulation medium be formed from a protic solvent or a mixture of protic solvents, such as, in particular, water and/or alcohols.
  • protic solvents such as, in particular, water and/or alcohols.
  • alcohols methanol, ethanol, and/or isopropanol are particularly preferred.
  • the coagulation medium it is possible for the coagulation medium to further contain one or more carbohydrates; for details on a favorable process procedure for this purpose, reference can be made to DE 10 2013 002 833 B4, and for carbohydrates to be used appropriately, reference can be made to [0028] of this patent.
  • the spinning solution is discharged from the extruder and transferred into the coagulation medium at a speed that ensures a good compromise between processing speed and contact time of the spinning solution with the air in the air gap.
  • this speed is preferably set to a range of 2 to 3 m/min, and in particular 2.2 to 2.5 m/min.
  • the stretching is not restricted to a relevant extent in that it can be carried out directly in the coagulation medium by making the filaments drawn off than introduced.
  • the temperature in the coagulation medium for optimum drawing depends on various conditions which can be determined by a professional depending on the composition of the coagulation medium.
  • the drawing takes place in a bath containing a coagulation medium which is arranged downstream of a first bath containing a coagulation medium, so that the drawing only takes place at a stage at which part of the ionic liquid has already been dissolved out of the spun mixture.
  • the drawing itself can be achieved, for example, by introducing the fiber into a drawing area at a slower speed, e.g. via the roller, and drawing it out of this area more quickly.
  • the present invention relates to cellulose fibers that were produced or can be produced by the process described above.
  • Such cellulose fibers, or cellulose fibers as specified above can be used for a variety of purposes, for example in textile materials such as threads, yarns, twisted yarns, and the like, as well as textile fabrics, in particular wovens, knitted fabrics, scrims, nonwovens, and batting.
  • These textiles, and in particular the fibers or yarns can be advantageously used as reinforcing materials in fiber-based composites.
  • a further aspect of the present invention relates to a device for producing profiled cellulose fibers, in particular profiled cellulose fibers as specified above, wherein the device comprises a device part for passing a spinning solution through a heatable nozzle head with at least one profiled outlet opening, a coagulation bath arranged downstream of this device part, an air gap arranged between the coagulation bath and the outlet opening and a conveyor device for drawing the cellulose fibers generated via the profiled outlet opening, wherein the profiled outlet opening Aspect ratio of the largest to the smallest cross-sectional thickness of the exit opening in the range of 1.5 to 15.
  • Yet another aspect of the present invention relates to the use of cellulose fibers as specified above for producing a yarn, woven fabric, or nonwoven fabric, wherein a woven fabric is produced by knitting, weaving, warp knitting, embroidery, or braiding, and the nonwoven fabric is preferably formed as a carded nonwoven fabric, in particular as a needle-punched or spunlaced nonwoven, a thermobonded nonwoven, or as a nonwoven stitchbonded fabric.
  • the cellulose fibers can be processed using a paper, wetlaid, or airlaid process, or by combined processes such as combined carded-wetlaid or carded-airlaid technologies.
  • thermoplastic polymers for this purpose may include, in particular, saturated polyester-based resins such as polylactic acid resins; olefin resins such as polyethylene-based resins and polypropylene-based resins; cellulose-based resins such as triacetylated cellulose and diacetylated cellulose; nylon resins, vinyl chloride resins, styrene resins, (meth)acrylic resins, vinyl ether resins, polyvinyl alcohol resins, polyamide-based resins, polycarbonate-based resins, polysulfonate-based resins, and the like.
  • saturated polyester-based resins such as polylactic acid resins
  • olefin resins such as polyethylene-based resins and polypropylene-based resins
  • cellulose-based resins such as triacetylated cellulose and diacetylated cellulose
  • nylon resins vinyl chloride resins, styrene resins, (meth)acrylic resins, vinyl ether resins, poly
  • thermoplastic resins may be used alone or may be used as mixed resins of two or more types.
  • Curable polymers that can be used include photocurable resins or thermosetting resins, such as epoxy resins, phenolic resins, urea resins, melamine resins, unsaturated polyester resins, diallyl phthalate resins, polyurethane resins, silicon-containing resins, polyimide resins, elastomeric resins, and the like.
  • Thermosetting resins can also be used as a single resin or as a combination of two or more types of the aforementioned resins.
  • Yet another aspect of the present invention relates to the use of cellulose fibers as described above as reinforcing material in building materials.
  • the following examples serve to further explain the invention:
  • Pulp with a weight-average molecular weight of approximately 600,000 g/mol was irradiated with electron beams at a radiation dose of 80 kGy to obtain cellulose with a weight-average molecular weight of approximately 300,000 g/mol.
  • the Mw/Mn ratio of the resulting cellulose was 8.8.
  • a spinning solution or mass with a cellulose concentration of 12 wt.% was prepared by mixing it with l-ethyl-2-methyl-imidazolium octanoate using a thin-film evaporator from VTA at 110°C.
  • Frequency sweep measurements were first performed on this spinning dope at different temperatures using a plate-on-plate rheometer (Anton Paar MCR 301 Rheometer) to determine the optimal spinning temperature.
  • the frequency range was from 100 to 1 rads at a constant strain of 3%; the temperature was varied in 10°C increments from 110°C to 20°C.
  • the 10 measurements obtained were mathematically combined into a master curve. For each temperature, the zero-shear viscosity and crossover were determined using the Carreau-Yasuda model (see Table 1).
  • a crossover in the range of 10–50 rad s represents ideal spinning conditions for the production of profiled cellulose fibers.
  • the corresponding zero-shear viscosities were between 1000 and 5000 Pa-s.
  • the resulting spinning solutions were processed in an extruder through various cross-profile nozzles. These nozzles had different leg lengths and widths (see Table 2 below). The air gap to the coagulation medium was set at 10 mm. The resulting fibers were then drawn at 65°C. The various processing parameters are shown in Table 2 below:
  • the maximum drawability could be influenced by varying the spinning temperature. By modulating the spinning temperature of fibers produced using nozzle 2, maximum draws in the range of 350% (at 55°C), 700% (at 65°C), and 1250% (at 70°C) could be achieved.
  • Table 6 shows that the water retention capacity of all manufactured fibers is within a comparable range, regardless of fiber cross-section, fiber surface area, or fiber diameter.
  • the water retention capacity of lyocell fibers is approximately 60-70%, and that of hydrophilic cotton fibers is approximately 40-60%.
  • the overview in Table 6 thus shows that, depending on the drawing and nozzle geometry, a water retention capacity comparable to that of such fibers can be achieved.
  • the elastic modulus of commercial lyocell fibers is only approximately 700 cN/tex; through special spinning, elastic moduli of up to 1800 cN/tex can be achieved.
  • Cotton fibers have an elastic modulus in the range of 300-600 cN/tex.

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Abstract

The present invention relates to profiled cellulose fibres having an aspect ratio of the largest to smallest cross-sectional thickness of the cellulose fibre of at least 1.25, a fineness of at most 50 dtex and a maximum tensile strength of at least 22 cN/tex. Such fibres can be used advantageously for applications requiring high mechanical strength and a high water retention capacity. The present invention further relates to methods for producing such profiled cellulose fibres, to devices which are suitable for producing such cellulose fibres and to uses of the cellulose fibres according to the invention for producing yarns, woven fabrics or non-woven fabrics or as reinforcing material in building materials.

Description

Profilierte Zellulosefaser mit verbesserter Zugkraft und Verfahren zu ihrer Herstellung Profiled cellulose fiber with improved tensile strength and process for its production

Beschreibung Description

Die vorliegende Erfindung betrifft profilierte Zellulosefasern mit einem Aspektverhältnis der größten zur kleinsten Querschnittsdicke der Zellulosefaser von mindestens 1,25, einer Feinheit von höchstens 50 dtex und einer Höchstzugkraft von mindestens 22 cN/tex. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zur Herstellung solcher profilierter Zellulosefasern, Vorrichtungen, die zur Herstellung solcher Zellulosefasern angepasst sind und Verwendungen der erfindungsgemäßen Zellulosefasern zu Herstellung von Garnen, Geweben oder Vliesstoffs oder als Verstärkungsmaterial in Baustoffen. The present invention relates to profiled cellulose fibers having an aspect ratio of the largest to the smallest cross-sectional thickness of the cellulose fiber of at least 1.25, a fineness of at most 50 dtex, and a maximum tensile strength of at least 22 cN/tex. The present invention further relates to processes for producing such profiled cellulose fibers, devices adapted for producing such cellulose fibers, and uses of the cellulose fibers according to the invention for producing yarns, woven fabrics, or nonwovens, or as reinforcing material in building materials.

Stand der Technik State of the art

Mehrgliedrige Viskosefilamente weisen gegenüber herkömmlichen Viskosefilamenten mit kreisförmigem Querschnitt ein größeres Volumen auf, da die Umfangsfläche der mehrgliedrigen Filamente oder Fasern größer ist als ihre tatsächliche Querschnittsfläche. Solche Viskosefasern werden daher bevorzugt in Textilanwendungen verwendet, in denen Bauschigkeit beabsichtigt wird, beispielsweise in Florgewebe. Ein Filamentgarn, das aus X- oder Y-förmigen Viskose-Endlosfilamenten besteht, ist beispielsweise in der japanischen Patentanmeldung JPS-61-113812 beschrieben. Compared to conventional viscose filaments with a circular cross-section, multi-link viscose filaments have a larger volume because the circumferential area of the multi-link filaments or fibers is larger than their actual cross-sectional area. Such viscose fibers are therefore preferred in textile applications where bulkiness is desired, such as pile fabrics. A filament yarn consisting of X- or Y-shaped continuous viscose filaments is described, for example, in Japanese patent application JPS-61-113812.

Ein weiterer Vorteil von profilierten Viskosefilamenten ist ihre erhöhte Saugfähigkeit im Vergleich zu Filamenten mit rundem Querschnitt. Als Stapelfasern verarbeitete profilierte Filamente können daher zweckmäßig zur Herstellung von absorbierenden Produkten, wie beispielsweise Tampons, Tücher und Tupfer, verwendet werde. Das UK-Patent 1 333 047 beschreibt hierzu beispielsweise eine absorbierende Viskosefaser, in der die Filamente eine kollabierte Hohlstruktur und einen mehrgliedrigen Querschnitt aufweisen. Obwohl diese Filamente im Vergleich zu herkömmlichen Viskosefilamenten eine relativ hohe Saugfähigkeit aufweisen, haben sie den Nachteil, dass sie kompliziert herzustellen sind, da die Filamente mit einer aufgeblasenen, hohlen Struktur geformt und anschließend kollabiert werden müssen. Das Verfahren in UK-1 333 047 angegebene Verfahren hat darüber hinaus den Nachteil, dass das Kollabieren der Faser schwierig so gesteuert werden kann, dass ein gleichmäßiger Filamentquerschnitt erreicht wird, so dass die resultierenden Filamente meist unregelmäßige vielgliedrige Querschnittsformen aufweisen. Another advantage of profiled viscose filaments is their increased absorbency compared to filaments with a round cross-section. Profiled filaments processed as staple fibers can therefore be used to produce absorbent products such as tampons, wipes, and swabs. UK Patent 1 333 047, for example, describes an absorbent viscose fiber in which the filaments have a collapsed hollow structure and a multi-segmented cross-section. Although these filaments have a relatively high absorbency compared to conventional viscose filaments, they have the disadvantage of being complicated are difficult to produce, as the filaments must be formed with an inflated, hollow structure and then collapsed. The process specified in UK-1 333 047 also has the disadvantage that fiber collapse is difficult to control to achieve a uniform filament cross-section, so that the resulting filaments usually have irregular, multi-segmented cross-sectional shapes.

Die US 5,458,835 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Viskosefilamenten in Stapelfaserform, die eine Feinheit von mindestens 5.0 dtex und einen mehrgliedrigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise mit einer Y, X, H oder T- förmigen Ausbildung. Gemäß dem Verfahren in der US 5,458,835 wird zur Herstellung der Fasern Viskose extrudiert und in ein Bad aus wässriger Schwefelsäure, Zinksulfat und Natriumsulfat eingeleitet. Anschließend werden die Fasern mit einem Verhältnis von 50% verstreckt, zu einem Stapelfasergarn konfektioniert und gewaschen und getrocknet. Die so hergestellten Fasern wiesen eine Höchstzugkraft (filament tenacity) von etwa 15 bis 19 cN/tex auf. US 5,458,835 describes a process for producing viscose filaments in staple fiber form, which have a fineness of at least 5.0 dtex and a multi-segment cross-section, for example, with a Y, X, H, or T-shaped configuration. According to the process in US 5,458,835, viscose is extruded to produce the fibers and introduced into a bath of aqueous sulfuric acid, zinc sulfate, and sodium sulfate. The fibers are then drawn at a ratio of 50%, made into a staple fiber yarn, and washed and dried. The fibers thus produced have a filament tenacity of approximately 15 to 19 cN/tex.

Die in der US 5,458,835 beschriebenen Viskosefilamente weisen für Anwendungen, bei denen es in erster Linie auf die Saugfähigkeit der Fasern ankommt, eine ausreichende Festigkeit auf. Diese reicht aber für anspruchsvollere Anwendungen, bei denen die Fasern höheren Zugkräften ausgesetzt sind (z.B. Anwendungen, in denen die Fasern zu Verstärkungszwecken eingesetzt werden) nicht aus. Es besteht daher ein Bedarf für profilierte Zellulosefasern mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und insbesondere einer verbesserten Festigkeit gegenüber einer Zugweinwirkung. The viscose filaments described in US Pat. No. 5,458,835 exhibit sufficient strength for applications where the absorbency of the fibers is the primary consideration. However, this strength is insufficient for more demanding applications where the fibers are subjected to higher tensile forces (e.g., applications where the fibers are used for reinforcement purposes). Therefore, there is a need for profiled cellulose fibers with improved mechanical properties and, in particular, improved resistance to tensile stress.

Profilierte Zellulosefasern mit mehrschenkeligem Querschnitt werden in der EP 2732980 Bl beschrieben, wobei ein im Vergleich zum Stand der Technik erhöhter Titer und eine verbesserte Saugfähigkeit bereitgestellt werden soll. Mechanische Eigenschaften wie eine Höchstzugkraft der hergestellten Zelllosefasern werden in diesem Dokument allerdings nicht angegeben. Profiled cellulose fibers with a multi-limbed cross-section are described in EP 2732980 B1, which are intended to provide an increased linear density and improved absorbency compared to the prior art. However, mechanical properties such as the maximum tensile strength of the produced cellulose fibers are not specified in this document.

Flache Zellulosefasern mit einem Breite/Dicke Verhältnis von 10: 1 oder mehr und einem Gehalt an mindestens 98% Zellulose, die transparent sein sollen, sind in der EP 2785899 Bl beschrieben. In der EP 2785899 Bl werden solche Fasern durch Verspinnen einer Viskosespinnmasse mit einem Koagulationsverzögerer in ein Spinnbad mit einem Schwefelsäuregehalt von 100 bis 140 g/l erzeugt, wobei die Spinnfäden mit einem Düsenverzug von 2,0 bis 3,0 abgezogen und mit einem Verhältnis von 20%-35% verstreckt werden. Flat cellulose fibers with a width/thickness ratio of 10:1 or more and a content of at least 98% cellulose, which are intended to be transparent, are described in EP 2785899 B1. In EP 2785899 B1, such fibers are produced by spinning a viscose dope with a coagulation retarder in a spinning bath with a sulfuric acid content of 100 to 140 g/l is produced, whereby the spinning threads are drawn off with a jet draft of 2.0 to 3.0 and drawn at a ratio of 20%-35%.

Ein weiteres Problem von im Stand der Technik vorgeschlagenen profilierten Zellulosefasern stellt das zu ihrer Herstellung angegebene Verfahren dar, bei dem das Material nach der Extrusion in ein relativ hoch konzentriertes Säurebad eingebracht wird. Dieses enthält zusätzlich reinen relativ hohen Salzanteil (in Form von Natrium- und Zinksulfat), der eine hohe Salzfracht der Fällungslösung bedingt und sich in hohen Entsorgungskosten der Reaktionsmischung auswirkt, insbesondere zumal die eingesetzte Schwefelsäure für eine Entsorgung ebenfalls neutralisiert werden muss. Dies hat relativ hohe Kosten für die Herstellung solcher Fasern zur Folge. Another problem with profiled cellulose fibers proposed in the prior art is the process used for their production, in which the material is introduced into a relatively highly concentrated acid bath after extrusion. This bath also contains a relatively high proportion of pure salt (in the form of sodium and zinc sulfate), which results in a high salt load in the precipitation solution and results in high disposal costs for the reaction mixture, especially since the sulfuric acid used must also be neutralized for disposal. This results in relatively high costs for the production of such fibers.

Vor diesem Hintergrund besteht auch ein Bedarf nach kostengünstiger und ökonomischer bzw. umweltverträglicher herzustellenden profilierten Zellulosefasern. Against this background, there is also a need for profiled cellulose fibers that can be produced in a more cost-effective and economical and environmentally friendly manner.

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit diesem Bedarf. The present invention addresses this need.

Beschreibung der Erfindung Description of the invention

In den dieser Erfindung zu Grunde liegenden Untersuchungen wurde überraschend gefunden, dass eine Profilierung von Zellulosefasern auch dann erhalten bleibt, wenn die Fasern mit einem im Vergleich zum Stand der Technik, deutlich vergrößerten Verhältnis verstreckt werden. Hier wäre normalerweise zu erwarten, dass bei höherer Verstreckung eine Profilierung weitgehend nivelliert wird, zumal das Material bei der Verstreckung noch relativ flexibel ist. Diese Nivellierung kann aber durch die Einstellung der Verarbeitungsviskosität der Spinnlösung soweit unterdrückt werden, dass das durch eine Profildüse generierte Profil in wünschenswertem Umfang erhalten bleibt. Durch die höhere Verstreckung wird in der Folge eine höhere lineare Ausrichtung der Zelluloseketten erreicht, was verbesserte Zugeigenschaften zur Folge hat. In the investigations underlying this invention, it was surprisingly found that a profile of cellulose fibers is retained even when the fibers are stretched at a significantly higher ratio compared to the prior art. Normally, one would expect that at higher stretching, a profile would be largely leveled out, especially since the material is still relatively flexible during stretching. However, this leveling can be suppressed by adjusting the processing viscosity of the spinning solution to such an extent that the profile generated by a profile nozzle is retained to a desirable extent. The higher stretching subsequently achieves a higher linear alignment of the cellulose chains, which results in improved tensile properties.

Es wurde weiterhin überraschend gefunden, dass solche profilierten Zellulosefasern mit Hilfe eines Verfahrens hergestellt werden können, bei dem die Zellulose für das Verspinnen in einer ionischen Flüssigkeit (als Direktlösemittel) gelöst wird und die durch Extrusion generierten Stränge in einem wässrigen Koagulationsmedium zu Zellulose-Filamenten ausgefällt werden. Im Rahmen dieser Behandlung verändert sich zwar die durch Extrusionsdüsen zunächst erzeugte Profilstruktur in Folge des starken Verstreckens teilweise, bleibt aber soweit erhalten, dass durch die Einstellung der Düsengeometrie eine gewünschte Profil Struktur gezielt realisiert werden kann. It was further surprisingly found that such profiled cellulose fibers can be produced by a process in which the Cellulose is dissolved in an ionic liquid (as a direct solvent) for spinning, and the strands generated by extrusion are precipitated into cellulose filaments in an aqueous coagulation medium. During this treatment, the profile structure initially created by the extrusion dies undergoes some changes due to the intense stretching, but remains intact to such an extent that a desired profile structure can be specifically realized by adjusting the die geometry.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung demzufolge eine profilierte Zellulosefaser mit einem Aspektverhältnis der größten zur kleinsten Querschnittsdicke der Zellulosefaser von mindestens 1,25, einer Feinheit von höchstens 50 dtex und einer Höchstzugkraft (trocken) von mindestens 22 cN/tex. According to a first aspect, the present invention accordingly relates to a profiled cellulose fiber having an aspect ratio of the largest to the smallest cross-sectional thickness of the cellulose fiber of at least 1.25, a fineness of at most 50 dtex and a maximum tensile strength (dry) of at least 22 cN/tex.

Das Aspektverhältnis wird im Kontext der hier beschriebenen Erfindung als Mittelwert des Aspektverhältnisses aus dem Querschnitt von 10 zufällig ausgewählten Fasern bestimmt. In the context of the invention described here, the aspect ratio is determined as the average of the aspect ratio from the cross-section of 10 randomly selected fibers.

Das angegebene Aspektverhältnis ist ein Maß für die Abweichung der Profilform der angebenden Zellulosefasern von einer runden Profilform, bei der das Aspektverhältnis „1,0" ist. Je größer das Aspektverhältnis, desto größer ist die Abweichung der Profilform von einer runden Profilform. Für das Aspektverhältnis ist ein stärker von einer runden Profilform abweichendes Aspektverhältnis bevorzugt, wobei es sich als günstig herausgestellt hat, wenn die Zellulosefaser ein Aspektverhältnis im Bereich von 1,3 bis 5, insbesondere im Bereich von 1,5 bis 4,0, und weiter bevorzugt im Bereich von 1,7 bis 4,0 aufweist. The specified aspect ratio is a measure of the deviation of the profile shape of the specified cellulose fibers from a round profile shape, for which the aspect ratio is "1.0". The larger the aspect ratio, the greater the deviation of the profile shape from a round profile shape. For the aspect ratio, an aspect ratio that deviates more from a round profile shape is preferred, whereby it has proven advantageous if the cellulose fiber has an aspect ratio in the range of 1.3 to 5, in particular in the range of 1.5 to 4.0, and more preferably in the range of 1.7 to 4.0.

Der Ausdruck „Zelluloseregeneratfaser" bezeichnet eine Zellulosefaser, die nicht natürlichen Ursprungs ist, und die eine Dicke und Länge aufweisen kann, die in natürlichen Fasern nicht erreicht wird. Im Kontext der hier beschriebenen Erfindung haben die Begriffe „Zellulosefaser" und „Zelluloseregeneratfaser" mit synonyme Bedeutung, wenn sie sich auf erfindungsgemäß herzustellende Produkte und Fasern beziehen, da es sich bei den erfindungsgemäßen profilierten Zellulosefasern um Zelluloseregeneratfasern handelt. The term "regenerated cellulose fiber" refers to a cellulose fiber that is not of natural origin and that can have a thickness and length not achieved in natural fibers. In the context of the invention described here, the terms "cellulose fiber" and "regenerated cellulose fiber" have a synonymous meaning when they refer to products and fibers to be produced according to the invention, since the profiled cellulose fibers according to the invention are regenerated cellulose fibers.

Die Feinheit ist ein Maß für die Dicke der Fasern und ist auf höchstens 50 dtex beschränkt. Für die Höchstzugkraft (trocken) günstig erreichbare und einstellbare Bereiche liegen bei von 25 bis 50 cN/tex, insbesondere im Bereich von 25 bis 32 cN/tex, und weiter bevorzugt im Bereich von 25 bis 30 cN/tex. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die erfindungsgemäßen Zellulosefasern eine Höchstzugkraft (nass) im Bereich 10-30 cN/tex und insbesondere 15-25 cN/tex aufweist. „Trocken" bezeichnet hier dem Umstand, dass die Höchstzugkraft für (in Bezug auf Wasser) trockene Fasern bestimmt wird. „Nass" heißt hingegen, dass die Fasern bei der Bestimmung Nass im Sinne von auf der Faseroberfläche vorhandenem Wasser waren. Solche Zugkrafteigenschaften stellen eine ausreichende Belastungsfähigkeit sicher, die für eine Verwendung der Fasern für Verstärkungszwecke von Bedeutung ist. The fineness is a measure of the thickness of the fibers and is limited to a maximum of 50 dtex. The ranges that can be conveniently achieved and adjusted for the maximum tensile strength (dry) are from 25 to 50 cN/tex, in particular in the range from 25 to 32 cN/tex, and more preferably in the range from 25 to 30 cN/tex. Furthermore, it is advantageous if the cellulose fibers according to the invention have a maximum tensile strength (wet) in the range of 10-30 cN/tex and in particular 15-25 cN/tex. "Dry" here refers to the fact that the maximum tensile strength is determined for dry fibers (with respect to water). "Wet," on the other hand, means that the fibers were wet during the determination, in the sense of water present on the fiber surface. Such tensile properties ensure sufficient load-bearing capacity, which is important for the use of the fibers for reinforcement purposes.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Dehnung der erfindungsgemäßen Zellulosefasern im Bereich von 3 bis 18%, bevorzugt 5 bis 10 %, weiter bevorzugt 5 bis 8% liegt. Die Dehnung und Höchstzugkraft wird im Kontext der hier beschriebenen Erfindung mittels DIN EN ISO 5079: 2020 bestimmt. Furthermore, it is advantageous if the elongation of the cellulose fibers according to the invention is in the range of 3 to 18%, preferably 5 to 10%, more preferably 5 to 8%. The elongation and maximum tensile force are determined in the context of the invention described here using DIN EN ISO 5079: 2020.

Eine noch weitere Eigenschaft, die für erfindungsgemäße Zellulosefasern eingestellt werden kann, ist der Modul, der für eine Dehnung im Bereich von 0,2 bis 0,4 % vorzugsweise im Bereich von 500 bis 2500 cN/tex, insbesondere von 800 bis 2000 cN/tex und weiter bevorzugt von 600 bis 1600 cN/tex liegt. Der Modul wird im Kontext der hier beschrieben Erfindung nach BISFA bei 5% Dehnung gemessen. Yet another property that can be adjusted for cellulose fibers according to the invention is the modulus, which for an elongation in the range of 0.2 to 0.4% is preferably in the range of 500 to 2500 cN/tex, in particular 800 to 2000 cN/tex, and more preferably 600 to 1600 cN/tex. In the context of the invention described here, the modulus is measured according to BISFA at 5% elongation.

Hinsichtlich ihrer Dimensionen unterliegen die erfindungsgemäßen Zellulosefasern keinen relevanten Beschränkungen mit der Maßgabe, dass diese die angegebene Feinheit von 50 dtex nicht überschreiten. Für die meisten Anwendungen der Zellulosefasern ist es zweckmäßig, wenn diese eine Feinheit im Bereich von 2 bis 20 dtex, und insbesondere im Bereich von 3 bis 9 dtex aufweisen. In einer gewissen Korrelation mit der Feinheit der Zellulosefasern steht der Faserdurchmesser, bei dem sich durch die Profilform des Querschnitts allerdings Abweichungen gegenüber runden Fasern ergeben. Aus diesem Grund wird für die erfindungsgemäßen Zellulosefasern auch der „größte Faserdurchmesser" angegeben, der sich dadurch ergibt, dass ein Kreis, der den Faserquerschnitt vollständig einschließt, um diesen gelegt, und dessen Durchmesser bestimmt wird. Für diesen größten Faserdurchmesser ist es bevorzugt, wenn es für die erfindungsgemäßen Zellulosefasern in einem Bereich von 11 bis 150 pm, und insbesondere 12 bis 70 pm eingestellt ist. With regard to their dimensions, the cellulose fibers according to the invention are not subject to any relevant restrictions, provided that they do not exceed the stated fineness of 50 dtex. For most applications of the cellulose fibers, it is expedient if they have a fineness in the range from 2 to 20 dtex, and in particular in the range from 3 to 9 dtex. The fiber diameter has a certain correlation with the fineness of the cellulose fibers, although the profile shape of the cross section results in deviations from round fibers. For this reason, the "largest fiber diameter" is also specified for the cellulose fibers according to the invention. This diameter is obtained by placing a circle that completely encloses the fiber cross-section around it and determining its diameter. For this largest fiber diameter, it is preferred if the cellulose fibers according to the invention is set in a range from 11 to 150 pm, and in particular 12 to 70 pm.

Die erfindungsgemäßen Zellulosefasern zeichnen sich dadurch aus, dass sie in praktisch unbegrenzter Länge (d.h. als Endlosfasern bzw. „Filamente") hergestellt werden können. Demzufolge sind die erfindungsgemäßen Zellulosefasern in einer bevorzugten Ausführungsform als Endlosfasern ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft liegt das Filament aufgewickelt, z.B. auf einer Spule, vor. Die Fasern können andererseits auf jede beliebige Länge geschnitten werden oder als Stapelfaser ausgebildet sein. Für solche Stapelfasern ist es besonders bevorzugt, wenn sie eine Länge von 3 bis 150 mm, insbesondere von 15 bis 120 mmm und noch weiter bevorzugt 30 bis 80 mm aufweisen. The cellulose fibers according to the invention are characterized in that they can be produced in virtually unlimited lengths (i.e., as continuous fibers or "filaments"). Accordingly, in a preferred embodiment, the cellulose fibers according to the invention are formed as continuous fibers. In a preferred embodiment, the filament is wound up, e.g., on a spool. The fibers can, on the other hand, be cut to any desired length or be formed as staple fibers. For such staple fibers, it is particularly preferred if they have a length of 3 to 150 mm, in particular of 15 to 120 mm, and even more preferably 30 to 80 mm.

Die angegebenen profilierten Zellulosefasern zeichnen sich gegenüber Zellulosefasern mit rundem Querschnitt (mit gleicher dtex Feinheit) durch ein günstiges Wasserrückhaltevermögen, das nach DIN 53184 bestimmt wird, aus. Für dieses ist es insbesondere bevorzugt, wenn es im Bereich von 45 bis 120 % und bevorzugt 60 bis 90% liegt. Die Bedeutung dieses vorteilhaften Wasserrückhaltevermögens liegt darin, dass es in einem engen Zusammenhang mit den amorphen Anteilen und dem Hohl raum system zwischen den kristallinen Bereichen steht. Dieses Porensystem hat einen entscheidenden Einfluss auf die Sorptionseigenschaften der Fasern und spielt beispielsweise bei Färbeprozessen eine wichtige Rolle. The specified profiled cellulose fibers are distinguished from cellulose fibers with a round cross-section (with the same dtex fineness) by their favorable water retention capacity, determined according to DIN 53184. For this purpose, it is particularly preferred if it is in the range of 45 to 120% and preferably 60 to 90%. The significance of this advantageous water retention capacity lies in its close relationship with the amorphous components and the void system between the crystalline regions. This pore system has a decisive influence on the sorption properties of the fibers and plays an important role, for example, in dyeing processes.

Hinsichtlich der Form des Profils mit dem die erfindungsgemäße Zellulosefaser ausgebildet ist, unterliegt diese ebenfalls keinen relevanten Beschränkungen, sofern das Profil ein Aspektverhältnis von mindestens 1,25 sicherstellt. So kann die erfindungsgemäße Zellulosefaser z.B. bandförmig ausgebildet sein, wobei vom Mittelpunkt des Querschnitts ausgehende „Arme" des Profils in einer Ebene oder mit einem Winkel zueinander, bevorzugt im Bereich von 90° bis 170°, angeordnet sein können. Die Zellulosefaser kann auch C-Förmig ausgebildet sein. Alternativ kann die Zelluosefaser mit trilobaler Struktur ausgebildet sein, wobei die Winkel zwischen vom Mittelpunkt des Querschnitts ausgehenden „Arme" des Profils gleich oder verschieden sein können so dass sich z.B. eine Y-Form ergibt. Weiterhin kann die Zellulosefaser mit tetralobaler Struktur (d.h. mit vier vom Mittelpunkt des Querschnitts ausgehenden „Armen" des Profils) ausgebildet sein, wobei die Winkel zwischen den Armen des Profils gleich (als ,,+"-Form) oder verschieden (z.B. als X-form) ausgebildet sein können. Weiterhin sind noch höherlobale Profilformen möglich. With regard to the shape of the profile with which the cellulose fiber according to the invention is formed, this is also not subject to any relevant restrictions, provided that the profile ensures an aspect ratio of at least 1.25. For example, the cellulose fiber according to the invention can be ribbon-shaped, wherein "arms" of the profile extending from the center of the cross-section can be arranged in a plane or at an angle to one another, preferably in the range of 90° to 170°. The cellulose fiber can also be C-shaped. Alternatively, the cellulose fiber can be formed with a trilobal structure, wherein the angles between the "arms" of the profile extending from the center of the cross-section can be the same or different, resulting, for example, in a Y-shape. Furthermore, the cellulose fiber can be formed with a tetralobal structure (i.e., with four "arms" of the profile extending from the center of the cross-section). The angles between the arms of the profile can be the same (as a "+" shape) or different (e.g. as an X-shape). Furthermore, even more global profile shapes are possible.

Es ist ebenfalls möglich, dass die Profilform in H-Form oder in einer H-ähnlichen Form ausgebildet ist, wobei „Arme" des Profils von einem linearen Teil des Profils ausgehen, und in einem Winkel von vorzugsweise im Bereich von 50° bis 140° von den linearen Profilteil ausgehen. Darüber hinaus können die Zellulosefasern Profilformen, wie sie in der EP 2732080 Bl beschrieben sind (soweit diese durch die vorstehend angegebenen Formen nicht bereits erfasst sind) aufweisen. It is also possible for the profile shape to be H-shaped or H-like, with "arms" of the profile extending from a linear part of the profile and extending from the linear profile part at an angle of preferably in the range of 50° to 140°. Furthermore, the cellulose fibers may have profile shapes as described in EP 2732080 B1 (insofar as these are not already covered by the shapes specified above).

In einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von profilierten Zellulosefasern, wie sie im Vorstehenden angegeben wurden. Dieses Verfahren beinhaltet mindestens die folgenden Schritte: (i) Herstellen einer Spinnmasse aus Zellulose und einer ionischen Flüssigkeit; (ii) Verspinnen der Spinnmasse durch eine profilierte Düse bei einer Temperatur, bei der der Crossover in einem Bereich von 5 bis 55 rad/s liegt; (iii) Einbringen von extrudierten Fasern in ein Koagulationsbad und (iv) Verstrecken der erzeugten Fasern mit einer maximalen Verstreckung von mindestens 100%. In a second aspect, the present invention relates to a process for producing profiled cellulose fibers as specified above. This process comprises at least the following steps: (i) preparing a dope of cellulose and an ionic liquid; (ii) spinning the dope through a profiled die at a temperature at which the crossover is in a range of 5 to 55 rad/s; (iii) introducing extruded fibers into a coagulation bath; and (iv) drawing the produced fibers to a maximum draw of at least 100%.

Die maximale Verstreckung bezeichnet in Kontext des hier beschriebenen Verfahrens den Prozentsatz, um den ein gegebener Abschnitt nach dem Verstrecken länger ist als vor dem Verstrecken. Ein Verstrecken von mindestens 100% heißt entsprechend, dass die Faser auf das Doppelte ihrer ursprünglichen Länge (um 100%) gedehnt wurde. In the context of the process described here, maximum stretch refers to the percentage by which a given section is longer after stretching than before. A stretch of at least 100% means that the fiber has been stretched to twice its original length (by 100%).

Der „Crossover" bezeichnet den Punkt, bei dem der Elastizitätsmodul bei einem Frequenzdurchlauf gleich dem viskosen Modul ist. Der Crossover der Spinnlösung wird hier als Kreisfrequenz mit der Einheit rad/s angegeben und wird mit Hilfe eines Rotationsrheometers bestimmt. Der Crossover ist temperaturabhängig, wobei der Fachmann die Temperatur, bei der der Crossover der Spinnlösung im Bereich von 5 bis 55 rad/s liegt, durch eine Messreihe bestimmen kann, bei der die Temperatur systematisch variiert wird. Die Temperatur in Schritt (ii) wird vorzugsweise so eingestellt wird, dass der Crossover im Bereich von 8 bis 50 rad/s, insbesondere im Bereich von 10 bis 40 rad/s, und weiter bevorzugt 13 bis 35 rad/s liegt. In einer gewissen Korrelation zum Crossover, steht die Nullscherviskosität der Spinnlösung, die zweckmäßig auf einen Bereich von 1500 bis 9000 Pa.s und bevorzugt im Bereich von 2000 bis 8000 Pa.s eingestellt werden kann. The "crossover" refers to the point at which the elastic modulus is equal to the viscous modulus during a frequency sweep. The crossover of the spinning solution is specified here as the angular frequency with the unit rad/s and is determined using a rotational rheometer. The crossover is temperature-dependent; the person skilled in the art can determine the temperature at which the crossover of the spinning solution lies in the range of 5 to 55 rad/s by a series of measurements in which the temperature is systematically varied. The temperature in step (ii) is preferably adjusted so that the crossover lies in the range of 8 to 50 rad/s, in particular in the range of 10 to 40 rad/s, and more preferably 13 to 35 rad/s. In a certain correlation to the crossover, there is the zero shear viscosity of the spinning solution, which can be conveniently adjusted to a range of 1500 to 9000 Pa.s and preferably in the range of 2000 to 8000 Pa.s.

Für das erfindungsgemäßen Verfahren hat es sich gezeigt, dass es die Einstellung der Temperatur in dem Bereich, bei dem der Crossover im Bereich von 5 bis 55 rad/s liegt, ermöglicht, die durch Extrusion erzeugten Fasern sehr stark zu verstecken, ohne dass die Profil Struktur der Fasern dabei vollständig verloren geht. Dadurch ist ein Verstrecken der Fasern um einen Prozentsatz von deutlich mehr als 100% möglich. Da durch ein höheres Verstrecken verbesserte mechanische Eigenschaften realisiert werden können, ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt, wenn die maximale Verstreckung höher ist als 100%, wie z.B. 110% oder mehr und insbesondere im Bereich von 100% bis 1600 % und weiter bevorzugt 300% bis 1000% eingestellt wird. For the process according to the invention, it has been shown that setting the temperature in the range where the crossover is in the range of 5 to 55 rad/s enables the fibers produced by extrusion to be very effectively concealed without completely losing the profile structure of the fibers. This makes it possible to stretch the fibers by a percentage significantly greater than 100%. Since improved mechanical properties can be achieved through greater stretching, it is preferred within the scope of the process according to the invention if the maximum stretch is higher than 100%, such as 110% or more, and in particular in the range of 100% to 1600%, and more preferably 300% to 1000%.

Aus den obigen Angaben ergeben sich für die meisten Spinnlösungen geeignete Spinntemperaturen, die mehr als 25°C betragen. Besonders günstige Spinntemperaturen liegen z.B. im Bereich von 50 bis 85°C und insbesondere 55 bis 75°C. The above information indicates that suitable spinning temperatures for most spinning solutions are above 25°C. Particularly favorable spinning temperatures are, for example, in the range of 50 to 85°C and, in particular, 55 to 75°C.

Für das Verspinnen ist es bevorzugt, wenn die Spinnmasse nach dem Passieren der profilierten Düse über einen Luftspalt in ein Koagulationsbad geführt wird. Durch die Veränderung der Diffusion durch die speziellen osmotischen Bedingungen kann die Phaseninversion entscheidend verzögert werden und eine homogene Regeneration der Zellulose erreicht werden. Des Weiteren verhindern diese Bedingungen die Ausbildung einer fibrillären Faserstruktur und verringern somit die Fibrillierneigung der mit Luftspalt gesponnenen Fasern. For spinning, it is preferable if the spinning dope, after passing through the profiled nozzle, is passed through an air gap into a coagulation bath. By altering diffusion through the special osmotic conditions, phase inversion can be significantly delayed and homogeneous regeneration of the cellulose can be achieved. Furthermore, these conditions prevent the formation of a fibrillar fiber structure and thus reduce the tendency of fibers spun with an air gap to fibrillate.

Die Länge des Luftspalts ist zweckmäßig so eingestellt, dass die extrudierten Fasern für einen optimalen Zeitraum mit Luft in Kontakt gelangen, bevor sie in das Koagulationsbad eingeführt werden. Hierbei hat sich eine Länge des Luftspalts in Schritt (ii) im Bereich von 5 bis 25 mm und insbesondere 8 bis 15 mm als besonders günstig herausgestellt. The length of the air gap is preferably adjusted to ensure that the extruded fibers are in contact with air for an optimal period of time before being introduced into the coagulation bath. An air gap length in step (ii) in the range of 5 to 25 mm, and in particular 8 to 15 mm, has proven particularly favorable.

Bei der Auswahl der jeweiligen Ausgangs-Zellulose, die in das erfindungsgemäße Verfahren einbezogen wird, und aus der die angegebenen Zellulosefasern hergestellt werden, unterliegt die vorliegende Erfindung keinen wesentlichen Beschränkungen. Sie liegt vorzugsweise als faserige Zellulose, insbesondere Holzpulpe, Linters, Papier, und/oder in Form anderer Naturzellulosefasern vor. Unter den Naturzellulosefasern können Hanf-, Flachs-, Kokos-, Jute-, Bambus- und/oder Sisal-Fasern als vorteilhaft angegeben werden. In Einzelfällen kann es günstig sein, wenn die Zellulose teilweise derivatisiert ist, wobei Ester oder Ether bevorzugte Derivate darstellen. Die nachfolgenden Betrachtungen, die im Wesentlichen auf "Zellulose" abstellen, sind, sofern nicht anders zu verstehen, auch bei derivatisierter Zellulose anzuwenden. Bei den Estern kann es sich beispielsweise handeln um, phosphorsäure- und/oder stickstoffhaltige Ester, wie Zellulosecarbamat bzw. -allophonat, Zellullosecarboxylate, wie Zelluloseacetat, Zellulosepropionat und Zellulosebutyrat, und bei den Ethern um Carboxymethylzellulose, Hydroxyethylzellulose und Hydroxypropylzellulose oder z. B. um Zellulose-2,5-Acetat. Demzufolge kommen erfindungsgemäß auch Zellulose-Derivate in Frage. When selecting the respective starting cellulose which is included in the process according to the invention and from which the specified cellulose fibres The present invention is not subject to any significant limitations. It is preferably present as fibrous cellulose, in particular wood pulp, linters, paper, and/or in the form of other natural cellulose fibers. Among the natural cellulose fibers, hemp, flax, coconut, jute, bamboo, and/or sisal fibers can be cited as advantageous. In individual cases, it may be advantageous if the cellulose is partially derivatized, with esters or ethers being preferred derivatives. The following considerations, which essentially refer to "cellulose," also apply to derivatized cellulose, unless otherwise understood. The esters can be, for example, phosphoric acid and/or nitrogen-containing esters, such as cellulose carbamate or allophonate, cellulose carboxylates, such as cellulose acetate, cellulose propionate, and cellulose butyrate, and the ethers can be carboxymethylcellulose, hydroxyethylcellulose, and hydroxypropylcellulose, or, for example, cellulose 2,5-acetate. Accordingly, cellulose derivatives are also suitable according to the invention.

Wird nachfolgend oder im Vorangehenden von „Zellulose" gesprochen, dann soll dieser Begriff allgemein verstanden werden und auch Zellulose-Derivate umfassen. Zellulosederivate sind daher für die erfindungsgemäß angestrebten Zwecke ebenfalls geeignet. When "cellulose" is mentioned below or above, this term should be understood generally and also include cellulose derivatives. Cellulose derivatives are therefore also suitable for the purposes envisaged by the invention.

Von besonderem Wert für die Verarbeitung von Zellulose anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, wenn diese ein Molekulargewicht Mw von 100.000 bis 500.000 g/mol und bevorzugt 200.000 bis 400.000 g/mol, bestimmt jeweils mittels GPC (Gelpermeationschromatographie) unter Verwendung geeigneter Standards, aufweist. Durch die Verarbeitung höher-molekularer Zellulose (Mw > 130.000) werden verbesserte vorteilhafte Produkteigenschaften, wie beispielsweise Festigkeit, Elastizitäts-Modul und Steifigkeit erreicht. Ein solches Molekulargewicht kann beispielsweise durch Bestrahlung von Zellulose mit Elektronenstrahlung eingestellt werden. Of particular value for processing cellulose using the method according to the invention is a molecular weight Mw of 100,000 to 500,000 g/mol, and preferably 200,000 to 400,000 g/mol, determined in each case by GPC (gel permeation chromatography) using suitable standards. By processing higher molecular weight cellulose (Mw > 130,000), improved advantageous product properties, such as strength, elastic modulus, and stiffness, are achieved. Such a molecular weight can be adjusted, for example, by irradiating cellulose with electron beams.

Für die erfolgreiche Verwirklichung der vorliegenden Erfindung ist es nicht erforderlich, dass neben der Zellulose und der ionischen Flüssigkeit weitere Komponenten in die Spinnmasse oder die daraus hergestellten Zelllosefasern einbezogen werden. Zusätzliche Additive können aber an verschiedenen Stellen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden. So können sie dem Koagulationsmedium, der die Zellulose enthaltenden Spinnlösung, und/oder in einem nachgeschalteten Schritt, beispielsweise in einem Modifizierungsmedium, beigegeben werden. Bei den Additiven kann es sich beispielsweise um Mikrokapseln, Porenbildner, Weichmacher, Mattierungsmittel, Markierungsmittel, Flammschutzmittel, Bakterizide, Vernetzungsmittel, Hydrophobiermittel, Antistatika und/oder Farbmittel handeln. For the successful implementation of the present invention, it is not necessary for further components besides cellulose and the ionic liquid to be included in the spinning mass or the cellulose fibers produced therefrom. However, additional additives can be used at various points in the process according to the invention. For example, they can The additives can be added to the coagulation medium, the spinning solution containing the cellulose, and/or in a subsequent step, for example, in a modification medium. These additives can be, for example, microcapsules, pore formers, plasticizers, matting agents, marking agents, flame retardants, bactericides, crosslinking agents, hydrophobic agents, antistatic agents, and/or colorants.

Die ionische Flüssigkeit, die im erfindungsgemäßen Verfahren als Direktlösemittel eine der wesentlichen Komponenten darstellt, unterliegt keinen wesentlichen Beschränkungen, mit der Maßgabe, dass in Kombination mit der Zellulose eine homogene Lösung mit geeigneten Verarbeitungseigenschaften gebildet werden kann. Von besonderem Vorteil ist es, wenn die ionische Flüssigkeit eine Verbindung ist, die mit der der allgemeinen Formel [Q+]n[Z]n“ charakterisiert werden kann, wobei [Q+] das Kation der ionischen Flüssigkeit bezeichnet, und als ein quaterniertes Ammonium-[R1R2R3R4N+], Phosphonium-[R1R2R3R4P+] oder Sulfonium-[R1R2R3S+]-Kation oder ein analoger quaternierter Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefel-Heteroaromat der folgenden Formeln (I), (II), (III), (IV), (V) und (VI)

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vorliegen kann. In diesen Verbindungen bezeichnen die Reste R1, R2, R3, R4 bzw. die Reste R1 bis R8 in den Formeln (I) bis (VI), unabhängig voneinander, lineare, cyclische, verzweigte, gesättigte oder ungesättigte Alkylreste, mono- oder polycyclische, aromatische oder heteroaromatische Reste oder mit weiteren funktionellen Gruppen substituierte Derivate dieser Reste sind, wobei R1, R2, R3 und R4 untereinander verbunden sein können. Das Anion [Z]n“ liegt vorzugsweise in Form eines Carboxylats, Halogenids, Pseudohalogenids, Amids, in Form von Phosphorbindungen oder Nitroverbindungen vor. The ionic liquid, which is one of the essential components in the process according to the invention as a direct solvent, is not subject to any significant restrictions, provided that in combination with the cellulose, a homogeneous solution with suitable processing properties can be formed. It is particularly advantageous if the ionic liquid is a compound that can be characterized by the general formula [Q + ] n [Z] n ", where [Q + ] denotes the cation of the ionic liquid, and as a quaternized ammonium [R 1 R 2 R 3 R 4 N + ], phosphonium [R 1 R 2 R 3 R 4 P+] or sulfonium [R 1 R 2 R 3 S + ] cation or an analogous quaternized nitrogen, phosphorus or sulfur heteroaromatic of the following formulas (I), (II), (III), (IV), (V) and (VI)
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In these compounds, the radicals R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and the radicals R 1 to R 8 in the formulas (I) to (VI), independently of one another, denote linear, cyclic, branched, saturated or unsaturated alkyl radicals, mono- or polycyclic, aromatic or heteroaromatic radicals or derivatives of these radicals substituted with further functional groups, where R 1 , R 2 , R 3 and R 4 may be bonded to one another. The anion [Z] n " is preferably in the form of a carboxylate, halide, pseudohalide, amide, in the form of phosphorus bonds or nitro compounds.

Bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser ionischen Flüssigkeiten, die sich dadurch kennzeichnet, dass sich die Carboxylate durch die Formel R^Oz “, die Halogenide bzw. Pseudohalogenide durch die Formel F“, CI“, Br“, I“, BF4“, PF6“, AICI4“, AI2CI7“, AI3CI10“, AIBr4“, FeCI4“, BCI4“, SbF6“, AsF6“, ZnCI3“, SnCI3“, CuCI2“, CF3SO3“, (CN)2N’, (CF3SO3)2N“, CF3CO2“, CCI3CO2“, CN“, SCN“, OCN“, die Phosphorverbindungen als Phosphate durch die Formel PO4 3“, HPO4 2“, H2PO4“, R1PO4 2“, HR^C “, R1R2PO4“, Phosphonate und Phosphinate durch die Formel R^PO , R1R2PO2“, R1R2PO3“, Phosphite durch die Formel PO3 3“, HPO3 2“, H2PO3“, R^Ch2“, R^PO , R1R2PO3“ sowie Phosphonite und Phosphinite durch die Formel R1R2PO2“, RXHPO2“, R1R2PO“, RXHPO“ dargestellt sind, wobei R1 und R2 die vorstehend aufgezeigte Bedeutung haben. A preferred development of these ionic liquids is one in which the carboxylates are represented by the formula R^Oz ", the halides or pseudohalides by the formula F", Cl", Br", I", BF 4 ", PF 6 ", AICI 4 ", AI2CI7", AI3CI10", AIBr 4 ", FeCI 4 ", BCI 4 ", SbF 6 ", AsF 6 ", ZnCI 3 ", SnCI 3 ", CuCI 2 ", CF 3 SO 3 ", (CN) 2 N', (CF 3 SO 3 ) 2 N", CF 3 CO 2 ", CCI 3 CO 2 ", CN", SCN", OCN", the phosphorus compounds as phosphates by the formula PO 4 3 ", HPO 4 2 ", H 2 PO 4 ", R 1 PO 4 2 ", HR^C ", R 1 R 2 PO 4 ", phosphonates and phosphinates by the formula R^PO , R 1 R 2 PO 2 ", R 1 R 2 PO 3 ", phosphites by the formula PO 3 3 ", HPO 3 2 ", H 2 PO 3 ", R^Ch 2 ", R^PO , R 1 R 2 PO 3 " and phosphonites and phosphinites by the formula R 1 R 2 PO 2 ", R X HPO 2 ", R 1 R 2 PO", R X HPO", where R 1 and R 2 have the meaning shown above.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der oben bezeichnete Alkylrest in Form eines Ci-Ci8-Alkylrestes, insbesondere eines Alkylrestes mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise eines Methyl-, Ethyl-, 1-Propyl-, 2-Propyl-, 1-Butyl-, oder 2- Butylrestes vorliegt, der cyclische Alkylrest in Form eines C3-i0-Cycloalkylrestes, insbesondere in Form eines Cyclopropyl-, Cyclobutyl-, Cyclopentyl- oder Cyclohexyl-Restes vorliegt, der ungesättigte Alkylrest in Form eines Vinyl, 2- Propenyl, 3-Butenyl, cis-2-butenyl, trans-2-butenyl-Restes vorliegt, der aromatische Rest in Form eines Phenyl- oder Naphthyl-Restes vorliegt, der mit 1 bis 3 Halogenatomen, Alkylresten mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder Phenyl- Resten substituiert sein kann, und der heteroaromatische Rest in Form eines O-, S- oder N-enthaltenden heterocyclischen Restes mit 2 bis 5 Kohlenstoffatomen vorliegt. It is furthermore advantageous if the above-described alkyl radical is in the form of a C 1 -C 18 alkyl radical, in particular an alkyl radical having 1 to 4 carbon atoms, preferably a methyl, ethyl, 1-propyl, 2-propyl, 1-butyl or 2-butyl radical, the cyclic alkyl radical is in the form of a C 3 -C 10 cycloalkyl radical, in particular in the form of a cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl or cyclohexyl radical, the unsaturated alkyl radical is in the form of a vinyl, 2-propenyl, 3-butenyl, cis-2-butenyl, trans-2-butenyl radical, the aromatic radical is in the form of a phenyl or naphthyl radical which is substituted with 1 to 3 halogen atoms, alkyl radicals having 1 to 4 carbon atoms or phenyl radicals may be substituted, and the heteroaromatic radical is in the form of an O-, S- or N-containing heterocyclic radical having 2 to 5 carbon atoms.

Die nachfolgend bezeichneten ionischen Flüssigkeiten können als besonders gut geeignet für das erfindungsgemäße Verfahren angegeben werden: Imidazoliumcarboxylate in Form von [EMIM] [Acetat], [EMIM] [Propionat], [EMIM] [Butyrat], [EMIM] [Pentanoat], [EMIM] [Hexanoat], [EMIM] [Heptanoat], [EMIM] [Oktanoat], [EMIM] [Nonanoat], [EMIM] [Decanat] und/oder Imidazoliumphosphate [MMIM] [DMP], [MMIM] [DEP], [EMIM] [DEP]. Darin bedeutet EMIM l-Ethyl-3-Methylimidazolium, [MMIM] 1,3-Dimethylimidazolium, [DEP] Diethylphosphat und [DMP] Dimethylphosphat. Dabei bezeichnet „EMIM" 1- Ethyl-3-Methylimidazolium, „MMIM" 1,3-Dimethylimidazolium, „DMP" Dimethylphosphat und „DEP" Diethylphosphat. Eine im Rahmen der vorliegenden Erfindung ganz besonders bevorzugte ionische Flüssigkeit ist [EMIM] [Octanoat]. The following ionic liquids can be stated as being particularly suitable for the process according to the invention: imidazolium carboxylates in the form of [EMIM] [acetate], [EMIM] [propionate], [EMIM] [butyrate], [EMIM] [pentanoate], [EMIM] [hexanoate], [EMIM] [heptanoate], [EMIM] [octanoate], [EMIM] [nonanoate], [EMIM] [decanate] and/or imidazolium phosphates [MMIM] [DMP], [MMIM] [DEP], [EMIM] [DEP]. EMIM denotes 1-ethyl-3-methylimidazolium, [MMIM] 1,3-dimethylimidazolium, [DEP] diethyl phosphate, and [DMP] dimethyl phosphate. "EMIM" denotes 1-ethyl-3-methylimidazolium, "MMIM" 1,3-dimethylimidazolium, "DMP" dimethyl phosphate, and "DEP" diethyl phosphate. A particularly preferred ionic liquid in the context of the present invention is [EMIM] [octanoate].

Die Konzentration der Zellulose in der ionischen Flüssigkeit liegt im für die Herstellung von Spinnlösungen aus ionischen Flüssigkeiten und Zellulose üblichen Rahmen, d.h. im oben angegebenen Molekulargewichtsbereich der Zellulosebasierten Polymere können Zelluloselösungen im Konzentrationsbereich zwischen etwa 4 und 16, insbesondere zwischen etwa 6 und 14 Gew.-% Zellulose in dem Direktlösungsmittel, insbesondere in den ionischen Flüssigkeiten, verarbeitet werden. The concentration of cellulose in the ionic liquid is within the usual range for the production of spinning solutions from ionic liquids and cellulose, i.e. in the molecular weight range of the cellulose-based polymers specified above, cellulose solutions can be processed in the concentration range between about 4 and 16, in particular between about 6 and 14 wt.% cellulose in the direct solvent, in particular in the ionic liquids.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde beobachtet, dass die Profil Struktur durch den hohen Verstreckungsgrad partiell beeinträchtigt wird, d.h. dass die Profilstruktur nach dem Verstrecken weniger ausgeprägt ist als beim Austritt der Spinnmasse aus der Düse. Dies bedingt, dass das Aspektsverhältnis der Düse größer sein muss, als das Aspektverhältnis, das in den über das Verfahren hergestellten Zellulosefasern gewünscht ist. Bevorzugt ist es demzufolge, wenn das Verspinnen in Schritt (ii) über eine Düse mit einem Aspektverhältnis von mindestens 1,5, insbesondere im Bereich von 2 bis 13 und weiter bevorzugt im Bereich von 2 bis 8 und noch weiter bevorzugt 2 bis 5 erfolgt. Within the scope of the process according to the invention, it was observed that the profile structure is partially impaired by the high degree of stretching, i.e., the profile structure is less pronounced after stretching than when the spinning dope exits the nozzle. This requires that the aspect ratio of the nozzle be greater than the aspect ratio desired in the cellulose fibers produced by the process. Accordingly, it is preferred if the spinning in step (ii) takes place through a nozzle with an aspect ratio of at least 1.5, in particular in the range from 2 to 13, more preferably in the range from 2 to 8, and even more preferably 2 to 5.

Zur Erzeugung eines gewünschten Faserprofils erfolgt das Verspinnen in Schritt (ii) bevorzugt über eine Düse mit einer schlitzförmigen, trilobalen, tetralobalen, insbesondere kreuzförmigen Austrittsöffnung. Die „Düse" bezeichnet das Bauteil des Extruders, über das die Spinnmasse den Extruder verlässt, während „Austrittsöffnung" die Öffnung als solche bezeichnet. Bevorzugt weist die Düse im erfindungsgemäßen Verfahren eine Vielzahl von Austrittsöffnungen auf, beispielweise 50 oder mehr, bevorzugt 100 oder mehr und noch weiter bevorzugt 150 bis 500 Austrittsöffnungen. Nach dem Austritt aus der Spinndüse wird die Spinnmasse in ein Koagulationsmedium eingeleitet, in dem die ionische Flüssigkeit in die flüssige Phase des Koagulationsmedium übertreten kann; dadurch wird die Zellulose zu Spinnfäden und Fasern koaguliert. Das Koagulationsmedium unterliegt im Allgemeinen keinen besonderen Einschränkungen, wobei es aus Kostengründen allerdings bevorzugt ist, wenn als Koagulationsmedium zumindest anteilsmäßig Wasser eingesetzt wird; Wasser wirkt hierbei als „Nichtlösemittel für die erzeugten Zellulosefasern. Zusätzlich zu Wasser kann eine Menge eines weiteren Lösungsmittels im Koagulationsmedium vorhanden sein, das die Koagulationsgeschwindigkeit optimiert. To produce a desired fiber profile, spinning in step (ii) preferably takes place through a die with a slot-shaped, trilobal, tetralobal, or especially cross-shaped outlet opening. The "die" refers to the component of the extruder through which the spinning mass leaves the extruder, while "outlet opening" refers to the opening itself. Preferably, the die in the process according to the invention has a plurality of outlet openings, for example 50 or more, preferably 100 or more, and even more preferably 150 to 500 outlet openings. After emerging from the spinneret, the spinning dope is introduced into a coagulation medium, where the ionic liquid can pass into the liquid phase of the coagulation medium; this coagulates the cellulose into filaments and fibers. The coagulation medium is generally not subject to any particular restrictions, although for cost reasons it is preferred to use at least a portion of water as the coagulation medium; water acts as a non-solvent for the cellulose fibers produced. In addition to water, a quantity of another solvent can be present in the coagulation medium to optimize the coagulation rate.

Für die Koagulation kann die Temperatur für ein optimales Verarbeitungsergebnis eingestellt werden, die in Abhängigkeit von im Koagulationsmedium enthaltenen Substanzen fachmännisch ermittelt werden kann. Allgemein ist es bevorzugt, dass das Koagulationsmedium aus protischem Lösungsmittel oder einem Gemisch protischer Lösungsmittel, wie insbesondere Wasser und/oder Alkohole, gebildet ist. Unter den Alkoholen gelten Methanol, Ethanol und/oder Isopropanol als besonders bevorzugt. Zudem ist es möglich, dass das Koagulationsmedium weiterhin ein oder mehrere Kohlehydrate enthält, wobei für Details zu einer hierzu günstigen Verfahrensführung auf die DE 10 2013 002 833 B4 und zu zweckmäßig zu verwendenden Kohlehydraten auf [0028] dieses Patents verwiesen werden kann. For coagulation, the temperature can be adjusted for an optimal processing result, which can be determined by a professional depending on the substances contained in the coagulation medium. Generally, it is preferred that the coagulation medium be formed from a protic solvent or a mixture of protic solvents, such as, in particular, water and/or alcohols. Among the alcohols, methanol, ethanol, and/or isopropanol are particularly preferred. Furthermore, it is possible for the coagulation medium to further contain one or more carbohydrates; for details on a favorable process procedure for this purpose, reference can be made to DE 10 2013 002 833 B4, and for carbohydrates to be used appropriately, reference can be made to [0028] of this patent.

Das Spinnlösung wird mit einer Geschwindigkeit aus dem Extruder ausgegeben und in das Koagulationsmedium überführt, die einen guten Kompromiss zwischen Verarbeitungsgeschwindigkeit und Kontaktzeit der Spinnlösung mit der Luft im Luftspalt sicherstellt. Bevorzugt ist diese Geschwindigkeit im Rahmen der angegebenen Erfindung auf einen Bereich von 2 bis 3 m/min und insbesondere 2,2 bis 2,5 m/min einzustellen. The spinning solution is discharged from the extruder and transferred into the coagulation medium at a speed that ensures a good compromise between processing speed and contact time of the spinning solution with the air in the air gap. Within the scope of the invention, this speed is preferably set to a range of 2 to 3 m/min, and in particular 2.2 to 2.5 m/min.

Für das Verstrecken ist es vorteilhaft, wenn es zu einem Zeitpunkt erfolgt, an dem sich die Filamente noch im gequollenen bzw. nicht ausgewaschenen Zustand befinden. For drawing, it is advantageous if it takes place at a time when the filaments are still in a swollen or unwashed state.

Das Verstrecken ist in der Weise nicht in relevantem Umfang beschränkt, dass es direkt im Koagulationsmedium erfolgen kann, indem die Filamente schneller abgezogen als eingeleitet werden. Die Temperatur im Koagulationsmedium zum optimalen Verstrecken hängt von verschiedenen Bedingungen ab, die sich in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Koagulationsmediums fachmännisch ermitteln lassen. In einer Ausführungsform erfolgt das Verstrecken in einem Bad mit Koagulationsmedium, das einem ersten Bad mit Koagulationsmedium nachgeschaltet ist, so dass das Verstrecken erst auf einer Stufe erfolgt, an dem ein Teil der ionischen Flüssigkeit bereits aus der versponnenen Mischung herausgelöst wurde. Das Verstrecken selbst kann erreicht werden, indem z.B. die Faser mit einer langsameren Geschwindigkeit, z.B. über die Rolle, in einen Verstreckungsbereich eingebracht wird und schneller aus diesem Bereich abgezogen wird. The stretching is not restricted to a relevant extent in that it can be carried out directly in the coagulation medium by making the filaments drawn off than introduced. The temperature in the coagulation medium for optimum drawing depends on various conditions which can be determined by a professional depending on the composition of the coagulation medium. In one embodiment, the drawing takes place in a bath containing a coagulation medium which is arranged downstream of a first bath containing a coagulation medium, so that the drawing only takes place at a stage at which part of the ionic liquid has already been dissolved out of the spun mixture. The drawing itself can be achieved, for example, by introducing the fiber into a drawing area at a slower speed, e.g. via the roller, and drawing it out of this area more quickly.

Nachfolgend zu dem Verstrecken können die erzeigten Fasern gewaschen und getrocknet werden. Auf diese Weise können kostenrelevante Lösungsmittel, wie insbesondere die ionischen Flüssigkeiten, aber auch gegebenenfalls eingesetzte Kohlenhydrate, wie Zucker zurückgewonnen werden. Following the drawing process, the resulting fibers can be washed and dried. This allows cost-relevant solvents, especially ionic liquids, as well as any carbohydrates used, such as sugar, to be recovered.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung Zellulosefasern, die nach dem im Vorstehenden beschriebenen Verfahren hergestellt wurden oder herstellbar sind. Solche Zellulosefasern oder Zellulosefasern wie sie vorstehend angegeben sind, lassen sich vielfältigen Verwendungszwecken zuführen, beispielsweise einer Verwendung in textilen Materialien, wie Fäden, Garnen, Zwirnen und dergleichen, sowie textilen Flächengebilden, insbesondere Geweben, Gewirken, Gestricken, Gelegen, Vliesstoffen und Watten. Diese Textilien und insbesondere die Fasern bzw. Garne können vorteilhafte als Verstärkungsmaterialien in faserbasierten Verbundwerkstoffen eingesetzt werden. In a further aspect, the present invention relates to cellulose fibers that were produced or can be produced by the process described above. Such cellulose fibers, or cellulose fibers as specified above, can be used for a variety of purposes, for example in textile materials such as threads, yarns, twisted yarns, and the like, as well as textile fabrics, in particular wovens, knitted fabrics, scrims, nonwovens, and batting. These textiles, and in particular the fibers or yarns, can be advantageously used as reinforcing materials in fiber-based composites.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von profilierten Zellulosefasern, insbesondere profilierten Zellulosefasern wie sie im Vorstehenden angegeben wurden, wobei die Vorrichtung einen Vorrichtungsteil zum Durchleiten einer Spinnlösung durch einen beheizbaren Düsenkopf mit mindestens einer profilierten Austrittsöffnung, ein diesem Vorrichtungsteil nachgeschaltetes Koagulationsbad, einen zwischen dem Koagulationsbad und der Austrittsöffnung angeordneten Luftspalt und eine Fördereinrichtung zur Verstreckung der über die profilierten Austrittsöffnung generierten Zellulosefasern beinhaltet, wobei die profilierte Austrittsöffnung ein Aspektverhältnis der größten zur kleinsten Querschnittsdicke der Austrittsöffnung im Bereich von 1,5 bis 15 aufweist. A further aspect of the present invention relates to a device for producing profiled cellulose fibers, in particular profiled cellulose fibers as specified above, wherein the device comprises a device part for passing a spinning solution through a heatable nozzle head with at least one profiled outlet opening, a coagulation bath arranged downstream of this device part, an air gap arranged between the coagulation bath and the outlet opening and a conveyor device for drawing the cellulose fibers generated via the profiled outlet opening, wherein the profiled outlet opening Aspect ratio of the largest to the smallest cross-sectional thickness of the exit opening in the range of 1.5 to 15.

Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung von Zellulosefasern, wie sie im vorstehenden angegeben wurden, zur Herstellung eines Garns, Gewebes oder Vliesstoffs, wobei ein Gewebe durch Stricken, Weben, Wirken, Sticken, Flechten hergestellt wird, und der Vliesstoff bevorzugt als kardierter Vliesstoff, insbesondere als Nadelvlies oder Spunlacedvlies, thermobondiertes Vlies oder als Vliesnähwirkstoff ausgebildet ist. Alternativ können die Zellulosefasern mittels eines Papier-, Wetlaid- oder Airlaidverfahrens verarbeitet werden, oder durch kombinierte Verfahren wie kombinierte Carded - Wetlaid oder Carded-Airlaid-Technologien. Yet another aspect of the present invention relates to the use of cellulose fibers as specified above for producing a yarn, woven fabric, or nonwoven fabric, wherein a woven fabric is produced by knitting, weaving, warp knitting, embroidery, or braiding, and the nonwoven fabric is preferably formed as a carded nonwoven fabric, in particular as a needle-punched or spunlaced nonwoven, a thermobonded nonwoven, or as a nonwoven stitchbonded fabric. Alternatively, the cellulose fibers can be processed using a paper, wetlaid, or airlaid process, or by combined processes such as combined carded-wetlaid or carded-airlaid technologies.

Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung von Zellulosefasern, wie sie im Vorstehenden angegeben wurden, zur Herstellung eines Compounds, bei dem die Zellulosefasern in eine Matrix aus thermoplastischen oder härtbaren Polymeren eingebaut werden. Bei hierzu geeigneten thermoplastischen Polymeren kann es sich insbesondere um gesättigte Harze auf Polyesterbasis, wie Polymilchsäureharz; Olefinharze wie Harze auf Polyethylenbasis und Harze auf Polypropylenbasis; auf Zellulose basierende Harze wie triacetylierte Zellulose und diacetylierte Zellulose; Nylonharze, Vinylchloridharze, Styrolharze, (Meth)acrylharze, Vinyletherharze, Polyvinylalkoholharze, Harze auf Polyamidbasis, Harze auf Polycarbonatbasis, Harze auf Polysulfonatbasis und dergleichen handeln. Diese thermoplastischen Harze können allein verwendet werden oder können als gemischte Harze von zwei oder mehr Arten verwendet werden. Härtbare Polymere, die verwendet werden können, sind beispielsweise Photohärtbare Harze oder duroplastische Harze, wie Poxyharze, Phenolharze, Harnstoffharze, Melaminharze, ungesättigte Polyesterharze, Diallylphthalatharze, Polyurethanharze, siliziumhaltige Harze, Polyimidharze, elastomere Harze, und dergleichen. Duroplastische Harze können ebenfalls als ein Harz allein oder als Kombination von zwei oder mehreren Arten der genannten Harze verwendet werden. Yet another aspect of the present invention relates to the use of cellulose fibers as specified above for producing a compound in which the cellulose fibers are incorporated into a matrix of thermoplastic or curable polymers. Suitable thermoplastic polymers for this purpose may include, in particular, saturated polyester-based resins such as polylactic acid resins; olefin resins such as polyethylene-based resins and polypropylene-based resins; cellulose-based resins such as triacetylated cellulose and diacetylated cellulose; nylon resins, vinyl chloride resins, styrene resins, (meth)acrylic resins, vinyl ether resins, polyvinyl alcohol resins, polyamide-based resins, polycarbonate-based resins, polysulfonate-based resins, and the like. These thermoplastic resins may be used alone or may be used as mixed resins of two or more types. Curable polymers that can be used include photocurable resins or thermosetting resins, such as epoxy resins, phenolic resins, urea resins, melamine resins, unsaturated polyester resins, diallyl phthalate resins, polyurethane resins, silicon-containing resins, polyimide resins, elastomeric resins, and the like. Thermosetting resins can also be used as a single resin or as a combination of two or more types of the aforementioned resins.

Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung von Zellulosefasern, wie vorstehend beschrieben, als Verstärkungsmaterial in Baustoffen. Zur weitergehenden Erläuterung der Erfindung dienen die folgenden Beispiele: Yet another aspect of the present invention relates to the use of cellulose fibers as described above as reinforcing material in building materials. The following examples serve to further explain the invention:

Zellstoff mit einem gewichtsmittleren Molekulargewicht von etwa 600.000 g/mol wurde mit Elektronenstrahlen und einer Strahlendosis von 80 kGy bestrahlt um Zellulose mit einem gewichtsmittleren Molekulargewicht von etwa 300.000 g/mol zu erhalten. Das Verhältnis Mw/Mn der so hergestellten Zellulose betrug 8,8. Pulp with a weight-average molecular weight of approximately 600,000 g/mol was irradiated with electron beams at a radiation dose of 80 kGy to obtain cellulose with a weight-average molecular weight of approximately 300,000 g/mol. The Mw/Mn ratio of the resulting cellulose was 8.8.

Aus dieser Zellulose wurde durch Mischung mit l-Ethyl-2-methyl-imidazolium- oktanoat mit Hilfe eines Dünnschichtverdampfers der Firma VTA bei 110°C eine Spinnlösung bzw. -masse mit einer Zellulosekonzentration von 12 Gew.-% hergestellt. From this cellulose, a spinning solution or mass with a cellulose concentration of 12 wt.% was prepared by mixing it with l-ethyl-2-methyl-imidazolium octanoate using a thin-film evaporator from VTA at 110°C.

Mit dieser Spinnmasse wurden zunächst Frequenz-Sweep Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen mit einem Platte-Platte Rheometer (Anton Paar MCR 301Rheometer) durchgeführt, um die optimale Spinntemperatur zu bestimmen. Der Frequenzbereich reichte dabei von 100 bis 1 rads bei einer gleichbleibenden Deformation von 3%; die Temperatur wurde im Bereich von 110°C bis 20°C in 10K Schritten variiert. Die so erhaltenen 10 Messungen wurden mathematisch zu einer Masterkurve zusammengefasst. Für jede Temperatur wurden mit Hilfe des Carreau-Yasuda-Models die Nullscherviskosität und der Crossover bestimmt (sh. Tabelle 1) Frequency sweep measurements were first performed on this spinning dope at different temperatures using a plate-on-plate rheometer (Anton Paar MCR 301 Rheometer) to determine the optimal spinning temperature. The frequency range was from 100 to 1 rads at a constant strain of 3%; the temperature was varied in 10°C increments from 110°C to 20°C. The 10 measurements obtained were mathematically combined into a master curve. For each temperature, the zero-shear viscosity and crossover were determined using the Carreau-Yasuda model (see Table 1).

Die hierbei bestimmten Werte sind Tabelle angegeben. Ein Crossover im Bereich von 10 - 50 rad s stellt für die Herstellung von profilierten Zellulosefasern ideale Spinnbedingungen dar. Die dazugehörigen Nullscherviskositäten lagen zwischen 1000 und 5000 Pa-s. The values determined are shown in the table. A crossover in the range of 10–50 rad s represents ideal spinning conditions for the production of profiled cellulose fibers. The corresponding zero-shear viscosities were between 1000 and 5000 Pa-s.

Tabelle 1: Nullscherviskositäten und Crossover bei verschiedenen Temperaturen von der Spinnmasse Table 1: Zero shear viscosities and crossover at different temperatures of the spinning mass

Zellulose Temperatur Nullscherviskosität r)o a Cross over cos Cellulose Temperature Zero shear viscosity r) o a Cross over co s

[°C] [Pa ’s] [rad/s] [°C] [Pa ’s] [rad/s]

110 161 366 110 161 366

100 244 225 100 244 225

90 390 135 90 390 135

80 662 76,2 70 1186 40,7 80 662 76.2 70 1186 40.7

60 2272 20,2 60 2272 20.2

50 4727 9,2 50 4727 9.2

40 10747 3,8 40 10747 3.8

Die so hergestellten Spinnlösungen wurden in einem Extruder über verschiedene Profildüsen mit Kreuzprofil verarbeitet. Diese Düsen wiesen unterschiedliche Schenkellängen sowie -breiten auf (sh. folgende Tabelle 2). Der Luftspalt zum Koagulationsmedium wurde auf einen Abstand von 10 mm eingestellt. Anschließend wurden die erzeugten Fasern bei 65°C verstreckt. Die verschiedenen Verarbeitungsparameter sind in der folgenden Tabelle 2 wiedergegeben: The resulting spinning solutions were processed in an extruder through various cross-profile nozzles. These nozzles had different leg lengths and widths (see Table 2 below). The air gap to the coagulation medium was set at 10 mm. The resulting fibers were then drawn at 65°C. The various processing parameters are shown in Table 2 below:

Tabelle 2: Vergleich der Verstreckbarkeit in Abhängigkeit des Kreuzprofils Table 2: Comparison of stretchability depending on the cross profile

Schenkelbreite Schenkellänge Kapillare max. Verstreckung @ 65°C; VAustritt = 2,4 [pm] [pm] [pm] m/min [%]Leg width Leg length Capillary max. stretch @ 65°C; Vout = 2.4 [pm] [pm] [pm] m/min [%]

Düse 1 70 100 400 990 Nozzle 1 70 100 400 990

Düse 2 70 250 400 700 Nozzle 2 70 250 400 700

Düse 3 90 130 508 850 Nozzle 3 90 130 508 850

Die maximale Verstreckbarkeit ließ sich durch Veränderung der Spinntemperatur beeinflussen. Durch Modulation der Spinntemperatur von mittels der Düse 2 hergestellten Fasern konnten maximale Verstreckungen im Bereich von 350 % (bei 55°C), 700% (bei 65°C) und 1250% (bei 70°C) erreicht werden. The maximum drawability could be influenced by varying the spinning temperature. By modulating the spinning temperature of fibers produced using nozzle 2, maximum draws in the range of 350% (at 55°C), 700% (at 65°C), and 1250% (at 70°C) could be achieved.

Beim Vergleich der textilmechanischen Eigenschaften von Fasermaterialien, welches unter identischen Bedingungen mit den verschiedenen Düsen hergestellt wurde, zeigten sich annähernd identische Höchstzugkräfte (sh. Figur 1). Für die Module (0,2-0, 4%) konnten jedoch deutliche Unterschiede beobachtet werden, wobei mit der Düse 2 (70pm, lange Schenkel) hergestellte Fasern einen höherenWhen comparing the textile mechanical properties of fiber materials produced under identical conditions with the different nozzles, almost identical maximum tensile forces were observed (see Figure 1). However, significant differences were observed for the modules (0.2-0.4%), with fibers produced with nozzle 2 (70 pm, long legs) showing a higher

Modul (0,2-0, 4%) aufwiesen (sh Figur 2). module (0.2-0.4%) (see Figure 2).

Die für die unterschiedlichen hergestellten Fasern ermittelten textilmechanischen Eigenschaften (mit Standardabweichung) sind in den folgenden Tabellen 3 bis 5 angegeben: Tabelle 3: Textilmechanische Eigenschaften Verstreckreihe an Düse 1 (70pm, kurze Schenkel). The textile mechanical properties (with standard deviation) determined for the different fibers produced are given in the following Tables 3 to 5: Table 3: Textile mechanical properties drawing row at nozzle 1 (70pm, short legs).

Bezeichnung Faser 1 Faser 2 Faser 3 Faser 4Designation Fiber 1 Fiber 2 Fiber 3 Fiber 4

Düse [n]

Figure imgf000020_0001
1 1 1 1nozzle [n]
Figure imgf000020_0001
1 1 1 1

Temp. [°C] 65 65 65 65Temp. [°C] 65 65 65 65

Verstreckung [%] 600 750 890 990Stretching [%] 600 750 890 990

Dehnung [%] 4,9±0,6 4,2±0,7 4,3±0,5 3,8±0,4Elongation [%] 4.9±0.6 4.2±0.7 4.3±0.5 3.8±0.4

Hz. Kraft [cN/tex] 27,3±1,6 27,0±2,3 28,8±1,4 29,5±1,7Hz. Force [cN/tex] 27.3±1.6 27.0±2.3 28.8±1.4 29.5±1.7

Feinheit [dtex] 6,90±0,57 6,030,43 5,15±0,42 4,67±0,3Fineness [dtex] 6.90±0.57 6.030.43 5.15±0.42 4.67±0.3

Mod. (0,2-0, 4%) [cN/tex] 1749±95 1652±76 1750±69 1768±89 Tabelle 4: Textilmechanische Eigenschaften Verstreckreihe an Düse 2. Mod. (0.2-0, 4%) [cN/tex] 1749±95 1652±76 1750±69 1768±89 Table 4: Textile mechanical properties of the drawing row at nozzle 2.

Bezeichnung Faser 5 Faser 6 Faser 7 Faser 8 Faser 9Designation Fiber 5 Fiber 6 Fiber 7 Fiber 8 Fiber 9

Düse [n] 2 2 2 2 2Nozzle [n] 2 2 2 2 2

Temp. [°C] 65 65 75 75 75Temp. [°C] 65 65 75 75 75

Verstreckung [%] 300 600 600 930 1200

Figure imgf000021_0001
Stretching [%] 300 600 600 930 1200
Figure imgf000021_0001

Dehnung [%] 6,8±l,0 4,0±0,7 5,8±0,8 4,l±0,3 3,8±0,4Elongation [%] 6.8±l.0 4.0±0.7 5.8±0.8 4.l±0.3 3.8±0.4

Hz. Kraft [cN/tex] 28,l±2,0 29,0±3,4 24,9±2,3 26,9±1,5 29,5±1,7Hz. Force [cN/tex] 28.l±2.0 29.0±3.4 24.9±2.3 26.9±1.5 29.5±1.7

Feinheit [dtex] 24,49± 12,74± 13,88± 10,23± 7,71± Fineness [dtex] 24.49± 12.74± 13.88± 10.23± 7.71±

1,00 1,53 1,10 0,73 0,631.00 1.53 1.10 0.73 0.63

Mod. (0,2- [cN/tex] 1992± 2120± 1567± 1777± 1846±Mod. (0.2- [cN/tex] 1992± 2120± 1567± 1777± 1846±

0,4%) 87 208 126 84 62 Tabelle 5: Textilmechanische Eigenschaften Verstreckreihe an Düse 3. 0.4%) 87 208 126 84 62 Table 5: Textile mechanical properties, drawing row at nozzle 3.

Bezeichnung Faser 10 Faser 11 Designation Fiber 10 Fiber 11

Düse [n] 3 3 Nozzle [n] 3 3

Temp. [°C] 65 65 Temp. [°C] 65 65

Verstreckung [%] 600 750

Figure imgf000021_0002
Stretching [%] 600 750
Figure imgf000021_0002

Dehnung [%] 5,5±0,5 4,3±0,6 Elongation [%] 5.5±0.5 4.3±0.6

Hz. Kraft [cN/tex] 26,8±1,1 26,5±1,2 Hz. Force [cN/tex] 26.8±1.1 26.5±1.2

Feinheit [dtex] 10,84±0,47 9,23±0,54 Fineness [dtex] 10.84±0.47 9.23±0.54

Mod. (0,2-0, 4%) [cN/tex] 1747±50 1813±96 Mod. (0.2-0, 4%) [cN/tex] 1747±50 1813±96

Für alle hergestellten Zellulosefasern ließ sich die Kreuzform der Fasern eindeutig erkennen. In den mit Düse 1 oder Düse 3 hergestellten Fasern war diese allerdings weniger stark ausgeprägt als bei der Düse 2 mit längeren Schenkeln. Es wurde beobachtet, dass die Ausprägung der Arme bei höherer Verstreckung größer zu sein scheint. Mit zunehmender Spinntemperatur nimmt die Ausprägung der Arme unter sonst identischen Spinnbedingungen hingegen ab. Exemplarisch ist die Profilform für mit der Düse 2 bei 65°C versponnen und auf 600% verstreckte Fasern in Figur 3 dargestellt. The cross-shaped fibers were clearly visible in all cellulose fibers produced. However, this was less pronounced in the fibers produced with nozzle 1 or nozzle 3 than in the longer-armed fibers produced with nozzle 2. It was observed that the shape of the arms appears to be greater at higher draw rates. However, with increasing spinning temperature, the shape of the arms decreases under otherwise identical spinning conditions. The profile shape for fibers spun with nozzle 2 at 65°C and drawn to 600% is shown in Figure 3.

Für die hergestellten Fasern wurde jeweils das Wasserrückhaltevermögen gemäß DIN 53814 bestimmt. Die Ergebnisse dieser Bestimmungen sind in der folgenden Tabelle 6 wiedergegeben. The water retention capacity of each of the fibers produced was determined according to DIN 53814. The results of these determinations are shown in Table 6 below.

Tabelle 6: Übersicht Wasserrückhaltevermögen Table 6: Overview of water retention capacity

Versuch Düse Temperatur Verstreckung Feinheit WRVTest Nozzle Temperature Stretching Fineness WRV

[°C] [%] [dtex] [%][°C] [%] [dtex] [%]

Faser 1 1 65 600 6,9 58Fiber 1 1 65 600 6.9 58

Faser 2 1 65 750 6 64Fiber 2 1 65 750 6 64

Faser 3 1 65 890 5,2 52Fiber 3 1 65 890 5.2 52

Faser 4 1 65 990 4,7 61Fiber 4 1 65 990 4.7 61

Faser 5 2 65 300 24,5 60Fiber 5 2 65 300 24.5 60

Faser 6 2 65 600 12,7 60Fiber 6 2 65 600 12.7 60

Faser 7 2 75 600 13,9 68Fiber 7 2 75 600 13.9 68

Faser 8 2 75 930 10,2 60Fiber 8 2 75 930 10.2 60

Faser 9 2 75 1200 7,7 55Fiber 9 2 75 1200 7.7 55

Faser 10 3 65 600 10,8 52Fiber 10 3 65 600 10.8 52

Faser 11 3 65 750 9,2 56 Fiber 11 3 65 750 9.2 56

Aus Tabelle 6 ist zu entnehmen, dass das Wasserrückhaltevermögen aller hergestellten Fasern unabhängig von Faserquerschnitt, Faserüberflächen bzw. Faserdurchmesser in einem vergleichbaren Bereich liegt. Im Vergleich dazu liegt das Wasserrückhaltevermögen von Lyocellfasern bei etwa 60-70% und das von hydrophiler Baumwollfasern bei etwa 40-60%. Die Übersicht in Tabelle 6 zeigt damit, dass abhängig von der Verstreckung und Düsengeometrie ein mit solchen Fasern vergleichbares Wasserrückhaltevermögen eingestellt werden kann. Allerdings liegt der E-Modul von kommerziellen Lyocellfasern nur bei etwa 700 cN/tex; durch spezielles Verspinnen werden E-Module bis 1800 cN/tex erreicht. Baumwollfasern weisen einen E-Modul im Bereich von 300-600 cN/tex auf. Table 6 shows that the water retention capacity of all manufactured fibers is within a comparable range, regardless of fiber cross-section, fiber surface area, or fiber diameter. In comparison, the water retention capacity of lyocell fibers is approximately 60-70%, and that of hydrophilic cotton fibers is approximately 40-60%. The overview in Table 6 thus shows that, depending on the drawing and nozzle geometry, a water retention capacity comparable to that of such fibers can be achieved. However, the elastic modulus of commercial lyocell fibers is only approximately 700 cN/tex; through special spinning, elastic moduli of up to 1800 cN/tex can be achieved. Cotton fibers have an elastic modulus in the range of 300-600 cN/tex.

Claims

Ansprüche Claims 1. Profilierte Zellulosefaser mit einem Aspektverhältnis der größten zur kleinsten Querschnittsdicke der Zellulosefaser von mindestens 1,25, einer Feinheit von höchstens 50 dtex und einer Höchstzugkraft (trocken) von mindestens 22 cN/tex. 1. Profiled cellulose fibre with an aspect ratio of the largest to the smallest cross-sectional thickness of the cellulose fibre of at least 1.25, a fineness of at most 50 dtex and a maximum tensile strength (dry) of at least 22 cN/tex. 2. Profilierte Zellulosefaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellulosefaser eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist: 2. Profiled cellulose fiber according to claim 1, characterized in that the cellulose fiber has one or more of the following properties: - eine Höchstzugkraft (trocken) im Bereich von 25 bis 50 cN/tex, bevorzugt 25 bis 35 cN/tex, 25 bis 30 cN/tex; - a maximum tensile strength (dry) in the range of 25 to 50 cN/tex, preferably 25 to 35 cN/tex, 25 to 30 cN/tex; - eine Höchstzugkraft (nass) im Bereich von 10 bis 30 cN/tex, bevorzugt 15 bis 25 cN/tex, und weiter bevorzugt 10 bis 22 cN/tex; - a maximum tensile strength (wet) in the range of 10 to 30 cN/tex, preferably 15 to 25 cN/tex, and more preferably 10 to 22 cN/tex; - eine Dehnung von 3% bis 18%, bevorzugt 5% bis 10 % und noch weiter bevorzugt 5% bis 8%; - an elongation of 3% to 18%, preferably 5% to 10% and even more preferably 5% to 8%; - einen Modul für eine Dehnung im Bereich von 0,2 bis 0,4 % im Bereich von 500 bis 2500 cN/tex, bevorzugt 800 bis 2000 cN/tex und weiter bevorzugt 800 bis 1600 cN/tex. - a modulus for elongation in the range of 0.2 to 0.4% in the range of 500 to 2500 cN/tex, preferably 800 to 2000 cN/tex and more preferably 800 to 1600 cN/tex. 3. Profilierte Zellulosefaser gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellulosefaser ein Aspektverhältnis im Bereich von 1,3 bis 5 und bevorzugt 1,5 bis 4,0 aufweist. 3. Profiled cellulose fiber according to claim 1 or 2, characterized in that the cellulose fiber has an aspect ratio in the range of 1.3 to 5 and preferably 1.5 to 4.0. 4. Profilierte Zellulosefaser gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellulosefaser eine Feinheit im Bereich von 2 bis 20 dtex, und bevorzugt 3 bis 9 dtex und/oder einen größten Faserdurchmesser im Bereich von 11 bis 150 pm, und bevorzugt 12 bis 70 pm aufweist. 4. Profiled cellulose fiber according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the cellulose fiber has a fineness in the range of 2 to 20 dtex, and preferably 3 to 9 dtex and/or a largest fiber diameter in the range of 11 to 150 pm, and preferably 12 to 70 pm. 5. Profilierte Zellulosefaser gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser als Endlosfaser (Filament) ausgebildet ist, und bevorzugt aufgewickelt vorliegt, oder in Form von Stapeln vorliegt, bevorzugt mit einer Länge von 3 bis 150 mm, weiter bevorzugt 15 bis 120 mmm und noch weiter bevorzugt 30 bis 80 mm. 5. Profiled cellulose fiber according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the fiber is designed as a continuous fiber (filament) and is preferably wound up or in the form of stacks, preferably with a length of 3 to 150 mm, more preferably 15 to 120 mm and even more preferably 30 to 80 mm. 6. Profilierte Zellulosefaser gemäß mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellulosefaser ein Wasserrückhaltevermögen gemäß DIN 53814: 1974 im Bereich von 45 bis 120 % und bevorzugt 60 bis 90% aufweist. 6. Profiled cellulose fiber according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cellulose fiber has a water retention capacity according to DIN 53814: 1974 in the range of 45 to 120% and preferably 60 to 90%. 7. Profilierte Zellulosefaser gemäß mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellulosefaser ein bandförmiges, trilobales, tetralobales, oder höherlobales Profil aufweist.7. Profiled cellulose fiber according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cellulose fiber has a ribbon-shaped, trilobal, tetralobal, or higher lobal profile. 8. Verfahren zur Herstellung einer profilierten Zellulosefaser, bevorzugt einer Zellulosefaser gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren die Schritte (i) Herstellen einer Spinnmasse aus Zellulose und einer ionischen Flüssigkeit; (ii) Verspinnen der Spinnmasse durch eine profilierte Düse, bevorzugt über einen Luftspalt, bei einer Temperatur, bei der der Crossover in einem Bereich von 5 bis 55 rad/s liegt; (iii) Einbringen von extrudierten Fasern in ein Koagulationsbad und (iv) Verstrecken der erzeugten Fasern mit einer maximalen Verstreckung von mindestens 100% umfasst. 8. A process for producing a profiled cellulose fiber, preferably a cellulose fiber according to at least one of claims 1 to 6, wherein the process comprises the steps of (i) producing a spinning dope from cellulose and an ionic liquid; (ii) spinning the spinning dope through a profiled nozzle, preferably via an air gap, at a temperature at which the crossover is in a range of 5 to 55 rad/s; (iii) introducing extruded fibers into a coagulation bath; and (iv) drawing the fibers produced with a maximum draw of at least 100%. 9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in Schritt (ii) so eingestellt wird, dass der Crossover im Bereich von 8 bis 50 rad/s, bevorzugt 10 bis 40 rad/s, und weiter bevorzugt 13 bis 35 rad/s liegt. 9. The method according to claim 8, characterized in that the temperature in step (ii) is adjusted so that the crossover is in the range of 8 to 50 rad/s, preferably 10 to 40 rad/s, and more preferably 13 to 35 rad/s. 10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Verstreckung in Schritt (iv) im Bereich von 100 bis 1600 % und bevorzugt 300 bis 1000% eingestellt wird. 10. The process according to claim 8 or 9, characterized in that the maximum stretching in step (iv) is set in the range from 100 to 1600% and preferably from 300 to 1000%. 11. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in Schritt (ii) im Bereich von 50 bis 85°C bevorzugt 55 bis 75°C eingestellt wird und/oder der Luftspalt in Schritt (ii) eine Länge im Bereich von 5 bis 25 mm und bevorzugt 8 bis 15 mm aufweist. 11. The method according to at least one of claims 8 to 10, characterized in that the temperature in step (ii) is set in the range from 50 to 85°C, preferably 55 to 75°C and/or the air gap in step (ii) has a length in the range from 5 to 25 mm and preferably 8 to 15 mm. 12. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die in das Verfahren einbezogenen Zellulose ein Molekulargewicht Mw von 100.000 bis 500.000 g/mol und bevorzugt 200.000 bis 400.000 g/mol, bestimmt jeweils mittels GPC (Gelpermeationschromatographie) unter Verwendung geeigneter Standards, aufweist. 12. The process according to at least one of claims 8 to 11, characterized in that the cellulose included in the process has a molecular weight Mw of 100,000 to 500,000 g/mol and preferably 200,000 to 400,000 g/mol, determined in each case by means of GPC (gel permeation chromatography) using appropriate standards. 13. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verspinnen in Schritt (ii) über eine Düse mit einem Aspektverhältnis von mindestens 1,5, bevorzugt im Bereich von 2 bis 13 und weiter bevorzugt im Bereich von 2 bis 8 erfolgt. 13. The process according to at least one of claims 8 to 12, characterized in that the spinning in step (ii) is carried out via a nozzle with an aspect ratio of at least 1.5, preferably in the range from 2 to 13 and more preferably in the range from 2 to 8. 14. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verspinnen in Schritt (ii) über eine Düse mit einer schlitzförmigen, trilobalen, tetralobalen, insbesondere kreuzförmigen Austrittsöffnung, oder mehreren entsprechenden Austrittöffnungen erfolgt. 14. The method according to at least one of claims 8 to 13, characterized in that the spinning in step (ii) is carried out via a nozzle with a slot-shaped, trilobal, tetralobal, in particular cross-shaped outlet opening, or several corresponding outlet openings. 15. Zellulosefaser hergestellt oder herstellbar nach einem Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 bis 14. 15. Cellulose fiber produced or producible by a process according to at least one of claims 8 to 14. 16. Vorrichtung zur Herstellung von profilierten Zellulosefasern mit einem Vorrichtungsteil zum Durchleiten einer Spinnlösung durch einen beheizbaren Düsenkopf mit mindestens einer profilierten Austrittsöffnung, einem diesem Vorrichtungsteil nachgeschalteten Koagulationsbad, einem zwischen dem Koagulationsbad und der Austrittsöffnung angeordneten Luftspalt und einer Fördereinrichtung zur Verstreckung der über die profilierten Austrittsöffnung generierten Zellulosefasern, wobei die profilierte Austrittsöffnung ein Aspektverhältnis der größten zur kleinsten Querschnittsdicke der Austrittsöffnung im Bereich von 1,5 bis 15 aufweist. 16. Apparatus for producing profiled cellulose fibers with a device part for passing a spinning solution through a heatable nozzle head with at least one profiled outlet opening, a coagulation bath downstream of this device part, an air gap arranged between the coagulation bath and the outlet opening and a conveyor device for drawing the cellulose fibers generated via the profiled outlet opening, wherein the profiled outlet opening has an aspect ratio of the largest to the smallest cross-sectional thickness of the outlet opening in the range from 1.5 to 15. 17. Verwendung von Zellulosefasern gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung eines Garns, Gewebes oder Vliesstoffs, wobei ein Gewebe durch Stricken, Weben, Wirken, Sticken, Flechten hergestellt wird, und der Vliesstoff bevorzugt als kardierter Vliesstoff, insbesondere als Nadelvlies oder Spunlacedvlies, thermobondiertes Vlies oder als Vliesnähwirkstoff ausgebildet ist. 17. Use of cellulose fibers according to at least one of claims 1 to 7 for producing a yarn, woven fabric or nonwoven fabric, wherein a woven fabric is produced by knitting, weaving, warp knitting, embroidery, braiding, and the nonwoven fabric is preferably designed as a carded nonwoven fabric, in particular as a needle-punched nonwoven or spunlaced nonwoven, thermobonded nonwoven or as a nonwoven stitch-bonded fabric. 18. Verwendung von Zellulosefasern gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 als Verstärkungsmaterial in Baustoffen oder zur Herstellung eines Compounds, bei dem die Zellulosefasern in eine Matrix aus thermo- oder duroplastischen Polymeren eingebaut werden. 18. Use of cellulose fibers according to at least one of claims 1 to 7 as reinforcing material in building materials or for producing a compound in which the cellulose fibers are incorporated into a matrix of thermoplastic or thermosetting polymers.
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