ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ВОЛОКНА НА ОСНОВЕ РАСТВОРИМОГО В АЦЕТОНЕ АЦЕТАТА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И ОПТИЧЕСКИ ИЗОТРОПНЫЙ РАСТВОР ДЛЯ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК D01F2/28 

Изобретение относится к элементарным волокнам на основе растворимого в ацетоне ацетата целлюлозы и оптически изотропному прядильному раствору для получения элементарных волокон, который содержит растворимый в ацетоне ацетат целлюлозы и в случае необходимости другие добавки.

Известны элементарные волокна, для изготовления которых используют обширную группу производных целлюлозы, в том числе ацетатов целлюлозы, переведенных в анизотропный прядильный раствор. Степень замещения (ЦЗ) ацетата целлюлозы должна лежать в интервале 1,89-2,45. В качестве подходящих растворителей для этого предпочтительны галогенированные и фенольные соединения. Для других производных целлюлозы среды большого числа растворителей указан и ацетон. Производные целлюлозы должны присутствовать в прядильном растворе в количестве, по крайней мере, 15 об. для выполнения требования по оптической анизотропии.

Производные целлюлозы со средней степенью полимеризации (СП), по крайней мере, 100 ангидроглюкозных единиц, должны иметь достаточно высокий молекулярный вес, чтобы быть пригодными для получения элементарных волокон. Точные данные относительно степени полимеризации ацетата целлюлозы со степенью замещения 1,89-2,45 [1]
Наиболее близким изобретению является оптически изотропный раствор ацетата целлюлозы в ацетоне. Среднее число ацетильных групп на ангидроглюкозную единицу равно 2,5.

Для получения волокон материала сигаретных фильтров для 2,5-ацетата целлюлозы требуется степень полимеризации (СП) 300. Получение при этом элементарные волокна имеют следующие физические свойства: предел прочности при растяжении, сн/деньетекс 1,0-1,5; удлинение, 25-30; плотность, г/см³ 1,33; температура плавления, ^oC 225-250 [2]
При применении ацетона как растворителя для прядильного раствора целлюлоза 2,5-ацетата прядильный раствор обнаруживает низкую концентрацию 2,5-ацетата целлюлозы примерно 20-30 У указанного вещества с этой степенью полимеризации его концентрация в ацетоне не может быть поднята выше для получения прядильного раствора, так как с этим неизбежно связано такое сильное возрастание вязкости прядильного раствора, что из него нельзя будет больше выпрядать с помощью обычных прядильных устройств (например, при 40-50). Значительная концентрация давала бы то преимущество, что содержание ацетона в прядильном растворе могло быть существенно уменьшено с последующей значительной экономии энергии при рецикуляции и рекуперации ацетона.

В основе изобретения лежит задача разработать элементарные волокна на основе растворимого в ацетоне ацетата целлюлозы, и также особенно пригодный для их получения прядильный раствор, при которых преодолеваются вышеописанные недостатки уровня техники, особенно неудовлетворительная экономика, без ухудшения свойств элементарных волокон, особенно предела прочности при растяжении, как удлинения, 3по сравнению с известными результатами.

Вышеупомянутая задача решается посредством элементарных волокон на основе растворимого в ацетоне ацетата целлюлозы, который отличается тем, что степень полимеризации (СП) ацетата целлюлозы лежит между примерно 110 и 210. Особенно предпочтительна область степени полимеризации между примерно 150 и 180 и, в частности, между примерно 160 и 180.

Чтобы упомянутый ацетат целлюлозы растворялся в ацетоне, его степень замещения Э (СЗ) должна регулироваться преимущественно между примерно 2,2 и 2,7. Особенно предпочтительно, когда степень замещения (СЗ) лежит примерно между 2,4 и 2,6 и наиболее предпочтительно значение между примерно 2,4 и 2,5.

Когда ниже говорится о 2,5-ацетате целлюлозы, в таком случае это понятие принимается абстрактно. Это означает, что степень замещения 2,5 может гораздо больше или меньш8е выйти за эти пределы, причем обязательно должно выдерживаться требование, чтобы такого типа 2,5-ацетат целлюлозы растворялся при комнатной температуре (примерно 20^oC) в ацетоне. В любом случае число 2,5 в химическом названии 2,5-ацетат целлюлозы должно прежде всего включать предпочтительную степень замещения указанных ацетатов целлюлозы.

Титр элементарных волокон, согласно изобретению, не является критическим. Он лежит преимущественно между 1 и 14 деньетекс, особенно между примерно 1,5 и 9 деньетекс. Речь идет об обозначении тонкости элементарных волокон, то есть показания веса на длину, единицей которой является деньетекс.

Параметры элементарных волокон, согласно изобретению, преимущественно устанавливаются таким образом, чтобы их предел прочности при растяжении лежат между примерно 0,9 и 1,2 сн/деньетекс, особенно между примерно 1,0 и 1,2 сн/деньетекс, а также удлинение между примерно 10 и 30 особенно между примерно 15 и 25 Тем самым они удовлетворяют требованиям, которые устанавливаются для известных элементарных волокон этого вида, чтобы сделать их пригодными для последующих указанных областей применения.

Растворимые в ацетоне 2,5-ацетаты целлюлозы, согласно изобретению, пригодны для перевода в оптически изотропный прядильный раствор с целью изготовления элементарных волокон, который содержит этот растворенный а ацетоне 2,5-ацетат целлюлозы, а также в случае необходимости другие добавки. Согласно изобретению, этот оптически изотропный прядильный раствор отличается тем, что концентрация 2,5-ацетата целлюлозы в прядильном растворе составляет примерно от 35 до 47 мас. и степень полимеризации (СП) 2,5-ацетата целлюлозы лежит между примерно 110 и 210. При этом предпочтительно, чтобы 2,5-ацетат целлюлозы имел степень полимеризации и степень замещения, уже названные выше в связи описанием элементарных волокон.

Принимая во внимание оптимальную концентрацию 2,5-ацетата цнллюлозы в оптически прядильном растворе, согласно изобретению, особое преимущество имеет место, когда его концентрация (с) в прядильном растворе составляет самое большее на 8 массовых и особенно самое большее на 6 мас. ниже критической концентрации (с^*), измеренной при комнатной температуре (примерно 20^oC). Если эта критическая концентрация 2,5-ацетата целлюлозы выходит на более высокую концентрацию прядильного раствора (c > c^*) без воздействия внешних сил, таких как силы сдвига, то прядильный раствор переходит из изотропного состояния в анизотропное.

Для дальнейшего улучшения свойств оптически изотропного прядильного раствора, согласно изобретению, к нему прибавляются разные добавки, такие как пигменты и вода. Преимущественно оптически изотропный прядильный раствор, согласно изобретению, содержит примерно до 6 мас. и особенно примерно до 2-4 мас. воды. С прибавлением воды связано то преимущество, что вязкость прядильного раствора снижается с последующим улучшением прядимости.

Если оптически изотропный прядильный раствор, согласно изобретению, используется для изготовления элементарных волокон, которые применяются в фильтровальном материале (сигарет) с целью получения сигаретных фильтров, то прядильный раствор содержит преимущество токодисперсный пигмент, особенно белый пигмент, например преимущественно диоксид титана. При этом целесообразны размеры частиц в интервале примерно 0,3-0,5 мкм. Количество тонкодисперсного пигмента в прядильном растворе составляет преимущественно примерно 0,4-0,8 мас. в расчете на долю прядильного раствора относительно целлюлоза-2,5-ацетата. Наиболее предпочтительна область примерно 0,4-0,6 мас%
Достигаемые с помощью изобретения преимущества могут быть описаны следующим образом. На прядильном производстве может быть получен и выпряден оптически изотропный ацетоновый прядильный раствор с существенно высоким содержанием 2,5-ацетата целлюлозы, особенно согласно обычному сухому прядению. При изготовлении, например, материал фильтров (сигарет) благодаря высокой концентрации прядильного раствора должно быть использовано на единицу веса произведенного материала фильтра значительно меньше ацетона, чем до сих пор. Этот способ позволяет заметно уменьшить связанную с рекуперацией стоимость, например, равного производства фильтровального материала. Благодаря этому на прядильном производстве может быть получен и переработан, согласно изобретению, прядильный раствор той же вязкости, но значительно более высокой концентрации, чем до сих пор.

Обсужденные выше преимущества вследствие этого достигаются с помощью оптически изотропного ацетонового прядильного раствора с повышенной концентрации ей 2,5-ацетата целлюлозы. Анизотропия или изотропия может быть установлена по внешнему виду. Анизотропная фаза выглядит мутной и/или "перламутровой", в то время как изотропная фаза всегда прозрачна. Соответствующее изотропное или анизотропное состояние прядильного раствора может быть та4же определенно микроскопически с помощью скрещенных николей. Когда, например, проба анизотропного прядильного раствора наблюдается между предметным и покровным стеклом микроскопа после прижима покровного стекла между скрещенными николями, по крайней мере часть раствора светопроницаемая. При этом играет роль и температура; если температура анизотропного раствора ацетата целлюлозы поднимается от первоначальном комнатной температуры, анизотропная фаза может затем постепенно переходить в изотропную фазу. Если температура повышается дальше, весь прядильный раствор превращается в изотропную систему. Температурные области, при которых имеют место эти переходы, изменяются в зависимости от вида производного целлюлозы, его концентрации в прядильном растворе и его степени замещения.

Возможности применения полученных, согласно изобретению, элементарных волокон по сравнению с известными элементарными волокнами этого вида не ограничены. Так, они могут применяться для изготовления фильтровального материала (до связанного в ленту пучка элементарных волокон) табачных, особенно сигаретных, фильтров, а также, например, для получения текстильных нитей для подкладочных материалов или меланжевых тканей с хлопком.

Технологически изобретение можно было бы "объяснить следующим образом. Отправной точкой является изотропный ацетоновый раствор 2,5-ацетата целлюлоза указанного типа, концентрация которого может достигать величины критической концентрации (с^*), с которой образуется анизотропная фаза. Если подобный изотропный раствор ввести в каналы прядильных фильер (капилляры), то возникающие в канале прядильной фильеры силы сдвига способствуют тому, что регулируется преимущественно ориентация и тем самым анизотропия. В области капилляра изотропная фаза не отличается от подлинно анизотропной фазы. По этой причине в обоих случаях получают примерно одинаковые прочности волокон. Когда прядильный раствор покидает канал прядильной фильеры могут конкурировать два процесса: с одной стороны, релаксация ориентированных полимерных цепей и, с другой стороны, испарение ацетона. Благодаря высокой концентрации, которая лежит только немного ниже прежде уже упомянутой критической концентрации (с^*), время релаксации ориентированных полимерных цепей больше времени, в течение которого в результате испарения ацетона достигается критическая концентрация (с^*). Другими словами, скорость испарения выше, чем скорость релаксации. Анизотропное состояние устанавливается, например, при концентрации 2,5-ацетата целлюлозы в ацетоновом растворе примерно 47-48 мас. если величина его СП составляет примерно 150 и величина его СЗ примерно 2,45. Это указание является только примерным. Благодаря возможности быстрого испарения ацетоновый раствор 2,5-ацетата целлюлозы должен быть переведен в такую концентрационную область, в которой система проявляет анизотропию. Может вводиться изотропный прядильный раствор и с его помощью высокоэкономичным образом могут быть получены элементарные волокна, которые до сих пор получали только с помощью анизотропных прядильных растворов.

Пример 1. Использовали прядильный раствор следующего состава мас.

Ацетат целлюлозы (СП:150; СЗ:2,45) 43,2
вода 3
Ацетон 53,8
Прядильный раствор выпрядали с помощью обычной установки для сухого прядения, имевшей фильерную плиту со 125 фильерными каналами. Фильерные каналы в профиль треугольные. Треугольник имел длину ребра 45 мкм. Температура фильеры составляла 47^oC и давление в фильтре 88 бар. Скорость прядения составляла 340 м/мин при факторе вытяжки 1,6. В находящейся ниже прядильной шахте общей длины 4 м преобладала температура 70^oC. За 1 ч отсасывалось 10 м³ смеси ацетон-воздух. Полученные элементарные волокна имели следующие физические свойства:
Титр, деньетекс 3,1
Предел прочности при растяжении, сн/деньетекс 1,0
Удлинение, 19,4
Полученные по способу этого примера 125 элементарных волокон объединяли в пучок элементарных волокон. 80 Таких пучков элементарных волокон объединяли в материал для фильтров сигарет.

Пример 2. Использовали прядильный раствор следующего состава, мас.

Ацетон целлюлозы (СП:170; СЗ:2,47) 42,1
Вода 3
Ацетон 54,9
Прядильный раствор выпрядали на той же установке для сухого прядения, согласно примеру 1, правда, фильерная плита имела 240 фильерных каналов. Фильерные каналы были в профиль треугольные. Треугольник имел длину ребра 45 мкм. Температура фильеры была отрегулирована на 52^oC, и давление в фильере составляло 80 бар. Скорость прядения составляла 310 м/мин пари факторе вытяжки 1,3. В находящейся ниже прядильной фильеры прядильной шахте общей длины 4 м температура составляла 70^oC. За 1 ч отсасывалось 10 м ³ смеси ацетон-воздух. Полученные элементарные волокна имели следующие физические свойства:
Титр, деньетекс 3,6
Предел прочности при растяжении, сн/деньетекс 1,1
Удлинение 20,5

Использование: в качестве фильтровальных материалов, сигаретных фильтров. Сущность изобретения: получают оптически изотропный раствор, содержащий 35-47% ацетата целлюлозы со степенью полимеризации 110-210 и степенью замещения 2,0-2,7 и до 6% воды в ацетоне. Концентрация ацетата целлюлозы, должна быть ниже пороговой концентрации перехода от изотропного состояния раствора в антизотропное измеренной при комнатной температуре, не более чем на 8 %. Полученные из этого раствора элементарные волокна имеют предел прочности на растяжении, CH/дтекс от 0,9 до 1,2, удлинение при растяжении, от 10 до 30 %, титр,дтекс от 1 до 14. 2 с и 10 з.п. ф-лы.

1. Элементарные волокна на основе растворимого в ацетоне ацетата целлюлозы с пределом прочности на растяжение 0,9 1,2 сн/дтекс и удлинением при растяжении 10 30% отличающиеся тем, что волокна выполнены из ацетата целлюлозы, имеющего степень полимеризации 110 210 и степень замещения 2,0 - 2,7 и имеют титр 1 14 дтекс. 2. Волокна по п.1, отличающиеся тем, что они выполнены из ацетата целлюлозы со степенью полимеризации 150 180, преимущественно 160 180. 3. Волокна по пп.1 и 2, отличающиеся тем, что они выполнены из ацетата целлюлозы со степенью замещения 2,4 2,6, преимущественно 2,4 2,5. 4. Волокна по пп.1 3, отличающиеся тем, что они содержат тонкодисперсный пигмент в количестве 0,1 0,8 мас. 5. Волокна по пп.1 4, отличающиеся тем, что имеют титр 1,5 9,0 дтекс. 6. Оптически изотропный раствор для получения элементарных волокон, включающий ацетат целлюлозы и ацетон, отличающийся тем, что он содержит ацетат целлюлозы со степенью полимеризации 110 210 и степенью замещения 2,2 2,7 в количестве 35 47 мас. причем концентрация ацетата целлюлозы ниже пороговой концентрации перехода от изотропного состояния раствора в анизотропное, измеренной при комнатной температуре не более, чем на 8 мас. предпочтительно на 6 мас. и дополнительно воду в количестве до 6 мас. 7. Раствор по п.6, отличающийся тем, что содержит ацетат целлюлозы со степенью полимеризации 150 180, преимущественно 160 180. 8. Раствор по пп.6 и 7, отличающийся тем, что содержит ацетат целлюлозы со степенью замещения 2,4 2,6, преимущественно 2,4 2,5. 9. Раствор по пп.6 8, отличающийся тем, что он содержит воду в количестве 2 4 мас. 10. Раствор по пп.6 9, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тонкодисперсный пигмент. 11. Раствор по п.10, отличающийся тем, что в качестве тонкодисперсного пигмента он содержит белый пигмент, предпочтительно двуокись титана. 12. Раствор по пп.10 и 11, отличающийся тем, что он содержит 0,4 0,8% от массы ацетата целлюлозы тонкодисперсного пигмента.