DE69404985T2

DE69404985T2 - Verfahren zur herstellung von fasern

Info

Publication number: DE69404985T2
Application number: DE69404985T
Authority: DE
Inventors: Kathryn Diana Bell; Ian Graveson; Timothy John Ollerenshaw
Original assignee: Courtaulds Fibres Holdings Ltd
Current assignee: Courtaulds Fibres Holdings Ltd
Priority date: 1993-05-11
Filing date: 1994-05-04
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2014-05-05
Also published as: ATE156873T1; HUT78029A; JPH08510017A; WO1994026962A1; CZ293895A3; GB9309617D0; PL311581A1; BR9406284A; AU6579694A; KR960702552A; AU689472B2; FI955347A; CA2162482A1; SK138495A3; MY131651A; CN1122617A; EP0698134B1; US5690874A; FI955347A0; EP0698134A1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Bereich der Erfindung

Diese Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Fasern und bezieht sich insbesondere auf Verfahren zur Herstellung von Fasern mit inhärenten flammhemmenden Eigenschaften.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Der hierin verwendete Begriff "Lyocell" wird gemäß der Definition des Bureau International pour la Standardisation de la Rayonne et de Fibres Synthetique (BISFA) folgendermaßen definiert:
"Eine Zellulosefaser", die durch einen Spinnvorgang eines organischen Lösungsmittels erhalten ist, worunter zu verstehen ist:
(1) "organisches Lösungsmittel" bedeutet im wesentlichen eine Mischung aus organischen Chemikalien und Wasser; und
(2) der Begriff "Lösungsmittelspinnen" bedeutet das Auflösen und Spinnen ohne Bildung eines Derivats.
Der hier verwendete Begriff "flammhemmende Chemikalie" bezeichnet eine solche, welche das Brennen eines Produktes, auf welches sie aufgetragen wurde, verzögert.
EP-A-0,45 1,663 offenbart eine Behandlung zur Verbesserung der Flammhemmung von Stoffen, insbesondere Polyester-Baumwolle, bei der eine wässerige Lösung aus einer phosphorhaltigen organischen Verbindung auf den Stoff, der vorzugsweise in gewebter Form vorliegt, aufgetragen wird.
US-A-4, 162,275 offenbart eine Behandlung zur Verbesserung der Flammhemmung von Poly(metaphenylenisophtalamid), bei welcher eine Lösung des Polymers in Dimethylacetamid gesponnen und durch eine erwärmte Zelle hindurchgeführt wird, um den Großteil des Lösungsmittels davon zu entfernen; die Faser wird danach mit Wasser abgeschreckt und mit einer wässerigen, phosphorhaltigen Verbindung behandelt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Bildung einer flammhemmenden Zellulosefaser, welches das Einbringen einer flammhemmenden Chemikalie in die Faser umfaßt und dadurch gekennzeichnet ist, daß es sich bei der Faser um eine Lyocell-Faser handelt und die flammhemmende Chemikalie in die Faser aufgenommen wird, während sich die Faser in einem noch nie getrockneten Zustand vor dem ersten Trocknen befindet.
Bevorzugt umfaßt das Verfahren die Schritte des:
(i) Bildens einer Lösung aus Zellulose in einem organischen Lösungsmittel,
(ii) Extrudierens der Lösung durch eine Spinndüse nach unten in einen Luftspalt, um eine Mehrzahl an Strängen zu bilden,
(iii) Hindurchführens der somit gebildeten Stränge durch ein wasserhaltiges Spinnbad,
(iv) Auslaugens des Lösungsmittels aus den somit gebildeten Strängen zur Erzeugung von Zellulosefäden, und
(v) Fixierens der Chemikalie auf der Zellulose zur Erzeugung eines zellulosefadenartigen Materials mit inhärenter Flammhemmung.
Die vorliegende Erfindung schafft somit ein Verfahren zur Bildung einer flammhemmenden Zellulosefaser, bei welchem eine flammhemmende Chemikalie in die Faser eingebracht wird, während sich die Faser in einem noch nie getrockneten Zustand befindet (d.h. vor dem ersten Trocknen).
Bei der flammhemmenden Chemikalie kann es sich um eine Chemikalie auf Phosphorbasis handeln, und es kann sich um eine quarternäre Phosphoniumverbindung handeln. Die flammhemmende Chemikalie kann ein Tetrakis(hydroxymethyl)phosphoniumsalz sein.
Die flammhemmende Chemikalie kann durch einen Aushärtungsprozeß fixiert werden, welcher die Wirkung von Ammoniak oder Wärme verwendet. Die flammhemmende Chemikalie wird vorzugsweise auf eine noch nie getrocknete Lyocell-Faser in Kabelform aufgetragen. Das Kabel kann vor dem ersten Trocknen oder nach dem Trocknen in Spinnfasern geschnitten werden.
Das Kabel mit der darauffixierten flammhemmenden Chemikalie oder den Chemikalien kann als Kabel getrocknet, gekräuselt und geschnitten werden, um Zellwolle zu bilden. Das Kabel kann mit einem Finish versehen werden, wobei eine Chemikalie dem Kabel hinzugefügt wird, um die Verarbeitung der Faser während der nachfolgenden Arbeitsschritte zu verbessern oder zu erleichtern. Das Fixieren der flammhemmenden Chemikalie an die Zellulose kann während des Trocknens der Zellulose durchgeführt werden, oder es kann als getrennter Schritt vor den Trocknen der Zellulose ausgeführt werden. Alternativ dazu kann die Zellulose getrocknet und danach durch einen Fixierprozeß geführt werden, um schließlich die flammhemmende Chemikalie an der Zellulose zu fixieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Anhand eines Beispiels wird die vorliegende Erfindung nun unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben, in denen schematisch die Auftragswege für den Auftrag der flammhemmenden (FR) Chemikalien auf die Faser dargestellt werden.
Die Herstellung von Lyocell-Fasern ist im US-Patent 4,416,698 beschrieben. Die Lyocell-Faser kann auf jede bekannte Art und Weise hergestellt werden. Die Erfindung beschäftigt sich einzig mit der Produktion einer flammhemmenden Lyocell-Faser.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung von Lyocell-Fasern wird eine Lösung aus Zellulose in einem organischen Lösungsmittel, typischerweise N-Methylmorpholin-N-Oxid, durch Erwärmen von N-Methylmorpholin-N-Oxid, Wasser und Zellulose gebildet, um das Wasser zu verdampfen und somit die Lösung zu bilden. Die Lösung kann einen geeigneten Stabilisator enthalten. Die Lösung wird im allgemeinen als Spinnlösung bezeichnet. Diese Spinnlösung wird dann durch eine Spinndüse gedrückt, um fadenförmig als Stränge durch einen Luftspalt in ein Spinnbad hindurchzutreten.
Das Spinnbad enthält Wasser und laugt das Lösungsmittel aus den Strängen aus. Während des Auslaugvorgangs bildet sich die Zellulosekomponente der Lösung um, um das filamentartige Zellulosematerial zu erzeugen. Das filamentartige Material weist die Form eines Bündels aus Filamenten auf, das im allgemeinen als Kabel bezeichnet wird. Das Kabel umfaßt im wesentlichen eine Mehrzahl an parallelen Filamenten, wobei die Anzahl der Filamente im Kabel gleich der Anzahl der vom Spinndüsenstrahl erzeugten Stränge ist.
Das durch den Auslaugungsvorgang erzeugte Faserkabel wird als noch nie getrocknete Faser bezeichnet, und zwar in dem Sinne, daß das Kabel noch immer naß ist und in dieser Stufe des Verarbeitungsvorgangs noch nie getrocknet wurde. Eine noch nie getrocknete Faser hat leicht unterschiedliche physikalische Eigenschaften im Vergleich zu jenen Fasern, die getrocknet und in der Folge erneut naßgemacht wurden. Noch nie getrocknete Fasern enthalten typischerweise einen größeren Anteil an Wasser, als in eine getrocknete Faser durch bloßes Naßmachen eingebracht werden kann.
Eine Art der flammhemmenden Behandlung ist die Proban (eingetragene Schutzmarke)-Behandlung unter Verwendung von Tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium (THP), welches bei Albright & Wilson Ltd, England, erhältlich ist.
Die noch nie getrocknete Faser wird dann entsprechend behandelt, um sie gemäß der in Figur 1 dargestellten Reihenfolge mit einem "Proban"-Finish zu versehen. Die Faser wird dann durch ein Bad hindurchgeführt, welches ein "proban"-Vorkondensat enthält, nämlich eine Mischung aus Tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium und Harnstoff. Die aus dem Bad entstehende Faser wird danach durch den Spalt eines Walzenpaares durchgeführt, um das überschüssige Vorkondensat zu entfernen. Dies ist der Vorgang, wie er durch Block 1 in Figur 1 dargestellt ist. Die Faser wird danach durch eine Ammoniaklösung hindurchgeführt, oder es wird in Box 2A Ammoniak auf sie aufgesprüht. Die derart behandelte Faser wird danach in einem geeigneten Trocknungsgerät wie zum Beispiel einem Trocknungstunnel oder durch Vorbeiführen über erwärmte Trocknungswalzen bei 130ºC getrocknet. Das Trocknen bei einer Temperatur von 130ºC geschieht in Block 2B. In einer alternativen Form des Aushärtevorgangs werden die gesamten Blöcke 2A und 2B durch einen Wärmeaushärtungsschritt bei 120-170ºC ersetzt.
Nachdem das Vorkondensat auf die Faser aufgetragen wurde und dort ausgehärtet ist, wird sie bei Block 3 oxidiert, wozu zum Beispiel eine Wasserstoffperoxidlösung verwendet wird.
Die oxidierte Beschichtung wird danach wie bei Block 4 zum Beispiel mit einer Lösung von Natriumcarbonat neutralisiert.
In der Folge wird die Faser wie bei Block 5 gewaschen und danach wie bei Block 6 durch eine weiche Finishwalze hindurchgeführt, bevor sie wie bei Block 7 getrocknet wird.
Die Lösungen von Wasserstoffperoxid, Natriumcarbonat oder ähnlichem und das weiche Finish können entweder durch kurzes Eintauchen der Faser in die Lösung oder durch Aufsprühen einer Lösung auf die Faser oder durch ein anderes geeignetes Verfahren äufgetragen werden. Typischerweise wird die Faser durch Aufbringen der Faser auf eine poröse Unterlage, wie zum Beispiel ein Stahlsieb, und darauf anschließendes Waschen mit entmineralisiertem Wasser gewaschen. Die Faser wird mit geeigneten Trocknern wie zum Beispiel Trommeltrocknern getrocknet.
In einem alternativen Vorgang kann eine Pyrovatex (eingetragene Schutzmarke)-Lösung auf die noch nie getrocknete Faser aufgetragen werden. Dieser Vorgang wird in Blockform in Figur 2 dargestellt. In diesem Fall wird die "Pyrovatex"-Lösung bei 8 durch kurzes Eintauchen der Faser in eine Lösung aus "Pyrovatex", einem Fixierharz wie zum Beispiel Lyorix (eingetragene Schutzmarke), und Phosphorsäure aufgetragen. Daraufhin wird die überschüssige Lösung auf der Faser durch Hindurchführen der Faser durch den Spalt eines Walzenpaares entfernt. Die Faser wird danach bei 130ºC bei 9 getrocknet und in einem eigenen Aushärteofen bei 160ºC für 5 Minuten ausgehärtet, wie dies bei Block 10 dargestellt ist. Danach wird die Faser wie bei Block 11 mit einer Natriumcarbonatlösung behandelt, um die Faser zu neutralisieren, sie wird wie bei Block 12 gewaschen, es wird auf sie wie bei Block 13 ein weiches Finish aufgetragen und danach wird sie wie bei Block 14 getrocknet. Die im Zusammenhang mit Figur 2 beschriebenen Lösungen und Trocknungsvorgänge wären wirksamerweise jene, die im Zusammenhang mit den in Figur 1 dargestellten Vorgängen verwendet werden.
Nachdem die noch nie getrocknete Faser mit THP oder einer anderen Behandlung behandelt wurde und ausgehärtet ist, kann sie auf herkömmliche Weise getrocknet werden. Die Faser wird vorzugsweise vor dem Trocknen gewaschen, um überschüssiges THP von der Faser zu entfernen. Die Faser kann entweder in Kabelform getrocknet oder als Kabel verwendet werden, oder sie kann in Kabelform getrocknet und in der Folge zu Büschel geschnitten werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Faser nach dem Trocknen mit Hilfe eines mechanischen Kräuselvorgangs zu kräuseln und danach zu Büschel zu zerschneiden.
Alternativ dazu kann die Faser nach dem Aushärten zu Büschel geschnitten, gewaschen und als Büschel getrocknet werden.
Die flammhemmende Chemikalie kann auf die Faser in Büschel anstatt in Kabelform aufgetragen werden. Somit kann nach dem Laugenvorgang die Faser in Büschel geschnitten und gewaschen werden, und die flammhemmende Chemikalie kann danach auf die Büschel aufgetragen werden. Es wird jedoch bevorzugt, daß die flammhemmende Chemikalie auf die Faser in Kabelform aufgetragen wird, weil es sich gezeigt hat, daß es dabei zu geringeren Verschlingungen der Fasern kommt und die als Kabel behandelte Faser leichter kardiert werden kann, um eine offene Struktur zu erzeugen, die sich für das Spinnen eignet. Die behandelte Faser kann danach auf herkömmliche Weise verarbeitet werden, um Stoff zu erzeugen. Im Falle eines fadenförmigen Materials würde der Faden aufgewickelt und durch Web-, Strick- oder Vliesverfahren umgewandelt, um einen Stoff herzustellen. Im Falle von Büscheln würde die Faser kardiert, gesponnen, und das durch Spinnen erzeugte Garn könnte gewebt oder gestrickt werden, um einen geeigneten Stoff herzustellen. Der Stoff kann entweder nach der Erzeugung gefärbt werden, oder er kann als Garn gefärbt werden, um ein gefärbtes Garn für die Erzeugung eines Stoffes herzustellen.
Anstatt THP oder andere Verbindungen auf Phosphorbasis zu verwenden - typischerweise quarternäre-Phosphorverbindungen -, können Verbindungen auf Stickstoffbasis oder andere geeignete flammhemmende Mittel verwendet werden.
Durch Einbringen der flammhemmenden Chemikalie in die noch nie getrocknete Faser ist es möglich, eine Faser zu erzeugen, die in sich flammhemmend ist, wenn sie gemäß British Standard 5867 getestet wird, und welche Stoffe mit sehr guten flammhemmenden Eigenschaften erzeugt. Die Faser kann während des Produktionsprozesses unter kontrollierten Bedingungen behandelt werden, und der Kunde muß keine späteren flammhemmenden Behandlungen ausführen, um einen flammhemmenden Stoff zu erlangen. Man nimmt an, daß eine noch nie getrocknete Faser etwa 75 Gewichtsprozent des aktiven phosphorhaltigen Inhaltsstoffs verglichen mit einer Aufnahme von etwa 30 Gewichtsprozent durch getrocknete Fasern aufnimmt.
In einem Test wurden zwei Proben aus Lyocell-Fasern erzeugt; eine wurde getrocknet und mit 50 Gewichtsprozent "Proban" behandelt und unmittelbar darauf mit einem weichen Finish, Crosoft (registrierte Schutzmarke) XME bei 20g/l, überzogen. Die behandelte Faser wurde danach bei 70ºC getrocknet, in Ammoniakgas bei Raumtemperatur ausgehärtet, mit einer Wasserstoffperoxidlösung oxidiert, mit Natriumcarbonat neutralisiert, gewaschen und getrocknet. Die andere Probe wurde derselben Behandlung unterzogen, aber die Behandlung wurde an einer Lyocell-Faser durchgeführt, die noch nie getrocknet worden war, bevor "Proban" und "Crosoft XME" aufgetragen wurde.
Die folgenden in der Tabelle 1 dargestellten Ergebnisse wurden bei diesem Test erhalten: Tabelle 1
Es ist daher ersichtlich, daß die Anwendung der "Proban"-Behandlung auf die noch nie getrocknete Faser nicht nur den LOI-Wert im Vergleich zur Anwendung an der getrockneten Faser wesentlich erhöht, sondern daß dies auch von besseren Zugeigenschaften begleitet wird.
Es ist ersichtlich, daß die Phosphoraufnahme in der noch nie getrockneten Faser höher ist als in der getrockneten Faser, und dies wird durch Elementarkartenmikroaufnahmen bestätigt. Ein Vergleich der elementaren Phosphorkarten aller einzelnen Fasern mit Hilfe von Zeilenabtastungen zeigt, daß in der Haut der mit "Proban" behandelten getrockneten Faser eine Konzentration an Phosphor vorhanden ist, wohingegen die Faser, welche in noch nie getrocknetem Zustand behandelt wurde, eine viel gleichmäßigere Verteilung über die gesamte Faser hinweg aufweist.

Claims

1. Verfahren zur Bildung einer flammhemmenden Zellulosefaser, welches die Einbringung einer flammhemmenden Chemikalie in die Faser umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Faser um eine Lyocell-Faser handelt und die flammhemmende Chemikalie in die Faser eingebracht wird, während sich die Faser vor dem ersten Trocknen in einem noch nie getrockneten Zustand befindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verfahren die Schritte umfaßt:

(i) Bilden einer Lösung aus Zellulose in einem organischen Lösungsmittel,

(ii) Extrudieren der Lösung durch eine Spinndüse nach unten in einen Luftspalt zur Bildung einer Mehrzahl an Strängen,

(iii) Hindurchführen der solcherart gebildeten Stränge nach unten durch ein wasserhaltiges Spinnbad,

(iv) Auslaugen des Lösungsmittels von den solcherart gebildeten Strängen zur Erzeugung von Zellulosefasern,

(v) Einbringen einer flammhemmenden Chemikalie in die Zellulosefasern, während diese noch naß sind, und

(vi) Fixieren der Chemikalie auf der Zellulose zur Erzeugung eines faserartigen Zellulosematerials mit inhärenter Flammhemmung.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei der flammhemmenden Chemikalie um eine Verbindung auf Phosphorbasis handelt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei es sich bei der flammhemmenden Chemikalie um eine quarternäre Phosphoniumverbindung handelt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei es sich bei der flammhemmenden Chemikalie um ein Tetrakis(hydroxymethyl)phosphoniumsalz handelt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die flammhemmende Chemikalie durch einen Aushärtevorgang fixiert wird, der die Wirkung von Ammoniak oder Wärme verwendet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die flammhemmende Chemikalie auf die Faser in Kabelform aufgetragen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Kabel vor dem ersten Trocknen oder nach dem Trocknen in Büschel geschnitten wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die flammhemmende Chemikalie vor, während oder nach dem Trocknen an die Zellulose fixiert wird.

10. Zellulosefaser, hergestellt durch das Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 9.