专利名称：生产纤维素成形制品的方法
生产纤维素成形制品的方法本发明一般地涉及制备诸如纤维的纤维素成形制品的方法，其包括使用包含纤维素、离子性液体和具有质子惰性特征的助溶剂的添加剂。纤维素可以从天然来源的材料中提取并成为诸如纤维的成形制品。纤维素纤维，又称人造纤维，从20世纪初开始用于纺织品的制造。生产纤维素纤维的最常用方法之一包括将来自木材、棉花、大麻或其它天然来源的纤维素溶解在碱和二硫化碳中以形成被称作纤维胶的溶液。将液体过滤并再过滤以使材料的纯度最大化来提高纤维的质量。然后，通过喷丝头将纤维胶计量供应到稀硫酸和硫酸钠的浴中以从纤维胶中再生纤维素。制造人造纤维的传统方法中所用的溶剂是有问题的，这有几个原因。例如，成本高。此外，离子强度高，必须采取多个步骤以阻止不需要的副产物生成。例如，所用溶剂可能需要在惰性环境中储存和处理。此外，储存和使用该溶剂的容器必须选自具有高度耐化学性的材料。曾作许多尝试来鉴别可用于溶解纤维素的新溶剂。该领域中已显示潜力的一组材料是离子性液体。EP1458805公开了将纤维素溶解在包含离子性液体的添加剂中的方法，该添加剂基本上不含有其它材料，特别是包含含氮的碱，水和其它溶剂。然而，将纤维素溶解在EP1458805公开的添加剂中，该添加剂有很高的粘度。高粘度限制了添加剂在采用纤维胶方法用于溶解和铸塑纤维素的设备中的应用。此外，EP1458805公开的添加剂优选不含有水和其它溶剂，因而包括高比例的高成本的离子性液体。由于这个原因，从EP1458805中公开的添加剂中制备纤维素片的成本相对较高。US2009/0084509公开了采用包含离子性液体和质子助溶剂或非质子助溶剂的添加剂的方法。同样，纤维素可溶于这些添加剂中。但是，当低量的纤维素溶于这些添加剂中时，仅表现出低粘度水平。此外，需要超过100° C的高温来实现将纤维素溶解在文中所例示的添加剂中。US2009/0084509中所例示的、已报道表现出高纤维素溶解速率的大部分添加剂包括离子性液体作为主要成分。理想状态下，应该减少在用于纤维素的添加剂中所用的高成本的离子性液体的量。本发明寻求提供用于制备诸如纤维的纤维素成形制品的工业规模的方法，其中采用需要可接受的低热能输入以使纤维素溶解的添加剂，利用相对低量的离子性液体，具有足够低的粘度使其能在诸如纤维胶生产机器的常规设备上应用，能确实溶解大量的纤维素，能用于溶解较不精制的或较不具有反应性的纸浆，其是稳定的而不需要储存在惰性气氛中，并且可以修改以控制纤维素成形制品的密度和机械性能。从随后的讨论中显而易见的是，本发明解决了一些或所有的前述的不足，同时提供了许多目前为止没有预期的额外优势。因此，根据本发明的第一方面，提供了生产纤维素成形制品的方法，其中，a)在100° C或更低的温度下，将纤维素至少部分地溶解在包含离子性液体和助溶剂的添加剂中以形成纤维素溶液，其中所述助溶剂包含极性的质子惰性组分，以及b)由所述纤维素溶液铸塑成纤维素成形制品。根据本发明的方法生产的成形制品最优选纤维。也可以形成的其它产品包括绳、纱线、布或卷烟过滤嘴。所述其它产品可直接由纤维素溶液形成，也可由来自纤维素溶液的纺成的纤维形成。为避免任何疑问，术语“成形制品”不应该包含纤维素片、膜、层压制品等。纤维素的溶解优选发生在反应容器或反应室中。有利的是，相对于常规形成此类容器和罐的材料而言，添加剂是相对惰性的，因此，可采用与传统的纤维素溶解方法不相容的设备。可通过本领域已知的任何手段来提供实现将纤维素溶解在添加剂中所需要的热能，这包括热交换设备或者微波辐射。相对于现有技术方法而言，100° C的溶解温度构成了相当大的改进，有利的是，本发明能使纤维素在约90° C或更低、约80° C或更低、约75° C或更低、或者甚至约70° C或更低的温度下溶解。在本发明的优选实施方案中，最高到最低的溶解温度范围依次为约25° C或更高、约30° C或更高、约40° C或更高、约50° C或更高、或者约60° C或更高。 此外，本发明的方法中使用的添加剂通常不与空气反应，因此当储存、处理或使用所述添加剂时，不必提供惰性气体覆盖层。在本发明的优选实施方案中，纤维素完全溶解在添加剂中。但是，当部分纤维素依然是固体或半固体形式时，也可实现本发明的实施方案。根据待生产的成形制品的所期望的性质，可允许纤维素溶液中存在不同量的未溶解的纤维素。此外，在成形制品形成之前，可通过过滤溶液除掉固体或半固体的纤维素材料。作为选择，通过升高溶液的温度，优选升高至不高于100° C的温度，本发明的方法可实现完全溶解。本发明的方法有利地使用非必需包含离子性液体作为主要成分的添加剂来表现出可接受的溶解速率。优选的是，以添加剂的重量计，添加剂中离子性液体的量少于50%重量比。在US2009/0084509中报道了在105° C温度下，以添加剂的重量计，以20:80和50:50的比例由离子性液体和非质子溶剂组成的添加剂在很大程度上不能溶解纤维素。已发现在90° C温度下，纤维素能够溶解在本发明的方法所使用的添加剂中，以添加剂重量计，其分别包括20%和50%重量比的离子性液体。出乎意料地发现当使用的添加剂包含占添加剂重量的20%_50%重量比的离子性液体时，S卩，多于添加剂的20%重量比或少于50%重量比，降低实现纤维素溶解所需要的温度。因此，根据本发明的优选方面，以添加剂的重量计，添加剂包含约20%重量比-约50%重量比的离子性液体。在本发明特别优选的实施方案中，以添加剂的重量计，添加剂包含约25%重量比-约45%重量比的离子性液体，约25%重量比-约40%重量比的离子性液体，或者更优选，约25%重量比-约35%重量比的离子性液体。本发明的方法中，可制备添加剂并将纤维素添加到其中。但在特别优选的实施方案中，在接触离子性液体以形成添加剂和纤维素溶液之前，将纤维素和助溶剂的极性的质子惰性组分预先混合。这允许作为间隙溶胀剂(interstitial swelling agent)起作用的极性的质子惰性组分促进添加剂中纤维素的迅速溶解。助溶剂可以仅由或者基本上由极性的质子惰性组分组成，或者可以包含其量足以给予添加剂化学效应的其它物质。添加剂中可包括任何的极性的质子惰性组分。特别优选的极性的质子惰性组分包括二甲基亚砜(DMSO)、二甲基乙酰胺(DMAc)、四氢呋喃(THF)、二甲基甲酰胺(DMF)、甲酰胺、N-甲基吗啉-N-氧化物、卩比唳、丙酮、二B,惡烧、N-甲基卩比咯烧酮、戍间二烯砜(piperylinesulfone)和六甲基磷酰胺或其混合物。在除了极性的质子惰性组分以外，助溶剂还包含另外的组分的实施方案中，助溶剂可包含任何材料，前提是在添加剂中所包含的该材料不会对纤维素的溶解有不利影响以至使需要高于100° C的溶解温度来至少部分地溶解纤维素。在优选的实施方案中，除了极性的质子惰性组分以外，添加剂中还包含碱。该碱优选是有机的，并可任选地包含杂原子。在特别优选的实施方案中，该碱是含氮碱，例如氨、哌啶、吗啉、二乙醇胺或三乙醇胺、吡啶、三乙胺或尿素。以添加剂的重量计，该碱的量可以为1%-10%重量比。在特别优选的实施方案中，可包含占添加剂重量的3%-8%重量比或4%-7%重量比的碱。本发明的方法中使用的离子性液体可以是能够用于溶解纤维素的任何的离子性液体。在特别优选的实施方案中，使用的离子性液体是氯化1-乙基3-甲基咪唑盐、1-乙基3-甲基咪唑醋酸盐(EMM醋酸盐)、氯化1- 丁基-3-甲基咪唑盐、氯化1-烯丙基3-甲基咪唑盐、氯化锌/氯化胆碱、氯化3-甲基-N- 丁基-吡啶盐、十四烷基苄基二甲基氯化铵、1-甲基咪唑盐酸盐或其混合物。当纤维素溶解在本发明的方法所使用的添加剂中时，所得纤维素溶液优选具有足以与传统的纤维胶溶液相比的粘度，以使得能够使用现有的机器而不需要大量的替换工具。在本发明的优选实施 方案中，纤维素溶液具有约30000厘泊或更低的粘度，优选约30000厘泊-约4000厘泊或约12000厘泊-约5000厘泊。更优选，纤维素溶液具有小于约25000、小于约20000、小于约15000、小于约10000、小于约8000、小于约6000、小于约4000或甚至约2000厘泊或更低的粘度。本发明的方法所使用的纤维素起始材料的聚合度(DP)可影响纤维素材料至少部分地溶解在添加剂中的温度。虽然通常优选具有较低的DP值的纤维素材料，但是出乎意料地，具有高的DP值的纤维素可以用本发明的方法加工。因此，在本发明的优选实施方案中，纤维素起始材料的DP低于700、600、550、500、450或更优选400。本发明的一个主要优点在于可加工相对大量的纤维素。在优选的实施方案中，以纤维素溶液的重量计，纤维素溶液中存在的纤维素的比例为1%-20%、5%-15%、8%-12%或者9%_10%重量比。为了避免任何疑问，当参考纤维素溶液中存在的纤维素的比例时，给出的附图
涉及完全溶解的纤维素以及未溶解或部分溶解的纤维素，即，加入到添加剂中的纤维素的量。本发明的方法中使用的纤维素材料优选为纸浆的形式。可从任何天然来源中获得纸浆，所述天然来源例如，木材、棉花、竹、稻草等。纤维素材料可包含纤维素、半纤维素、淀粉、纤维素醋酸盐或其混合物。一旦获得纤维素的溶液，就可以开始制品形成过程。发生制品形成的温度可以与溶液的温度相同，或者可以实施温度调节步骤以将纤维素溶液的温度升高或降低到所需要的水平。
在成形制品的形成之前，纤维素溶液可能经历过滤步骤，其中溶液被迫经过过滤装置以去除任何杂质或沉淀的或不溶的材料。因此，在本发明的方法中，仍然可以使用未实现完全溶解的溶液。一旦制备好纤维素溶液，将其形成为所需的形状。在优选实施方案中，当成形制品是纤维素纤维时，所述纤维优选地通过将纤维素溶液挤压通过喷丝头来形成，产生纤维材料。但是，可采用任何的形成纤维技术和设备。同样地，在本发明实施方案中，除了纤维外的其它纤维素成形制品均由纤维素溶液制备。采用本领域技术人员熟知的常规技术，可以纤维素溶液可以模压、形成或成形为所期望的制品。此外，在从由纤维素溶液制备的纤维中形成纤维素制品的实施方案中，采用本领域技术人员熟知的任何技术，可以将纤维素纤维转化为其它制品。然后，优选地将成形的纤维素溶液转移至包含第一铸塑溶液的铸塑浴中。
在可供选择的实施方案中，在成形之前将第一铸塑溶液加入到纤维素溶液中。第一铸塑溶液包含大量的非溶剂，理想上以铸塑溶液的重量计，其量为至少约70%重量比。在某些实施方案中，剩余者由添加剂混合物组成，其中优选具有与用于溶解纤维素的添加剂基本上相同的组成。非溶剂引起纤维素从纤维素溶液中至少部分地沉淀出，驱使大部分添加剂离开纤维素溶液，并形成纤维素的成形制品，如纤维。第一铸塑溶液中存在的添加剂可以由纤维素溶液单独提供，或者将添加剂加入到
第一铸塑溶液中。现阶段，纤维素材料可能仍然有较高的温度。当大部分的离子性液体与诸如水的非溶剂相接触时，也有放热效应，因此可采用冷却手段以阻止铸塑溶液的温度过多地升高。铸塑溶液的温度优选维持在约60° C或更低。此外，出乎意料地发现，本发明的方法所形成的成形制品的性质可通过调节铸塑溶液的温度来控制。例如，如果要生产低密度的纤维，铸塑溶液的温度应当维持在约40° C-60° C。如果要生产更高密度的纤维，铸塑溶液应当维持在更低的温度，约20。C-30。Co成形的纤维素制品可能与第二铸塑溶液接触，其含有比第一铸塑溶液更高比例的非溶剂，理想上至少约90%，剩余者包含添加剂混合物，该添加剂混合物可以具有或可以不具有与用于制备纤维素溶液的添加剂相同的组成。由于成形制品与第二铸塑溶液接触，纤维素将继续从添加剂中沉淀出，进一步减少存在于那些制品中的添加剂的量。可以使用另外的铸塑溶液，每一铸塑溶液包含增加比例的非溶剂，直到纤维素制品包含可接受的低比例的添加剂。当成形的纤维素制品与铸塑溶液接触时，添加剂将沉积在其中，这将会增加铸塑溶液中添加剂的比例。为了维持铸塑浴中预定比例的非溶剂，逆流的非溶剂可以通过铸塑溶液反馈。弓丨起纤维素从添加剂中沉淀的任何物质可以用作本发明的铸塑溶液中的非溶剂。在优选的实施方案中，非溶剂是质子性的，可用作非溶剂的质子性材料的实例包括水、乙
醇、甲醇、丙醇。
采用本领域技术人员熟知的任何技术可以从铸塑浴中回收添加剂。例如，在本发明的实施方案中，添加剂包含EMIM醋酸盐作为离子性液体，DMSO作为极性的质子惰性组分以及水作为非溶剂，可使用薄膜蒸发从DMSO和水中分离出EMIM醋酸盐。然后，DMSO和水通过分馏可以分离。下列实施例旨在进一步示例性说明本发明的某些实施方案，实际上不限于这些实施方案。仅通过常规实验，本领域技术人员将认可或能够确定在本文描述的具体实施例的众多等同。实施例1制备添加剂，其包含DMSO和EMM醋酸盐，并以添加剂的重量计，比例为80:20。加入具有聚合度(DP)380的纤维素，以纤维素溶液的重量计，其量为9%重量比。将混合物加热至90° C，25分钟后纤维素几乎完全溶解，少于10纤维/克并且无结块或观察到胶体。考虑到在US2009/0084509中需要105° C的温度来引起纤维素溶解在类似的添加剂中，这是很意外的。冷却时溶液保持流动，在一定温度范围内，测量溶液的落球粘度，结果见下文
权利要求
1.生产纤维素成形制品的方法，其中 a)在约100°C或更低的温度下，将纤维素至少部分地溶解在包含离子性液体和助溶剂的添加剂中以形成纤维素溶液，其中所述助溶剂包含极性的质子惰性成分，和 b)由所述纤维素溶液铸塑成纤维素成形制品。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述成形制品是纤维。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述成形制品是绳、纱线、布或卷烟过滤嘴。
4.根据权利要求1所述的方法，其还包括 c)将步骤b)中产生的纤维素纤维形成为物品。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述物品是绳、纱线、布或卷烟过滤嘴。
6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的方法，其中所述溶解温度为约90°C或更低。
7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的方法，其中所述溶解温度为约80°C或更低。
8.根据权利要求1-7中任一权利要求所述的方法，其中所述溶解温度为约70°C或更低。
9.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的方法，其中在环境大气条件下实施步骤a)和/或步骤b) ο
10.根据权利要求1-9中任一权利要求所述的方法，其中以所述添加剂的重量计，所述添加剂包含约50%重量比或更少的离子性液体。
11.根据权利要求ι- ο中任一权利要求所述的方法，其中以所述添加剂的重量计，所述添加剂包含约20%重量比或更多的离子性液体。
12.根据权利要求1-11中任一权利要求所述的方法，其中以所述添加剂的重量计，所述添加剂包含20%重量比-50%重量比的离子性液体。
13.根据权利要求1-12中任一权利要求所述的方法，其中以所述添加剂的重量计，所述添加剂包含约25%重量比-约45%重量比的离子性液体。
14.根据权利要求1-13中任一权利要求所述的方法，其中以所述添加剂的重量计，所述添加剂包含约25%重量比-约40%重量比的离子性液体。
15.根据权利要求1-14中任一权利要求所述的方法，其中以所述添加剂的重量计，所述添加剂包含约25%重量比-约35%重量比的离子性液体。
16.根据权利要求1-15中任一权利要求所述的方法，其中在形成所述添加剂之前，将所述纤维素和所述极性的质子惰性组分预混合。
17.根据权利要求1-16中任一权利要求所述的方法，其中所述助溶剂仅由或基本上由所述极性的质子惰性组分组成。
18.根据权利要求1-17中任一权利要求所述的方法，其中所述极性的质子惰性组分选自二甲基亚砜(DMSO)、四氢呋喃(THF)、二甲基乙酰胺(DMAc)、二甲基甲酰胺(DMF)、甲酰胺、N-甲基吗啉氧化物、吡啶、丙酮、二噁烷、N-甲基吡咯烷酮、戊间二烯砜和六甲基磷酰胺或其混合物。
19.根据权利要求1-18中任一权利要求所述的方法，其中所述添加剂包含碱。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述碱是含氮的碱。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中所述碱选自吡啶、氨、哌啶、吗啉、二乙醇胺或三乙醇胺、吡啶、三乙胺、尿素或其混合物。
22.根据权利要求19-21中任一权利要求所述的方法，其中以所述添加剂的重量计，所述碱的量为1%_10%重量比。
23.根据权利要求19-22中任一权利要求所述的方法，其中以所述添加剂的重量计，所述喊的量为3%_8%重量比。
24.根据权利要求1-23中任一权利要求所述的方法，其中所述离子性液体选自氯化1-乙基3-甲基咪唑盐、1-乙基3-甲基咪唑醋酸盐(EMM醋酸盐)、氯化1-丁基-3-甲基咪唑盐、氯化1-烯丙基3-甲基咪唑盐、氯化锌/氯化胆碱、氯化3-甲基-N- 丁基-吡啶盐、十四烷基苄基二甲基氯化铵、1-甲基咪唑盐酸盐或其混合物。
25.根据权利要求1-24中任一权利要求所述的方法，其中所述纤维素溶液具有约5000厘泊-约12000厘泊的粘度。
26.根据权利要求1-25中任一权利要求所述的方法，其中所述纤维素的聚合度为约500或更低。
27.根据权利要求1-26中任一权利要求所述的方法，其中所述纤维素的聚合度为约400或更低。
28.根据权利要求1-27中任一权利要求所述的方法，其中以所述纤维素溶液的重量计，所述纤维素溶液包含约1%重量比-约20%重量比的纤维素。
29.根据权利要求1-28中任一权利要求所述的方法，其中以所述纤维素溶液的重量计，所述纤维素溶液包含约5%重量比-15%重量比的纤维素。
30.根据权利要求1-29中任一权利要求所述的方法，其中以所述纤维素溶液的重量计，所述纤维素溶液包含约8%重量比-12%重量比的纤维素。
31.根据权利要求1-30中任一权利要求所述的方法，其中在步骤b)之前，将所述纤维素溶液过滤。
32.根据权利要求1-31中任一权利要求所述的方法，其中在步骤b)之前，将步骤a)中得到的所述纤维素溶液成形。
33.根据权利要求1-32中任一权利要求所述的方法，其中步骤b)包括使所述纤维素溶液与包含非溶剂的第一铸塑溶液接触，生产再生的纤维素成形制品。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述非溶剂是水。
35.根据权利要求33或34所述的方法，其中所述第一铸塑溶液维持在60°C或更低的温度。
36.根据权利要求33-35中任一权利要求所述的方法，其中所述第一铸塑溶液维持在35° C或更低的温度。
37.根据权利要求33-36中任一权利要求所述的方法，其中以所述第一铸塑溶液的重量计，所述第一铸塑溶液包含约70%重量比或更高的非溶剂。
38.根据权利要求33-37中任一权利要求所述的方法，其中所述第一铸塑溶液包含添加剂混合物，所述添加剂混合物包含离子性液体和助溶剂，所述助溶剂包含极性的质子惰性组分。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述添加剂混合物具有与权利要求1的步骤a)中使纤维素至少部分溶解的添加剂的组成基本相同的组成。
40.根据权利要求33-39中任一权利要求所述的方法，其中所述再生的纤维素成形制品从所述第一铸塑溶液中去除，并与第二铸塑溶液相接触，所述第二铸塑溶液包含比所述第一铸塑溶液更高比例的非溶剂。
41.根据权利要求33-40中任一权利要求所述的方法，其中通过向所述第一铸塑溶液和第二铸塑溶液提供逆流的非溶剂，维持在所述第一铸塑溶液和第二铸塑溶液中存在的非溶剂的比例。
42.根据权利要求33-41中任一权利要求所述的方法，其中通过除去一部分的所述第一铸塑溶液和/或第二铸塑溶液，并实施薄膜蒸发来提取其中的离子性液体，留下非溶剂和来自添加剂中的助溶剂的混合物，来从所述第一铸塑溶液和/或第二铸塑溶液中回收所述尚子性液体。
43.根据权利要求42所述的方法，其中采用分馏从非溶剂和助溶剂的混合物中回收所述助溶剂。
全文摘要
本发明提供生产纤维素成形制品的方法，其中a)在约100°C或更低的温度下，将纤维素至少部分地溶解在包含离子性液体和助溶剂的添加剂中以形成纤维素溶液，其中所述助溶剂包含极性的质子惰性组分，以及b)由纤维素溶液铸塑成纤维素成形制品。
文档编号D01F2/02GK103038259SQ201180033680
公开日2013年4月10日 申请日期2011年6月21日 优先权日2010年7月7日
发明者马丁·科克罗夫特, 科林·马歇尔 申请人:伊诺维亚薄膜有限公司