[发明专利]制造基于纤维素的纤维的方法和由此获得的纤维

说明书

技术领域

本发明涉及利用纤维素纳米原纤维，特别是从纤维素材料如木浆提取的纤维素纳米原纤维来制造纤维。

发明背景

纤维素是具有β1-4键的葡萄糖酐的直链聚合物。多种天然材料包含高浓度的纤维素。天然形式的纤维素纤维包括诸如棉花和麻之类的材料。合成纤维素纤维包括诸如人造丝(或粘胶丝)的产品和高强度纤维如lyocell(以商品名TENCEL^TM销售)。

天然纤维素以非晶或结晶的形式存在。在制造合成纤维素纤维期间，首先使纤维素转化为非晶纤维素。由于纤维素纤维的强度取决于纤维素晶体的存在和取向，因此纤维素材料然后可以在凝聚过程中进行重结晶，以形成具有给定结晶纤维素比例的材料。这种纤维还含有高含量的非晶纤维素。因此，高度期望的是设计一种获得具有高含量结晶纤维素的基于纤维素的纤维的方法。

在木材以及天然来源的其他纤维素基材料中可找到的纤维素结晶形式包括高强度结晶纤维素聚集体，其有助于天然材料的刚性和强度，并且被称为纳米纤维或纳米原纤维。这些结晶纳米原纤维具有高的强度/重量比(约为Kevlar的两倍)，但是目前还不能实现其全部的强度潜力，除非可以将这些原纤维熔合成大得多的结晶单元。当从植物或木质细胞中分离时，这些纳米原纤维可具有高的长径比，并且可以在恰当的条件下形成溶致悬浮液。

Song，W.，Windle，A.(2005)在Macromolecules上发表的“Isotropic-nematic phase transition of dispersions of multiwall carbon nanotube”(38，6181-6188)描述了由容易形成向列相(沿单一轴的长程取向有序)的碳纳米管的液晶悬浮液纺出连续纤维。向列结构允许在纤维内良好的颗粒间结合。然而，在从天然材料提取之后，天然纤维素纳米原纤维在其浓度高于约5-8％时通常形成手性向列相(周期性扭曲的向列相)，因此会阻止纳米原纤维沿纺出的纤维的主轴完全取向。纳米原纤维结构中的扭曲会导致纤维结构中存在固有缺陷。

在文章“Effect of trace electrolyte on liquid crystal type of cellulose micro crystals”(Longmuir；(letter)；17(15)；4493-4496，(2001))中，Araki，J.和Kuga，S.证实了细菌纤维素可以在大约7天之后在静态悬浮液中形成向列相。然而，该方法对于工业规模的纤维制造不适用，并且特别涉及难以获得且成本高昂的细菌纤维素。

Kimura等人(2005)的“Magnetic alignment of the chiral nematic phase of a cellulose microfibril suspension”(Langmuir 21，2034-2037)报道了利用旋转磁场(5T，15小时)对纤维素纳米原纤维悬浮液中的手性扭曲进行解缠绕，以形成向列状排列。然而，该方法在实践中不可用于形成在工业水平上可用的纤维。

Qizhou等人(2006)的工作“Transient rheological behaviour of lyotropic(acetyl)(ethyl)cellulose/m-cresol solutions”(Cellulose 13：213-223)指出，当剪切力足够高时，悬浮液中的纤维素纳米原纤维将沿剪切方向取向。手性向列结构变成流向排列的向列状相。然而，注意到手性向列域仍然分散在悬浮液中。没有提及所述现象的实际应用，例如形成连续纤维。

Batchelor，G.(1971)的工作“The stress generated in a non-dilute suspension of elongated particles in pure straining motion”(Journal of Fluid Mechanics，46，813-829)探索了利用拉伸流变来排列棒状颗粒(在该情况下为玻璃纤维)的悬浮液。其表明浓度增加，但特别是棒状颗粒的长径比增加导致拉伸粘度增加。没有提及使液晶悬浮液中存在的手性向列结构解缠绕的潜力。

1969年提交的英国专利GB1322723描述了用“原纤维”来制造纤维。该专利主要着眼于无机原纤维例如二氧化硅和石棉，但是提及了作为可能的(尽管是假设的)替代物的微晶纤维素。