[发明专利]干纺中性和阴离子改性纤维素的方法以及使用该方法制造的纤维

说明书

技术领域

本发明涉及用于纺丝中性或阴离子改性的纤维素的方法、基于本发明方法获得的纤维以及来源于该纤维的纸或板产品。

背景技术

纤维素，特别是以纤维形式的纤维素可以用于许多应用和产品，例如用于制造纸或板结构，还用于制造显示出优异机械性能的纺成纤维诸如粘胶纤维或莱赛尔（lyocell）纤维。由于纤维素的化学性质，可达到大体上可接受的所关注的性质例如拉伸强度，然而用于纺丝过程的原材料（所谓的纺丝悬浮体）以及挤出和随后的固化例如在纺丝浴中经常会释放需要回收的有害和有毒物质，例如二硫化碳和硫化氢。此外，这些商业系统目前不能实现非常高的拉伸强度，例如高于85cN/tex。

发明概述

本发明涉及用于纺丝中性或阴离子改性的纤维素的改进方法，基于这些方法获得的纤维以及来源于该纤维的纸或板产品。

更具体地，本发明提供用于纺丝中性或阴离子改性的纤维素的方法，其包括以下步骤：（a）在连续相中制备中性或阴离子改性的纤维素的中性或阴离子纤维素悬浮体；（b）使所述中性或阴离子纤维素悬浮体经历高剪切速率；（c）通过将所述中性或阴离子纤维素悬浮体挤出至包含至少一个加热区的气隙区域中进行纺丝以获得纺成纤维，（d）使所述纺成纤维经历至少一个洗涤阶段以及（e）使所述纺成纤维从所述至少一个洗涤阶段中分离。

如本文所使用，与纤维素组合的术语“纳米原纤维（nanofibril）”或“纳米原纤的（nanofibrillar）”是指基本上完全是纳米原纤维形式的纤维素，和可以是基本上纳米原纤化的同时含有少量而非显著量的非纳米原纤结构的那些，只要纤维素是足够纳米原纤的形式以赋予在本发明方法中使用必需的益处。由阴离子改性的纤维素获得的纳米原纤维被称为阴离子纤维素纳米原纤维或纳米原纤的阴离子改性的纤维素。由中性纤维素获得的纳米原纤维被称为中性纤维素纳米原纤维或纳米原纤的中性纤维素。

纤维素纳米原纤维可从含纳米原纤维的纤维素基材料中提取，所述含纳米原纤维的纤维素基材料包括由棉绒、硬或软木浆、精制木浆等获得的水解或机械粉碎的纤维素、市售纤维素赋形剂、粉末纤维素、再生纤维素、微晶纤维素和低结晶度纤维素。优选的纤维素来源主要得自木浆。合适的木浆纤维包括粉碎的木纤维、再循环或二次木浆纤维、以及漂白和未漂白的木浆纤维。软木和硬木均可使用。木浆纤维选择的细节对于本领域技术人员而言是公知的。

在带阴离子电荷的纳米原纤维的情况下，合适的木浆纤维可以由公知的化学工艺（如具有随后漂白的或没有随后漂白的硫酸盐工艺和亚硫酸盐工艺）获得。浆纤维还可以通过热机械、化学热机械法或它们的组合进行处理。优选地，纤维素通过化学制浆和提取获得。所述阴离子电荷优选通过用带负电荷的合适的基团衍生提供，所述基团如含硫基团（例如硫酸根、磺酸根、烷基硫酸根、烷基磺酸根）、羧基和羧甲基基团、含磷基团（例如磷酸根、膦酸根）、硝基等，或它们的组合。

这些木浆纤维的特征在于具有细长的形状，其具有15nm至300nm，优选50nm至200nm的平均长度。平均厚度优选为3nm至300nm，优选3nm至200nm，更优选10nm至100nm。

在具体实施方案中，所述阴离子改性的纤维素纳米原纤维是用含硫基团衍生的纤维素纳米原纤维，如硫酸化或磺化纤维素纳米原纤维。

在优选的具体实施方案中，阴离子改性的纤维素是硫衍生的纤维素，更具体地是硫衍生的纤维素纳米原纤维。因此，如本文所使用的“硫衍生纤维素纳米原纤维”是指通过使纤维素纳米原纤维与合适的硫酸化剂（sulphating agent）反应得到的用带阴离子电荷的硫基团衍生的纤维素纳米原纤维。应理解，硫衍生的纤维素纳米原纤维包含适当的游离酸和盐形态。硫衍生的纤维素纳米原纤维可以根据文献方法（参见例如Dong,Revol和Gray的Cellulose(1998)5,19-32）通过使硫酸化剂与纤维素纳米原纤维的羟基基团反应以提供纤维素硫酸酯来制备。

纤维素纳米原纤维上阴离子改性基团的取代度应该足够低以使得衍生的纤维素纳米原纤维基本不溶于存在于本发明预期方法的溶剂中。