Proceso para la fabricación de fibras a base de celulosa y las fibras obtenidas de ese modo.

Método para el hilado de una fibra continua compuesta por nanofibrillas de celulosa que tienen una longitud en el intervalo de 70 a 1000 nm,

y que están alineadas a lo largo del eje principal de la fibra a partir de una suspensión liotrópica de nanofibrillas de celulosa, consiguiéndose dicha alineación de nanofibrillas mediante la extensión de la fibra extruida desde una boquilla, hilera o aguja, en el que dicha fibra se seca bajo extensión y las nanofibrillas alineadas se agregan para formar una fibra continua y en el que la suspensión de nanofibrillas, que tiene una concentración de sólidos de al menos un 7 % en peso, se homogeneiza usando al menos un proceso de mezcla mecánica distributiva y dispersiva antes de su extrusión

Proceso para la fabricación de fibras a base de celulosa y las fibras obtenidas de ese modo Campo de la invención

La invención se refiere a la fabricación de fibras usando nanofibrillas, en particular nanofibrillas de celulosa extraídas de un material de celulosa tal como pulpa de madera.

Antecedentes de la invención

La celulosa es un polímero de cadena lineal de anhidroglucosa con enlaces p 1-4. Una gran diversidad de materiales naturales comprende una alta concentración de celulosa. Fibras de celulosa en forma natural comprenden materiales tales como algodón y cáñamo. Fibras de celulosa sintéticas comprenden productos tales como rayón (o viscosa) y fibras de alta resistencia tales como "lyocelf (comercializado con el nombre TENCEL).

La celulosa natural existe en forma amorfa o cristalina. Durante la fabricación de las fibras de celulosa sintética la celulosa se transforma en primer lugar en celulosa amorfa. Dado que la resistencia de las fibras de celulosa depende de la presencia y de la orientación de los cristales de celulosa, se puede cristalizar a continuación el material de celulosa durante el proceso de coagulación para formar un material que esté provisto con una proporción dada de celulosa cristalizada. Tales fibras aún contienen una alta cantidad de celulosa amorfa. Por lo tanto, sería muy deseable diseñar un proceso para obtener fibras a base de celulosa que tengan un alto contenido de celulosa cristalizada.

Las ventajas de usar celulosa para la fabricación de fibras incluye su bajo coste, amplia disponibilidad, biodegradabilidad, biocompatibilidad, baja toxicidad, estabilidad dimensional, alta resistencia a la tracción, peso ligero, durabilidad, alta higroscopicidad y facilidad de derivatización superficial.

La forma cristalizada de la celulosa que se puede encontrar en la madera, junto con otros materiales a base de celulosa de origen natural, comprende agregados de celulosa cristalina de alta resistencia que contribuyen a la rigidez y resistencia del material natural y se conocen como nanofibras o nanofibrillas. Estas nanofibrillas cristalinas tienen una alta resistencia con respecto a la proporción en peso que es aproximadamente el doble que la del Kevlar pero, en la actualidad, el máximo potencial de resistencia es inaccesible a menos que estas fibrillas se puedan fusionar en unidades cristalinas mayores. Estas nanofibrillas, cuando se aíslan de la planta o de las células de madera pueden tener una alta relación de aspecto y pueden formar suspensiones liotrópicas en las condiciones adecuadas.

Song, W., Windle, A. (25) "Isotropic-nematic phase transition of dispersions of multiwall carbón nanotube" publicado en Macromolecules, 38, 6181-6188 describe el hilado de fibras continuas a partir de una suspensión de cristal líquido de nanotubos de carbono que forma fácilmente una fase nemática (orden de orientación de largo alcance a lo largo de un único eje). La estructura nemática permite una buena unión entre las partículas dentro de la fibra. Sin embargo, las nanofibrillas de celulosa natural, una vez extraídas de su material natural, forman generalmente una fase nemática quiral (una estructura nemática que gira periódicamente) cuando la concentración de nanofibrillas es superior a aproximadamente un 5-8 % y, por lo tanto, podría evitar que las nanofibrillas se orienten completamente a lo largo del eje principal de una fibra hilada. Los giros en la estructura de la nanofibrilla podrían conducir a defectos inherentes a la estructura de la fibra.

En el artículo "Effect of trace electrolyte on liquid crystal type of cellulose micro crystals", Longmuir; (Letter); 17(15); 4493-4496, (21), Araki, J. y Kuga, S. demostraron que la celulosa bacteriana puede formar una fase nemática en una suspensión estática después de aproximadamente 7 días. Sin embargo, este enfoque no sería práctico para la fabricación de fibras a escala industrial y se refiere específicamente a celulosa bacteriana que es difícil y costosa de obtener.

Kimura et al. (25) "Magnetic alignment of the chiral nematic phase of a cellulose microfibril suspensión" Langmuir 21, 234-237 informa del desenrollado del giro quiral en una suspensión de nanofibrillas de celulosa usando un campo magnético rotatorio (5 T durante 15 horas) para formar una alineación de tipo nemático. Sin embargo, en la práctica este proceso no se podría usar para formar una fibra utilizable a nivel industrial.

El trabajo de Qizhou et al. (26) "Transient rheological behaviour of lyotropic (acetyl)(ethyl) cellulose/m-cresol Solutions", Cellulose 13:213-223, indicó que cuando las fuerzas de cizalladura son suficientemente altas, las nanofibrillas de celulosa en suspensión se orientan a lo largo de la dirección de cizalladura. La estructura nemática quiral cambia a una fase de tipo nemático alineada con el flujo. Sin embargo, se indicó que dentro de la suspensión permanecen dispersos dominios nemáticos quirales. No se hizo ninguna mención referente a las aplicaciones prácticas de fenómenos tales como la formación de fibras continuas.

El trabajo de Batchelor, G. (1971) "The stress generated in a non-dilute suspensión of elongated particles in puré

straining motion", Journal of Fluid Mechanics, 46, 813-829, exploró el uso de reología extensional para alinear una suspensión de partículas de tipo varilla (en este caso, fibras de vidrio). Se mostró que un aumento de la concentración, pero especialmente un aumento de la relación de aspecto de las partículas de tipo varilla da como resultado un aumento de la viscosidad elongacional. No se hizo ninguna mención del potencial para desenrollar las estructuras nemáticas quirales presentes en las suspensiones de cristal líquido.

El documento de Patente Británica GB1322723, presentado en 1969, describe la fabricación de fibras usando "fibrillas". La patente se centra principalmente en fibrillas inorgánicas tales como sílice y asbesto pero se hace mención de la celulosa microcristalina como una posible, aunque hipotética, alternativa.

La celulosa microcristalina tiene un tamaño de partícula mucho más mayor que las nanofibrillas de celulosa. Habitualmente consiste en celulosa hidrolizada de forma incompleta que toma la forma de agregados de nanof ibrillas que no forman fácilmente suspensiones liotrópicas. La celulosa microcristalina también se fabrica habitualmente usando ácido clorhídrico, lo que no resulta en ningún cambio superficial en las nanofibrillas.

El documento de Patente GB 1322723 describe en general que se pueden hilar fibras a partir de una suspensión que contiene fibrillas. Sin embargo, la suspensión que se usa en el documento de Patente GB 1322723 tiene un contenido de sólidos de un 3 % o inferior. Tal contenido de sólidos es demasiado bajo para que tenga lugar cualquier estiramiento. De hecho, el documento de Patente GB 1322723 enseña a añadir una cantidad considerable de espesante a las suspensiones. Se debería observar que el uso de un espesante podría evitar la formación de una suspensión liotrópica e interferir en el enlace de hidrógeno entre las fibrillas que es deseable para alcanzar una alta resistencia en la fibra.

Además, una suspensión de un 1-3 % de nanofibrillas de celulosa, particularmente si contiene un espesante, podría formar una fase isotrópica. El documento de Patente GB 1322723 no trata los problemas asociados con el uso de suspensiones de fibrillas concentradas y, en particular, el uso de suspensiones de fibrillas que son liotrópicas.

Sumario de la invención

Los inventores proporcionan un método que se puede usar para fabricar fibras de celulosa altamente cristalizadas usando, en particular, celulosa cristalizada de origen natural.

La presente invención se refiere a un método para la fabricación de fibras a base de celulosa, en particular fibras continuas, alineándose las nanofibrillas de celulosa a lo largo del eje principal de la fibra, a partir de una suspensión liotrópica de nanofibrillas de celulosa, consiguiéndose dicha alineación de nanofibrillas mediante la prolongación de la fibra extruida desde una boquilla, hilera o aguja, en el que dicha fibra se seca por prolongación y las nanofibrillas alineadas se agregan para formar una estructura continua y en el que la suspensión de nanofibrillas, que tiene un contenido de sólidos de al menos un 7 % en peso, se homogeneiza usando al menos un proceso de mezcla distributiva mecánica, tal como usando un molino de cilindros, antes de su extrusión.

Además, o alternativamente, la suspensión que no contiene fibrillas se puede calentar antes de su extrusión.

La mezcla se induce generalmente por acción mecánica o por cizalladura forzada o flujo elongacional del medio. En... [Seguir leyendo]

1. Método para el hilado de una fibra continua compuesta por nanofibrillas de celulosa que tienen una longitud en el intervalo de 7 a 1 nm, y que están alineadas a lo largo del eje principal de la fibra a partir de una suspensión liotrópica de nanofibrillas de celulosa, consiguiéndose dicha alineación de nanofibrillas mediante la extensión de la fibra extruida desde una boquilla, hilera o aguja, en el que dicha fibra se seca bajo extensión y las nanofibrillas alineadas se agregan para formar una fibra continua y en el que la suspensión de nanofibrillas, que tiene una concentración de sólidos de al menos un 7 % en peso, se homogeneiza usando al menos un proceso de mezcla mecánica distributiva y dispersiva antes de su extrusión.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichas nanofibrillas de celulosa se extraen de un material rico en celulosa tal como pulpa de madera o algodón y la suspensión de nanofibrillas se basa en agua.

3. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en el que dicho método comprende una etapa de extracción que comprende la hidrólisis de una fuente de celulosa con un ácido tal como ácido sulfúrico y dicha etapa de extracción comprende al menos una etapa de lavado para retirar el excedente de ácido.

4. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicha suspensión se homogeneiza antes de la concentración y el posterior hilado para dispersar agregados.

5. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicha suspensión se trata para ajustar el potencial zeta de dichas nanofibrillas, preferentemente hasta un potencial zeta promedio que varía de -6 mV a -2 mV, más preferentemente de -35 mV a -27 mV.

6. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicha suspensión es una suspensión concentrada de alta viscosidad.

7. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dicho proceso de mezcla mecánica distributiva y dispersiva es molienda en un molino de cilindros.

8. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que dicha suspensión comprende un nivel de sólidos concentrados que varía de un 1 a un 6 % en peso.

9. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la relación de estiramiento de dicho método de hilado es superior a 1,2, preferentemente en el intervalo de 2 a 2.

1. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde dicho método comprende el hilado de dicha suspensión en una fibra y en el que dicha fibra extruida está básicamente seca durante el hilado.

11. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 1 en el que la alineación de dichas nanofibrillas mejora con el uso de una boquilla hiperbólica diseñada para adaptarse a las propiedades reológicas de la suspensión.

12. Fibra a base de celulosa obtenida de acuerdo con el proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.

13. Fibra a base de celulosa de acuerdo con la reivindicación 12, que contiene al menos un 9 % en peso de celulosa cristalizada, preferentemente al menos un 95 % de celulosa cristalizada.

14. La fibra de la reivindicación 13, en donde dicha fibra comprende una microestructura altamente alineada o continua que proporciona dicha fibra con una resistencia a la tracción mínima de 2 cN/tex.

15. La fibra de las reivindicaciones 13 o 14 en la que dicha fibra tiene una densidad de masa lineal que varía de ,2 a 2 Tex.