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

Un método para el hilado de una fibra continua que comprende nano-fibrillas de celulosa que se alinean a lo largo del eje principal de la fibra a partir de una suspensión liotrópica de nano-fibrillas de celulosa,

consiguiéndose dicho alineamiento de las nano-fibrillas mediante la extensión de la fibra extrudida a partir de un troquel, hiladora o aguja, en el que dicha fibra se seca en extensión y las nano-fibrillas alineadas se agregan para formar una fibra continua.

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DESCRIPCIÓN

Proceso para la fabricación de fibras a base de celulosa y fibras obtenidas de este modo Campo de la invención La invención se refiere a la fabricación de fibras usando nano-fibrillas de celulosa, en particular nano-fibrillas de celulosa extraídas a partir de material celulósico tal como pulpa de madera.

Antecedentes de la invención La celulosa es un polímero de anhidroglucosa de cadena lineal con enlaces β 1-4. Una gran variedad de materiales naturales comprenden una alta concentración de celulosa. Las fibras de celulosa en su forma natural comprenden materiales tales como algodón y cáñamo. Las fibras sintéticas de celulosa comprenden productos tales como rayón (o viscosa) y una fibra de alta resistencia tal como Lyocell (comercializada con el nombre TENCELâ¢) .

La celulosa natural existe en forma amoría o cristalina. Durante la fabricación de fibras sintéticas de celulosa, la celulosa se transforma en primer lugar en celulosa amoría. Puesto que la resistencia de las fibras de celulosa depende de la presencia y orientación de cristales de celulosa, el material celulósico se puede recristalizar durante el proceso de coagulación para formar un material provisto con una proporción determinada de celulosa cristalizada. Dichas fibras siguen conteniendo una alta cantidad de celulosa amoría. Por tanto sería muy deseable diseñar un proceso para obtener fibras a base de celulosa que tengan un alto contenido de celulosa cristalizada.

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 nano-fibras o nano-fibrillas. Estas nano-fibrillas cristalinas tienen una alta resistencia a su relación ponderal que es aproximadamente el doble de la del Kevlar pero, actualmente, todo su potencial de resistencia es inaccesible a menos que estas fibrillas se puedan fusionar en unidades cristalinas mucho más grandes. Estas nano-fibrillas, cuando se aíslan de la planta o la célula de madera pueden tener una alta relación de aspecto y pueden formar suspensiones liotrópicas en las condiciones adecuadas.

Song, W., Windle, A. (2005) "Isotropic-nematic phase transition of dispersions of multiwall carbon nanotube" publicado en Macromolecules, 38, 6181-6188 han descrito el hilado de fibras continuas a partir de una suspensión de cristales líquidos de nanotubos de carbono que forman fácilmente una fase nemática (orden de orientación de largo alcance en un solo eje) . La estructura nemática permite una buena unión entre partículas dentro de la fibra. No obstante, las nano-fibrillas de celulosa natural, una vez extraídas de su material natural, generalmente forman una fase nemática quiral (una estructura nemática retorcida periódicamente) cuando la concentración de nano-fibrillas está por encima del 5-8 % aproximadamente y por tanto evitaría que las nano-fibrillas se orientasen completamente a lo largo del eje principal de una fibra hilada. Las torsiones en la estructura de las nano-fibrillas darán lugar a efectos inherentes en la estructura de la fibra.

En el artículo "Effect of trace electrolyte on liquid cr y stal type of cellulose micro cr y stals", Longmuir; (Letter) ; 17 (15) ; 4493-4496, (2001) , Araki, J. y Kuga, S. demuestran que la celulosa bacteriana puede formar una fase nemática en una suspensión estática después de 7 días aproximadamente. No obstante, este enfoque no es práctico desde el punto de vista industrial para la fabricación de fibras y se refiere específicamente a celulosa bacteriana que es difícil y cara de obtener.

Kimura y col., (2005) "Magnetic alignment of the chiral nematic phase of a cellulose microfibril suspension" Langmuir 21, 2034-2037 han informado del devanado de la torsión quiral en una suspensión de nano-fibrillas de celulosa usando un campo magnético rotatorio (5T durante 15 horas) para formar un alineamiento de tipo nemático. No obstante, este proceso no se podría usar en la práctica para formar fibras utilizables a nivel industrial.

El trabajo de Qizhou y col., (2006) "Transient rheological behaviour of lyotropic (acetyl) (ethyl) cellulose/m-cresol solutions", Cellulose 13:213-223, indica que cuando las fuerzas de cizallamiento son suficientemente altas, las nanofibrillas de celulosa en suspensión se orientan a lo largo de la dirección de cizallamiento. La estructura nemática quiral cambia a una fase de tipo nemática orientada a lo largo del flujo. No obstante, se ha observado que los dominios nemáticos quirales permanecen dispersos dentro de la suspensión. No se hace ninguna mención con respecto 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 suspension of elongated particles in pure straining motion", Journal of Fluid Mechanics, 46, 813-829, explora el uso de la reología por tracción para alinear una suspensión de partículas con forma cilíndrica (en este caso, fibras de vidrio) . Se ha demostrado que un incremento en la concentración, pero en particular un incremento en la relación de aspecto de las partículas con forma cilíndrica, produce un incremento en la viscosidad de elongación. No se hace ninguna mención en cuanto al potencial para devanar las estructuras nemáticas quirales presentes en la suspensiones de cristal líquido.

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La patente británica GB 1322723, presentada en 1969, describe la fabricación de fibras usando "fibrillas". La patente se centra principalmente en fibrillas inorgánicas tales como sílice y amianto, pero se hace referencia a la celulosa microcristalina como una alternativa posible, aunque hipotética.

La celulosa microcristalina tiene un tamaño de partícula mucho más grueso que las nano-fibrillas de celulosa. Normalmente consiste en celulosa hidrolizada de forma incompleta que adopta la forma de agregados de nanofibrillas que no forman fácilmente suspensiones liotrópicas. La celulosa microcristalina normalmente también se fabrica usando ácido clorhídrico que no produce carga superficial sobre las nano-fibrillas.

La patente de GB 1322723 describe de forma general que las fibras se pueden hilar a partir de una suspensión que contiene fibrillas. No obstante, las suspensiones usadas en la patente de GB 1322723 tienen un contenido de sólidos del 3 % o inferior. Dicho contenido de sólidos es demasiado bajo para que tenga lugar cualquier tipo de extensión. De hecho, la patente de GB 1322723 enseña cómo añadir una cantidad sustancial de espesante a las suspensiones. Cabe señalar que el uso de espesante impediría la formación de una suspensión liotrópica e interferiría con los puentes de hidrógeno entre las fibrillas que son deseables para conseguir una fibra de alta resistencia.

Además, una suspensión del 1-3 % de nano-fibrillas de celulosa, en particular una que contenga espesante, formaría una fase isotrópica. La patente de GB 1322723 no aborda los problemas relacionados con el uso de suspensiones concentradas de fibrillas, y en particular el uso de suspensiones de fibrillas que sean liotrópicas.

Sumario de la invención Ahora se proporciona 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 una fibra continua, que comprende las etapas de hilado de una fibra continua a partir de una suspensión liotrópica de nanofibrillas de celulosa, en la que dicha fibra comprende nano-fibrillas de celulosa alineadas a lo largo del eje principal de la fibra, dicho alineamiento de las nano-fibrillas que se consigue mediante la extensión de la fibra extruida desde un troquel o aguja y en el que dicha fibra se seca en la extensión y el agregado de nano-fibrillas alineadas forma una estructura continua.

La invención se refiere además a una fibra a base de celulosa que contiene un alto grado de celulosa cristalizada y que se puede obtener mediante el método de la invención. De acuerdo con una realización de la invención muy preferida, la fibra comprende una microestructura altamente alineada o continua que proporciona una alta resistencia a dicha fibra.

Extracción de las nano-fibrillas Es muy preferido que las nano-fibrillas de celulosa usadas en la invención se extraigan a partir de un material rico en celulosa.

Todos los materiales naturales a base de celulosa que contienen nano-fibrillas,... [Seguir leyendo]

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1. Un método para el hilado de una fibra continua que comprende nano-fibrillas de celulosa que se alinean a lo largo del eje principal de la fibra a partir de una suspensión liotrópica de nano-fibrillas de celulosa, consiguiéndose dicho alineamiento de las nano-fibrillas mediante la extensión de la fibra extrudida a partir de un troquel, hiladora o aguja, en el que dicha fibra se seca en extensión y las nano-fibrillas alineadas se agregan para formar una fibra continua.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichas nano-fibrillas de celulosa se extraen de un material rico en celulosa tal como pulpa de madera o algodón.

3. El método de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que dicha suspensión es de base acuosa.

4. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde dicho método comprende una etapa de extracción que comprende la hidrólisis de una fuente de celulosa con un ácido tal como ácido sulfúrico.

5. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicha etapa de extracción comprende al menos una etapa de lavado.

6. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicha etapa de extracción comprende al menos una etapa de separación para retirar los restos fibrilares después de, o en lugar de, dicha etapa de lavado y que se lleva a cabo por centrifugación o separación de fases.

7. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dicha suspensión se homogeneiza antes del hilado para dispersar los agregados.

8. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que dicha suspensión de fibra contiene nano-fibrillas de celulosa con un potencial Zeta medio que oscila entre -20 mV y -60 mV.

9. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que dicha suspensión contiene nano-fibrillas de celulosa con un potencial Zeta medio que oscila entre -30 mV y -35 mV.

10. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que dicha suspensión comprende un nivel de sólidos concentrados que oscila entre el 10 y el 60 % en peso.

11. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que la relación de extensión de dicha etapa de hilado es superior a 1, 2.

12. El método de acuerdo con la reivindicación 11, en el que dicha relación de extensión se selecciona para que esté en el intervalo de 2 a 20.

13. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que dicho método comprende el hilado de dicha suspensión en una fibra y en el que dicha fibra extruida se seca esencialmente durante el hilado.

14. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que el alineamiento de dichas nano-fibras se mejora con el uso de un troquel hiperbólico diseñado para igualar las propiedades reológicas de la suspensión.

15. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el que dicha suspensión es una suspensión concentrada de alta viscosidad.

16. Una fibra a base de celulosa obtenida de acuerdo con el proceso de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a

15.

17. Una fibra a base de celulosa que contiene al menos el 90 % en peso de celulosa cristalizada.

18. La fibra de la reivindicación 17, en la que dicha fibra comprende una microestructura muy alineada o continua que dota a dicha fibra de una resistencia a la tracción mínima de 20 cN/tex.

19. La fibra de las reivindicaciones 17 o 18, en la que dicha fibra comprende al menos el 95 % de celulosa cristalizada.

20. La fibra de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, en la que dicha fibra tiene una densidad de masa lineal que oscila entre 0, 05 y 20 Tex.