制造纤维素纤维的方法 本发明涉及制造lyocell型纤维素纤维的方法，该方法通过用干/湿纺丝法对纤维素在含水氧化叔胺中的可纺丝溶液进行加工。
在最近的几年里，曾公开过许多用来替代粘胶法的方法，在这些方法中，纤维素不经生成衍生物就溶解在有机溶剂、有机溶剂与无机盐的组合或含水盐溶液中。由此种溶液制造的纤维素纤维已由BISFA(“国际人造丝及合成纤维标准协会”)赋予属名“lyocell”。根据BISFA的定义，术语“lyocell”是指用纺丝方法从有机溶剂中获得的纤维素纤维。根据BISFA的定义，术语“有机溶剂”是指由有机化合物与水组成的混合物。
然而迄今，从真正实现工业化的意义上，只有一种制造lyocell型纤维素纤维的方法被人们所接受。该方法所优选使用的溶剂是N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)。在本专利说明中，缩写“NMMO”被用来替代术语“氧化叔胺”，其中术语NMMO还进一步指N-甲基吗啉-N-氧化物。后者是目前优选使用的。
氧化叔胺作为纤维素的替代溶剂早已为世人所知。例如，由美国专利2,179,181得知，氧化叔胺具备不需要让高级化学浆粕先生成衍生物就可将其溶解，而从这些溶液中通过沉淀可获得诸如纤维之类的纤维素模塑体。美国专利3,447,939、3,447,956及3,508,941描述了另一些制备纤维素溶液的方法，其中以环状胺氧化物作为优选的溶剂。在所有这些方法中，纤维素都是在高温下进行物理溶解。
本申请人在EP-A-O356419中提出了一种优选在薄膜处理设备中实施的方法，在该设备中，将一种粉碎的浆粕在含水氧化叔胺中地悬浮体扩散成薄层的形式并沿着加热表面前进，其间该薄层的表面暴露在真空之中。随着悬浮体沿加热表面前进，水不断蒸发掉，纤维素就变得可溶了，以致使可纺丝的纤维素溶液由薄膜挤出机挤出。
例如，由US-A-4,246,221专利得知一种将纤维素溶液纺成丝的方法。按照这种方法，纺丝溶液经过喷丝头挤出单丝或丝束，它们经过空气隙进入凝固浴，在凝固浴中，纤维素沉淀出来。丝束在空气隙中受到拉伸，从而赋予纤维诸如改善的强度之类有利的物理性能。通过纤维素在凝固浴中的沉淀，上述有利的物理性能便得到固定，因此不再需要进一步的拉伸。此种方法通常被称之为干/湿纺丝法。
按照US-A-4,144,080，初生的丝束可在空气隙中以空气冷却。还建议，以沉淀剂润湿丝束的表面以减少单丝之间相互粘连的危险。但是，此种润湿的缺点是，丝表面的纤维素会发生沉淀，使得用拉伸调节纤维性能变得更加困难。
EP-A-O648808描述了一种纤维素溶液的成形方法，溶液的纤维素组分包括：由平均聚合度(DP)在500～2000的纤维素组成的第一成分，以及第二成分，由DP小于第一成分DP的90％的纤维素组成，在350～900的范围。第一与第二成分的重量比应在95∶5～50∶50。
本申请人的WO93/19230改进了干/湿纺丝法并提高了其生产率。这是通过一种采用惰性冷却气体给予一定量的吹风起作用的，在该方法中，规定冷却装置直接设在喷丝头的下方。采用这种方式，就有可能显著减少初生挤出丝的粘性，从而纺出密度更大的丝幕，即可采用纺丝孔排列密度高的喷丝头，其数值高达1.4孔/mm2，自然，这样一来，干/湿纺丝法的生产率也可大大提高了。用于冷却初生挤出丝的空气温度在-6℃～+24℃。
本申请人的WO95/02082也同样描述了干/湿纺丝法。这种方法采用的冷却气体温度在10℃～60℃。所提供的冷却气体湿度在20gH2O～40gH2O/kg。
本申请人的WO95/01470及WO95/04173描述了一种分别采用孔密度为1.59孔/mm2的喷丝头以及总共有15048孔的喷丝头的纺丝方法。在两种中的每一种情况下，冷却气体温度均为21℃。
WO94/28218，大致地说，建议采用500～100,000孔的喷丝头。冷却气体的温度在0℃～50℃。本领域技术人员可从该文献中归纳出，湿度在5.5gH2O～7.5gH2O/kg空气。因此，这就在空气隙内造成了较为干燥的空气。
WO96/17118也提及充斥在空气隙中空气氛，据称该空气必须尽可能干燥，即在0.1gH2O～7gH2O/kg空气，相对湿度小于85％。所建议的冷却风温度为6℃～40℃。因此，本领域技术人员从该文献中能够领悟到，该纺丝期间的气氛须尽可能维持干燥。
这一点，从WO96/18760中也可以看出，该文献建议，空气隙内的温度保持在10℃～37℃，相对湿度在8.2％～19.3％，这意味着1gH2O～7.5gH2O/kg空气。
此外，本申请人的WO96/20300描述了具有28392个纺丝孔的喷丝头的使用。空气隙内的空气温度为12℃，湿度，5gH2O/kg空气。因此，从该文献中也可领悟到，这方面的趋势是将空气隙内的空气事先保持干燥和冷却的状态，尤其当采用纺丝孔数目大大增加的喷丝板，即当纺制排列较密的丝幕时。
WO96/21758同样涉及空气隙内气氛的调节问题，提出使用不同冷却风的二步吹风技术，其中在空气隙的上部区域采用湿度较小和温度较低的吹风。
采用低湿度空气的一个缺点在于，调节到这样的空气状态只有付出一定的成本为代价方能做到。为了给胺氧化物过程提供大量的低湿度冷却风，需要相当多的技术上开支。
而且，还发现，随着冷却风穿丝幕吹过，它会变得越来越热，越来越湿，原因在于从喷丝头喷出的初生纤维温度在100℃以上，且含水约10％，因此要向冷却风中放出热量和湿气。本申请人从实践中发现，由于丝幕非常密，像这样越积越多的水进入会导致出现这样的情况：所需要的空气只有通过技术上复杂的吹风装置方能得到调节，不采用这样的装置，就无法进一步提高丝束的密度。
为此，本发明的目的在于消除上述缺点，并从而提供一种按照干/湿纺丝法加工纤维素在含水氧化叔胺中的可纺丝溶液，以制造属名为lyocell纤维素纤维的方法。它允许在侧吹风不需要是干燥的条件下纺出大密度的丝幕。尽管在这种条件下，本发明方法的实施仍能够实现良好的可纺性，其中可达到的最低纤度越细，被认为，可纺性越好(见下文)。
在文章开头所定义的那种方法中，上述目的是这样达到的：用于纺丝的溶液中含有以溶液质量为基准，在0.05％(质量)～0.70％(质量)，尤其是0.10～0.55％(质量)，优选在0.15～0.45％(质量)之间的分子量至少是5×105(=500,000)的纤维素和/或其它聚合物。
分子量是按照下文所描述的色谱法测定的。在本发明的专利申请中，按照下文所述色谱法进行的测定中发出对应于至少5×105分子量信号的纤维素分子或其他聚合物分子，被称之为长链分子。
本发明建立在这样一种认识的基础上，即在上面规定的浓度范围内，长链纤维素分子和/或其他聚合物按所指出的含量范围在纺丝溶液中的存在，能够使纺丝性能改善到允许采用不需要干燥的侧吹风的程度。从而，即使对非常致密的丝幕吹风时，甚至处于丝幕更外侧的区域也能保证良好的可纺性，因而只要用“用过的”，即被相当程度加热和变湿的吹风空气也能达到目的。
对本发明至关重要的是，在临纺丝之前的纺丝溶液中必须存在上面所规定含量的长链纤维素分子。因为，如众所周知，纺丝溶液中的纤维素分子链会逐渐降解，因此，在制备纺丝溶液时就必须预先尽量提供含量足够大的长链分子，以便使从纺丝溶液制备到实际进行纺丝这段时间纤维素的降解不致这样大，使该含量降低到按照本发明的最低含量，即0.05％(质量)以下的程度。这已表明，当采用湿侧吹风或在空气隙内维持湿气氛时，若长链分子在原液中的含量低于0.05％(质量)，可纺性将显著恶化。
另一方面，若长链分子浓度高于0.70％(质量)，则可纺性也会显著恶化。这一点对潮湿或干燥吹风纺丝来说都是如此。
本发明方法优选使用在纺丝溶液中具有规定长链分子含量的浆粕混合物。
就此而论，同样令人惊奇的是，采用包含这样的浆粕混合物纺丝原液进行纺丝，所制成的纤维具有较低的原纤化倾向。这种效应，当在空气隙内采用较高湿度的空气时甚至表现得更加明显。
N-甲基吗啉-N-氧化物业已验证是最有效的氧化叔胺。
本发明还涉及一种纤维素在含水氧化叔胺中的可纺丝溶液在制造最高1dtex的纤维素纤维中的应用，该溶液包含，以溶液质量为基准，0.05～0.70％(质量)，尤其是0.10～0.55％(质量)，优选在0.15～D.45％(质量)分子量至少是5×105的纤维素。此种lyocell纤维是新的。
本发明还涉及一种lyocell型纤维素纤维，其特征在于，它可以由本发明方法获得。
本发明还涉及一种lyocell型纤维素纤维，其特征在于，它显示出最高1dtex的纤度。
本发明纤维的优选实施例包含，以纤维素纤维质量为基准，0.25～7.0％(质量)，尤其是1.0～3.0％(质量)分子量至少是5×105的纤维素。
本发明纤维的另一优选实施例是短纤维。
此外，本发明进一步涉及一种按照干/湿纺丝法加工纤维素在含水氧化叔胺中的可纺丝溶液，以制造lyocell型纤维素纤维的方法，该方法的特征在于，
(1)用于纺丝的溶液中分子量至少是5×105的纤维素的含量，以溶液质量为基准，在0.05％(质量)～0.70％(质量)之间，尤其是0.10～0.55％(质量)，优选在0.15～0.45％(质量)；以及
(2)纺丝所使用的喷丝板有10,000个喷丝孔，喷丝孔的排列方式为：相邻喷丝孔的间距最大为3mm；喷丝孔的线密度至少是20。
术语“线密度”是本申请人定义的一个关键数值，表示侧吹风所吹过的每毫米丝幕的纤维根数。线密度可通过将喷板的喷丝孔总数除以所谓的入流面积(单位，mm2)再乘上空气隙的长度(单位mm)计算出。“入流面积”是与纺丝浴表面成直角的一块面积，该面积由空气隙(mm)与由吹过的气体首先接触到的那一排丝构成的；和相应的喷丝板的“一排孔”和由其形成的线(总长度mm)。为清楚起见，参考图3。
图3用示意图画出一个矩形喷丝板1，它有纺丝孔2，由纺丝孔挤出丝束3。空气隙的长度标为“l”。穿过空气隙之后，丝束3进入凝固浴(未画出)。在图3中，只画出了空气隙内的那部分丝束。
入流面积是空气隙长度“l”与第一排丝束的宽度“b”的数学乘积。于是，线密度由下面的数学关系式给出：
下面，将更详细地说明本发明。
1．测定浆粕分子量分布曲线的一般方法
浆粕的分子量分布曲线可通过凝胶渗透色谱法(GPC)获得，其中以“微分重量分数”(％)作为纵座标，对分子量[g/mol；按对数标绘]作图。
图中，数值“微分重量分数”表示摩尔质量分数的百分频率。
为了按GPC进行分析，把浆粕溶解在二甲基乙酰胺/LiCl中并进行色谱测定。检测采用折射指数测定及所谓“MALLS”(=多角度激光散射)测定来实现(HPLC(高压液相色谱)泵：由Kontron提供；样品收集器：HP1050，惠普公司提供；洗脱液：9g LiCl/L DMAC；RI(折射率)检测器：F511型，由ERC提供；激光波长：488nm；增量dn/dc:1.36ml/g；评估软件：Astra3d,4.2版，由Wyatt公司提供；色谱柱材料：4个柱，300mm×7.5mm，填料：PL Gel20μ-Mixed-A，由Polymer-Laboratories提供；样品浓度：1g/l洗脱液；注入体积：40μl，流速1ml/min。
测试仪器采取本领域技术人员熟知的措施进行标定。
信号评价按照Zimm的方法进行，其中Zimm的公式，根据情况的需要，应用评估软件予以校正。
1.1.浆粕分子量分布曲线
图1a以实例方式展示了Viscokraft LV浆粕(InternationalPaper公司出品)的分子量分布曲线。图1a的曲线显示，这种浆粕大部分由分子量约100,000的分子组成，且该浆粕实际上不含有分子量超过500,000的部分(仅约0.2％)。因此，单独由此种浆粕在含水胺氧化物中15％的纤维素溶液(=纺丝原液)(制备方法，见下文)，不相当于本发明应用的原液。
作为比较，图1b表示Alistaple LD9.2浆粕(Western Pulp公司出品)的分子量分布曲线。采用这种浆粕，摩尔质量频率最大值大约为200,000，同时该曲线还表明，这种特定的浆粕含有高百分率(约25％)的分子量大于500,000的分子。仅包含15％此种类型浆粕的(质量)纺丝原液含有约4％(与溶液质量有关；但未考虑溶液制备期间的降解)分子量大于500,000的纤维素分子，因此也不符合本发明所使用的原液条件。
图1c表示70％Viscokraft LV与30％Alistaple LD9.2的浆粕混合物分子量分布曲线。对于这种浆粕混合物，最大值大约为100,000，同时该曲线还显示出，此种浆粕混合物包含约7％分子量超过500,000的分子部分。
含有15％此种混合物的纺丝原液--倘若不考虑溶液制备期间的分子降解--就将包含大约1％(与溶液质量有关)分子量超过500,000的纤维素分子。然而，如上面已经提到那样，当溶解于含水胺氧化物这段期间，纤维素分子必然要降解，以致使，长链分子的含量将降低，由所述混合物制备的原液所包含的长链分子部分比这还要显著地降低。这一点表示在图1d中，该图描绘出临纺丝之前由纺丝原液沉淀出的浆粕，按GPC标绘的分子量分布曲线。该纺丝原液是临要纺丝之前的纤维素溶液，其中仅剩下0.4％(质量)长链分子，因此是符合本发明使用的纤维素溶液。
Solucell400型浆粕(生产单位：Bacell SA，巴西)显示出适合生产符合本发明的纤维素溶液的分子量分布。
2．纺丝原液(纤维素在含水氧化叔胺中的可纺丝溶液)制备
粉碎浆粕或粉碎浆粕的混合物，被悬浮在捏合机(型号：IKA-Laborkneter HKD-T,IKA-labortechnik公司制造)中的50％NMMO水溶液中，并浸渍1h。随后，用维持在130℃温度的加热介质加热捏合机并减压以使水蒸发，直至浆粕完全溶解到溶液中。
3．溶液的纺丝及最大拉伸速率或最小纤度的测定(可纺性)
作为纺丝设备，采用通常在塑料加工中使用的熔流指数仪，Davenport公司制造。该设备由可加热、温控的铜制圆筒组成。将原液倒入该圆筒内。借助一定重量荷载的活塞，使原液经过安装在钢制圆筒底表面的喷丝头挤出，该喷丝头上开有一个直径100μm的孔。
在该试验中，将置于该纺丝设备中的原液(纤维素含量：15％)经过该喷丝头孔挤出并通过长度为3cm的空气隙，然后进入含水凝固浴中，转向，通过设置在离开凝固浴以后的导丝盘拖出，借此也实现了拉伸。原液通过喷丝头的排出量是0.030g/min。喷丝温度是80℃～120℃。
用最低可纺纤度来模拟纺丝性能。为此目的，通过不断提高拉伸速度直至丝束断裂来测定最大拉伸速率(m/min)。记录下该速度，并由此根据下面的公式算出纤度。最大拉伸速率的数值越高，纺丝性能或可纺性就越好。
已知最高拉伸速度，可按照以下通式计算纤度： 式中K是纤维素浓度，％(质量)；A是原液排出量，g/min；G是拉伸速率，m/min；L是喷丝头的纺丝孔数目。在下面的实例中，纤维素浓度是15％；A=0.030g/min；L=1。
4．空气隙内的侧吹风
对空气隙内丝束的侧吹风是通过这段丝束的整个长度并垂直于丝束进行的。空气的湿度通过恒温装置予以调节。
5．纤维素溶液的纺丝性能
5.1长链分子比例过低(＜0.05％(质量))的纤维素溶液
按照上面规定的操作方法，采用Viscokraft LV浆粕(International Paper公司出品)，其分子量分布曲线用图1a表示，制备了原液，将所述原液在不同的空气隙湿度下纺丝，在纺丝期间，测定最高拉伸速率和最小可纺纤度。结果见表1。
在表1中，“温度”指原液温度，℃；“湿度”指空气隙内的空气湿度，gH2O/kg空气；“最高拉伸速度”指以m/min为单位的最高拉伸速率。纤度按上面给出的公式计算，单位为dtex。表1
浆粕 温度 湿度 最高拉伸速度 纤度Viscokraft LV
同上 115 0 176 0.31
同上 115 20 99 0.55
同上 115 48 63 0.86
同上 120 0 170 0.32
同上 120 22 83 0.66
同上 120 47 52 1.05
表1中所示结果表明，随着空气隙内湿度的增加，最高拉伸速率和最小纤度分别降低和增加。这意味着，该浆粕的溶液的可纺性，由于实际上不存在长链部分，故随着空气隙内湿度的增加而恶化。
5.2.长链分子比例过高(＞0.70％(质量))的纤维素溶液
按照上面描述的操作方法，采用Alistaple LD9.2浆粕(WesternPulp公司出品)，其分子量分布曲线见图1b，制备了原液，将所述原液在不同的空气隙湿度下纺丝，在纺丝期间，测定最高拉伸速率和最小可纺纤度。获得了相反的结果：空气隙内湿度较高时的可纺性略好于湿度较低时的可纺性。然而，此种原液的可纺性总的来说是显著较差的，如同可从最小纤度明显看出那样，原因就在于高分子成分含量太高。
5.3.长链分子比例不同的纤维素溶液的纺丝性能
按照上面描述的操作方法，制备了包含15％(质量)的由30％Alistaple LD9.2与70％Viscokraft LV的混合物组成的纺丝原液。临纺丝之前，该浆粕混合物所显示出的分子量分布如图1d所示。原液在120℃的温度、不同的空气隙内湿度下进行纺丝。上述试验的结果见下表2：
表2
浆粕混合物 湿度 最高拉伸速度 纤度(Alistaple/Viscokraft)
30/70 30 116 0.47
30/70 50 118 0.46
30/70 70 127 0.43
由该表中可清楚地看出，不同于包含15％Viscokraft浆粕的原液，不再有随空气隙内湿度增加可达到的最小纤度恶化的现象，实际上可达到的最小纤度反而略有改善。而且，可达到的纤度与包含15％Alistaple浆粕相比也有显著降低。还可以看出，本发明原液的可纺性对于空气隙内的湿度表现出相对的独立性。
在多次纺丝试验中，其中使用了上述或类似的浆粕混合物，并在纺丝期间获得了符合本发明组成的纺丝原液，本发明人观察到，如此制备的纤维的原纤化倾向，比未按照本发明制备的纤维的原纤化倾向要小。在这方面，在这样按本发明的原液进行纺丝期间，如此制备的纤维的原纤化倾向随着空气隙内湿度的增加而进一步减少。
图2表示各种不同长链分子比例的纤维素溶液的纺丝性能，其中以最小纤度(dtex)作为纵座标，而横座标则为相应纤维素溶液中分子量至少是500,000的纤维素分子的含量。这些含量是在临纺丝之前测定的。
通过将适当数量的Alistaple LD9.2混入到Viscokraft LV中，调整了长链分子的比例。在所有情况下，溶液中纤维素含量均为15％(质量)。
对每种纤维素溶液，在空气隙内湿度为30gH2O(曲线”a”)和0gH2O(干燥)(直线“b”)的2种条件下分别测定了纺丝性能。
从图2可以看出：
-可纺性与长链分子含量之间存在一定联系；
-若空气隙内是干燥空气(直线“b”)，则可纺性将随着长链分子浓度的降低，沿着大致线性的方式改善；
-若空气隙内是湿空气(曲线“a”)，则可纺性最初随着长链分子含量的降低而越来越好，但是，自大约0.25％(质量)起如继续降低，则又开始恶化，而当降低到0.05％(质量)以下，恶化的情况尤其显著。
在图2中，本发明的范围(0.05～0.70％(质量))已在图中标明。在该范围内，最小纤度仅在约0.4dtex与0.75dtex的范围内变化，即不论空气隙内的湿度如何。这意味着，在这一范围内，可纺性实际上与空气隙内的湿度无关，而且，长链分子含量落在本发明中标出的含量范围的原液能够纺成高密度丝幕，纺丝期间空气湿度对可纺性实际上没有消极影响，这样就避免了对成本高昂的侧吹风空调处理的需要。
通过广泛的试验，本申请人确认，按照这样的方式，可纺出高线密度丝幕，即线密度至少是20，纺出的丝束随后接受常规空气的吹风。
6．由按本发明和不按本发明的纤维素溶液制造的纤维的原纤化性能
按照第2节中所描述的方法制备了总纤维素浓度为15％(重量)的纤维素溶液。
作为纤维素原料，采用了如下的浆粕和浆粕混合物：
1)Viscokraft(100％)
2)Vicokraft(85％)与Alistaple LD9.2(15％)
含100％Viscokraft LV纤维素材料的纤维素溶液，在纺丝之前不符合按照本发明使用的纤维素溶液。
含85％Viscokraft LV和15％Alistaple LD9.2纤维素材料的纤维素溶液，在纺丝之前则符合按照本发明使用的纤维素溶液。
由这2种纤维素原液，按照第3节中所描述的方法制备了纤维。在分开进行的单个试验中，采用不同湿度的空气吹拂空气隙内的丝束(参见4)，而所有其他参数则维持不变。对如此制备的纤维按照以下的试验方法测定了原纤化倾向。
对原纤化的测试：
按照下述试验方法模拟了纤维在湿的状态下整理过程及在洗涤过程中彼此的摩擦：8根长20mm的纤维被加入到盛有4mL水的20mL试样瓶中，并置于Gerhardt公司(波恩(联邦德国))制造的R0-10型实验室振动器上，设定在第12级，摇动9h。然后，在显微镜下数出每0.276mm纤维长度上原纤(细丝)的根数，以此来评价纤维的原纤化性能。
结果：
按照上述规范测定的原纤化性能见下表： 正常使用的浆粕纤度(dtex)吹风湿度(gH2O/kg空气)原纤维数 100％Viscokraft LV 1.7 10 ＞50 15％Alistaple LD9.2 85％Viscokraft LV 1.7 10 24 15％Alistaple LD9.2 85％Viscokraft LV 1.7 20 12
从表中很容易看出，由组成符合本发明规定的纤维素溶液制造的纤维，比由组成不符合本发明规定的纤维素溶液制造的纤维，在原纤化倾向上来得低。而且，从该表还可以看出，由组成符合本发明的纤维素溶液制造的纤维，当采用湿度较高的空气吹拂丝束时，原纤化倾向甚至进一步降低。