Verfahren zur Extraktion von Verunreinigungen aus natürlicher Zellulose

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft Verfahren zur Extraktion von Verunreinigungen aus natürlicher Zellulose, die als Linters, als Flocke, als Garn oder als Stückware vorliegt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zum Bleichen natürlicher Zellulose gemäß Anspruch 3 und zum gezielten Abbau des Polymerisationsgrades von natürlicher Zellulose gemäß Anspruch 14.

[0002] Zellulose, wie sie in der Textilindustrie verwendet wird, stammt entweder von den Samenhaaren der Baumwolle oder von den Bastfasern aus den Stengeln von Flachs, Hanf, Ramie und Jute. Aufgrund ihrer natürlichen Herkunft sind diese Zellulosefasern erheblich verunreinigt. Man findet Wachse, Hemizellulose, Proteine, Mineralsalze und Reste der Samen und Samenkapseln, bei den Bastfasern darüber hinaus Lignine. Der Durchschnittspolymerisationsgrad (DP-Wert) von Baumwolle liegt zwischen 2500 und 3000, der von unbehandeltem Flachs und Ramie zwischen 2500 und 3500.

[0003] Zellulose, wie sie in der Papierindustrie verwendet wird, stammt von Nadelhölzern, Laubhölzern, Stroh, Esparto, Jute, Manila, aber auch von Baumwolle. Auch diese Zellulose ist mit herkunftstypischen Fremdstoffen verunreinigt.

[0004] Neben den Fasern aus nativer Zellulose gibt es auch Fasern aus regenerierter Zellulose, die Viskose-Fasern. Dazu gehören Zellwolle und Reyon sowie als Spezialität die Modalfasern. Diese Fasern besitzen im Vergleich zu natürlichen Zellulosefasern einen niedrigen Polymerisationsgrad (DP-Wert) zwischen 250 und 300, maximal bis 800. Aufgrund ihrer regenerativen, d. h. künstlichen Herstellung sind diese Fasern jedoch praktisch frei von natürlichen Verunreinigungen.

[0005] Bevor Textilgut aus natürlichen Zellulosefasern veredelt, d. h. gefärbt und bedruckt werden kann, muß es vorbehandelt werden. Die Ware muß frei von Samenschalen sein. Die Zellulose soll einen möglichst hohen DP-Wert aufweisen und durch die Vorbehandlung nicht oxidativ geschädigt sein. Der Weißgrad muß genügend hoch sein, um die Reinheit speziell der hellen Farben nicht zu beeinträchtigen. Das Farbstoff-Aufnahmevermögen und die Saugfähigkeit der Ware müssen hoch und gleichmäßig sein.

[0006] Will man jedoch hochwertige Papiere auf der Basis von Zellulose herstellen, muß neben einer guten extraktiven Vorbehandlung ein kontrollierter Abbau der Zelluloseketten herbeigeführt werden.

[0007] Beim Vorbehandeln einer entschlichteten, stuhlrohen Webware aus Baumwolle müssen beispielsweise 8 bis 12 % natürliche Begleitstoffe der Baumwolle entfernt werden. Pro Tonne Baumwollgewebe muß also die die gewaltige Menge von 80 bis 120 kg Fremdsubstanzen aufgeschlossen, gelöst oder dispergiert und ausgewaschen werden. Hierzu werden große Mengen an Behandlungsflüssigkeit und Waschwasser benötigt.

[0008] Die Vorbehandlung von Zellulosefasern bzw. daraus bestehendem Behandlungsgut umfaßt die Verfahrensschritte Sengen, Entschlichten, eventuell Vorreinigen mit Säure, Behandeln mit Alkali oder Säure, Laugieren, Mercerisieren und Bleichen. Die vorliegende Erfindung betrifft die Verfahrensschritte Behandeln mit Alkali oder Säure, d. h. Abkochen bzw. Beuchen, und Bleichen.

[0009] Für das Vorbehandeln von natürlicher Zellulose in Form von Linters, Flocke, Kammzug, Kardenband, Wickel, Stranggarn, Maschenware und Gewebe steht eine Vielzahl von vertikal und radial sowie diskontinuierlich oder kontinuierlich arbeitenden, offenen und geschlossenen Apparaten zur Verfügung, die man mit den jeweils erforderlichen Einsätzen ausstatten kann.

[0010] Für das Vorbehandeln von Stückware sind kontinuierlich arbeitende Anlagen vorherrschend. In diesen Anlagen wird die Webware als Strang oder breit geführt, Wirkware im Strang oder im Schlauch behandelt. Bei der Breitführung sind faltenfreier Warenlauf und schonende Behandlung eher gewährleistet.

[0011] Die alkalische Extraktion, in Form des Abkochens oder Beuchens, ist ein sehr langwieriger Prozeß, der üblicherweise 1 bis 6 Sunden in Anspruch nimmt. Es wurde daher immer nach schnelleren Verfahren geforscht, was jedoch nur in begrenztem Umfang erfolgreich war.

[0012] Während Maschenware und Webware praktisch ausschließlich im alkalischen pH-Bereich vorbehandelt werden, ist bei der Vorbehandlung von Garnen häufig die saure Extraktion üblich. Verwendet werden schwache Säuren, beispielsweise Essigsäure, aber auch verdünnte Salzsäure. Bei der sauren Extraktion bleiben dann die natürlichen Wachse auf der Zellulosefaser zurück, was dem Garn gute Laufeigenschaften verleiht.

[0013] Bei der kontinuierlichen Breitbehandlung von Textilgut spielt die Verwendung von Dämpfaggregaten eine wichtige Rolle. Je nachdem, ob die Ware gebunden, geführt, abgelegt oder im Pack behandelt ist, werden Reaktionstemperaturen zwischen 100 und 135 Grad C und Reaktionszeiten bis 30 Minuten angesetzt.

[0014] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Extraktion von Verunreinigungen, gegebenenfalls einschließlich des Bleichens, aus natürlicher Zellulose, die als Linters, als Flocken, als aufgespulte Garne oder als Stückware auf dem Baum vorliegt, anzugeben, welches mit einem extrem kurzen Flottenverhältnis und mit extrem kurzen Behandlungszeiten zu einem optimalen Behandlungsergebnis führt.

[0015] Diese Aufgabe wird gelöst durch das gattungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1.

[0016] Durch die Evakuierung der Ware, die vorzugsweise trocken in den Kessel eingesetzt worden ist, durchdringt die Behandlungsflüssigkeit schnell, vollständig und vor allem gleichmäßig das Behandlungsgut. Der Kessel selbst bleibt praktisch flüssigkeitsfrei. Auf diese Weise bleibt die benötigte Flüssigkeitsmenge minimal, ebenso die benötigte Chemikalienmenge und die erforderliche Dampfmenge. Die Chemikalien selbst werden praktisch völlig genutzt. Dadurch werden die Kläranlagen und die Umwelt geschont.

[0017] Trotz des kurzen Flottenverhältnisses und der da raus resultierenden geringen Flüssigkeitsmenge und trotz des Vorliegens des Behandlungsgutes als kompakter Block sind die Verunreinigungen der natürlichen Zellulose praktisch restlos beseitigt. Bei strikter Einhaltung von sauerstofffreien Bedingungen, was durch die Evakuierung des Kessels sowie die Verwendung eines geschlossenen Kessels stark begünstigt wird, sinken die DP-Werte der Zellulose praktisch nicht.

[0018] Andererseits lassen sich durch die Verwendung von Sauerstoff in der Behandlungsflüssigkeit, vorzugsweise in Form von Peroxiden, die Molekülketten der Zellulose gezielt auf solche Werte verkürzen, wie sie für die Weiterverarbeitung, beispielsweise zu hochwertigem Papier, benötigt werden.

[0019] Erfahrungsgemäß genügt der nach der sauren, meist auch nach der alkalischen Extraktion der Verunreinigungen erreichte Weißgrad der Zellulosefasern noch nicht für die Weiterverarbeitung in der Textilindustrie, insbesondere zur Herstellung von ungefärbtem oder mit leuchtenden Farben gefärbtem Textilgut. In diesen Fällen wird ein Bleichschritt nachgeschaltet, wobei das Bleichen mit Peroxid die weiteste Verbreitung gefunden hat.

[0020] Überraschenderweise wurde festgestellt, daß die für die Extraktion beschriebenen Verfahrensschritte auch für das Bleichen des Textilgutes geeignet sind, wobei lediglich die Behandlungsflüssigkeit durch eine vorzugsweise peroxidhaltige, alkalische, gegebenenfalls schwach saure Bleichflüssigkeit ersetzt werden muß. Das Behandlungsgut kann nach dem der Extraktion folgenden Auswaschen im Kessel verbleiben, wird wieder evakuiert, mit Bleichflüssigkeit bei definiert kurzem Flottenverhältnis imprägniert, unter Überdruck gedämpft und schließlich wieder ausgewaschen.

[0021] Insgesamt ergibt sich so eine äußerst einfache und wirtschaftliche Steuerung der beiden Vorbehandlungsschritte bei minimaler Bewegung des Behandlungsgutes, minimalem Energie- und Materialaufwand und optimal gleichmäßigen Behandlungsergebnissen.

[0022] Vorteilhafterweise wird das Behandlungsgut auf ca. 0,1 bar evakuiert, und zwar sowohl vor der Extraktion als auch vor dem Bleichen.

[0023] Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird nach dem Imprägnieren des Behandlungsgutes mit der Behandlungs- bzw. Bleichflüssigkeit ein Teil derselben abgesaugt, vorzugsweise bis ein Flottenverhältnis von etwa 1 : 1 errreicht ist. Die abgesaugte Flüssigkeit kann in den Vorratstank zurückgeführt und wiederverwendet werden. Es hat sich gezeigt, daß bei einem Flottenverhältnis von 1 : 1 bis herunter zu 1 : 0,5 einwandfreie und völlig gleichmäßige Ergebnisse erzielt werden. Derartiges wurde bisher für unmöglich gehalten.

[0024] Zum Erwärmen des imprägnierten Behandlungsgutes und zum Aufbauen des Überdrucks und der Übertemperatur im Kessel wird, wie an sich bekannt, Sattdampf verwendet, um einerseits ein Übertrocknen des Behandlungsgutes, andererseits ein Verdünnen der Behandlungs- bzw. Bleichflüssigkeit zu vermeiden.

[0025] Vorteilhafterweise wird der Überdruck im Kessel größer als 1 bar bis zu 8 bar eingestellt, wobei Werte zwischen 2 und 4 bar bevorzugt sind, weil sich in diesem Bereich die größte Verfahrensbeschleunigung ergibt. Grundsätzlich lassen sich durch höhere Druck- und Temperaturwerte kürzere Reaktionszeiten erzielen. Da diese jedoch bereits zwischen nur 1 und 5 Minuten liegen, bringen Verkürzungen der Reaktionszeit keine wesentlichen Verkürzungen der Gesamt-Behandlungszeit mehr. Der wesentliche Zeitgewinn wird durch das Evakuieren der Ware und durch das kurze Flottenverhältnis erreicht.

[0026] Um die Zeitspanne, die benötigt wird, um das Behandlungsgut nach dem Imprägnieren auf Reaktionsdruck und -temperatur aufzuheizen, nach Möglichkeit weiter zu verkürzen, empfiehlt es sich, die Behandlungs- bzw. Bleichflüssigkeit vor dem Imprägnieren auf bis zu 90 Grad C zu erwärmen. Die Temperatur muß jedoch auch auf den Unterdruck im Kessel abgestimmt werden.

[0027] Anhand der nachfolgenden Verfahrensbeispiele und Rezepturen soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden.

[0028] In allen Beispielen werden Kessel und Ware auf ca. 0,1 bar evakuiert. Anschließend läßt man die definierte Menge der Behandlungs- bzw. Bleichflüssigkeit in die Ware einschießen. Gegebenenfalls wird ein Teil der Flüssigkeit wieder abgesaugt, bis das jeweils angegebene Flottenverhältnis erreicht wird. Das Auswaschen nach der Extraktion erfolgt in allen Fällen mit heißem Wasser, nach dem Bleichen auch mit kaltem Wasser.

Beispiel 1:

[0029] Vorreinigen von Baumwollgarn mit Essigsäure
3 ml/l Essigsäure 60 %ig
1 g/l Netzmittel ("Leophen U")
1 : 1 Flottenverhältnis
125 Grad C Behandlungstemperatur
3 min. Reaktionszeit

Beispiel 2:

[0030] Alkalische Extraktion von Baumwollgarn mit Natronlauge
5 bis 10 g/l Ätznatron
0,5 g/l Reduktionsmittel ("Rongalit C")
0,5 g/l Netzmittel ("Leophen U")
0,5 g/l Waschmittel-Netzmittel-Kombination ("Kieralon B")
1 : 1 Flottenverhältnis
3,5 bar Druck
5 min. Reaktionszeit

[0031] Nach beendeter Reaktionszeit wird zunächst nur der Dampf abgestellt. Sobald kein Überdruck mehr vorhanden ist, läßt man von oben zunächst heißes, dann warmes und schließlich kaltes Spülwasser zulaufen.

[0032] Nach dem Stand der Technik beträgt bei Anwendung der genannten Rezeptur die Behandlungszeit 4 bis 6 Stunden.

Beispiel 3:

[0033] Alkalische Extraktion von Baumwoll-Flocke im Packapparat
10 g/l Ätznatron
3 g/l Dispergier-Emulgier-Sequestrier-Reduziermittel-Kombination ("Lufibrol KB 74")
1 g/l Netzmittel ("Leophen U")
1 : 1,5 Flottenverhältnis
130 Grad C Reaktionstemperatur
3,5 min Reaktionszeit

[0034] Nach dem Stand der Technik beträgt bei Anwendung der genannten Rezeptur die Behandlungszeit ca. 1 Stunde.

Beispiel 4:

[0035] Alkalische Vorbehandlung von Stückware aus Baumwolle mit Polyester im Stückbaum-Autoklaven
30 g/l Ätznatron
9 g/l Dispergier-Emulgier-Sequestrier-Reduziermittel-Kombination ("Lufibrol KB 74")
2 g/l Netzmittel ("Leophen U")
1 : 1 Flottenverhältnis
130 Grad C Reaktionstemperatur
4 min. Reaktionszeit

Beispiel 5:

[0036] Alkalische Vorbehandlung von Baumwoll-Gewebe im
Stückbaum-Autoklaven
50 g/l Ätznatron
12 g/l Dispergier-Emulgier-Sequestrier-Reduziermittel-Kombination ("Lufibrol KB 74")
0,5 g/l Netzmittel ("Leophen U")
1 : 1 Flottenverhältnis
40 Grad C Imprägniertemperatur
132 Grad C Reaktionstemperatur
4 min. Reaktionszeit.

[0037] Das Auswaschen muß möglichst heiß durchgeführt werden.

[0038] Nach dem Stand der Technik beträgt bei Anwendung der genannten Rezeptur die Behandlungszeit ca. 1 Stunde, die Imprägniertemperatur 60 - 95 Grad C.

Beispiel 6:

[0039] Peroxidbleiche von Baumwoll- bzw.
Baumwoll-Polyester-Kreuzspulen
25 ml/l Wasserstoffperoxid 35 %ig
5 ml/l Wasserglas
10 g/l Peroxid-Stabilisator ("Prestogen P")
3 g/l Ätznatron
2 g/l Netzmittel ("Leophen U")
20 Grad C Imprägniertemperatur
130 Grad C Reaktionstemperatur
3 min. Reaktionszeit

Beispiel 7:

[0040] Schwachsaure Peroxidbleiche von Kreuzspulen oder Stückbaum
5 ml/l Wasserstoffperoxid 35 %ig
3 g/l Peroxid-Stabilisator für schwachsaure Bleiche ("Prestogen SP")
0,5 g/l Netzmittel ("Leophen U")
pH-Wert maximal 7,5 bei Weißware
pH-Wert maximal 7,0 bei Farbware
1 : 1,2 Flottenverhältnis
125 Grad C Reaktionstemperatur
4 min. Reaktionszeit

[0041] Nach dem Stand der Technik beträgt bei Anwendung der genannten Rezeptur die Behandlungszeit ca. 1 Stunde.

Beispiel 8:

[0042] Alkalische Vorbehandlung von Baumwoll-Linters
8 g/l Ätznatron
3 g/l Dispergier-Emulgier-Sequestrier-Reduziermittel-Kombination ("Lufibrol KE")
1 g/l Waschmittel-Netzmittel-Kombination ("Kieralon CD")
0,5 g/l Netzmittel ("Leophen M")
0,8 Flottenverhältnis
130 Grad C Reaktionstemperatur
5 min. Reaktionszeit

[0043] Es wurde eine Abnahme des DP-Wertes beobachtet.

[0044] Nach dem Stand der Technik beträgt bei Anwendung der genannten Rezeptur die Behandlungszeit ca. 2 Stunden.

Beispiel 9:

[0045] Peroxidbleiche von Baumwoll-Linters
6 ml/l Wasserstoffperoxid 35 %ig
1 ml/l Wasserglas
1,5 ml/l Peroxid-Stabilisator (Prestogen PL")
1 g/l Waschmittel-Netzmittel-Kombination ("Kieralon CD")
1,5 g/l Ätznatron
1 : 2 Flottenverhältnis
138 Grad C Reaktionstemperatur
4 min. Reaktionszeit

Ansprüche

1. Verfahren zur Extraktion von Verunreinigungen aus natürlicher Zellulose, die als Linters, als Flocke, als Garn in Form von Kettbäumen oder Kreuzspulen oder als Stückware auf dem Baum vorliegt, wobei das Behandlungsgut mit einer Behandlungsflüssigkeit, der Lauge oder Säure und gegebenenfalls weitere Chemikalien - Dispergiermittel, Emulgiermittel, Netzmittel, Sequestierungsmittel und/oder Antioxidantien bzw. Oxidantien - zugegeben sind, imprägniert, bei Temperaturen oberhalb 100 Grad C im geschlossenen Kessel gedämpft und anschließend heiß ausgewaschen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Behandlungsgut nach dem Einsetzen in den Kessel evakuiert wird, daß anschließend die Behandlungsflüssigkeit in das Behandlungsgut strömt, wobei ein Flottenverhältnis von kürzer als 1 : 3 eingehalten wird, daß daraufhin Sattdampf durch das Behandlungsgut strömt, bis im Kessel ein Überdruck von maximal 8 bar erreicht ist, und daß das Behandlungsgut für 1 - 5 Minuten bei dem erreichten Druck gehalten wird, bevor der Kessel entspannt und der Waschvorgang eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behandlungsflüssigkeit Sauerstoff-abspaltende Chemikalien, insbesondere Peroxide, zugegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das im Kessel befindliche Behandlungsgut nach dem Auswaschen ein zweites Mal evakuiert wird, worauf eine Bleichflüssigkeit in das Behandlungsgut strömt, wobei ein Flottenverhältnis von kürzer als 1 : 3 eingehalten wird, daß daraufhin Sattdampf durch das Behandlungsgut strömt, bis im Kessel ein Überdruck von maximal 8 bar erreicht ist, und daß das Behandlungsgut für 1 - 5 Minuten bei dem erreichten Druck gehalten wird, bevor der Kessel entspannt und ein weiterer Waschvorgang eingeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Behandlungsgut auf ca. 0,1 bar evakuiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Imprägnieren ein Teil der Behandlungsflüssigkeit bzw. der Bleichflüssigkeit abgesaugt wird, bis ein Flottenverhältnis von etwa 1 : 1 erreicht ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die abgesaugte Flüssigkeit wiederverwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Überdruck im Kessel größer als 1 bar eingestellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Überdruck im Kessel zwischen 2 und 4 bar, vorzugsweise zwischen 2 und 3 bar, eingestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Flottenverhältnis zwischen 1 : 0,5 und 1 : 3, vorzugsweise auf ca. 1 : 1 eingestellt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungsflüssigkeit bzw. die Bleichflüssigkeit vor dem Imprägnieren auf bis zu ca. 90 Grad C erwärmt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß heiß oder kalt nachgewaschen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit Peroxid gebleicht wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch Peroxidzusatz der DP-Wert der Zellulose gezielt herabgesetzt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Behandlungsgut trocken in den Kessel eingesetzt wird.