ВОЛОКНИСТАЯ МОНОНИТЬ
FIBROUS MONOFILAMENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к волокнистой мононити, содержащей волокна древесной массы.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В текстильной промышленности есть несколько по существу различных типов пряжи.
Наиболее распространенными являются виды пряжи, которые представляют собой тонкие шнуры, содержащие скрученные волокна определенной длины, например - хлопковые, шерстяные или другие натуральные волокна или синтетические штапельные волокна, изготовленные из полиэфира, нейлона или других синтетических полимеров.
Также распространенными являются волоконные пряжи, которые состоят из пучков бесконечных волокон. Типичными примерами являются пряжи, содержащие натуральные волокна, например - шелковые, или искусственные волокна, такие как полиэфир, нейлон, вискоза или лиоцелл.
Еще одним типом пряжи является бумажная пряжа, которую производят из бумажных листов. Бумагу нарезают в виде длинных, узких лентовидных полос, которые скручивают на специальном прядильном устройстве. Бумажную пряжу сматывают в большие мотки и подвергают последующей обработке в соответствии с желаемыми конечными свойствами (гидрофобность, цвет, трение и т.п.) пряжи. В заключение пряжу наматывают на потребительские бобины меньшего размера. Это означает, что под микроскопом бумажная пряжа имеет ту же структуру, что и бумага, то есть ее можно раскрутить с получением тонких полосок бумаги. Достигнутые свойства бумажной пряжи могут ограничивать ее применение и прикладные задачи. Например, многослойная или складчатая структура обеспечивает повышенное смачивание за счет капиллярных сил между слоями. Складчатая структура является пористой, то есть структура содержит промежутки между слоями бумаги, что повышает жесткость и толщину бумажной пряжи.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить волокнистые мононити, обладающие свойствами, подходящими для разнообразных применений. Такие свойства, как прочность и толщина, могут влиять на возможности использования волокнистой мононити.
Аспекты настоящего изобретения включают волокнистую мононить, содержащую волокна древесной массы. В дополнение или альтернативно могут быть использованы другие натуральные целлюлозные волокна и их смеси с синтетическими или искусственными целлюлозными волокнами.
Согласно аспекту настоящего изобретения волокнистая мононить содержит по меньшей мере 30 мас.% натуральных древесных целлюлозных волокон. Натуральные древесные целлюлозные волокна являются нерегенерированными. Волокнистая мононить может содержать от 30 мас.% до 99 мас.%, или от 50 мас.% до 99 мас.%, или от 70 мас.% до 99 мас.% натуральных древесных целлюлозных волокон.
Натуральные древесные целлюлозные волокна могут быть механически или химически соединены друг с другом. Химическое соединение может быть обеспечено водородными связями между натуральными древесными целлюлозными волокнами.
Волокнистая мононить может дополнительно содержать искусственные целлюлозные волокна. Искусственные целлюлозные волокна могут иметь длину, лежащую в диапазоне от 1 мм до 10 мм, предпочтительно - от 2 мм до 10 мм, более предпочтительно - от 4 мм до 6 мм; и/или номер нити, лежащий в диапазоне от 0,7 дтекс до 7 дтекс, предпочтительно - от 0,9 дтекс до 1,7 дтекс.
3
3
Волокнистая мононить может дополнительно содержать волокна из переработанных текстильных отходов. Волокнистая мононить может дополнительно содержать добавки. Волокнистая мононить может иметь плотность, лежащую в диапазоне от 800 кг/м до 1700 кг/м. Волокнистая мононить может иметь диаметр, лежащий в диапазоне от 20 мкм до 400 мкм. Волокнистая мононить может иметь линейную плотность, лежащую в диапазоне от 5 граммов на 1000 метров до 100 граммов на 1000 м, то есть от 5 текс до 100 текс, или предпочтительно - линейную плотность, лежащую в диапазоне от 5 текс до 50 текс. Волокнистая мононить может иметь удельную прочность на разрыв, лежащую в диапазоне от 5 сН/текс до 25 сН/текс, при измерении согласно стандарту ASTM D5035.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Далее аспекты настоящего изобретения будут описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые графические материалы, где:
Фиг. 1 иллюстрирует зависимость разрывной нагрузки от относительного удлинения волокнистой нити с линейной плотностью 20 текс согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2а иллюстрирует зависимость силы от изменения положения во время эксперимента с динамическим испытанием на прочность согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2b иллюстрирует зависимость силы от относительного удлинения во время эксперимента с динамическим испытанием на прочность согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 3 демонстрирует вид волокнистой мононити в просвечивающем микроскопе (масштабная метка 500 мкм),
Фиг. 4 демонстрирует вид под микроскопом места разрыва волокнистой мононити с линейной плотностью 20 текс после разрыва нити во время испытания на разрыв (масштабная метка 500 мкм),
Фиг. 5 демонстрирует примеры частично раскрученной бумажной пряжи (масштабная метка 5000 мкм),
Фиг. 6 демонстрирует вид под просвечивающим микроскопом раскрученной бумажной пряжи (масштабная метка 100 мкм),
Фиг. 7 демонстрирует продольное сечение волокнистой мононити,
Фиг. 8 демонстрирует поперечное сечение волокнистой мононити с линейной плотностью 20 текс согласно варианту осуществления настоящего изобретения,
Фиг. 9 демонстрирует пример графиков «напряжение-деформация» древесных волокон, полученных из различных положений (годовых колец) в сосне ладанной.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В описании настоящего изобретения и в формуле изобретения процентные значения, относящиеся к количеству сырьевых материалов, являются массовыми процентами (мас.%), если в явном виде не указано иное. Термин «содержащий» можно использовать как неограничивающий термин, но он также включает ограничивающий термин «состоящий из». Использованы следующие ссылочные номера и обозначения:
1 - волокнистая мононить,
2 - целлюлозное волокно,
3 - поверхность волокнистой мононити,
4 - конец целлюлозного волокна,
5 - водородная связь,
х - продольная ось.
Номер нити (текс) относится к линейной массовой плотности, то есть к массе, приходящейся на единицу длины (1 текс=1 г/1000 м; и 1 децитекс=1 дтекс=1 г/10000 м).
Термин «волокнистая мононить» (в контексте настоящего изобретения также обозначаемый просто как «нить») относится к непрерывной длине отдельных сгруппированных волокон. Волокна могут быть соединены друг с другом для формирования устойчивой структуры мононити. Мононить невозможно разделить или разобрать на элементы. Сгруппированные волокна невозможно разделить на субструктуры, такие как ленты или полоски волокон, с использованием, например, механического резания, дефибрирования или способов химического разделения. Дезинтеграция волокнистой мононити дает лишь отдельные волокна. Волокнистая мононить имеет непрерывную длину, равную нескольким метрам или километрам.
Термин «натуральные волокна» относится к волокнам, происходящим из источника растительного сырьевого материала, например - из древесины. Натуральные древесные волокна состоят из фибрилл целлюлозы в матриксе, состоящем из гемицеллюлозы и лигнина. Целлюлоза - это линейный полисахаридный полимер, содержащий несколько моносахаридных звеньев глюкозы. Натуральные целлюлозные волокна можно выделить из древесного сырьевого материала способом химического или механического получения волокнистой массы, а волокнистая масса содержит целлюлозный волокнистый материал.
Термин «целлюлозные волокна» относится к органическим волокнам, происходящим из целлюлозы, предпочтительно - из древесной целлюлозы, такой как древесная волокнистая масса. Целлюлоза - это органическое соединение, содержащее линейные цепи звеньев D-глюкозы, соединенных β-(1,4)-гликозидными связями. Целлюлозные волокна включают растительные волокна, такие как древесные волокна. Бумажная волокнистая масса является примером смеси целлюлозных волокон. Термин «целлюлозные волокна в нативной форме» относится к натуральным целлюлозным волокнам. Натуральные целлюлозные волокна не были подвергнуты химической или физической модификации полимерной структуры целлюлозы.
Согласно аспекту настоящего изобретения и согласно Фиг. 3 и Фиг. 4 волокнистая мононить 1 содержит волокна 2, также обозначаемые как волокнистые элементы, которые соединены друг с другом так, что волокна являются частью стабильной волокнистой мононити. По меньшей мере часть волокон представляют целлюлозные волокна, происходящие из растительной волокнистой массы. Кроме того, по меньшей мере часть волокон могут представлять искусственные целлюлозные волокна (например - лиоцелл, вискоза или модал). Согласно Фиг. 7 целлюлозные волокна 2 структуры мононити 1 соединены друг с другом водородными связями 5. Эти водородные связи можно разрушить, например, с использованием воды или другого водного раствора, так что структура волокнистой мононити распадается обратно на отдельные первичные целлюлозные волокна.
Согласно аспекту настоящего изобретения волокнистую мононить получают из водной суспензии. Водная суспензия содержит воду, целлюлозные волокна и по меньшей мере один модификатор реологических свойств. Водная суспензия может содержать волокна древесной волокнистой массы или другие короткие натуральные целлюлозные волокна, например - хлопковые или льняные, или другие короткие искусственные целлюлозные волокна, то есть регенерированные целлюлозные волокна, например - вискозу, купроволокно или лиоцелл. Во время производства водную суспензию пропускают через узкое сопло, где волокна выстраиваются (ориентируются) по потоку (см. описание ориентации ниже). Сопло подает водную суспензию в секцию скручивания и обезвоживания, за которой следует сушка, для получения волокнистой мононити. Волокнистую мононить получают одностадийным способом. Это исключает потребность в дополнительных стадиях, как в случае получения или обработки бумаги. Полученная таким способом волокнистая мононить является непрерывной, но ее можно подвергнуть последующей обработке с получением более коротких отрезков. На толщину волокнистой мононити можно по меньшей мере частично влиять посредством регулирования скорости производства, концентрации водной суспензии и геометрии сопла.
Волокна
Целлюлозные волокна - это натуральные волокна, которые происходят из источника растительного сырьевого материала. Растительные сырьевые материалы могут происходить из целлюлозной волокнистой массы, рафинированной волокнистой массы, химической волокнистой массы, термомеханической волокнистой массы, механической волокнистой массы или макулатурной волокнистой массы. Целлюлозные волокна можно выделить из любого материала, содержащего целлюлозу, с использованием биологических, химических, механических, термомеханических или хемитермомеханических способов получения волокнистой массы.
Целлюлозные волокна могут происходить из наноцеллюлозы, включающей наноструктурированную целлюлозу и наноразмерные волокна. Существует несколько широко используемых синонимов для наноцеллюлозы. Например: нанофибриллированная целлюлоза, микрофибриллярная целлюлоза, нанофибриллярная целлюлоза, целлюлозное нановолокно, фибриллированная целлюлоза наноразмера, микрофибриллированная целлюлоза (MFC; от англ.: microfibrillated cellulose) или целлюлозные микрофибриллы. Наноцеллюлозные волокна имеют высокое характеристическое отношение, которое является отношением длины к ширине. Наноцеллюлозные волокна могут иметь ширину или поперечный размер менее 200 нанометров, предпочтительно - в диапазоне от 2 нанометров до 20 нанометров, особо предпочтительно - от 5 нанометров до 12 нанометров. Наноцеллюлозные волокна могут иметь длину или продольный размер, например, в диапазоне от одного микрометра до нескольких микрометров. Наноцеллюлозные волокна можно выделить из любого материала, содержащего целлюлозу, например - из древесной волокнистой массы. Размеры волокон или пучков волокон зависят от сырьевого материала и способа выделения. Наноцеллюлозные волокна можно выделить из древесных волокон с использованием ударной гомогенизации при высоком давлении, высокой температуре и высокой скорости. Способ гомогенизации используют для деламинирования или дезинтеграции клеточных стенок волокон и для высвобождения их субструктурных фибрилл и микрофибрилл. Также можно использовать ферментативную и/или механическую предварительную обработку древесных волокон. Наноцеллюлозные волокна могут находиться в нативной форме, в которой они не проходили химическую модификацию. Альтернативно наноцеллюлозные волокна могут быть предварительно химически модифицированными, например - посредством окисления, опосредованного N-оксидом.
Целлюлозные волокна могут содержать натуральные волокна, происходящие от растений. Растительные волокна могут включать необработанный или повторно используемый растительный материал или их комбинации. Растительные волокна могут происходить из древесного или недревесного материала. Растения могут включать древесину, например - мягкую древесину, твердую древесину или любую их комбинацию. Мягкая древесина может включать древесину ели, сосны, пихты, лиственницы, дугласовой пихты, канадской тсуги. Твердая древесина может включать древесину березы, осины, тополя, ольхи, эвкалипта, акации. Альтернативно или дополнительно целлюлозные волокна могут происходить от других растений (недревесных), таких как хлопчатник, конопля, лен, сизаль, джут, кенаф, бамбук, торф или кокос. Недревесные целлюлозные волокна могут также происходить из отходов сельского хозяйства, трав или других растительных веществ, таких как солома, листья, кора, семена, шелуха семян, цветки, овощи или фрукты.
α
β
Волокнистая мононить содержит по меньшей мере 30 мас.%, предпочтительно - по меньшей мере 50 мас.% натуральных целлюлозных волокон. Например - от 30 мас.% до 99 мас.%, предпочтительно - от 50 мас.% до 99 мас.%, и наиболее предпочтительно - от 70 масс % до 99 мас.% натуральных целлюлозных волокон. Как указано выше, натуральные целлюлозные волокна являются нерегенерированными. Соответственно, натуральные целлюлозные волокна не были подвергнуты химической регенерации или физической модификации целлюлозной полимерной структуры. Натуральные целлюлозные волокна являются нерегенерированными и состоят преимущественно из кристаллической структуры целлюлозы I. Целлюлоза I может иметь структуры I и I. Искусственные целлюлозные волокна являются регенерированными, и кристаллическая структура обычно отличается от целлюлозы I. Преобразование целлюлозы I в целлюлозу II (или в другие формы, такие как целлюлоза III или целлюлоза IV) является необратимым. Соответственно, эти формы являются стабильными и их невозможно преобразовать обратно в целлюлозу I.
Химический состав натуральных целлюлозных волокон, размер и характеристическое отношение волокон и их ориентация в нити влияют на механические и физические свойства волокнистой мононити. Например, на механические и физические свойства целлюлозных волокон влияет их химический состав, преимущественно - целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин. Например, более высокий предел прочности на разрыв и более высокую пластичность можно получить при использовании волокон, содержащих кристаллическую целлюлозу. Жесткость целлюлозных волокон возрастает, а их гибкость снижается с увеличением отношения кристаллических областей к аморфным. Предел прочности на разрыв волокон повышается, а удлинение снижается при уменьшении угла наклона первичных фибрилл.
В структуре мононити характеристическое отношение целлюлозных волокон (отношение длины волокна к диаметру волокна) может лежать в диапазоне от 10 до 300, предпочтительно - от 30 до 100. Высокое характеристическое отношение оказывает влияние на гибкость мононити.
Согласно аспекту настоящего изобретения волокнистая мононить содержит целлюлозные волокна в нативной форме, то есть натуральные целлюлозные волокна. Натуральная целлюлоза I может влиять на степень структурной упорядоченности целлюлозы или целлюлозных волокон. Кроме того, натуральная целлюлоза I может оказывать влияние на жесткость и плотность волокнистой нити.
Кроме того, волокнистая мононить может содержать другие волокна, например - натуральные растительные волокна, модифицированные или регенерированные натуральные волокна или синтетические волокна. Волокна волокнистой мононити могут включать искусственные волокна, например - вискозу, модал, ацетат, искусственный шелк, или синтетические волокна, такие как полиэфир или полиамид, и волокна из переработанных текстильных отходов.
Искусственные целлюлозные волокна можно добавить к смеси натуральных целлюлозных волокон. Искусственные целлюлозные волокна могут иметь узкое распределение по длине и диаметру волокон, поскольку их получают из промышленных процессов, а не выделяют из природных источников. Натуральные волокна, выделенные из природных источников, могут иметь довольно широкое распределение по длине и диаметру волокон по сравнению с распределением искусственных целлюлозных волокон. Тонкие и длинные искусственные целлюлозные волокна могут увеличить предел прочности на разрыв и растяжимость волокнистой мононити. В качестве примера волокнистая мононить может быть полностью изготовлена из искусственных целлюлозных волокон, что дополнительно улучшает ее свойства.
Мононить может содержать искусственные целлюлозные волокна, происходящие из промышленного способа получения целлюлозы. Искусственные целлюлозные волокна являются регенерированными целлюлозными волокнами. Мононить может содержать от 1 мас.% до 50 мас.% искусственных целлюлозных волокон, предпочтительно - от 1 мас.% до 30 мас.% искусственных целлюлозных волокон, более предпочтительно - от 1 мас.% до 20 мас.% искусственных целлюлозных волокон. Один из таких способов - это так называемый способ получения лиоцелла, в котором волокна и другие формованные изделия можно получить из раствора целлюлозы в водно-органическом растворителе. Более конкретно, водный раствор NMMO (N-метилморфолин-N-оксида; от англ.: N-methyl-morpholine-N-oxide) был растворителем, который использовали в коммерческом масштабе на протяжении более чем двадцати лет. В характерном случае на соответствующих производственных предприятиях используют прядильные растворы, содержащие примерно 13 мас.% целлюлозы. Предпочтительным целлюлозным сырьевым материалом является волокнистая масса, но, в зависимости от обстоятельств, можно также использовать другие целлюлозные сырьевые материалы, такие как хлопковый линтер. Мононить может содержать искусственные лиоцелловые волокна.
Волокнистая мононить может содержать волокна из переработанных текстильных отходов. Волокнистая мононить может содержать от 1 мас.% до 50 мас.% волокон из переработанных текстильных отходов, предпочтительно - от 30 мас.% до 50 мас.% волокон из переработанных текстильных отходов, более предпочтительно - от 40 мас.% до 50 мас.% волокон из переработанных текстильных отходов. Волокна из переработанных текстильных отходов могут содержать термопластичные или термоскрепляющие волокна, такие как полипропиленовые, полиамидные, полиэфирные, полипропилен/полиэфирные и бикомпонентные волокна короткой резки. Термин «бикомпонентный» относится к различию материалов и свойств между внутренней структурой и наружной поверхностью волокон короткой резки. Например, наружный поверхностный слой (или слои) бикомпонентного волокна может содержать термоскрепляющий материал. Волокна из переработанных текстильных отходов могут быть равномерно распределены в структуре мононити и термоскреплены во время стадии дополнительной обработки. Термоскрепление может привести к желаемым свойствам волокнистой мононити, например - к повышенной разрывной прочности и лучшей устойчивости к стирке.
Волокна из переработанных текстильных отходов могут быть выделены либо из производственных текстильных отходов, либо из потребительских текстильных отходов, содержащих один тип волокон или смесь различных типов волокон. Отходы производства (или производственные отходы) скапливаются при производстве текстильных изделий, во время которого образуются значительные количества отходов, например - отходы прядения или обрезки из производства готовой одежды. Потребительские отходы образуются, когда ткань выбрасывается пользователем после использования. Существующие способы вторичного использования текстильных изделий, охватывающие лишь малое количество текстильных отходов, включают, например, передачу бывших в употреблении текстильных изделий в благотворительные организации или изготовление тряпок или волокон искусственной шерсти (шодди) для изоляционных материалов из обрезков потребительских текстильных отходов. Публикации WO 2015/077807 и US 2016/237619, содержание которых полностью включено в данную публикацию посредством ссылки, описывают способ вторичного использования волокон из производственных текстильных отходов для получения формованных изделий из регенерированной целлюлозы. Такие вторичные волокна из переработанных производственных текстильных отходов получают согласно способу предварительной обработки регенерированных хлопковых волокон, в котором предварительная обработка регенерированных хлопковых волокон включает стадию удаления металла и стадию окислительного отбеливания.
Поэтому в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения волокнистая мононить содержит от 1 мас.% до 50 мас.% волокон из переработанных производственных текстильных отходов, предпочтительно - от 30 мас.% до 50 мас.% волокон из переработанных производственных текстильных отходов, более предпочтительно - от 40 мас.% до 50 мас.% волокон из переработанных производственных текстильных отходов, причем эти волокна из переработанных производственных текстильных отходов получают согласно способу предварительной обработки регенерированных хлопковых волокон, в котором предварительная обработка регенерированных хлопковых волокон включает стадию удаления металла и стадию окислительного отбеливания.
Согласно публикации WO 2015/077807 хлопковые волокна можно выделить из производственных хлопковых отходов или потребительских хлопковых отходов. Они могут включать волокнистую массу, полученную из обрезков хлопчатобумажных тканей. Кроме того, регенерированные хлопковые волокна перед использованием можно механически измельчить, размолоть или разрыхлить.
В частности, согласно публикации WO 2015/077807 стадия удаления металла может быть процедурой кислотной промывки и/или обработки комплексообразующим реагентом, а регенерированные хлопковые волокна можно обработать водным раствором комплексообразующего агента. В частности, обе процедуры можно объединить в одной стадии посредством добавления комплексообразующего агента к процедуре кислотной промывки. Кроме того, согласно публикации WO 2015/077807 стадия окислительного отбеливания может включать процедуру кислородного отбеливания и/или процедуру перекисного отбеливания. Стадия окислительного отбеливания также может включать процедуру озонового отбеливания. Стадия окислительного отбеливания может включать последовательность процедур окислительного отбеливания, указанных выше.
Отходы одежных тканей могут содержать 43% хлопка, 36% волокон на основе нефти, таких как полиэфирные, акриловые или подобные волокна, и 21% натуральных волокон, таких как вискозные, шелковые или подобные волокна, что составляет рыночную долю, равную 51%, согласно публикации Wrap в «Textiles flow and market development opportunities in the UK» (2011). Ткани бытового назначения демонстрируют сходный состав из 30% хлопка и 70% других волокон, например -волокон на основе нефти и натуральных волокон. Эта композиция волокон пригодна в качестве сырьевого материала для изготовления волокнистой мононити. Волокнистая мононить может содержать по меньшей мере 30 мас.% регенерированных волокон из содержащих целлюлозу текстильных отходов, более предпочтительно - от 40 мас.% до 50 мас.% регенерированных волокон из содержащих целлюлозу текстильных отходов. Кроме того, волокнистая мононить может содержать полиэфирные, акриловые или полипропиленовые волокна или их смеси, которые могут обеспечивать термоскрепление и влияние на желаемые свойства волокнистой мононити, такие как повышенная разрывная прочность и лучшая устойчивость к стирке.
Кроме того, волокнистая мононить содержит от 0,01 мас.% до 30 мас.%, предпочтительно - от 0,05 мас.% до 20 мас.% или от 0,1 мас.% до 15 мас.%, неволокнистых добавок, таких как связующее (или связующие), модификатор реологических свойств и т.п.
Ориентация
Фиг. 4 иллюстрирует вид под микроскопом места разрыва волокнистой мононити с линейной плотностью 20 текс после разрыва нити во время испытания на разрыв (масштабная метка 500 мкм). На Фиг. 4 волокнистая мононить 1 содержит целлюлозные волокна 2. Отдельные целлюлозные волокна волокнистой мононити в основном ориентированы по длине (то есть вдоль продольной оси х) волокнистой нити. Волокна ориентированы (упорядочены) таким образом, что продольное измерение одиночного волокна по существу соответствует продольному измерению волокнистой мононити. Согласно Фиг. 6 волокнистые элементы бумажной пряжи, изготовленной из тонких бумажных полосок, имеют случайную ориентацию относительно машинного направления (MD; от англ.: machine direction), соответствующего продольному направлению х пряжи.
Начальная ориентация волокон волокнистой мононити может быть обеспечена во время фазы производства в сопле. Сопло, имеющее выходной диаметр, меньший или равный максимальной средневзвешенной длине волокон, ориентирует волокна по существу в продольном направлении х суспензии, выходящей из сопла. Ориентацию волокон можно дополнительно регулировать в скручивающем и обезвоживающем устройстве. Ориентация волокон вдоль продольного направления волокнистой нити придает нити прочность.
Добавки
В дополнение к волокнистым элементам волокнистая мононить может содержать добавку (или добавки). Например, полисахаридную добавку (или добавки), такую как связующее, катионоактивный реагент (или реагенты), сшивающий агент (или агенты), диспергирующий агент (или диспергирующие агенты), пигмент (или пигменты) и/или другой модификатор (или модификаторы). Общее количество добавки (или добавок) в волокнистой мононити может лежать в диапазоне от 0,01 мас.% до 30 мас.%, от 0,05 мас.% до 20 мас.%, предпочтительно - от 0,1 мас.% до 15 мас.%.
Добавка может включать полисахаридные добавки, такие как альгинат, альгиновая кислота, пектин, каррагенан или наноцеллюлоза, или их комбинацию. Во время изготовления волокнистой мононити полисахаридная добавка, например -альгинат, может оказывать влияние на формирование гидрогеля. В волокнистой мононити полисахаридная добавка может реагировать с по меньшей мере одним реагентом, например - с катионоактивным реагентом. Реагент может содержать соль, например - хлорид кальция или сульфит магния. Химическая реакция между полисахаридной добавкой и реагентом обеспечивает быстрое повышение вязкости и предела текучести водной суспензии. Повышение вязкости водной суспензии оказывает влияние повышения прочности волокнистой мононити. Кроме того, полисахаридные добавки, такие как альгинат, могут действовать как связующее (или связующие) в структуре волокнистой мононити. Альгинат может вызывать поперечное сшивание, которое может оказывать влияние на связывание волокон волокнистой мононити. Альгинатный матрикс может сшиваться вокруг волокон и окружать волокна.
Добавка может содержать сшивающий агент и парный реагент. Сшивающий агент может реагировать с парным реагентом на выходе сопла. Реакция сшивания между сшивающим агентом и парным реагентом создает водный гидрогель и за счет этого влияет на начальную прочность волокнистой суспензии. Волокнистая мононить может содержать от 0 мас.% до 25 мас.% сшивающего агента. Сшивающий агент совместно со сшивающим реагентом создает гидрогель, который обеспечивает сохранение свойств волокнистой суспензии во время последующих фаз производства. Например, скручивание и быстрое обезвоживание могут создавать высокие напряжения в волокнистой суспензии. Гидрогель дополнительно влияет на прочность волокнистой мононити на разрыв.
Добавка может содержать диспергирующий агент. Диспергирующий агент может содержать анионный длинноцепочечный полимер, наноцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу (CMC; от англ.: carboxymethylcellulose), крахмал, анионные полиакриламиды (АРАМ; от англ.: anionic polyacrylamides) или их комбинацию. Волокнистая мононить может содержать от 0 мас.% до 20 мас.% диспергирующего агента. Диспергирующий агент может оказывать влияние на предел прочности на сдвиг волокнистой мононити.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения волокнистая мононить включает от 30 мас.% до 99 мас.% натуральных целлюлозных волокон и, дополнительно, от 0,1 мас.% до 15 мас.% связующего, например - альгината.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения волокнистая мононить включает от 50 мас.% до 99 мас.% или от 70 мас.% до 99 мас.% натуральных целлюлозных волокон и, дополнительно, от 0,1 мас.% до 15 мас.% связующего, например - альгината.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения волокнистая мононить включает от 50 мас.% до 99 мас.% или от 70 мас.% до 99 мас.% или, предпочтительно, от 90 мас.% до 99 мас.% натуральных целлюлозных волокон и, дополнительно, от 0,1 мас.% до 10 мас.% связующего, например - CMC (карбоксиметилцеллюлозы) или крахмала.
Связующее оказывает влияние на химическое связывание натуральных целлюлозных волокон водородными связями и соответствующее улучшение механических свойств волокнистой мононити.
Структура и свойства
Отдельные волокна, то есть волокнистые элементы, волокнистой мононити собраны (соединены/сгруппированы) вместе, и большинство волокон ориентированы вдоль продольного размера х волокнистой мононити.
Согласно Фиг. 3 волокнистая мононить содержит стабильную структуру 1 монофиламентного типа. Волокнистая мононить имеет необратимую или неизменяемую структуру. Структуру волокнистой мононити невозможно преобразовать или разобрать на монолитные субструктуры, такие как полоски или ленточки, с использованием механических или химических средств. Поскольку волокнистую мононить получают одностадийным способом, между исходной суспензией и волокнистой мононитью нет таких субструктур, промежуточных компонентов или промежуточных фаз, которые могли бы быть изменяемыми или обратимыми. Дезинтеграция волокнистой мононити 1 дает только отдельные целлюлозные волокна 2. На Фиг. 4 волокнистая мононить разорвана посредством растяжения, и на разорванном конце нити показаны отдельные целлюлозные волокна 2. Фиг. 4 иллюстрирует вид под микроскопом места разрыва волокнистой мононити, имеющей линейную плотность 20 текс, после разрыва нити во время испытания на разрыв (масштабная метка 500 мкм).
Форму волокнистой мононити можно регулировать в процессе изготовления. Волокнистая мононить может иметь круглое поперечное сечение. Альтернативно поперечное сечение может быть уплощенным, например - в форме эллипса. Форму нити можно регулировать в процессе изготовления, например - во время подачи водной суспензии или во время процесса сушки волокнистой мононити. Форма поперечного сечения волокнистой мононити согласно примеру, относящемуся к волокнистой мононити с линейной плотностью 20 текс, показана на Фиг. 8.
Структура волокнистой мононити, независимо от формы нити, характеризуется однородной и замкнутой поверхностной текстурой 3, как показано на Фиг. 3. Волокнистую мононить невозможно раскрутить или иным образом механически разобрать на какие-либо субструктуры, такие как полоски или ленточки волокон. Волокнистые элементы волокнистой мононити механически и химически (то есть водородными связями) соединены друг с другом. Фиг. 5 демонстрирует примеры раскрученных или частично раскрученных бумажных нитей (масштабная метка 5000 мкм). На Фиг. 5 бумажная пряжа, изготовленная из тонких полосок бумаги, имеет складчатую структуру, которую можно раскрутить. Складчатая структура приводит к высокопористой поверхности бумажной пряжи.
Кроме того, продольное измерение волокнистых элементов 2 мононити расположено по существу параллельно продольной оси х нити, в том числе и на наружной поверхности, за счет чего формируется плотная и замкнутая структура 3 поверхности. Другими словами, поверхность интактной мононити не содержит обрезанных концов целлюлозных волокон 4, выступающих из наружной периферической поверхности мононити. Плотная поверхностная структура влияет на повышение плотности поверхности и снижения капиллярного притяжения волокнистой мононити. Плотная поверхностная структура также может оказывать эффект предотвращения поступления мелких частиц внутрь мононити. На Фиг. 6, демонстрирующей вид под микроскопом раскрученной бумажной пряжи, видна случайная ориентация волокон относительно продольной оси MD. Также можно видеть обрезанные концы целлюлозных волокон 4, выступающие из наружной периферической поверхности и образующие рыхлую и незамкнутую структуру поверхности. Такая структура поверхности может приводить к повышению капиллярных сил и усиливать накопление мелких частиц чужеродного вещества.
3
3
3
3
3
Волокнистая мононить согласно по меньшей мере некоторым или всем вариантам осуществления настоящего изобретения может иметь плотность, лежащую в диапазоне от 800 кг/м до 1700 кг/м. Волокнистая мононить согласно по меньшей мере некоторым или всем вариантам осуществления настоящего изобретения может иметь плотность, лежащую в диапазоне от 1000 кг/м до 1500 кг/м. Например, волокнистая мононить, содержащая от 70 мас.% до 90 мас.% натуральных целлюлозных волокон, может иметь плотность, равную 1300 кг/м.
Волокна волокнистой мононити могут быть по существу ориентированы в продольном направлении волокнистой мононити. Дополнительно или альтернативно волокна могут иметь нерегулярное расположение. Например, волокна могут быть закручены вокруг продольной оси. Во всех случаях структура волокнистой мононити является неизменяемой (необратимой). Поэтому невозможно разделить/разобрать на части структуру мононити или раскрутить волокна волокнистой мононити, Волокнистая мононить может иметь диаметр, лежащий в диапазоне от 20 мкм до 400 мкм. Волокнистая мононить может иметь линейную массовую плотность, предпочтительно лежащую в диапазоне от 5 текс до 100 текс, то есть от 5 граммов/1000 м до 100 г/1000 м, и особо предпочтительно волокнистая мононить может иметь линейную массовую плотность, лежащую в диапазоне от 5 текс до 50 текс.
Фиг. 1 демонстрирует разрывную нагрузку как функцию относительного удлинения волокнистой нити с линейной массовой плотностью, равной 20 текс, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Разрывная нагрузка волокнистой мононити варьируется в диапазоне от 0,06 кг силы до 0,23 кг силы (от 0,6 Н до 2,3 Н) в варианте осуществления согласно Фиг. 1. Волокнистая мононить, имеющая значения линейной массовой плотности, лежащие в диапазоне от 5 текс до 20 текс, имеет значения удельной разрывной нагрузки, лежащие в диапазоне от 11 сН/текс до 5 сН/текс. Разрывная нагрузка определена согласно стандарту ASTM D5035.
Удлинение при разрыве волокнистой мононити может лежать в диапазоне от 2% до 6%. Волокна мононити оказывают влияние на удлинение при разрыве. Например, термоскрепляющие волокна оказывают эффект увеличения значений удлинения при разрыве волокнистой мононити. Структура волокнистой мононити и ее механические и тактильные свойства могут постепенно изменяться при изменении концентрации волокнистой массы и параметров обработки водной суспензии во время изготовления волокнистой мононити.
Волокнистые сырьевые материалы могут оказывать эффект на свойства волокнистой мононити. Волокнистая мононить может сдержать от 0 мас.% до 99 мас.% целлюлозных волокон, происходящих из источника растительного сырьевого материала. Волокнистая мононить может содержать по меньшей мере 30% или по меньшей мере 50% целлюлозных волокон, происходящих из древесной волокнистой массы. Волокнистая мононить может необязательно содержать необработанные или вторичные (переработанные) волокна, происходящие из синтетических материалов, такие как стекловолокна, полимерные волокна, металлические волокна, и/или из натуральных волокон, таких как шерстяные волокна или шелковые волокна. Волокнистая мононить может необязательно включать хлопковые, льняные, конопляные волокна, искусственные целлюлозные волокна и/или волокнистую массу, изготовленную из текстильных отходов.
Комбинацию волокон, имеющих среднюю длину волокон, лежащую в диапазоне «от 2 мм до 3 мм» (описание коротких волокон), и волокон, имеющих среднюю длину волокон, лежащую в диапазоне «от 5 мм до 10 мм» (описание длинных волокон), можно использовать для положительного воздействия на прочность и растяжимость волокнистой нити.
Комбинацию волокон, имеющих среднюю длину волокон, лежащую в диапазоне «от 1 мм до 2 мм» (описание коротких волокон), и волокон, имеющих среднюю длину волокон, лежащую в диапазоне «от 2 мм до 4 мм» (описание длинных волокон), можно использовать для положительного воздействия на ровноту нити.
Фиг. 9 демонстрирует пример графиков «напряжение-деформация» древесных волокон, полученных из различных положений (годовых колец) в сосне ладанной. Происхождение и различные источники волокон могут изменять свойства волокон и свойства волокнистой мононити. Волокна могут иметь, например, различные характеристические отношения, диаметры, жесткость на изгиб, прочность на разрыв. Например, волокна, которые образовались в весеннее время (так называемая ранняя древесина), и волокна, которые образовались в конце лета (так называемая поздняя древесина), имеют различную плотность, прочность и растяжимость. Также различные механические свойства имеют волокна молодых деревьев и волокна старых деревьев. Волокна молодых сосновых деревьев могут иметь среднее относительное удлинение до 8%, а некоторые - до 25%, и среднее максимальное растягивающее напряжение, равное 400 МПа, тогда как древесные волокна старых сосен могут иметь среднее относительное удлинение, равное 4%, и максимальное растягивающее напряжение, равное 1200 МПа, как показано на Фиг. 9 (Mechanical properties of individual southern pine fibers. Part III: Global relationships between fiber properties and fiber location within an individual tree. Groom et al. Wood and fiber science. 2002, 34(2), pp. 238-250).
Длина целлюлозных волокон волокнистой мононити может влиять на прочностные свойства волокнистой мононити. Длинные целлюлозные волокна (например, северной мягкой древесины) способны обеспечивать тонкие волокнистые мононити с хорошими прочностными свойствами. Волокнистая мононить может иметь толщину менее 0,1 мм. Например, сосну можно использовать в качестве источника длинных волокон, а эвкалипт - в качестве источника коротких волокон. Натуральные волокна, происходящие от сосны, могут иметь средневзвешенную длину волокон, лежащую в диапазоне от 2 мм до 3 мм. Средневзвешеная длина волокон (измеренная с использованием прибора для измерения характеристик волокон L&W Fiber Tester) относится к средневзвешенной длине волокон, где по меньшей мере 90 процентов волокон лежат в диапазоне средней длины.
В одном из примеров пара «сшивающий агент-парный реагент» может оказывать влияние на свойства волокнистой мононити. Например, различные реагенты могут отличаться по прочности и растяжимости, а также по другим свойствам, что дополнительно влияет на механические и физические свойства волокнистой мононити.
В одном из примеров уровень рафинирования (фибриллирования волокон) может оказывать влияние на свойства волокнистой мононити. Механическое фибриллирование волокон увеличивает площадь поверхности волокон и поэтому обеспечивает больше связей с другими волокнами. Это изменяет механические свойства волокнистой мононити.
Фиг. 2а иллюстрирует результаты измерения силы как функции изменения положения во время эксперимента с динамическим испытанием на прочность. Фиг. 2b иллюстрирует результаты измерения силы как функции относительного удлинения во время эксперимента с динамическим испытанием на прочность. Во время испытания волокнистую мононить циклически растягивали между зажимами до различной длины и возвращали к исходной длине. Во время эксперимента измеряли расстояние между зажимами и силу. Результаты показывают, что волокнистая мононить может выдерживать многократное растяжение. Фиг. 2а и Фиг. 2b также показывают, что волокнистая нить является эластичной. Если растягивающая сила снижается, длина нити также уменьшается.
Цвет волокнистой мононити можно изменять либо посредством окрашивания отдельных волокон волокнистой мононити, либо посредством окрашивания самой волокнистой мононити. Это можно выполнить с использованием способов окрашивания, известных специалистам в данной области техники, например - из способов производства бумаги. При использовании этих способов окрашивания полученная нить имеет одинаковый цвет на всем поперечном сечении. В этом случае нить не изменяет цвет даже при приложении к ней механического напряжения (например - при стирке, трении). Также волокнистую мононить можно подвергнуть окрашиванию с использованием текстильных красок. Например, можно использовать стандартные красители для хлопка и целлюлозы. Отдельные волокна в водных суспензиях можно подвергнуть окрашиванию перед изготовлением волокнистой мононити. Это может оказать положительный эффект на требуемое количество краски, проникновение краски, стирание краски, оттенки, качество и стабильность оттенков.
Волокнистая мононить согласно по меньшей мере некоторым или всем аспектам настоящего изобретения позволяет использовать волокнистую мононить во многих прикладных задачах вследствие вариабельных свойств волокнистой мононити. Свойства волокнистой мононити можно выбрать в соответствии с применением. Применение и желаемые свойства волокнистой мононити можно выбрать в соответствии с целевым назначением волокнистой мононити, материала, изготовленного из волокнистой мононити, материала, содержащего волокнистую мононить, и/или в соответствии с применением материала, содержащего волокнистую мононить. Несколько нитей типа волокнистой мононити можно скрутить с получением волокнистых структур мультифиламентного типа.
Свойства волокнистой мононити могут включать желаемую толщину и желаемую прочность в зависимости от использования и применения. Например, такие свойства, как мягкость, гибкость, стабильность, износостойкость, формостабильность, эластичность/неэластичность или/или возможность объединения с другими материалами или другими видами пряжи, могут влиять на возможности использования волокнистой мононити.
Волокнистая мононить согласно по меньшей мере некоторым аспектам настоящего изобретения оказывает эффект малого водного отпечатка. Использование волокон волокнистой массы обеспечивает утилизацию и повторное использование древесины, волокнистой массы и отходов волокнистой массы.
Волокнистая мононить согласно по меньшей мере некоторым аспектам настоящего изобретения обеспечивает стабильное и экологически безопасное средство для швейной промышленности. В некоторых прикладных задачах волокнистая мононить может заменить, например, хлопок. Широкомасштабное выращивание хлопчатника требует значительных водных ресурсов. Выращивание хлопчатника широко распространено в регионах, уже испытывающих дефицит воды и продуктов питания. Выращивание хлопчатника сокращает доступную площадь земли для производства пищи, увеличивает потребление воды и усиливает проблему обеспечения пищей и водой. Использование хлопка является нерациональным, и необходима замена источников волокон. Ранее описанные свойства и способы производства бумажной пряжи не обеспечивали замену хлопка.
Волокнистая мононить согласно по меньшей мере некоторым аспектам настоящего изобретения обладает свойством биоразлагаемости. Использование натуральных волокон обеспечивает переработку отходов, повторное использование и повторное применение волокнистой мононити и изготовленных из нее материалов и продуктов.
Представленное выше описание приведено как иллюстрирующее аспекты настоящего изобретения. Части или детали можно заменять, изменять, объединять или исключать без отклонения от объема настоящего изобретения, определенного в формуле изобретения.