Effizienzsteigerung des Lyocell-Prozesses – Einfluss von Molmasse und Molmassenverteilung

Der Direktlöse-Prozess unter Nutzung von N-Methylmorpholin-N-oxid-Monohydrat (NMMO) als Celluloselösungsmittel, ist mittlerweile eine am Markt etablierte Technologie zur Auflösung und Verformung von Cellulose. Das Lösungsmittel ist nicht toxisch und fast vollständig rezyklierbar. Ein Hauptkritikpunkt bezüglich einer weiteren Maßstabsvergrößerung ist vor allem die noch unbefriedigende Wirtschaftlichkeit des Direktlöseprozesses für diese Verformungstechnologien aufgrund zu geringer Raum-Zeit-Umsätze, bezogen auf das eingesetzte Polymer. Ein wesentliches Ziel des Projektes war es deshalb, Möglichkeiten für eine deutliche Konzentrationssteigerung sowohl im Löse- als auch im Verformungsschritt des Lyocell-Prozesses zu untersuchen, da im Falle einer Polymerverformung mittels Lösungsspinnprozessen die genutzte Polymerkonzentration eine effizienz-bestimmende Größe für den Gesamtprozess darstellt.

Ergebnisse

Eine Steigerung der Polymerkonzentration bei der Auflösung und Verformung von Cellulose in NMMO ist durch die resultierenden Lösungseigenschaften der Spinnmassen, insbesondere deren hohe Viskositäten begrenzt. Da aufgrund der thermischen Eigenschaften des Lösemittels NMMO keine Möglichkeiten zur Erhöhung der Prozess-temperaturen bestehen, ist eine Konzentrationserhöhung nur im Rahmen einer Reduzierung der Molmassen der eingesetzten Zellstoffe denkbar. Im Rahmen des Projektes wurden deshalb Untersuchungen durchgeführt, typische Lyocell-Zellstoffe gezielt im Durchschnittspolymerisationsgrad (DP) durch Mahlprozesse, säure-hydrolischen Abbau bzw. enzymatische Behandlung zu reduzieren und hinsichtlich ihres verwendbaren Konzentrationsbereiches sowie erreichbarer Fasereigenschaften im Vergleich zum Ausgangszellstoff zu testen. Dabei konnte aufgezeigt werden, dass eine DP-Absenkung um ca. 70 bis 80 Einheiten eine Konzentrations-erhöhung um ca. 2% gestattet bei vergleichbaren Nullscherviskositäten der Spinnlösungen. Die Verwendung von im DP reduzierten Zellstoffen im Bereich um 400 gestattete eine Steigerung der Cellulosekonzentration auf 17-18%, wobei Cellulosefasern hergestellt werden konnten, die ca. 88-90% des Reißfestigkeits- und Dehnungsniveaus besaßen, verglichen aus dem Referenzzellstoff hergestellten Fasern bei Verwendung von Cellulosekonzentrationen von 12-13%

Anwendung

Eine Konzentrationserhöhung besitzt ein großes Potential für eine Effizienzsteigerung bei der Nutzung des Lyocell-Prozesses. Beispielsweise könnte solch eine Erhöhung der Polymerkonzentration sowohl im Löse- als auch im Verformungsschritt um 2, beispielsweise von maximal 15 auf 17% die Faserproduktion bei ansonsten vergleichbaren Rahmenbedingungen um 13% pro Zeiteinheit steigern. Eine Anwendung ist sowohl für die Herstellung reiner Cellulosestapelfasern als auch auf dem Gebiet von cellulosischen Spezialfasern denkbar.