Celluloseacetaatvezels zijn een type synthetische vezel afgeleid van cellulose. Ze zijn een van de eerste synthetische vezels die ooit zijn ontwikkeld en werden ooit op grote schaal gebruikt in verschillende toepassingen. Ze worden gemaakt door cellulose te behandelen met azijnzuur en azijnzuuranhydride om celluloseacetaat te creëren, dat vervolgens wordt opgelost in een oplosmiddel en gesponnen tot vezels via een droog spinproces.
Inhoudsopgave
1. Eigenschappen van celluloseacetaatvezels
De viscositeit en filtreerbaarheid van de spinoplossing (dope) zijn belangrijk voor de productie van celluloseacetaatvezels. Dopeviscositeit correleert met polymerisatiegraad, wat de vezelsterkte, rek en acetaatgroepverdeling langs de celluloseketen beïnvloedt.
Kleine spindopgaten hebben een goede filtratie van onoplosbare deeltjes nodig, voornamelijk onvolledig geacetyleerde cellulosevezels of gels, die de spindoppen kunnen verstoppen.
Secundaire en triacetaatvezels delen vergelijkbare fysieke eigenschappen (Tabel 1), met dichtheden lager dan die van viscose-rayonvezels en vergelijkbaar met wol. Textielgarens vereisen vezels met minimale kleur.
| Eigenschap | Secundair acetaat | Triacetaat |
|---|---|---|
| Sterkte (cN/dtex) | 1,0 – 1,5 | 1,0 – 1,5 |
| Rek (%) | 25 – 30 | 25 – 30 |
| Dichtheid (g/cm³) | 1,33 | 1,30 |
| Vochtopname (%) (65% relatieve vochtigheid, 20°C) |
6 – 6,5 | 4 – 4,5 |
| Waterretentievermogen (%) | 25 – 28 | 16 – 17 |
| Smeltpunt (°C) | 225 – 250 | Ontleding bij 310 – 315 |
| DP | 300 | 300 |
Chemische reacties lijken op die van organische esters. Sterke zuren en alkaliën hydrolyseren celluloseacetaat, dat gevoelig is voor sterke oxidatiemiddelen; hypochloriet- en peroxideoplossingen hebben echter geen invloed.
Verfverschillen ontstaan door verschillen in zwellende eigenschappen. Celluloseacetaatvezels vereisen waterdisperse kleurstoffen bij kooktemperaturen, meestal met hulp van een drager. Dragers vergemakkelijken het zwellen van de vezel en verbeteren de opname van kleurstof.
Dit geïntegreerde proces zorgt voor kleurvastheid. Triacetaatvezels vertonen superieure was- en draageigenschappen vanwege hun verbeterde dimensionale stabiliteit en kreukbestendigheid.
2. Grondstoffen
Houtpulp is de primaire cellulosebron voor de productie van acetaatvezels. Er kunnen naaldhoutsoorten (coniferen) of hardhoutsoorten (loofbomen) worden gebruikt, verwerkt via de sulfietpulpmethode met hete alkali-extractie of het voorgehydrolyseerde sulfaat (Kraft)-proces met koude caustische extractie.
Beide methoden zijn gericht op het verwijderen van ligninen en hemicelluloses, wat resulteert in gezuiverde houtpulp met meer dan 96% α-cellulose. Economische factoren hebben katoenlinters met een hoge zuiverheid in dit domein overbodig gemaakt.
Hoogwaardige acetaatvezels hebben houtpulp met specifieke kenmerken nodig. Goede zwellende eigenschappen zijn cruciaal om een gelijkmatige blootstelling van cellulose aan de katalysator en het acetyleringsmiddel tijdens de verwerking te garanderen. Bovendien moet de pulp een spinbare oplossing opleveren zonder vezels en gels voor eenvoudige filtratie.
3. Productie van celluloseacetaatvezels
De productie volgt de algemene principes die in het artikel over celluloseacetaat worden beschreven, met belangrijke verschillen. Aanvankelijk katalyseert zwavelzuur de vorming van cellulosesulfaatester, dat later tijdens acetylering wordt vervangen door acetylgroepen.
Hydrolyse reduceert de resterende sulfaatgroepen verder. Echter, eventueel resterend sulfaat moet worden geneutraliseerd met stabilisatoren zoals magnesiumzouten om door hitte en vochtigheid veroorzaakte afbraak via zwavelzuurafgifte te voorkomen.
Secundair acetaat gebruikt aceton als oplosmiddel, terwijl triacetaat 90% dichloormethaan en 10% methanol/azijnzuur gebruikt (nat spinnen). De viscositeit van de spinoplossing, met 20-30% celluloseacetaat, varieert van 300 tot 500 Pa·s bij 45-55 °C. Filtratie en ontluchting zijn belangrijke stappen vóór het spinnen.
Droog spinnen domineert, waarbij nat spinnen af en toe wordt gebruikt voor triacetaat. Spindoppen hebben 20-100 gaten voor filament en tot 1000 voor sleep. Oplosmiddelverdamping vindt plaats in een spinkolom van 4-6 m bij 80-100 °C met behulp van een tegenstroomluchtstroom.
De vezels worden uitgerekt om de sterkte te verbeteren terwijl ze zich in een plastische staat bevinden. Smeltspinnen is niet commercieel levensvatbaar vanwege de beperkte hittestabiliteit.
Triacetaatvezels vertonen een kernhuidstructuur vanwege de zeer regelmatige verdeling van acetylgroepen. Hitteharding (kristallisatie) bij 180-200 °C verbetert de was- en draageigenschappen.
Dit proces vereist enkele minuten bij 180 °C of enkele seconden bij 220 °C om de waterretentie (10%) en absorptie (2,5%) te optimaliseren. Kortere duurtijden zijn niet effectief en langere periodes verslechteren de mechanische eigenschappen van het textiel.
4. Toepassingen van celluloseacetaatvezels
De combinatie van celluloseacetaat- of triacetaatvezels met nylon of polyester biedt een synergetische mix van eigenschappen die ideaal zijn voor verschillende voeringtoepassingen. Dit compenseert de zwakkere fysieke eigenschappen van acetaatvezels, terwijl hun gewenste kwaliteiten behouden blijven, zoals een hoge vochtabsorptie en zijdezachte zachtheid.
Vanwege hun unieke mix van hydrofobe en hydrofiele eigenschappen worden semi-permeabele membranen gemaakt van celluloseacetaatvezels gebruikt voor waterontzilting door omgekeerde osmose.
Holle celluloseacetaatvezels worden ook gebruikt in gasscheidings- en hemodialysetoepassingen.
De niet-toxische aard van celluloseacetaat, biologische afbreekbaarheid en afhankelijkheid van hernieuwbare natuurlijke polymeren (cellulose) openen de mogelijkheid voor veelbelovende toekomstige toepassingen in verschillende vakgebieden.
Referentie
- Cellulose Esters; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a05_419.pub2
