Faden, Verfahren zu dessen Herstellung sowie dessen Verwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft Fäden, vorzugsweise Textilfäden oder -garne, insbesondere neue Fäden, die aus Polymermaterialien hergestellt sind.
Es wurde bereits vorgeschlagen, Textilfäden aus polymeren Harzen nach einem Verfahren herzustellen, bei dem ein geschmolzenes Harz oder eine Lösung des Harzes aus einer sehr kleinen Öffnung extrudiert und durch ein beliebiges Mittel zur Verfestigung gebracht wird. Dadurch entsteht ein Monofilament aus Harz. Ein Monofilament, das genügend dick und stark ist, um zu einem Stoff verwoben zu werden, ist jedoch normalerwei- se ziemlich unflexibel, und um die Flexibilität zu erhöhen ist es daher nötig, relativ reine Monofilamente herzustellen, die dann miteinander vereinigt verwendet werden, um die notwendige Festigkeit zu erreichen. Manchmal werden z.B. die feinen Monofilamente zerhackt, wobei man eine Stapelfaser erhält, die dann versponnen wird.
Es wurden nun neuartige Fäden entwickelt, die die meisten, von einem Faden verlangten Eigenschaften besitzen, aber trotzdem direkt durch ein Verfahren hergestellt werden können, bei dem eine gesonderte Herstellung von feinen Monofilamenten vermieden wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Faden, der sich dadurch auszeichnet, dass er eine dreidimensionale Struktur aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen thermoplastischen Faserteilchen aufweist, wobei die Faserteilchen im wesentlichen in der Herstellungsrichtung des Fadens ausgerichtet sind und einige von ihnen einen verzweigten Querschnitt aufweisen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemässen Fadens, das sich dadurch auszeichnet, dass entweder ein Strang oder Band eines extrudierten, geschäumten, thermoplastischen Materials gezogen wird, so dass im wesentlichen eine Orientierung in der Extrusionsrichtung eintritt, und dass das gezogene geschäumte Material Kräften unterworfen wird wodurch die Wände des Schaums eingerissen werden und der Schaum in eine dreidimensionale Struktur von miteinander verbundenen Faserelementen verwandelt wird, oder dass der Faden aus einem gezogenen, geschäumten Material hergestellt wird, das einen grösseren Querschnitt als der herzustellende Faden aufweist, wobei die Zellwände des gezogenen Materials eingerissen werden und es so in ein dreidimensionales Gebilde von miteinander verbundenen Faserteilchen verwandelt wird und das Gebilde in Längsrichtung zerteilt wird,
so dass eine Anzahl von Fäden der gewünschten Querschnittsgrössen gebildet wird.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemässen Fadens zur Herstellung eines aus einer Vielzahl derartiger Fäden aufgebauten Materials.
Dieses Material kann ein Gewebe, Gewirk, Netz, Seil oder Zwirn sein.
Nachfolgend sollen verschiedene Ausführungs- und Verwendungsmöglichkeiten der Erfindung beispielsweise dargelegt werden.
Der erfindungsgemässe Faden kann, wenn gewünscht, auch als solcher verwendet werden, z.B. zur Herstellung von Teppichen. Eine seiner Eigenschaften besteht nämlich darin, dass die Zahl der losen Enden gering ist.
Der erfindungsgemässe Faden kann jedoch wahlweise auch vor der Verwendung einer üblichen Spinnoperation unterworfen werden, und er wird in diesem Fall bis zu einem gewissen Grad verdrillt sein, obwohl dies nur gering sein kann. Stärkere Verdrillungen können jedoch vorgenommen werden, falls dies benötigt wird, und es kann z.B. ein stark verdrillter Faden hergestellt werden.
Ein Faden, der verdrillt wurde, kann z.B. als Faden bezeichnet werden, der einen dreidimensionalen Aufbau aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen thermoplastischen Faserteilchen aufweist, die im wesentlichen als eine Reihe von Spiralen angeordnet sind, die eine gemeinsame Achse entlang der Länge des Fadens aufweisen, wobei einige der Faserteile Querschnitte aufweisen, die verzweigt sind.
Es wird hier die Bezeichnung Faserelemente oder Faserteile bzw. Faserteilchen gewählt, und nicht die Bezeichnung Faser, weil im allgemeinen die in Frage kommenden Teile im wesentlichen in drei Dimensionen untereinander verbunden sind. Daher ist die Anzahl der losen Enden im Faserverband normalerweise gering, und der Faden enthält wenige echte Fasern", d.h. Fasern mit freien Enden.
Faserteile, die einen Querschnitt aufweisen (im rechten Winkel zu der Hauptachse des Faserteilchens), der verzweigt ist sind im Faden anwesend, weil die Faserteilchen aus einem orientierten, geschäumten, thermoplastischen Material durch eine teilweise Zerstörung oder Einreissung der Wände der Zellen oder Poren, die die Schaumstruktur bilden, erhalten werden. Die Faserteile bestehen daher aus den Resten der Zellwände und besitzen deshalb gewisse charakteristische Eigenschaften, wie weiter unten beschrieben wird.
Fasern, die verzweigte Quersc} nit,e aufweisen, rühren von den Teilen der Wände verschiedener Zellen her, die im ursprünglich ol.en.7erten, geschäumten Material anwesend waren, und die Verzveigung iritt dort auf, wo ein Bruchstück der Wand einer Zelle mit Bruchstücken der Wand einer oder mehrerer anderer Zellen verbunden ist Der einfachste Fall eines verzweigten Querschnittes eines Faserteilchens kann als (edreilappig bezeichnet werden, weil in diesem Fall drei Lappen oder Arme vorliegen, wie die in Fig. 1 gezeigten Querschnitte veranschaulichen, die senkrecht zu den Hauptachsen der Faserelemente geschnitten wurden.
Damit verwandte, aber komplizierter verzweigte Querschnitte können aus einem oder mehreren miteinander verbundenen dreilappigen Querschnitten bestehen, wie z.B. in Fig. 2 gezeigt wird. Querschnitte, wie sie z.B.
in den Fig. 1 und r veranschaulicht werden, sind solche, die an einem Punkt entlang der Hauptachse eines Faserteilchens auftreten können, und es ist nicht notwen dig, dass ein Faserteilchen entlang seiner Länge konstanten Querschnitt besitzt. Normalenveise verändert sich nicht nur der Querschiiitt entlang der Länge des Faserteilchens, sondern das Faserteilchen selber ist nicht gerade und liegt nicht parallel zu dem Gesamtfaden. Es werden daher eine Reihe von Querschnitten, die entlang eines Fadens im rechten Winkel zur Herstellungsrichtung des Fadens durchgeführt wurden, den Querschnitt eines bestimmten Faserteilchens in einer Anzahl von verschiedenen Formen zeigen.
Bei einem typischen Querschnitt durch einen Faden kann die Zahl der Querschnitte von Faserteilchen, die verzweigt sind, einen geringeren Anteil ausmachen, wie z.B. 309. 40% oder weniger, aber es verleiht deren Anwesenheit, auch dann wenn sie nur 5 bis 10%, bezogen auf die Gesamtheit, ausmacht, dem Faden einen eigenen Charakter. In gewissen Fällen kann der Anteil an verzweigten Querschnitten hoch sein, wie z.B. 60 oder 70cm. aber in vielen Fällen wird er zum Beispiel im Bereich von 5 bis 50%, vorzugsweise zwischen 10 und 40C7C- insbesondere bei etwa o '7c, liegen.
Aufgrund der Herstellungsart weisen die Faserteilchen in der Hauptsache einen länglichen Querschnitt auf.
Sehr oft umfasst ein Querschnitt eines Faserteilchens mindestens zwei im wesentlichen parallele Seiten, obwohl zumindesten in den Fällen, in denen die Faserteilchen einen verzweigten Querschnitt aufweisen, diese parallelen Seiten gewöhnlich gekrümmt sein werden. Andere Querschnitte können die Form eines Polygons aufweisen, z.B.
viereckig, und sie können rechteckig oder im wesentlichen rechteckig sein. Es können jedoch auch mehr als vier Seiten vorliegen. Bei der Betrachtung des Querschnittes durch ein Faserteilchen, wird die längere (oder die längste) Dimension als die Breite und die kleinere (oder die kleinste) Dimension als die Dicke bezeichnet.
Im allgemeinen können die länglichen Querschnitte ein Verhältnis von Breite zu Dicke im Bereich zwischen 3 l und 20: 1 oder sogar noch höher, wie möglicherweise :1, i, haben. Ein gewisser Teil (möglicherweise bis zu 50% der Gesamtheit) der Querschnitte kann kompakt ein und zum Beispiel im wesentlichen die Form eines Quadrats aufweisen. Oft wird die Anzahl der kompakten Querschnitte gering sein.
Eine weitere Charakteristik der Faserteilchen der erfindungsgemässen Fäden kann als deren Oberflächengrösse in Quadratmetern pro Gramm ausgedrückt werden. Die Grösse der Oberfläche kann z.B. zwischen 0,04 und 1,05, insbesondere zwischen 0,05 und 1,0 liegen. Gut verwertbare Fäden können z.B. Faserteilchen enthalten, die Oberflächengrössen zwischen 0,1 und 0,5 aufweisen, wie z.B. etwa 0,2 oder 0,3. In gewissen Fällen kann die Oberfläche auch noch grösser sein und bis zu etwa 2 m-'/g betragen. Die Grösse der Oberfläche kann durch die Arbeitsweise des Verfahrens zur Herstellung des Fadens eingestellt werden, wobei z.B. ein geschäumtes Material mit höherer Dichte normalerweise einen Faden liefert, der eine geringere Oberfläche aufweist.
Die Dicke der Faserteilchen liegt oft im Bereich zwischen 0,002 mm und 0,10 oder 0,13 mm, z.B. zwischen 0,005 und 0,076 mm. Sie kann z.B. zwischen 0,01 und 0.05 mm liegen, und so etwa 0,015 oder etwa 0,025 mm betragen.
Der mittlere Abstand zwischen den oben beschriebenen Verbindungspunkten kann z.B. zwischen dem 5- oder 10- bis 750fachen der mittleren Dicke der Faserteilchen oder etwas mehr betragen, z.B. kann er bis zum 1000fa chen der mittleren Dicke ausmachen. Es werden z.B. gut verwendbare Fäden erhalten, wenn die mittleren Abstände zwischen den Verbindungspunkten der Faserteilchen zwischen dem 20- und 500fachen der mittleren Faserdikke liegen, so z.B. im Bereich zwischen dem 50- und 300fachen. Ein Abstand von etwa dem 100 oder 200fachen der mittleren Dicke der Mehrheit der Faserteilchen ist oft charakteristisch.
In absoluten Massstäben ausge drückt liegt der Abstand zwischen Verbindungspunkten oft im Bereich von 0,25 bis 13 mm, wie z.B. zwischen 0,5 und 7,6 mm, beispielsweise zwischen 1.3 bis 2,5 oder 5 mm.
Die Fäden können kontinuierlich hergestellt werden, und sie können auf jeden Fall in jeder für den beabsichtigten Zweck gewünschten Länge hergestellt werden. Ihre Querschnitte entsprechen den für Fäden üblichen und sind normalerweise kompakt. In speziellen Fällen, z.B.
wenn der Faden nachfolgend verdrillt wird, kann der Querschnitt des Fadens mehr länglich sein, z.B. kann er die Form eines länglichen Vierecks aufweisen, und der Faden bzw. das Garn kann dann in Form eines Bandes oder Streifens, der normalerweise schmal ist, vorliegen.
Ein derartiges Band oder ein Streifen kann z.B. eine Breite von bis zu 6,4 mm aufweisen. Wenn der Faden den normaleren kompakten Querschnitt aufweist, kann dieser kreisförmig oder ähnlich sein und in weiten Grenzen schwanken. Im allgemeinen wird er mindestens 0,13 mm betragen und kann z.B. im Bereich zwischen 0,25 und 3,8 mm oder mehr liegen, beispielsweise zwischen 0,5 und 1,3 oder 2,5 mm. Dickere Fäden können einen Durchmesser von bis zu beispielsweise 6,4 min aufweisen.
Fäden, die Durchmesser im oberen Teil dieses Bereichs aufweisen, sind zur Herstellung von bestimmten groben, aus Fasern oder Fäden bestehenden Produkten geeignet.
Im Denier-Mass-System, d.h. das Gewicht von 9000 m Faden in Gramm ausgedrückt, können die erfindungsgemässen Fäden z.B. irn Bereich von 15 bis 25 000, beispielsweise im Bereich von 100 bis 1000, insbesondere zwischen 200 und 500 liegen.
In Fällen, wo der Faden verdrillt wurde, fällt die gemeinsame Achse der Spiralen normalerweise mit der Achse des Fadens zusammen und die Schraubenlinien können z.B. zwischen 0,2 oder 0,4 und 30 Windungen pro cm aufweisen, beispielsweise 0,8 und 4,7 Windungen pro cm, insbesondere zwischen 1,6 oder 2,4 bis 4 Windungen pro cm. Die verdrillten Fäden besitzen einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt. Ein Faden, der ein geringes Ausmass an Verdrillungen aufweist, ist im allgemeinen weicher als einer, bei dem der Verdrillungsgrad höher ist.
Wenn der erfindungsgemässe Faden verdrillt werden soll, dann kann dies in jeder geeigneten Weise durchgeführt werden, und zwar sobald das extrudierte Material teilweise zerrissen ist, oder in einem getrennten Arbeitsgang. In manchen Fällen können die beiden Arbeitsgänge zu einem einzigen Schritt vereinigt werden. Ein Einzelfaden kann zu einem einzelsträngig verdrillten Faden verdrillt werden, oder es können zwei, drei oder mehr Fäden hergestellt und miteinander verdrillt werden, so dass man Fäden erhält, die aus mehreren Strängen bestehen. Die verdrillten Fäden können, falls dies notwendig ist, hitzefixiert sein oder unter Zug aufgewickelt, wie dies in der Praxis üblich ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren betrifft auch eine Modifikation, bei der die Fäden hergestellt werden, indem man ein Band oder einen Strang, der dei geeignete dreidimensionale Struktur der miteinander verbundenen Faserteilchen besitzt, z.B. die in der schweiz.
Patentschrift Nr. 459 131 beschriebenen Fasergebilde, zerschneidet oder zerteilt. Bei dieser Ausführungsart wird das gezogene geschäumte Material natürlich einen Querschnitt aufweisen, der grösser ist als der des gewünschten Fadens, und das gezogene Material wird eingerissen und in eine dreidimensionale Struktur von miteinander verbundenen Faserteilchen verwandelt, und diese Struktur wird in Längsrichtung in eine Anzahl von Fäden zerteilt, die die erforderlichen Querschnitte aufweisen. Auf diese Weise hergestellte Fäden können z.B. zweckdienlich, sowie im vorherigen Absatz beschrieben wurde, miteinander verdrillt werden. Beispielsweise Ausführungsarten der erfindungsgemässen Fäden werden in den Zeichnungen veranschaulicht.
Fig. 3 stellt eine vergrösserte (120mal) Darstellung der Draufsicht auf einen Faden dar, und Fig. 4 zeigt eine vergrösserte (200mal) Teilansicht eines Schnittes durch denselben Faden, wobei der Schnitt im rechten Winkel zur Extrusionsrichtung geführt wurde.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass eine grosse Anzahl von Verbindungsstellen vorkommt und, dass, bezogen auf die mittlere Dicke der Faserteilehen, die Verbindungsstellen relativ nahe beisammen liegen. Die Teile der Faserteilchen, die in Fig.3 als Enden aufscheinen, müssen im Faden nicht unbedingt in diesem Zustand vorliegen.
Einige der Enden bildeten sich, als der kleine Teil des Materials aus dem Faden zur Prüfung herausgebrochen wurde, während andere in Wirklichkeit keine freien Enden sind. Diese sind nämlich Faserteilchen, die gekrümmt sind und deren übrige Teile entweder direkt zum Betrachter oder direkt vom Betrachter weg gerichtet sind.
In Fig. 3 betragen die Abstände zwischen vielen oder dem grössten Teil der Verbindungsstellen etwa 0,25 mm.
Fig. 4 zeigt die Anwesenheit von verzweigten Querschnitten (etwa 20% bezogen auf das Ganze).
Im allgemeinen weisen die neuen, erPindungsgemäs- sen Garne ausgezeichnete Flexibilität auf und sie können zu Stoffen und textilen Materialien verwoben werden, und zu Faser oder Garnprodukten, z.B. Netzen, Schnüren und Zwirnen verarbeitet werden. Die Festigkeit in der Herstellungsrichtung ist gut und, wie klargelegt wurde, sind praktisch alle Faserteilchen durch die dreidimensionale Struktur des Fadens miteinander verbunden.
Die Faserteilchen liegen im wesentlichen in der gleichen Richtung, aber dies bedeutet natürlich nicht, dass sie alle genau in der gleichen Richtung liegen. Das allgemeine Aussehen des erfindungsgemäss hergestellten Fadens zeigt, dass er Faserteilchen enthält, die im wesentlichen parallel sind, so wie sie z.B. in einem Faden sein könnten, der eine im wesentlichen netzartige Form aufweist. In der Praxis bedeutet dies, dass die Faserteilchen im wesentlichen in der Herstellungsrichtung des Fadens liegen. Im allgemeinen weisen die Fäden ein hübsches Aussehen auf. Z.B. zeigen sie oft einen Glanz an der Oberfläche.
Das thermoplastische Material, aus dem der Faden erzeugt ist, ist ein solches, das in einen extrudierten Schaum umgewandelt werden kann. In der Praxis ist es gewöhnlich ein synthetisches Material, das faserbildend ist. Ausgezeichnete Ergebnisse werden mit einem thermoplastischen synthetischen Material erhalten, z.B. einem Polymeren oder Copolymeren, das durch Polymerisation (die den Begriff Copolymerisation mit umfasst) eines äthylenisch ungesättigten Monomeren erhalten wird. Ein derartiges Monomeres kann ein äthylenisch ungesättigter Kohlenwasserstoff sein, aber es kann z.B. auch ein Nitril, wie z.B. Acrylnitril oder Mehtacrylnitril; Vinyl- oder Vinylidenchlorid; ein Vinylester, wie z.B. Vinylacetat; oder ein Acrylsäureester, wie z.B. Äthylacrylat oder Methylmethacrylat sein.
Wenn das Monomere ein Kohlenwasserstoff ist, kann dies ein Mono-Olefin oder ein Dien sein, z.B. Äthylen, Propylen, ein Butylen. ein Penten oder Hexen; Butadien; oder ein vinylsubstituiertes Benzol, wie z.B. Styrol oder -Methylstyrol. Das Polymere kann z.B. Polyäthylen (ein Material geringer oder hoher Dichte), kristallines Polypropylen, Polystyrol oder gehär tetes Polystyrol sein. Ein Copolymeres kann im allgemeinen z.B. ein Derartiges sein, das zwei oder mehr, z.B.
drei, von irgendwelchen der oben erwähnten Monomeren enthält. Ein Comonomeres kann z.B. ein solches sein, das dem Copolymeren ein gewisses Ausmass an Flammwidrigkeit verleiht, wobei ein Beispiel für eine derartige Substanz ein Vinylhalogenid, wie z.B. Vinylchlorid, Vinylbromd oder Vinylidenchlorid, ist. Beispiele für andere Comonomere sind Vinylpyrrolidon und ein Vinylpyridin wie z.B. Methylvinylpyridin. Ein Copolymeres kann z.B. eines sein, das sich von zwei Kohlenwasserstoffmonomeren ableitet. wie z.B. ein Äthylen-Propylen- oder ein Styrol-Butadien-Copolymeres; ferner ein Kohlenwasserstoff mit einem andersartigen Monomere, wie z.B. ein Äthylen-Vinylacetatcopolymeres; oder ein Copolymeres, das sich von ungleichen Monomeren, wie z.B. Acrylnitril und einem kleinen Anteil an Vinylacetat, ableitet.
Das thermoplastische Material kann auch aus einer Mischung von zwei oder mehr Polymeren oder Copolymeren bestehen. Es kann z.B. eine Mischung aus einem Copolymeren, bestehend aus Acrylnitril mit einer geringen Menge von Vinylacetat (z.B. im Bereich von 10 Gew.-%), und Polyvinylchlorid sein. Es kann auch eine Mischung eines Acrylnitril-Vinylacetat-Copolymeren und eines Copolymeren aus Acrylnitril mit Methylvinylpyridin sein.
Vorzugsweise ist das Polymere ein thermoplastisches Harzmaterial, aber es kann auch ein elastomeres Material, z.B. ein Copolymeres sein, welches sich von genügend Dienmonomeren (wie z.B. Butadien) ableitet, so dass dieses dem Copolymeren ein gewisses Ausmass an elastomeren Eigenschaften verleiht. Das Polymere kann Naturgummi oder ein synthetisches Gummi, wie z.B. ein Polybutadien-, Styrolbutadien- oder Acrylnitrilbutadiengummi sein. Ein thermoplastisches Harzmaterial kann nichtkristallin (wie z.B. amorphes Polystyrol) oder kristallin (z.B. kristallines Polyäthylen oder Polypropylen) sein. Andere Arten von synthetischen Materialien, die angewandt werden können. umfassen Polyamide, wie z.B.
Nylon 11 und Nylon 66: Polyurethane; Polylactame, wie z.B. Polycaprolactam; und ferner Polyester, wie z.B. vom Polyäthylenterephthalat-Typ. Wenn das thermoplastische Material eine regenerierte Naturfaser ist, dann ist es vorzugsweise eines auf Basis von Zellulose, z.B. Rayon, Zelluloseacetat. Zellulosetriacetat oder Zelluloseacetatbutyrat. Beim erfindungsgemässen Verfahren ist das Ausgangsmaterial ein extrudiertes geschäumtes polyme res Material und, falls es gewünscht ist, kann dieses nach einer üblichen Extrusionstechnik hergestellt werden. Die extrudierten geschäumten Produkte, die in den britischen Patentschriften Nr. 1 089 562 und Nr. 1 089 561 beschrieben werden, können beispielsweise auch angewandt werden.
Unabhängig davon, wie der extrudierte Strang oder das extrudierte Band des geschäumten Materials hergestellt wurde, weist es einen Querschnitt auf, der im Einklang mit dem Endziel der Herstellung eines Garns steht. Der extrudierte Strang (der den Begriff eines Stabes einschliesst) oder das Band kann im wesentlichen jeden ziemlich kompakten Querschnitt aufweisen, aber oft wird der Querschnitt kreisförmig oder im wesentlichen kreisförmig, oder auch quadratisch oder rechteckig sein kann.
In Fällen. wo der Faden z.B. verdrillt werden soll, kann er. falls gewünscht einen weniger kompakten Querschnitt aufweisen und daher kann das extrudierte, geschäumte Material (obwohl dies nicht wesentlich ist) einen Querschnitt besitzen, der ein mehr längliches Rechteck oder eine ähnliche Form zeigt, so dass das extrudierte Material dann ein Band oder ein Streifen, und zwar ein ziemlich schmaler. sein kann. Falls gewünscht, kann auch ein geeigneter Strang oder ein Band erhalten werden. indem ein Blatt oder Bogen eines gezogenen, extrudierten. geschäumten Materials in Längsrichtung geschlitzt wird.
Im allgemeinen liegt, wenn der extrudierte Strang einen kreisförmigen oder ungefähr kreisförmigen Querschnitt aufweist, der mittlere Durchmesser bei spielsweise zwischen 2,5 und 25 mm, insbesondere zwisehen 5 und 13mm. Die Dichte des geschäumten Materials kann z.B. im Bereich zwischen 0,016 g pro cm3 und +.16 r pro cm liegen, wie z.B. zwischen 0,032 bis 0,064 nider 0,8 g pro cm5. Der Umstand, dass das Ausgangsmaterial geschäumt ist, kann auch durch das Porenvolumen ausgedrückt werden, das bis zur Hälfte des Gesamtvolumens betragen kann (Volumenverhältnis 0,5).
In der Praxis ist jedoch das Volumenverhältnis oft nicht geringer als 0,9, und liegt z.B. im Bereich z.B. zwischen 0,950 und 0,985, insbesondere zwischen 0,96 und 0,97 bis 0,98.
Ein Volumenverhältnis von 0,5 entspricht einem Verhältnis des Volumens des Schaums zu dem Volumen des thermoplastischen Materials, das er enthält, von 2:1.
Bei der Herstellung eines extrudierten, geschäumten, thermoplastischen Materials wird im allgemeinen das Treibmittel eine niedrig siedende Substanz sein oder ein chemisches Treibmittel. Das geschäumte Material enthält gewöhnlich geschlossene Zellen, obwohl auch ein Material, z.B. Polyäthylen, verwendet werden kann, das Zellen enthält, die zu einem gewissen Anteil miteinander verbunden oder offen sind. In vielen Fällen ist das Treibmittel eine flüchtige Substanz und oft eine, die unter üblichen Bedingungen (wie z.B. 200C und eine Atmosphäre Druck) ein Gas oder ein Dampf ist, welche aber, zu dem Zeitpunkt, wo sie vor der Extrusion unter Druck steht, in dem geschmolzenen oder halbgeschmolzenen thermoplastischen Material in Lösung vorliegt. Das Treibmittel kann jedoch auch ein solches sein, das unter normalen Bedingungen eine flüchtige Flüssigkeit ist, wie z.B.
Pentan oder eine Pentanfraktion. Beispiele für verwendbare flüchtige Substanzen sind: niedere aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Äthan, Äthylen, Propan, ein Butan oder ein Pentan; niedere Alkylhalogenide wie z.B. Methylchlorid, Trichlormethan oder 1,2 Dichlortetrafluoräthan; Aceton und anorganische Gase, wie z.B. Kohlendioxyd oder Stickstoff. Die niedrigeren aliphatischen Kohlenwasserstoffe, insbesondere Butan, sind bei polyolefinischen Materialien, wie z.B. Polystyrol oder Polyäthylen, gut geeignet. Das Treibmittel kann auch ein chemisches Treibmittel, beispielsweise ein Bicarbonat, wie z.B. Natrium- oder Ammoniumbicarbonat, ferner eine organische Stickstoffverbindung, die beim Erhitzen Stickstoff abgibt, wie z.B. Dinitrosopentamethylendiamin oder Bariumazodicarboxylat, sein.
Oft liegt die geeignete Menge an Treibmittel zwischen 3 und 30 Gew. %, insbesondere zwischen 7 und 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des thermoplastischen Materials und es hat z.B. die Verwendung von 7 bis 15 Gew.-% Butan in Verbindung mit einem polyolefinischen Material ausgezeichnete Resultate geliefert. Es kann eine grosse Auswahl von kernliefernden Materialien verwendet werden, wie z.B. fein verteilte inerte Feststoffe, beispielsweise Kieselsäure oder Aluminiumoxyd, eventuell zusammen mit Zinkstearat oder geringen Mengen einer Substanz, die sich bei der Extrusionstemperatur unter Ausbildung eines verwendbaren Gases zersetzt. Ein Beispiel für die letztgenannte Klasse von kernliefernden Mitteln ist Natriumbicarbonat, das gegebenenfalls in Verbindung mit einer schwachen Säure, wie z.B. Weinsäure oder Zitronensäure verwendet wird.
Ein kleinerer Anteil des kernliefernden Mittels. z.B. bis zu 5 Gew.-%, bezogen auf das thermoplastische Material, ist gewöhnlich wirksam. Wo es angemessen erscheint. kann auch ein Weichmacher anwesend sein.
Der Arbeitsgang des Ziehens wird vorzugsweise nach einem kontinuierlichen Verfahren ausgeführt, obwohl dies nicht wesentlich ist, und der Verfahrenschritt des Einreissens des Schaumes kann unmittelbar daran angeschlossen sein oder er kann in der Folge ausgeführt werden. z.B. bei bestimmten Längen des gezogenen geschäumten Materials. Das extrudierte, geschäumte, thermoplastische Material wird in der Extrusionsrichtung gezogen, und dadurch wird es in einer Richtung orientiert (einachsig) und die Zellen des Schaumes werden länglich.
Das gezogene Material besitzt gewöhnlich eine etwas höhere Dichte als das Material vor dem Ziehen. Die genauen Verfahrensbedingungen, die beim Ziehen notwendig sind, um die gewünschten Resultate zu erhalten, hängen von dem jeweilig verwendeten thermoplastischen Material ab, aber im allgemeinen haben sich Streckungsverhältnisse zwischen 20:1 und 2:1 als brauchbar herausgestellt, z.B. solche zwischen 15: 1 und 3 1. Gute Ergebnisse wurden bei einem Verhältnis zwischen 12 :1 und 5:1, insbesondere zwischen 10:1 und 7:1 erzielt.
Die angewandte Temperatur hängt wieder von dem speziellen thermoplastischen Material ab, aber in den meisten Fällen ist es eine erhöhte Temperatur, z.B. über 40 oder 500 C und bis zu 130 oder 1400 C oder in manchen Fällen noch mehr. Im Prinzip ist es wünschenswert, dass das geschäumte Material auf eine mässig erhöhte Temperatur erhitzt wird, die nicht so hoch ist, dass die Schaumstruktur gestört wird, aber hoch genug, dass das Material ausreichend ziehbar ist. Extrudiertes, geschäumtes Styrol kann z.B. zwischen 120 und 1400C gezogen werden, während für ein geschäumtes Polyäthylen hoher Dichte eine Temperatur zwischen 40 und 1000 C vorzuziehen ist.
Ein amorphes thermoplastisches Material soll normalerweise über der Glasübergangstemperatur gezogen werden, während ein kristallines thermoplastisches Material bei einer Temperatur gezogen werden kann, die geringer ist als der Schmelzpunkt der Kristallite. Wenn das geschäumte Material infolge des Extrusionsschrittes noch heiss ist, kann es nötig sein, zu kühlen, ehe es möglich ist, in einem folgenden Arbeitsschritt zu ziehen, im allgemeinen jedoch muss das geschäumte Material auf eine geeignete Temperatur erhitzt werden, ehe es gezogen werden kann, denn beispielsweise kann sogar bei einer kontinuierlichen Arbeitsweise die Temperatur des geschäumten Materials bis zum Zeitpunkt der Streckung zu stark abgesunken sein.
Wie bereits erläutert wurde, ist die angewandte Hitzebehandlung so beschaffen, dass der extrudierte Schaum für den Ziehvorgang ausreichend duktil wird, und dies kann es z.B. nötig machen, dass das geschäumte Material entweder auf eine konstante Temperatur erhitzt wird, oder dass es einer relativ hohen Temperatur (möglicherweise bis zu 2000 C) während einer kurzen Zeit unterworfen wird, worauf eine normalerweise längere Periode bei einer tieferen Temperatur angeschlossen wird. Ein geschäumtes Material, das z.B. in einer Form hergestellt ist und eine äussere Haut (die normalerweise eine höhere Dichte besitzt als das innere Material) aufweist, kann bessere Ergebnisse bei einer Hitzebehandlung liefern, die eine kurze Anfangsperiode bei hoher Temperatur umfasst.
Diese anfängliche Hitzebehandlung kann z.B. im Falle eines thermoplastischen Materials, wie z.B. kristallinem Polypropylen, zweckmässig sein, und sie kann sogar nur wenige Sekunden dauern. Die genauen Bedingungen, die notwendig sind, damit das geschäumte Material in einem für das Ziehen geeigneten Zustand vorliegt, können leicht durch einfache Versuche gefunden werden. Im allgemeinen kann jedes übliche Verfahren zur Hitzebehandlung angewandt werden. Es kann z.B.
das extrudierte geschäumte Material durch heisse Luft oder ein inertes Gas oder durch ein erhitztes Bad einer geeigneten Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, Glycerin oder Äthylenglykol, geleitet werden. In bestimmten Fällen kann das Ziehen bei Raumtemperatur durchgeführt werden, beispielsweise bei Nylonmaterialien.
Nachdem das geschäumte Material gezogen worden ist, wird es unter Ausbildung des Fadens teilweise zerstört, d.h. es wird zu einem dreidimensionalen Netzwerk von miteinander verbundenen Faserteilchen eingerissen. Bei diesem Arbeitsschritt werden die Wände der länglichen Zellen des thermoplastischen Materials eingerissen oder fibrilliert , so dass sich Faserteilchen bilden.
Die festen Dreipunktverbindungen an den Enden der Zellen sind in manchen Fällen die Verbindungspunkte einer Anzahl von miteinander verbundenen Faserteilchen. Die Umwandlung kann z.B. durch mechanische Bearbeitung des gezogenen Materials erreicht werden, wobei man auf dieses Schwerkräfte, vorzugsweise in der Querrichtung, einwirken lässt. Um dies durchzuführen, können verschiedene Arbeitsweisen angewandt werden, wie z.B. Ribbeln, Walzen, Verwinden, Rütteln, Schlagen oder andere Arbeitsweisen, bei welchen das Material Kräften unterworfen wird, die es in Querrichtung im rechten Winkel zur Orientierungsrichtung ziehen. Man kann z.B. einen sich hin- und herbewegenden Walzenspalt in Verbindung mit einem benachbarten stationären Walzenspalt verwenden, wie in der Folge näher beschrieben wird.
Andere Methoden umfassen die Verwendung von zwei zylindrischen Bürsten, von denen eine ruhig ist und die andere sich dreht; eine Schlagmühle; ferner sich bewegende Gummioberflächen, die die Form von Platten, Förderbändern oder Walzen aufweisen können. Auch Ultraschall oder geeignet ausgerichtete Luftdüsen können verwendet werden. Im Falle eines thermoplastischen Harzes liegt im allgemeinen die Temperatur, bei der die teilweise Zerstörung ausgeführt wird, bei Zimmertemperatur, beispielsweise bei 200 C oder etwas höher, etwa bis 300C. Bei bestimmten, speziellen thermoplastischen Harzen (insbesondere solchen, die eine starke Elastizität besitzen und die deshalb relativ zäh sind) und bei elastomeren Materialien im allgemeinen, liegt die angewandte Temperatur normalerweise unter Zimmertemperatur, beispielsweise bei bloss 50C oder OOC oder sogar noch tiefer.
Die oben beschriebenen, sich hin- und herbewegenden bzw. stationären Walzenspalte können in der Praxis z.B.
aus zwei Paaren (1 und 2) von Metallstäben bestehen, wie in der Stirnansicht in Fig. 5 und in der Seitenansicht in
Fig. 6 gezeigt wird. Die Stäbe (1. 2) besitzen einen quadratischen Querschnitt mit abgerundeten Ecken und jedes Stabpaar besteht aus zwei ähnlichen Stäben, die senkrecht übereinander angeordnet sind. Die Stäbe jedes Paares werden mit Hilfe eines mit einer Feder versehenen Anschlages 3 leicht miteinander in Berührung gehalten.
Das linke Paar von Stäben 1 ist ruhend und wird mit den Stäben 2 durch die Wirkung einer Blattfeder 4 in
Kontakt gehalten. Hier nicht gezeigte Träger sind vorgesehen, die die Stabanordnung tragen. Die Stäbe 2 werden durch einen sich frei bewegenden senkrechten Stössel 5 hinauf und hinunter bewegt, der von einem auf der Welle eines hier nicht gezeigten elektrischen Motors sitzenden Nocken 6 angetrieben wird. Das gezogene geschäumte Material bewegt sich unter der Wirkung eines Paares von angetriebenen Walzen 7 von rechts nach links zwischen den Stäben durch.
Das dreidimensionale Netzwerk aus Faserteilchen, das durch Einreissen des gezogenen Schaumes erhalten wird, kann mehr oder weniger stark zerstört werden, so dass man Fäden erhält, die mehr oder weniger voluminös sein können. Will man Produkte erhalten, die bauschiger sind und ein geringeres Gewicht aufweisen, dann können die hergestellten Fäden aufgezupft werden und dieser Arbeitsgang kann durch übliche Vorrichtungen der Textilverarbeitung, z.B. mechanisch (beispielsweise durch geriffelte Walzen) oder durch Verwendung von beispielsweise Luftdüsen durchgeführt werden.
Bei bestimmten Fäden können einige der Faserteilchen als Bündel anwesend sein, wobei einige Fasern des Bündels mit Fasern benachbarter Bündel verbunden sind. Die Bündel treten vor allem dort auf, wo ein Faden so hergestellt wurde, dass nur eine schwache Zerstörung des gezogenen, extrudierten Schaumes auftritt.
Andere Verfahrenschritte z.B. Färben oder Schlichten können, falls dies gewünscht ist, an dem erfindungsgemässen Faden ausgeführt werden.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele erläutert.
Beispiel I
Das Beispiel beschreibt ein neues, erfindungsgemässes Polyäthylengarn hoher Dichte sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Das Ausgangsmaterial war ein Strang eines geschäumten Polyäthylens hoher Dichte, der einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 10 mm aufwies. Dieser wurde hergestellt, indem eine schäumbare Polyäthylenzusammensetzung, die 100Gew.Teile Polyäthylen hoher Dichte (Dichte 0,96 g/cm')sowie 12Gew. Teile Butan als Treibmittel und einen Teil fein verteilter Kieselsäure als kernbildendes Mittel enthielt, durch eine Pressdüsenöffnung von 2,5 mm Durchmesser bei einer Führung von 7,6 mm extrudiert wurde. Der extrudierte Strang wurde durch ein Äthylenglykolbad von etwa 1100 C geleitet und, während er sich auf dieser Temperatur befand, in der Längsrichtung auf etwa das zehnfache seiner ursprünglichen Länge gezogen.
Dies bewirkte eine Ausbildung länglicher Zellen im geschäumten Polyäthylen. Man liess das gezogene Material auf Raumtemperatur abkühlen und unterwarf es dann den Scherkräften, die durch die Auf- und Abbewegung eines Walzenspaltes (der Art wie oben beschrieben und in den Fig. 5 und 6 gezeigt wurde), durch welchen das orientierte, geschäumte Polyäthylen geleitet wurde, erzeugt wurden. Dieses Verfahren lieferte einen erfindungsgemässen Faden.
Die Stäbe 1 und 2 der Spaltvorrichtung bestanden aus blankem Aluminium und jeder wies eine Länge von 102 mm mit einem Querschnitt von 6,4 X 6,4 mm auf.
Die Geschwindigkeit des elektrischen Motors betrug 1400 Umdrehungen pro Minute und die vertikale Bewegung der Stäbe 2 betrug 12,7 mm. Das geschäumte, gezogene, thermoplastische Material wurde durch die Spaltvorrichtung mit einer linearen Geschwindigkeit von 61 cm pro Minute hindurchgeleitet.
Dieser Faden war sehr flexibel und besass eine gute Zugfestigkeit. Es konnte als Garn verwendet werden oder als Faden zum Weben von Stoffen. Der Faden bestand aus einer Masse von Polyäthylenfasern hoher Dichte,-die in drei Dimensionen an einer grossen Anzahl von Stellen miteinander verbunden waren. Die Fasern lagen im wesentlichen parallel zur Länge des Fadens, obwohl auch viele Brücken- oder Verbindungs-Fasern vorlagen, die nicht parallel zur Hauptmasse der Fasern lagen, und es gab auch wenige nicht verbundene oder lose Faserenden.
Die Faserteilchen hatten im Durchschnitt eine mittlere Dicke von etwa 0,025 mm und ihr Aussehen war im wesentlichen so wie in Fig. 3 und 4 gezeigt wird. Die durchschnittliche Oberfläche der Faserteilchen betrug 0,35 m . pro g.
Eine Probe des Fadens wurde mit 3,9 Drehungen pro cm verdrillt und es ergab sich ein verdrillter Faden mit einem mittleren Durchmesser von 1,5 mm. Dieser war flexibel und wies eine ausgezeichnete Zugfestigkeit auf.
Eine weitere Probe des hergestellten Fadens wurde auf 1,6 Drehungen pro cm verdrillt und dann wurden drei Längen von diesem mit 2,4 Drehungen pro cm zusammengedrillt. Das dabei erhaltene Produkt wurde doppelt genommen und dann nochmals mit 24 Drehungen pro cm verdrillt. Dieses zweimal dreisträngige Garn besass 4600 Denier und seine Zugfestigkeit betrug 1,2 g pro Denier.
Wenn als Ausgangsmaterial ein geschäumter Strang mit einem Durchmesser von 1,8 mm verwendet wurde, wobei die übrigen Bedingungen gleichgehalten wurden, wurde ein feinerer Faden hergestellt. In der verdrillten Form wies dieser einen mittleren Durchmesser von 0,25 mm auf.
Beispiel 2
In diesem Beispiel ist ein neuer Faden beschrieben, der aus kristallinem Polypropylen, welches einen Schmelzindex von 0,3 aufweist, erhalten wurde.
Extrudiertes, geschäumtes Polypropylen wurde durch Extrusion einer Mischung von Polypropylen und 12 Gew.-% Butan erhalten. Ein 25 mm-Extruder wurde verwendet, der eine Düsenöffnung von 2 mm aufwies; wobei der Führungskörper 12,7 mm lang war. Die Extrusionstemperatur betrug 1400 C und der Druck der Presse 70 kg pro cm2. Das erhaltene geschäumte Polypropylen bestand aus einem Materialstrang von etwa 12,7 mm Durchmesser, der eine Dichte von 0,019 g pro cm3- aufwies. Das Material war ziemlich flexibel und hatte eine silbrige Haut.
Das geschäumte Material wurde erhitzt, indem -es durch eine mit elektrischen Heizern ausgestattete Zone hindurch geleitet wurde. Es erfolgte eine 15 Sekunden dauernde Hitzebehandlung bei 2500 C. Man liess dann die Temperatur auf 900 C absinken und bei dieser Temperatur wurde das Material mit einer Geschwindig ls;eit von 7000% pro Minute gezogen, wodurch eine Verlängerung von 1300% erreicht wurde.
Das extrudierte gezogene Material wurde auf Raum temperatur abgekühlt und dann durch den in Beispiel 1 beschriebenen, sich auf- und abbewegenden Spalt geleitet.
Man erhielt eine Länge eines sehr flexiblen Fadens, der eine Dicke von etwa 2 mm aufwies und aus einer Masse von miteinander verbundenen Faserteilchen bestand, die wenige lose Enden hatten. Die Oberfläche des Fadens betrug 0,26 m- pro g. Der hergestellte Faden besass eine gute Zugfestigkeit von 4 bis 5 Pfund bei 900 C und eine Verlängerung von 10000cd pro Minute. Die Dicke der Faserteilchen lag zwischen 0,02 und 0,15mm und die Breite zwischen 0,19 und 2,8 mm. Die Zugfestigkeit des Fadens konnte durch Verdrillen vergrössert werden, z.B.
durch eine Verdrillung im Bereich von 0,1 bis 3,9 Drehungen pro cm.
Drei Längen des Fadens wurden nach der Herstellung jede auf 1,6 Drehungen pro cm verdrillt und dann wurden diese mit 2,4 Drehungen pro cm zusammengedrillt. Das dabei erhaltene dreisträngige Garn hatte 8150 Denier und eine Zugfestigkeit von 1,9 g pro Denier.
Beispiel 3
Dieses Beispiel beschreibt ein erfindungsgemässes Garn, das aus Polystyrol hergestellt ist.
Das Ausgangsmaterial war ein langer Stab aus ge schäumten Polystyrol, der durch Extrusion aus einer kreisförmigen Pressdüse aus einer schäumbaren Polysty rolzusammensetzung hergestellt wurde, die ein Butan Treibmittel und fein verteilte Kieselsäure als keimbilden des Mittel enthielt. Der Stab aus geschäumtem Polystyr rol, der 12,7 mm dick war und eine Dichte von 0,032 g pro cm3 aufwies, wurde durch ein Glycerinbad von 1300 C geleitet und bei dieser Temperatur auf das sechsfache seiner ursprünglichen Länge ausgezogen. Dies bewirkte eine Orientierung in der Längsrichtung der Zellen des geschäumten Polystyrols, die nun einen Durchmesser von 2,5 mm aufwiesen.
Das gezogene geschäumte Material wurde auf Raum temperatur abgekühlt und durch den in Beispiel 1 beschriebenen, sich auf- und abbewegenden Spalt geleitet.
Das dabei erhaltene Garn besass einen hübschen, weissen seidenartigen Glanz und war sehr flexibel. Es bestand aus einer Masse von Polystyrolfaserteilchen, die an einer grossen Anzahl von Stellen in drei Dimensionen mitein- ander verbunden waren. Die Faserteilchen lagen im wesentlichen parallel zur Extrudionsrichtung, obwohl viele Brücken- oder Verbindungs-Faserteilchen vorkamen, die nicht parallel zum Hauptkörper lagen, und es gab nun sehr wenige freie Enden.
Eine Zunahme der Zugfestigkeit wurde durch Verdrillen des Fadens bis zu einem Ausmass von 3,9 Drehungen pro cm erreicht.
Ähnliche Polystyrolfäden wurden aus einer 2,5 mm dicken Bahn von miteinander verbundenen Faserteilchen erhalten, die durch Ziehen einer Bahn aus extrudiertem geschäumtem Polystyrol und darauffolgendes Einreissen der Wände des Schaumes hergestellt wurde. Die Bahn wurde der Länge nach in enge Bänder zerschnitten, von denen jedes eine Breite von 6,4 cm aufwies, und drei davon wurden zu einem Garn zusammengedreht.
Beispiel 4
Dieses Beispiel beschreibt eine neue Faseranordnung, die aus einem Nylon erhalten wurde. Dieses war von der copolymeren Art und hatte einen tiefen Schmelzpunkt (1600 C) und ist als ein 6,6: 6 und 6:10 Copolymeres bekannt; es ist unter dem Handelsnamen Maranyl DA käuflich erhältlich. Dieses Nylon-Copolymere besteht aus einem Mischpolyamid aus Caproloctan, Hexamethylefla- dipinsäureamid und Hexamethylensebacinsäureamid.
Geschäumtes Material wurde durch Extrudieren einer Mischung aus dem Nylon mit 5 Gew.-% Aceton und 2 Gew.-% fein verteilter Kieselsäure durch eine kreisförmige Pressöffnung mit einem Durchmesser von 2,4 mm und unter Verwendung eines 38 mm-Extruders erhalten.
Die Temperatur der Presse betrug 1310 C und der Druck 84 kg pro cm". Der gekühlte, extrudierte, geschäumte Strang wies einen Durchmesser von etwa 6,4 mm auf.
Der geschäumte Strang wurde in einem Heissluftofen auf eine Temperatur von 600 C erhitzt und wurde dann auf über 1000% mit einer Verlängerung um 1000 bis 10 000% pro Minute gezogen.
Die Oberfläche des gezogenen, extrudierten Stranges wurde mit Äthylalkohol befeuchtet und der Strang dann durch den in Beispiel 1 beschriebenen mechanischen Spalt geleitet, wobei eine Fadenlänge erhalten wurde, die eine dreidimensionale Struktur von miteinander verbundenen Nylonfaserteilchen aufwies.
PATENTANSPRUCH I
Faden, dadurch gekennzeichnet, dass er eine dreidimensionale Struktur aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen thermoplastischen Faserteilchen aufweist, wobei die Faserteilchen im wesentlichen in der Herstellungsrichtung des Fadens ausgerichtet sind und einige von ihnen einen verzweigten Querschnitt aufweisen.