Schmälz- und Schlichtemittel für Glasfasern sowie dessen Verwendung
Textilfasern aus Glas erhält man im allgemeinen durch gleichzeitiges Zusammenfassen von einigen hundert einzelnen Glasschmelzfäden zu Monofilamenten mit einem Durchmesser von weniger als 12,5 pm. Diese Monofilamente werden bei ihrer Herstellung mit einem schützenden Beschichtungsmaterial, das gewöhnlich ein Binde- und Schmiermittel enthält, versehen, indem man die Fasern über ein mit dem Beschichtungsmaterial getränktes Polster führt. Dann werden die Monofilamente durch einen Spinnkopf zu einem Garn vereinigt und dieses auf einer drehenden Trommel oder Spule aufgewickelt, welche die Monofilamente durch die erwähnte Vorrichtung zieht.
Obwohl Glas eine Zugfestigkeit von über 28000 kg/cm2 besitzt, haben vorbekannte Garne nie diese Festigkeit gezeigt, da die Monofilamente während ihrer Herstellung brachen. Glas bricht nämlich leicht infolge seiner geringen Kerbzähigkeit und Monofilamente sind äusserst scheuerempfindlich wegen ihres hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses. Eine Scheuerbeanspruchung der Monofilamente kann sowohl beim Gleiten über feststehende Führungsflächen, als auch beim gegenseitigen Reiben aneinander auftreten. Da die Glasfasern im Laufe ihrer Herstellung öfters auf Biegung beansprucht werden und Glas mit zerkratzter Oberfläche leicht bricht, kann jedes Scheuern ein Brechen der Monofilamente verursachen, wobei dann die an der Bruchstelle liegenden Enden aus dem Garn herausragen und Flusen bilden.
Die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Glasfasergarne sind vor dem Verweben zu einem brauchbaren Textilprodukt zahlreichen Arten von Verdreh-, Biege- und Scheuerbeanspruchungen ausgesetzt.
Die Bedingungen. unter denen diese auftreten, sind so verschieden, dass es schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist, ein einziges Schmälz- und Schlichtemittel zu finden, das die Fasern vollständig gegen Bruch während des Zwirnens und Verwebens schützt. Die Schmälz- und Schlichtemittel müssen aus einer Lösung auf die Filamente gebracht werden, um diese vollständig zu bedekken. Zwecks Verhütung von Explosionen und anderen Gefahren verwendet man vorzugsweise eine wässrige Lösung. Einige Schmälz- und Schlichtemittel schützen die Fasern zwar ausreichend solange das Wasser nicht aus der Schmälze bzw. Schlichte entfernt wird, aber nur ungenügend in den späteren Schritten der Verarbeitung, wenn die Schmälze bzw. Schicht praktisch getrocknet ist.
Die oben beschriebenen Schmälz- und Schlichtemittel lässt man gewöhnlich lange genug unter Umgebungsbeu dingungen, damit etwa die Hälfte des Wassers an die Oberfläche der Schicht wandern kann, wonach der verbleibende Wasseranteil nur noch etwa 6 Gew.-% der gesamten Schicht beträgt. Zusammen mit dem Wasser wandern einige Arten von Bestandteilen an die Oberfläche der Schmälz- bzw. Schlichteschicht und bewirken den sog. Wanderungseffekt, welcher bewirkt, dass die äussere Zone der Schicht einen höheren Feststoffanteil aufweist als die innere. Ein gutes Schmälz- oder Schlichtemittel darf nicht zu sehr wandern .
Nachdem man die Feuchtigkeit der Schmälz- bzw.
Schlichte schicht auf etwa 6% vermindert hat, werden die Glasfasern unter Umgebungsbedingungen abgewikkelt und erneut verdreht aufgespult. Dieser Schritt wird als Zwirnen bezeichnet. Filamente, welche während des Abwickelns brechen, werden gewöhnlich mittels eines sog.
Fadenreinigers abgestreift, wobei sie sich ansammeln bis der Faden bricht. Glasfasern mit über 1% Wasser geben beim Umspulen Feuchtigkeit an die Umgebungsluft ab.
Die Fasern auf der Sekundärspule enthalten höchstens 1% Wasser. Verbleibt mehr als 1% Wasser, so kann die bespulte Hülse schrumpfen und dadurch die Anordnung der Fasern derart ändern, dass die Windungen zusammenkleben und die Garne beim Abwickeln der Sekundärspule brechen. Ein zu hoher Feuchtigkeitsgehalt in den gezwirnten Garnen verursacht ebenfalls Flusen in den nachfolgenden Verarbeitungsschritten. Wenn der Zu sammenhalt des Schichtbildners nicht genügend gross ist, pulverisiert er während des Zwirnens. Der gezwirnteMa- den auf der Spule stellt das Ausgangsmaterial für Glastextilien dar. Eine Vielzahl von gezwirnten Fäden kann zu einem Garn vereinigt werden. Eine Vielzahl von Garnen, gleichzeitig in bestimmten Abständen voneinander auf einen Zylinder gewickelt, bildet die Kette auf dem Webstuhl.
Der Schussfaden wird auf Schiffchen gespult, die zum Weben hin und her bewegt werden. Es ist offensichtlich, dass in all diesen Verarbeitungsschritten die Fäden übor feststehende Führungsflächen gezogen werden, wobei sie hin- und hergebogen. Während des späteren Verwebens werden sie überdies in entgegengesetz- teil Richtungen hin- und hergebogen. Ein zu sprödes Schmälz- oder Schlichtemittel kann beim Trocknen rissig werden, und die blossgelegten Fasern können aneinander oder an den Führungsflächen reiben, worauf sie sicher brechen. Wenn der Reibungskoeffizient des Schmälz- oder Schlichtematerlais gegenüber den Füh rungsflächen zu hoch ist, wird die Beschichtung von den Fasern abgezogen.
Ist die Schicht zu rauh, kann sie von den Führungsfiächen erfasst und abgezogen werden.
Überdies darf das Beschichtungsmaterial weder von den Fasern auf die Führungsflächen abgerieben werden und die Textilmasclinen verkleben, noch darf die Beschichtung zu pulverig sein.
Die Herstellung von Geweben aus Glasfasern ist eine bedeutende Industrie und es sind bereits grosse Aufwendungen gemacht worden, um ein universelles Schmälz- und Schlichtemittel zu finden, das für alle Ver arbeitungsschntte von der Formgebung bis zum Verwe- ben brauchbar ist.
Alle bekannten Schmiermitteltypen sind schon in verschiedenen Kombinationen versucht worden. In der USA-Patentschrift Nr. 2272588 ist empfohlen, Glasfasern bei der Formgebung mit einem flüssigen Wachsmaterial zu beschichten, das sich beim Abkühlen auf der Faser sofort verfestigt. Die USA-Patentschrift Nummer 2323 684 beschreibt die Anwendung von Wachs auf Glasfasern entweder im geschmolzenen Zustand oder in wässriger Emulsion. Die USA-Patentschrift Nr. 2723 215 beschreibt mit Mineralwachs, einer Organosiliconverbindung und Polyäthylen beschichtete Glasfasern. Alle diese vorbekannten Schmälz- bzw.
Schlichtemittel für Glasfasern, welche Wachs und die in den obenerwähnten Patentschriften beschriebenen Stoffe enthalten, haben den Nachteil, dass die Beschichtung von den Fasern auf die Führungsflächen abschmiert, insbesondere in den späteren Schritten der Verarbeitung, und sowohl die Maschinen verharzt als auch die Fasern dem Scheuern freigibt und so einen zu hohen Flusenanteil im Fertigprodukt liefert.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines neuen und verbesserten Schmälz- und Schlichtemittels für Glasfasern, welches die Fasern auch während der auf das Zwirnen folgenden Fabrikationsschritte schützt.
Demgemäss ist Gegenstand der Erfindung a) ein Schmälz- und Schlichtemittel für Glasfasern, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es mindestens die folgenden Bestandteile in den angegebenen Mengen, bezogen auf den Feststoffgehalt enthält:
Wachs 5 bis 80 Gew.-%
Dispergiermittel und Bindemittel 20 bis 90 Gew.-% worin der Dispergiermittelgehalt mindestens 11100 des Wachsgehaltes beträgt und das Wachs in Form von Teilchen von höchstens 10 pm Grösse verteilt ist;
sowie b) die Verwendung eines solchen Schmälz- und Schlichtemittels zum Überziehen von Glasfasern im Zuge ihrer Herstellung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass man Paraffinwachs mit einem Schmelzpunkt von unterhalb 540C auf über 660C erwärmt und Polyoxyäthylen- sorbitanmonostearat und Sorbitanmonostearat in den durch ein Hydrophil/Lipophil-Verhältnis von 8 bis 16 gegebenen Mengen, untermischt, das Gemisch in Wasser emulgiert, die Emulsion homogenisiert bis die Wachsteilchen eine Grösse von unter 5 pm haben, und man ferner die Emulsion mit einer Dispersion aus hydroxy äthylierter Stärke und acetylierter Stärke in Wasser im Verhältnis von 15 bis 85 Gew.-% Stärke zu 5 bis 75 Gew.-% Wachs mischt und man das so gewonnene Schmälz- und Schlichtemittel auf Glasfasern aufbringt,
die eine Temperatur von über 540C aufweisen.
Bei Verwendung des erfindungsgemässen Schmälz- u.
Schlichtemittels ergibt sich ein geringeres Flusen und es sind in den späteren Verarbeitungsschritten zu Glasfasertextilien schwächere Zugkräfte (50% schwächer) als bei vorbekannten Mitteln notwendig. Überdies sind die Zugkräfte gleichmässiger, da sie lediglich zwischen 5 bis 6 g schwanken verglichen mit einem Bereich, der bis zu 40 g geht, bei Verwendung von vorbekannten Mitteln, welche keine kleinen Wachsteilchen enthalten. Ferner zeigen aus den mit dem erfindungsgemässen Mittel behandelten Glasfasern gewobene Gewebe eine geringere Anzahl von gebrochenen Fäden und keinen Schmälz- bzw. Schlichtemittel staub auf den Webstühlen. Die besonders vorteilhafte Wirkung des erfindungsgemässen Schmälz- und Schlichtemittels beruht, wie sich zeigte, darauf, dass auf der behandelten Glasfaser die Wachteilchen gleichmässig in dem Bindemittel verteilt sind.
Die erwähnte Verteilung der Wachsteilchen im Bindemittel kann aus einer wässrigen Lösung erhalten werden, in der die Wachsteilchen geschmolzen vorliegen u. durch ein Dispergiermittel voneinander getrennt sind. Das Dispergiermittel kann z.B, ein grenzflächenaktiver Stoff mit einem zweckmässigen Hydrophil/Lipophil-Verhältnis, im folgenden als HLV bezeichnet, oder ein Polysaccharid mit lipophilen Seitenketten sein. Der grenzeuflächenaktive Stoff muss, um wirksam zu sein, einen in den Wachsteilchen löslichen und einen anderen, hydrophilen, aus der Oberfläche der Wachsteilchen herausragenden Molekülteil besitzen. Dic aus der Wachsteilchenoberfläche herausragenden Enden der Moleküle verhindern die Agglomeration der Wachsteilchen solange sie geschmolzen sind und in wässriger Lösung vorliegen.
Ebenso werden die lipophilen Seitenketten der Polysaccharide von den Wachsteilchen im beweglichen Zustand angezogen und bilden eine Schutz- hülle darum herum.
Wird beispelsweise ein grenzflächenaktiver Stoff verwendet, so bewirkt die Dispersion einer zweckmässigen Menge des Bindemittels in der wässrigen Lösung eine Anordnung von Wachs und Bindemittel, bei der das Bindemittel jedes Wachsteilchen umgibt. Als Bindemittel kann irgendeine für diese Anwendung zweckmässige Art in Frage kommen, wie Stärke, Polyvinylalkohol, Gelatine, Alginat, Harz usw. Es scheint, dass das zweckmässige HLV des hydrophilen Molekülteils mithilft die hydrolysierten Bindemittel-Moleküle in ihrer Anordnung um die geschmolzenen Wachsteilchen herum festzuhalten, wenn das Mittel auf der Glasfaser getrocknet wird. Dabei kann ein kationisches Gleitmittel zur Stabilisierung der Emulsion dienen und die Filmbildung unterstützen, da es einen von der Glasoberfläche angezogenen Molekülteil besitzt.
Es scheint, dass das kationaktive Gleitmittel die Ablage- rung der Wachsteilchen an der Glasoberfläche bewirkt, wobei diese mit Bindemitteln so überzogen sind, dass das Wachs weniger verschmiert, wenn die geschmälzten bzw.
geschlichteten Fasern über feststehende Führungsflächen, wie Fadenführer, gezogen werden.
Dadurch dass das Bindemittel die Wachsteilchen umhüllt, befindet es sich zwischen den Führungsoberflächen und dem Wachs und verhindert ein Anhaften an den Führungsflächen, dieweil das Wachs seine Schereigenschaften der Beschichtung trotzdem verleihen kann.
In einem wässrigen Medium beträgt die Menge der obenerwähnten Feststoffe gewöhnlich zwischen etwa 2 und 8 Gew.-%, um das Aufbringen auf die Fasern zu erleichtern. Das Mittel lässt sich aber auch mit einem viel höheren Feststoffanteil in Form eines Gels verwenden.
Die in den nachfolgenden Beispielen genannten Teile sind Gewichtsteile.
Beispiel I Bestandteile Gew.-% Hydroxyäthylierte Kartoffelstärke 2,97 Acetylierte Maisstärke, nach dem in der USA-Patentschrift Nr. 2461139 beschriebenen Acetylierungsverfahren acetyliert 0,99 Kationaktives Schmiermittel (Umsetzungsprodukt von Tetraäthylenpentamin mit Stearinsäure im Molverhältnis 1 zu 1,8 0,18 Paraffinwachs (Smp. 520C) 1,70 Polyoxyäthylensorbitanmonostearat (HLV = 15,9) 0,13 Sorbitanmonostearat (HLV = 5,9) 0,12 Polyvinylalkohol 0,10 Organozinn-Bakterizid 10 ppm
Dieses Mittel wird von Zugabe von 3,96 Teilen der beiden Stärken und 0,10 Teilen Polyvinylalkohol zu 60 Teilen kaltem Wasser in einem Mischtank erhalten, wobei man die Mischung unter stetigem Rühren auf 950C erwärmt und 30 Minuten auf dieser Temperatur hält.
Dann gibt man 20 Teile kaltes Wasser zu und erniedrigt die Temperatur auf 700C. In einem weiteren Behälter werden 1,7 Teile Wachs auf 65-700C erwärmt und diesem 0,25 Teile des grenzflächenaktiven Stoffs und 0,18 Teile des kationaktiven Schmiermittels zugesetzt und sorgfältig gerührt. Ferner mischt man 3 Teile Wasser bei einer Temperatur von 65 bis 750C langsam mit geschmol- zenem Wachs bis die Emulsion bricht und dünnfiüssig wird. Danach gibt man etwa weitere 6 Teile Wasser bei 65 - 750C zu. Die Emulsion wird hierauf in einem Homogenisator (jet homogenizer) bei 140 at homogenisiert und mit dem obenbeschriebenen Hauptansatz vereinigt. Das Organozinn-Bakterizid wird mit 0,25 Teilen warmem Wasser vermischt und der Mischung dann zugefügt. Dann verdünnt man sie durch zusätzliche Zugabe von Wasser auf die gewünschte Konsistenz.
Das Material wird auf einer Temperatur zwischen 55 und 600C gehalten und beim Verarbeiten der Glasfasern mittels eines üblichen
Schmälzpolsters, über welches diese gezogen werden, aufgebracht.
Derart geschmälzte Garne mit einem Feststoffgehalt der Schmälze von 1,2% des totalen Stranggewichtes zeigen einen Wanderungsindex (migration index) von 1,29%, einen Flusenindex (fuzz index) von 1,26, Zwirnungsbrüehe (twist breaks) 4%, eine Aufspulspannung (quilling tension) von 26 bis 34 g ohne Aufspulflusen oder Staubbildung, 4,6 gebrochene Filamente beim Aufspulen und eine Aufbäumspannung von 16 bis 28 g ohne Ablage auf den Spulrahmen (deposit on the creel).
Im Gegensatz dazu ergab das bisher verwendete Schmälzmittel, das kein Wachs sondern eine Stärke mit einem 50%igen Amylosegehalt, wobei ein Teil der Stärke in teilweise verkochtem Zustand vorlag, eine Schicht von 1,50 Gew.-% des geschmälzten Stranges. Dieses Mittel zeigte einen Wanderungsindex von 1,37, einen Zwirnungs-Flusenindex von 1,35 mit 8% Zwirnungsbrüchen, eine Aufspulspannung von 48 bis 70 g, sehr leichte Aufspulflusenbildung mit etwas Staubbildung und 5 gebrochene Filamente beim Aufspulen auf. Weiter zeigte es eine Aufbäumspannung von 40 bis 60 g mit sehr geringer Flusenbildung und eine mittlere bis starke Staubablagerung auf dem Spulrahmen.
Obwohl die im obigen Beispiel verwendeten Stärken aufgrund ihrer praktisch vollständigen Abbrennbarkeit während des sog. Coronizing-Verfahrens ausgewählt werden, kann der durch die Kombination mit Wachs erhaltene synergistische Effekt mit jeder Art von Stärke oder geeignetem Filmbildner erhalten werden. Wie zuvor beschrieben, wirkt das kationaktive Schmiermittel mit dem Wachs zusammen so, dass man oben beschriebene bevorzugte Anordnung auf den Glasfasern erhält. Das kationaktive Schmiermittel hält das Wachs an der Glasoberfläche fest, so dass die Stärke die Wachsteilchen inniger umgibt u. umhüllt. Jede Art von kationaktivem Schmier- mittel kann dazu verwendet werden, so z.B. irgendeines der in der Patentliteratur beschriebenen.
Das Umsetzungsprodukt von 1,8 Teilen Stearinsäure mit 1 Teil Tetra- äthylenpentamin ergibt besonders gute Resultate und ist ein bevorzugtes kationaktives Schmiermittel.
Die erwähnten zwei in etwa gleichem Verhältnis verwendeten Emulgatoren geben ein HLV von etwa 10, welches sich als das bevorzugte HLV für Paraffinwachs erwiesen hat. Man kann auch andere Arten von Wachsen verwenden, z.B. Bienenwachs, Carnaubawachs, Ceresin, Erdwachse, Japanwachs, Pflanzenwachse, Mikrokristal- line Wachse usw. oder Gemische davon. Das optimale HLV kann je nach dem verwendeten Wachs leicht schwanken, liegt aber im allgemeinen zwischen 8 und 16.
Die verwendeten Wachse sollten vorzugsweise niedrigschmelzend sein, damit sie in geschmolzenem Zustand angewendet werden können, ohne dass die Temperatur der wässrigen Emulsion zu hoch wird. Vorzugsweise soll das Wachs einen Schmelzpunkt unter 650C, gewöhnlich unter 600C und am zweckmässigsten unter 550C besitzen.
Gewünschtenfalls kann auch ein weiterer Filmbildner mitverwendet werden, obschon dies im allgemeinen nicht notwendig ist. Derartige zusätzliche Filmbildner helfen vor allem mit dem das Wachs und die Stärkernoleküle umgebenden Wasser eine glatte, gleichmässige Form zu geben. Ausser Polyvinylalkohol sind als zusätzliche Filmbildner insbesondere geeignet: Gelatine, Tierleim, wasserlösliche Acetate, Hydroxyäthylcellulose, usw. Sie alle helfen mit, die Wirkung beim Zwirnen zu steigern. Polyvinylalkohol ist jedoch das bevorzugte Material, da es während des sog. Coronizing-Verfahrens nach dem Verweben vollständig abbrennt.
Stärke ist der bevorzugte Filmbildner für Glasfasern, wegen seiner Eigenschaften im trockenen Zustande. Allgemein sollten wässrig emulgiertes Wachs und Filmbildner zusammen etwa 1 bis etwa 7 Gew.-% der Feststoffe ausmachen, der Filmbildneranteil etwa 15 bis 85 Gew.-% der Feststoffe betragen. Der Wachsanteil sollte 5 bis 80 Gew.-% des Feststoffgehaltes ausmachen. Der grenzflächenaktive Stoff soll mehr als etwa 0,01 Teile pro Teil Wachs, gewöhnlich zwischen 0,1 und 0,2 Teile ausmachen, und ein HLV zwischen etwa 3 und 16 aufweisen.
Das kationaktive Schmiermittel ist nicht erforderlich und kann zwischen 0 und etwa 0,80 Teilen, vorzugsweise zwischen 0,010 und 0,50 Teilen pro Teil Wachs betragen.
Ein zweiter Filmbildner ist wie erwähnt nicht nötig, kann aber in Mengen zwischen 0 und 0,25 Teilen pro Teil des ersten Filmbildners dessen Eigenschaften variieren.
Zur Erzielung des richtigen HLV kann mehr als ein einziger grenzflächenaktiver Stoff verwendet werden. Beliebige zwei grenzflächenaktive Stoffe mit bekannten HLV können im richtigen Verhältnis kombiniert werden; falls man das HLV eines bestimmten grenzflächenaktiven Stoffes nicht kennt, kann man dieses nach einer der beiden Formeln berechnen:
S E+P
HLV = 20 (1 - ): HLV = ¯¯¯¯¯
A 5 worin S die Esterverseifungszahl, A die Säurezahl der bei der Verseifung entstehenden Säure, E den Äthoxygehalt in Gew.-% und P den Polyolgehalt in Gew.-tO bedeuten.
Eine eingehendere Erklärung des HLV und seiner Verwendung in der Chemie grenzflächenaktiver Stoffe findet sich in einem Aufsatz von W.C. Griffin Clalculation of HLB Nonionie Surfactanby im Journal of the Society of Cosmetic Chemistry, December 1954.
Wie zuvor erwähnt, wird das Schmälz- und Schlichtemittel vor der Anwendung auf die Fasern bei einer über dem Wachsschmelzpunkt liegenden Temperatur gehalten, so dass die Wachsteilchen in einem stabilen kleinen Zustand verhqrren. Das Schmälz- und Schlichtemittel wird nach dem Auftrag auf die Fasern abgekühlt und erreicht unterdessen die richtige Verteilung auf der Faser, wobei keine wesentliche Agglomeration stattfindet. Die Grösse der Wachsteilchen auf der Faser ist daher, im wesentlichen die gleiche, wie sie in der Emulsion vorliegt. Wachsemulsionen zeigen im allgemeinen eine Teilchengrösse zwischen 0,1 und 10 um und in bevorzugtem homogenisiertem Zustand eine solche zwischen 3 und 5 zum.
Da die synergistische Wirkung von Wachsdispersionen in Schutzbeschichtungsmitteln für Fasern, insbesondere für Glasfasern, eine physikalische ist, stellt man den synergistischen Effekt schon bei sehr geringen Konzentrationen fest.
Beispiel 2
Ein Schmälz- und Schlichtemittel zur Verwendung auf Glasfasern bei deren Herstellung mit einem niederen Wachsgehalt enthält.
Beispiel 2 Komponenten Gew.-% Hydroxyäthylierte Kartoffelstärke 2,437 Acetylierte Maisstärke, acetyliert 0,809 nach dem in der USA-Patentschrift Nr. 2 461139 beschriebenen Verfahren Polyvinylalkohol 0,082 Gehärtetes Kokosnussöl 1,042 Emulgator (Polyoxyäthylensorbitan monoleat) 0,104 Emulgator (Polyoxyäthylensorbitanmonostearat 0,002 Emulgator (Sorbitanmonostearat) 0,020 Kationaktives Schmiermittel wie im Beispiel 1 0,147 Paraffinwachs (Smp. 520C) 0,348 Wasser Rest
Dieses Material lässt sich wie im Beispiel 1 beschrieben herstellen und bringt eine Verbesserung gegenüber vorbekannten stärkehaltigen Beschichtungsmitteln, welche diese Wachsemulsionen nicht enthalten.
Mit dem nach Beispiel 2 hergestellten Mittel beschichtete Garne zeigen niedrigere und gleichmässigere Spannungen als mit ähnlichen keine Wachsemulsionen enthaltenden Mitteln beschichtete. Dagegen ergibt dieses Mittel nicht gleich geringe Spannungen und die Gleichmässigkeit, die man mit den bevorzugten Materialien gemäss Beispiel 1 erhält.
Die obere Grenze des noch brauchbaren Anteils an Wachsemulsion hängt nur von der Fähigkeit des grenzflächenaktiven Stoffes und des Filmbildners ab, eine Agglomeration in der wässrigen Emulsion und unter Einwirkung von Scherkräften und Turbulenz beim Aufbringen auf die Fasern zu verhindern. Das folgende Beispiel beschreibt eine stabilisierte hochkonzentrierte Wachsemulsion mit einem grenzflächenaktiven Stoff, die sich ohne Schwierigkeit auf die Fasern aufbringen lässt.
Beispiel 3 Komponenten Gew.-% Hydroxyäthylierte Stärke 0,75 Hydroxyäthylcellulose 0,2 Paraffinwachs (Smp. 520C) 2,5 Polyoxyäthylensorbitanmonostearat 0,22 Sorbitanmonostearat 0,20 Kationaktives Schmiermittel wie in Beispiel 1 0,147 Nonylphenoxypoly-(äthylenoxy)-äthanol 0,046
Dieses Mittel wird gleich wie in Beispiel 1 hergestellt und ergibt einen Schutzüberzug auf Glasfasern, welcher niedrige und gleichmässige Spannungen erzeugt. Allerdings zeigt sich eine Neigung zu einer gewissen Wachsablagerung auf den Führungsflächen.
Der Zweck des grenzflächenaktiven Stoffes und seine Wirkungsweise sind schon oben beschrieben worden. Der grenzflächenaktive Stoff muss einen oleophilen Teil zur Anlagerung an das Wachs und einen hydrophilen Teil, der das Wasser sowie hydrolysierte oder wässrig dispergierte Filmbildner an der Oberfläche der Wachsteilchen festhält, um eine Agglomeration der Teilchen im wässrigen Medium zu verhindern, aufweisen. Überdies hält der grenzflächenaktive Stoff die Wachsteilchen voneinander ab, damit das Wachs in Form einzelner vom Filmbildner umhüllter Teilchen auf die Fasern gebracht wird.
Der grenzflächenaktive Stoff soll nichtionisch sein. Im folgenden Beispiel wird ein stabiles, schützendes Schmälzund Schlichtemittel, das mit Hilfe eines nichtionischen grenzflächenaktiven Stoffes, mit einem niederen HLV Verhältnis hergestellt wird, beschrieben.
Beispiel 4 Komponenten Gew.-% Teilweise verkochte hochamylosehaltige Maisstärke 2,437 Acetylierte Maisstärke wie in Beispiel 1 0,809 Hydroxyäthylcellulose 0,300 Kationaktives Schmiermittel wie in Beispiel 1 0,147 Paraffinwachs (Smp. 520C) 0,500 Äthoxyliertes Rizinusöl 1,200
Diese Materialien ergeben eine im allgemeinen stabile Emulsion, die als Beschichtungsmittel auf Fasern genügt, aber im allgemeinen einen höheren Prozentgehalt an grenzflächenaktivem Stoff benötigt, um ein ausreichen- des Rückhaltevermögen für die wasserlöslichen die Wachsteilchen umhüllenden Filmbildner aufzubringen.
Ein bevorzugter Stabilisator sind Polysaccharide mit mindestens einer lipophilen Seitenkette, die bewirkt, dass das die lipophilen Seitenketten enthaltende PoWsaccha- rid von den Wachsteilchen angezogen wird, solange sie sich im mobilen Zustand befinden. Danach haften die Seitenketten an den Wachsteilchen, während der Polysaccharidteil des Moleküls die Wachsteilchen umhüllt u.
schützt. Die Schmälz- und Schlichtemittel können auch einen wasserlöslichen Filmbildner enthalten, der im trokkenen Zustand als Schmiermittel wirkt und sich auch zwischen die umhüllten Wachsteilchen einlagert. In der getrockneten Beschichtung verhindert der Filmbildner das Ineinanderschmieren der Wachsteilchen und das daraus resultierende Überziehen oder Verstopfen der feststehenden Führungsflächen usw. der Textilmaschinen.
Die Wachsteilchen dagegen sind beweglicher als der Filmbildner und helfen daher, die Reibung im Kontakt mit den Führungsflächen oder der ineinander gewundenen Fasern zu vermindern.
Die Wachsteilchen sind gewöhnlich kleiner als 10 um, vorzugsweise zwischen 0,5 und 5 um.
Die erfindungsgemässen Mittel stellen vor ihrer Verwendung auf den Fasern gewöhnlich wässrige Dispersionen von festen oder flüssigen Wachsteilchen. die mit lipophile Seitenketten enthaltenden Polysacchariden stabilisiert sind, darunter mit Wasser gemischt kann der Filmbildner entweder gelöst oder aber als Feststoff im Wasser zwischen den Wachsteilchen vorliegen, derart, dass, wenn das Mittel auf die Glasfasern aufgebracht wird, die von Polysaccharid umhüllten Wachsteilchen durch den Filmbildner voneinander isoliert werden und in dieser Anordnung eintrocknen.
Die Schmälz- und Schlichtemittel enthalten vorzugsweise auch ein kationaktives Schmiermittel, das einen lipophilen Teil und einen kationaktiven Teil aufweist.
Der lipophile Teil haftet ebenfalls an den Wachsteilchen und kann mithelfen die Wachsdispersionen zu stabilisieren, während der kationische Teil des Moleküls vom Wachsteilchen wegragt und von der Glasoberfläche angezogen wird. Erfindungsgemässe Schmälz- und Schlichtemittel, die ein kationaktives Schmiermittel enthalten, sind bevorzugt, da die Zusammenwirkung von kationaktivem Schmiermittel und Wachsteilchen eine der Glasoberfläche näherliegende Ablagerung der Wachsteilchen ermöglicht, während der der Hauptanteil des Filmbildners sich zwischen und über ihnen befindet. Diese Anordnung hilft, das Verschmieren der Wachsteilchen ineinander beim Gleiten der beschichteten Garne über feststehende Führungsflächen zu verhindern.
Sie unterstützt auch das Texturieren der Fasern, weil sie ein Brechen des Filmbildners zwischen den saccharidumhüllten Wachsteilchen bewirkt, welches das Wachs in Form einzelner Teilchen auf den individuellen Garnen zurücklässt.
Die als Stabilisatoren für die Wachsemulsion verwendeten lipophile Seitenketten aufweisenden Polysaccharide, verhelfen dem Mittel zu einer bevorzugten Ablagerung auf den Fasern, weil die langen kettenförmigen Polysaccharidmoleküle im allgemeinen zwei oder mehr Wachsteilchen überbrücken und diese derart voneinanderhalten. Der Polysaccharidstabilisator ist verträglich mit dem Filmbildner, der sich dann in und zwischen die Stabilisatorfäden einlagert und eine bessere physikalische Wachs-Stabilisator-Filmbildner-Anordnung erzielt, als je mit einem vorbekannten Material erreicht wurde.
Jedes langkettige Polysaccharid kann als Stabalisator dienen, solange es lipophile Seitenketten aufweist, die vorzugsweise organische Gruppen mit 2 bis 10 Kohlenstoffatomen sind. Diese lipophilen Seitenketten können eine oder mehrere hydrophile Gruppen, wie Hydroxyl-, Äther- oder Carboxylgruppen aufweisen; diese dürfen aber nicht so zahlreich sein, dass die lipophilen Eigenschaften der Seitenkette verlorengehen. Wenn die lipophilen Seitenketten Propylenreste sind, können sie eine OH-Gruppe aufweisen, wenn sie sechs Kohlenstoffatome aufweisen, können sie zwei OH-Gruppen umfassen; und wenn sie zehn Kohlenstoffatome enthalten, können sie drei OH-Gruppen aufweisen. In allen Fällen steht vorzugsweise am Ende der Seitenkette keine OH-Gruppe.
Man kann zeigen, dass eine lipophile Seitenkette mit einer endständigen OH-Gruppe die Anlagerung des Wachses in der Mitte der Seitenkette bedingt, wogegen ein endständiger Kohlenwasserstoffteil eine bessere und bevorzugte Anlagerung des Wachses ermöglicht. Die Länge der lipophilen Seitenketten sollte weniger als zehn Kohlenstoffatome betragen, damit die Polysaccharide näher an die Wachsoberfläche zu liegen kommen; die Seitenketten sind vorzugsweise nicht länger als etwa sechs Kohlenstoffatome, am besten etwa drei Kohlenstoffatome lang.
Die als Stabilisatoren verwendbaren Polysaccharide umfassen Stärkefraktionen, Amylose und Amylopectin, die Polyuronide wie die Pektine, die Arabane, Galactane, Pentosane, Pflanzenharze, Stickstoff- oder schwefelhaltige Polysaccharide, Chitin, Heparan, Xylane, und die Alginate. Jeder dieser Stoffe kann mindestens einen Teil des Filmbildners ausmachen und ist, wenn er die obenbeschriebenen lipophilen Seitenketten enthält, auch verträglich mit dem Wachs, womit er die einzigartige physikalische Anordnung der erfindungsgemässen Schmälzund Schlichtemittelbestandteile erreicht.
Die Filmbildner umfassen sowohl die obigen Polysaccharide mit oder ohne lipophile Seitenketten als auch Vollstärke, Gelatine und Polyvinylalkohol.
Eine bevorzugte Zusammensetzung eines Schmälz- u.
Schlichtemittels, welches eine Kombination von Stärke mit einer Suspension winziger fester Wachsteilchen enthält, ist folgende:
Beispiel 5
Gew.-% Wachssuspension (40% Feststoffe) 6,1 Hydroxyäthylierte Amylosestärke 1,0 Wasser Rest
In der vorstehenden Mischung enthält die Wachssuspension Teilchen eines bei 520C schmelzenden Paraffinwachses einer durchschnittlichen Grösse von 1 zum zu deren Herstellung man vorzugsweise Stabilisatoren od.
Schutzkolloide verwendet.
Zur Herstellung dieses Schmälz- und Schlichtemittels schmilzt man 40 Teile Paraffinwachs (Susp. 71 0C) und mischt bei 710C 60 Teile Wasser von 710C bei, das 1,5 Gew.-% Propylenglykolalginat mit einem Molekulargewicht von etwa 3000 als Stabilisator enthält. Das erhaltene System wird homogenisiert bis die durchschnittliche Wachsteilchengrösse 1 um beträgt. Dann lässt man es auf Zimmertemperatur und unter dem Erstarrungs- punkt des Wachses abkühlen. Man erhält so eine stabile, leicht verdünnbare Suspension, die man unter Rühren einer verkochten 10%gen wässrigen Stärkelösung zusetzt.
Die erwähnte Mischung wird auf Glasfasern bei deren Herstellung aufgebracht, und zwar bei Temperaturen, die sowohl über als auch unter dem Schmelzpunkt des Wachses liegen. Das Wachs liegt also zum Teil als Sus Tension fester z.T. als Emulsion flüssiger Teilchen vor.
Das Aufbringen der Schlichte geschieht mittels der Förderband- oder Zuführtuchaufbringvorrichtung (belt or apron applicator), wie in der USA-Patentschrift Nummer 2873 718 beschrieben, wobei sich die Fasern mit einer Geschwindigkeit von 3660 mlhlinute bewegen. Der Stabilisator enthält Propylenglycolester der aus verschiedenen Arten von braunem Seegras gewonnenen Alginsäure. Dieses eremefarbene faserige Pulver mit einer Teilchengrösse von etwa 0,18 mm löst sich leicht in Wasser zu einer Lösung mit pH ¯ 4.
Beispiel 6
Das Vorgehen nach Beispiel 5 wird unter Zugabe von 0,5 Gew.-% Gelatine wiederholt.
Beispiel 7
Beispiel 5 wird unter Zugabe von I Gew.-% eines einen imidazolinmodifizierten Polyester enthaltenden kationaktiven Schmiermittels wiederholt. Dieses Schmier- mittel ist ein Umsetzungsprodukt aus Diäthylenglycol, Maleinsäure, Diäthylentriamin und Stearinsäure und in der USA-Patentschrift Nr. 3 097 963 beschrieben. Als Umsetzungsprodukt eines ungesättigten Polyesters mit einem Fettsäurederivat des Diamins oder Imidazolins weist es Affinität für die Glasoberfläche auf.
Beispiel 8
Beispiel 5 wird ohne Homogenisierung der Wachssuspension wiederholt. In der Folge erhält man Wachsteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 40 um in der Schlichte.
Beispiel 9
Ein Schmälz- und Schlichtemittel enthält folgende Bestandteile:
Gew.-% Wachsemulsion (40% Feststoffe) 6,0 Propylenglycolalginat 0,1 Maisstärke 1,5 Wasser Rest
Die zu verwendende Wachsemulsion enthält ein geschmolzenes Schuppenwachs (scale wax) und ist eine wahre Emulsion, indem das geschmolzene Wachs in der wässrigen Phase dispergiert u. ständig über dem Schmelzpunkt des Wachses gehalten wird, selbst während des Aufbringens der Mischung auf die Glasfasern bei deren Herstellung. Die Stärke wird bei einer Temperatur von 1000C verkocht. Obwohl die Anwendung in diesem Beispiel bei einer über dem Schmelzpunkt des Wachses liegenden Temperatur geschieht, ist dies weder erforderlich noch bevorzugt; vielmehr wird das Mittel gewöhnlich bei einer Temperatur zwischen 27 und 380C angewandt.
Beispiel 10
Ein verbessertes Schmälz- und Schlichtemittel enthält die folgenden Bestandteile:
Gew.-% Wachsemulsion (20% Feststoffe) 6,1 Stabilisator 0,03 Imidazolimnodifizierter Polyester (kationaktives Schmiermittel) 0,50 Stärke 1,05 Gelatine 0,62
Während man in diesem Beispiel ein zwischen 49 und 51 OC schmelzendes Paraffinwachs verwendet, können auch andere höherschmelzende Wachse gebraucht werden. Die Wachsemulsion enthält vorzugsweise Propyl lengiycolalginate, d.h. Propylenglycolester der Alginsäu- ren, die als Stabilisatoren dienen. Der Feststoffanteil der Mischung beträgt 3,5%, der pH ¯ 4,6.
Der kleine Gelatineanteil wirkt als Filmbildner zur Verbesserung des Zusammenhaltes des Garnes, und seine Gegenwart während der Behandlung erhöht die Wirkung des Zwirnens. Ein Konservierungsmittel, wie tert.-Butyl zinnoxyd oder Phenylmercuriacetat, kann zur Konservie- rung der Stärke und Gelatine vor oder nach dem Aufbringen auf die Fasern zugegeben werden.
Erhöht man den Anteil des kationaktiven Schmier- mittels an der Mischung ohne die übrigen Bestandteile oder ihr Verhältnis zu ändern, so erhält man bei Zugabe von 0,15wo einen verbesserten Zusammenhalt des Garnes und weniger Flusen. Der Anteil an kationaktivem Schmiermittel kann mit gutem Erfolg auf 1,05% erhöht werden.
Bevorzugte Mischungen zur Anwendung auf texturierbaren Strängen enthalten:
Gew.-% Wachsemulsion 0,5 - 5 Stabilisator 0,01 - 1 Kationaktives Schmiermittel 0,5 - 3 Stärke 0,5 -5 Gelatine oder Polyvinylalkohol 0 - 1 Wasser Rest
Es können verschiedene verkochte Stärken verwendet werden, wie nicht modifizierte Kartoffelstärke, kationische Maisstärke, äthylierte Maisstärke, modifizierte Kartoffelstärke und nicht modifizierte Maisstärke. Das kationaktive Schmiermittel kann auch Octadecylaminacetat oder ein quaternäres Ammoniumprodukt sein.
Die bevorzugten Mischungen erhält man durch Mischen der Stärke mit dem Wasser unter kräftigem Rühren in einem Mischgefäss, zur Verhütung von Knollen- bildung. Während des Rührens wird die Mischung erwärmt und dann durch Wasserzusatz abgekühlt. Das kationaktive Schmiermittel wird in einem separaten Gefäss mit heissem Wasser gemischt und der Stärke unter leichtem Rühren zugesetzt. Die Gelatine wird in warmem Wasser aufgelöst u. dem Gemisch ebenfalls unter leichtem Rühren zugefügt. Das Propylenglycolalginat gibt man in einem separaten Gefäss in Wasser unter raschem Rühren, um einer Knollenbildung vorzubeugen. Stabilisator und Wasser werden zusammen zu einer Lösung erwärmt. Das Wachs wird in einem separaten Gefäss erwärmt und dem Stabilisator und Wasser unter heftigem Rühren langsam zugesetzt.
Die Wachsemulsion wird homogenisiert und dann mit Wasser dem Hauptgemisch zugegeben. Dann stellt man den Feststoffgehalt ein. Der pH wird durch Zugabe von Essigsäure oder Ammoniak auf etwa 4,6 eingestellt.
Von grösster Bedeutung sind die überragenden Verarbeitungseigenschaften der mit den erfindungsgemäs- sen Mitteln behandelten Glasfasergarne. Es findet nur eine sehr geringe Wanderung der Beschichtungsmaterialien in den Garnkörpern statt, so dass die Garne gleichmässig texturiert werden. Erstens treten praktisch keine Fadenbrüche und kein Flug bei der Verarbeitung der mit den erfindungsgemässen Mitteln behandelten Produkte auf. Der Zusammenhalt der Garne ist ausgezeichnet.
Weiter sind die aus erfindungsgemäss behandelten Garnen gewobenen Gewebe frei von der früher erwähnten Streifigkeit und beweisen so die leichte Entfernbarkeit der Beschichtungsmittel. Die Garne lassen sich durch Erhitzen besser reinigen. Überdies ist es möglich, mit nur einem Zehntel der für die üblichen Beschichtungsmittel nötigen Mengen zu arbeiten und nebst den so gewonnenen Einsparungen noch überlegene Eigenschaften zu erhalten. Dazu kommt, dass die mit den erfindungsgemässen Mitteln behandelten Garne eine bemerkenswerte Überlegenheit bei der Durchführung der Texturierverfahren zeigen; dabei werden die Garne mittels einer Flüssigkeit gebauscht (bulked), um dem fertigen Gewebe einen ästhetischen oder modischen Effekt zu verleihen.
Herkömmlich beschichtete Glasfasergarne haben ständig Probleme beim Verarbeiten aufgeworfen, indem sie sich nicht gleichmässig bauschen oder texturieren liessen, und zwar zufolge überschüssiger und ungleichmässiger Beschichtungsmengen und des versteifenden Fadenverkle bungseffektes (inter-filament bonding effect) von Beschichtungsmitteln wie Stärke. Schliesslich bleiben die zur Verarbeitung der mit den erfindungsgemässen Mitteln beschichteten Produkte dienenden Vorrichtungen bemerkenswert frei von abblätternder Beschichtung und Flugstaub, wodurch die Stillstands- und Überholzeit herabgesetzt wird. Die erfindungsgemässen Mittel sind verglichen mit anderen handelsüblichen Schlichtemitteln verhältnismässig nichtwandemd.
Die vorstehend besprochene Reduktion der erforderlichen Beschichtungsmitteimenge und die Notwendigkeit eines trockenen Filmbildners im Beschichtungsmittel wurde durch die Auswertung der folgenden Versuche erhärtet. In einer Versuchsserie wurden identische Glasfasergarne bei der Herstellung mit 0,2, 0,4, 0,6 und 1,5 Gew.-% des in Beispiel 6 beschriebenen Schmälz- und Schlichtemittels und mit 0,15, 1,1, 1,7, 2,2 und 3,5 Gew.-% einer gegenwärtig zum Beschweren von zu verwebenden Glasfasergarnen dienenden Stärkeschlichte behandelt. In jedem Fall waren die mit wechselnden Mengen des erfindungsgemässen Schmälz- und Schlichtemittels behandelten Garne den mit den herkömmlicherweise behandelten Garnen in jeder Beziehung überlegen.
Erstens waren alle mit dem erfindungsgemässen Mittel behandelten Garne nach dem Zwirnen und dem Aufspulen praktisch frei von Flusen oder herausragenden Fadenenden. Dagegen wiesen die herkömmlicherweise geschlichteten Garne in jedem Fall eine beträchtliche Flusenbildung auf, und Garne mit 0,75 und 1,1% Schlichte waren derart flusig, dass sie als zum Verweben ungeeignet zurückgewiesen werden mussten; die Fasern waren nämlich durch verminderte Schlichtemittelmengen ungenügend geschützt, obwohl drei- bis fünfmal soviel Schlichte angewandt wurden wie bei einem zufriedenstellenden, mit 0,2 Gew.-% des erfindungsgemässen Schmälz- und Schlichtemittels behandelten Garn.
Beispiele 11 und 12
Zwei weitere sehr vorteilhafte Schmälz- und Schlichtemittel enthalten die folgenden Bestandteile: Bestandteile Beisp. II Beisp. 12
Gew.-% Gew.-% Paraffinwachsemulsion (Fest- 0,76 0,913 teilchen Propylenglycolalginat 0,0186 0,022 Kationaktives Gleitmittel 0,362 0,917 (Imidazolinmodifizierter Polyester) Maisstärke 1,22 0,917 Gelatine 0,725 0,541 Wasser Rest Rest
Die Herstellung der Schmälz- und Schlichtemittel erfolgt gemäss Beispiel 1.