DE102008008944A1

DE102008008944A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern

Info

Publication number: DE102008008944A1
Application number: DE200810008944
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Moch; Günter Dr. Ihlow; Jörg Dr. Bode
Original assignee: TTI TECHNOLOGIETRANSFER und IN; Tti Technologietransfer und Innovationsforderung Magdeburg GmbH
Current assignee: TTI TECHNOLOGIETRANSFER und IN; Tti Technologietransfer und Innovationsforderung Magdeburg GmbH
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2028-02-14
Also published as: DE102008008944B4

Abstract

Bei dem Verfahren zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche, bei dem die Fasern aus dem Grundmaterial Polyurethan durch Extrudieren erzeugt werden, sind folgende Merkmale vorhanden: Das Grundmaterial bsitzt von der Extrusion eine Restfeuchte unterhalb 0,02%. Temperatur und Massedruck der Extrusion werden an mindestens drei Positionen entlang des Extrusionszylinders eingestellt. Die entlang des Extrusionszylinders eingestellten Temperaturen liegen im Bereich zwischen der Glasübergangstemperatur und dem Schmelzpunkt des Extrusionsmaterials, wobei der höchste Wert der Temperatur im Eingangsbereich der Extruderschnecke eingestellt wird. Die Massetemperatur des Extrusionsmaterials liegt im Bereich seiner Schmelztemperatur, jedoch nicht mehr als 40 K von dieser abweichend. Die Fasern werden nach der Extrusion in mehreren Kühlzonen abgekühlt und gereckt. Die Vorrichtung zur Herstellung von Polyurethanfasern weist einen Trockner, einen Extruder, mindestens zwei Kühlzonen sowie eine Reckeinrichtung auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern.
Polyurethanfasern dieser Art werden auch als Seitenlichtfasern bezeichnet.
Bekannt ist es, Polymerfasern zur Lichtübertragung durch Extrudierung herzustellen. Jedoch zeichnen sich solche Polymerfasern durch eine Durchleitung des Lichtes durch den Faserkorpus aus, ohne dass eine Abstrahlung von Licht über wesentliche Teile der Oberfläche erfolgt.
Gerade die Eigenschaft der sogenannten Seitenlichtabstrahlung ist aber für unterschiedliche Anwendungen der Beleuchtungstechnik gewünscht und gefordert:
Neben der Werbebranche (Firmenlogos und Werbeslogans aus Seitenlichtfasern), der Haustechnik (Sicherheitsbeleuchtung für Treppenstufen, Handläufe, Fußbodenleisten, Wand- und Bodenfliesen, Türschilder u. a.), der „Aquatechnik (Schwimmbäder, Springbrunnen, Aquarien) und der Leuchtenherstellung (Designerleuchten) bietet auch der Automotivbereich ein Anwendungsgebiet der Seitenlichtfasern: Die Innenraumbeleuchtung kann energieeffizienter und kostengünstiger gestaltet werden – sicherheitstechnische Anwendungen sind ebenfalls außerordentlich relevant.
Analog zur Automotivanwendung können auch Anwendungen im Flugzeug-, Schiffs- und Schienenfahrzeugbau (Innenausstattungen) genannt werden.
Gegenüber konventionellen Leuchtmitteln haben Seitenlichtfasern diverse Vorteile des geringen Gewichts, hervorragender Handhabbarkeit und Flexibilität sowie sehr niedrigen Stromverbrauches bei hoher Koppeleffizienz.
Bekannte Verfahren zur Herstellung von Seitenlichtfasern beruhen auf dem Prinzip des Ziehturms oder in der Herstellung durch spezielle Gießverfahren.
Lösungsvorschläge zur Anwendung des Ziehturms sind enthalten in der Internetveröffentlichung „Informationen aus dem Forschungsnetzwerk MPOF-Hessen" unter www.vmk-verlag.de/data/6 2.pdf.
Weitere Hinweise zur Ziehturmtechnologie sind enthalten in den Internetseiten www.pro-physik.de/Phy/print.do?laid=7546 sowie www.terahertzconsulting.de/Diplomarbeiten/FH.html.
Das Prinzip des Ziehturms besteht darin, dass das Ausgangsmaterial, z. B. PMMA, bis in die Nähe der Schmelztemperatur erwärmt und dann durch spezielle Düsen gezogen wird. Der große Nachteil besteht darin, dass die entstehende Faser bereits beim Ziehprozess einem nicht unerheblichen Stress ausgesetzt wird, der ihre physikalischen Eigenschaften, wie z. B. Bruch- und Biegeverhalten sowie Elastizität stark negativ beeinflusst.
Beim Gießverfahren wird das flüssige Ausgangsmaterial, z. B. PMMA, in einen Schlauch gegossen. In diesem Schlauch härtet das Material anschließend aus. Aufgrund der Wechselwirkung des Materials mit der Innenwand des Schlauches während des Gießprozesses einerseits und dem schnellen Aushärten andererseits ist die Herstellung sehr dünner Fasern nicht möglich.
Lösungsvorschläge zur Anwendung des Gießens von Polymerfasern sind enthalten in den Internetveröffentlichungen der Firmen Poly Optics Australia unter www.fiberopticlight.com bzw. der SENKO Group unter www.senko.com/featured/lightguide.html, Beide Verfahren sind außerordentlich aufwendig. Daher sind die Herstellungskosten der Fasern, insbesondere im Bereich dünner Fasern, sehr hoch und unwirtschaftlich.
Dieser Umstand führt dazu, dass derartig hergestellte dünne Fasern bisher nur sehr selten eingesetzt werden. Auch zeichnet sich das bei den erwähnten Verfahren des Standes der Technik eingesetzte Material PMMA durch eine hohe Steifigkeit aus.
Dies führt dazu, dass potentielle Anwender auf die zwar durch Bruch anfällige, aber billigere Glasfasertechnologie zurückgreifen. Der Einsatzbereich polymerer Seitenlichtfasern schränkt sich dadurch drastisch ein.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern mit geringem Aufwand und breitem Anwendungsbereich preiswert gefertigt werden können.
Zur Durchführung des Verfahrens soll weiterhin eine Vorrichtung geschaffen werden, mit der die benannten Fasern mit geringem Durchmesser gefertigt werden können.
Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Hauptansprüche. Die Unteransprüche enthalten dabei besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen.
Es zeigt sich, dass die mit dem der Erfindung zugrunde liegendem Verfahren produzierten dünnen Seitenlichtfasern bedeutende Vorteile gegenüber bekannten lichtleitenden Polymerfasern besitzen: Sie zeichnen sich durch eine gleichmäßige Lichtabstrahlung bei einer bestimmten Wellenlänge über dem gesamten Bereich des sichtbaren Lichtes aus.
Der Wert der optischen Dämpfung der erfindungsgemäß hergestellten dünnen Seitenlichtfasern liegt wellenlängenabhängig in einem Bereich unterhalb von 20 dB/m.
Die erfindungsgemäß hergestellten Fasern benötigen wegen der geringen Dämpfung und der hohen Abstrahlungseffizienz nur geringe Leistungseinspeisungen an Licht – damit ermöglichen die Erfindungen einen nicht unerheblichen Beitrag zur Energieeinsparung und tragen damit zur Senkung des CO₂-Haushaltes der Erde bei.
Die erfindungsgemäß hergestellten Seitenlichtfasern zeichnen sich durch eine konstante Dicke im Bereich unterhalb von 4 mm aus.
Die Fasern sind in beliebiger Länge herstellbar. Die thermische Längenänderung ist über im breiten Temperaturbereich von etwa –20°C bis etwa 80°C nahezu konstant.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Extrusionsverfahrens besteht in seiner Komplexität, d. h. in der Möglichkeit, eine Vielzahl von Parametern zu variieren und damit eine gezielte Einstellung von gewünschten physikalischen, z. B. optischen, Eigenschaften durch Definition der Parametermatrix zu erreichen.
Die genannten Einzelvorteile führen zu einem sehr breiten Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Fasern – dies wird unterstützt durch die erfindungsgemäß preiswerte Herstellung.
Die Erfindungen sollen nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden:
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dabei mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern realisiert.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen dabei in
1: das Blockschema eines Extruders, der Anwendung findet bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern und
2: das Blockschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern.
Gem. 1 weist der Extruder 20 die Baugruppen Antrieb 21, Trichter 22, Zylinderzone 23, Zylinderzone 24, Zylinderzone 25, Zylinderzone 26, Zylinderzone 27, Flansch 28 und Werkzeug 29 auf.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern weist im Ausführungsbeispiel gem. 2 die Bestandteile Trockner 10, Extruder 20, Kühlzone 30, Kühlzone 40 sowie Reckeinrichtung 50 auf.
Im Ausführungsbeispiel wurde als Ausgangsmaterial thermoplastisches Polyurethan gewählt, das auf eine Restfeuchte unterhalb 0,02% getrocknet wurde. Bei Erreichen der genannten Restfeuchte wurde das genannte Ausgangsmaterial über einen zur Abschottung neuerlich befeuchtender Umgebungsluft luftdicht verschlossenen Trichter 22 der Verfahrenseinheit des Extruders 20 zugeführt. Dieser wird in seiner Längsrichtung zur Extrusion genutzt und weist beispielsweise eine Länge von 1500 mm auf, wobei ein Längen-Durchmesser-Verhältnis der Extruderschnecke von 25 eingehalten wurde.
In Extrusionsrichtung – d. h. im vorliegenden Fall des Extruders in Längsrichtung – wird die Verfahrenseinheit des Extruders 20, die in 5 Zylinderzonen 23 bis 27 unterteilt ist, derart aufgeheizt, dass die genannten 5 Zylinderzonen 23 bis 27, der Flansch 28 sowie das Werkzeug 29 eine definierte, jeweils konstante Temperatur aufweisen. Folgende Temperaturen werden eingestellt:

Zylinderzone 23 195°C

Zylinderzone 24 195°C

Zylinderzone 25 190°C

Zylinderzone 26 185°C

Zylinderzone 27 180°C

Flansch 28 180°C

Werkzeug 29 180°C
Nach Erreichen der eingestellten, konstanten Temperaturen wird der Antrieb 21 der Extruderschnecke auf eine konstante Drehzahl von 60 U/min eingestellt.
Nach Erreichen einer konstanten Massetemperatur des Extrusionsmaterials thermoplastisches Polyurethan von 190°C wird das am Werkzeug 29 austretende Material in einem ersten Schritt in einer Kühlzone 30 über eine Strecke von 300 mm auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des Extrusionsmaterials mittels Luft abgekühlt.
In einem zweiten Schritt wird das Material in einer zweiten Kühlzone 40, ausgeführt als Wasserbad, bei einer Temperatur des Wasserbades von 20°C über eine Länge von 2000 mm bis unterhalb der Glasübergangstemperatur abgekühlt.
Während des ersten Kühlschrittes erfolgt eine Reckung des Extrusionsmaterials auf den gewünschten Durchmesser von 3 mm durch eine Reckeinrichtung 50.
Damit werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern besonders dünne lichtleitende Polymerfasern herstellbar, die wegen der erfindungsgemäß besonderen Verfahrensweise die gewünschte Abstrahlungseigenschaft des zu leitenden Lichtes überwiegend über die Oberfläche besitzen.

10: Trockner
20: Extruder
30: Kühlzone
40: Kühlzone
50: Reckeinrichtung
21: Antrieb
22: Trichter
23: Zylinderzone
24: Zylinderzone
25: Zylinderzone
26: Zylinderzone
27: Zylinderzone
28: Flansch
29: Werkzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Informationen aus dem Forschungsnetzwerk MPOF-Hessen” unter www.vmk-verlag.de/data/6 2.pdf [0008]
- www.pro-physik.de/Phy/print.do?laid=7546 [0009]
- www.terahertzconsulting.de/Diplomarbeiten/FH.html [0009]
- www.fiberopticlight.com [0012]
- www.senko.com/featured/lightguide.html [0012]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern, bei dem die Fasern aus dem Grundmaterial Polyurethan durch Extrudieren erzeugt werden, wobei das Grundmaterial vor der Extrusion eine Restfeuchte unterhalb 0,02% besitzt, Temperatur und Massedruck der Extrusion an mindestens drei Positionen entlang des Extrusionszylinders (23 bis 27) eingestellt werden, wobei die entlang des Extrusionszylinders eingestellten Temperaturen im Bereich zwischen der Glasübergangstemperatur und dem Schmelzpunkt des Extrusionsmaterials liegen und der höchste Wert der Temperatur im Eingangsbereich der Extruderschnecke eingestellt wird, bei dem die Massetemperatur des Extrusionsmaterials im Bereich seiner Schmelztemperatur liegt, jedoch nicht mehr als 40 K von dieser abweicht und die extrudierten Fasern nach der Extrusion in mehreren Kühlzonen (30; 40) abgekühlt und einem Reckvorgang unterworfen werden.
Verfahren gem. Anspr. 1, bei dem die Abkühlung der extrudierten Fasern in der ersten Kühlzone (30) bei einer Kühlmedientemperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur erfolgt, wobei die extrudierte Faser bei einer Eintrittstemperatur in diese erste Kühlzone (30) von höchstens 40 K unterhalb der Schmelztemperatur selbst nicht unter die Glasübergangstemperatur abgekühlt wird.
Verfahren, gem. Anspr. 1, bei dem die Abkühlung der extrudierten Faser in einer zweiten Kühlzone (40) in einem zweiten Medium bei einer Kühlmedientemperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur erfolgt, wobei die extrudierte Faser bis unterhalb der Glasübergangstemperatur abgekühlt wird.
Verfahren gem. Anspr. 1, bei dem die Einstellung der Dicke der extrudierten Faser durch eine Reckung der Faser im Verlauf des ersten Abkühlungsschrittes bei einer Temperatur der Faser oberhalb der Glasübergangstemperatur, erfolgt.
Verfahren gem. Anspr. 1, bei dem die optischen Eigenschaften der Faser durch den spezifischen Masseausstoß des Extruders bestimmt werden.
Verfahren gemäß Anspr. 1, bei dem optische Eigenschaften der Fasern durch unterschiedliche Zylinderzonentemperaturen eingestellt werden.
Verfahren gemäß Anspr. 1, bei dem optische Eigenschaften der Faser durch den Reckvorgang eingestellt werden.
Vorrichtung zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern, einen Trockner (10), einen Extruder (20) mit Befülleinrichtung, mindestens zwei Kühlzonen (30; 40) sowie eine Reckeinrichtung (50) aufweisend. Hierzu eine Seite Zeichnung.