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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gefärbten
Garns auf der Basis eines thermoplastischen Kunststoffs.
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Die
Bezüge der Sitze in Kraftfahrzeugen sind häufig
in dunklen Farbtönen, vielfach in schwarz oder in einem
dunklen grau ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass sich
Flecken nicht so deutlich abheben und daher die Bezüge
schmutzunempfindlich wirken. Ein wesentlicher Nachteil dunkler und
insbesondere schwarzer Sitzbezüge ist jedoch, dass sich
diese bei einer direkten Bestrahlung mit Sonnenlicht stark aufheizen
können, was auf das Absorptionsverhalten des von dem Betrachter
als dunkel bzw. schwarz aufgefassten Bezugsstoffs für die
in dem Sonnenlicht gespeicherten Energie zurückzuführen
ist. Verstärkt wird die Aufheizung der Kraftfahrzeugsitze
noch durch die Konzipierung moderner Kraftfahrzeuge mit großen
Fensterflächen, die die Rundumsicht verbessern sollen und
die zudem aus aerodynamischen Gründen regelmäßig
in einem flachen Winkel angeordnet sind, wodurch sich die vertikale
Projektionsebene, durch die die Sonnenstrahlung durch die Scheibe
in den Innenraum gelangen kann, vergrößert wird.
Besonders extrem kann eine Aufheizung der Fahrzeugsitze bei Cabrios
ausfallen, die mit versenktem Verdeck abgestellt werden, wodurch
die Fahrzeugsitze der direkten Sonnenstrahlung ausgesetzt werden.
Messungen haben ergeben, dass sich schwarze Bezüge von
Fahrzeugsitzen in diesen Fällen auf bis zu 90°C
erwärmen können, was nicht nur als Komforteinbuße
für die Fahrzeugpassagiere anzu sehen ist, sondern vielmehr
für diese mit der Gefahr leichter Verbrennungen einhergeht.
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Die
Sitze in Kraftfahrzeugen sind in der Regel mit einem Bezug aus Gewebe
oder Leder bezogen.
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Um
die gewünschte und insbesondere eine gleichmäßige
Farbgebung von Sitzen aus Naturleder zu erreichen, wird dieses in
der Regel eingefärbt und nachträglich mit einer
Beschichtung versehen, die die Optik und die Widerstandsfähigkeit
des Leders verbessern soll. Aus dem Stand der Technik ist es zudem
bekannt, Bezüge für Kraftfahrzeugsitze, die aus einem
dunklen und insbesondere schwarz eingefärbten Naturleder
bestehen, mit einer Beschichtung zu versehen, die eine Reflexion
eines erheblichen Teils des im Infrarotbereich liegenden Spektrums
des Sonnenlichts bewirkt. Derartige Beschichtungen umfassen Farbstoffe,
die im sichtbaren Spektrum des Lichts farbig erscheinen, jedoch
für die Strahlung im nahen Infrarotbereich durchlässig
sind, wodurch die Infrarotstrahlung an der hellen Haut des unter
der Beschichtung liegenden Naturleders reflektiert wird; dadurch
erwärmt sich der Lederbezug weniger als normal gefärbtes
Leder. Diese Technologie ist in den deutschen Offenlegungsschriften
DE 101 02 789 A1 und
DE 195 40 682 A1 beschrieben.
Durch den Einsatz einer solchen Beschichtung konnte erzielt werden,
dass sich die Fahrzeugledersitze nur noch auf eine Maximaltemperatur
erhitzen, die um bis zu 20°C geringer liegt als diejenige
normal gefärbter Ledersitze.
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Der
Einsatz solcher Beschichtungen ist im Stand der Technik auch für
Gewebe bekannt, wobei hier stets vorgesehen ist, die Garne oder
Gewebe nachträglich mit der Beschichtung durch Färben
zu versehen. Die derart eingefärbten Garne oder Gewebe
weisen jedoch den wesentlichen Nachteil auf, dass eine dauerhafte
Haftung der Farbpartikel an der Oberfläche der Garne nicht
gewährleistet werden kann, so dass sich bei diesen Abnutzungserscheinungen
im Alltagsbetrieb zeigen können. Die geringe Haftung der
Farb partikel an den Garnen ist insbesondere auf die geringe Eindringtiefe
der Farbpartikel in den Basiswerkstoff der Garne zurückzuführen.
Weiterhin ist mit dem Färben von Garnen oder Geweben eine
erhebliche Gewässerbelastung verbunden, die insbesondere
auf die Überdimensionierung an gelöstem Färbemittel
zurückzuführen ist, die für ein zufriedenstellendes
Färbeergebnis notwendig ist.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
die Herstellung von Garnen oder Geweben mit einer eine zumindest
teilweise Reflexion des Sonnenlichts im nahen Infrarotbereich ermöglichenden
Beschichtung zu ermöglichen, wobei die Herstellung möglichst
einfach und kostengünstig sein soll und zudem zu einem dauerhaften
Verbund zwischen den Farbpartikeln sowie dem Basismaterial der Garne
führen soll.
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Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen
Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand
der abhängigen Patentansprüche.
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Der
Kern der Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung eines gefärbten
Garns (oder eines entsprechenden Fadens mit einer definierten Länge) auf
der Basis eines thermoplastischen Kunststoffs vor, das dadurch gekennzeichnet
ist, dass der Kunststoff aufgeschmolzen, im aufgeschmolzenen Zustand
mit Infrarotstrahlung transmittierenden oder reflektierenden Farbpartikeln
vermischt und das Kunststoffgemisch nachfolgend zu einem Garn verformt wird.
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Durch
das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann
eine gleichmäßige Verteilung der Farbpartikel
innerhalb der durch den (Basis-)Kunststoff gebildeten Matrix des
Garns erzielt werden, wodurch die Bindung der Farbpartikel an den
Kunststoff verbessert wird. Gleichzeitig zeichnet sich das Verfahren
durch eine einfache und kostengünstige Anwendung sowie
eine geringe Umweltbelastung aus, da – anders als beim
bekannten Färben – nahezu die alle Farbpartikel
an den Kunststoff gebunden werden.
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Wie
bereits ausgeführt wurde, können die erfindungsgemäß verwendeten
Farbpartikel unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich der Infrarotstrahlung
aufweisen, womit jedoch im Ergebnis dasselbe erzielt werden soll;
nämlich die Reflexion zumindest eines Teils der auf das
Garn oder das hieraus hergestellte Gewebe, Gestricke, Gewirke, etc einwirkenden
Infrarotstrahlung mit dem Ziel, eine Absorption dieser Strahlung,
die zu einer Erwärmung des Garns bzw. des daraus hergestellten
Gewebes, etc. führen würde, zu vermeiden.
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Dieses
Ziel kann erfindungsgemäß zum einen dadurch erreicht
werden, dass die Farbpartikel, die das Licht im sichtbaren Spektrum
zumindest teilweise absorbieren, so dass die damit eingefärbten Garne
für den Betrachter in der gewünschten Färbung
erscheinen, für Infrarotstrahlung durchlässig sind,
d. h. diese transmittieren. Durch den Einsatz derartiger Farbpartikel
kann erreicht werden – wie es bereits eingangs für
entsprechende Beschichtungen von Ledersitzen beschrieben wurde – dass
die Infrarotstrahlung beispielsweise des Sonnenlichts, die Farbpartikel
ohne bzw. mit möglichst geringer Absorption durchdringen
und an dem vorzugsweise hellen und mit guten Reflexionseigenschaften
ausgestatteten Basiswerkstoffs des Garns reflektiert werden, wobei
sie wiederum ohne oder mit lediglich geringer Absorption die Farbpartikel
passieren.
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Derartige
Farbpartikel können vorzugsweise organische Pigmente auf
Perylenbasis umfassen.
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Alternativ
können in dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch Farbpartikel verwendet werden, die Licht im sichtbaren Spektrum
zumindest teilweise absorbieren, während sie für
Strahlungen im Infrarotbereich reflektierende Eigenschaften aufweisen.
Bei dem Einsatz derartiger Farbpartikel wird folglich die Infrarotstrahlung
direkt von den Farbpartikeln reflektiert, so dass diese auch zur
erfindungsgemäßen Einfärbung von Kunststoffen
eingesetzt werden können, die an sich keine reflektierenden
Eigenschaften für Strahlung im infraroten Spektrum aufweisen.
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Derartige
Farbpartikel können vorzugsweise anorganische Pigmente
auf der Basis von modifizierten Titanaten oder Spinellen umfassen.
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Als
vorteilhaft hat sich eine Dosierrate der Farbpartikel in dem Kunststoff
gezeigt, die in Abhängigkeit von den verwendeten Werkstoffen
im Bereich zwischen 0,8 bis 6,5% liegt. Eine Dosierrate in diesem
Bereich hat sich in der Regel als guter Kompromiss zwischen ausreichenden
Reflektionseigenschaften, guten Färbeeigenschaften sowie
einer möglichst geringfügigen Beeinträchtigung
der werkstofflichen Kennwerte des Basiskunststoffs gezeigt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
kann vorgesehen sein, das Kunststoffgemisch zu einem Garn zu verformen,
in dem dieses durch eine oder mehrere Spinndüsen insbesondere
einer Schmelzspinnanlage gedrückt wird, wie sie aus dem
Stand der Technik bekannt sind.
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Weiterhin
kann für den thermoplastischen Kunststoff bevorzugt Polyester
verwendet werden, da dieser gute Eigenschaften hinsichtlich Reißfestigkeit,
Elastizität, Scheuerfestigkeit, Lichtbeständigkeit, Knitterbeständigkeit,
Feuchtigkeitsaufnahme, Schrumpfbeständigkeit sowie Beständigkeit
gegen organische und mineralische Säuren ausweist.
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Bei
der Verwendung von Polyester für den (Basis-)Kunststoff
des Garns können gute Reflektionseigenschaften dieses Werkstoffs
für die Strahlung des Lichts im infraroten Spektrum erzielt
werden (wie dies insbesondere bei einer erfindungsgemäßen
Verwendung von Infrarotstrahlung transmittieren den Farbpartikeln
erforderlich ist), indem in das Polyester Titandioxid eingelagert
wird.
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Um
zudem die Verarbeitbarkeit des Polyesters zu verbessern, kann dieses
vorteilhafterweise in Form eines Granulats verwendet werden. Hierzu kann
dieses zunächst getrocknet werden, wobei das Trocknen in
einem ersten Schritt vorzugsweise bis zu einer im Wesentlichen vollständigen
Kristallisierung des Polyesters unter Umwälzung erfolgt,
so dass ein Verklumpen des Granulats während der weiteren Verarbeitung
vermieden werden kann.
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Grundsätzlich
sollte das Polyester vor dem Aufschmelzen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf eine Restfeuchte von maximal 20–30 ppm und vorzugsweise
von 25 ppm getrocknet werden, um zu verhindern, dass die Polykondensation, auf
der die Herstellung von Polyester beruht und bei der sich die zwei
Ausgangsstoffe des Polyesters, Dicarbonsäure und Dialkohol,
unter Abspaltung von Wasser als Nebenprodukt verbinden, unter der
Einwirkung von Wärme und Druck gegebenenfalls teilweise
wieder rückgängig gemacht wird.
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Die
Erfindung betrifft zudem ein Garn, insbesondere ein mittels eines
erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Garn,
das als einen wesentlichen Basiswerkstoff ein thermoplastischen
Kunststoff umfasst, in dem Infrarotstrahlung transmittierende oder
reflektierende Farbpartikel verteilt sind. Die Farbpartikel sind
vorzugsweise möglichst homogen verteilt, um einerseits
die angestrebte gute Verbindung zwischen diesen und dem Matrixwerkstoff
sicherzustellen und andererseits ein homogenes Farbbild des Garns
zu erzielen.
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Ein
solches erfindungsgemäßes Garn kann bei allen
Anwendungen, bei denen einen zu große Aufheizung dunkel
eingefärbter Stoffe (d. h. Gewebe, Gestricke, Gewirke,
etc.) vermieden werden soll, verwendet werden. Als Anwendungsgebiet
ist insbesondere die Verwendung zur Herstellung von Be zugsstoffen
für Fahrzeugsitze (z. B. Auto-, Motorrad-, Zug-, Flugzeug-,
Fahrrad-, Bootssitze, etc.), für Fahrzeugdächer
von Cabriolets, für Bezugsstoffe für die Innenverkleidung
von Fahrzeugen sowie für funktionale Bekleidungstextilien
(insbesondere Sportbekleidung) hervorzuheben.
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Die
erfindungsgemäße Idee lässt sich weiterhin
auf die Herstellung beliebiger Kunststoffteile aus einem thermoplastischen
Kunststoff, beispielsweise mittels Spritzgießens, übertragen.
Demnach ist es möglich, durch das Einmischen von Infrarotstrahlung
transmittierenden oder reflektierenden Farbpartikel in die Kunststoffschmelze
und der nachfolgenden Formgebung und Aushärtung der Kunststoffschmelze
ein Bauteil auszubilden, dass entsprechende Infrarotstrahlung reflektierende
Eigenschaften aufweist. Derartige Bauteile könnten beispielsweise
für die Innenverkleidung von Fahrzeugen verwendet werden,
um eine zu starke Aufheizung des Fahrzeuginnenraums zu vermeiden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigt:
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1:
eine Schmelzspinnanlage zur erfindungsgemäßen
Herstellung eines gefärbten Garns in einer schematischen
Ansicht; und
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2:
eine sich an die Schmelzspinnanlage der 1 anschließende
Das Schmelzspinnen ist ein Spinnverfahren für alle Synthesefasern,
deren Ausgangstoffe durch Schmelzen unter Luftausschluss verspinnbar
gemacht werden können. Dazu zählen hauptsächlich
Polyamide, Polyester, Polyacryl und Polypropylen. Die Schmelzen
werden bei Temperaturen, die wesentlich über dem Schmelzpunkt
der Ausgangstoffe liegen, durch die Löcher der Spinndüse
gepresst und zu Filamenten verformt. Die Spinndüsen sind
runde oder rechteckige Metallplatten oder Keramikplatten, durch
deren Bohrungen die Spinnmasse gedrückt wird. Deren Anzahl
kann von einer (Monofil) bis 250.000 variieren. Der Querschnitt der
Düsenbohrungen ist meist rund, für Spezialfasern
werden auch verschiedenartige Profile erstellt.
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In
der 1 ist in einer schematischen Ansicht eine Schmelzspinnanlage
dargestellt. Im oberen Teil des Trockners 1 wird das Polyestergranulat, das
als Basiskunststoff für die Garne dient, mittels eines
Rührers (nicht dargestellt) umgewälzt, um ein Verklumpen
zu vermeiden. Nach einer ersten Trockenzeit von ca. 1 Stunde bei
ca. 100–140°C ist das Granulat soweit kristallisiert,
dass ein Verklumpen vermieden werden kann. Der Durchsatz des Trockners 1 ist
so berechnet, dass die Verweilzeit bei kontinuierlichem Austrag
immer ausreichend lang ist. In einem zweiten Abschnitt des Trockners 1,
der sich unterhalb des den Rührer aufweisenden Abschnitts befindet,
findet bei ca. 160–180°C die vollständige Trocknung
statt, wobei das Granulat auf eine Restfeuchte von ca. 25 ppm getrocknet
wird. Dazu wird getrocknete Luft mit einem Taupunkt von ca. –40°C und
einer Temperatur von 160–180°C in den Trockner 1 geblasen.
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Im
elektrisch beheizten Hauptextruder 2 wird das weiße
Polyestergranulat bei ca. 285°C aufgeschmolzen und am Ende
des Hauptextruders 2 mit einem farbigen Granulat (Masterbatch)
vermischt, das die erfindungsgemäß verwendeten
Farbpartikel enthält. Das über einen Pufferbehälter 3 zugeführte Masterbatch
wird zuvor bei ca. 260°C in einem Seitenstromextruder 4 aufgeschmolzen
und über eine Zahnraddosierpumpe 5 mit ca. 100
bar in den weißen Hauptstrom aus Polyester gedrückt.
Die Dosierrate des Masterbatchs in dem Hauptstrom aus Polyester liegt
je nach Farbintensität bei ca. 0,8–6,5%. Am Ende
der Hauptextruderschnecke 6 sitzt ein dynamischer Mischkopf 7,
der die Schmelze durchmischt, bevor sie mit einem Druck von ca.
90 bar in den Spinnbalken 8 gedrückt wird.
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Die
im Wesentlichen homogene Farbschmelze wird in dem Spinnbalken 8 über
Zahnrad-Spinnpumpen 9 mit ca. 100 bar durch die Spinndüsen
von mehreren Düsenplatten 10 gedrückt.
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Die
ausgesponnenen Filamente 11 werden daraufhin auf einer
Länge von 1,3 m mit konditionierter Luft angeblasen, die
aus einem Glasschacht 12 mit einer Geschwindigkeit von
0,4–0,8 m/s austritt; hierbei erfolgt ein Abkühlen
auf ca. 40°C (vgl. 2). Die
Filamente 11 jedes Garns werden dann zu einem Garnbündel
zusammengefasst, das daraufhin über einen Präparationsauftragsstift 13 läuft,
wobei dieses mit ca. 0,3% Spinnpräparationsauftrag versehen wird.
Diese Präparation des Garns ist für das nachfolgende
Aufspulen vorteilhaft, um ein statisches Aufladen zu verhindern.
Außerdem ist es für die Weiterverarbeitung in
einer gegebenenfalls nachfolgenden Texturation der Garne vorteilhaft.
Schließlich werden die Garne mit 2750–3200 m/min
in einer Spulmaschine 15 auf Kartonhülsen 14 aufgespult.
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Die
Filamente, die mit einer definierten Geschwindigkeit aus der Spinndüse
austreten, werden mit einer diese übersteigenden Spinngeschwindigkeit
abgezogen. Auf diese Weise ergibt sich eine Verstreckung der Filamente
im noch nicht vollständig verfestigten Zustand. Mit dem
Verstrecken der Filamente wird eine Erhöhung der molekularen
Orientierung angestrebt, wobei die amorphen (ungeordneten) Polymerketten
in die Länge gezogen und dabei parallel (kristallin) ausgerichtet
werden; hieraus ergibt sich eine höhere Festigkeit der
Filamente.
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Um
das Gesamtvolumen und die elastische Dehnung der Fäden
zu erhöhen, können die glatten Filamente zusätzlich
noch texturiert werden. Die Texturierung verändert durch
eine „Kräuselung” der Oberfläche
den „textilen Charakter” der ursprünglich glatten
Filamente, so dass sich hieraus hergestellte Gewebe, etc. häufig
durch eine besondere Weichheit und Fülligkeit, eine hohe
Elastizität sowie gute Wärmeisolierungseigenschaften
auszeichnen. Zur Texturierung wurden zahlreiche Verfahrenstechniken
entwickelt. Beim Lufttexturieren beispielsweise wird warme Luft
unter hohem Druck auf das Filament geblasen, wobei dieses mit hoher
Geschwindigkeit auf eine Keramikwalze prallt; hierdurch bilden sich
einzelne Schlaufen in der Oberfläche der Filamente aus. Ein
weiteres Verfahren zur Texturierung ist die Friktionstextu rierung.
Bei diesem mechanisch-thermischen Verfahren werden die Filamente
durch eine Heizzone geführt. Dabei werden die Filamente
mit bis zu 1000 Drehungen/m verdrillt und danach abgekühlt.
Auf diese Weise bleibt in den einzelnen Filamenten eine fixierte
Spiralstruktur erhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10102789
A1 [0004]
- - DE 19540682 A1 [0004]