DE1669423A1 - Verfahren zur Herstellung von elastischen Polyurethanfaeden - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von elastischen PolyurethanfaedenInfo
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Description
LEVERKUSEN-Btyemcik 9. März 1967
Patent-AbteUunf Reu/E
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von elastischen Polyurethanfäden aus wäßrigen Dispersionen von
nach dem Isocyanat-Polyadditionsverfahren hergestellten elastischen Polyurethanelastomeren durch Verspinnen in ein wäßriges
Fällbad.
Aus der Technologie und Chemie der Gummifäden sind verschiedene
Verfahren zur Herstellung von elastischen Fäden, die auf der Koagulation von Latices und Dispersionen von natürlichen und
synthetischen Polymeren oder Mischpolymerisaten beruhen, bekannt. Bei diesen Verfahren werden die Natur- oder Synthesekautschuklatices,
die Vulkanisationsagenzien enthalten, durch Düsen in wäßrige Fällbäder, die ein- oder mehrwertige Salme
organischer und anorganischer Säuren enthalten, versponnen. Der aus der Düse ausgetretene Latexfaden wird dabei unmittelbar
zu einem Rundfaden koaguliert. Der erhaltene Koagulatfaden wird anschließend getrocknet und vernetzt.
Weiterhin werden nach bekannten Verfahren Polyurethanfäden durch Verspinnen aus organischen Lösungen hergestellt. Diese
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Herstellung von Polyurethanfäden let Gegenstand vieler Verfahren.
lach einem älteren Verfahren werden vernetzte Polyurethane
in hochpolaren Lösungsmitteln wie beispielsweise Dimethylformamid gelöst und durch Einspritzen ihrer Lösungen in ein
Fällbad wie Wasser zu Fäden verarbeitet. Nachteilig ist für dieses Verfahren seine ungenügende Reproduzierbarkeit. Nach neueren
Verfahren werden geeignete Voraddukte aus höhermolekularen Verbindungen, wie Polyäther oder Polyester und Diisocyanaten,
in hochpolaren Lösungsmitteln, wie beispielsweise Dimethylformamid oder Dimethylsulfoxyd, mit Diaminen oder Hydrazin zu
einem linearen Polyurethan umgesetzt und in Spinnprozeesen, die denen für Polyacrylnitril- oder Acetatfasern ähnlich sind,
zu elastischen Fäden weiterverarbeitet. Es 1st aber auch möglich, derartige Elastomerlösungen nach dem Naßspinnverfahren
in Wasser zu verspinnen. Nach einem anderen Verfahren werden die aus höhermolekularen Hydroxylverbindungen und Polyisocyanaten
hergestellten, Isocyanatendgruppen tragenden Voraddukte durch Düsen in ein wäßriges Bad, das ein hochreaktives, diprimäres
oder disekundäres aliphatisches Diamin enthält, eingesponnen. Der frisch gesponnene Faden wird dann durch Behandeln
mit warmem Wasser nachgehärtet. Neben Diaminen können solche Spinnbäder auch langsam reagierende Vernetzungsmittel
wie polyfunktionelle Alkohole enthalten. Zur Härtung braucht der Faden nur nachgeheizt zu werden. Es ist auch bekannt geworden,
die Umsetzung des Isocyanatgruppen enthaltenden Vor-
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addukteβ mit dem Diamin nach einem Zwei-Stufen-Verfahren
durchzuführen, wobei die Diamine gegenüber den Isocyanatgruppen
des Vorpolymerisats in unterstöchiometrischen Mengen verwendet
werden und das so erhaltene, noch Ieocyanatgruppen aufweisende Toraddukt in organischer Lösung in ein Wasserbad extrudiert
wird, das einen Überschuß an Diaminen enthält. Die Umsetzung eines Yoradduktes kann auch mit überstöchiometrischen Mengen
an Diaminen oder ähnlichen Kettenverlängerungsmitteln erfolgen. Die Viskositätseinstellung erfolgt dann in einer gesonderten
Zugabe von Polyisocyanaten zur Elastomerlösung, die anschließend
nach einem der üblichen Spinnverfahren versponnen wird. Alle
diese Verfahren erfordern einen umfangreichen technischen Aufwand. Die Reproduzierung der geforderten mechanischen Eigenschaften
ist mit Schwierigkeiten verbunden. Nachteilig ist ferner für eine Vielzahl der Verfahren das Arbeiten mit physiologisch
nicht einwandfreien und brennbaren Lösungsmitteln·7
Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung von elastischen fäden aus segmentierten Polyurethanelastomeren gefunden, das
dadurch gekennzeichnet ist, daß man emulgatorfreie, wäßrige
Dispersionen von Polyurethanen, die Salzgruppen enthalten, unter Formgebung in ein wäßriges Fällbad verspinnt. Diese segmentierten
Polyurethanelastomeren werden hergestellt durch Umsetzung von höhermolekularen, im wesentlichen linearen PoIy-,
hydroxylverbindungen mit Molekulargewichten von 500 bis 10 000, vorzugsweise 750 bis 3 000, mit Polyisocyanaten und
Kettenverlängerungsmitteln. Man erhält formstabile Fäden, die nach dem Trocknen und Vernetzen gute mechanische und elastische
Eigenschaften aufweisen.
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Die gewonnenen Fäden können nach bekannten Verfahren vernetzt werden. Es ist von Torteil, die in der Gummifädenindustrie
üblichen Maschinen und Apparaturen zu verwenden, und die Herstellung der Polyurethanfäden der in der Gummifädenindustrie
üblichen Technologie zur Herstellung von Gummifäden anzupassen. Dadurch werden Polvurethanfäden
auf einfache Weise ohne Verwendung physiologisch nicht einwandfreier und brennbarer Lösungsmittel und umfangreicher
Apparaturen zugänglich.
Pur das erfindungsgemäße Verfahren sind nur solche
Polyurethandispersionen geeignet, die emulgatorfrei hergestellt sind, wobei die für das Verfahren geeigneten segmentierten
Polyurethane, unter Mitverwendung von Salzgruppen tragenden Kettenverlängerungsmitteln, aufgebaut sind.
Die elastischen Fäden werden aus den emulgatorfreien Dispersionen unter Formgebung durch eine Düse und Einspinnen
in ein wäßriges Fällbad gewonnen.
Die Möglichkeit, wäßrige Dispersionen von Polyurethanen durch Koagulation in Fällbädern unter homogener Phasenbildung
zu verspinnen, war an sich bei der teilweise guten Elektrolytverträglichkeit der Salzgruppen enthaltenden Polyurethandispersionen
nicht vorherzusehen. Es zeigte sich, daß für die Fadenherstellung nur solche Polyurethanmassen
geeignet sind, die klebfrei und nicht zu weich eingestellt sind. Bevorzugt werden Polyurethane, deren Shore Α-Härte im
Bereich von 4-0 bis 90 Härtegraden liegt. Zu hart eingestellte
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Polyurethane ergeben Fäden, die im Nafigelzustand spröde sind,
bei Buegebeanspruchung brechen und nur geringe Elastizität
und Flexibilität aufweisen. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Dispersionen sind feinteilig, mechanisch stabil und
durch Elektrolyte fällbar. Man kann gegebenenfalls die fällung beschleunigende Verbindungen zusetzen. Besonders gut fällbar
sind Dispersionen von Polyurethanmassen, deren Salzgruppengehalt niedrig eingestellt ist und die als Salzgruppen Carboxylatgruppen
enthalten.
Als höhermolekulare Verbindungen (Polyhydroxylverbindungen)
sind vor allem solche mit einem Molekulargewicht von 500 bis 10 000, vorzugsweise 750 bis 3 000, geeignet. Derartige Verbindungen
sind beispielsweise Polyester, Polyäther, Polyacetale und Polyesteramide. Die Hydroxylzahl dieser Verbindungen
beträgt ungefähr 11 bis 220, insbesondere 40 bis 150.
Als Polyisocyanate sind alle aromatischen und aliphatischen Diisocyanate geeignet, wie beispielsweise 4,4f-Diphenylmethandiisocyanat
und die entsprechenden Alkylhomologen, Toluylendiisocyanat, p-Phenylendiisocyanat, bevorzugt sind für die
Herstellung von am Licht nicht verfärbenden Polyurethanfäden besonders die aliphatischen Diisocyanate wie 1,4-Butandiisocyanat,
1,6-Hexandiisocyanat, Dicyclohexylmethandiisocyanat, Cyclohexandiisooyanat. Zur Variation der Härte der Polyurethanfäden
können niedermolekulare Kettenverlängerungsmittel wie
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i b b y a 2
die üblichen Glykole, Diamine, Aminoalkohole, Hydrazin, Carbodihydrazid
und Wasser mitverwendet werden. Zur Herstellung von für die Schwefelvulkanisation geeigneten Polyurethanen
werden Kettenverlängerungsmittel, die olefinisch ungesättigte
!Doppelbindungen enthalten, wie beispielsweise Allylglycerinäther
verwendet."
Die emulgatorfrei dispergierten Polyurethane besitzen einen geringen
Gehalt an eingebauten salzartigen Gruppen, die eine Emulgatorfunktion ausüben und die Dispergierung ohne Mitverwendung von
Emulgatoren erlauben. Zur Fadenbildung geeignete Dispersionen von segmentierten Polyurethanelastomeren mit salzartigen Gruppen können
beipsielsweise nach dem Verfahren der Belgischen Patentschrift 673 4-32 oder der .Französischen Patentschrift 1 416 463 hergestellt
werden, indem bei ihrer Herstellung Kettenverlängerungsmittel mitverwendet
werden, die salzartige Gruppen tragen. Solche Kettenverlängerungsmittel sind Verbindungen mit mit Isocyanatgruppen
reagierenden Gruppen, insbesondere Aminogruppen und mindestens einer als Alkalisalz oder Ammoniumsalz vorliegenden Säuregruppierung.
Solche Verbindungen sind beispielsweise die Alkalisalze oder Ammoniumsalze von aliphatischen und aromatischen
Diaminocarbonsäuren und Diaminosulfonsäuren. Bevorzugt
sind die Alkalisalze und Ammoniumsalze von aliphatischen Diaminosäurea wie Lysin, Ornithin und den (1 : 1J-AdditiDneprodukten
von Propan- und Butansulton an aliphatische Diamine wie Ä'thylendiamin und 1,6-Diaminohexan. Ebenso sind die
Additionsprodukte der Alkalisalze oder Ammoniumsalze ungesät
tigter aliphatischer Säuren wie Acrylsäure, Methacrylsäure,
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Maleinsäure oder Vinylaulfonsäure oder Styrolsulfonsäure an
Ä'thylendiamin, 1,6-Diaminohexan, Hydrazin oder 4,4'-Diaminodicyclohexylmethan
geeignet.
Für die Fadenherstellung sind solche Dispersionen geeignet, in denen die dispergierten Polyurethane einen Salzsgruppengehalt beispielsweise
einen Carboxylat-, SuIfonat-, Phosphorat- oder
quaternären Ammoniumgruppengehalt - von 0,1 bis 3 #, vorzugsweise
0,5 bis 2 #, bezogen auf die Polyurethane, aufweisen.
Bei der Herstellung von emulgatorfreien Polyurethandispereionen
wird im allgemeinen so vorgegangen, daß zunächst vorzugsweise in der Schmelze aus der höhermolekularen Polyhydroxylverbindung
mit einem Molekulargewicht von 750 bis 3 000 und den Diisocyanaten
ein Isocyanatendgruppen aufweisendes Voraddukt hergestellt wird. Dae Voraddukt wird dann mit einem organischen
Lösungsmittel aufgenommen, unter Molektilvergrößerung mit einem Kettenverlängerungsmittel mit salzartigen Gruppen umgesetzt
und in Wasser dispergiert. Niedrigsiedende Lösungsmittel können anschließend von der Dispersion abdestilliert werden.
Der Festkörpergehalt der Dispersionen kann wunschgemäß eingestellt
werden. Für die Fadenherstellung sind lösungsmittelfreie Dispersionen mit einem Festkörpergehalt von über 40 $
bevorzugt.
Für die Herstellung von salzgruppenfreien, emulgatorhaltigen
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i t> 6 θ 4 2
Polyurethandispersionen nach "bekannten Verfahren, siehe beispielsweise
Deutsche Auslegeschrift 1 097 678, US Patentschrift 2 968 575 und Belgische Patentschrift 663 102, ist
die Verwendung von Emulgatoren unerläßlich. Werden zum Vergleich emulgatorhaltrge, nach den bekannten Verfahren hergestellte
Dispersionen unter Druck durch eine Düse in ein Fällbad verpreßt, so tritt Koagulation, aber keine Fadenbildung
ein.
Die emulgatorfreien Dispersionen können nach der folgenden allgemeinen Vorschrift hergestellt werden: Der verwendete
Polyester oder Polyäther wird zunächst bei 120 0C im Wasserstrahlvakuum
30 Minuten entwässert und anschließend mit dem Polyisocyanat umgesetzt. Bei Verwendung von aliphatischen
Diisocyanaten erfolgt die Herstellung des Prepolymers bei Temperaturen von ca. 120 C. Bei Verwendung von aromatischen
Diisocyanaten genügen im allgemeinen 70 bis 90 0C. Nach Abkühlen
auf 50 0C wird die Schmelze mit Aceton aufgenommen,
so daß ungefähr eine 35- bis 50-gewichtsprozentige acetonische Lösung resultiert. Die Prepolymerlösung wird nun mit einer
wäßrigen Lösung des Kettenverlängerungsmittels mit der als Alkali- oder Amin- oder Ammoniumsalz vorliegenden Säuregruppierung
versetzt. Nach Beendigung der Reaktion wird die entsprechend dem Festkörpergehalt der herzustellenden Dispersion berechnete Wassermenge zugefügt und das Aceton im Wasserstrahlvakuum
bei 50 bis 55 0C abdestilliert.
Im Falle der Mitverwendung von Vernetzungsmitteln können diese
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während der Herstellung der Dispersion dem Aceton oder dem
Wasser oder nach der Herstellung der fertigen Dispersion zugesetzt werden.
Wasser oder nach der Herstellung der fertigen Dispersion zugesetzt werden.
Als Vernetzungsmittel sind beispielsweise Formaldehyd, Formaldehyd
abspaltende oder wie Formaldehyd reagierende Verbindungen wie die gegebenenfalls verätherten Umsetzungeprodukte
von Melamin, Harnstoff und anderen Carbaminverbindungen mit
Formaldehyd geeignet.
Formaldehyd geeignet.
Durch einfaches Nachheizen der Fäden auf 100 bis 160 0C, vorzugsweise
120 bis HO 0C, gegebenenfalls in Gegenwart von
Säuren oder Säure abspaltenden Verbindungen können die Fäden vulkanisiert werden. Durch die nachträgliche Vulkanisation
iBt es möglich, Härte, Elastizität, Zugfestigkeit, bleibende Dehnung und das Quellverhalten der Fäden einzustellen.
Säuren oder Säure abspaltenden Verbindungen können die Fäden vulkanisiert werden. Durch die nachträgliche Vulkanisation
iBt es möglich, Härte, Elastizität, Zugfestigkeit, bleibende Dehnung und das Quellverhalten der Fäden einzustellen.
Die Dispersionen können im allgemeinen unmittelbar für die Herstellung
von Fäden verwendet werden. Unter Umständen empfiehlt sich ein Siebvorgang durch ein Metallsieb oder Perlongewebe,
um grobe Teilchen, die die Düse verstopfen können, zu entfernen.
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BAD
JC 1669 A
Beispiel 1
250 g Adipinsäure-Athylenglykol-Polyester (OH-Zahl 56) werden
bei 120 0C 30 min im Wasserstrahlvakuum entwässert und bei
100 0C mit 38 g 1,6-Hexandiisocyanat versetzt. Nach einer Reaktionszeit
von 2 Stunden bei 110 bis 120 0C wird daß Prepolymer
abgekühlt und mit 700 ml Aceton aufgenommen. In die 50 0C
warme acetonische Prepolymerlösung gibt man 11,5g Zaliumlysinat
in 80 ml Wasser. Nach Vervollständigung der Reaktion werden unter schnellem Rühren 450 ml Wasser eingerührt, bis der Ansatz
homogen geworden ist. Anschließend wird das Aceton bei 50 0C im Wasserstrahlvakuum abdestilliert. Die erhaltene
40,8 #ige Dispersion hat einen Restacetongehalt von 0,5 #.
Zur Herstellung von Fäden werden zu 245 g der Dispersion (entsprechend
100 g .Polyurethantrockensubstanz) 2 g einer 50 #igen
wäßrigen Lösung von Hexamethylolmelaminhexamethyläther, 10 g einer 10 #igen wäßrigen Ammonchloridlösung und 2 g !Titandioxid,
dispergiert in 4 g einer 5 #igen wäßrigen Lösung eines Kondensationsproduktes
aus naphthalinsulfonsäuren! Natrium und
Formaldehyd, gegeben. Diese Mischung wird homogenisiert und durch eine Kapillare in ein Fällbad, das eine 20 #ige
Calciumchloridlösung enthält, gespritzt. Über eine Abzugsvorrichtung wird der koagulierte Faden feucht abgezogen, gewaschen,
bei 80 bis 90 0C getrocknet und anschließend bei 140 0G
vernetzt. An dem erhaltenen Faden wurden folgende mechanische Werte ermittelt:
2,
Zugfestigkeit | 4,29 | }9823/2139 | kg/mm |
Bruchdehnung | 570 | -10- | * |
bleibende Dehnung 45 | * | ||
Härte (Shore A | |||
Ie A 10 626 |
Beispiel 2
In der in Beispiel 1 beschriebenen Weise wird aus dem Polyurethan auB 212,5 g Adipinsäure-1,6-Hexandiolpolyester (OH-Zahl
132), 61,5 g 1,6-Hexandiisocyanat und 10,6 g Natriumlysinat
eine 43 #ige wäßrige Dispersion hergestellt.
Zu 233 g der Dispersion (entsprechend 100 g Polyurethantrockensubstanz)
werden die im Beispiel 1 aufgeführten Mengen an Melaminharζ, Ammonchlorid und Titandioxid gegeben. Die aus
der Mischung erhaltenen Päden haben folgende mechanische Eigen-' schäften:
Zugfestigkeit | 3, | 8 kg/mm2 |
Bruchdehnung | 405 | |
bleibende Dehnung | 155 | * |
Hörte (Shore A) | 86 |
Das bei 120 0C aue 271 g Adipinsäure-Äthylenglykol-Polyester
(OH-Zahl 51,7) und 36,8 g 1,6-Hexandiisocyanat hergestellte
Prepolymer wird mit 700 ml Aceton aufgenommen und bei 50 C mit einer Mischung aus 1,9 g A'thylendiamin, 3,8 g Propansulton
und 17,5 g 10 ^iger wäßriger Kalilauge in 50 ml Wasser versetzt. Anschließend werden 450 ml Wasser eingetragen und das
Aceton abdestilliert.
Zu 250 g der 40 #igen Dispersion werden die in Beispiel 1
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aufgeführten Mengen an Melaminharz, Ammonchlorid und Titandioxid gegeben. Die aus der Mischung erhaltenen Fäden haben
folgende mechanische Eigenschaften:
Zugfestigkeit 3,5 kg/mm2
Bruchdehnung 580 ^
bleibende Dehnung 9 $>
Härte (Shore A) 70
Zu 233 g einer aus 212,4 g Adipinsäure-1,6-Hexandiol-Neopentylglykol-Polyester
(Molverhältnis 30:22:12; OH-Zahl 67),
36 g 1,6-Hexandiisocyanat und 11,5 g Kaliumlysinat nach der
in Beispiel 1 ausführlich beschriebenen Weise hergestellten, 43 #igen Dispersion (entsprechend 100 g Polyurethantrockensubstanz)
werden die in den obigen Beispielen angegebenen Mengen an Melaminharz,'Ammonchlorid und Titanoxid eingearbeitet.
Die aus der Dispersion durch Verspinnen in eine wäßrige 20 #ige CalciumchloridlÖsung erhaltenen Fäden haben
folgende mechanische Eigenschaften:
Zugfestigkeit | 1, | 4 kg/mm |
Bruchdehnung | 530 | * |
bleibende Dehnung | 9 | |
Härte (Shore A) | 66 |
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Beispiel 5
Zu 255 g einer aus 212 g Adipinsäure-Phthalsäure-Äthylenglykol-Polyester
(Molverhältnis 4,5:1,5:7,1; OH-Zahl 67), 38 g 1,6-Hexandiisocyanat und 11,5 g Kaliumlysinat nach der in
Beispiel 1 ausführlich beschriebenen Weise hergestellten, 39,3 #igen Dispersion (entsprechend 100 g Polyurethantrockensubstanz)
werden die in den obigen Beispielen angegeben Mengen an Melaminharz, Ammonchlorid und Titandioxid eingearbeitet.
Die aus der Dispersion erhaltenen Fäden haben folgende mechanische Werte:
Zugfestigkeit | 3, | 6 kg/mm |
Bruchdehnung | 605 | |
bleibende Dehnung | 8 | * |
Härte (Shore A) | 60 |
In 255 g der in Beispiel 5 beschriebenen Dispersion mit einem Pestkörpergehalt von 39,3 ί>
(entsprechend 100 g Polyurethantrockensubstanz) werden 2 g Titandioxid, dispergiert in 4 g
einer 5 #igen wäßrigen Lösung eines Kondensationsproduktes aus naphthalinsulfonsäuren! Natrium und Formaldehyd eingerührt. Die
Mischung wird durch eine Kapillare in eine 20 #ige wäßrige Calciumchloridlösung gespritzt. Der koagulierte Faden wird über
eine Abzugsvorrichtung feucht abgezogen, gewaschen, bei 80 bis 90 0C vorgetrocknet und anschließend bei 140 0C nachgetempert.
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Die mechanischen Eigenschaften des iUdens werden durch fol
gende Werte beschrieben:
. Zugfestigkeit 3,4 kg/mm
Eruchdehnung 620 $> >
bleibende Dehnung 9 #
Härte (Shore A) 57 ·
B e i s ρ ie I 7
In 258 g einer aus 266 g Poly-1,4-butylenglykoläther (OHZ 52,5),
38 g 1,6-Hexandiisocyanat und 11,3 g Kaliumlysinat nach der in Beispiel 1 beschriebenen Weise hergestellten, 38,8 #igen Dispersion
(entsprechend 100 g Polyurethan-Trockensubstanz) werden 2 g Titandioxyd, dispergiert in 4 g einer 5 /Sigen wäßrigen Lösung eines
Kondensationsproduktes aus naphthalinsulfonsäuren! Natrium und Formaldehyd,
eingerührt. Die Mischung wird durch eine Kapilare in eine 20 #ige wäßrige Calciumchloridlösung versponnen. Der koagulierte
Faden wird abgezogen, in destilliertem Wasser gewaschen, bei 80 getrocknet und anschließend bei 140° getempert. Die erhaltenen Fäden
haben folgende mechanische Werte:
Zugfestigkeit: 2 kg/mm2
Bruchdehnung: 450 %
Bleibende Dehnung: 10 %
Härte (Shore A): 65
Ie A 10 626 -14-
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Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung von elastischen Fäden aus segmentierten
Polyurethanelastomeren, hergestellt durch Umsetzung von höhermolekularen} im wesentlichen linearen Polyhydroxylverbindungen
mit Polyisocyanaten und Kettenverlängerungsmitteln, wobei die Polyurethanelastomeren in Form einer Dispersion
versponnen werden, dadurch gekennzeichnet, daß man emulgatorfreie Dispersionen von Polyurethanelastomeren, die
Salzgruppen enthalten, unter Formgebung in ein wäßriges Fällbad verspinnt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Polyurethanelastomere einsetzt, die 0,1 bis 3 # an Salzgruppen,
bezogen auf das PoHyurethanelastomer, enthalten.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man
Dispersionen von Polyurethanmassen, die Alkali-Carboxylat- (| Gruppen enthalten, verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Dispersionen von segmentierten Polyurethanelastomeren einsetzt,
die eine Shore-A-Härte von 40 bis 90 besitzen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fäden mit polyfunktionellen Verbindungen vernetzt werden..
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BAD Le A 10 626 ^15_ T-"
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