DE1917822B2

DE1917822B2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von feinen filamenten

Info

Publication number: DE1917822B2
Application number: DE19691917822
Authority: DE
Inventors: Brian James Timperley Cheshire Skoroszewski Wladyslaw Henry Manchester Lancashire Vernon, (Großbritannien)
Original assignee: Shell Internationale Research Maat schappij B V, Den Haag (Niederlande)
Priority date: 1968-04-10
Filing date: 1969-04-08
Publication date: 1978-01-19
Also published as: DE1917822C3; MX3205E; BE731190A; ATA340669A; CH520216A; AT331957B; NL6905427A; DE1917822A1; FR2007423A1; CA1046722A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei einem derartigen, durch die BE-PS 702 966 bekannten Verfahren wird eine in Längsrichtung profilierte Kunststoffbahn mit Hilfe einer entsprechend geformten Extruderdüse erzeugt und durch mindestens zweifaches Verstrecken in Fäden aufgespalten. Damit die Aufspaltung in Einzelkapillare oder -fäden mit Sicherheit erfolgt, soll die Bahn eine über die gesamte Fläche hinweg konstante Wellen- oder Zickzack-Form aufweisen und beim Verstrecken in ihrer Laufebene ein oder mehrmals wechselseitig seitlich abgelenkt werden: die Schlängelbewegung unterstützt das Aufreißen in die Einzelkapillare.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dieses bekannte Verfahren zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.

Es war nicht vorauszusehen, daß nur durch einfaches Verstrecken bereits eine vollständige oder sehr weitgehende Aufspaltung der profilierten Bahn entlang den vorgegebenen Spaltlinien zwischen den in Längsrichtung verlaufenden dicken Bahnbereichen erfolgen würde, ohne daß die Kunststoffbahn über ihre gesamte Fläche hinweg eine konstante Wellenoder Zickzack-Form aufweist und ohne daß sie beim Verstrecken in ihrer Laufebene ein- oder mehrmals seitlich abgelenkt wird.

Das erfindungsgemäß vorgenommene gesteuerte Fibrillieren liefert scharf definierte Monofilamente,

die praktisch frei sind von anhängenden seitlich abstehenden Fibrillen, wie sie beim regellosen Fibrillieren ebenfalls in Längsrichtung, aber nicht in vorgegebenen Spaltlinien zu beobachten sind, auch dann, wenn die Kunststoffbahn vor dem Fibrillieren geritzt, gekerbt oder eingeschnitten worden ist. Eine zusätzliche getrennte Fibrillierungsbehandlung ist bei eriindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich.

Vorzugsweise wird bei der Profilerzeugung durch die Druckbeanspruchung die Dicke der Bahn in ihrem schwächsten Bereich auf weniger als V₂₀ des ursprünglichen Wertes verringert.

Die erfindungsgemäß erzeugten Filamente weisen einen Titer von z.B . 5 bis 90 den, ein vorzügliches Aussehen und gute Festigkeit auf und lassen sich ausgezeichnet handhaben. Ihre Reißfestigkeit beträgt z. B. bis zu 7 g/den. Die Filamente können durch Schneiden zu Stapelfasern verarbeitet werden. Von besonderer Bedeutung ist die Erfindung für die Herstellung von feinen Filamenten aus Polypropylen, für die sich in den letzten Jahren sehr viele wirtschaftlich interessante Verwendungsmöglichkeiten auf dem Textilsektor, z. B. bei der Teppichherstellung ergeben haben. Allgemein finden die Filamente und daraus erzeugten Garne Verwendung für die Herstellung von Gebrauchstextilien, wie Möbel- oder Vorhangstoffen, Teppichen und Sicherheitsgurten und bei der industriellen Herstellung von Bindfäden, Seilen und Tauen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach und zuverlässig. Es gewährleistet eine genaue Profilierung bei im wesentlichen konstanten Bahndimensionen, so daß die erfindungsgemäß erzeugten Monofilamente im allgemeinen keine oder höchstens geringe Titer Schwankungen über die Länge hinweg und zwischen den einzelnen Filamenten aufweisen.

Es gibt zwei Hauptausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die durch den physikalischen Zustand des Kunststoffes unterschieden werden: Bei der ersten Ausführungsform wird die Profilierung an einer vorgeformten Kunststoffbahn bei einer Temperatur unterhalb des Kristallschmelzpunktes des Kunststoffes vorgenommen; bei der zweiten Ausfuhrungsform wird eine folienartige Masse aus zumindest teilweise fließfähigem Kunststoff profiliert.

Bei der ersten Ausführungsform kann die Kunststoffbahn bei Raumtemperatur oder bei einer erhöhten Temperatur unterhalb des Kristallschmelzpunktes verarbeitet werden. Soll das Bahnmaterial während der Profilgebung eine erhöhte Temperatur aufweisen, so muß es zumindest teilweise vor der Profilgebung vorerwärmt werden, weil ein lokalisiertes Erwärmen mit Hilfe einer oder beider beheizten Druckwalzen den maximalen Durchsatz des Verfahrens zu stark einschränkt, beispielsweise auf weniger als V₁₀ des Durchsatzes, der mit bereits vorerwärmtem Bahnmaterial erzielt werden kann. Der Produktsablauf kann hierbei so eingerichtet werden, daß die in einer Vorstufe des eigentlichen Verfahrens erzeugte Kunststoffbahn noch die erforderliche Temperatur aufweist, wenn sie mit dem Druckwalzenpaar in Berührung kommt, im Falle von Propylen beispielsweise 80 bis 140° C. Selbstverständlich ist hierbei darauf zu achten, daß die Kunststoffbahn noch mit der erforderlichen Zugspannung von der Vorratswalze ab- und durch die Vorwärmeanlage hindurchgezogen bzw. im Falle der Erzeugung durch z. B. Folienblasen - aus der ersten Stufe abgezogen werden kann. Je nach Art

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des verwendeten Kunststoffes und der gewünschten Durchsatzgeschwindigkeit kann eine oder können beide Druckwalzen beheizt oder auch gekühlt werden.

Das Bahnmaterial soll möglichst breit sein, so daß es noch gerade gehandhabt werden kann. Es wird auf beliebig bekannte Weise, z. B. durch Schneiden oder Schlitzen eines Folienschlauches gebildet und liegt beispielsweise in Form eines Streifens, eines Bandes oder einer Endlosbahn vor. Es soll Foliendicke aufweisen, die im Falle von Polypropylen 25 bis 200 μπι betragen kann. Vorteilhafterweise kann das Bahnmaterial gemäß der GB-PS 1033018 oder den GB-Patentanmeldungen 54139/67 und 61899/68 hergestellt werden.

Bei der zweiten Ausführungsforrn des erfindungsgemäßen Verfahrens soll die Temperatur des Kunststoffes unmittelbar vor der Druckberührung mit der profilgebenden Vorrichtung in einen Bereich zwischen Kristallschmelzpunkt des ICunststoffes und 150° C darüberliegen, z. B. bei Polypropylen im Bereich von etwa 150 und 300° C.

Das folienartige endlose Bahnmaterial kann unmittelbar vor dem profilgebenden Vorgang und mit diesem gekoppelt erzeugt werden, z. B. durch übliches Schlitzdüsen-Extrudieren. Das Extruder-Mundstück wird dann so zu der profilgebenden Walze angeordnet, daß der heiße extrudierte Kunststoff entweder unmittelbar in den Walzenspalt oder aber auf eine der beiden Walzen fließt. Das Extrudat, dan bei dieser Temperatur nicht ausreichend fest ist, um selbst die geringen Zugspannungen beim Ziehen über Walzen oder beim Anziehen von einer Vorratsrolle auszuhalten, kann auf diese Weise ohne Schwierigkeit gehandhabt werden. Eine vorgeformte Kunststoffbahn hingegen kann vor dem In-Berührung-Bringen mit den Druckwalzen nur schwer auf eine Temperatur über dem Kristallschmelzpunkt des Kunststoffes vorerwärmt werden.

Die Druckberührung darf nicht so stark sein, daß das Bahnmaterial beim Profilieren eingeschnitten wird; der Druck muß aber ausreichen, damit die gerillten Teile der profilierten Kunststoffbahn wie oben angegeben wesentlich dünner sind als die zwischen den Rillen liegenden Buckel. Diese werden dadurch gebildet, daß der Kunststoff in die Vertiefungen zwischen jeweils zwei benachbarten Rippen einfließt und diese ausfüllt; der Kontaktdruck soll so bemessen sein, daß dieser Vorgang stattfindet. Gute Ergebnisse werden mit Berührungsdrücken über 35 kg/cm² erzielt. Sobald wie möglich nach dem profilgebenden Vorgang wird die heiße Kunststoffbahn auf eine Temperatur unterhalb bis wesentlich unterhalb des Kristallschmelzpunktes des Kunststoffes abgeschreckt und das erzeugte Rillenprofil hierdurch fixiert.

Das Kunststoffbahnmaterial kann beliebig passend breit sein, so wie es beim Extrudieren entsteht. Ein besonderer Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß bis zu 1 m breite Endlosbahnen in z. B. bis zu 12000 Filamente überführt werden können, je nach gewünschtem Titer des Filamentes. Auf diese Weise läßt sich ein großer Ausstoß auf einer einzigen Fertigungsstraße erzielen, wobei der profilgebenden Vorrichtung der heiße Kunststoff beispielsweise 25 bis 200 μπι stark zugeführt wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einer Einrichtung zur Erzeugung der profilierten Bahn sowie einer Streckvorrichtung und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der profilierten Bahn ein gegenläufig antreibbares Druckwalzenpaar aus Stahl ist und die Oberfläche mindestens einer Walze mit in Umfangsrichtung parallel eng nebeneinander He-"' genden Rippen besetzt ist, die abgerundete Scheitel aufweisen.

Die Verwendung eines gegenläufig antreibbaren Walzenpaares aus Stahl ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, weil allgemein hohe Drücke erforder-

lieh sind, um das rillenartige Profil in der Kunststoffbahn zu formen. Der benötigte Druck hängt von dem jeweiligen Kunststoff und der angewandten formgebenden Temperatur ab und ist so hoch, daß man bei Verwendung einer Stützwalze mit nachgiebiger Fläche

¹' nur ein gewelltes Produkt erhalten würde, nicht aber das gewünschte rillenartige Profil, das durch gesteuerte Fibrillenbildung aufgespalten werden kann. Der für die Rillenbildung notwendige Druck kann zwar durch zusätzliches Erwärmen der Bahn verringert

2(i werden, aber der auf diese Weise erzielbaren Druckverminderung ist eine Grenze gesetzt. Bei der Profilgebung mit Stahiwaizen kommt es darauf an, daß die Kunststoffbahn nicht eingeschnitten wird, da sonst die Gefahr besteht, daß die Walzen verstärkt abgenutzt

2> oder sogar beschädigt werden. Deshalb sollen die um die Oberfläche mindestens der einen Walze in Umfangsrichtung parallel eng nebeneinander liegenden Rippenein Profil aufweisen, dessen Scheitel etwas abgerundet sind.

in Vorzugsweise weist nur eine der beiden Walzen Rippen auf ihrer Oberfläche auf. Diese profilgebende Walze ist rotierbar auf einer feststehenden Achse montiert und wird z. B. mit einem Elektromotor angetrieben. Die vorzugsweise glatte Stützwalze ist unter

π oder neben der profilgebeiiden Walze montiert und dieser gegenüber verstellbar. Die Einstellung der Walzen zueinander und die Einstellung des Walzenspaites und damit des Druckes auf die Kunststoffbahn erfolgt mit hydraulisch oder pneumatisch betriebenen Mitteln. Bei der Anordnung der beiden Walzen nebeneinander wird dafür Sorge getragen, daß beide Walzenachsen während des Produktionsvorganges tatsächlich parallel sind. Mit Hilfe von Einstellvorrichtungen läßx sich die Stellung der einen Walze gegenüber dei anderen senkrecht zu den Achsen beider Walzen regulieren, so daß über die gesamte wirksame Länge des Walzenspaltes hinweg der erforderliche gleichmäßige Druck auf die Kunststoffbahn ausgeübt wird. Unterhalb der profilgebenden Walze kann eine

■>o Leitwalze angeordnet sein, um die Kunststoffbahn zu glätten und die Spannung beim Durchzug durch den Walzenspalt besser zu steuern; die Kunststoffbahn wird dann z. B. um ²/₃ des Umfanges der Leitwalze geführt, bevor sie in den Walzenspalt eintritt. Auf

■j5 diese Maßnahme kann verzichtet werden, wenn die Kunststoffbahn mit einer Wand-Heizvorrichtung vorerwärmt wird. Durch eine oder durch beide Walzen kann ein Wärmeübertragungsmedium zirkulieren, mit dem die Walzen nach Bedarf gekühlt oder erwärmt

bo werden.

Das Profil der Rippen auf der profilgebenden Walze ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß der Abstand der Rippen 0,076 bis 1,25 mm und die Tiefe der Mulden zwischen benachbarten Rippen 0,05 bis

b5 0,5 mm beträgt. Die Scheitel der Rippen sind hierbei abgerundet und der Muldenboden zwischen den einzelnen Rippen ist zweckmäßigerweise konkav ausgebildet. Der Boden der Vertiefungen kann einen we-

sentlich größeren Krümmungsradius aufweisen als die Scheitel und braucht nicht regelmäßig, ζ . B. Teil eines Kreises, zu sein. Bewährt hat sich für die Rippen ein Profil, wie es durch das Standard-»Whitworth«- Schneckengewindeprofil mit einer Gangzahl von z. B. 40 je Zoll erzeugt wird; es können aber auch andere Schneckenprofile verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie den allgemeinen Profilbedingungen entsprechen. Die Rippen verlaufen normalerweise ohne Unterbrechung um die Walze.

Die profilgebende Vorrichtung wird in Verbindung mit einer üblichen, im Zuge eines kontinuierlichen Produktionsvorganges arbeitender» Verstreckvorrichtung verwendet. Als solche werden beispielsweise Walzenpaare verwendet, zwischen denen ein Heißluftofen angeordnet ist, durch den die Bahn gezogen' wird. Typische Verstreckverhältnisse, die auf Polypropylen anwendbar sind, liegen bei 5 : 1 bis 12 : 1; der Heißluftofen kann bei 140 bis 150° C betrieben werden.

Beim Verstrecken wird der Kunststoff rnüiekuiarorientiert und der Querschnitt der Bahn entsprechend verringert. Infolgedessen spaltet sich die profilierte Kunststoffbahn beim Durchgang durch das zweite Walzenpaar spontan in Filamente auf; teilweise kann das Aufspalten auch im Heißluftofen erfolgen. Die Durchsatzgeschwindigkeit, mit der die verstreckte und aufgespaltene Ware das zweite Walzenpaar verläßt, kann z. B. 67 bis 135 m/min betragen.

Im folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen und das Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. I zeigt das Rippenprofil einer erfindungsgemäß verwendeten profilgebenden Walze;

Fig. II zeigt eine profilgebende Vorrichtung;

Fig. III zeigt ein Fließschema zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. IV zeigt das Rippenprofil der in der profilgebenden Einheit gemäß Fig. III verwendeten profilgebenden Walze.

Fig. I zeigt eine bevorzugte Ausbildung des Rippenprofils einer profilgebenden Walze. Kennzeichnend sind die abgerundeten Scheitel, die Breite »A"« der Rippen-Scheitel, die bewirkt, daß diese ausreichend fest sind und zwischen benachbarten Rippen des profilierten Bahmaterials möglichst wenig Steg stehenbleibt, in dem bei der anschließenden Fibrillierung die Spaltung verläuft. Die Höhe Z der Rippen soll so bemessen sein, daß das Bahnmaterial in die Vertiefungen zwischen den Rippen einfließt und sie ausfüllt.

Fig. II zeigt die wesentlichen Elemente der Vorrichtung, die bei der Durchführung des folgenden Beispiels A und B verwendet wurde. Die Vorrichtung entspricht in ihrem Aufbau einem horizontalen Walzwerk, mit der profilgebenden Walze 3 auf der Antriebs-Welle 12. Die Stützwalze 4 ist rotierbar als Leitrolle in einem Rahmen 13 montiert, der auf dem Tisch 14 des Walzwerkes aufliegt, so daß die Walzen 3 und 4 genau zueinander eingestellt werden können. Die endlose Kunststoffbahn 2 wird von der Vorratsrolle 1 abgezogen und das erhaltene profilierte Bahnmatcrial 2' in eine nicht gezeigte übliche Verstreckanlagc geführt.

Fig. III zeigt schematisch die zwei aufeinanderfolgenden Stufen des Verfahrens:

Profilieren (A) und Verstrecken und Fibrillieren (B). In der ersten Stufe (A) tritt hier aus der Strang

presse 1 mit schlitzförmigem Mundstück das Endlosbahnmaterial 2 bei einer Temperatur oberhalb des Kristallschmelzpunktes des molekular-orientierbaren Kunststoffes aus und wird in den Spalt zwischen der profilgebenden Walze 3 mit dicht stehenden, parallel laufenden Rippen auf der Oberfläche und der Stützwalze 4 mit glatter Oberfläche eingeführt. Die profilierte Bahn 2' wird über eine Leitrolle 5 zu der ersten Walze einer üblichen Godet-Einheit 6 geführt, die die notwendige Abzugsspannung für das Bahnmaterial 2, 2' durch den Spalt zwischen den Walzen 3 und 4 hindurch erzeugt. Das Bahnstück 2" wird von der ersten Godet-Einheit dann mit Hilfe einer zweiten Godet-Einheit 8, die mit höherer Geschwindigkeit läuft als die Godet-Einheit 6, durch einen üblichen Heizofen 7 hindurch abgezogen und verstreckt. Dabei erfolgt die Aufspaltung der Filamente, die bereits im Ofen 7 einsetzen kann. Es erfolgt eine spontane und vollständige Trennung des Bahnmaterials in einzelne Filamente, von denen jedes einen verringerten Querschnitt entsprechend dem Querschnitt der Rippen in der profilierten Bahn aufweist. Das erhaltene Garn 2^m aus Monofilamenten wird auf die Spule 10 aufgewickelt. Fig. IV zeigt die Ausbildung des Rippenprofils der Walze 3, das sich besonders für die zweite Ausführungsform des Verfahrens eignet und gegenüber dem Profil gemäß F i g. I schmalere Vertiefungen und etwas schärfer ausgeprägte, aber immer noch leicht abgerundete Rippenscheitel aufweist.

Beispiel

A) Ein Polypropylen mit Schmelzindex 3,2 g/10 min wurde mit einer Temperatur von 250° C und einer Bahngeschwindigkeit von 17 m/min durch einen Schlitz extrudiert. Die extrudierte und noch nicht vollständig verfestigte Bahn (Temperatur 195 ° C) wurde zwischen zwei einander anliegenden Stahlwalzen hindurchgeführt, von denen die eine (profilgebende Walze) an ihrer Oberfläche parallel zur Laufrichtung 200 μΐη tiefe und 400 μΐη breite Rippen und die andere (Stütz- oder Führungswalze) eine glatte Oberfläche aufwies.

Die Bahn zeigte die^gewünschte bleibende Profilierung aus dicken und dünnen Abschnitten, und nach dem Verstrecken (Verstreckungsverhältnis 9:1, Ofentemperatur 160° C) und Fibrillieren erhielt man ein brauchbares und gleichmäßig geschlitztes Produkt aus kontinuierliehen Monofilamenten. Bereits während dem Verstrecken trat eine wesentliche Spaltung ein.

B) Das gleiche positive Ergebnis wurde erreicht, wenn die extrudierte Bahn erst auf Raumtemperatur (ca. 25 ° C) abgekühlt und dann im festen Zustand zwischen den Walzen hindurchgeführt wurde.

C) Wurde hingegen die Stütz- oder Führungswalze aus Stahl durch eine Walze aus Hartgummi ersetzt, so erwies es sich als unmöglich, die Bahn ausreichend zu profilieren. Das Produkt war ungenügend in regelmäßige kontinuierliche Filamente aufgeteilt. Bei längerem Betrieb zeigte sich außerdem, daß die Hartgummiwalze nicht ausreichend gekühlt werden konnte. Die allmählieh ansteigende Temperatur bewirkte, daß die Bahn an der Hartgummiwalze hängen blieb, was sich zuerst dadurch bemerkbar machte, daß sie eine Neigung zur Wellcnbildurtg entwickelte.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von feinen Filamenten aus einer Bahn eines molekular-orientierbaren Kunststoffes, bei dem die Bahn, die auf einer Seite oder auf beiden Seiten ein Rillenprofil in Längsrichtung aufweist, nur durch Verstrecken aufgespalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß man das Rillenprofil durch plastische Verformung mittels linienförmiger Druckbeanspruchung entlang nebeneinander liegender Linien erzeugt und dabei die Dicke der Bahn in ihren schwächsten Bereichen auf weniger als V₁₀ des ursprünglichen Wertes verringert und dann die Aufspaltung vornimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man durch die Druckbeanspruchung die Dicke in ihrem schwächsten Bereich auf weniger als V₂₀ des ursprünglichen Wertes verringert.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Einrichtung zur Erzeugung der profilierten Bahn sowie einer Streckvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der profilierten Bahn ein gegenläufig antreibbares Druckwalzenpaar aus Stahl ist und die Oberfläche mindestens einer Walze mit in Umfangsrichtung parallel eng nebeneinander liegenden Rippen besetzt ist, die abgerundete Scheitel aufweisen.