DE19501123C2

DE19501123C2 - Verfahren zur Herstellung einer Vliesbahn aus thermoplastischen Polymerfilamenten

Info

Publication number: DE19501123C2
Application number: DE19501123A
Authority: DE
Inventors: Rolf Helmut Joest; Hans Georg Dipl Ing Geus; Hermann Balk; Bernd Dr Ing Kunze; Herbert Schulz
Original assignee: Reifenhaeuser GmbH and Co KG Maschinenenfabrik
Current assignee: Reifenhaeuser GmbH and Co KG Maschinenenfabrik
Priority date: 1995-01-17
Filing date: 1995-01-17
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2015-01-18
Also published as: DE19501123A1; JP2635539B2; ITMI960048A1; JPH08246317A; IT1281662B1; US5609808A; ITMI960048A0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vliesbahn aus thermoplastischen Polymerfilamenten, welche Polymere zwei übermolekulare Ordnungszustände, nämlich einen kristallitischen Zustandsbereich und einen amorphen Zustandsbereich ausbilden. Polymerfilamente meint Fäden großer Länge, die auch als Endlosfäden und Monofilamente bezeichnet werden. Im Gegensatz dazu stehen Polymerfibers, d. h. verhältnismäßig kurze Fasern, die auch als Stapel fasern bezeichnet werden. Geeignete Polymere sind z. B., aber nicht beschränkend, Polyamid, Polyethylen, Polyester und Polypropylen. Insbesondere geeignet sind Polyamid 6 und Polyamid 6.6 und Polyethylenterephthalat. Die dominierenden Parameter des kristallitischen Zustandsbereichs sind die Kettenpackung im Kristallverband, der Kristallinitätsgrad, die Kristallitorientierung und die Kristallgröße. Bei solchen Polymeren läßt sich die Kettenpackung im Kristallitverband von den Verarbeitungsbedingungen der Polymere praktisch nicht beeinflussen. Andererseits sind der Kristallinitätsgrad und insbesondere die Kristallit orientierung durch die Verarbeitung zu beeinflussen. Da die Kristallitstruktur besonders stabil ist, neigen die Kettenmoleküle nicht zu Rückfaltungen. Der Schrumpf der Filamente nimmt mit zunehmendem Kristallinitätsgrad ab. Zur Festigkeit trägt der Kristallitanteil nur bei, wenn die Kristallitorientierung längs zur Faserachse verläuft. Der Kristallinitätsgrad nimmt mit steigender Abkühlgeschwindig keit ab. Ein hoher Orientierungsgrad der Kettenmoleküle im Kristallverband fördert die Kristallinität. Der Begriff Orientierung meint in diesem Zusammenhang sowohl die Ausrichtung der Kettenmoleküle in den amorphen Bereichen als auch die Ausrichtung der Kristallitbereiche. Beim Verstrecken von Filamenten orientieren sich die Moleküle und die Kristallitbereiche. Der Grad der Orientierung hängt stark von den thermischen und mechanischen Verstreckungs bedingungen ab. Sie lassen sich im allgemeinen unschwer experimentell ermitteln. Mit zunehmender Orientierung nimmt die Festigkeit zu, gleichzeitig reduzieren sich die Dehnung und das Schrumpfverhalten. In der Schmelze liegen die Kettenmoleküle ohne jede Ausrichtung, gleichsam wirr, durcheinander vor (vgl. ITB Garn- und Flächenherstellung 2/94, Seite 8, 9).

Verfahren zur Herstellung von Vliesbahnen aus thermoplasti schen Polymerfilamenten sind in verschiedenen Ausführungs formen bekannt (vgl. US 43 40 563, US 44 05 297, US 38 55 045, US 52 96 289, DE 40 14 414 A1, DE 40 14 989 A1). Die Polymerfilamente treten als Polymerschmelze aus den Düsenbohrungen einer sogenannten Spinnerette aus und bilden gleichsam einen Filamentstrang. Dieser Filamentstrang durchläuft eine Kühlkammer und wird in dieser von entsprechender Prozeßluft angeströmt. Der Filamentstrang läuft danach in einen Verstreckkanal ein, in dem eine Verstreckung durch Luftkräfte erfolgt. Die verstreckten Polymerfilamente werden auf einem kontinuierlich bewegten Siebband zur Vliesbildung abgelegt, häufig auf das Siebband gleichsam aufgesaugt. Bei diesem Ablegen entstehen an den Kreuzungsstellen der Polymerfilamente stoffschlüssige Ver bindungen, die als Kreuzungsschweißstellen bezeichnet werden. Es ist auch bekannt (DE 19 00 265 A1), Vliesbahnen auf Verstreckungstemperatur zu erwärmen und sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung, d. h. biaxial, zu verstrecken. Es versteht sich, daß eine solche biaxiale Verstreckung eine Reduzierung des Flächengewichtes bewirkt. Endlich ist es bekannt (US 52 96 289), die Vliesbahn mit über die Vliesbahn in Längsrichtung und Querrichtung ver teilten, Punktschweiß-Strukturelementen mit einem Durch messer im Millimeterbereich zu versehen und dazu durch eine Kalanderanlage zu führen, die entsprechende Kalanderwalzen aufweist, von denen im allgemeinen zumindest eine beheizt ist. Dieser Kristallinitätsgrad der Polymerfilamente bestimmt entsprechend die physikalischen Parameter der Polymerfilamente in der Vliesbahn und damit die physikalischen Parameter der Vliesbahn selbst. Auch wenn die Vliesbahn nachträglich einer biaxialen Verstreckung mit anschließender Thermofixierung unterworfen wird, ist bei vorgegebenem Flächengewicht die Festigkeit verbesserungsbe dürftig. Umgekehrt besteht bei vorgegebener Festigkeit das Bedürfnis, das Flächengewicht zu reduzieren.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, bei der Herstellung einer Vliesbahn aus thermoplastischen Poly merfilamenten in der fertigen Vliesbahn die Festigkeit zu erhöhen sowie die Dehnung und den Restschrumpf zu reduzieren. Anders ausgedrückt lautet das technische Problem, bei vorgegebener Festigkeit der herzustellenden Vliesbahn mit geringer Dehnung und geringem Restschrumpf das Flächengewicht zu reduzieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vliesbahn aus thermo plastischen Polymerfilamenten, welche Polymere zwei über molekulare Ordnungszustände, nämlich einen kristallitischen Zustandsbereich und einen amorphen Zustandsbereich, ausbilden, - mit den Merkmalen:

1.1) für die Erzeugung der Polymerfilamente wird ein Meltblown-Blaskopf verwendet, der einen Kunst stoff-Führungskern und zumindest eine Reine von Düsenbohrungen für den Austritt der Polymer schmelze in Form von Polymerströmen aufweist sowie mit Blasluft-Flächenstrahlen im Bereich der Mündungen der Düsenbohrungen arbeitet, und der Meltblown-Blaskopf wird so betrieben, daß lange Polymerfilamente erzeugt werden,
1.2) die Mengenströme der Polymerströme und der Blasluftflächenstrahlen, die Geschwindigkeit der Blasluftflächenstrahlen sowie die Temperatur der Blasluft werden so gewählt, daß die einzelnen Polymerfilamente einen Filamentdurchmesser von unter 100 µm und einen Kristallinitätsgrad von unter 45% aufweisen,
1.3) die gemäß Merkmal 1.2) eingerichteten Polymer filamente werden auf ein kontinuierlich bewegtes Siebband abgelegt und dabei an den Kreuzungs punkten der Polymerfilamente stoffschlüssig mit Kreuzungsschweißstellen zu einer Vorprodukt-Vlies bahn vereinigt,
1.4) die gemäß Merkmal 1.3) eingerichtete Vor produkt-Vliesbahn wird auf eine Verstreckungs temperatur erwärmt und im Reckungsbereich von 100% bis 400% sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung, d. h. biaxial, verstreckt,
1.5) die gemäß Merkmal 1.4) verstreckte Vorprodukt- Vliesbahn wird bei einer Thermofixierungstemperatur, die höher liegt als die Verstreckungstemperatur, zur fertigen Vliesbahn thermofixiert,

mit den Maßgaben, daß die Verstreckung gemäß Merkmal 1.4) und die Thermofixierung gemäß Merkmal 1.5) so geführt werden, daß die Polymerfilamente in der fertigen Vliesbahn im Mittel einen Kristallinitätsgrad von zumindest 50% aufweisen. Der Kristallinitätsgrad soll vorzugsweise beachtlich größer, z. B. 75% oder 80% ausmachen. Es versteht sich, daß die Blasluftflächenstrahlen auch aus einer Reihe von eng nebeneinanderliegenden Düsenbohrungen als Einzelstrahlen austreten können, die sich zum Blasluftflächenstrahl ergänzen. Die Polymerfilamente befinden sich nach dem Verlassen des Meltblown-Blaskopfes hauptsächlich im amorphen Zustand. Sie weisen zwar eine Verstreckung auf, sie werden aber nicht mehr als angegeben in den kristallitischen Zustand überführt werden. Im Rahmen von Merkmal 1.3) kann auch mit einer Absaugung unter dem Siebband gearbeitet werden.

Nach bevorzugter Ausführungsform wird die Vorprodukt- Vliesbahn im Anschluß an das Merkmal 1.3) mit über die Vorprodukt-Vliesbahn in Längsrichtung und Querrichtung verteilten Punktschweiß-Strukturelementen mit einem Durchmesser von zumindest einem Millimeter versehen und dazu durch eine Kalanderanlage geführt.

Meltblown-Blasköpfe des im Merkmal 1.1) grundsätzlich beschriebenen Aufbaues sind in verschiedenen Ausführungs formen bekannt (vgl. unter anderem EP 0 377 926 A1 und DE 40 36 734 C1). Meltblown-Köpfe dienen im allgemeinen dazu, Vliesbahnen aus Polymerfibers, d. h. aus kurzen Poly merstapelfasern herzustellen, die für viele Anwendungs fälle, insbesondere, wenn es auf hohe Festigkeit der Vlies bahnen ankommt, mit Vliesbahnen aus Polymerfilament, d. h. aus sogenannten Endlosfasern, nicht vergleichbar sind und folglich für diese Anwendungen nicht geeignet sind. Die Erfindung geht von der bekannten Erkenntnis aus, daß mit einem Meltblown-Blaskopf auch Polymerfilamente hergestellt werden können (DE 26 52 789 A1). Es muß insoweit lediglich dafür gesorgt werden, daß beim Betrieb des Meltblown-Blas kopfes ein Zerblasen der aus den Düsenbohrungen austreten den Polymerströme zu Polymerfibers, d. h. zu kurzen Stapel fasern, nicht stattfindet. Das ist ein einfaches Problem der aerodynamischen Wechselwirkung der Polymerströme mit der flachstrahlförmig die Polymerströme gleichsam im Quer strom beaufschlagenden Blasluft und kann leicht eingerich tet werden. Die Erfindung geht von der weiteren Erkenntnis aus, daß überraschenderweise die Mengenströme der Polymer ströme, die Mengenströme der Blasluft in den Blasluft- Flächenstrahlen, die Geschwindigkeit der Blasluft-Flächen strahlen und die Temperatur der Blasluft so eingestellt werden können, daß die einzelnen Polymerfilamente einen Filamentdurchmesser sowie einen Kristallinitätsgrad aufwei sen, wie es im Merkmal 1.2) angegeben wurde. Überraschen derweise können diese Polymerfilamente sehr geringen Durch messers nichtsdestoweniger im Sinne des Merkmals 1.3) vliesbahnbildend abgelegt werden, und zwar ausreichend "selbstklebend", an den Kreuzungsschweißstellen. Die nach der Lehre der Erfindung unter Verwendung eines Melt blown-Blaskopfes hergestellten Polymerfilamente haben gegenüber den bekannten Maßnahmen sehr geringe Filament durchmesser, wie es das Merkmal 1.2) angibt. Nichtsdestoweniger kann ohne Bruch der Filamente und ohne Bruch der Kreuzungsschweißstellen die biaxiale Verstreckung mit hohem Reckverhältnis gemäß Merkmal 1.4) durchgeführt werden. - Im Ergebnis gelingt es, Vliesbahnen aus Polymerfilamenten herzustellen, die gegenüber den bekannten Produkten bei geringem Flächengewicht höhere Festigkeiten und geringere Dehnungen aufweisen und sehr schrumpfungsarm sind, die, anders ausgedrückt, gegenüber den bekannten Produkten bei vorgegebenen Festigkeiten geringere Flächengewichte aufweisen. Insoweit ist die durch die Erfindung erreichbare Ersparnis an Polymerwerkstoff beachtlich. Das alles gilt insbesondere dann, wenn die Vorprodukt-Vliesbahn, wie beschrieben, mit Punktschweiß- Strukturelementen versehen ist. - Es versteht sich, daß die fertige Vliesbahn einige Bruchstellen in den Polymerfila menten bzw. an den Kreuzungsschweißstellen aufweist. Die Anzahl dieser Bruchstellen läßt sich so gering halten, daß sie ohne Einfluß sind. Die erfindungsgemäß hergestellten Polymerfilamente weisen eine verhältnismäßig rauhe Ober fläche auf.

Bei der Verstreckung gemäß Merkmal 1.4) wird man so vor gehen, daß die Kreuzungsschweißstellen an den Kreuzungs punkten der Polymerfilamente praktisch unzerstört bleiben.

Es empfiehlt sich, bei der Verstreckung gemäß Merkmal 1.4) mit einer Verstreckungstemperatur im Bereich von 80° bis 150°C zu arbeiten. Es empfiehlt sich fernerhin, bei der Thermofixierung gemäß Merkmal 1.5) mit einer Thermofixie rungstemperatur im Bereich 180° bis 200°C zu arbeiten. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird die Thermofixierung gemäß Merkmal 1.5) mit Heißluft durch geführt und werden dabei die Oberflächen der Polymer filamente, zumindest bereichsweise, angeschmolzen. Diese Maßnahme erhöht die Bruchfestigkeit der Polymerfilamente. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren insgesamt so geführt, daß die Polymerfilamente in der fertigen Vliesbahn einen Kristallinitätsgrad von etwa 75% aufweisen. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird fernerhin so verfahren, daß die Punkt schweiß-Strukturelemente nichtdurchgeschweißte Schweiß trichter aufweisen, wobei diese Schweißtrichter durch die biaxiale Verstreckung gemäß Merkmal 1.4) gleichgezogen werden. Nichtdurchgeschweißte Schweißtrichter bezeichnet solche, in denen die Polymerfilamente noch als solche liegen oder erkennbar sind, die Bildung von gleichsam homo genen Polymerbereichen in den Punktschweiß-Strukturele menten also vermieden worden ist.

Im Rahmen der Erfindung kann die Verstreckung gemäß Merkmal 1.4) und Kann die Thermofixierung gemäß Merkmal 1.5) mit den im Patentanspruch angegebenen Maßgaben Inline durch geführt werden. Inline bedeutet, daß die Herstellung der Polymerfilamente, die Bildung der Vorprodukt-Vließbahn durch Ablegung der Polymerfilamente, die Verstreckung und die Thermofixierung in einer Anlage erfolgen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Verstreckung gemäß Merkmal 1.4) und die Thermofixierung gemäß Merkmal 1.5) mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen Offline durchzufüh ren. Offline bedeutet, daß diese Maßnahmen zu anderer Zeit und ggf. an einem anderen Ort erfolgen, als die Herstellung der Vorprodukt-Vliesbahn.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte fertige Vliesbahn kann sehr unterschiedliche Anwendungen und Verwendungen finden und kann dazu in bezug auf Flächengewicht, Festigkeit, Dehnung und Schrumpfverhalten entsprechend eingerichtet werden. Die fertige Vliesbahn kann auch als Bestandteil einer Verbundvliesbahn eingesetzt werden, die aus mehreren Vliesbahnschichten und Vliesbahnen unterschiedlichen Materials und/oder unterschiedlicher Struktur besteht.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Vliesbahn aus thermo plastischen Polymerfilamenten, welche Polymere zwei über molekulare Ordnungszustände, nämlich einen kristallitischen Zustandsbereich und einen amorphen Zustandsbereich, ausbilden, - mit den Merkmalen:

1. 1.1) für die Erzeugung der Polymerfilamente wird ein Meltblown-Blaskopf verwendet, der einen Kunst stoff-Führungskern und zumindest eine Reihe von Düsenbohrungen für den Austritt der Polymer schmelze in Form von Polymerströmen aufweist sowie mit Blasluft-Flächenstrahlen im Bereich der Mündungen der Düsenbohrungen arbeitet, und der Meltblown-Blaskopf wird so betrieben, daß lange Polymerfilamente erzeugt werden,
2. 1.2) die Mengenströme der Polymerströme und der Blasluftflächenstrahlen, die Geschwindigkeit der Blasluftflächenstrahlen sowie die Temperatur der Blasluft werden so gewählt, daß die einzelnen Polymerfilamente einen Filamentdurchmesser, von unter 100 µm und einen Kristallinitätsgrad von unter 45% aufweisen,
3. 1.3) die gemäß Merkmal 1.2) eingerichteten Polymer filamente werden auf ein kontinuierlich bewegtes Siebband abgelegt und dabei an den Kreuzungs punkten der Polymerfilamente stoffschlüssig mit Kreuzungsschweißstellen zu einer Vorprodukt-Vlies bahn vereinigt,
4. 1.4) die gemäß Merkmal 1.3) eingerichtete Vorprodukt- Vliesbahn wird auf eine Verstreckungstemperatur erwärmt und im Reckungsbereich von 100% bis 400% sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung, d. h. biaxial, verstreckt,
5. 1.5) die gemäß Merkmal 1.4) verstreckte Vorprodukt- Vliesbahn wird bei einer Thermofixierungstemperatur, die höher liegt als die Verstreckungstemperatur, zur fertigen Vliesbahn thermofixiert,

mit den Maßgaben, daß die Verstreckung gemäß Merkmal 1.4) und die Thermofixierung gemäß Merkmal 1.5) so geführt werden, daß die Polymerfilamente in der fertigen Vliesbahn im Mittel einen Kristallinitätsgrad von zumindest 50% aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorprodukt- Vliesbahn im Anschluß an Merkmal 1.3) mit über die Vorprodukt-Vliesbahn in Längsrichtung und in Querrichtung verteilten Punktschweiß-Strukturelementen mit einem Durchmesser von zumindest 1 mm versehen und dazu durch eine Kalanderanlage geführt wird, wobei im Anschluß daran die biaxiale Verstreckung gemäß Merkmal 1.4) sowie die Thermofixierung gemäß 1.5) durchgeführt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei bei der Verstreckung gemäß Merkmal 1.4) die Kreuzungs schweißstellen an den Kreuzungspunkten der Polymerfilamente praktisch unzerstört bleiben.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in der Aus führungsform mit Polymeren aus der Gruppe Polyamid, Poly ester, Polyethylen und Polypropylen, wobei bei der Verstreckung gemäß Merkmal 1.4) mit einer Reckung von etwa 300% gearbeitet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei bei der Verstreckung gemäß Merkmal 1.4) mit einer Ver streckungstemperatur im Bereich von 80° bis 150°C gearbei tet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei bei der Thermofixierung gemäß Merkmal 1.5) mit einer Thermo fixierungstemperatur im Bereich von 180° bis 200°C gear beitet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Thermofixierung gemäß Merkmal 1.5) mit Heißluft durch geführt wird und dabei die Oberflächen der Polymer filamente, zumindest bereichsweise, angeschmolzen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Punktschweiß-Strukturelemente mit nichtdurchgeschweißten Schweißtrichtern erzeugt werden und wobei diese Schweiß trichter durch die biaxiale Verstreckung gemäß Merkmal 1.4) flachgezogen werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Verstreckung gemäß Merkmal 1.4) sowie die Thermofixierung gemäß Merkmal 1.5) mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßgaben Inline durchgeführt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Verstreckung gemäß Merkmal 1.4) sowie die Thermofixierung gemäß Merkmal 1.5) mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßgaben Offline durchgeführt werden.