DE19829987A1 - Papiermaschinenbespannung - Google Patents

Abstract

Durch Beimischung von 1-10% TLCPs zu Polymermatrizen von Standard-Kunststoffen und Anwendung spezifischer Extrusions-Verarbeitungstechnologien, insbesondere einachsiges Verstrecken, werden Monofile für Preßfilze und Trockensiebe für Papiermaschinenbespannungen hergestellt, die hochorientierte Domänen in Reckrichtung aufweisen. Daraus resultieren erhöhte Längsfestigkeiten, Abriebsresistenz und Temperaturstabilität sowie verbessertes Alterungsverhalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Papiermaschinenbespannung aus Kunststofffasern und ein Verfahren zur Herstellung derselben. In modernen Papiermaschinen werden Bespannungen als Formiersiebe nach der Stoffaufbereitung, als Pressfilze für die mechanische Entwässerung, sowie in der Trockenpartie als Siebe eingesetzt. Solche Bespannungen müssen folgenden steigenden Anforderungen angepasst werden:

• - höhere Maschinengeschwindigkeiten, Anpressdrücke, Temperaturen sowie Füllstoffgehalte,
• - geringer werdende Flächengewichte,
• - höhere Anforderungen an die Papiereigenschaften sowie deren Gleichförmigkeit,
• - steigender Einsatz billigerer Faserrohstoffe und Sekundärfaserstoffe, die schwieriger zu verarbeiten sind.

Bei den Papiermaschinensieben, Nasspress-, Trockenfilzen und Sieben wurden deshalb eine Vielzahl von Entwicklungen realisiert; diese betreffen materialseitig vorwiegend:

• - den Einsatz von modifizierten synthetischen Fasern, z. B. als Flachfasern, Hohlfasern oder ummantelte Profile ausgebildet,
• - neue Webarten, Schaffung von zwei-, drei- und mehrlagigen Geweben sowie
• - stabilisierende chemische Nachbehandlungen mit dem Ziel, die Lebensdauer dieser technischen Produkte bei voller Funktionsfähigkeit zu erhöhen.

Zwei Mechanismen begrenzen die Lebensdauer der Papiermaschinenbespannungen im robusten Einsatz. Es sind dies einerseits die Verschleißerscheinungen an den eingesetzten synthetischen Fasern und andererseits die chemische und physikalische Alterung. Beide Wirkungen führen bei den Bespannungen zu anfänglichen Einbußen der Funktionsfähigkeit und Qualität bis hin zu späteren kompletten Ausfällen. Die Verschleißerscheinungen an synthetischen Papiermaschinensieben werden von der Zusammensetzung des Papierstoffs (Art, Menge und Kristallinität des Füllstoffs, Vorhandensein schabender und schneidender Teilchen), von der Rauhigkeit der Oberfläche stationärer Entwässerungselemente, von der Art des Siebmaterials (Polyamid ist fester als Polyester) und von der Webart des Siebes beeinflusst. Die Alterungsprozesse sind einerseits von der Materialbeschaffenheit und andererseits von zahlreichen äußeren Einflüssen abhängig, wobei letztere meist chemische Reaktionen verursachen. Im Material selbst können Polymerisations- oder Polykondensationsprozesse noch nicht abgeschlossen sein, zuweilen ändert sich das Gefüge durch Lösen von Nebenvalenzbindungen, nimmt der molekulare Ordnungszustand (Kristallinität) zu, gleichen sich innere Spannungen infolge extremer molekularer Orientierung oder instabiler Dichteverteilung aus, kommt es bei Mehrkomponentenmaterialien zu Entmischungen, lagern sich Oligomere auf der Faseroberfläche ab (z. B. Polyester) kommt es zur Wanderung und zum Austritt von Weichmachern (Polyacryl, Polyvinylchlorid), ändern sich Länge und Dicke der Fasern v. a. Die Eigenschaftsänderungen von Fasern im Sinne eines Alterungsvorganges verteilen sich in ihrer Wirkung keineswegs gleichmäßig über einen bestimmten Zeitabschnitt. Die Eigenschaftsveränderungen vorwiegend physikalischer Natur sind zu Beginn am größten und klingen allmählich ab. Die vorwiegend chemisch verursachten Alterungsvorgänge, die meist wesentlich stärker als die physikalischen in Erscheinung treten, beziehen sich auf stoffliche Veränderungen des Bespannungsmaterials mit dem Abbau der Kettenmoleküle bzw. Verminderung der Molekularmasse. Ausgelöst werden die Vorgänge durch Temperaturveränderungen, Licht, Feuchte, Luftsauerstoff, Chemikalien, ionisierende Strahlung, Mikroorganismen v. a. Dazu kommen ggf. die Einflüsse von Begleitsubstanzen (Titandioxid, Eisensalze, Farbstoffe, Lichtstabilisatoren, Kunstharze, Fluoreszenzfarbstoffe u. a.) und Verunreinigungen, die diese Vorgänge beschleunigen oder verzögern können.

Pressfilze und Trockensiebe werden heute fast ausschließlich aus Standard-Polymeren wie Polyamide und Polyester hergestellt. Für diese Rohmaterialien sind zahlreiche Möglichkeiten zur Verbesserung der chemischen Beständigkeit, Hydrolyseschutz (Carbodiimide), UV- Stabilisierung, Schutz gegen oxidativen und chemischen Angriff (Einbau von Radikalfängermolekülen) u. a. m. vorgeschlagen worden. Die Schutzmaßnahmen sind entweder relativ unwirksam, wenig selektiv oder ermüden rasch mit der Zeit.

Die Bespannungshersteller haben deshalb nach anderen Rohmaterialien gesucht, mit denen die vorstehend beschriebenen negativen Erscheinungen zu vermeiden wären. Wenn man auf die Vorteile der Monofilamente bzw. Monofile nicht verzichten will, bietet sich die Verwendung der relativ unscharf definierten Gruppe der Hochleistungspolymere an. Es sind dies v. a. PPS, PEEK, PEN, PSU, PAR, PJ, PAJ, PMJ, PPTA, PEA. Von diesen vorstehend aufgeführten Produkten sind zum Teil hervorragende Eigenschaften bekannt, z. B. Hydrolysestabilität oder Abriebsverhalten. So wird beispielsweise Polyphenylensulfid in Positionen eingesetzt, in denen Polyestertrockensiebe nicht mehr den thermischen und hydrolytischen Anforderungen genügen. Dies trifft insbesondere auf Kartonmaschinen zu. Versuche mit Polyetherketonsieben zeigen zwar die Eignung dieses Hochleistungspolymers. Einer verstärkten Anwendung von solchen Hochleistungspolymeren steht jedoch ein enormer Rohstoff- sowie Fertigproduktpreis entgegen. Diese Preise erklären sich nicht nur aus der Rohstoffsynthese sowie der Primärverarbeitung der Filamente, auch ihre Einarbeitung in die jeweiligen Strukturen der Preßfilze und Trockensiebe bewirkt höhere spezifischen Kosten der Fertigungstechnologie.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Bespannungsmaterial anzubieten, das die Gebrauchswertanforderungen mindestens ebensogut erfüllt, jedoch von der Wirtschaftlichkeit ungleich günstigere Kostenrelationen aufweist.

Diese Aufgabe erfüllt eine Papiermaschinenbespannung aus Kunststofffasern mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Hergestellt wird die erfindungsgemäße Bespannung durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 8.

Thermotrope Systeme von Flüssigkristallinen Polymeren (TLCPs) sind Polymere, welche als Schmelze die Eigenschaften von flüssigen Kristallen aufweisen und meistens aus stabförmigen, starren Molekülketten oder Kettenteilen, die durch flexible Segmente verbunden sind, bestehen. Die außergewöhnlichen mechanischen Festigkeiten der aus Schmelzen gesponnenen Fasern von TLCPs basieren auf einem hohen Orientierungsgrad der Polymermoleküle, parallel zur Faserachse. Werden TLCPs mit Standardpolymeren gemischt, so können gezielt die Fasereigenschaften modifiziert werden. Beim Einbau von TLCPs in Matrixpolymere wie z. B. Polyamid, Polyester, Polyethylennaphthalat v. a., unter kontrollierten Extrusions- und Reckbedingungen, werden mikromorphologische Strukturen aufgebaut, die bei erhöhter Fibrillierung überraschend hohe physikalisch­ mechanische Eigenschaften aufweisen. Des Weiteren lassen sich auf diesem Weg die Grenzflächeneigenschaften von Fasern ebenso verbessern wie ihre Temperaturbeständigkeit, ihre Dimensionsstabilität und ihre Alterungsbeständigkeit.

Die als flüssigkristalline Polymere bevorzugten Verbindungen weisen das folgende Strukturelement auf:

Das Mittelstück -X- trägt beiderseits die aromatischen Ringe, die ihrerseits in p-Stellung die Flügelgruppen R, R', nämlich Alkyl-Ketten, Alkylen-Ketten, Alkoxy-Ketten, Carbonsäureester-Ketten, Cyano-, Halogen-Substituenten u. dergleichen) tragen. Die Mittelgruppen -X- sind bevorzugt -CH=CH-, -C∼C-, -CH=NO-, -N=N-, -N=NO-, -(CO)-O-, -NH-CO, -CH=N-.

Der flüssigkristalline Zustand ist vorzugsweise bei Substanzen zu beobachten, deren Moleküle gestreckt, verhältnismäßig gerade und häufig auch abgeflacht sind; diese Form begünstigt ihre parallele Anordnung. Es ist allerdings nicht so, daß alle stäbchenförmige Moleküle Flüssigkristalle bilden müssen, denn ihre Seitenketten spielen dabei eine wesentliche Rolle. Für die Eigenschaften der Flüssigkristalle sind jedoch nicht nur die Konstitution der Einzelverbindungen von Bedeutung, sondern vor allem deren räumliche Anordnung innerhalb der Phasen.

Strukturmerkmal nematischer Phasen ist eine Parallelorientierung der Molekülachsen. Den Molekülen fehlt jedoch die laterale Kohäsion, so daß es nicht zu einem schichtförmigen Aufbau wie bei den smektischen Phasen kommt, sondern die Moleküle können frei aneinander vorbeigleiten. In der Schmelze zeigen die Polymerketten aufgrund dieser flüssigkristallinen Struktur eine hohe Ordnung. Die nematischen Phasen bilden fadenförmige Strukturen, die im Rahmen der Erfindung bevorzugt werden. Um die Fibrillenstrukturelemente zu begünstigen, wird das TLCP in einer Menge von 1-10 Gew.-% (bezogen auf das Gemisch) und vorzugsweise 2-7 Gew.-% eingesetzt. Diese besondere Morphologie bewirkt eine Reihe außergewöhnlicher Eigenschaften:

• - sehr gute mechanische Eigenschaften in Fließrichtung,
• - sehr hohe Dimensionsstabilität, insbesondere ungewöhnlich niedriger linearer Längenausdehnungskoeffizient in Fließrichtung, geringe Verarbeitungsschwingung,
• - wanddicken- und richtungsabhängige Unterschiede in den Eigenschaften von Formkörpern,

TLCP-Schmelzen erstarren sehr schnell. Daraus resultieren:

• - extrem gute Fließfähigkeit,
• - gratfreie Formteile und
• - kurze Zykluszeiten.

Die aromatischen Monomerbausteine (der meisten TLCPs) gewährleisten:

• - hohe Wärmeformbeständigkeit und Gebrauchstemperatur sowie sehr gute Lötbeständigkeit (auch beim IR-Löten),
• - hohe Chemikalienbeständigkeit,
• - inhärente Flammwidrigkeit.

Als eine sehr wichtige Eigenschaft sei der Schubmodul als Funktion der Temperatur mit seinem fast linearen und weitreichenden Verlauf im Vergleich zu teilkristallinen Polymeren erwähnt.

TLCPs sind üblicherweise schlecht mit Standardkunststoffen mischbar. Polyblends mit TLCPs weisen daher ohne entsprechende Modifizierung eine geringe Phasenanbindung der Blendpartner auf. Bei Mischungen aus TLCPs und herkömmlichen Polymeren hängt die Morphologie der Mischung ab vom Typ der entsprechenden TLCPs sowie der herkömmlichen Polymere, dem Verhältnis der Viskositäten der beiden Polymere, dem Schergrad der Mischungszusammensetzung und der Verwendung von Zwischenphasen- Kompatibilisierungsmitteln. Vorzugsweise werden dem Polyblend zusätzlich 1-3 Gew.-% Verträglichkeitsvermittler zugesetzt.

Bei der Herstellung von Fasern aus TLCPs/herkömmlichen Polymer-Mischungen mit Verträglichkeitsvermittlern, durch Schmelzeextrusion mit einem Schneckenextruder, schmelzen beide Polymere und bilden eine Schmelzmischung. Aufgrund der geringen Kettenverschlingung hat die TLCP-Schmelze eine niedrige Viskosität. Bei der Weiterverarbeitung von TLCP- Blends zum Endprodukt wird sehr maßgeblich die eigenschaftsprägende Morphologie der Produkte festgelegt. Als optimal erweist sich die Herstellung der Blends in gleichlaufenden Doppelschneckenextrudern. Bei richtiger Auslegung und angepaßtem Schneckendesign ist das homogene Vermischen der Komponenten bereits am Extruderaustritt, d. h. vor Eintritt in die Schmelzepumpe abgeschlossen. Die Zerkleinerung der TLCP-Phase zur Bildung einer TLCP- Dispersion ist dabei hauptsächlich auf die Scherenwirkung zurückzuführen. Wenn die Polymermischung bei richtiger Prozeßführung den Extruder, die Schmelzepumpe sowie den nachgeschalteten Schmelzefilter passiert hat, liegt die TLCP-Phase in gut dispergierten Partikeln am Spinndüseneingang vor.

Die konvergierende Kraft am Spinndüseneingang verformt die TLCP-Partikel zu langen und dünnen Fibrillen, die am Spinndüsenausgang feststellbar sind. Die Fibrillenstruktur kann verbessert werden durch ein entsprechend hohes Reckverhältnis. Entscheidend ist, daß auch die axiale Orientierung der TLCP-Moleküle und -Molekülverbände während des folgenden Reckvorganges der hauptsächlich teilkristallinen Matrixpolymere erhalten bleibt und sich als Orientierungshilfe im molekularen Maßstab erweist. Die Verstreckung stellt einen tiefgreifenden Eingriff in die Fasermorphologie dar. Liegt ein teilkristallines und geringfügig vororientiertes Blend vor, so erfolgt der Streckprozess durch eine partielle Zerstörung dieser lamellaren Struktur bei gleichzeitiger Umwandlung in ein neues fibrilläres System durch Verdrehung, Verdrillung, Abgleitprozesse und Scherung entlang der Kristallachsen.

Der funktionelle Einfluß der TLCPs liegt darin, daß die stäbchenförmigen TLCP-Moleküle bereits vororientiert am Beginn der Reck-Kinetik zwischen den Kristallblöcken liegen, sich beim Übergang von den Lamellen zu den Fibrillen parallel zwischen den letzteren einordnen, um letztlich zwischen den ausgebildeten Fibrillenpaketen in den interfibrilären Räumen, in Reckrichtung orientiert, entsprechend Platz finden. Die Anordnung der Moleküle in der Grenzschicht überträgt sich durch Dispersionswechselwirkung auf die inneren Moleküle.

Nach dem Verstreckungsvorgang liegen die Querschnittsflächen der erfindungsgemäßen Monofile allgemein zwischen 0,007 mm bis 1,2 mm² und insbesondere 0,02 mm² bis 0,3 mm². Sie können im Querschnitt rund, mit Durchmessern von allgemein 0,1-1,2 mm und insbesondere 0,15-0,6 mm geformt werden, können aber auch andere Querschnittsprofile aufweisen.

Die derart hergestellten, mit TLCP-Fibrillen verstärkten Monofile weisen eine erheblich höhere Festigkeit und Module als herkömmliche Fasern auf. Ihre Thermostabilität liegt deutlich über der von Monofilen, die lediglich aus den Standardpolymeren allein hergestellt worden sind. Hervorragende Alterungsbeständigkeit, Dimensionsstabilität und überraschend gutes Abriebsverhalten charakterisieren weiterhin derartige Monofile und machen sie für den Einsatz in Preßfilzen und Trockensieben der Papiermaschinenbespannung - auch aus Kostengründen - sehr geeignet.

Claims (9)

1. Papiermaschinenbespannung aus Kunststofffasern, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Fasern aus einem Kunststoffgemisch besteht, das zwischen 90 und 99 Gew.-% eines Standard Polymers und zwischen 1 und 10 Gew.-%, vorzugsweise 2-7 Gew.-% eines flüssigkristallinen Polymers enthält

2. Papiermaschinenbespannung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ihr Grundgewebe aus Monofilen besteht, und dass wenigstens ein Teil der genannten Monofile aus dem genannten Kunststoffgemisch besteht.

3. Papiermaschinenbespannung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das genannten flüssigkristalline Polymer Molekülgruppierungen der Formel
wobei X gleich O-(CO), NH-CO, CH=CH, CH=N, CH=N= , N=NO, N=N oder C∼C ist, und R und R' Alkyl-, Alkylen-, Alkoxy-, Carbonsäureesther- oder Cyanogruppen sind, enthält.

4. Papiermaschinenbespannung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Standardpolymer aus der Gruppe, die aus PPS, PET und PA besteht, ausgewählt wird.

5. Papiermaschinenbespannung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte flüssigkristalline Polymer aus der Gruppe der LC Hauptkettenpolymere ausgewählt wird.

6. Papiermaschinenbespannung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Kunststoffgemisch zusätzlich 1 bis 3 Gew.-% Verträglichkeitsvermittler enthält.

7. Papiermaschinenbespannung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Monofil aus dem genannten Kunststoffgemisch eine durch Verstrecken veränderte morphologische Struktur aufweist.

8. Verfahren zur Herstellung einer Papiermaschinenbespannung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung aus einem Standardpolymer und einem flüssigkristallinen Polymer in einem Schneckenextruder zu einer Schmelzmischung geschmolzen wird und dass die Schmelzmischung über eine Spinndüse zu Monofilen verformt wird, und dass die Monofile zu einem Grundgewebe einer Papiermaschinenbespannung gewoben werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Schmelzmischung zu Monofilen von Querschnitten zwischen 0,007 mm² bis 1,2 mm² geformt werden und einem ein- oder mehrstufigen Reckvorgang unterworfen werden.