DE2208921B2 - Vorrichtung zur Herstellung von Kurzfasern aus einer thermoplastischen Kunststoff schmelze - Google Patents
Vorrichtung zur Herstellung von Kurzfasern aus einer thermoplastischen Kunststoff schmelzeInfo
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Description
35
Es sind zahlreiche Verfahren zur Herstellung von Stapelfasern und Kurzfasern bekannt. Bei den aerodynamischen
Spinnverfahren werden Gase, meist Luft oder Dämpfe, als Hilfsmedium verwendet. Bei den
Spinnverfahren unterschiedet man einerseits Verfahren zur Herstellung von Fäden oder monofilen Endlosgarnen,
die praktisch konstante Durchmesser haben, und andererseits unkonventionelle Verfahren zur Herstellung
von Kurzfasern oder Fibrids, die in ihren Durchmessern und Längen ein Spektrum aufweisen. Zu diesen
unkonventionellen Spinnverfahren gehört das der Erfindung zugrundeliegende Verfahren.
Bei den bekannten Verfahren wird der Kunststoff entweder in einem Schneckenextruder oder in einem
unter Druck stehenden Schmelzgefäß aufgeschmolzen und durch beheizte Rohrleitungen zur Stelle der Zerfaserung
gefördert. Dort wirkt Gas oder Dampf mit hoher Geschwindigkeit unter einem Winkel auf die au*
Düsenöffnungen austretende Schmelze ein.
Weiter ist bekannt, Kurzfasern aus Polymeren herzustellen,
indem man die Polymerlösungen unter hohem Druck durch enge Düsenöffr.ungen preßt.
Aus, der DT-OS 19 34 541 und der OE-PS 2 49 850 sind z. B. Vorrichtungen für die Herstellung von Stapelfasern
aus thermoplastischen Kunststoffen bekannt, bei denen vermittels zweier Hilfsgasströme eine Schmelze
beim Austritt aus der Düsenmischung zerfasert wird.
Ferner kann man Kurzfasern über eine Fällung herstellen.
Die in geeigneten Lösungsmitteln gelösten Polymeren werden durch Zugabe von einem Nichtlöser
aus ihrer Lösung ausgefällt und im Moment des Ausfällens Scherkräften unterworfen.
Ein anderer Weg ist die Grenzflächenkondensation, indem man das dabei entstehende Polymere in Form
eines hauchdünnen Films abzieht und durch starke Rührung in einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, zerfasert
Polyolefin-Fasern kann man während einer Fallungspolymerisation
in statu nascendi erzeugen, wenn die Polymerisation mit einer relativ hohen Reaktionsgeschwindigkeit
in einem geeigneten Lösungsmittel und in Gegenwart eines Koordinationskatalysators und unter
Einwirkung einer Scherspannung durchgeführt wird.
Eine weitere Möglichkeit, kurzfaseriges Material oder Faserbrei herzustellen, besteht darin, eine Folie
auf Basis von kristallinen Polyolefinen uniaxial zu rekken. durch Einwirkung äußerer mechanischer Kräfte,
z. B. durch Behandlung mit gerillten Walzen, zu zerfasern und die Fasern dann in Stücke zu schneiden. Nach
einer Variante des Verfahrens wird das nach der Rekkung erhaltene, orientierte Folienmaterial zerschnitten
und dann in wäßrigem Medium vermählen.
Alle diese bekannten Verfahren haben zum Ziel, Kurzfasern, sogenannte Fibrids, herzustellen. Die Fibrids
sind hinsichtlich ihrer Größe und meist auch hinsichtlich ihrer Form verschieden voneinander. Sie können
faserfcvmig und/oder bandförmig ausgebildet sein. Man kennt aber auch filmanige Formen. Meist besitzen
Fibrids Ausfransungen. Widerhäkchen und/oder gewebeartige Strukturen, die die Einzelteilchen miteinander
verbinden. F.s wird meist angestrebt - je nach Verwendungszweck —, daß solche Fibrids hinsichtlich ih
rer Morphologie und Größe natürlichen Fasern gleichen. Für die Papierherstellung müssen sie gemahlenem
Zellstoff ähnlich sein.
Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind jedoch nicht frei von Nachteilen, sei es. daß neben den
Fasern pulver- oder krümeiförmige Teilchen entstehen; sei es, daß große Mengen an gasförmigem Hilfsmedium
je Fasermenge erwärmt und verbraucht werden; daß die hergestellten Fasern ein breites Faserspektrum aufweisen;
daß mit Lösemitteln gearbeitet wird, die anschließend aufgearbeitet werden müssen und Abwasserprobleme
nach sich ziehen; oder sei es, daß Verfahren durch nohen apparativen Aufwand wirtschaftlich in
Frage gestellt sind.
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter weitgehender Vermeidung
der genannten Nachteile eine Vorrichtung zur Herstellung von Kurzfasern (Fibrids) aus thermoplastischen
Kunststoffen, die apparativ einfach und störunanfällig
ist und ein Verspinnen direkt aus der Schmelze ermöglicht, zu entwickeln.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhält man auf sehr einfache Weise Kurzfasern aus thermoplastischen
Kunststoffen durch Extrudieren von Schmelzen aus Düsen, wobei die Zerfaserung der aus
der Düsenöffnung kontinuierlich austretenden Schmelze mit einer Flüssigkeit durch Einwirkung von Schubspannungen
auf kleinem Volumen erfolgt, indem man die zu zerfasernde Schmelze in eine Zone hoher Energiedissipation
bringt und dadurch nach einem Durchgang vollständig in die gewünschte Fasergröße zerteilt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die technische Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutern die F i g. 1 und 2. Nach Fi g. 1 ist
die Düse in einen größeren Behälter eingebaut. Zur besseren Übersicht sind jedoch die Düse und das Rohr
3 im Vergleich zum Behälter 4 vergrößert dargestellt. Es bedeuten: 1 zentrale Düsenöffnung für die Flüssig-
fceit 2 Austrittsöffnung für die Schmelze, 3 Rohrimpulslustauschraum,
4 Behälter, 5 Zuführung für die Flüssigleite Zuführung für die Schmelze.
F i g. 2 zeigt eine Vorrichtung, bei der man auf einen
croßen Behälter verzichten kann. 7 stellt darin die Zu-{jjhrung
für die langsamer fließende Flüssigkeit dar. Die Zerfaserung erfolgt hierbei im Rohr 3, das als ImpulsjBistauschraum
wirkt
Besonders vorteilhafte Ergebnisse beim Zerfasern der Schmelze werden erzielt, wenn ein oder mehrere
Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von 10 bis 100 m/s durch Düsen in den Impulsaustauschraum des
mit Flüssigkeit gefüllten Behälters eingeleitet werden. so daß sie das Rohr 3 gemeinsam mit der relativ langsam
bewegten Behälterflüssigkeit durchwandern.
Das Rohr 3 s;elli einen Impulsaustauschraum dar, weil der Gesanuimpuls der Treibstrahlen praktisch innerhalb
dieses Raumes, also auf kleinem Volumen, umgesetzt wird.
Durch diese Anordnung von Flüssigkeitsdüsen und Impulsaustauschraum in einem größerem Behälter wird
die Behälterflüssigkeit nicht wie beim Freistrahl längs des Strahlweges angesaugt, sondern die nach dem Impulssatz
geforderte Menge muß durch den Eintrittsquerschnitt des Impulsaustauschraumes eintreten.
Führt man die Kunststoffschmelze durch die Düsen-Öffnungen
derart zu, daß sie einerseits in Form von Schmelzsträngen oder flächig ausgebreitet wird und
andererseits zwischen die mit hoher Geschwindigkeit treibenden Flüssigkeitsstrahlen und die angesaugte
Flüssigkeit gelangt, so wird die Schmelze mit einem Schergefälle beaufschlagt, das zur Zerfaserung führt.
Als Kunststoffe kommen alle zur Faserherstellung beKannten und geeigneten Materialien in Betracht, die
je nach Verwendungszweck der daraus hergestellten Fibrids im Bereich niedriger bis hoher Molekulargewichte
liegen können, z. B. Polyolefine, wie Polyäthylen oder Polypropylen und deren Wachse und Wachsverschnitte.
Polyamide, Polyester, Polyvinylchlorid und Polystyrol.
Die Schmelze wird über ein unter Druck stehendes Schmelzgefäß oder über einen Extruder der Düse zugeführt.
Je nach Art der verwendeten Thermoplasten können die Schmelzen unterschiedliche Temperaturen
haben. Zur Anwendung kann der gesamte Temperaturbereich zwischen dem Schmelzpunkt und der ohne chemische
Veränderung höchstmöglichen Schmelzentemperatur gelangen.
Zweckmäßig sind Schmelzentemperaturen nahe der oberen Grenze zur Erzielung möglichst geringer Viskosität.
Der notwendige Schmelzendruck richtet sich nach der Temperatur der Schmelze und nach der Düsengeometrie.
Als Hilfsmedium zur Zerfaserung werden im allgemeinen inerte Flüssigkeiten, vorteilhaft Wasser, verwendet.
Der Einsatz von Wasser wirkt sich insofern günstig aus, als Wasser gegenüber Luft eine um den
Faktor 103 größere Dichte hat. Das bedeutet zur Erzielung
eines bestimmten Impulses eine entsprechende Verminderung des Volumens bzw. der Geschwindigkeit
des Wassers. Das Wasser wird im Kreislauf gefahren, wobei die Fibrids mittels Sieb abgenommen werden,
und verursacht praktisch keine Abwasserprobleme. Die Wassertemperatur richtet sich nach der Temperatur
der Kunststoffschmelze und nach der Art und Größe der herzustellenden Fibrids, da das Wasser die Thermoplastenschmelze
kühlen und damit die Fibrids in ihrer Form fixieren muß. Die Geschwindigkeit des austretenden
Wüssertreibstrahles ist abhängig vom erforderlichen Schergefälle und von der gewünschten Faserstruktur,
wird damit also wieder von der Temperatur und Zähigkeit der Schmelze beeinflußt
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können verschiedene Typen von Kurzfasern erzeugt werden. Je nach Fahrweise und eingesetztem Kunststoff unterscheidet sich die Kurzfaser in ihrer Struktur und Größe. Ihr Aussehen reicht von feinster, pulverförmiger Beschaffenheil bis hin zu Wattecharakter. Die obere Grenze der Faserlänge betfägt dac> lf^fache des Faserdurchmessers.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können verschiedene Typen von Kurzfasern erzeugt werden. Je nach Fahrweise und eingesetztem Kunststoff unterscheidet sich die Kurzfaser in ihrer Struktur und Größe. Ihr Aussehen reicht von feinster, pulverförmiger Beschaffenheil bis hin zu Wattecharakter. Die obere Grenze der Faserlänge betfägt dac> lf^fache des Faserdurchmessers.
Durch die Betriebsbedingungen und die spezielle Gestaltung der Zerfaserungsvorrichtung läßt sich das
Faserspektrum variieren. Da der Impuls- und Energieaustausf-h
auf sehr engem Raum stattfindet, ist das Faserspektrum im allgemeinen klein.
Ein Polyäthylenwachs mit einem mittleren Molekulargewicht von 3000 und einem Schmelzpunkt von
etwa 95°C wird in einem unter Druck stehenden Schmelzgefäß aufgeschmolzen und durch eine beheizte
as Rohrleitung der Zerfaserungsvorrichtung zugeführt.
Die Schmelzentemperatur an der Düse beträgt 150°C,
die Zähigkeit der Schmelze etwa 3 Poise. Der Förderdruck der Wachsschmelze ist 2 at. Das Wasser hat im
Treibstrahl eine Geschwindigkeit von 37 m/s, sein Vordruck beträgt 7 at und wird von einer Pumpe aufgebracht.
Das Wasser enthält ein Antistatikum in einer Konzentration von 0,3 g/l und hat eine Temperatur von
8O0C.
Man erhält mikrofeine Fasern, die äußerlich in ihrer Gesamtheit Pulvercharakter haben. Die Fasern sind kaum verästelt und verhalten sich praktisch nicht klumpend. Die Faserdurchmesser liegen zwischen 4 und 25 μηι, die Faserlängen zwischen 5 und 500 μίτι.
Man erhält mikrofeine Fasern, die äußerlich in ihrer Gesamtheit Pulvercharakter haben. Die Fasern sind kaum verästelt und verhalten sich praktisch nicht klumpend. Die Faserdurchmesser liegen zwischen 4 und 25 μηι, die Faserlängen zwischen 5 und 500 μίτι.
Ein Polyäthylenwachs mit einem mittleren Molekulargewicht von 6000 und einem Schmelzpunkt von
etwa 100°C wird wie in Beispiel 1 aufgeschmolzen und
♦5 der Zerfaserungsvorrichtung zugeführt. Die Schmelzentemperalur
an der Düse beträgt 130°C, die Zähigkeit der Schmelze etwa 6 Poise. Der Förderdruck der
Wachsschmelze ist 2 at. Die Wassergeschwindigkeit im Treibstrahl beträgt 15 m/s, der Wasserdruck 2 at.
Das Wasser enthält ein Antistatikum der im Beispiel 1 angegebenen Konzentration und hat eine Temperatur
von 80° C.
Die hergestellten Fibrids sind sehr fein und deutlich verästelt; dadurch kommt es zu gegenseitigen Verhakungen
und Zusammenlagerungen. Der Fasercharakter ist ohne optisches Hilfsmittel erkennbar. Die Faserdurchmesser
liegen zwischen 25 und 125 μιη, die Faserlängen
zwischen 75 und 1250 μη").
Ein Wachsverschnitt auf Basis Polyäthylen mit einem Schmelzpunkt von etwa 95°C wird wie im Beispiel 1
aufgeschmolzen und der Zerfaserungsvorrichtung zugeführt. Die OJ.melzentemperatur an der Düse beträgt
150°C, die Zähigkeit der Schmelze etwa 3 Poise. Der Förderdruck der Wachsschmelze ist 2 at. Die Wassergeschwindigkeit
im Treibstrahl beträgt 30m/s, der Was-
servordruck 5 at, die Wassertemperatur 6O0C.
Die hergestellten Fibrids sind gemahlenem Zellstoff sehr ähnlich, zum Teil stark gespleißt und verästelt und
deshalb untereinander verfilzend. Die Faserdurchmesser liegen zwischen 25 und 75 μσι, die Faserlängen zwischen
500 und 1500 μΐη.
Ein Wachsverschnitt wie im Beispiel 3 beschrieben wird in gleicher Weise der Zerfaserungsvorrichtung zugeführt.
Die Betriebsbedingungen werden gegenüber Beispiel 3 etwas abgewandelt. Die Schmelzentemperatur
an der Düse beträgt 17O0C, die Zähigkeit der Schmelze etwa 2 Poise.
Der Förderdruck der Wachsschmelze ist 1,5 at, die Wassergeschwindigkeit im Treibstrahl beträgt 20 m/s,
der Wasservordruck 3 at, die Wassertemperatur 600C.
Die gewonnenen Fibrids sind feiner und durchschnittlich langer als in Beispiel 3 und sehen Watte sehr
ähnlich. Die Faserdurchmesser liegen zwischen 25 und 40 μίτι, die Faserlängen zwischen 500 und 1000 μίτι.
Ein Wachsverschnitt auf Basis Polyäthylen mit einem Schmelzpunkt von etwa 120°C wird wie im Beispiel 1
aufgeschmo'zen und der Zerfaserungsvorrichtung zugeführt.
Die Schmelzentemperatur an der Düse beträgt 155° C, die Zähigkeit der Schmelze etwa 500 Poise. Der
Förderdruck der Wachsschmelze ist 2 at, die Wassergeschwindigkeit im Treibstrahl 25 m/s, der Wasservordruck
4 at, die Wassertemperatur 900C.
Die erhaltenen Fasern sind fein und lang und haben den Charakter von Haar. Die Faserdurchmesser liegen
zwischen 50 und 250 μπι, die Faserlängen zwischen 3 und 250 mm.
In den Beispielen 1, 2, 4 und 5 wird die Schmelze durch öffnungen 2 eingeführt, die auf einem Lochkreis
rings um die zentrale Düsenöffnung 1 sitzen, während im Beispiel 3 die Schmelze durch Öffnungen 2 eingeführt
wird, die in Form von Schlitzen konzentrisch zur
»o zentralen Düsenöffnung 1 angeordnet sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Vorrichtung zur Herstellung von Kurzfasern aus einer thermoplastischen Kunststoffschmelze mit
einer Düse, welche eine zentrale Düsenöffnung für die Zuführung einer Flüssigkeit und konzentrisch
um die zentrale Düsenöffnung angeordnete öffnungen für die Zufuhr der Kunststoffschmelze aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Düse in
einen mit Flüssigkeit gefüllten Behälter (4) hineinragt, in weichem in Richtung der Düsenachse ein
Rohr (3) in geringem Abstand von der Düse zur Aufnahme der aus der zentralen Düsenöffnung (1)
austretenden Flüssigkeit und der aus den öffnungen (2) austretenden Kunststoffschmelze angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3) die Form eines Zylinders
oder eines Kegelstumpfes hat.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- ao zeichnet, daß der Durchmesser der tintrittsöffnung
des Rohres (3) das 2- bis 20fache des Durchmessers der zentralen Düsenöffnung (1) und die Länge des
Rohres (3) das 2- bis 30fache seines mittleien
Durchmessers betragen. »5
4. Vorrichtung; nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (2) für die
Kunststoffschmelze auf einem Lochkreis rings um die zentrale Düsenöffnung (1) sitzen oder in Form
von Schlitzen konzentrisch zur zentralen Düsenöffnung (1) angeordnet sind.
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