DE2264876C3

DE2264876C3 - Verfahren zur Herstellung von Kurzfasern aus thermoplastischen Kunststoffen

Info

Publication number: DE2264876C3
Application number: DE19722264876
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 6710 Frankenthal Engler; Heribert Dr.-Ing. Kuerten; Otto Dr.-Ing. Nagel; Richard Prof. Dr.-Ing. 6904 Ziegelhausen Sinn; Werner 6800 Mannheim Weinle
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1972-02-25
Filing date: 1972-02-25
Publication date: 1978-06-29
Also published as: DE2264876A1; DE2264876B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kurzfasern, deren obere Grenze der Faserlänge das 100-fache des Faserdurchmessers beträgt, aus thermoplastischen Kunststoffen, wobei man auf eine aus einer Düsenöffnung kontinuierlich austretende Kunststoffschmelze eine Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit einwirken läßt.

Bei einem derartigen aus der DT-OS 19 34541 bekannten Verfahren wird die Kunststoffschmelze zunächst durch angesaugtes oder hilfsweise zugeführtes Gas abgekühlt und dann mit einem gasförmigen dampfförmigen oder flüssigen Hilfsmedium zerfasert. Die Kunststoffschmelze wird also zunächst mit einem gasförmigen Medium behandelt und anschließend erst zerfasert. Falls Wasser als Hilfsmedium verwendet wird, muß heißes Druckwasser verwendet werden. Dies bedeutet, daß Wasser mit Temperaturen angewendet werden soll, die nicht erheblich unterhalb des Erweichungspunkt des Kunststoffes liegen dürfen. Ein solches Verfahren bedarf eines erheblichen Aufwands, da zwei verschiedene Medien zur Behandlung erforderlich sind. Zusätzlich ist das Verfahren sehr energieintensiv und muß ggf. unter Druck durchgeführt werden.

Es war daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Herstellung von Kurzfasern (Fibrids) aus thermoplastischen Kunststoffen zu entwickeln, das apparativ einfach und störunanfällig ist und ein Verspinnen direkt aus der Schmelze ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß man die Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 100 m/sec zusammen mit der Kunststoffschmelze und angesaugter Flüssigkeit in eine Impulsaustauschzone leitet, deren mittlerer Durchmesser das 2- bis 20-fache des mittleren äquivalenten Düsendurchmessers und deren Länge das 2- bis 20-fache des hydraulischen Durchmessers der Impulsaustauschzone

beträgt

Es war nicht zu erwarten, daß die Scherkräfte

zwischen dem schnell geführten Flüssigkeitsstrahl und der Schmelze ausreichend sein würden, um bei dem hohen Wärmeübergang zwischen heißer Schmelze und Flüssigkeit in der kurzen Zeit zwischen Eintritt der Schmelze und deren Erstarren eine so feine Zerteilung in einem Durchgang zu erzielen.

Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht z.B. aus einer Zweistoff- oder Mehrstoffdüse, die in einen Behälterraum hineinragt, in dem ein gegenüber dem Behälterraum kleines Rohr als Impulsaustauschraum beliebigen Querschnitts in Richtung der aus den Düsenöffnungen austretenden Medien derart in geringem Abstand von der Düsenmündung auf der Düsenachse angebracht ist, daß dieses Rohr die aus den Düsenöffnungen austretenden Strahlen aufnimmt.

Ein oder mehrere Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von 10 bis 100 m/s, insbesondere 20 bis 50 m/s, werden durch Düsen in den Impulsaustauschraum des mit Flüssigkeit gefüllten Behälters eingeleitet so daß sie das zylindrische Rohr gemeinsam mit der relativ langsam bewegten Behälterflüssigkeit durchwandern. Durch den Flüssigkeitsstrahl wird umgebende Flüssigkeit in den Impulsaustauschraum angesaugt

Als Impulsaustauschraum wählt man zweckmäßig einen kleinen zylindrischen Rohrraum, weil der Gesamtimpuls der Treibstrahlen praktisch innerhalb dieses Raumes, also auf kleinem Volumen, umgesetzt wird. Der mittlere Durchmesser dieses Impulsaustauschraumes beträgt das 2- bis 20-fache des mittleren äquivalenten Düsendurchmessers und seine Länge das 2- bis 30-fache seines hydraulischen Durchmessers.
Die Kunststoffschmelze führt man durch Düsenöff-

J5 nungen kontinuierlich zu, wobei sie einerseits in Form von Schmelzsträngen oder flächig ausgebreitet wird und andererseits zwischen die mit hoher Geschwindigkeit treibenden Flüssigkeitsstrahlen und die angesaugte Flüssigkeit gelangt Hierbei wird die Schmelze mit einem Schergefälle beaufschlagt, das zur Zerfaserung führt.

Als Kunststoffe kommen alle zur Faserherstellung bekannten und geeigneten Typen in Betracht, die je nach Verwendungszweck der daraus hergestellten Fibrids im Bereich niedriger bis hoher Molekulargewichte liegen können, insbesondere geeignet sind Polyolefine, wie Polyäthylen und dessen Wachse und Wachsverschnitte. Aber auch Polyamide sind gut geeignet. Man kann aber auch Polyester, Polyvinylchlorid und Polystyrol verarbeiten.

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 Hilfsmedien zur Zerfassung 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 ¹O³ 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 to Wassertreibstrahles ist abhängig vom erforderlichen Schergefälle und von der gewünschten Faserstruktur, wird damit also wieder von der Temperatur und Zähigkeit der Schmelze beeinflußt

Der gesamte Zerteil- und Zerfaserungsvorgang findet in dem kleinen Impulsaustauschraum statt Man kann auf den größeren Behälter verzichten, wenn man den relativ langsam strömenden, aus dem Behälter angesauten Flüssigkeitsstrom mit einer Pumpe zuführt. Man verhindert auf diese Weise ein Rücksaugen von Flüsssigkeit einschließlich bereits fertiger Fibrids und erreicht ein definiertes Verweilzeitverhalten der Flüssigkeit im Impulsaustauschraum. Der Impulsaustauschraum hat im allgemeinen einen konstanten oder einen sich in Strömungsrichtung vergrößernden Querschnitt

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren 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 Beschaffenheit bis hin zu Wattecharakter. Die obere Grenze der Faserlänge beträgt das 10²-fache des Faserdurchmessers.

Durch die Betriebsbedingungen und die spezielle Gestaltung der Zerfaserungsvorrichtung läßt sich das Faserspektrum variieren. Da der Impuls- und Energieaustausch auf sehr engem Raum stattfindet, ist das Faserspektrum im allgemeinen klein.

Von besonderer Bedeutung ist das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung von Fasern aus Kunststoffen, die aus Lösung heraus wegen Schwerlöslichkeit nicht in diesen freien Verteilungsgrad gebracht werden können z. B. auch halogenierte Produkte.

B e i s ρ i e I 1

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 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 80° C.

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.

Beispiel 2

Ein Polyäthylenwachs mit einem mittleren Molekulargewicht von 6000 und einem Schmelzpunkt von etwa 100°C wird wie in Beispiel 1 aufgeschmolzen und der Zerfaserungsvorrichtung zugeführt Die Schmelzentemperatur an der Düse beträgt 130° C, die Zähigkeit der Schmelze etwa 6 Poise. De^r Förderdruck der Wachsschmelze ist 2 at Die Wassergeschwindigkeit im Treibsirahl beträgt 15 m/s, der Wasserdruck 2 at Das Wasser enthält ein Antistatikum der im Beispiel 1 angegebenen Konzentration und hat eine Temperatur von 8O⁰C.

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 μΐη, die Faserlänge zwischen 75 und 1250 μπι.

Beispiel 3

Ein Wachsverschnitt auf Basis Polyäthylen mit einem Schmelzindex von 1000 (16 kg; 190° C) und einem Schmelzpunkt von etwa 95° C wird wie in Beispiel 1 aufgeschmolzen und 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 Die Wassergeschwindigkeit im Treibstrahl beträgt 30 m/s, der Wasservordruck 5 at die Wassertemperatur 60°C.

Die hergestellten Fibrids sind gemahlenem Zellstoff sehr ähnlich, 7.um Teil stark gespleißt und verästelt und deshalb untereinander verfilzend. Die Faserdurchmesser liegen zwischen 25 und 75 μηι, die Faserlängen zwischen 500 und 1500 μπι.

Beispiel 4

Ein Wachsverschnitt wie in Beispiel 3 beschrieben wird in gleicher Weise der Zerfaserungsvorrichtung zugeführt. Die Betriebsbedingungen werden gegenüber Beispiel 3 etwas abgewandelt. Die Schmelztemperatur an der Düse beträgt 170°C, 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 60° C.

Die gewonnenen Fibrids sind feiner und durchschnittlich länger als in Beispiel 3 und sehen Watte sehr ähnlich. Die Faserdurchmesser liegen zwischen 25 und 40 μηι, die Faserlängen zwischen 500 und 1000 μΐη.

Beispiel 5

Ein Wachsverschnitt auf Basis Polyäthylen mit einem Schmelzindex von 220 (2,16 kg; 19O⁰C) und einem Schmelzpunkt von etwa 120"C wird wie'in Beispiel 1 aufgeschmolzen und der Zerfasvsrungsvorrichtung zugeführt. Die Schmelzentemperatur an der Düse beträgt 155⁰C, 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 90° C.

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 mittels einer Kreislochdüse, im Beispiel 3 mittels einer Kreisschlitzdüse in das Scherfeld zwischen dem Treibstrahl einerseits und der angesaugten Flüssigkeit andererseits eingeführt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Kurzfasern, deren obere Grenze der Faserlänge das 100-fache des Faserdurchmesse^s beträgt, aus thermoplastischen Kunststoffen, wobei man auf eine aus einer Düsenöffnung kontinuierlich austretende Kunststoffschmelze eine Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit einwirken läßt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit von 10 bis lOOm/sec zusammen mit der Kunststoffschmelze und angesaugter Flüssigkeit in eine Impulsaustauschzone leitet, deren mittlerer Durchmesser das 2- bis 20-fache des mittleren äquivalenten Düsendurchmessers und deren Länge das 2- bis 20-fache des hydraulischen Durchmessers der Impulsaustauschzone beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit eine Temperatur von 60 bis 90⁰C hat.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Flüssigkeit Wasser verwendet

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 mit 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als thermoplastische Kunststoffe Polyolefine und deren Wachse und Wachsverschnitte verwendet.