DE2627128A1

DE2627128A1 - Verfahren zum erspinnen von kunstfasern

Info

Publication number: DE2627128A1
Application number: DE19762627128
Authority: DE
Inventors: Janusz Dipl Phys Grebowicz; Marian Dr Kryszewski; Jerzy Dipl Phys Morawiec; Tadeusz Dipl Phys Pakula
Original assignee: POLSKA AKAD NAUK CENTRUM; Centrum Badan Molekularnych i Makromolekularnych PAN
Current assignee: POLSKA AKAD NAUK CENTRUM; Centrum Badan Molekularnych i Makromolekularnych PAN
Priority date: 1975-06-18
Filing date: 1976-06-16
Publication date: 1976-12-30
Also published as: IT1063078B; GB1515987A; JPS521119A; DD124742A5

Description

Pol ska Akademia Nauk 16. Juni 1976

Gentrum Badan Molekularnych i fiZ/Hu

Makromolekularnych

L&dz, Polen

Verfahren zum Erspinnen von Kunstfasern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erspinnen von Kunstfasern durch Auspressen einer Spinnflüssigkeit durch Spinndüsen sowie Aufnahme des erzeugten Strahls.

Es sind Spinnverfahren bekannt, die die Herstellung von Kunstfasern aus natürlichen und synthetischen Polymeren zum Ziel haben. Sie bestehen darin, eine Spinnflüssigkeit durch einen Spinndüsensatz auszupressen, um eine Faser herzustellen, die sich aus der ausgepreßten Spinnflüssigkeit, beispielsweise einem flüssigen Polymer,durch Erstarren bildet. In Abhängigkeit von der Art des Spinngrundstoffes werden zwei Erspinnverfahren unterschieden und zwar Schmelzspinnen und Flüssigkeitsspinnen aus einer Lösung, wobei beim letzteren zwei Unterarten unterschieden werden: Naß- und

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Trockenspinnen in Abhängigkeit von der Art der Beseitigung der Lösungsmittel aus der Faser. Die nach den genannten "Verfahren hergestellten Fasern werden normalerweise weiteren Behandlungen unterworfen, die u.a. in einer Kaltnachverstreckung der Fasern und einer Verfestigung der Faser mit Hilfe einer Wärmebehandlung bestehen können. Die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Fasern bilden ein fertiges Spinnrohprodukt.

Infolge der großen Anzahl veränderlicher Parameter, welche die einzelnen Stufen des Herstellungsprozesses einer Faser bestimmen sowie infolge der großen Anzahl faserbildender Grundstoffe sind die Eigenschaften der hergestellten Fasern sehr unterschiedlich, wodurch eine breite Palette an Verwendungsmöglichkeiten gegeben ist. Eine der wichtigsten Verwendungsarten ist in der Herstellung von Bekleidungsstücken zu sehen. Die aus Kunstfasern hergestellten Bekleidungsstücke weisen gegenüber den aus Naturfasern hergestellten Kleidungsstücken viele Vorteile auf wie z.B. höhere Widerstandsfähigkeit und Beständigkeit usw. In einigen Eigenschaften sind jedoch die nach bekannten Erspinnverfahren hergestellten Kunstfasern den Naturfasern unterlegen. Zu diesen Eigenschaften gehört die geringere Querelastizität der Kunstfasern gegenüber den Naturfasern, wodurch die Kleidungsstücke und auch andere Kunstfasererzeugnisse die erwünschte Weichheit und Flauschigkeit, die Naturfasererzeugnissen eigen ist, nicht aufweisen.

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Es ist ein Verfahren bekannt, durch das dieser nachteiligen Eigenschaft der Kunstfasern vorgebeugt werden kann und zwar durch Herstellung von binären Zweikomponentenfasern. Beim gleichzeitigen Erspinnen von zwei Polymeren mit guter Haftfähigkeit und unterschiedlicher Wärmekontraktion mit Hilfe speziell konstruierter Spinndüsensätze können Fasern hergestellt werden, welche nach der NachverStreckung und Verfestigung eine dauerhafte Kräuselung und meistens auch einen spiralförmigen Drall aufweisen, welcher beim Streckprozeß infolge der unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Komponenten entsteht. Die auf diese Weise hergestellten Fasern sind elastischer und flauschiger als Einkomponentenfasern.

Ein Nachteil dieses Verfahrens zum Erspinnen von Fasern aus zwei Komponenten besteht darin, daß es nicht immer gelingt, die einzelnen Komponenten so auszuwählen, daß die Bedingungen der hohen Adhäsion und der unterschiedlichen Wärmekontraktion erfüllt werden und daß die mechanischen Eigenschaften auf dem erforderlichen Niveau bleiben. Außerdem ist die Durchführung des beschriebenen Verfahrens kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erspinnen von Ein- oder Mehrkomponentenfasern anzugeben, durch das eine Verbesserung der Querelastizität der Fasern unter Beibehaltung oder Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, wie sie nach den herkömmlichen Verfahren hergestellte Fasern aufweisen, insbesondere im Hinblick auf die

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Reißfestigkeit und die Längselastizität ermöglicht wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Kunstfasern mit neuen, bisher unbekannten Eigenschaften herzustellen.

Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Erspinnen von Kunstfasern durch das Prinzip gelöst, eine spiralförmige Innenstruktur im gleichzeitig gestreckten ausgepreßten Spinnflüssigkeitsstrahl zu erzeugen. Die spiralförmige Innenstruktur des Spinnstrahls wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der bereits erstarrte Teil der Faser um die eigene Achse gedreht wird, die gleichzeitig die Achse des noch nicht erstarrten, in Streckung befindlichen Teils des Faserstrahls ist. Der erstarrte Teil der Faser bewegt sich also gleichzeitig translativ zur eigenen Achse und um die eigene Achse rotierend. Die beiden Bewegungen werden auf die bereits erstarrte und verfestigte Faser mit Hilfe der Aufnahmevorrichtung übertragen. Hierzu kann die bekannte Flügelvorrichtung oder Eingvorrichtung verwendet werden, die beim Erspinnen von Fäden eingesetzt werden. Die Zahl der Flügelumdrehung in der Flügelvorrichtung bzw. die Drehzahl der Läuferumdrehungen in der Eingvorrichtung bestimmen die Geschwindigkeit des Verdrallens der Faser gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.Die Verzögerung der Aufwickelrolle,bezogen auf den Flügel bzw. den Läufer, bestimmt die Geschwindigkeit der Aufnahme der Fasern.

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Γ"

Das Verhältnis der Geschwindigkeit der Aufnahme der Fasern zur Geschwindigkeit ihrer Verdrallung ist ein wesentlicher Parameter im erfindungsgemäßen Verfahren und bestimmt den Gang der spiralförmigen Verdrehung. Die Größe des Gangs der Schraubenlinien bzw. Spiralstruktur der Pasern bestimmt ihre Eigenschaften. Er wird experimentell für jede Fasersorte bestimmt .

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erspinnen einzelner Fasern ermöglicht die Herstellung von Fasern mit solchen mechanischen Eigenschaften, wie Längselastizität und .Reißfestigkeit, die annähern gleich oder besser als die entsprechenden Eigenschaften bei nicht verdrallten Fasern sind; gleichzeitig weisen die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Fasern jedoch eine wesentlich höhere Querelastizität auf, wodurch die Gebrauchseigenschaften allgemein, aber insbesondere als Textilrohstoff wesentlich erhöht werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung verwendet man als Spinnflüssigkeit eine heterogene Mehrkomponentenmischung, in welcher mindestens einer der Bestandteile ein faserbildendes Polymer ist und die übrigen Bestandteile Polymere bzw. Stoffe mit niedrigerem Molekulargewicht in fester, flüssiger oder gasförmiger Phase sind. Das beschriebene Gemisch wird durch die Spinndüse als Strahl ausgepreßt und dem erstarrten Teil wird gleichzeitig mit der Translationsbewegung eine Drehbewegung um die eigene Achse

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erteilt. Dadurch wird im noch nicht erstarrten Strahl eine spiralförmige Orientierung geschaffen, die dann während der Erstarrung des Strahls fixiert wird. Aus dem erstarrten Teil mit erzeugtermdfixierter spiralförmiger Orientierung wird oder werden dann gegebenenfalls der oder die nichtfaserbildenden Bestandteile durch deren Lösen oder Auswaschen entfernt.

Die heterogenen Mischungen bilden meist Systeme, in welchen die einen Bestandteile die disperse Phase darstellen und die anderen ein kontinuierliches Medium bilden, in dem die Teilchen der erstgenannten Bestandteile in Form von beispiels- " weise kleinen Tröpfchen enthalten sind. Das Auspressen der beschriebenen Mischung durch die Spinndüsensätze führt innerhalb des Spinnstrahls zur Ausbildung von dünnen Faserchen der dispergierten Komponenten bzw. der Komponente, welche aus den Tröpfchen dieser Bestandteile infolge der Deformation unter dem Einfluß der Scher spannungen in der Spinndüse entstehen. Gleichzeitig werden die erzeugten Faserchen genau in der Spinndüsenachse orientiert und sind in das kontinuierliche Medium getaucht. Nach dem Verlassen der Spinndüsen erhält der Strahl des ersponnenen Materials durch das angewendete Spinnverfahren eine innere Spiralstruktur, die weiterhin durch das Erstarren des faserbildenden Bestandteils bzw. der Bestandteile fixiert wird. Als Ergebnis erhält man im Inneren der gesponnenen Faser bzw. des Fadens eine spiralförmig orientierte Faserstruktur der dispergierten Komponente

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bzw. Komponenten. Die Abmessungen und Anzahl der dünnen Faserchen der Komponente bzw. der Komponenten im Verhältnis zum Querschnitt der ersponnenen Faser bzw. dem ersponnenen Faden sind vom Durchmischungsverhältnis und -grad des Spinnrohstoffs, der Auspreßgeschwindigkeit und den Abmessungen der Spinndüse abhängig. Der Grad der Spiralverdrehung dieser Fasern ist von den Spinnparametern und zwar von der Aufnahmegeschwindigkeit und der Verdrallungsgeschwindigkeit abhängig.

Aus der verfestigten Faser mit der ausgebildeten und fixierten spiralförmigen Struktur werden die nichtfaserbildenden Bestandteile, die für die Faserchen das Medium bilden, durch Auflösen bzw. durch Ausspülen entfernt, so daß im Ergebnis ein verdrallter Faden bestehend aus dünnen Faserchen erhalten wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend an Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Durchführungsschema der erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 2 eine Aufnahmevorrichtung zur Durchführung des erf indungs^g emäßen Verfahrens in teilweisem Schnitt.

Beispiel 1

Zur Herstellung verdrallter Fasern aus Polypropylen (Moplen) wird die Polymerschmelze in einen Laborplastometer 1 einge-

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bracht und durch Düsen 2 ausgepreßt, wobei der erstarrte Strahl in Form einer Faser mit Hilfe einer Aufnahmevorrichtung 3 aufgenommen wird, die das gleichzeitige Verdrehen der Faser ermöglicht.

Die Aufnahmevorrichtung 3 befindet sich in einer Entfernung von 1 m von der Spinndüse. Zwischen der Düse 2 und der Aufnahmevorrichtung 3 befinden sich zwei Bereiche, ein Bereich in dem der Polymerschmelzenstrahl noch nicht erstarrt ist, und ein Bereich 5» in. dem der Strahl bereits erstarrt ist. Die erstarrte Faser gelangt durch eine Führung 6 mit einer Öffnung 7 auf Flügelarme 8 und anschließend durch ein Auge 9 auf eine Aufwickelrolle 10. Die Aufwickelrolle 10 ist drehbar auf einer Spindel 11 gelagert und mit einem unabhängigen Antrieb mittels eines Motors 12 versehen.

Die rotierende Spindel 11 mit den Flügeln 8 bewirkt eine Verdrehung der erzeugten Faser. Die Drehbewegung der Faser wird in den Bereich 4- des noch nicht erstarrten Strahls über tragen, wodurch im Innern der sich bildenden Faser eine spiralförmige Orientierung und Struktur entsteht, die während des Erstarrungsprozesses verfestigt wird. Die Drehgeschwindigkeit der Aufwickelrolle 10 ist kleiner als die der Spindel 11. Die Differenz dieser Geschwindigkeiten bestimmt die Geschwindigkeit der Aufnahme der Faser.

Im beschriebenen Beispiel wurden folgende Auspreßparameter

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der Schmelze eingehalten:

Temperatur der Schmelze 190⁰O

Düsendurchmesser 1 mm

Auspreßgeschwindigkeit 5^5 _cin/min

Die Faseraufnahme und Verdrallung erfolgte unter folgenden Parametern:

Drehgeschwindigkeit der Spindel 8000 U/min

Drehgeschwindigkeit der Holle 8800 U/min

Bei den genannten Parametern wurde eine Aufnahmegeschwindigkeit von 72 m/min und eine Verdrallung der Faser mit einem Gang der Spirale bzw. Schraubenlinie von 0,9 cm erreicht.

Ebenfalls aus Polypropylen und mit derselben Geschwindigkeit der Aufnahme wurde eine nicht verdrallte Faser hergestellt, die den nach herkömmlichen Verfahren hergestellten Fasern entspricht.

Bei den unter den genannten Bedingungen hergestellten verdrallten und nicht verdrallten Fasern wurden die Zerreißfestigkeit und der Elastizitätsmodul längs der Faserachse gemessen. Es wurden folgende Ergebnisse ermittelt:

nicht verdrallte verdrallte Faser Faser

Reißfestigkeit 2,3 G/den 3,5 G/den

2 2

Elastizitätsmodul 60 kg/mm 60 kg/mm

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Der Vergleich der Querelastizität der verdrallten und der nicht verdrallten Fasern wurde auf der Grundlage der Verformung von Fasern in einem Luftstrom durchgeführt. Es wurde festgestellt, daß bei gleicher Faserstärke und gleicher Luftstromgeschwindigkeit die Verformung der verdrallten Fasern mehr als zweimal so groß war wie die der unter gleichen Bedingungen hergestellten nicht verdrallten Fasern..

Die ermittelten Ergebnisse zeigen, daß eine Verdrehung der Faser während des Erspinnprozesses eine Erhöhung der Reißfestigkeit gegenüber einer nicht verdrallten Faser bei gleicher Aufnahmegeschwindigkeit bewirkt und daß der Elastizi- ■ tätsmodul entlang der Faserachse sich nicht verändert. Die Querelastizität der verdrallten Faser ist wesentlich höher als die der nicht verdrallten und darüber hinaus besitzen die gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten verdrallten Fasern die Fähigkeit der selbständigen Knäuelbildung.

Beispiel 2

Es wurde eine Mischung aus Kautschuk (Polyizopren) mit ataktischem Polystyrol in einem Volumenverhältnis von 8:2 hergestellt, wodurch man eine Tropfchendispersion des Polystyrols im kontinuierlichen Kautschukmedium erreichte. Die mittleren Abmessungen der Polystyrolteilchen erreichten 30 a. Die Mischung preßte man durch eine Spinndüse mit einem Durchmesser von 1 mm bei einer Temperatur von 260°G und einem Druck

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im Zylinderinneren von 12 kp/cm aus.

Der ausgepreßte Strahl wurde mit einer Geschwindigkeit von 20 m/min aufgenommen und mit einer Hotationsge schwindigkei t von 5000 U/min verdrallt. Im Ergebnis erhielt man einen Kautschukfaden mit längs der Faserachse spiralförmig verdrehten Folystyrolfaserchen mit einer mittleren Stärke von 7 u. Die charakteristische Eigenschaft des hergestellten Produkts ist ein kleiner Elastizitätsmodul im Bereich geringer Deformationen (bis 20%) und ein großer Elastizitätsmodul im Bereich größerer Deformationen (über 20%).

Beispiel 3

Durch eine Düse mit einem Durchmesser von 2 mm und bei einer Temperatur von 150°C wurde Polyäthylen mit niedriger Dichte unter Beigabe dünner Glasfasern (10 Gewichtsprozent) ausgepreßt. Die Erspinabedingungen wurden wie im Beispiel 2 gewählt. Im Ergebnis wurde ein Polyäthylenfaden mit einer Stärke von 0,4 mm mit spiralförmig entlang der Faserachse angeordneten Glasfasern erhalten. Auch in diesem Fall erhöhte sich der Elastizitätsmodul des Produkts bei einer Streckung über 20%.

Beispiel 4·

Durch eine Düse mit einem Durchmesser von 1 mm und bei einer Temperatur von 250⁰C wurde eine Mischung aus Polypropylen und Polystyrol in einem Volumenverhältnis von 2:8 , in der

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Polypropylen in Form kleiner Teilchen mit einer Größe von 20 bis 30 u im Polystyrol suspendiert war, ausgepreßt. Der ausgepreßte Strahl wurde bei einer Geschwindigkeit von 35 πι/min und einer Verdrehungsgeschwindigkeit von 5000 U/min aufgenommen. Die hergestellte Faser wurde für die Zeitdauer von 5 Minuten in ein Benzinbad getaucht, das intensiv durchbewegt wurde, um ein Herauslösen des Polystyrols zu erreichen. Nach dem Herausnehmen der Faser aus dem Bad und der anschließenden Trocknung wurde ein aus einer großen Anzahl dünner Polypropylenfaserchen bestehender Faden erhalten. Die Dicke der dünnen Polypropylenfaserchen war geringer als 10 Infolge der während des Erspinnprozesses erteilten Drehbewegung der Faser blieben die Polypropylenfaserchen zusammen und bildeten einen kompakten Faden.

Beispiel 5

Eine Tropfenemulsion einer Polystyrolschmelze in Silikonöl wurde durch eine Düse mit einem Durchmesser von 0,6 mm bei einer Temperatur von 250⁰G ausgepreßt. Der ausgepreßte Strahl wurde mit einer Geschwindigkeit von 50 m/min aufgenommen und mit einer Geschwindigkeit von 8000 U/min verdrallt. Der erzeugte Strahl wurde zusätzlich mit einem Luftstrom kurz nach dem Verlassen der Düse gekühlt. Aus dem ersponnenen Produkt wurde mit Hilfe von Wasser mit einer Temperatur von 70 C das Silikonöl ausgespült. Man erhielt eine spiralförmig verdrehte Faser aus dünnen (unter 10 u) Polystyrolfaserchen.

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Claims

Patentansprüche

Λ. Verfahren zum Erspinnen von Kunstfasern durch Auspressen einer Spinnflüssigkeit durch Spinndüsen sowie Aufnahme (Ziehen) des erzeugten Strahls des flüssigen Polymers, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Abschnitt zwischen der Düse (2) und der Aufnahmevorrichtung (3) der erstarrte Teil der erzeugten Faser gleichzeitig zu der Translationsbewegung eine rotierende Bewegung um die eigene Achse, die auch die Achse des noch nicht erstarrten Teils der der 7erStreckung unterliegenden Faser ist, derart erzeugt wird, daß im Inneren des noch nicht erstarrten Strahls eine spiralförmige Innenstruktur, die im Erstarrungsprozeß verfestigt wird, erzeugt wird.
2. Verfahren zum Erspinnen von Kunstfasern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Spinnflüssigkeit eine heterogene Mehrkomponentenmischung verwendet wird, in welcher mindestens ein Bestandteil ein faserbildendes Polymer ist und die übrigen Komponenten Polymere oder Stoffe mit niedrigem Molekulargewicht in fester, flüssiger oder gasförmiger Phase sind und daß aus dem erstarrten Teil mit der erzeugten und verfestigten spiralförmigen Innenstruktur gegebenenfalls der nichtfaserbildende Besdandteil oder die nichtfaserbildenden Bestandteile durch Herauslösen oder Ausspülen entfernt werden.

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