DE2719019C2

DE2719019C2 -

Info

Publication number: DE2719019C2
Application number: DE2719019A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. 5090 Leverkusen De Hoffmann; Wilfried Dr. Koerner; Ulrich Dr. 4047 Dormagen De Reinehr
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1977-04-28
Filing date: 1977-04-28
Publication date: 1989-01-12
Also published as: DE2719019A1; IT7822724A0; JPS6142005B2; FR2388902A1; IT1095005B; FR2388902B1; NL7804538A; GB1590367A; JPS53134921A; IE780839L; BE866473A; IE46743B1; GR73997B

Description

Die Erfindung betrifft poröse, hydrophile, trocken er sponnene Fäden und Fasern aus Acrylnitrilpolymerisaten mit mindestens 40 Gew.-% Acrylnitrilanteil, welche eine Kern-/Mantelstruktur, eine bestimmte Porenstruktur mit mindestens 17% Porosität, ein hohes Wasserrückhaltever mögen, eine hohe Gleichgewichtsfeuchteaufnahme und Feuchtfüllgrenze, und eine Quecksilberdichte von höchstens 1,0 g/cm³ aufweisen.

Es ist bereits in der älteren Patentanmeldung P. 25 54 124 vorgeschlagen worden hydrophile Fäden und Fasern aus fadenbildenden, synthetischen Polymeren herzustellen, indem man dem Spinnlösungsmittel 5 bis 50 Gew.-%, bezogen auf Lösungsmittel und Feststoff, einer Substanz zusetzt, die für das Polymere im wesentlichen ein Nichtlösungsmittel darstellt, die einen höheren Siedepunkt hat als das verwendete Lösungsmittel und die mit dem Spinnlösungsmittel und einer als Waschflüssig keit für die Fäden geeigneten Flüssigkeit gut mischbar ist und anschließend dieses Nichtlösungsmittel aus den hergestellten Fäden wieder auswäscht. Bevorzugte Nicht lösungsmittel in diesem Verfahren sind mehrwertige Alkohole, wie Glycerin, Zucker und Glykole. Die nach diesem Verfahren erhältlichen Fäden und Fasern weisen zwar eine ausgezeichnete Hydrophile auf, sind jedoch bei ihrer Weiterverarbeitung zu textilen Gebilden bezüglich der Anforderungen, die an den Tragekomfort ge stellt werden, noch nicht ausreichend optimiert.

Die DE-AS 21 24 473 beschreibt zwar poröse Acrylfasern mit offenen Kapillarhohlräumen und einer freien Ober fläche von 1,0·10⁴ bis 1,7·10⁶1 cm²/g, jedoch wurde nachgewiesen, daß diese naß gesponnenen und chemisch mittels Alkali, Schwefelsäure oder Hydroxylaminsalzen an ihrer Porenoberfläche chemisch modifizierten und dadurch hydrophiler gemachten Acrylfasern keine Kern-/Mantelstruktur besitzen. Ferner ist eine solche chemische Modifizierung der Oberflächen durch die vorgeschlagene Behandlung ein kaum praktizierbares Verfahren mit vielen Nachteilen auch für das Polymerisat selbst.

Die DE-AS 14 69 159 beschreibt Verfahren zur Herstellung von Mikroporen enthaltenden Fäden und Fasern aus zumin dest 85 Gew.-% Vinylchlorid enthaltend Vinylchloridpoly merisaten unter Zusatz eines die Mikroporen bildenden Zusatzstoffes auf Basis 2 bis 25% eines ein- oder mehr wertigen Alkohols, der mit der Lösung des Polymerisats nicht verträglich ist und in Form von Mikrotröpfchen vorliegt, welche nach dem Spinnen ausgewaschen werden. Eine Nacharbeitung zeigte, daß auch bei diesen Verfahren keine Kern-/Mantelstrukturen in den PVC-Fäden vorlie gen.

In der DE-OS 21 11 877 werden 0,5 bis 10 Gew.-% an in Wasser gut löslichen Verbindungen wie Schwefelsäure estersalze langkettiger Alkohole, Polyoxyethylene (20 bis 500 Eox-Gruppen) oder Umsetzungsprodukte von Glycerin mit Ethylenoxid (9 bis 450 aufkondensierte Eox-Gruppen) in die Polyacrylnitril-Spinnlösung gegeben, die nach Verspinnen und üblicher Nachbehandlung in Fäden überführt wird, um Acrylfäden mit verbesserten An schmutzverhalten herzustellen.

In der Arbeit von P.A. Koch, W. Wegener et al in Chemie faser/Textilindustrie, Jan. 1974, S. 51 bis 56, werden Querschnitte gezeigt, die gegebenenfalls Randzonen (trocken gesponnene Acrylfasern) erkennen lassen oder im Inneren porös sind (naß gesponnene Acrylfasern). Die bisher bekannten Fasern bzw. ihre Querschnitte unter scheiden sich nach Art und Verteilung von Poren/bzw. Kern-/Mantelstruktur von den erfindungsgemäß zugäng lichen, hydrophilen Acrylfasern.

Die nach der eigenen, älteren Anmeldung (vgl. DE-PS 25 54 124-C3) nach den dort beanspruchten Verfahren zugänglichen, hydrophilen, Kern-/Mantelstrukturen auf weisenden Acrylfasern sind durch ihre Feuchtigkeits aufnahme von mehr als 2% bei 65% relativer Feuchtig keit und 21°C von den erfindungsgemäßen Acrylfasern ab gegrenzt.

Bei den in der eigenen, älteren Anmeldung (vgl. DE-OS 26 25 908) beschriebenen, Kern-/Mantelstruktur aufwei senden Fäden handelt es sich um Bikomponentenfäden.

Textile Flächengebilde für Bekleidungszwecke müssen neben zahlreichen textilen Eigenschaften insbesondere einen guten Tragekomfort gewährleisten. Damit ein Be kleidungsstück einen guten Tragekomfort aufweist, ist es erforderlich, daß der menschliche Körper in Ruhe aus reichend warm gehalten wird und bei körperlicher Be lastung die entstehende Wärme bzw. die abgegebene Feuch tigkeit sowohl in dampfförmiger als auch in flüssiger Form vom Körper abgeführt wird. Dabei wird es insbeson dere als angenehm empfunden, wenn um den Körper eine möglichst trockene Raumzone aufrechterhalten wird.

Es wurde nun gefunden, daß zur Erzielung eines ausge zeichneten Tragekomforts eine Faser ein Mindestwasser rückhaltevermögen bei einer Mindestporosität haben soll, wobei das Polymere, aus dem die Faser hergestellt wurde, bei der Wasseraufnahme im wesentlichen nicht quillt und eine Kern-/Mantelstruktur aufweist, welche eine günstige Feuchtfühlgrenze ergibt. Weitere Vorteile werden in der Beschreibung der Beispiele offenbart.

Die Erfindung betrifft daher poröse, hydrophile, trocken ersponnene, eine Kern-/Mantelstruktur aufweisende Fäden und Fasern aus Acrylnitrilpolymerisaten mit mindestens 40% Acrylnitrilanteil, dadurch gekennzeichnet, daß

a) sie im Kern kanalnetzartig miteinander verbundene Poren aufweisen, die ein durchgängiges System bilden,
b) der Mantel eine Struktur aufweist, die den Durch tritt von Wasser zum Kern ermöglicht,
c) die im Kern erkennbaren Poren deutlich größer sind als die Poren im Mantel,
d) der Flächenanteil des Mantels 5 bis 80% beträgt,
e) die Porosität mindestens 17% beträgt,
f) das Wasserrückhaltevermögen mindestens 20% beträgt bei einer Faserquellung, die geringer ist als das Wasserrückhaltevermögen, und 10% nicht übersteigt,
g) sie eine Gleichgewichtsfeuchteaufnahme (bei 95% rel. Luftfeuchtigkeit und 20°C) von über 5% aufweisen und bei denen
h) die Quecksilberdichte höchstens 1,0 g/cm³ und
j) die Feuchtfühlgrenze mindestens 10% beträgt,

ausgenommen Bikomponentenfasern und -fäden sowie Fäden und Fasern mit einer Feuchteaufnahme (bei 65% relativer Luft feuchtigkeit und 21°C) größer als 2%.

Die verwendeten Polymeren zur Herstellung der erfin dungsgemäßen Fäden und Fasern sind normalerweise hydro phobe Polymerisate, wie Acrylnitrilpolymerisate, die zu mindestens 40 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt zu mindestens 85 Gew.-% aus Acrylnitrileinheiten aufgebaut sind.

Die Fäden und Fasern nach der Erfindung weisen eine Kern-/Mantelstruktur auf. Erfindungsgemäß wird unter Kern-/Mantelstruktur eine solche Struktur verstanden, bei der im Rasterelektronenmikroskop nach üblichen Tech niken präparierte Proben (z. B. Gefrierbruch, Ionen ätzung und Goldbedampfung) im Faserquerschnitt eine Kern-/Mantelstruktur erkennen lassen, wobei die im Kern erkennbaren Poren im Mittel deutlich größer sind als die Poren im Mantel. Der Mantel kann insbesondere kompakt erscheinen, d. h. er weist im wesentlichen keine Poren über 30 nm Durchmesser auf. Die Manteldicke an der Faseroberfläche wird bestimmt als der Abstand des Faseräußeren (von außen senkrecht nach innen schreitend) bis zu der Stelle, an der der geschilderte Strukturunterschied erkennbar wird.

Die erfindungsgemäßen Fasern zeigen Faserquerschnitte, bei denen der Mantel einen Flächenanteil von 5 bis 80%, vorzugsweise 10 bis 50%, ausmacht. Im speziellen weisen die Fäden und Fasern nach der Erfindung einen mittleren Porendurchmesser von max. 1000 nm, vorzugsweise max. 400 nm und ganz besonders bevorzugt max. 200 nm, auf, wobei die Poren im Kern untereinander ein durchgängiges System bilden (keine Inselporen), welches für Flüssig keiten, beispielsweise Wasser, auch durch den Mantel zu gänglich ist.

Es ist nämlich für die Wasseraufnahmefähigkeit der erfindungsgemäßen Fasern und Fäden von Bedeutung, daß die Aufnahme von Flüssigkeiten und insbesondere Wasser nicht nur durch die Faserschnittenden erfolgt, sondern auch direkt durch Kanäle im Mantel.

Die Quellung der erfindungsgemäßen Fäden und Fasern ist vorzugsweise deutlich geringer als das Wasserrückhalte vermögen. Beispielsweise soll bei einem Wasserrückhalte vermögen von z. B. 10% die Quellung etwa 3% nicht über schreiten. Selbst bei höherem Wasserrückhaltevermögen von beispielsweise 50 bis 100% sollte die Quellung etwa 10% nicht übersteigen; bei einem Acrylnitrilcopolymeri sat aus 94% Acrylnitril, 5,5% Acrylsäuremethylester und 0,5% Natriummethallylsulfonat findet sich ein Quellwert Q von 2,5%. Selbstverständlich ist das Ausmaß der Quellung abhängig von der chemischen Natur der Poly merisate. Erfindungsgemäß werden daher nur solche Poly merisate eingesetzt, deren Quellung ca. 10% nicht über steigt.

Die Porosität der erfindungsgemäßen Fäden beträgt vor zugsweise mehr als 17%. Das Wasserrückhaltevermögen liegt vorzugsweise über 20%.

Die erfindungsgemäßen Fäden und Fasern werden herge stellt, indem man nach einem an sich bekannten Trocken spinnverfahren eine Lösung verspinnt, die neben dem Polymeren und dem Spinnlösungsmittel 5 bis 50 Gew.-%, bezogen auf Lösungsmittel und Polymerfeststoff, einer Substanz zusetzt, die für das zu verspinnende Polymere im wesentlichen ein Nichtlösungsmittel darstellt, die mit dem Spinnlösungsmittel und mit Wasser oder einer anderen, das Polymere nichtlösenden Flüssigkeit, die als Waschflüssigkeit geeignet ist, gut mischbar ist und dafür Sorge trägt, daß diese in der Spinnlösung enthaltene Substanz während des Spinnprozesses nicht ausdampft und diese Substanz aus den gesponnenen Fäden anschließend auswäscht.

Bei der Verwendung von Acrylnitrilpolymerisaten kann die Hydrophilie der Fasern noch dadurch gesteigert werden, daß man Copolymerisate einsetzt, welche Comonomere mit hydrophilen Gruppen enthalten. Besonders geeignete Ver bindungen sind beispielsweise Acrylsäure, Methacryl säure, Methallylsulfonsäure und ihre Salze sowie Acryl amide.

Als Spinnlösungsmittel kommen die zum Trockenspinnen be kannten Lösungsmittel in Frage, z. B. Dimethylacetamid, Dimethylsulfoxid, N-Methylpyrrolidon, vorzugsweise aber Dimethylformamid.

Die dem Spinnlösungsmittel zuzusetzende Substanz muß folgende Bedingungen erfüllen: Sie muß sowohl mit dem Spinnlösungsmittel als auch mit Wasser bzw. einer ande ren, als Waschflüssigkeit geeigneten Flüssigkeit misch bar sein, vorzugsweise in jedem Verhältnis mischbar, und sie muß für das verwendete Polymere im praktischen Sinne ein Nichtlösungsmittel sein, d. h. daß sich das Polymere nicht oder nur in sehr geringem Umfange in dieser Substanz löst.

Solche Substanzen sind z. B. die ein- und mehrfach substituierten Alkylether und -ester mehrwertiger Alkohole, wie beispielsweise Diethylenglykolmono- oder -Dimethyl-, -ethyl- und -butylether, Diethylenglykol, Triethylenglykol, Tripropylenglykol, Triethylenglykol diacetat, Tetraethylenglykol, Tetraethylenglykolmethyl ether, Glykoletheracetate wie z. B. Butylglykolacetat. Ferner sind hochsiedende Alkohole wie 2-Ethylcyclo hexanol, Ester oder Ketone oder auch Gemische solcher Verbindungen geeignet.

Vorzugsweise wird Glycerin oder Tetraethylenglykol ver wendet. Ebenso lassen sich Feststoffe wie Zucker oder feste, mehrwertige Alkohole vorteilhaft verwenden.

In einer besonderen Ausführungsform wird Wasser in einer Menge von 2 bis 25 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmi schung, als Spinnlösungszusatz verwendet. In diesem Falle wird die Spinnmischung auf eine Temperatur er hitzt, die mindestens der Temperatur entspricht, bei der eine klare Lösung entsteht, und dann bei einer Temperatur versponnen, die oberhalb des Gelierungspunktes dieser Lösung liegt. Vorzugsweise betragen bei einem solchen Spinnprozeß die Schacht- und Lufttemperaturen maximal den Wert der Temperatur der Spinnlösung. Liegt das Mischungsverhältnis von Polymerfeststoff zu Wasser bei mindestens 4 : 1, so ist es vorteilhaft, wenn die Schacht- und Lufttemperatur beim Spinnprozeß über der Spinnlösungstemperatur liegt.

Es ist weiterhin von Vorteil, Substanzen zu verwenden, die mit dem eingesetzten Spinnlösungsmittel keine azeotropen Gemische bilden, so daß sie wie im Falle DMF- Glycerin oder DMF/Diethylenglykol-Mischungen nahezu vollständig durch fraktionierte Destillation zurück gewonnen werden können.

Diese Substanzen werden dem Spinnlösungsmittel in Mengen von 5 bis 50, vorzugsweise 10 bis 20 Gew.-%, bezogen auf Lösungsmittel und Feststoff, zugesetzt. Der obere Grenz gehalt an zumischbarer Substanz wird in der Praxis durch die Spinnbarkeit der Polymerlösung bestimmt. Je höher der Gewichtsanteil an zugesetzter Substanz zum Spinn lösungsmittel ist, desto stärker wird die Porosität im Faserkern und um so höher das Wasserrückhaltevermögen der Fäden, die aus derartigen Spinnlösungsgemischen her gestellt werden.

Um erfindungsgemäße Fäden und Fasern mit möglichst hoher Porosität zu erhalten, wählt man die Spinnbehandlung so, daß möglichst wenig der zugemischten Flüssigkeit während des Trockenspinnprozesses im Spinnschacht verdampft bzw. durch das verdampfende Spinnlösungsmittel mitgerissen wird. Möglichst niedrige Spinnschachttemperaturen, die nur knapp oberhalb des Siedepunktes des zu verdampfenden Spinnlösungsmittels liegen, kurze Spinnschächte und hohe Spinnabzüge und somit kurze Verweilzeiten im Spinn schacht, haben sich als äußerst vorteilhaft erwiesen, Die Spinnschachttemperatur soll aus diesen Gründen maxi mal 80°C, vorzugsweise 5 bis 30°C über der Siedetempe ratur des verwendeten Spinnlösungsmittels liegen.

Durch diese Maßnahme bleibt der wesentliche Anteil (in der Regel etwa 90%) der zugemischten Substanz im Spinn band bzw. in den Fäden. Er wird erst im Zuge der Nachbe handlung durch Auswaschen entfernt und die Faser in her kömmlicher Weise zur gebrauchsfertigen Faser weiterver arbeitet.

Der Waschprozeß der Kern-/Mantel-Fasern kann bei Tempe raturen bis zu 100°C durchgeführt werden. Die Verweil zeit sollte mindestens 10 Sekunden betragen, um die zu gesetzte Substanz gut auszuwaschen.

Bei dem Waschprozeß hat es sich ferner als zweckmäßig erwiesen, die Faserbänder oder -fäden nur unter schwacher Spannung bzw. bei geringer Schrumpfzulassung zu halten, um die Entfernung der zugesetzten Flüssigkeit zu maximieren.

Die weitere Nachbehandlung der Faserbänder oder -fäden kann nach den in der Technik üblichen Nachbehandlungs schritten - Präparieren, Kräuseln, Trocknen, Schneiden - vorgenommen werden, wobei die Trocknungsbedingungen der Faser einen weiteren Einfluß auf die Hydrophilie aus üben.

Möglichst milde Trocknungsbedingungen von maximal 160°C, vorzugsweise 110 bis 140°C, und kurze Verweilzeiten von maximal 2 bis 3 Minuten im Trockner führen zu Kern- Mantel-Fasern mit hoher Porosität und hohem Wasserrück haltevermögen.

Eine weitere Möglichkeit, die erfindungsgemäßen Fäden und Fasern herzustellen, besteht darin, daß man in an sich bekannter Weise eine Polymerlösung nach einem Trockenspinnprozeß verspinnt, wobei man die Fäden un mittelbar nach deren Austritt aus der Spinndüse, spätestens aber zu einem Zeitpunkt, wo die Fadenver festigung noch nicht abgeschlossen ist, mit Wasserdampf oder dem Dampf einer anderen, die Fäden koagulierenden Flüssigkeit in Berührung bringt.

Dieses Spinnverfahren ist im Prinzip ein herkömmliches Trockenspinnverfahren, vorzugsweise aus stark polaren organischen Lösungsmitteln wie Dimethylformamid, Dimethylacetamid und Dimethylsulfoxid. Es können aber auch Mischungen aus Polymeren, Spinnlösungsmittel und Nichtlöser für das Polymere, wie sie oben beschrieben worden sind, versponnen werden.

Für diese Verfahrensweise geeignete Dämpfe zur Koagula tion der noch nicht verfestigten Fäden sind neben Wasserdampf alle Dämpfe von Substanzen, die für die ver sponnenen Polymerisate, insbesondere Acrylnitrilpoly merisate, ein Nichtlösungsmittel darstellen, wie bei spielsweise im Falle von Acrylnitrilpolymerisaten, ein- und mehrfach substituierte Alkylether und -ester mehr wertiger Alkohole, wie Diethylenglykol, Triethylen glykol, Tripropylenglykol, Triethylenglykoldiacetat, Tetraethylenglykol, Glykoletheracetate. Ferner sind Alkohole wie 2-Ethylcyclohexanol, Glycerin, Ester oder Ketone oder Gemische, z. B. aus Ethylenglykolacetaten, geeignet. Besonders bevorzugt sind neben Wasser solche Substanzen, die sich leicht verdampfen lassen, deren Flammpunkt hoch liegt und deren Brennbarkeit gering ist, beispielsweise Methylenchlorid und Tetrachlorkohlen stoff.

Je nach Ort und Intensität der Dampfeinblasung auf die Polymerfäden sowie den thermischen Bedingungen im Spinn schacht lassen sich sowohl die Querschnittsstruktur als auch die Breite der Mantelflächen und die Hydrophilie der Fäden steuern. So erhält man immer dann Kern-Mantel- Fasern mit runden bis kreisförmigen Querschnittsformen und sehr dünner Mantelfläche von maximal ca. 25% der gesamten Querschnittsfläche und einem extrem hohen Wasserrückhaltevermögen von ca. 60% und mehr, wenn man die Verspinnung bei niedrigen Schachttemperaturen von maximal 140°C, vorzugsweise von 20 bis 120°C, durch führt.

Bei höheren Schachttemperaturen, vorzugsweise oberhalb 160°C, erhält man Kern-Mantel-Fasern mit ovalen bis tri lobalen Querschnittsformen und Wasserrückhaltewerten von ca. 20 bis 60%, wobei die Mantelfläche ca. 60% der ge samten Querschnittsfläche ausmachen kann.

Die Dicke und somit die Saumbreite der Mantelfläche läßt sich nach dieser Verfahrensweise durch die Wahl des Ver hältnisses von Luft zu Dampfgemisch derart steuern, daß bei hohem Dampf und niedrigen Luftmengen überwiegend Kern-Mantel-Fasern mit großer Saumbreite der Mantel fläche, die bis zu 80% der gesamten Querschnittsfläche ausmachen kann, erzeugt werden.

Setzt man nur wenig Dampf im Verhältnis zur Luftmenge ein, so erhält man umgekehrt Kern-Mantel-Fasern, die sich mehr und mehr der beim Trockenspinnprozeß üblichen Mantelform nähern und die ein entsprechend niedrigeres Wasserrückhaltevermögen aufweisen, wobei die Saumbreite des Mantels zunehmend geringer wird.

Um eine zu starke Kondensation von Wasserdampf und Lö sungsmittelgemischen im Spinnschacht zu vermeiden, hat sich eine Schachttemperatur von über 100°C, vorzugsweise 105 bis 140°C, bei möglichst kurzen Schachtlängen, bei spielsweise von 1 m Länge, als optimal erwiesen.

Um bei den erfindungsgemäßen Fäden die Mindestporosität von 10% zu erhalten, setzt man bei Anwendung des Her stellungsverfahrens, bei dem dem Spinnlösungsmittel Nichtlöser zugesetzt wird, diesen in einer Menge von mindestens 10 Gew.-%, bezogen auf Polymerfeststoff, zu, trägt während des Spinnprozesses dafür Sorge, daß der Nichtlöser im wesentlichen nicht verdampft und behandelt die erhaltenen Fäden thermisch so schonend nach, daß die entstandenen Poren nicht kollabieren.

Das Wasserrückhaltevermögen von mindestens 10% ergibt sich bei den auf die beschriebene Weise hergestellten Fasern, wenn die Porosität mindestens 10% beträgt.

Die Auswahl der Polymeren erfolgt in der Weise, daß die Quellung dieser Polymeren in Wasser ca. 10% nicht über steigt. Dadurch wird gewährleistet, daß das Wasserrück haltevermögen im wesentlichen nicht durch die Wasserauf nahme durch das Polymerisat selbst, sondern durch die Porenstruktur bewirkt wird.

Die erfindungsgemäßen Fäden und Fasern haben mittlere Porendurchmesser von höchstens 1000 nm. Die Porengröße kann beeinflußt werden durch die Spinn- und Nachbehand lungsbedingungen. Bei dem beschriebenen Verfahren unter Zusatz von Nichtlösern werden bei Zusatz von hochsieden den Nichtlösungsmitteln wie Glycerin oder Tetraethylen glykol Porengrößen von etwa 400 nm erhalten, wenn die Schachttemperatur ca. 180°C und die Lufttemperatur etwa 350°C beträgt.

Kleinere Poren werden erhalten, wenn die Schacht- und Lufttemperaturen abgesenkt werden. Mittlere Porengrößen von unter etwa 200 nm erhält man, wenn die Schacht- und Lufttemperaturen unterhalb des Siedepunktes des verwen deten Spinnlösungsmittels liegen.

Durch die genannten Verfahrensweisen werden im Kern kanalnetzartig miteinander verbundene Poren erzeugt, die ein durchgängiges System bilden, wobei gleichzeitig der Mantel eine Struktur aufweist, die den Durchtritt von Wasser zum Kern ermöglicht.

Die Saumbreite des Mantels läßt sich abgesehen von der oben bereits beschriebenen Möglichkeit in folgender Weise beeinflussen:

Je höher der Polymerfeststoffgehalt im Verhältnis zum eingesetzten Nichtlöser ist, desto größer wird die Saum breite des Mantels.

Im einzelnen läßt sich eine gewünschte Saumbreite durch einfache Vorversuche leicht feststellen.

Wie allgemein bekannt ist, fühlen sich Synthesefasern nach dem Benetzen mit wenigen Prozent Wasser feucht an (z. B. bei handelsüblichen Acrylfasern bei einer An feuchtung ab 5% Wasser).

Die erfindungsgemäßen Kern-Mantel-Fasern zeigen dem gegenüber eine hohe Feuchtfühlgrenze, die bei mindestens etwa 10% liegt. Naturgemäß ist dieser Mindestwert ab hängig von der chemischen Natur des versponnenen Poly merisates. Handelt es sich um erfindungsgemäße Fasern aus Acrylnitrilpolymerisaten, so werden Werte für die Feuchtfühlgrenze von etwa 10% und darüber gefunden. Die Feuchtfühlgrenze ist beeinflußbar über die Porosität, die ihrerseits in der oben geschilderten Weise gesteuert werden kann. Wenn z. B. das Wasserrückhaltevermögen größer als 12% ist, dann läßt sich die Feuchtfühlgrenze auf über 10% erhöhen. Läßt man das Wasserrückhaltevermögen auf Werte über 20% steigen, dann erhöht sich die Feuchtfühlgrenze auf über 15%. Diese Werte gelten für Fäden aus Acrylnitrilpolymerisaten.

Bei körperlicher Stoßbeanspruchung ist es wichtig, daß die vom Körper abgegebene Feuchtigkeit zügig in das Porenvolumen der Fasern, aus denen ein textiles Beklei dungsstück hergestellt wurde, aufgenommen wird. Eine ausreichende Aufnahmegeschwindigkeit liegt dann vor, wenn sich das Porenvolumen der Fasern in 5 Minuten zu mindestens 20%, vorzugsweise 30%, füllt. Die erfin dungsgemäßen Fasern erfüllen diese Bedingung, so daß sie zur Herstellung von Kleidungsstücken mit einem ausge zeichneten Tragekomfort bestens geeignet sind.

Für den Tragekomfort ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Fasern im Garnverband die Flüssigkeit bzw. Feuchtig keit schnell fortleitet. Hierfür haben sich runde Quer schnittsformen der Fasern besonders gut bewährt. Die Möglichkeit, runde Querschnittsformen bei den erfind dungsgemäßen Fasern und Fäden herzustellen, ist bereits beschrieben.

Bei geringeren körperlichen Belastungen, wie leichter bis mittelschwerer Arbeit, tritt meist nur wenig Feuch tigkeit in flüssiger Form auf. In diesem Falle ist es von Vorteil, wenn die Bekleidung außer Wasser auch Wasserdampf absorbiert und dadurch ein trockenes Klima in Hautnähe des Trägers des Textils aufrechterhält.

Wie sich in Trageversuchen und Ergometertests zeigt, kommt es dabei nicht auf die Höhe der Feuchteaufnahme in einem bestimmten Punkt der Absorbtionsisotherme an (beispielsweise Feuchteaufnahme bei 65% relativer Luft feuchte), sondern in erster Linie sind Differenzbeträge der Feuchteaufnahmen bei verschiedenen Luftfeuchtegraden wesentlich. Praxisgerecht ist es, die Feuchteaufnahmen bei 65% und 95% relativer Luftfeuchte bei jeweils 20°C zu vergleichen.

Vorzugsweise muß diese Differenz über 2% liegen, damit die geschilderten Fasereigenschaften hinsichtlich Trage komfort vorliegen.

Insbesondere erweist sich eine Feuchteaufnahme von über 5% bei 95% relativer Feuchte als günstig.

Die erfindungsgemäßen Fäden und Fasern zeigen auch in dieser Hinsicht ein ausgezeichnetes Verhalten. So ver fügen sie über eine Feuchteaufnahme bzw. -abgabe von von über 1%, wenn sie bei 20°C alle 20 Minuten abwechselnd einer relativen Luftfeuchte von 65% bzw. 95% ausge setzt werden. Eine solche rasche Feuchteaufnahme ist insbesondere bei rasch wechselnder körperlicher Bean spruchung von besonderer Bedeutung.

Das Ausmaß der Feuchteaufnahme wird insbesondere durch die Größe der Poren und/oder durch Zusätze zur Faser be einflußt. Die Feuchteaufnahme läßt sich steigern, beson ders durch die Erzeugung kleiner Poren mit mittleren Porendurchmessern von höchstens etwa 100 nm und durch Verwendung von Polymerisaten, die hydrophile Comonomere copolymerisiert enthalten bzw. durch Zusätze hydrophiler Natur zu den Fasern. Diese Zusätze können entweder im Zuge des Herstellungsverfahrens in die Fasern einge bracht werden oder in einem der Nachbehandlungsschritte eingelagert werden.

Insbesondere erhält man einen Wert Delta-FA von über 3%, wenn der Porenvolumenanteil der Poren mit Poren durchmessern von weniger als 50 nm mindestens 30 mm³/g Fasern beträgt.

Die Porenstruktur der erfindungsgemäßen Fasern ist auch beim Trocknungsvorgang der Fasern von Vorteil, denn die durch die Porenstruktur bedingte schnelle Verdunstung der Feuchtigkeit aus dem Kleidungsstück des Trägers wird bei hoher körperlicher Beanspruchung ein Wärmestau ver mieden.

Die Fäden und Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen durch ihre poröse Kern-Mantel-Struktur eine hohe Saugfähigkeit, Wasseraufnahme ohne Quellung, schnellen Feuchtigkeitstransport, eine hohe Feuchtfühlgrenze und hohe Feuchteaufnahme sowie, ebenfalls bedingt durch die poröse Struktur, eine niedrige Dichte. Durch die Summe dieser positiven Eigenschaften in einem einzigen Faser produkt wird somit eine Faser zur Verfügung gestellt, aus der sich textile Gebilde, insbesondere Kleidungs stücke, fertigen lassen, die ihrem Träger einen hervor ragenden Tragekomfort vermitteln.

Die Bestimmung der im vorgehenden mehrfach erwähnten physikalischen Größen wurden wie nachstehend beschrieben ausgeführt. Diese Meßmethoden beziehen sich auf gefärbte bzw. blindgefärbte von Präparation befreite Fasern, Garne oder Textilflächengebilde.

Meßmethoden Quecksilber-Dichte-Bestimmung (ρ Hg)

Nach Ausheizen der Probe bei 50°C unter Vakuum (10^-2 mbar) wird die Hg-Dichte (mittlere scheinbare Dichte) durch Volumenmessungen in Quecksilber bei einem Über druck von 10 bar festgestellt.

Helium-Dichte-Bestimmung (ρ He)

Nach Ausheizen der Probe bei 50°C unter Vakuum (10^-2 mbar) wird die Helium-Dichte ("wahre Dichte") durch Volumenmessung in Helium mit einem Gasvergleichspykno meter festgestellt.

Definition der Porosität (P)

P = [1-(p Hg/ρ He)] · 100%

Flotations-Dichte-Bestimmung

Man wiegt mehrere trockene Faserstränge auf 0,1 mg genau (m ₁) und taucht sie dann in Wasser mit der Dichte ρ H₂O. Nach 5 Minuten wird das Gewicht der Faserstränge in Wasser von 20°C ermittelt (m ₂); die Flotationsdichte (nach 5 Minuten) ergibt sich aus

Definition der Kern-Mantel-Struktur

Im Rasterelektronenmikroskop nach üblichen Techniken - mit Gefrierbruch, Ionenätzung und Goldbedampfung - präparierte Proben lassen im Faserquerschnitt eine Kern- Mantel-Struktur erkennen, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kern erkennbaren Proben im Mittel deutlich größer sind als die Poren im Mantel. Der Mantel kann insbeson dere Kompakt erscheinen, d. h. im wesentlichen keine Poren über 30 mm Durchmesser aufweisen.

Die Manteldicke an der Faseroberfläche wird bestimmt als der Abstand des Faser-Äußeren (von außen senkrecht nach innen schreitend) bis zu der Stelle an der der geschil derte Strukturunterschied erkennbar wird.

Bestimmung des Wasserrückhaltevermögens - (WR)

Das Waserrückhaltevermögen wird in Anlehnung an die DIN-Vorschrift 53 814 (vgl. Melliand Textilberichte 4, 1973, Seite 350) bestimmt.

Die Faserproben werden 2 Stunden in Wasser getaucht, das 0,1% Netzmittel enthält. Danach werden die Fasern 10 Minuten zentrifugiert mit einer Beschleunigung von 10 000 m/sec² und die Wassermenge gravimetrisch er mittelt, die in und zwischen den Fasern zurückgehalten wird. Zur Bestimmung des Trockengewichtes werden die Fasern bis zur Feuchtekonstanz bei 105°C getrocknet. Das Wasserrückhaltevermögen (WR) in Gewichtsprozent ist:

m _f = Gewicht des feuchten Fasergutes m _tr = Gewicht des trockenen Fasergutes.

Bestimmung des mittleren Porendurchmessers d

Aus der Porosität P und der inneren Oberfläche O nach der 1-Punkt-BET-Methode mit Stickstoff (Ausgangsdruck 1 atü, Absorbtionstemperatur die des flüssigen Stick stoffes) ermittelt.

Außerdem wurden elektronenmikroskopische Aufnahmen von kontrastierten Dünnschnitten und rasterelektronen mikroskopischen Bruchflächen zur Charakterisierung der Porenstruktur herangezogen; die optisch beobachteten Porendurchmesser sind im allgemeinen größer als der oben ermittelte Wert d.

Bestimmung der Feuchtfühlgrenze (FFG)

Eine Reihe von Proben gleicher Art werden gleichmäßig mit Wasser befeuchtet und dann unterschiedlich stark ab geschleudert; gewogen und einer Reihe von mindestens 5 Versuchspersonen vorgelegt, die beurteilen, welche dieser Proben sich bereits feucht anfühlen. Falls dies bei einer Probe von der Mehrzahl der Versuchspersonen bejaht wird, ist ihre FFG überschritten. Zur Kontrolle werden die Proben erneut gewogen und dann der Wasser gehalt durch anschließende Trocknung ermittelt. Die Feuchtfühlgrenze ist der minimale Wassergehalt, bei dem gerade Feuchtegefühl ausgelöst wird.

Bestimmung der Feuchteaufnahme (FA)

Nach Trocknung bei 50°C/O,1 Torr mit N₂-Spülung bis zur Gewichtskonstanz wird das Trockengewicht der Probe in einer Vakuumwaage auf ±0,2 mg genau bestimmt. Unter fortlaufender Einspeisung und Absaugung von Wasserdampf (20°C) wird ein Wasserdampf-Druck eingestellt, der 65% relativer Luftfeuchte entspricht. Nach Gewichtskonstanz wird das Probengewicht erneut ermittelt:

m _f = Gewicht der feuchten Probe m _tr = Gewicht der trockenen Probe.

Anschließend werden analog Messungen bei sukzessiv höheren Wasserdampfdrucken durchgeführt.

Bestimmung der Porenfüllung

Die Porenfüllung wird durch Vergleich der Quecksilber- Dichte ρ _Hg mit der Flotationsdichte ρ _F in Wasser nach 5 Minuten Faser-Tauchzeit ermittelt, wobei die Flota tionsdichte gravimetrisch ermittelt wird.

Delta-FA-Wert

Der Delta-FA-Wert ergibt sich aus der Differenz der im Gleichgewicht gemessenen Feuchteaufnahme bei 95% rela tiver Luftfeuchte zur Feuchteaufnahme bei 65% relativer Luftfeuchte. Die Feuchteaufnahmen sind wie oben geschil dert ermittelt worden.

Kinetischer Delta-FA-Wert

Der kinetische Delta-FA-Wert wird bestimmt, indem die Feuchteaufnahme bzw. -abgabe bei 20°C bestimmt wird, wenn periodisch alle 20 Minuten abwechselnd die relative Luftfeuchte 65% bzw. 95% beträgt.

Bestimmung der Polymer-Quellung

Von unporösem trockenem Polymeren (z. B. Fäden) wird die Feuchteaufnahme von 0 bis 95% relativer Luftfeuchte er mittelt und auf 100% Luftfeuchte extrapoliert (FA 100). Die Gewichtszunahme entspricht der Volumen-Quellung

Q in Prozent: Q = FA₁₀₀ · ρ _He/_{1 g}/cm³

Bei Polymeren mit hydrophilen Comonomeren kann Q von der wahren Volumenquellung abweichen. Trotzdem wird Q zur Kernzeichnung des Quellverhaltens herangezogen.

Bestimmung der Manteldurchlässigkeit für Wasser

Dazu wird das Wasserrückhaltevermögen mit folgenden Änderungen gemessen: Die trockenen Fäden werden durch gehend als Schlaufe in Wasser getaucht, ohne daß Faserenden benetzt werden. Dadurch erfolgt die Wasser aufnahme ausschließlich durch den Faser-Mantel. An schließend wird - wie bei der Messung des Wasserrück haltevermögens beschrieben - mit dem benetzten Strang teil weiter verfahren. Der Mantel ist durchlässig, wenn nach 5 Minuten Benetzung sich hier ein Wasserrückhalte vermögen von über 20% des ursprünglichen Wasserrück haltevermögens WR einstellt.

Bestimmung der Durchgängigkeit des Porensystems

Zu diesem Zweck werden die porösen Kern-Mantel-Fasern wie folgt präpariert: In mehreren Bädern wird Wasser in die Poren der Fasern gegen ein Intermedium ausgetauscht und dieses Intermedium in einer nachfolgenden Konzen trationsreihe durch das eigentliche Einbettungsmittel - ein Epoxyharz - ersetzt. Die Wasseraufnahme, Ent wässerung und Einbettung läuft unter Vakuum ab, um Gas einschlüsse aus dem Faserinneren zu entfernen und eine optimale Füllung der Hohlräume zu erreichen. Die ein gebetteten Fasern werden auf dem Kryomikrotom bei einer Objekttemperatur von -100°C geschnitten und die Dünn schnitte anschließend kontrastiert. Im transmissions elektronenmikroskopischen Bild hebt sich das in den Hohlräumen und rund um die Faser abgelagerte Ein bettungsmittel dunkel von der eigentlichen Fasermatrix ab und kennzeichnet sowohl die Durchgängigkeit des Porensystems für Flüssigkeiten als auch die des Mantels.

Die Abb. 1 zeigt die Abhängigkeit der Feuchteauf nahme einer erfindungsgemäßen Faser (hergestellt nach Beispiel 1) von der relativen Luftfeuchte im Vergleich zu einer handelsüblichen Acrylfaser.

Faser nach der Erfindung Kurve A
handelsübliche Acrylfaser Kurve B.

Die Abb. 2 zeigt die gleichen Fasern wie Abbildung 1 bezüglich der Wasserdampfabsorbtionskinetik bei sprung hafter Änderung der relativen Feuchte zwischen 65 und 95% bei 20°C (Delta-FA-Wert).

Beispiel 1

52 kg Dimethylformamid (DMF) wurden mit 12 kg Tetra ethylenglykol in einem Kessel unter Rühren vermischt. Anschließend wurden 36 kg eines Acrylnitrilcopolymeri sates aus 93,6% Acrylnitril, 5,7% Acrylsäuremethyl ester und 0,7% Natriummethallylsulfonat unter Rühren bei Raumtemperatur zudosiert. Die Suspension wurde in einer Aufheizvorrichtung auf 135°C erhitzt. Die Spinn lösung wurde nach Verlassen der Aufheizvorrichtung filtriert und dem Spinnschacht zugeführt. Die gesamte Verweilzeit der Suspension von der Aufheizvorrichtung bis zur Spinndüse betrug ca. 5 Minuten.

Die Spinnlösung wurde aus einer 72-Loch-Düse trockenver sponnen. Die Schachttemperatur betrug 30°C, die Luft temperatur 40°C. Die eingesetzte Luftmenge betrug 40 m³ pro Stunde. Das Spinngut vom Titer 2440 dtex wurde auf Spulen gesammelt und zu einem Band vom Gesamttiter 1′708′000 dtex gefacht. Das Faserkabel wurde an schließend in kochendem Wasser 1 : 4,0fach verstreckt, gewaschen, mit antistatischer Präparation versehen und unter Zusatz von 20% Schrumpf getrocknet. Anschließend wurde gekräuselt und zu Stapelfasern von 100 mm Länge geschnitten. Die Einzelfasern vom Endtiter 11 dtex hatten ein Wasserrückhaltevermögen nach DIN 53 814 von 49%. Die Fasern besaßen eine ausgesprochene Kern- Mantel-Struktur. Der Flächenanteil des Mantels betrug ca. 5% der gesamten Querschnittsfläche. Der mittlere Porendurchmesser war ca. 100 nm und die innere Ober fläche, nach der BET-Methode ermittelt, betrug 57,1 (qm/g).

An den Einzelfasern vom Endtiter 11 dtex wurden die fol genden physikalischen Meßdaten bestimmt:

Helium-Dichte1,9 g/cm³ Quecksilber-Dichte0,834 g/cm³ Porosität30,8% Wasserrückhaltevermögen38% Innere Oberfläche56,2 m²/g Mittlerer Porendurchmesser25 nm Mantelflächenanteil5% Porenfüllung (nach 5 Minuten)40% Feuchteaufnahme (95% r.F.)12,3%
(s. Abb. 1) Delta-FA-Wert10,8%
(s. Abb. 1) Kinetischer Delta-FA-Wert1,9%
(s. Abb. 2) Manteldurchlässigkeit WR
(nach 5 Minuten)15%

Beispiel 2

Ein Acrylnitrilcopolymerisat aus 93,6% Acrylnitril, 5,7% Acrylsäuremethylester und 0,7% Natriummethallyl sulfonat, (K-Wert 81) wurde in Dimethylformamid (DMF) bei 80°C gelöst. Die filtrierte Spinnlösung, die eine Endkonzentration von ca. 30 Gew.-% aufwies, wurde aus einer 180-Loch-Düse trockenversponnen. In den Spinn schacht (Länge 600 cm, ⌀ 30 cm) wurden oberhalb der Düse 25 kg Sattdampf pro Stunde sowie 10 cbm Luft von 150°C pro Stunde eingeblasen. Die Schachttemperatur betrug 140°C. Pro kg erstelltes Spinngut wurden ca. 5,8 kg Dampf verbraucht. Der DMF-Gehalt der Fäden lag bei 59%, bezogen auf Polymerfeststoff. Die Fäden vom Gesamttiter 2400 dtex wurden auf Spulen gesammelt und zu einem Kabel von 684.00 dtex zusammengeführt. Anschließend wurde das Faserkabel 1 : 4,0fach in kochendem Wasser verstreckt, gewaschen, mit antistatischer Präparation versehen, bei 120°C unter Zulassung von 20% Schrumpf getrocknet, ge kräuselt und zu Stapelfasern von 60 mm Länge einge schnitten.

An den Einzelfasern vom Endtiter 3,3 dtex wurden die folgenden Meßgrößen bestimmt:

Helium-Dichte1,19 g/cm³ Quecksilber-Dichte0,615 g/cm³ Porosität48,3% Wasserrückhaltevermögen63% Innere Oberfläche19,2 m²/g Mittlerer Porendurchmesser46 nm Mantelflächenanteil45% Feuchtefühlgrenze38% Porenfüllung (nach 5 Minuten)33% Feuchteaufnahme (95% r.F.)8,3% Delta-FA-Wert6,9% Kinetischer Delta-FA-Wert1,7% Manteldurchlässigkeit WR
(nach 5 Minuten)26%

Claims

1. Poröse, hydrophile, trocken ersponnene, eine Kern-/ Mantelstruktur aufweisende Fäden und Fasern aus Acrylnitrilpolymerisaten mit mindestens 40% Acrylnitrilanteil, dadurch gekennzeichnet, daß

a) sie im Kern kanalnetzartig miteinander verbun dene Poren aufweisen, die ein durchgängiges System bilden,
b) der Mantel eine Struktur aufweist, die den Durchtritt von Wasser zum Kern ermöglicht,
c) die im Kern erkennbaren Poren deutlich größer sind als die Poren im Mantel,
d) der Flächenanteil des Mantels 5 bis 80% be trägt,
e) die Porosität mindestens 17% beträgt,
f) das Wasserrückhaltevermögen mindestens 20% beträgt bei einer Faserquellung, die geringer ist als das Wasserrückhaltevermögen und 10% nicht übersteigt,
g) sie eine Gleichgewichtsfeuchteaufnahme (bei 95% rel. Luftfeuchtigkeit und 20°C) von über 5% aufweisen und bei denen
h) die Quecksilberdichte höchstens 1,0 g/cm³ und
j) die Feuchtfühlgrenze mindestens 10% beträgt,

ausgenommen Bikomponentenfasern und -fäden sowie Fäden und Fasern mit einer Feuchteaufnahme (bei 65% relativer Luftfeuchtigkeit und 21°C) größer als 2%.

2. Fäden und Fasern nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die mittleren Porendurchmesser im Faserkern maximal 1000 nm betragen.

3. Fäden und Fasern nach den Ansprüchen 1 und 2, da durch gekennzeichnet, daß der mittlere Porendurch messer im Faserkern höchstens 400 nm beträgt.

4. Fäden und Fasern nach den Ansprüchen 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Differenz in der Feuchteaufnahme bei 65 und 95% relativer Luft feuchte und 20°C mindestens 2% beträgt.

5. Fäden und Fasern nach den Ansprüchen 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Feuchteaufnahme bzw. -abgabe mindestens 1% beträgt, wenn bei 20°C alle 20 Minuten abwechselnd die relative Luftfeuchte 65% bzw. 95% beträgt.