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Anlage zur Eingabe
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Verfahren zur Herstellung von hydrophilen Fäden und Fasern nach dem
Trocken-Düsen-Naßspinnverfahren Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von hydrophilen Kern/Mantelstruktur aufweisenden Fäden oder Fasern aus fadenbildenden
Polymeren, insbesondere aus Acrylnitrilhomo- oder Copolymerisaten nach der Trocken-Düsen-Naßspinnmethode
in Gegenwart von Wasserdampf als erstes Fällmedium für Polyacrylnitrilfäden.
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Das Trocken-Düsen-Naßspinnverfahren wird im allgemeinen angewendet,
um die Verstreckung der Fäden zu erleichtern, die Porosität der Faserstruktur zu
verringern (vergl. die DT-OS 1 660 463), oder aber auch wie in der US-PS 3 415 922
beschrieben, um den Rohton der Fäden zu verbessern. Der Abstand zwischen Düse und
Badoberfläche darf nach der DT-OS 1 660 463 nicht mehr als 11,4 cm betragen, um
ein Zusammenlaufen und Verkleben der einzelnen Spinnfäden zu verhindern.
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Dieser maximale Abstand von 11,4 cm wird verwirklicht, indem man zur
Verstärkung der anfänglichen Koagulierung des ausgespritzten fadenbildenden Materials
die Fäden durch eine Nebelatmosphäre aus Wasser, dem Spinnlösungsmittel oder einem
Gemisch der beiden, welches mittels Luftzufuhr aus Düsen
in einer
Kammer feinst versprüht wird, geleitet werden, ehe die Fäden im Fällbad vollständig
koaguliert werden.
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Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß man anstelle von unporösen
Fasern Kern/Mantelstruktur aufweisende Acrylfasern hoher Hydrophilie nach der Trocken-Düsen-Naßspinnmethode
erhält, wenn man Wasserdampf statt fein zerstäubter Wasser-Luftgemische bzw. Wasser-Luft-Lösungsmittelgemische
als erstes Fällmedium einsetzt.
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Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Herstellung
von hydrophilen Kern-Mantel-Struktur aufweisenden Fäden oder Fasern aus fadenbildenden
synthetischen Polymeren mit einer Porosität von mindestens 10 % und einem Wasserrückhaltevermögen
von mindestens 10 96 einer Faserquellung, die geringer ist als das Wasserrückhaltevermögen,
durch Verspinnen einer Polymerlösung nach dem Trocken-Düsen-Naßspinnverfahren, dadurch
gekennzeichnet, daß man die Fäden unmittelbar nach Austritt aus der Spinndüse und
vor dem eigentlichen Koagulationsprozeß im Fällbad mit Wasserdampf oder dem Dampf
einer anderen die Fäden koagulierenden Flüssigkeit in Berührung bringt.
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Bei dieser Technik, d.h. bei der Verwendung von Wasserdampf spielt
auch der aus der Patentliteratur bekannte maximal einzuhaltende Abstand zwischen
Düse und Fällbadoberfläche von 11,4 cm keine wesentliche Rolle. Der Abstand zwischen
Düse und Fällbad kann beispielsweise 50 cm und mehr betragen, ohne daß die Fäden
zusammenlaufen und verkleben.
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Zweckmäßigerweise wird der Wasserdampf oberhalb der Düse in den Spinnschacht
zentral eingeblasen. Es können auch Dampf/Luftgemische eingesetzt werden. Im allgemeinen
reichen
Dampfmengen von ca. 1 kg Dampf pro kg Spinngut aus, um bereits
hydrophile Kern/Mantelstruktur aufweisende Acrylfasern zu erzeugen, wenn man von
einer Polyacrylnitrilspinnlösung der Konzentration ca. 30 % ausgeht.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Polymerisate, die normalerweise
nicht hydrophil sind, vorzugsweise Acrylnitrilpolymerisate und besonders bevorzugt
solche mit mindestens 50 Gew.-%, insbesondere mit mindestens 85 Gew.-% Acrylnitril-Einheiten,
versponnen.
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Erfindungsgemäß geeignete Dämpfe zur Vorkoagulation der noch nicht
verfestigten Fäden sind neben Wasserdampf alle Dämpfe von Substanzen, die für die
versponnenen Polymerisate, insbesondere Acrylnitrilpolymerisate, ein Nichtlösungsmittel
darstellen wie beispielsweise im Falle von Acrylnitrilpolymerisaten, ein- und mehrfach
substituierte Alkyläther und -ester mehrwertiger Alkohole, wie Diäthylenglykol,
Tripropylenglykol, Glykolätheracetate. Ferner sind Alkohole wie 2 Äthylcyclohexanol,
Glycerin, Ester oder Ketone oder Gemische, z.B. aus Äthylenglykolacetaten, 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 Tetrachlorkohlenstoff.
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Je nach Intensität der Dampfeinblasung auf die Polymerfäden lassen
sich sowohl die Querschnittsstruktur als auch die Breite der Mantelfläche und die
Hydrophilie der Fäden steuern.
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Die Dicke und somit die Saumbreite der Mantel fläche läßt sich erfindungsgemäß
durch die Wahl des Verhältnisses von Luft zu Dampfgemisch oder auch nur der Dampfmenge
derart
steuern, daß bei hohen Dampfmengen vorzugsweise Kern/Mantelfasern
mit großer Saumbreite der Mantelfläche, die bis zu ca. 75 % der gesamten Faserquerschnittfläche
ausmachen können, erzeugt werden.
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Setzt man bein Spinnprozeß nur wenig Dampf ein, so erhält man ungekehrt
Kern/Mantelfasern, die sich mehr und mehr der beim Naßspinnprozeß üblichen Querschnittsstruktur
nähern und die ein entsprechend niedriges Wasserrückhaltevermögen aufweisen.
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Die Querschnittsstruktur der Kern/Mantelfasern wurde anhand von elektronenmikroskopischen
Aufnahmen bestimmt. Zur Bestimmung des Kern- bzw. Mantelflächenanteils der Fasern
wurden jeweils ca. 100 Faserquerschnitte durch quantitative Analyse mit dem Bildanalysengerät
"Classimat" der Firma LEITZ ausgewertet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Dampf bevorzugt oberhalb
der Spinndüse in Richtung des Fadenabzuges eingeblasen. Es ist jedoch eine Anblasung
quer zu den Fäden auch unterhalb der Düse möglich, wenn die Anblasung so erfolgt,
daß keine zu starke Turbulenz auftritt.
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Die Fäden und Fasern hergestellt nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen durch ihre poröse Kern-Mantel-Struktur eine hohe Saugfähigkeit,
Wasseraufnahme ohne Quellung, schnellen Feuchtigkeitstransport und hohe Feuchteaufnahme
sowie, ebenfalls bedingt durch die poröse Struktur, eine niedrige Dichte. Durch
die Summe dieser positiven Eigenschaften in einem einzigen Faserprodukt wird somit
eine Faser zur Verfügung gestellt, aus der sich textile Gebilde, insbesondere Kleidungsstücke,
fertigen lassen, die
ihrem Träger einen hervorragenden Tragekomfort
vermitteln.
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Die Bestimmung der zur Charakterisierung der Fäden dienenden physikalischen
Größen wurde1 wie nachstehend beschrieben ausgeführt. Diese Meßmethoden beziehen
sich auf gefärbte bzw. blindgefärbte von Präparation befreite Fasern, Garne oder
Textil flächengebilde.
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Meßmethoden: Quecksilber-Dichte-Bestimmung (# 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 Überdruck von 10 bar festgestellt.
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Helium-Dichte-Bestimmung (gHe) Nach Ausheizen der Probe bei 500C unter
Vakuum (10-2 bar) wird die Helium-Dichte (wahre Dichte) durch Volumenmessung in
Helium mit einem Gasvergleichspyknometer festgestellt.
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Definition der Porosität (P) P = El- (Hg /fHe) 2 . 100 % 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 Poren im Mittel deutlich größer sind als die Poren im
Mantel. Der Mantel kann insbesondere kompakt erscheinen, d.h. im wesentlichen keine
Poren über 300 Å Durchmesser aufweisen.
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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 geschilderte Strukturunterschied erkennbar wird.
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Bestimmung des Wasserrückhaltevermögens (WR): Das Wasserrückhaltevermögen
wird in Anlehnung an die DIN-Vorschrift 53814 (vgl. Melliand Textilberichte 4 1973,
Seite 350) bestimmt.
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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 ermittelt, die in und zwischen
den Fasern zurückgehalten wird. Zur Bestimmung des Trockengewichtes werden die Fasern
bis zur Feuchtekonstanz bei 1050C getrocknet. Das Wasserrückhaltevermögen (WR) in
Gewichtsprozent ist:
mf = Gewicht des feuchten Fasergutes mtr = Gewicht des trockenen Fasergutes.
Die
folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung. Teil- und Prozentangaben
beziehen sich, wenn nicht anders vermerkt, auf das Gewicht.
Beispiel
1 Ein Acrylnitrilcopolymerisat aus 93,6 % Acrylnitril, 5,7 % Acrylsäuremethylester
und 0,7 % Natriummethallylsulfonat wurde in Dimethylformamid (DMF) bei 80°C gelöst.
Die filtrier-te Spinnlösung, die eine Endkonzentration von ca.
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30 Gew.-% aufwies, wurde aus einer 24 Loch-Ringdüse vertikal durch
eine Dampfatmosphäre in ein wäßriges Koagulationsbad gesponnen. Im Zentrum der Düse
wurde ein siebförmiger Verteiler eingebaut, über den der Dampf in ein 50 cm langes
Rohr vom Durchmesser 275 mm, welches ca. 2 cm über dem wäßrigen Fällbad endete,
durchgeleitet wurde. Die Dampftemperatur betrug 1120C. Es wurde 9,5 kg Dampf pro
Stunde durch das Rohr geschickt. Als Badflüssigkeit wurde ein Wasser/DMF-Gemisch
im Verhältnis 1:1 verwendet. Die Filamente wurden mit 61,5 m/Minute abgezogen und
durchliefen dabei nach der Dampfzone insgesamt eine Fällbadstrecke von 60 cm.
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Anschließend wurden die Fäden in kochendem Wasser 1:6fach verstreckt
bei 800C, in Wasser gewaschen und bei 1000C getrocknet. Die Einzelfäden vom Endtiter
3,3 dtex hatten ein Wasserrückhaltevermögen nach DIN 53 814 von 42 %. Die Fäden
besaßen eine ausgesprochene Kern/Mantelstruktur bei unregelmäßiger, mehrfach gezackter
Querschnittsform. Der Flächenanteil des Mantels betrug ca. 20 % der gesamten Querschnittsfläche.
Die Porosität betrug 31,8 % (JfHe = 1,175;Hg = 0,802).
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Beispiel 2 Ein Acrylnitrilcopolymerisat mit der chemischen Zusammensetzung
von Beispiel 1 wurde ähnlich wie in Beispiel 1 beschrieben versponnen. Die Dampftemperatur
betrug 1050C.
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Es wurde 11 kg Dampf pro Stunde durch das Rohr geschickt.
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Im Koagulationsbad befand sich ein Gemisch aus 35 % DMF und 65 %
Wasser. Die Fällbadstrecke war 80 cm lang.
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Die Filamente wurden wieder mit 61,5 m/Minute aus der Düse abgezogen,
analog verstreckt, gewaschen und getrocknet.
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Die Einzelfäden vom Endtiter 3,3 dtex hatten ein Wasserrückhaltevermögen
von 43 %. Die Fäden besaßen wieder eine ausgesprochene Kern/Mantelstruktur bei bohnenförmiger
bis ovaler Querschnittsform. Der Flächenanteil des Mantels betrug ca. 30 % der gesamten
Querschnittsfläche. Die Porosität betrug 31,7 z (He = 1,170; = 0,799).
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Beispiel 3 Ein Acrylnitrilcopolymerisat mit der chemischen Zusammensetzung
von Beispiel 1 wurde wie in Beispiel 2 beschrieben versponnen, verstreckt und zu
Fäden nachbehandelt. Das Koagulationsbad bestand aus reinem Wasser. Die Einzelfäden
vom Endtiter 3,3 dtex hatten ein Wasserrückhaltevermögen von 43 %.
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Die Fäden besaßen wiederum Kern/Mantelstruktur bei bohnenförmiger
bis trilobaler Querschnittsform. Flächenanteil des Mantels ca. 30 %. Die Porosität
betrug 32,0 % (3 je = 1,180; Hg Hg = 0,803).
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Beispiel 4 Ein Teil der Spinnlösung aus Beispiel 1 wurde wie dort
beschrieben versponnen und nachbehandelt. Die eingespeiste Dampfmenge betrug 5 kg
pro Stunde. Die Dampftemperatur lag bei 1100C. Das Koagulationsbad bestand aus 40
% DMF und 60 % Wasser. Die Fällbadstrecke war 50 cm lang. Die Einzelfäden vom Endtiter
3,3 dtex hatten ein Wasserrückhaltevermögen von 36 %. Die Fäden besaßen wieder Kern/Mantelstruktur
bei unregelmäßiger trilobaler bis pilzförmiger Querschnittsform.
Der
Flächenanteil des Mantels betrug ca. 15 % der gesamten Querschnittsfläche. Die Porosität
betrug 28,4 % (#He = 1,180; #Hg = 0,845).
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Beispiel 5 (Vergleich) Ein weiterer Teil der Spinnlösung aus Beispiel
1 wurde wie dort beschrieben versponnen. Anstelle von Dampf wurde Luft von 1150C
durch das Rohr geblasen und die Fäden analog wie in Beispiel 1 beschrieben in ein
Fällbad koaguliert, verstreckt und nachbehandelt. Die Einzelfäden vom Endtiter 3,3
dtex haben eine bohnenförmige bis ovale Querschnittsform, jedoch keine Kern/Mantelstruktur.
Das Wasserrückhaltevermögen beträgt 6 %. Die Porosität betrug 4,5 % (He = 1,180;
ff Hg = 1,128).