DE2944981B2 - Verfahren zum Herstellen von stiftförmigen Faserbündeln - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von stiftförmigen FaserbündelnInfo
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Description
Stiftförmige Faserbündel, die beispielsweise die Schreibfiüssigkeit in Zeichenstiften führen oder als
Filter dienen, werden in der Weise hergestellt, daß gewalkter Filz aus Wolle oder Filz aus synthetischen
Fasern unter Verwendung von Bindemitteln oder durch mechanische Verwirrung und Verkettung der Einzelfasern
in ihre endgültige Form und Größe gebracht werden. Bei der Herstellung von Zigarettenfiltern wird
zum Verkleben Triacetin als Plastifiziermittel auf miteinander verwundene Fasern aufgebracht, die
anschließend dann zu Stäbchen geformt werden. In jüngster Zeit werden verschiedene, aus Fasern geformte
Artikel unter Verwendung heißschmelzender und verklebender zusammengesetzter Fasern dadurch hergestellt,
daß ein Faserbündel durch ein von der Außenseite her erhitztes Rohr hindurchgeführt wird,
was jedoch den Nachteil hat, daß der Unterschied der Erwärmung zwischen der Oberfläche des Faserbündels
und dem Faserinnern sehr groß ist und die fertigen Stifte sich sehr leicht verformen können.
Aus der GB-PS 1195 105 ist ein Verfahren zur
Herstellung von stiftförmigen Faserbündeln für Schreibminen bekannt, bei dem man kontinuierlich
Faserstränge aus einem thermoplastischen Material durch eine Formgebungszone unter Ausbildung eines
Faserbündels zieht und anschließend das Faserbündel dann in einen Heiztunnel einführt, in welchem der
Querschnitt des Bündels verringert wird, worauf dann das Faserbündel auf eine Temperatur gebracht wird, bei
der eine oberflächliche Verklebung stattfindet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für stiftförmige Faserbündel zu
schaffen, bei denen die einzelnen Fasern auch im Innern hinreichend fest durch Anschmelzen miteinander
verklebt sind und sich nicht dabei deformieren, wobei diese Faserbündel aus bei Wärme anschmelzenden und
verklebenden, zusammengesetzten Fasern entstehen und die Herstellung der Faserbündel in sehr kurzer Zeit
und auf einfache Weise erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß dem Patentanspruch gelöst.
Die beim Erhitzen schmelzenden und klebrig werdenden Composit-Fasern können derart beschaffen
sein, daß der Unterschied zwischen den Schmelzpunkten der einzelnen Komponenten 10 bis 1000C beträgt
und die tiefer schmelzende Komponente wenigstens einen Teil der Faseroberfläche bildet und im angeschmolzenen
Zustand klebrig wird. Vorzugsweise beträgt der Schmelzpunktunterschied 20 bis 60° C,
wobei die Faserkomponenten entweder nebeneinander oder als Mantel und Kern vorliegen, wobei der außen
liegende Faserteil den tieferen Schmelzpunkt haben soll und zwischen 50 und 100% des Umfangs bei einem
Querschnitt der einzelnen Faser einnimmt. Als geeigne-
!0 te Kombination der Komponenten eignen sich Polypropylen/PoJyäthylen,
Polypropylen/Äthyler-Vinylacetat-Copolymere
oder deren Verseifungsprodukte oder eine Mischung der vorstehend genannten Polymere mit
Polyäthylen, Polyester/Polypropylen, Nylon 6/Nylon 66.
Wenn die Compositfasern auf eine Temperatur zwischen den beiden Schmelzpunkten der Komponenten
erhitzt werden, dann verklebt die Komponente mit dem tieferen Schmelzpunkt durch Verschmelzen,
während die Faserform erhalten bleibt. Für die Feinheit der einzelnen Fasern steht ein breiter Spielraum zur
Verfügung von 0,5 Denier bis 200 Denier. Es können entweder gekräuselte oder glatte zusammengesetzte
Fasern verwendet werden, wobei sich gekräuselte als besser erwiesen haben (z. B. 3 bis 30 Kräuselungen/
25 mm), und man kann entweder auf mechanischem Wege gekräuselte oder durch innere Spannungen
gekräuselte Fasern verwenden. Die Gestalt der Faserbündel kann vielfältig sein, z. B. verdrillt, gerade
nebeneinanderliegende Einzelfasern, kurze Faserstücke
so aneinander oder versponnene Garne. Man kann Fasern anderer Art mit den Composit-Fasern vermischen.
Als heißes Druckgas können Luft oder Dampf dienen, doch sind auch andere Gase, wie Stickstoff, verwendbar.
Dampf genießt wegen seiner besseren Wärmeleitfähig-
J5 keit gegenüber Luft den Vorzug, so daß die Apparatur
gedrängter gebaut werden kann und der Formvorgang schneller abläuft, doch wird Luft dann verwendet, wenn
Feuchtigkeit sich ungünstig auswirkt. Um die benötigte Wärmemenge so schnell wie möglich auf das Faserbündel
zu übertragen, wird das erhitzte Gas vor dem Eintritt in die Kammer unter Druck gesetzt. Der
injizierte Gasstrom durchdringt das Faserbündel dann bis ins Innere und wird nach Druckabbau in die
Atmosphäre abgegeben. Das in die Kammer eingeblasene Gas hat einen Druck in der Leitung von 0,5 bis 10 bar,
vorzugsweise 1 bis 5 bar, und die Temperatur vor Eintritt in die Kammer liegt vorzugsweise im Bereich
zwischen 100 und 250° C, vorzugsweise zwischen 110 und 200°C. Das Gas wird in einer Heizvorrichtung auf
die gewünschte Temperatur erhitzt.
Nachfolgend wird anhand schematischer Darstellung in der Zeichnung die Erfindung näher erläutert. Es
zeigen:
F i g. 1 eine bei dem Herstellungsverfahren nach der Erfindung bevorzugte Vorrichtung
F i g. 2 einen schematisch wiedergegebenen Produktionsablauf.
Durch ein Rohr 1 wird ein Faserbündel in die Vorrichtung eingeführt. Es gelangt in das Rohr über
einen Führungstrichter 2 und verläßt das Rohr am Ende
3. Auf die Austrittsöffnung der Kammer ist eine Formdüse 4 aufgesetzt, Gas gelangt über eine
Einblasöffnung 5 in die Injektionskammer 6.
Der gesamte Formapparat ist mit 7 bezeichnet, aus dem das fertig geformte Faserbündel 8 austritt, das mit
Abstand vor der Düse von Rollen 9 erfaßt und mit einer Schneidvorrichtung 10 in die gewünschte Länge der
einzelnen Stifte 11 zerstückelt wird. Das zum Erhitzen
benötigte Gas wird vor dem Eintritt in die Injektionskammer 6 in einer Heizvorrichtung 12 erhitzt
Ein Faserbündel wird durch die trichterförmige Führung 2 in das Einführrohr hineingezogen, verläßt
dieses am Ende 3 und wird weiter durch die Formdüse 4 wieder auf die Außenseite des Formungsapparates
hinausgeführt Wenn ein heißes, komprimiertes Gas durch die Einblasöffnung 5 in die Kammer 6 eingeführt
wird, heizt es das Einführrohr 1 von der Außenseite auf und strömt in Richtung auf die Formdüse 4 als auch ι ο
durch das Einführrohr 1 hindurch im Gegenstrom zu den Fasern zum Einführtrichter Z Da die Querschnittsfläche des Einführrohres größer als die der Formdüse
ist liegen die Fasern im Faserbündel innerhalb des Einführrohres nicht so dicht zusammen wie in der i>
Formdüse. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Fasern sind deshalb im Einführrohr größer als innerhalb
der Formdüse. Wenn auch das Einführrohr länger ist so strömt doch der überwiegende Teil des heißen Gases
durch das Einführrohr aus der Kammer heraus, während die Gasmenge, die durch die Formdüse hinausgelangt,
gering ist. Daraus ergibt sich, daß das Faserbündel nicht
nur von der Außenseite des Rohres her erwärmt wird, sondern daß vor allem das heiße Gas, das innen durch
das Einführrohr 1 strömt, die Fasern aufheizt. Das Faserbündel wird deshalb durch und durch ziemlich
gleichförmig erwärmt, was in der sehr kurzen Zeit von 0,1 bis 2 s erfolgt und bis zur Schmelztemperatur des
Klebrigwerdens geschieht. Wenn nur die Außenfläche des Einführrohres erhitzt wird, wird das Innere des w
Faserbündels nur unzureichend aufgeheizt, während dann, wenn nur heißes Gas durch das Einführrohr
hindurchströmt, die Erwärmung des Faserbündels auf seiner Außenfläche unzureichend ist, weil das Gas, das
durch den Teil des Faserbündels strömt, der sich nahe Jr>
der Rohrwandung befindet durch die Umgebung stärker abgekühlt ist und auch nur langsamer strömt als
der im Mitteibereich des Rohres und damit des Faserbündels strömende Gasanteil. Das Faserbündel
erhält noch eine zusätzliche Erwärmung zwischen dem ·ό
Ende 3 des Einführrohres und der Formdüse 4, wodurch die Verformung des Faserbündels in unterschiedliche
Querschnittsgestaltungen begünstigt wird. Ist die Eintrittsöffnung 5 für das heiße Gas, wie dargestellt, in
den Anfangsbereich des Einführrohres gelegt, dann wird 4^
auch das Einführrohr ausreichend auf seiner Außenseite erhitzt, und darüber hinaus wird vermieden, daß das
Faserbündel überhitzt und geschädigt wird, was geschehen könnte, wenn der Gasstrom unmittelbar
nach seinem Eintritt in die Kammer bereits im Bereich ^o
der Einführrohrspitze 3 auf das Faserbündel trifft. Das Faserbündel wird also durch und durch gleichmäßig
erhitzt, was in dem Zustand erfolgt, in dem die Fasern noch nicht so dicht beieinander liegen, d. h. also während
des Durchgangs des Faserbündels durch das Einführ- «
rohr. Für den Fall, daß die Fasern des Bündels sich aufgrund von Hitzeeinwirkung noch verformen können,
bilden sich die Wellen und Kräusel ganz gleichmäßig aus. Die Form des fertigen Faserbündels, die ihm in der
Formdüse aufgezwungen wird, ist danach stabil und 6«
unterliegt keiner Veränderung mehr.
Wenn die Querschnittsfläche des Einführrohrs zu groß ist, strömt aus dem Rohr das heiße Gas zu schnell
aus, so daß das Faserbündel dann nicht mehr richtig erhitzt wird. Ist dagegen die Querschnittsfläche zu klein, f>5
dann werden die Fasern des Bündels bereits durch den im Rohr herrschenden Druck miteinander verklebt und
außerdem nicht gleichmäßig in klebfähigen Zustand gebracht, und im äußersten Fall kann das Bündel nicht
aus dem Rohr heraus zur Formdüse gezogen werden. Ein brauchbares Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche des Einführrohres und der Querschnittsfläche der
Formdüse liegt zwischen 1,2 und 4.
Damit der äußere Bereich des Faserbündelquerschnitts unmittelbar durch das heiße Gas erhitzt werden
kann und damit genügend Gas von der Kammer 6 in das Einführrohr 1 hineingelangen kann, wählt man die
Länge des Einführrohres vorzugsweise so, daß zwischen dem Ende 3 und der Formdüse 4 etwas ein Abstand von
einem bis drei Zehntel der Gesamtlänge der Kammer 6 einschließlich Formdüse besteht
Die Querschnittsgestalt der Formdüse entspricht der gewünschten Querschnittsform der fertigen Elemente
und ist deshalb kreisförmig, elliptisch, wellen- oder
zickzackförmig. Die Formdüse besteht üblicherweise aus rostfreiem Stahl, kann jedoch, falls die Gefahr
besteht, daß das Faserbündel in seinem erweichten Zustand am Metall anhaftet auch aus PTFE hergestellt
sein. Der am Ende der Formdüse austretende Faserbündelstrang wird abgekühlt und verfestigt sich,
wird dann von Förderrollen 9 erfaßt und schließlich mittels einer Schneidvorrichtung 10 in gewünschte
Längenabschnitte zerschnitten. Das Abkühlen kann in üblicher Weise dadurch erfolgen, daß der Strang durch
ein Rohr hindurch geführt wird, das mit Luft oder Wasser gekühlt ist. Die Kühlung erfolgt im Bereich
zwischen der Formdüse und der Abzugsvorrichtung, welche den Faserstrang im Spalt zwischen zwei Rollen
durch leichten Druck erfaßt.
Erfindungsgemäß werden folgende Vorteile erzielt:
(1) Die stiftförmigen Faserbündel, deren Einzelfasern ausreichend und gleichmäßig nicht nur im Außenbereich,
sondern auch im Innern des Stranges miteinander verklebt sind, zeigen eine besonders
hohe Forinstabilität.
(2) Es ist möglich, die Faserbündel auf sehr einfache
Weise, mit hoher Geschwindigkeit und in einer sehr kompakten Apparatur herzustellen.
(3) Es ist möglich, stiftförmige Faserbündel zu erhalten, die durch einen Schmelzvorgang gleichmäßig in
sich verklebt sind, und zwar über den gesamten Querschnitt; dadurch kann man eine Faserdichte
erzielen, d. h. im Querschnitt einen Anteil der reinen Fasersubstanz zum Gesamtquerschnitt der
in einem verhältnismäßig weiten Bereich schwanken kann, nämlich zwischen 1 % und 40%.
Durch Schmelzen klebfähige, zusammengesetzte Fasern (Aufbau mit nebeneinanderliegenden Schichten),
bestehend aus Polyäthylen (Schmelzpunkt 135°C) als niedrig schmelzende Komponente und Polypropylen
(Schmelzpunkt 165° C) als höher schmelzende Komponente
bei einem Anteil der niedrig schmelzenden Komponente am Faserquerschnitt von etwa 60%,
werden zusammengefaßt und bei Raumtemperatur auf ihre dreifache Länge gestreckt und anschließend
entspannt, so daß sie sich kräuseln. Dieses gekräuselte Faserbündel mit einer Faserstärke von 3 Denier und
einer Gesamtstärke von 300 000 Denier wird zu einem Strang geformt. Dampf mit 1400C und einem Druck von
5 bar (Überdruck) wird in die Formapparatur gemäß F i g. 1 eingeleitet deren Einführrohr eine Länge von
20 cm (der Rohrabschnitt innerhalb der Kammer; die Gesamtlänge des Einführrohres beträgt 24 cm) und
deren kreisförmige Formdüse einen Durchmesser von 15 mm hat. Das Faserbündel durchläuft den Formapparat
mit einer Geschwindigkeit von 30 m/min, bei der es durch Erhitzen in die gewünschte Form gebracht wird,
woran sich eine Abkühiphase und dann das Zerschneiden in 10 cm lange Stäbe anschließt, die als Minen zur
Führung der Schreibflüssigkeit von Schreibstifter. dienen.
Da der Stab aus einem Bündel gekräuselter Fasern besteht, die fein und gleichmäßig über den Stabquerschnitt
verteilt und an vielen Stellen miteinander verklebt sind, sind im Stab gleichmäßig feine Hohlräume
verteilt, so daß er in der Lage ist, viel Schreibflüssigkeit aufzunehmen, und zwar etwa die doppelte Menge
herkömmlicher Schreibminen. Da außerdem die Mine aus endlosen Fasern hergestellt ist, gibt sie die
Schreibflüssigkeit sehr gleichmäßig ab, so daß das hergestellte Produkt als Mine für Schreibstifte sehr
geeignet ist.
30Gew.-% stark kräuselfähiger, heißverklebender
Verbundfasern (nebeneinanderliegende Schichten, 3 Denier/Faden, 102 mm), bestehend aus einer 1 ^-Mischung
(Schmelzpunkt 110° C) von Äthylen-Vinylacetat-Copolymer
(Vinylacetat-Bestandteil : 20%) als niedrig schmelzende Komponente und Polypropylen (Schmelzpunkt
165°C) als hoch schmelzende Komponente, wobei der Faserquerschnittsanteil der niedrig schmelzenden
Komponente im Umfangsbereich angeordnet ist, werden mit 7OGew.-°/o stark kräuselfähiger
Celluloseacetat-Stapelfasern (4 Denier/Faser, 102 mm) mittels eines Krempel vermischt, und die fertige
Mischung wird zu einem Faserband von 9 g/m geöffnet.
Dieses Faserband wird durch den Formapparat gemäß Fig.3 hindurchgeleitet, dessen Eir.führrohr
innerhalb der Kammer 5 eine Länge von 30 cm hat (Gesamtlänge der Kammer 42 cm), wobei Druckluft von
12O°C mit 3 bar (Überdruck) in die Kammer eingeleitet
wird. Das Faserband wird aus einer kreisförmigen Formdüse von 8 mm Durchmesser herausgezogen und
in Längen von 102 mm zu Zigarettenfilter-Abschnitten geschnitten. Das Produkt hat eine besonders hohe
Rückhaltefähigkeit für Nikotin und Teerprodukte im Rauch, bleibt dabei sehr elastisch und hat keine
nachteiligen Auswirkungen auf den Geschmack.
Ein verdrilltes Seil (Gesamtstärke: 1 Mio. Denier) aus heiß-verklebenden Composit-Fasern (Kern-Mantel-Faser
von 30 Denier), bestehend aus Polypropylen (Schmelzpunkt 165°C) als niedrig-schmelzende Komponente
und einem Polyester (Schmelzpunkt 190° C) als hoch-schmelzende Komponente wird geöffnet und dann
durch einen Formapparat gemäß F i g. 1 geleitet, dessen Faserbündel-Einführrohr eine Länge von 50 cm hat
■> (Gesamtlänge der Kammer 65 cm), wobei erhitzter
Dampf von 170° C bei einem Druck von 5 bar (Überdruck) in die Kammer eingeführt wird. Nachdem
der Strang aus einer sternförmigen Formdüse (eine Seitenlänge 1,5 cm) herausgezogen worden ist, wird
ίο eine Faserstange mit einer Länge von 15 m gebildet, die
sich als Drainage-Material für weichen Untergrund eignet.
Das fertige Produkt hat eine hohe Zugfestigkeit, denn es setzt sich aus einem Faserbündel von endlosen Fäden
r> zusammen. Seine hohe Wasserdurchlässigkeit ist durch
die Punktverklebung der einzelnen Fasern bedingt (Durchlässigkeits-Koeffizient: 3,7 χ 10~2cm/s), und es
ist in der Lage, in hohem Maße Wasser aufzunehmen, wobei es aufgrund seiner Stabform mit Sternquerschnitt
>ii noch sehr leicht ist. Es eignet sich also besonders gut als
Drainagematerial.
Ein Faserbündel von 70 000 Denier wird dadurch
_"i gewonnen, daß gekräuselte Fäden aus durch Schmelzen
verklebenden, zusammengesetzten Fasern (Schichtaufbau, 60 Denier/Faden) zusammengestellt wird, wobei
der niedrig schmelzende Anteil Äthylen-Vinylacetat-Copolymer (Vinylacetatgehalt 5%) (Schmelzpunkt
jo 105° C) und als hoch schmelzende Komponente
Polypropylen (Schmelzpunkt 165°C) dienen und der ungefähre Anteil der niedrig schmelzenden Komponente
im Faserquerschnitt 70% beträgt. Das Faserbündel durchläuft den Formapparat nach Fig. 1, dessen
'■ Faserbündel-Einführrohr eine Länge von 20 cm besitzt
(Gesamtlänge der Kammer 23 cm), während heiße Luft von 130° C mit 2 bar (Überdruck) in die Kammer
eingeblasen wird. Das Faserbündel wird durch Pressen und äußeres Glätten mittels einer quadratischen
4(i Formdüse von 4x4 mm ihrer Ausgangsöffnung geformt,
wodurch ein verfestigtes Produkt entsteht, das dann gekühlt und geschnitten wird. An einem Ende
werden die Faserbündel-Stäbe anschließend keilförmig zugespitzt und dienen dann als Schreibmine für
J> Breitstrichschreiber.
Aufgrund ihrer Zusammensetzung aus langen Fasern können diese Minen die Schreibflüssigkeit sehr gut
gleichmäßig abgeben und sind außerdem hart, jedoch elastisch, da zum Verkleben der Fasern kein Harz
')■> verwendet wird. Breitstrichschreiber dieser Art eignen
sich besonders auch als Augenbraunenstifte oder dergleichen.
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zum Herstellen von siiftförmigen Faserbündeln, insbesondere von Kapillaren enthaltenden Schreibstiftspitzen, bei dem thermisch verbindbare, endlose Fasern mit einem Anteil von mindestens 20% Composit-Fasern erhitzt und die erhitzten Fasern in einer Düse zu einem Faserbündel des gewünschten Durchmessers verbunden werden, von dem nachträglich die einzelnen stiftförmigen Faserbündel abgetrennt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die endlosen Fasern zunächst durch ein mit Abstand vor der Düse liegendes Rohr (1), dessen Innendurchmesser größer ist als der der Düse, geführt werden und die Außenwand des Rohres und der Bereich zwischen dem Ende des Pohres und der Düse innerhalb einer Kammer (6) einem heißen Druckgas ausgesetzt werden.
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