DE2944981B2

DE2944981B2 - Verfahren zum Herstellen von stiftförmigen Faserbündeln

Info

Publication number: DE2944981B2
Application number: DE2944981A
Authority: DE
Inventors: Hiromu Shiga Sonoda; Taizo Moriyama Shiga Sugihara
Original assignee: Chisso Corp
Current assignee: JNC Corp
Priority date: 1978-11-15
Filing date: 1979-11-07
Publication date: 1981-05-07
Also published as: US4270962A; GB2036115A; GB2036115B; DE2944981A1; JPS5940938B2; DE2944981C3; JPS5567415A

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 J^r> 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%.

Beispiel 1

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.

Beispiel 2

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.

Beispiel 3

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.

Beispiel 4

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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

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.