DE3203973A1 - Verfahren zur herstellung von fibrillierten textilen strukturen - Google Patents
Verfahren zur herstellung von fibrillierten textilen strukturenInfo
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Description
Verfahren zur Herstellung von f!brillierten textlien
Strukturen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von fibrillierten textlien Strukturen aus hochpolymeren Substraten
mittels Strahlen nichtkonventioneller Heizmedien, insbesondere Laserstrahlen.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Es ist bekannt, Fasern, Fäden oder Flächengebilde aus hochpolymeren
Werkstoffen oder deren Mischungen, bestehend aus den verschiedensten organischen und/oder anorganischen Komponenten
durch schrittweises, diskontinuierliches Verändern der Form und der Stoffeigenschaft, also durch Arbeitsgänge
wie z. 8. Gießen, Erspinnen, Recken, Reißen, Schneiden, Spleißen usw. herzustellen.
Aus der DD-PS 137 951 ist bekannt, textile Strukturen aus
hochpolymeren Substraten unter Verwendung nichtkonventioneller Heizmedien aus vorzugsweise in Pulverform vorliegenden
thermoplastischen Materialien herzustellen.
Es sind auch Verfahren bekannt, sowohl faser-, faden- als
auch flächenförmlge textile Strukturen aus synthetischen Polymeren,
vor allem mit dem Ziel der Verbesserung der Optik und
Haptik, zu fibrillieren« Fibrillen sind dabei morphologische,
übermolekulare Baueinheiten mit Dicken von 0,05/um bis 10 /um
und Längen von 100 /um bis zu Millimetern, Die Aufspaltung der
Fibrillen erfolgt vorzugsweise in Längsrichtung der textlien
Strukturen. Dabei nutzt man den Effekt, daß schmelzersponnene Polymermischungen von Polyäthylenterephthalat, Polyamid,
Polystyrol und Polyolefinen verschiedenster Mischungsverhältnisse eine Spaltneigung aufweisen (USP 3819769) bzw. diese
Spaltneigung durch mechanische,pneumatische,akustische,
chemische, elektrostatische oder strahlungsenergetische Methoden oder deren Kombinationen ausgelöst, unterstützt und
eingeleitet wird; oder man lagert die faserstoffbildenden
Polymerfibrillen in eine Matrix ein und löst vor, während oder nach der Verarbeitung die matrixbildende Substanz heraus.
Nach DE-PS 2 040 802 werden Verbundfaden hergestellt^ wobei
in eine Polystyrolmatrix Polyäthylenterephthalat-Fibrillen eingelagert werden. Nach dem Herauslösen der Matrixkomponente
werden Fibrillen mit einer Feinheit von 0,1 dtex und einem Durchmesser von 4 /jm erhalten.
Weiterhin werden in den DE-PS 1 949 170 und 2 063 440 Mischungen
von Polyamid und Polyäthylenterephthalat einschließlich der sich einstellenden Matrix-Fibrillenstruktur beschrieben.
Gemäß DD-PS 128 965 und DD-PS 84 061 werden fibrillierbare
Folien mechanisch auf Nähwirkmaschinen aufgespleißt.
Nächteilig bei all den bekannten Verfahren ist, daß die Fibrillierbarkeit
nur erreicht wird, indem Mischungen aus mindestens zwei oder mehr Polymeren, insbesondere in sich unverträgliche
Polymermischungen, durch spezielle Exkursions-Vorrichtungen gedruckt werden, und die Fibrillierung zusätzliche
Arbeitsgänge, wie z. B. chemisches Herauslösen, mechanisches Aufspleißen od. dgl. notwendig macht.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Nachteile der bekannten Verfahren zu vermeiden und die Fibrillierung auf
rationelle Weise durchzuführen.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, fibrillierte textile Strukturen auf direktem Wege unter Ausschaltung der bisher
erforderlichen Prozeßstufen mittels energiereicher Strahlen nichtkonventioneller Heizmedien, insbesondere Laserstrahlen,
herzustellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die
hochpolymeren Substrate mit einer Schüttdichte, die unter der Substanzdichte liegt, vorverdichtet werden. Dabei werden in
den hochpolymeren Substraten in Längs- und Querrichtung Störstellen und Eigenschaftsasyrametrien in Form von gasgefüllten
Hohlräumen erzeugt. Anschließend werden die hochpolymeren Substrate mit einem oder mehreren fokussierten Laserstrahlen,
die gleichzeitig oder nacheinander einwirken, kurzzeitig bestrahlt.
Die hochpolymeren Substrate werden unter Umgehung bzw. weitgehender Unterdrückung der zeitabhängigen Wärmeleit-
und Wärmeaustauschprozesse während der Lasereinwirkung bis in eine der polymerspezifischen Absorption entsprechenden Tiefe
aufgeschmolzen. Gleichzeitig erfolgt eine schlagartige Druckerhöhung und Volumenvergrößerung des in den Hohlräumen eingeschlossenen
Gases, das dabei teilweise entweicht.
Die Schmelzzone wird so schnell abgekühlt, daß eine porige Struktur mit einer durch Mikrokrater zerklüfteten Oberfläche
an der dem Laserstrahl bzw. den Laserstrahlen zugewandten Seite entsteht. Dieser Prozeß kann durch das Umspülen der
Schmelzzone mit inerten Gasen zusätzlich gefördert werden, wodurch gleichzeitig eine Reaktion des erhitzten Polymers
mit Luftsauerstoff vermieden wird. Volumenstrom, Druck und Strömungsgeschwindigkeit der inerten Gase können variabel
sein.
Die so gebildete und verfestigte Struktur wird von der Unterlage abgehoben und einer axialen und/oder biaxialen Zugbeanspruchung
unterworfen, die zur Ausbildung von mikrofeinen Fibrillen an den erfindungsgemäß induzierten Störstellen
führt. Gleichzeitig rollen sich die Strukturen um ihre Längsachse infolge des durch die Laserbestrahlung quer zur Längsachse
entstehenden biaxialen Eigenschaftsgradienten, so daß höhle oder u-förmige Strukturen entstehen.
Als hochpolymeres Substrat wird ein Polymerpulver eines oder
mehrerer faserstoffbildender Polymere verwendet. Daneben
können auch andere, der Erzielung spezieller Eigenschaften
dienende Mischkomponenten, wie z. B, anorganische Pulver oder Kurzfasern, dem hochpolymeren Substrat zugeführt werden.
Das Polymerpulver hat eine Körnung von 0-200 jum, vorzugsweise kleiner 100 /um.
Der Vorverdichtungsdruck für das hochpolymere Substrat liegt erfindungsgemäß in einem Bereich von 4 , 10 bis 10 KPa, vorzugsweise
bei 7,38 . 103 KPa bis 5,89 . 104 KPa.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet man mit einem oder mehreren fokussierten Laserstrahlen, vorzugsweise einem
COp-Laser im TEM_ -Mode. Diese Laserstrahlen wirken gleichzeitig
oder nacheinander auf das vorverdichtete hochpoly mere Substrat ein. Die zur Unterdrückung der Wärmeleitung
erforderlichen Einwirkungszeiten t£ des Laserstrahles bzw.
der Laserstrahlen liegen, erfindungsgemäß in einem Zeitbereich
— 3 —1
t£ = 10 s, mindestens jedoch bei t„ <
10 s.
Die für diese kurzen Einwirkungszeiten erforderlichen Relativgeschwindigkeiten
zwischen dem vorverdichteten hochpolymeren Substrat und dem Laserstrahlfokus werden durch Bewegung
bzw. Ablenkung des Laserstrahles bzw. der Laserstrahlen oder durch Bewegung des Substrates bzw. durch Kombination
beider Bewegungen erreicht. Durch die Steuerung der Bewegungsrichtung sowie die Anzahl der Laserstrahlen können verschiedenartige
fibrillierte textile Strukturen, wie Fadenscharen, Bändchen, Flächengebilde od. dgl,, hergestellt werden.
Das Polyesterregeneratpulver 1 wird kontinuierlich über die
Dosiervorrichtung 2, bestehend aus dem Leitblech 2a, dem 8egler
2b und dem Fühler 2c, einer Einrichtung zur Verdichtung, z. B. den Preßwalzenpaaren 3, 3'; 4, 4'i 5, 5' zugeführt und
bei einem Druck von 5,89 . 10 kPa zum vorverdichteten Substrat 6 mit einer Dicke von 1 mm und einer Breite von 2 mm
soweit verdichtet, daß dieses eine Schüttdichte von 1,3 g/cm ,
das entspricht ca. 94 % der Substanzdichte, aufweist. Das so vorverdichtete Substrat 6, das makroskopisch homogen ist, jedoch mikroskopisch kleine gasgefüllte Hohlräume aufweist,
wird mit einer Geschwindigkeit von 49 m/min mittels des über die Transportwalzen 7 geführten Transporttuches 7' so an
einem CCU-Laserstrahl 8 mit einer Leistung von 45 W bei
TEM -Mode vorbeigeführt, daß sich der mittels der Fokussieroptik
9 erzeugte Brennfleck 10 mit einem Durchmesser von dp =
0,35 mm genau auf der Oberfläche des vorverdichteten Substrates 6 befindet, während einer Einwirkungszeit von t,_ = 4,31 .
10"" s wird das vorverdichtete Substrat 6 linienförmig bis in
eine Tiefe von ca. 0,05 mm direkt, d. h. unter weitestgehender Unterdrückung von Wärmeleit- und Ausgleichsprozessen während
der Lasereinwirkung, aufgeschmolzen, wobei eine schlagartige Druck- und Volumenerhöhung der in den Hohlräumen eingeschlossenen
Luft stattfindet. Die Einwirkzone des Laserstrahles 8 wird mit Stickstoff umspült, wobei der Stickstoff über die
Gaszuführung 11 in die Düse 12 eingeführt und aus der Düse 12 koaxial zum Laserstrahl 8 mit Schallgeschwindigkeit wieder
austritt. Die nach Verlassen der Lasereinwirkzone einsetzende schlagartige Abkühlung der Schmelze wird dadurch noch unterstütz^
und es kommt erfindungsgemäß zur Ausbildung von Störstellen, die innerhalb der aufgeschmolzenen textlien Struktur
13 in Form von Bläschen über den gesamten Querschnitt und an der Oberfläche in Form von Mikrokratern auftreten.
Die linien- bzw. fadenförmig aufgeschmolzene textile Struktur 13, die einen nierenförmigen Querschnitt aufweist, wird
mittels eines starren Abhebeprismas 14, dessen Schneide 15 auf eine Tiefe entsprechend der Aufschmelztxefe auf 0,5 mm
eingestellt wird, durch die weitere Bewegung von dem Transportsystem 7 abgehoben und einem Reckwerk, bestehend aus zwei
beheizten Walzenpaaren 16, 16'; 17, 17* zugeführt.
Ai
Dabei weist das Zuführwalzenpaar 16, 16' eine Oberflächentempo
ratur von 150° C und das Abzugswalzenpaar 17, 17' eine
Oborflächeritomporotur von 180 C auf. Durch ontoprochonde
Umfangsgeschwindigkeiten ist ein Reckverhältnis von 1 : 4,1 eingestellt, wobei es durch die Zugbeanspruchung zum Aufspleißen
der textlien Struktur 13 zu vorwiegend netzartigen Fibrillen an den Störstellen kommt. Durch den biaxialen
Eigenschaftsgradienten über den Querschnitt der ungereckten
aufgeschmolzenen Struktur 13 rollt sich diese beim Recken ein, so daß ein fibrillierter Hohlprofilfaden 18, im vorliegenden
Fall mit einer Feinheit Tt » 7,6 tex und ovalem Querschnitt mit einer Dicke Däo.018 mm und einer Breite B&
0,141 mm entsteht. Das nicht in die textile Struktur 13 bzw, den Hohlprofilfaden 18 eingehende lose Polyesterregeneratpulver
24 wird über die Rückführeinrichtung 19 mit dem Brecher der Dosiervorrichtung 2 wieder zugeführt. Der Faden wird üblicherweise
auf einer Spule 21 hier mit 200 m/min aufgewunden. Nach dem Preßwalzenpaar 5, 51, über der mitlaufenden Niederhalterwalze
22 und im Bereich der Walzenpaar 16, 16' und 17, 17" des Reckwerkes sind Absaugvorrichtungen 23 für lose Pulverteile
24 angebracht.
Die Einstellung des Fokusdurchmessers dp bestimmt die Breite
der aufgeschmolzenen Struktur und damit die Feinheit. Die Breite kann somit variiert werden. Für feine Titer sollte
der Fokusdurchmesser bei dp «£" 0,3 mm liegen. Die Laserleistung
N. fr bestimmt bei erfindungsgemäßer Einwirkungszeit
und Breite die Tiefe der aufgeschmolzenen Struktur. Die aufzuwendende optimale Energiemenge E ergibt sich aus dem
Verhältnis von Laserleistung N, ** f Einwirkungszeit t£ und
der bestrahlten Fläche dp ,Tl nach der Formel
*" 4
Eopt " A ' NLeff ■ Έ
dp2 . Π
Die nach dem Aufschmelzen des hochpolymeren Substrates zur textlien Struktur einsetzende Zugbeanspruchung kann mit einer
Temperaturbeaufschlagung verbunden sein. Gleichzeitig wird die textile Struktur gereckt. Dabei können neben netzartigen
Fibrillen auch Fibrillen mit offenen Enden entstehen,
indem die Zugbeanspruchung unterhalb des Grenzreckverhältnisses so gesteuert wird, daß der Bruch einzelner netzbildender
Filamente erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ohne vorherige Reinigung bzw, Beseitigung der Rest feuchte des hochpolymeren Substrates
und ohne Klimatisierung durchgeführt werden. Eventuelle Fremdsubstanzen oder Feuchteunegalitäten fördern die Bildung der
genannten Störstellen und der Eigenschaftsasymmetrien, die wiederum die porige Struktur hervorrufen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann kontinuierlich oder diskontinuierlich
durchgeführt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, mehrere Fäden gleichzeitig oder Fadenscharen herzustellen, indem ein
entsprechend breites vorverfestigtes Substrat erzeugt wird und dieses verfahrensgemäß an mehreren fokussierten Laserstrahlen
vorbeigeführt wird. Eine Möglichkeit der Geschwindigkeitserhöhung des Fadenabzuges bei gleichbleibender Vorschub-
geschwindigkeit des vorverfestigten Substrates besteht darin, daß der Laserstrahl bzw. mehrere Laserstrahlen zusätzlich
senkrecht zur Transportrichtung der Vorlage durch Ablenkeinrichtungen, z. B. Kippspiegel, bewegt werden, so daß kein
geradliniger Lauf der aufgeschmolzenen Struktur entsteht,
sondern dieser z. B. auch sinusförmig sein kann«
So kann beispielsweise bei einer Transportgeschwindigkeit des vorverfestigten Substrates von 25 m/min und einer Amplitude
der Auslenkung des Laserfokus von 3 mm bei einer Frequenz von 70 Hz die textile Struktur mit einer Geschwindigkeit
von 75 m/min dem Prozeß der Zugbeanspruchung zugeführt werden.
Durch Einsatz einer Laserstrahlführung, bei der ein Laserstrahl
oder mehrere Laserstrahlen so über das vorverfestigte Substrat gelenkt werden, daß sich die Strahlenwege kreuzen,
mindestens jedoch teilweise überlappen, können Flächengebilde hergestellt werden, die monoaxial und/oder biaxial gereckt
werden können.
Bei einer diskontinuierlichen Durchführung des Verfahrens
erfolgen die vor dem verfahrensgemäßen Bestrahlen mit fokussiertem
Laserlicht liegenden Schritte der Pulvervorbereitung und -verdichtung so, daß transportfähige Formkörper, wie Platten
oder Zylinder, hergestellt werden. Die verfahrensgemäß notwendige Relativbewegung zwischen Laserstrahlfokus und
Formkörperoberfläche wird z. B, durch Translations- und/oder Rotationsbewegung des Formkörpers erreicht. Nach Abarbeiten
des Formkörpers, wobei auch über bereits bestrahlte Zonen, aus denen die Struktur schon abgehoben ist, erneut bestrahlt
werden kann, wird dieser analog einer Spule gewechselt.
Das Verfahren soll nachstehend durch ein Ausführungsbeispiel
an Hand der Zeichnung näher erläutert werden:
Als hochpolymere3 Substrat wird ein Polyesterregeneratpulver
verwendet, das durch spezielle Vorbereitung, wie z. B. durch Mahlen oder Sieben, einen Korndurchmesser £ 30 /um aufweist.
| 3' 41 |
Polyester-Regeneratpulver | |
| Dosiervorrichtung | ||
| Leitblech | ||
| Regler | ||
| 32039,73 *·· | Fühler | |
| ' Preßwalzenpaare | ||
| Aufstellung der verwendeten Bezuqszeichen | vorverdichtetes Substrat | |
| 1 | Transportsystem | |
| 2 | Transporttuch | |
| 2a | Laserstrahl | |
| 2b | Fokussier-Optik | |
| 2c | Brennfleck | |
| 3, 4, |
16* 17" |
Gaszuführung |
| 6 | Düse | |
| 7 | aufgeschmolzene textile Struktur | |
| 7' | Abhebeprisma | |
| 8 | Schneide | |
| 9 | ' Walzenpaare | |
| 10 | Höh!profilfaden | |
| 11 | Rückführeinrichtung | |
| 12 | Brecher | |
| 13 | Spule | |
| 14 | Niederhaltewalze | |
| 15 | Absaugvorrichtung | |
| 16, 17, |
Polvesterreaeneratpulver | |
| 18 | ||
| 19 | ||
| 20 | ||
| 21 | ||
| 22 | ||
| 23 | ||
| 24 | ||
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung von-, f!brillierten textilen
Strukturen aus hochpolymeren Substraten mittels Strahlen nichtkonventioneller Heizmedien, insbesondere Laserstrahlen,
durch Vorverdichten und Bestrahlen der hochpolymeren Substrate, gekennzeichnet dadurch, daß die
hochpolymeren Substrate mit einer Schüttdichte, die unter
der Substanzdichte liegt, vorverdichtet werden, daß in den hochpolymeren Substraten in Längs-' und Querrichtung
Störstellen und Eigenschaftsasymmetrien in Form von gasgefüllten Hohlräumen erzeugt werden, daß die hochpolymeren
Substrate mit einem oder mehreren fokussierten Laserstrahlen, die gleichzeitig oder nacheinander einwirken,
kurzzeitig bestrahlt werden, daß einerseits unter Umgehung bzw. weitgehender Unterdrückung der zeitabhängigen
Wärmeleit- und Wärmeaustauschprozesse während der
Lasereinwirkung bis in eine der polymerspezifischeri Absorption entsprechenden Tiefe die hochpolymeren Substrate
aufgeschmolzen werden, andererseits eine schlagartige Druckerhöhung und Volumenvergrößerung des in den Hohlräumen
eingeschlossenen Gases herbeigeführt wird, daß dasselbe teilweise entweicht, daß die Abkühlung der Schmelzzone
so schnell vorgenommen wird, daß eine porige Struktur mit einer durch Mikrokrater zerklüfteten Oberfläche
entsteht und daß die so gebildete Struktur nach dem Abheben
von der Unterlage einer Zugbeanspruchung unterworfen wird, die zur Ausbildung von mikrofeinen netzartigen
Fibrillen oder Fibrillen mit losen Enden an den erfindungsgemäß induzierten Störstellen führt.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Vorverfestigungsdruck Py für das hochpolymere Substrat
in einem Bereich von 4 . 1O3 kPa bis ΙΟ5, vorzugsweise
bei 7,28 . 1O3 kPa bis 5,89 . 104 kPa, liegt.
3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die
Einwirkungszeiten t„des Laserstrahles im Zeitbereich tp = IO s, mindestens jedoch bei tE<r 10 xs liegen.
4. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das
hochpolymere Substrat mit einem fokussierten Laserstrahl -,
vorzugsweise einen C02-Laser im TEM -Mode, bestrahlt wird.
5. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das hochpolymere Substrat mit mehreren fokussierten Laserstrahlen,
vorzugsweise im TEM -Mode, die gleichzeitig oder nacheinander einwirken, bestrahlt wird.
6. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die
erforderlichen Relativgeschwindigkeiten zwischen verdichtetem hochpolymerem Substrat und Laserstrahlfokus durch
Bewegung bzw. Ablenkung des Laserstrahles oder durch Bewegung des Substrates oder durch Kombination beider Bewegungen
erzeugt werden.
7. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Einstellung des Fokusdurchmessers dp die Breite der aufgeschmolzenen
Struktur bestimmt,
8. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die
Laserleistung N. r* bei erfindungsgemäßer Einwirkungszeit und Breite die Tiefe der aufgeschmolzenen Struktur
bestimmt.
9. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die aufgeschmolzene Struktur durch Umspülung der Einwirkungszonen der fokussierten Laserstrahlen mit inerten Gasen,
deren Volumenstrom, Druck und Strömungsgeschwindigkeit variabel sind, zusätzlich abgekühlt wird,
10, Verfahren nach Punkt l, gekennzeichnet dadurch, daß die
Zugbeanspruchung mit einer Temperaturbeaufschlagung kombiniert wird.
11. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei der axialen und/oder biaxialen Zugbeanspruchung die textile
Struktur gleichzeitig gereckt wird.
12. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das
Vorverdichten, Bestrahlen und Aufschmelzen des hochpolymeren
Substrates ohne vorherige Reinigung und Beseitigung der Rest feuchte desselben und ohne Klimatisierung bei
der Vorbereitung und Durchführung des Verfahrens erfolgt.
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|---|---|---|---|---|
| DE3600577A1 (de) * | 1986-01-10 | 1987-07-16 | Wangner Gmbh Co Kg Hermann | Verfahren zum flicken von schadenstellen in papiermaschinenbespannungen |
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| AT395431B (de) * | 1990-02-02 | 1992-12-28 | Isonova Tech Innovat Gmbh | Geformter koerper aus aromatischen polyestern |
| FI98714C (fi) * | 1994-08-29 | 1997-08-11 | Valtion Teknillinen | Menetelmä vaahdotetun muovituotteen valmistamiseksi |
| US6454978B1 (en) | 2000-06-16 | 2002-09-24 | Avery Dennison Corporation | Process for making fuel cell plates |
| US20140170012A1 (en) * | 2012-12-18 | 2014-06-19 | United Technologies Corporation | Additive manufacturing using partially sintered layers |
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- 1982-04-09 US US06/367,071 patent/US4438053A/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3600577A1 (de) * | 1986-01-10 | 1987-07-16 | Wangner Gmbh Co Kg Hermann | Verfahren zum flicken von schadenstellen in papiermaschinenbespannungen |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS57176208A (en) | 1982-10-29 |
| DD158919A1 (de) | 1983-02-09 |
| US4438053A (en) | 1984-03-20 |
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