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Verfahren zur Herstellung von spontan auskräuselnden
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Chemiefasern und Filter aus derartigen Chemiefasern Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von spontan auskräuselnden, multikomponenten
Chemiefasern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf Filter aus derartigen
Chemiefasern. Sie ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung nach Patent (Patentanmeldung
P 32 44 778.7).
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Die nach dem Verfahren der Hauptanmeldung hergestellten Chemiefasern
besitzen die vorteilhafte Eigenschaft, daß sie nach ihrer Verstreckung ohne eine
zusätzliche BehandLungsstufe spontan helixförmig auskräuseln. Diese Kräuselung ist
sehr beständig und weitgehend unabhängig von thermischen und mechanischen Beanspruchungen.
Sie ist im wesentlichen allein eine Folge der erfindungsgemäßen Konstitution der
Chemiefasern und insbesondere der Verwendung einer Polymerkomponenten mit elastomerähnlichem,
entropie-elastischem Verformungsverhalten; entsprechend der Hauptanmeldung; welche
aufgrund dieser Tatsache in ihrer Gesamtheit in die vorliegende Zusatzanmeldung
einbezogen wird. Das gilt insbesondere für den Teil der Hauptanmeldung, in dem beschrieben
ist, wie der Kräuselungsgrad der Filamente eingestellt werden kann, beispielsweise
durch den von der Bi- oder Multikomponenten-Spinndüse abhängigen Filamentguerschnitt
(Asymmetrie) und die Verteilung der Komponenten (Flächen-bzw. Volumenanteile) in
den ausgesponnenen Filamenten, sowie durch die Materialauswahl (E Modul) und den
möglichen Verstreckungsgrad (Dehnung g) der ausgesponnenen Bi-oder Multikomponentenfasern.
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Aufgabe der vorliegenden Zusatzanmeldung ist es, das Verfahren nach
der Hauptanmeldung unter Einbezug der dortigen Erkenntnisse für weitere Anwendungsgebiete
so auszugestalten, daß insbesondere die Einrichtungen zur Ausübung des Verfahrens
einfacher ausgebildet werden können.
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Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmalen gelöst. Das angegebene Verfahren wird nach Anspruch 2 fortgebildet.
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Der Unterschied zu dem Verfahren nach der Hauptanmeldung und den danach
hergestellten Chemiefasern besteht darin, daß die Verteilung der verschiedenen Komponenten
in den Filamenten nicht vorherbestimmt und reproduzierbar, sondern zufällig erfolgt
und im wesentlichen von der vorangehenden Mischung, beispielsweise der Anzahl der
Mischstufen, abhängt. Die Verteilung kann sich aber auch über die Länge der einzelnen
Filamente ändern.
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Demzufolge ergibt sich für die erzielbare Kräuselung nur ein statistischer
Durchschnittswert. Über die Kräuselung des einzelnen Filametes können deshalb auch
keine definitiven Voraussagen gemacht werden. Andererseits besteht bei dem Verfahren
nach der Zusatzanmeldung der Vorteil, daß konstruktiv viel einfacher ausgestaltete
Spinndüsen mit beliebigen Düsenbohrungsquerschnitten, insbesondere runden oder trilobalen
Querschnitten, verwandt werden können. Spezieller Bi- oder Mehrkomponenten-Spinndüsen
mit einer Zusammenführung der verschiedenen Komponenten innerhalb der Spinndüse
in einem festgelegten Verhältnis und einer bestimmten Zuordnung bedarf es nicht.
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Die Verteilung der elastomeren Komponente in dem Grundpolymeren erfolgt
gemäß der Zusatzerfindung durch gezielte Mischung, insbesondere durch Schichtenbildung
mit statischen Mischeinrichtungen, vorzugsweise zwischen Aufschmelz- bzw. Austragszone
der Schneckenpressen für die verschiedenen Komponenten und den Spinndüsen. Sie wird
beeinflußt durch die Zahl der Mischstufen und die Wahl der Filtersiebe (Stufung
der Maschenweite) vor der Spinndüse. Bei einer solchen Verteilung der Komponenten
über den Querschnitt des Schmelzestromes ergeben sich für die einzelnen Filamente
Strukturen in statistischer Zufallsverteilung hinsichtlich der Anteile der einzelnen
Komponenten am Gesamtquerschnitt und hinsichtlich ihrer geometrischen Anordnung
im einzelnen Filament. So können beispielsweise verschiedene Einschlüsse(Kern-Mantel-Anordnung)
oder Seite-an-Seite-Anordnungen der Polymeren vorliegen. Gleichfalls können Mischformen
auftreten und auch Filamente, die über bestimmte Längen in ihrem Querschnitt nur
eine einzige Polymerkomponente aufweisen.
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Es sei jedoch betont, daß die Mischung der beiden Polymerkomponenten
nur so weit getrieben werden sollte, daß sich die verschiedenen Komponenten in den
Filamenten noch deutlich als im wesentlichen zusammenhängende Phasen identifizieren
lassen.
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Ein besonderer Vorteil der mit geringem maschinentechnischen Aufwand
erfindungsgemäß hergestellten Chemiefasern liegt in ihrer Verwendung zur Filterung
von Gasen und Dämpfen. In diesem Anwendungsbereich werden die Chemiefasern insbesondere
als Spinnkabel verarbeitet, bei denen die Filamente vorzugsweise eine Titer zwischen
3 und 5 dtex haben. Infolge der sich nach dem Verstrecken spontan
einstellenden
helixförmigen Kräuselung erhalten die Filamente des Spinnkabels einen Bausch und
damit eine Oberflächenvergrößerung, die die zweidimensionale Kräuselung entsprechender,
gekrimpter Spinnkabel übersteigt und die das Spinnkabel zu dem genannten Zweck besonders
geeignet macht. Durch derartige Filter lassen sich vorteilhaft Festkörperanteile
(Stäube, Aerosole) und feinverteilte Flüssigkeiten (Nebel) abscheiden Dabei sind
sie bis annähernd zu der Aufschmelztemperatur des Polymeren verwendbar. Dies ergibt
sich aus der Tatsache, daß die in dem Spinnkabel vorliegende Kräuselung nicht durch
unterschiedlichen Schrumpf der aneinanderhaftenden Polymeren bedingt ist und nicht
durch eine Wärmebehandlung ausgelöst oder fixiert ist, sondern aus dem entropie-elastischen
Verformungsverhalten der einen Komponente herrührt.
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Als Spinnmaterialien kommen, wie in der Hauptanmeldung beschrieben,
vorzugsweise Polypropylen, Polyamide, Polyester und deren artverwandte gummielastisch
modifizierte Co- oder Mischpolymere in Betracht. Für weniger kritische Anwendungsfälle
wird insbesondere Polypropylen bevorzugt, da dieses reichlich verfügbar ist und
an den Verarbeiter keine allzuhohen spinnerei- und maschinentechnischen Anforderungen
stellt. Dabei wird als gummielastisch modifiziertes, artverwandtes Polymer beispielsweise
ein mit EPDM-Anteilen modifiziertes Polypropylen des Typs Vestopren TP gemäß der
Hauptanmeldung bevorzugt.
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Eine Zusammensetzung von etwa 10% bis 40 %, vorzugsweise 25 % bis
35 % des gummielastisch modifizierten Polypropylens und dementsprechend 90 % bis
60 %, vorzugsweise 75 % bis 65 % eines teilkristallinen Polypropylens mit aufeinander
abgestimmten Spinneigenschaften hat sich für die Herstellung von spontan auskräuselnden
Spinnkabeln
zum Filtern von Gasen und Dämpfen als sehr gut geeignet
erwiesen. Als besonders interessantes Anwendungsgebiet hat sich die Weiterverarbeitung
und Konfektionierung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Spinnkabel
mit einer Stärke von 30.000 bis 500000 dtex für Zigarettenfilter herausgestellt,
da derartige Filter preisgünstig in der Herstellung, hygienisch unbedenklich und
geschmacksneutral sind.
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Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
In dieser zeigen: Fig. 1a bis 1d verschiedene Filamentquerschnitte; Fig. 2 den schematischen
Aufbau einer Spinnanlage zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Chemiefasern.
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Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Spinnanlage besteht im Extrusionsteil
aus zwei Extrudern 1, 2 zum Aufschmelzen der Polymeren und zum Liefern von zwei
homogenen Schmelzeströmen der artverwandten, spinnbaren Thermoplaste, wie beispielsweise
Polypropylen und einem gummiartig modifizierten Polypropylen gemäß dem Hauptpatent
(Patentanmeldung P 32 44 778.7). Die Extruder 1, 2 sind unabhängig voneinander,
so daß jeweils die günstigsten Temperaturen und Drücke für die Extrusion der Thermoplaste
gefahren und die für die gewünschte Fördermenge günstigste Schneckendrehzahl eingestellt
werden kann. Im übrigen unterscheiden sich die beiden Extruder 1, 2 nicht von Spinnextrudern
üblicher Bauart.
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Die an die Ausstoßzone der Extruder 1, 2 angeschlossenen, beheizten
Schmelzekanäle 3, 4, in welchen vorzugsweise
jeweils eine Dosierpumpe
oder ein Drosselventil zur Einstellung der ge-wnschten Ausstoßleistung und zur Druckanpassung
liegt, sind in einem Hosenstück 5 zusammengeführt und bilden von hier an einen gemeinsamen
Schmelzekanal 6, der zu dem Spinnkopf 7 oder über ein Schmelzeverteilersystem zu
mehreren Spinnstellen führt.
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Gemäß der Erfindung ist in dem gemeinsamen Schmelzekanal 6 eine mehrstufige
statische Mischeinrichtung 8 angeordnet, um die verschiedenen, von den Extrudern
1, 2 gelieferten Polymerströme ineinander zu verteilen. Derartige statische Mischer
sind beispielsweise aus der einschlägigen Fachliteratur (Chem.-Ing.-Techn. 51, 1979,
Nr. 5, Seiten 347 bis 364) bekannt. Sie sind nicht Gegenstand der Erfindung, so
daß auf ihren konstruktiven Aufbau und ihre Wirkungsweise hier nicht näher eingegangen
zu werden braucht.
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Nach einem Ausführungsbeispiel wurde in der Spinnanlage nach Fig.
2 eine statische Mischeinrichtung 8 des Typs '2Multiflux" mit mehr als vier Mischstufen
verwandt.
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Diese Anzahl wurde bis zu 14 Mischstufen erhöht und es wurde beobachtet,
daß die Dispergierung der beiden Polymerströme ineinander immer feiner wurde. Andererseits
wurde aber festgestellt, daß ein hoher Dispersionsgrad im Hinblick auf die Eigenschaft
der spontanen Kräuselung nach der Verstreckungsbehandlung keinerlei Vorteile brachte,
sondern eher von Nachteil war, weil dann eine stärkere Symmetrie der Polymerkomponenten
im Filamentquerschnitt erreicht wurde und die Kräuselmomente sich gegenseitig auf
hoben. Daher wurde für die Spinnanlage zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Filamente
eine Mischstufenzahl zwischen 5 und 10 bevorzugt und die günstigste Zahl der Mischstufen
in Abhängigkeit von den Polymeranteilen und den Schmelzindices der Komponenten durch
Versuche ermittelt.
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Im Anschluß andie Mischzone 8 des gemeinsamen Schmelzekanals 6 ist
eine Beruhigungszone vorgesehen, in welcher im Schmelzestrom Deformationen infolge
von Dehn- und Scherbeanspruchungen beim Durchfluß durch den statischen Mischer 8
abgebaut werden. Es sei erwähnt, daß der Strömungsquerschnitt der Beruhigungszone
gleich oder größer ist als der Strömungsquerschnitt des statischen Mischers, so
daß die Strömungsgeschwindigkeit des Polymerstroms gleich bleibt oder abnimmt. Die
optimale Länge der Beruhigungszone ist für eine festgelegte Anzahl von Mischstufen
im Hinblick auf die Ausbildung der Polymerschichtung kritisch und muß durch Versuche
jeweils ermittelt werden.
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Am Ende des gemeinsamen Schmelzekanals 6 befinden sich die Spinnstellen
mit den Spinnköpfen 7. Die Schmelze durchströmt hier ein Filterpaket und wird durch
die Düsenbohrungen der Düsenplatte, insbesondere Rechteckdüsenplatte für Rund- oder
Zeilendüse, vertikal nach unten ausgepreßt und wie beim üblichen Schmelzspinnprozeß
zu Filamenten 9 versponnen. In einer Versuchsanlage zur Herstellung eines Spinnkabels
gemäß der Erfindung wurde beispielsweise eine Rechteckdüse mit 8.400 Düsenbohrungen
verwandt.
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Unterhalb der Spinnköpfe 7 werden die erzeugten Filamente 9 mit Kühlluft
angeblasen und gleichmäßig abgekühlt. Danach wird eine Spinnpräparation aufgetragen.
Die Fadenschar wird nun zusammengefaßt und über eine horizontal gelagerte Abzugs-
oder Umlenkgalette 10 zur Verstreckung in ein Umschligungsstreckwerk 11 geführt.
Dieses besteht im einfachsten Fall aus einem Lieferwerk 12, einer Heizzone, beispielsweise
einer Heißluftstrecke 13, und einem Abzugswerk 14.
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Es sei erwähnt, daß sich das dargestellte Streckwerk 11 bei der Verstreckung
von im wesentlichen Polyolefine enthaltenden Filamenten gut bewährt hat und daß
zur Verstreckung andere: Polymerkombinationen modifizierte, beispielsweise mehrstufige
Streckwerke oder gegebenenfalls Streckwerke für eine Einzelverstreckung günstiger
angewandt werden können Nach dem Durchgang durch das Streckwerk 11 wird die Fadenschar
bzw das Spinnkabel 15 in eine Spinnkanne 16 abgelegt, von wo es zur weiteren Bearbeitung
oder Konfektionierung später entnommen werden kann.
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Die Fig. la bis lc zeigen schematische Querschnitte von willkürlich
aus der ersponnenen Fadenschar herausgegriffenen Filamenten 9. Diese sind durch
runde Düsenbohrungen ausgepreßt und bestehen aus den beiden Polymerkomponenten Polypropylen
und einem artverwandten, gummiartig modifizierten, thermoplastischen Co- oder Mischpolymeren.
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Die beiden Komponenten sind mit den Bezugszahlen 17 und 18 bezeichnet.
Der Anteil der einzelnen Komponente im Filament 9 kann - abhängig von der vorangegangenen
Mischung - schwanken und unterliegt den Gesetzen der Statistik. Hinsichtlich der
Anordnung der verschiedenen Komponenten im Filamentquerschnitt können reine Seite-an-Seite-Strukturen
(wie in Fig. la) oder Kern-Mantel-Strukturen (wie Fig. 1c) vorliegen. Am häufigsten
findet man jedoch Mischformen (wie in Fig. 1b), bei denen zu der Seite-an-Seite-Struktur
der beiden Polymerkomponenten 17, 18 noch kleinere inselförmige Einschlüsse der
dispergierten Phase in dem Matrixpolymeren hinzukommen.
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Insgesamt liegt jedoch eine statistische Verteilung der
beiden
Polymerkomponenten ineinander vor, bei der beide Komponenten 17 und 18 voneinander
getrennt sind und diskrete, asymmetrische Bereiche des Filamentquerschnitts ausfüllen.
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Eine ähnliche Verteilung der Komponenten liegt auch in dem Filamentquerschnitt
gemäß Fig. ld vor. Hier bildet das kristalline Polypropylen 17 die zusammenhängende
Phase und die gummiartig modifizierte Komponente 18 liegt in Seite-an-Seite-Anordnung
an den Filamenträndern oder ist inselförmigvon der zusammenhängenden Phase eingeschlossen.
Hinzu kommt noch, daß hier ein trilobaler Querschnitt der Düsenbohrung gewählt wurde,
um das Kräuselungspotential der ersponnenen Filamente 9 weiter zu erhöhen.
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