DE4011883A1 - Verfahren zur herstellung von feinstfaservliesen aus thermoplastischen polymeren - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstel­ lung von Feinstpolymerfaservliesen aus thermoplastischen Polymeren mit einem mittleren Faserdurchmesser von 0,1 µm-20 µm, vorzugsweise 0,5 µm-10 µm, bei dem das ge­ schmolzene Polymer in einem rotierenden Düsenkopf unter einem Vordruck von 1 bar-200 bar aus einer Vielzahl von Austrittsbohrungen radial unter Faserbildung geschleu­ dert wird und die noch nicht vollständig erstarrten Fa­ sern in einem radialen Abstand von 10 mm-200 mm von den Austrittsbohrungen durch einen äußeren Gasstrom in axiale Richtung umgelenkt und anschließend als Vlies auf einem umlaufenden, luftdurchlässigen Träger abgeschieden werden. Ein derartiges Verfahren wird in DE-A 38 01 080 beschrieben.

Gemäß dem Stand der Technik werden Faservliese aus schmelzbaren Polymeren in erster Linie nach dem soge­ nannten Melt-Blown-Verfahren hergestellt (siehe z. B. US 40 48 364, US 46 22 259, US 46 23 576, DE 29 48 821, EP 92 819, EP 02 39 080). Die gemäß EP 2 39 080 herge­ stellten elastischen Vliesstoffe sind z. B. durch einen mittleren Faserdurchmesser gekennzeichnet, der über 10 µm liegt. Dieser Bereich ist auch mit konventionellen Stapel- oder Endlosfaserspinnverfahren ohne Probleme zu­ gänglich. Die so hergestellten elastischen Vliesstoffe können daher streng genommen nicht als Mikrofaser- oder Feinstfaservliesstoffe bezeichnet werden. Da das Melt- Blown-Verfahren auf einer rein aerodynamischen Faser­ bildung beruht, wobei die Polymerschmelze mit Luft hoher Geschwindigkeit (100-300 m/s) unter einer Temperatur oberhalb der Schmelzetemperatur direkt verblasen wird, müssen spezielle Voraussetzungen hinsichtlich der Mate­ rialeigenschaften des Polymers zur Erzielung von sehr feinen Faserdurchmessern erfüllt sein. Die Schmelze muß insbesondere eine niedrige Schmelzviskosität und Dehn­ viskosität besitzen. Polymere mit geringen Wechselwir­ kungskräften zwischen den Molekülketten, wie z. B. Poly­ olefine, haben sich als besonders geeignet herausge­ stellt. Liegen dagegen höhere Wechselwirkungskräfte vor, wie z. B. bei PA, TP und Polyurethan vor, so wird der Faserbildungsprozeß durch die hohe Dehnviskosität be­ hindert, was in der Regel zu gröberen Faserdurchmessern führt. Selbst eine Erniedrigung des Molekulargewichts ist mit Rücksicht auf die Faser- und Vlieseigenschaften nur begrenzt hilfreich. Die Verfahrensparameter wie die Schmelzetemperatur und die Lufttemperatur können im Gegensatz zu Polyolefinen nur in einem sehr engen Be­ reich variiert werden, da sonst mit einer thermischen Zersetzung und Schädigung des Polymers gerechnet werden muß. Dies trifft in besonderem Maße auf den Rohstoff Polyurethan zu.

Für die Herstellung elastischer Vliesstoffe wird daher in EP-A-02 39 080 beispielsweise die Anwendung des Melt- Blown-Verfahrens unter Verwendung von Copolymeren, wie Ethylen-Vinylacetat (EVA)- oder Ethylen-Methylacrylat (EMA)-Copolymeren beschrieben. Im Beispiel 7 dieser Ver­ öffentlichung wird für EVA ein Faserdurchmesser von mehr als 10 µm angegeben. Die Vliesfestigkeit ebenso wie die Dehnbarkeit weisen große Unterschiede in Längs- und Querrichtung auf.

Dagegen gestattet das in DE 38 01 080 beschriebene Schleuderblasverfahren die Herstellung von Feinstpoly­ merfasern mit einem Faserdurchmesser von 0,1-10 µm. Dieses Verfahren beruht darauf, daß die gebildeten Pri­ märfäden zunächst im Zentrifugalfeld ausgezogen werden (Vorverzug) und dann durch einen axialen Gasstrom hoher Geschwindigkeit zu Feinstfasern weiter ausgezogen werden (Endverzug). Mit diesem Verfahren gelingt die Herstel­ lung von Feinstfasern aus Polymeren in einem großen Schmelz- und Dehnviskositätsbereich, so daß auch Poly­ mere mit hohem Molekulargewicht und großen Wechselwir­ kungskräften zwischen den Molekülketten als Ausgangs­ material eingesetzt werden können. Hier setzt die Erfin­ dung an.

Es liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem vor­ beschriebenen Verfahren Vliesstoffe aus thermopla­ stischen Polymeren, insbesondere aus thermoplastischem Polyurethan, mit folgenden Eigenschaften herzustellen:

• 1. Der Vliesstoff soll aus Kurzfasern mit einem mittleren Faserdurchmesser von 0,1 µm-20 µm, vorzugsweise 0,5 µm-10 µm, bestehen.
• 2. Die Fasern sollen eine relativ große Länge auf­ weisen (Verhältnis von Länge zu Durchmesser <20 000)
• 3. Der Vliesstoff soll eine hohe Abriebfestigkeit sowie eine verbesserte Höchstzugkraft, Höchst­ kraftdehnung und ein hohes elastisches Rückstell­ vermögen aufweisen.
• 4. Der Vliesstoff soll keine oder nur sehr geringe Unterschiede in den Festigkeitseigenschaften in Längs- und Querrichtung besitzen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem in DE 38 01 080 be­ schriebenen Schleuderblasverfahren dadurch gelöst, daß zusätzlich zu dem äußeren Gasstrom hoher Geschwindigkeit in einem kleineren radialen Abstand als die Schmelzeaus­ trittsbohrungen ein innerer Gasstrom mit kleinerer Ge­ schwindigkeit aus einer Vielzahl von axialen Bohrungen am Düsenkopf austritt, der unter der Einwirkung der am rotierenden Düsenkopf auftretenden zentrifugalen Schleppkräfte ein rotationssymmetrisches Strömungsfeld mit einer überwiegend radialen Geschwindigkeitskompo­ nente bildet und dessen Temperatur gleich oder größer als die Düsenkopftemperatur ist.

Vorteilhaft werden dabei die Gasmengenströme des inneren und des äußeren Gasstromes so eingestellt, daß ihr Ver­ hältnis zwischen 0,2 und 2,0 liegt.

Im Hinblick auf die Erzeugung eines über die gesamte Breite und in seinen mechanischen Eigenschaften gleich­ mäßigen Vliesstoffes besteht eine weitere Verbesserung darin, daß außerhalb des Düsenkopfes in einem axialen Abstand 0 mm a 500 mm von den Schmelzeaustrittsboh­ rungen an mindestens zwei gegenüberliegende Seiten wei­ tere Begrenzungsgasströme unter einem Winkel von 0° bis 70°, vorzugsweise 10° bis 60°, gegen die Achse auf den axial umgelenkten Faserstrom gerichtet werden.

Vorzugsweise wird dabei das Verhältnis der Summe dieser Begrenzungsgasmengenströme zu der Summe des äußeren und inneren Gasmengenstromes auf einen Wert zwischen 0,1 und 1, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,5, eingestellt. Außerdem hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Be­ grenzungsgasströme in einem radialen Abstand von der Achse des Düsenkopfes eingeblasen werden, der das 1,5- bis 5fache, vorzugsweise das 1,5- bis 3-fache des Düsen­ kopfradius beträgt.

Das neue verbesserte Schleuderblasverfahren hat sich zur Herstellung von Feinstfaservliesen aus Polyolefinen, Polyester, Polyamid, insbesondere aus Polyester-, Poly­ ether- oder Polyethercarbonaturethanvliesen bewährt. Gegenstand der Erfindung sind somit auch die nach diesem Verfahren hergestellten Polyurethanvliese mit herausragenden physikalischen Eigenschaften.

Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt: Die nach dem neuen Verfahren hergestellten Feinstfaser­ vliese besitzen einen mittleren Faserdurchmesser, der deutlich niedriger ist als bei vergleichbaren Polyure­ thanvliesen, die nach anderen Spinnverfahren hergestellt wurden. Trotz der besonderen Faserfeinheit besitzen die Einzelfasern eine ungewöhnlich große Länge. Es können elastische Vliesstoffe aus unterschiedlichen Faserfein­ heiten (Faserdurchmesser zwischen 0,1 µm und 20 µm) her­ gestellt werden, die bereits ohne weitere Nachbehandlung eine hervorragende Festigkeit, Elastizität und Abrieb­ festigkeit besitzen.

Im Gegensatz zu anderen Verfahren können Polyurethan­ schmelzen in einem Schmelzviskositätsbereich von 20 bis 1000 Pa · s verarbeitet werden, insbesondere auch solche Polyurethane mit einem hohen Molekulargewicht. Die Pri­ märfadenbildung in einem Zentrifugalfeld mit einem über­ lagerten homogenen rotationssymmetrischen Strömungsfeld erlaubt die Nutzung hoher Schmelzviskositäten und nie­ drige Schmelztemperaturen, so daß eine thermische Zer­ setzung (Degradation) der Polymeren vermieden wird.

Die erzeugten Vliesstoffe zeichnen sich trotz der hohen Faserfeinheit durch eine hohe Gleichmäßigkeit aus und sind besonders arm an Verklebungen, Verdrillungen und Dickstellen. Sie weisen gleichmäßige Festigkeitseigen­ schaften in Längs- und Querrichtung auf.

Elastische Vliesstoffe können nach diesem Verfahren mit Flächengewichten von 4 bis 500 g/m² problemlos herge­ stellt werden; insbesondere bei niedrigen Flächenge­ wichten besitzen sie aufgrund der hohen Faserfeinheit eine hervorragende Flächendeckung. Die Vliesstoffe aus speziellen Polyurethanen weisen ferner eine hervor­ ragende chemische und biologische Resistenz (Mikroben­ stabilität) auf.

Die elastischen Feinstfaservliesstoffe können zudem in vielfältiger Weise mit Vliesstoffen anderer Polymeren kombiniert werden. Das Herstellverfahren erlaubt ferner die Verarbeitung von Polymerblends aus Polyurethan und z. B. Polyolefinen, wodurch insbesondere die elastischen Eigenschaften gezielt eingestellt werden können.

Ferner zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch eine hervorragende Wirtschaftlichkeit aus.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Verfahrensschema für eine Anlage zur Durch­ führung des Verfahrens,

Fig. 2 den Aufbau des Düsenkopfes mit Vorrichtungen zur Erzeugung von Begrenzungsgasströmen und

Fig. 3 einen Düsenkopf mit schwenkbaren Vorrichtungen zur Erzeugung der Begrenzungsgasströme.

Gemäß Fig. 1 wird das Polymergranulat 1 eines thermo­ plastischen Polyurethans in einem Extruder 2 aufge­ schmolzen und unter einem konstant geregelten Druck im Bereich von 5 bar über eine rotierende Dichtung 3 in einen zentrischen, rotierenden Schmelzekanal 4 in einem gleichzeitig zur Lagerung dienenden Gehäuse 5 geleitet. Der Schmelzekanal 4 steht mit einem rotierenden Düsen­ kopf 6 in Verbindung, dessen Drehzahl im Bereich von 1000 bis 11 000 min^-1, vorzugsweise 6000 bis 9000 min^-1, liegt. Aus dem Düsenkopf 6 tritt die Poly­ merschmelze durch kleine Bohrungen am Umfang unter einem Winkel von 90° zur Drehachse radial aus. Aufgrund des an den Bohrungen anliegenden Schmelzevordrucks von 5 bis 20 bar werden kontinuierliche Massenströme pro Bohrung von 0,01 bis 2 g/min gebildet. Diese Massenströme werden von einem aus dem Ringkanal 7 austretenden, überwiegend mit axialer Komponente strömenden Umlenkgasstrom 8 er­ faßt und dabei zu endlich langen Feinstfasern 10 ver­ zogen und verstreckt. Die Fasern 10 werden dann durch einen Schacht 11 auf ein Ablageband 12 mit einer Gasab­ saugung 13, 14 zu einem Vlies 15 verdichtet, das gegebe­ nenfalls zwischen beheizbaren Walzen 16 weiter ver­ festigt wird.

Der Antrieb des rotierenden Düsenkopfes 6 erfolgt durch einen Motor 17 mit einem Keilriemengetriebe 18. Die Be­ heizung des Düsenkopfes 6 erfolgt zweckmäßig durch eine elektrische Induktionsheizung oder durch Strahlungshei­ zung mittels einer elektrischen Heizwicklung. Die Gaszu­ führung für die Umlenkgasströme 8 erfolgt durch den An­ schluß 19.

Das für den Ausziehvorgang maßgebliche aerodynamische Strömungsfeld wird anhand von Fig. 2 erläutert. Gemäß Fig. 2 wird ein Zusatzgasstrom 21 über die Zugführung 22 in den rückwärtigen Bereich des Düsenkopfes 6 ein­ gebracht. Dieser Gasstrom tritt durch 4 rotationssymme­ trisch angeordnete axiale Bohrungen 23 an der Stirnflä­ che des Düsenkopfes 6 aus und wird durch Zentrifugal­ kräfte in ein radiales Strömungsfeld 24 aufgefächert. Dieses Strömungsfeld hat eine im wesentlichen radiale Komponente.

Die zu verspinnende Polyurethanschmelze 25 wird auf die zur Einstellung der gewünschten Viskosität erforderliche Temperatur oberhalb des physikalischen Schmelzpunktes aufgeheizt und mit einem Druck von 5 bar in den zen­ trisch rotierenden Schmelzekanal 4 und von dort über radiale Bohrungen 26 in eine im Düsenkopf 6 angeordnete, den Schmelzeaustrittsöffnungen 27 vorgeschaltete Ring­ kammer 28 geleitet.

Zur Einstellung der gewünschten Schmelzetemperatur am Austritt der Bohrungen 27 wird der Düsenkopf 6 mit elektrischen Strahlungsheizungen 29, 30 aufgeheizt.

Der innere Zusatzgasstrom 21 soll bei seinem Austritt am Düsenkopf eine Temperatur besitzen, die gleich oder wenig größer ist als die Temperatur des Düsenkopfes 6. Aufgrund der Geometrie und der Rotation des Düsenkopfes 6 resultiert ein symmetrisch aufgefächertes Strömungs­ feld, das für einen gleichmäßigen Verzug (hinsichtlich der Winkelverteilung) der aus den Bohrungen 27 austre­ tenden Primärschmelzeströme 9 sorgt. Außerdem wird die Abkühlung der Primärschmelzeströme verzögert. Im An­ schluß daran werden die Schmelzeströme von den aus dem Blasring 7 austretenden äußeren Gasströmen 8 erfaßt, axial umgelenkt und zu Feinstfasern 10 ausgezogen (s. auch Fig. 1).

Desweiteren sind in einem axialen Abstand a = 40 mm von den Schmelzeaustrittsbohrungen 27 Blasdüsen 31a, 31b an­ geordnet, die von Verteilern 33a, 33b außerhalb des Strömungsfeldes gespeist werden. Dadurch werden Gas­ ströme 34a, 34b erzeugt, die als Begrenzungsgasströme unter einem Winkel α von 30° gegen die Achse auf den axial umgelenkten Faserstrom gerichtet werden. Das Gas wird den Verteilern 33a, 33b unter Druck über die Zu­ leitungen 32a, 32b zugeführt. Der radiale Abstand der Verteiler von der Drehachse beträgt das zweifache des Düsenkopfradius. Durch die Begrenzungsgasströme 34a, 34b wird das Faserluftgemisch noch vor dem Eintritt in den Schacht 11 (s. Fig. 1) über den Querschnitt vergleich­ mäßigt (Erzeugung eines Faservlieses mit einer gleich­ mäßigen Flächendichte und gleichmäßigen mechanischen Eigenschaften).

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn man die Begrenzungsgasströme 34a, 34b pulsieren läßt. Die z. B. sinusförmige Pulsation kann im Gleichtakt oder Wechseltakt (Gegentakt) erfolgen. Die Pulsationsfre­ quenz kann im Bereich von 0,5 s^-1 bis 5 s^-1 liegen.

Eine weitere vorteilhafte Variante besteht darin, die Begrenzungsgasströme 34a, 34b zueinander parallel auszu­ richten und über einen Winkelbereich von ±10° β ± 70° zur Achse des Faserstromes mit einer Frequenz von 0,5 s^-1 bis 5 s^-1 zu schwenken. Hierdurch wird insbe­ sondere bei mehreren parallel betriebenen Düsenköpfen 6 eine gleichmäßigere Faserablage erzielt (Fig. 3).

Beispiel 1

Mit einer Apparatur gemäß Fig. 1 und 2 wurde ein han­ delsübliches thermoplastisches Polyesterpolyurethan mit der Bezeichnung Desmopan® versponnen. Das Material hatte eine Dichte von 1,2 g/cm³, eine Glastemperatur von -42°C, eine Erweichungstemperatur von +91°C und einen Schmelzetemperaturbereich von 180°C bis 250°C. Die Vis­ kosität der Schmelze betrug 60 Pa · s bei einer Temperatur von 230°C und einer Schergeschwindigkeit von 400 s^-1. Die Schmelzetemperatur betrug 225°C, die Temperatur des Düsenkopfes 240°C. Der Düsenkopf 6 rotierte mit einer Drehzahl von 9000 min^-1. Dabei wurde ein Massendurch­ satz von 0,2 g/min pro Bohrung 27 erreicht. Das Mengen­ verhältnis des inneren Gasstromes 21 und des äußeren Ausziehgasstromes 19 betrug 0,4, die Temperatur des äußeren Umlenkgasstromes 19 20°C, die des inneren Zu­ satzgasstromes 21 260°C. Die beiden gegenüberliegenden Begrenzungsgasströme 34a und 34b hatten einen axialen Abstand a von 40 mm (s. Fig. 2) und einen radialen Abstand 2r zur Drehachse, wobei r der Düsenkopfradius ist. Der Anstellwinkel α zur Normalen (s. Fig. 2) betrug 30°C. Das Mengendurchsatzverhältnis dieser beiden Gas­ ströme 34a und 34b und der Summe der am Düsenkopf einge­ brachten Gasströme 19 und 21 betrug 0,3, die Temperatur der Begrenzungsgasströme 20°C. Die auf diese Weise ver­ sponnenen Feinstfasern 10 hatten einen mittleren Faser­ durchmesser von 3,5 µm bei einer Standardabweichung von 1,9 µm. Das Ergebnis wurde durch Auszählung von 250 Fasern in einem Rasterelektronenmikroskop gefunden. Das abgeschiedene Faservlies besaß eine hervorragende Gleichmäßigkeit über die Breite und in Abhängigkeit vom Flächengewicht folgende Festigkeitseigenschaften:

Tabelle I

Beispiel 2

Mit der gleichen Apparatur und bei sonst gleichen Ein­ stellungen wurde der Massendurchsatz auf 0,1 g/min pro Bohrung reduziert und die Begrenzungsgasströme 34a, 34b entsprechend einem Mengenverhältnis von 0,2, bezogen auf die Gesamtsumme der in den Düsenkopf 6 eingespeisten Gasströme 19, 21 eingestellt. Dabei ergab sich ein mitt­ lerer Faserdurchmesser von 1,3 µm mit einer Standardab­ weichung von 0,7 µm (Messung analog zu Beispiel 1). Die bereits im Zusammenhang mit Beispiel 1 definierten Festigkeitseigenschaften sind in der nachfolgenden Tabelle II zusammengestellt.

Tabelle II

Im Vergleich zu Beispiel 1 besaß der Vliesstoff gemäß Beispiel 2 eine höhere innere Gleichmäßigkeit und Flächendeckung.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Feinstpolymerfaser­ vliesen mit einem mittleren Faserdurchmesser von 0,1 µm-20 µm, vorzugsweise 0,5 µm-10 µm, aus thermoplastischen Polymeren, bei dem das geschmol­ zene Polymer in einem rotierenden Düsenkopf (6) unter einem Vordruck von 1 bar-200 bar aus einer Vielzahl von Austrittsöffnungen (27) radial unter Faserbildung geschleudert wird und die noch nicht vollständig erstarrten Fasern in einem radialen Abstand von 10 mm-200 mm von den Austrittsboh­ rungen (27) durch einen äußeren Gasstrom (8) in axiale Richtung umgelenkt und anschließend als Vlies (15) auf einem umlaufenden, luftdurchlässigen Träger (12) abgeschieden werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zusätzlich zu dem äußeren Gasstrom (8) hoher Geschwindigkeit in einem kleineren ra­ dialen Abstand als die Schmelzeaustrittsbohrungen (27) ein innerer Gasstrom (24) mit kleinerer Ge­ schwindigkeit aus einer Vielzahl von axialen Boh­ rungen (23) am Düsenkopf austritt, der unter der Einwirkung der am rotierenden Düsenkopf (6) auftre­ tenden zentrifugalen Schleppkräfte ein rotations­ symmetrisches Strömungsfeld mit einer überwiegend radialen Geschwindigkeitskomponente bildet und dessen Temperatur gleich oder größer als die Düsen­ kopftemperatur ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des inneren und des äußeren Gasmengenstromes auf einen Wert zwischen 0,2 und 2,0 eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der innere Gasmengenstrom aus 2 bis 20, vorzugsweise 2 bis 10 axial verlaufenden Boh­ rungen (23) des rotierenden Düsenkopfes (6) aus­ strömt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß außerhalb des Düsenkopfes (6) in einem axialen Abstand 0 mm a 500 mm, von den Schmelzeaustrittsöffnungen (27) mindestens zwei weitere Begrenzungsgasströme (34a, 34b) unter einem Winkel von 0° bis 70°, vorzugsweise 10° bis 60° gegen die Achse auf den axial umgelenkten Faser­ strom gerichtet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Summe der Begrenzungsgas­ mengenströme (34a, 34b) und der Summe des äußeren (19) und inneren (21) Gasmengenstromes auf einen Wert zwischen 0 und 1, vorzugsweise zwischen 0 und 0,5, eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Begrenzungsgasströme (34a, 34b) in einem radialen Abstand eingeblasen werden, der das 1- bis 5fache, vorzugsweise das 1- bis 3­ fache, des Düsenkopfradius beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Begrenzungsgasströme gleichphasig oder gegenphasig pulsieren.

8. Verfahren nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Begrenzungsgasströme (34a, 34b) zueinander parallel ausgerichtet sind und über einen Winkelbereich von ±10° bis ±70° zur Achse des Faserstromes mit einer Frequenz von 0,5s^-1 bis 5 s^-1 geschwenkt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Polymer ein Polyester-, Poly­ ether- oder Polyethercarbonaturethan verwendet wird.