DE4301373C2

DE4301373C2 - Vorrichtung zum Herstellen von Filamenten aus schmelzbarem Material

Info

Publication number: DE4301373C2
Application number: DE4301373A
Authority: DE
Inventors: Robert Dipl Chem Dr Groten; Achim Dipl Ing Dr Gruber; Harald Dipl Phys Dr Schenk; Rolf Dipl Ing Dr Hentschel
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 1993-01-20
Filing date: 1993-01-20
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2013-01-21
Also published as: DE4301373A1; TW274099B; FR2700556B1; FR2700556A1; JPH06235114A; JP2901863B2; US5423665A

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer Vorrichtung zum Herstellen von Filamenten aus schmelzbarem Material unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft.

Eine solche Vorrichtung ist aus US 3,596,312 bekannt ge worden: Sie besteht aus einem mit hoher Geschwindigkeit um die Hochachse rotierenden, zylindrischen, oben offenen Hohlkörper. Dieser ist peripher mit einer zylindermantelförmigen Wandung umgeben, welche eine Vielzahl von Austrittsöffnungen aufweist. Konzentrisch zu dieser zylinderförmigen Wandung enthält der rotierende Hohlkörper eine Heizeinrichtung, welche imstande ist, das in den Hohlkörper in festem Zustand eingeführte, schmelzbare, synthetische Material bei Berührung zu er schmelzen. Die Heizeinrichtung rotiert mit gleicher Geschwin digkeit wie der übrige Hohlkörper um dessen Drehachse.

Die bekannte Vorrichtung enthält weiter eine trichterförmige Einfüllstation, über welche das feste synthetische Material kontinuierlich mittels Schwerkraft in den rotierenden Hohl körper fällt, auf dessen konisch geformten Boden auftrifft und aufgrund der Zentrifugalkraft zur Heizeinrichtung geschleudert wird. Von dort wird es, ebenfalls aufgrund der einwirkenden Zentrifugal kraft, über eine kurze Wegstrecke zum äußeren, mit Öffnungen versehenen Zylindermantel gefördert, durch diese Öffnungen ausgeschleudert und in Filamentform abgekühlt. Die Rotation des Zylinders wird bewirkt durch eine Antriebseinrichtung, z. B. einen Elektromotor.

Gemäß einer Alternative wird das zu erschmelzende Material in Granulat-, Flocken- oder Pulverform in den rotierenden, zylindrischen Hohlraum eingefüllt. Als geeignete synthetische, schmelzbare Materialien werden Thermoplaste genannt, wie Polyamid, Polyethylen, Polystyrol und Polypropylen.

Die kugel- oder zylinderförmige Heizeinrichtung im Inneren des rotierenden Hohlkörpers wird elektrisch betrieben. Der Hohl körper ist geschlossen; d. h. sein gesamtes inneres Volumen dient der Aufheizung.

Das den rotierenden Hohlkörper über die peripheren Düsen öffnungen verlassende Material wird, während es sofort zu Einzelfasern erkaltet, in einer glockenförmig den rotierenden Hohlkörper im Abstand umgebenden, statischen Absaugeinrichtung kontinuierlich nach unten abgezogen und kann so als verzwirn tes, endloses Fasergarn sofort aufgewickelt werden. Die Länge der entstehenden Monofilamente kann durch Variation der Tempe ratur des geschmolzenen Polymermaterials und der Drehzahl des Hohlkörpers beeinflußt werden.

Die Zentrifugalkraft, welche auf das Polymer jeweils einwirkt, wird durch die Drehzahl und/oder den inneren Radius des Hohl körpers bestimmt.

Der Vorteil einer solchen Vorrichtung und des angegebenen Verfahrens besteht insbesondere in der vollständigen Ausbeute des eingesetzten, schmelzbaren, faserbildenden Materials. Der Austrag zu Fasern oder Filamenten erfolgt im wesentlichen durch die Zentrifugalkraft und kann durch diese sehr genau gesteuert werden.

Nachteilig an dieser bekannten Vorrichtung ist jedoch, daß das über die Heizein richtung erschmolzene polymere thermoplastische Material im flüssigen, heißen Zustand eine gewisse, zur Drehrichtung des Hohlkörpers tangentiale Wegstrecke zurücklegen muß, um zu den konzentrisch zur Heizung angeordneten Austrittsöff nungen des rotierenden äußeren Zylindermantels zu gelangen. Die Zeitspanne, in welcher dieser Weg zurückgelegt werden kann, unterschreitet 3 Sekunden nicht. Dies hat zur Folge, daß bei leicht zersetzbaren thermoplastischen Polymeren, d. h. in den Fällen, wo die Zersetzungstemperatur nahe über der Erweichungstem peratur liegt, in dieser Zeitspanne bereits die Pyrolyse einsetzen und damit, sowie infolge der Verstopfung der Düsen mit pyrolysiertem Material, die Fadenbildung gestört oder ganz unmöglich gemacht wird.

Beispiele für solche problematischen, thermoplastischen, faserbildenden Werk stoffe sind nicht vorgetrocknete, noch über 50 ppm wasserhaltige Polyester, Po lyamide, z. B. Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat, Poly-epsilon-capro lacton, sowie die leicht pyrolysierbaren thermoplastischen Materialien Ethylen vinylacetat, Polyurethan, Polyesterpolyurethane, die Polylactide und Poly hydroxybutyrat/Polyhydroxyvalerat-Copolymere sowie native Zucker, z. B. Saccharose.

DE-PS 906 256 geht auf die Problematik ein, die Zersetzung des Werkstoffs oder die Bildung von übermäßigen Blasen und anderen Fehlern in den hergestellten Fäden zu vermeiden, wenn solche aus pulverförmigen, schmelzbaren Werkstoffen hergestellt werden sollen. Zu diesem Zweck wird eine statische Vorrichtung be schrieben, wo durch intermittierenden Druck das feste Material gegen eine geloch te, feststehende Bodenplatte gedrückt wird. Diese Platte enthält Spinnöffnungen und ist elektrisch beheizbar. Eine nach unten gerichtete, die Schwerkraft ausnut zende, pulsierende Preßvorrichtung erzeugt aus den Öffnungen der Düsenplatte austretende, starke Fäden, die von einer Zuführungswalze abgezogen und als Garn aufgespult werden.

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs ge nannten Art so weiterzuentwickeln, daß mit ihr auch nicht sorgfältig vorgetrock nete oder nahe beim Erweichungspunkt pyrolysierbare, schmelzbare, polymere Materialien zu Filamenten versponnen werden können, mit welchen eine kontinu ierliche Vliesbildung möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1.

Die Bodenfläche des um seine Hochachse schnell rotierenden Hohlkörpers ist eben, und die Heizeinrichtung bildet direkt die zylindermantelförmige Umfangswandung des Hohlkörpers.

Gebildet wird diese Heizeinrichtung aus einer Vielzahl neben einander liegender, induktiv erhitzbarer Spiralwindungen (Wendel), welche aus Metallstreifen gebildet sind und in fortlaufender, nebeneinander angeordneter Folge einen geschlos senen, 1 bis 3 mm dicken Zylindermantel bilden. Die Einzelwin dungen und damit der Querschnitt des Zylindermantels sind nicht rund, sondern viereckig abgeplattet dergestalt, daß jeweils nebeneinander liegende Wendelelemente die Form eines aufrecht stehenden Parallelogramms aufweisen. Die Abstände der parallel zur Hochachse des rotierenden Zylinders verlaufenden, jewei ligen Wendelelemente betragen 0,1 bis 1,5 mm und bilden die Austrittsöffnungen für das auf das Innere der Heizeinrichtung treffende, dort schmelzende und in diesem Zustand herausge schleuderte Material.

Der Umstand, daß die Heizeinrichtung mit dem Zylindermantel des Hohlkörpers identisch ist und gleichzeitig die Austrittsöff nungen für das geschmolzene Material bildet, bedeutet gleichsam eine extrem kurze Zeit, d. h. unter einer bis zu 3 Sekunden, innerhalb welcher der jeweilige Werkstoff dem schmelzenden Kontakt mit der Heizeinrichtung ausgesetzt ist. Deshalb findet auch bei dicht beieinander liegenden Erweichungs- und Zer setzungstemperaturen selbst dann keine Pyrolyse oder anders artige Zersetzung statt, wenn der Thermoplast kurzfristig bei Heizungskontakt weit oberhalb seiner eigentlichen Zersetzungs temperatur erhitzt wird.

Somit ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Temperatur der Heizeinrichtung nach oben hin nicht kritisch, sofern deren Dicke, d. h. der durch jede Austrittsöffnung zurückzulegende Weg, von 3 mm nicht überschritten werden.

Die die Qualität der ersponnenen Filamente beeinflussenden Parameter, wie Rotationsgeschwindigkeit, innerer Durchmesser des rotierenden Zylindermantels bzw. der Heizeinrichtung, Geometrie und Querschnitt der Austrittsöffnungen, sind in ihrer Wirkung aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt, so daß diese Größen in Vorversuchen durch Variation den Gegebenheiten und gewünschten Ergebnissen nach bestehendem Kenntnisstand des Fachmanns angepaßt werden können, ohne daß eine neue Verfahrensvorschrift für die erfindungsgemäße Vorrichtung hin zukommt.

Die benötigte elektrische Energie für die induktive Beheizung der rotierenden Zylinderwand liegt zweckmäßig unter 1 kWh/kg eingesetzter Polymermasse, d. h. schmelzbaren Materials. Dieser Energieaufwand ist überraschend gering; vergleichbare Spinnver fahren mit statischen Düsen erfordern 3 bis 9 kWh/kg.

Es sind alle schmelzbaren Polymeren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verspinnbar, deren Zersetzungstemperatur über der Erweichungstemperatur liegt und welche durch Verstreckung Filamente bilden.

Es ist, im Gegensatz zum Stand der Technik, für die Durchführ barkeit der Filamenterzeugung unwesentlich, ob die maximale Temperatur des schmelzbaren, polymeren Materials beim Spinn prozeß oberhalb seiner Glastemperatur oder oberhalb seiner Erweichungstemperatur liegt. Diese Faktoren haben lediglich Einfluß auf den Titer und den Verstreckungsgrad bzw. die Kristallinität der versponnenen Filamente.

Es ist mit der Vorrichtung möglich, störungsfrei die auf das schmelzbare, polymere Material einwirkende Wärmeenergie so zu erhöhen, daß die Viskosität in einem Maße verringert werden kann, daß einerseits eine möglichst starke Verjüngung der die Vorrichtung verlassenden Polymerschmelze und damit deren Verstreckung erzielt wird, andererseits das Material nicht vollständig kristallisiert, sondern eine Siegelfähigkeit behält, um bei der Vliesablage mit den anderen Filamenten ein isotropes Netzwerk zu bilden.

Empirisch kann die Wärmeenergie während des Betriebs des erfindungsgemäßen Rotors so gesteigert werden, daß Filamente mit einer Dicke von nur wenigen µm als Vliese gelegt werden können, wobei die gegenseitige Filamenthaftung gewährleistet ist. Es muß nochmals betont werden, daß dieser Effekt nur mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbar ist, da nur bei ihr das geschmolzene Material keinen nennbaren Weg zwischen dem Zeitpunkt der Aufheizung und dem Zeitpunkt des Verlassens der Düsen zurückzulegen braucht.

Das zu verspinnende, schmelzbare Polymermaterial kann in beliebiger Form, z. B. als Fasern, Granulat, in Pulver- oder in Flockenform von oben in den rotierenden zylindrischen Hohl körper kontinuierlich gegeben. Die Korngröße entspricht dabei zweckmäßig mindestens dem Abstand der einzelnen Spiralwin dungen. Größere Partikel können eingesetzt werden bis zu Dimensionen, die durch einen zu großen Impuls die Heizein richtung beschädigen könnten. Materialgrößen von 2 bis 7 mm sind jedoch mühelos verarbeitbar.

Als weitere Faustregel kann gelten, daß bei einem Hohlkörper durchmesser von beispielsweise 20 cm ein Durchsatz an zu verspinnendem Festmaterial von bis zu 12 kg/h möglich ist. Das Auffangen der die Spinnöffnungen bzw. die Heizung verlassenden, in der Umgebung sich formenden Filamente geschieht zweckmäßig durch einen zylindrischen Schirm, welcher konzentrisch zur Rotorachse in einem Abstand von 1 bis 20 cm angeordnet ist.

Es ist auch möglich, den Auffangschirm als zylindrisch den Rotor umlaufendes Band auszugestalten, welches nach einmaligem Umlauf mit den Filamenten beschichtet ist und der Weiterverar beitung zugeführt werden kann.

Die folgenden Figuren sollen die Erfindung, ohne den Erfindungsgehalt einzuschränken, beispielhaft verdeutlichen. Es zeigen:

Fig. 1 die perspektivische, schematische Darstellung der Vorrichtung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Heizeinrichtung, von der Dreh achse des rotierenden Hohlkörpers aus gesehen.

Zunächst sei Fig. 1 betrachtet: Die Heizwendel ist freigelegt. 1 stellt dar die Heizwendelbegrenzung, 2 den nach oben offenen Hohlkörper, 3 den Einfülltrichter 4 die Heizwendel und 5 die Bodenplatte. Das Teil 3 ist fest, während die Teile 1, 2 4 und 5 um die Hochachse H der Vorrichtung rotieren. Die Begrenzung 1 der Heizwendel bildet gleichzeitig die Düsenöff nungen des Spinnrotors, durch welche das geschmolzene Material tangential nach außen geschleudert wird.

Die Draufsicht auf die Heizwendel 4 in Fig. 2 macht den hitze beständigen Isolator 6 sichtbar, welcher z. B. aus Glas oder Porzellan besteht und gleichzeitig als Wendelhalterung dient. Mit 7 sind die Stromanschlüsse bezeichnet.

Die Wendel 4 wird in rotierende Bewegung versetzt, wobei zweckmäßig ihre Aufhängung, eine vertikale Achse 8, als Achse eines Elektromotors wirkt, die über eine hitzebeständige, isolierte Stromzuführung 7 angetrieben wird. Mit 9 ist ein Isolator-Teller bezeichnet, welcher Stromanschlußkontakte und (nicht sichtbar) Schleifkontakte aufweist.

Beispiel 1

Es wird eine Vorrichtung gemäß der Erfindung betrieben. Die Betriebsparameter sind
Rotationsfrequenz der Heizwendel: 2950/min
Temperatur der Heizwendel: 100°C
Durchmesser der Heizwendel: 20 cm
Höhe der Heizwendel: 2 cm
Erschmolzenes Material: Polyurethan mit einem Schmelzbereich um 150°C, hergestellt aus Hexamethylendiisocyanat und einem Poly ester-Polyol Desmophen 2001 (Fa. Bayer, Leverkusen)
Eingesetzte Korngrößen des Granulats: 2 bis 4 mm
Vortrocknung: Keine
Durchsatz: 1,25 g Polymer/s
Die entstehenden Polyurethanfilamente werden auf einem zylinder mantelförmigen, massiven Schirm aus Polyethylen, welcher die Heizwand in einem Abstand von 7 cm konzentrisch umgibt, aufge fangen und legen sich zu einem autogen faserverbundenen Vlies ab. Dieses erreicht innerhalb weniger Sekunden eine solche Festigkeit und Zugelastizität, daß es zerstörungsfrei vom Schirm abgehoben werden kann. Es lassen sich so bis hinab zu einer Dicke von 0,4 mm Vliese herstellen, die zur weiteren Verfestigung beispielsweise einer Prägekalandrierung bei Hitze und Druck unterworfen werden können.

Die das Vlies bildenden Filamente haben Durchmesser um 8 µm.

Beispiel 2

Es wird wie in Beispiel 1 gearbeitet, lediglich die Wendel temperatur beträgt nunmehr 250°C. Die austretenden Filamente sind nur etwa 3 µm dick und bilden ein vliesartiges Flächen gebilde, welches aufgrund der Filamentfeinheit einen fast folienartigen Charakter besitzt, dabei jedoch porös ist.

Beispiel 3

Mit einer Vorrichtung der in Beispiel 1 genannten Art wird Polyamid-6 mit einem Schmelzbereich um 220°C ohne vorherige Trocknung bei einer Wendeltemperatur von 155°C und ein zweites Mal bei 250°C zu Filamenten verarbeitet. Die eingesetzten Partikelgrößen des Polyamids betrugen 2 bis 3 mm.

Bei 155°C entstehen auf dem Schirm Faseragglomerate als loses Gefüge, bei 250°C ein autogen verschweißtes Flächengebilde aus feinen (3 µm Durchmesser) bis groben (10 µm und mehr Durch messer) Filamenten. In beiden Fällen findet die Kristallisation sofort nach dem Austritt aus den Düsen statt.

Beispiel 4

Ungetrocknetes Poly-L-Lactid mit einem Schmelzbereich um 180°C wird bei einer Wendeltemperatur von einmal 165°C und einmal von 250°C versponnen. Die eingesetzten Korngrößen betragen 2 bis 5 mm.

Nach dem Austritt aus der Düse kristallisiert das Lactid sofort aus. Dabei entsteht bei 165°C ein sehr grobes Vlies, welches noch Partikel enthalten kann, während bei 250°C Vliese feiner bis mittlerer Struktur erhalten werden, deren Filamentdurch messer 3 µm bis 6 µm betragen.

Beispiel 5

Ungetrocknetes, bisher wegen seiner Neigung zur sofortigen Pyrolyse als nicht verspinnbar erachtetes Ethylenvinylacetat mit einem Schmelzbereich von 35 bis 100°C wird in einer Vor richtung nach Beispiel 1 bei einer Heizwendeltemperatur von einmal 110°C, das andere Mal von 165°C versponnen. Die einge setzte Korngröße beträgt 3 bis 5 mm.

Spinntemperaturen von 110°C führen zu einem an der Oberfläche angeschmolzenen Granulat und zu Agglomeratbildung auf dem Auffangschirm. Eine Heizwendel-Temperater von 165°C führt zu einem sich elastisch verhaltenden, über seine Fasern autogen verbundenen Vlies, welches eine sehr homogene Filamentver teilung aufweist.

Beispiel 6

Der ungetrocknete Copolyester Polyhydroxyvalerat/Polyhydroxy butyrat, welcher aus Bakterien gewonnen wird, mit einem Schmelzbereich um 186°C, wird in Korngrößen von 2 bis 7 mm in die Einfüllöffnung gegeben, wobei Betriebsparameter wie in Beispiel 1 vorherrschen. Die Heizwendeltemperatur beträgt einmal 137°C, einmal 250°C.

Sowohl eine Variante mit 5 Gew.-% Polyhydroxyvalerat-Anteil als auch eine solche mit 24 Gew.-% Anteil ist spinnbar. Es muß kein Kristallisationsbeschleuniger zugesetzt werden.

Der Ansatz von 5 Gew.-% Polyhydroxyvalerat ergibt bei 137°C ein sofort entformbares, grobes, sprödes Vlies geringer Festigkeit. Bei 250°C wird eine erheblich feinere Vliesstruktur beobachtet.

Die Variante mit 24 Gew.-% Polyhydroxyvalerat ergibt bei 137°C Spinntemperatur eine grobe Vliesstruktur. Wird bei 250°C Heizwendeltemperatur versponnen, zerfließt die den Spinnrotor verlassende Schmelze auf der Oberfläche des Ablageschirms und bildete eine folienartige Haut, die fest genug ist, um zer störungsfrei von der Oberfläche abgezogen werden zu können.

Bei allen Beispielen wurde die Oberflächentemperatur der Heizwendel pyrometrisch bestimmt.

Beispiel 7 (Vergleich mit dem Stand der Technik)

Die schmelzbaren Materialien der Beispiele 1 bis 4 und 6 wurden in herkömmliche Spinnrotoren gegeben, wie sie der US-A-3,596,312 entsprechen. Die von der Polymermasse zurückzu legenden Wege zwischen der Heizeinrichtung und den Düsenöff nungen waren nicht kurz genug, um die Werkstoffe nicht wieder ausfrieren zu lassen; nach kurzer Zeit waren die Düsen ver stopft, oder es entstanden keine Filamente, wie z. B. bei Poly-L-lactid.

Oft wurde eine Pyrolyse des zu verspinnenden Materials unter Rauchentwicklung beobachtet; häufig bildeten sich dabei teer artige Rückstände.

Ohne vorherige Trocknung ist Polyamid-6 bei 250°C nicht zu Filamenten verspinnbar.

Claims

Vorrichtung zum Herstellen von Filamenten aus schmelzbarem Material unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft, bestehend aus:
Einem mit hoher Geschwindigkeit um die Hochachse (H) rotieren den, zylindrischen, oben offenen Hohlkörper (2) mit einer Vielzahl in dessen Umfangswandung (1) vorhandener Austritts öffnungen;
einer innerhalb des rotierenden Hohlkörpers (2) befindlichen, konzentrisch zu dessen Drehachse ringförmig angeordneten Heizeinrichtung zum Erhitzen des in den rotierenden Hohlkörper (2) im festen Zustand eingefüllten, schmelzbaren Materials über dessen Erweichungsbereich;
einer trichterförmigen Einfüllstation (3) für das feste, schmelzbare Material, welche direkt in das Innere des rotieren den Hohlkörpers (2) mündet und das feste Material mittels Schwer kraft kontinuierlich auf den Boden (5) des rotierenden zylin drischen Hohlkörpers (2) befördert;
einer Antriebseinrichtung für den rotierenden Hohlkörper (2),
wobei das in dem Hohlkörper (2) erhitzte Material durch die in der Umfangsrichtung des Hohlkörpers (2) vorhandenen Austrittsöffnungen durch die Zentrifugalkraft ausgeschleudert wird und in Fila mentform abkühlt,
dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Hohlkörper (2) eine ebene, waagerecht angeord nete Bodenfläche (5) besitzt;
die Heizeinrichtung mit der zylindermantelförmigen Umfangs wandung (1) des rotierenden Hohlkörpers identisch ist;
die Heizeinrichtung einen 1 bis 3 mm dicken, induktiv erhitz baren, geschlossenen Zylindermantel darstellt, welcher aus einer Vielzahl von nebeneinanderliegenden, eine Wendel (4) bildenden Metallstreifen besteht,
wobei die Abstände der Metallstreifen 0,1 bis 1,5 mm betragen und gleichsam die Austrittsöffnungen für das geschmolzene Material definieren, und wobei jede Einzelwindung der Wendel (4) durch eine vierkantige Gestaltung gebildet ist derart, daß der Querschnitt der zylindermantelförmigen Heizeinrichtung ein senkrecht stehendes Parallelogramm darstellt.