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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Kunstfasern mit verbesserten, reversiblen
thermischen Eigenschaften. Genauer gesagt betrifft die vorliegende
Erfindung Mehrkomponentenfasern, die ein Phasenübergangsmaterial umfassen,
sowie die Herstellung dieser Fasern durch ein Schmelzspinnverfahren.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Viele
Stoffmaterialien werden aus Kunstfasern hergestellt. Herkömmlicherweise
werden zwei Verfahren zur Herstellung von Kunstfasern eingesetzt:
ein Nasslösungsverfahren
oder ein Schmelzspinnverfahren. Das Nasslösungsverfahren wird im Allgemeinen
zur Herstellung von Acrylfasern eingesetzt, während das Schmelzspinnverfahren
im Allgemeinen zur Herstellung von Nylonfasern, Polyesterfasern,
Polypropylenfasern und ähnlichen
Fasertypen eingesetzt wird. Es ist bekannt, dass Nylonfasern langkettige
synthetische Polyamidpolymere umfassen, die dadurch gekennzeichnet
sind, dass sie Amidgruppen -CONH- umfasst, dass Polyesterfasern
langkettige synthetische Polymere mit zumindest 85 Gew.-% eines
Esters einer substituierten aromatischen Carbonsäureeinheit umfassen und dass
Polypropylenfasern langkettige, kristalline Polymere mit zumindest
85 Gew.-% Olefineinheiten und üblicherweise
einem Molekulargewicht von etwa 40.000 oder mehr umfassen.
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Das
Schmelzspinnverfahren ist besonders interessant, da ein Großteil der
Kunstfasern, die in der Textilindustrie verwendet werden, durch
dieses Verfahren hergestellt wird. Beim Schmelzspinnverfahren wird
im Allgemeinen ein geschmolzenes Polymermaterial durch eine Vorrichtung,
die als Spinndüse
bekannt ist, hindurchgeführt,
um dadurch eine Vielzahl von einzelnen Kunstfasern herzustellen.
Nach der Herstellung können die
Kunstfasern zu einem Strang zusammengefasst oder zu geschnittenen
Fasern weiterverarbeitet werden. Kunstfasern können zur Herstellung von Gewebe- oder Vliesmaterialien
verwendet werden, oder alternativ dazu können Kunstfasern zu einem Garn
gespult werden, das dann in einem Web- oder Strickverfahren zur Herstellung
von synthetischem Gewebematerial genutzt werden kann.
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Phasenübergangsmaterialien
werden in Acrylfasern integriert, um den Fasern selbst sowie den
daraus hergestellten Gewebematerialien verbesserte, reversible thermische
Eigenschaften zu verleihen. Das kann leicht erreicht werden – teilweise
aufgrund des hohen Anteils an flüchtigen
Materialien (z.B. Lösungsmitteln), die üblicherweise
Teil des Nasslösungsverfahrens
zur Herstellung von Acrylfasern sind. Es ist jedoch problematischer,
Phasenübergangsmaterialien
in schmelzgesponnene Kunstfasern zu integrieren, da im Schmelzspinnverfahren üblicherweise
keine hohen Anteile an flüchtigen
Materialien vorhanden oder erwünscht
sind. Bei früheren
Versuchen zur Integration von Phasenübergangsmaterialien in schmelzgesponnene
Kunstfasern wurden die Phasenübergangsmaterialien üblicherweise
mit einem faserfähigen
thermoplastischen Standardpolymer zu einer Mischung vermischt, wonach
diese Mischung zur Herstellung von Kunstfasern schmelzgesponnen
wurde. Solche Versuche führten
im Allgemeinen zu ungeeigneter Dispersion der Phasenübergangsmaterialien
in den Fasern, zu schlechten Fasereigenschaften und schlechter Verarbeitbarkeit,
sofern nicht nur geringe Konzentrationen des Phasenübergangsmaterials
verwendet wurden. Bei nur geringen Konzentrationen des Phasenübergangsmaterials
ist es jedoch schwierig, die gewünschten
verbesserten, reversiblen thermischen Eigenschaften zu erzielen,
die mit der Verwendung von Phasenübergangsmaterialien normalerweise einhergehen.
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Vor
diesem Hintergrund entstand ein Bedarf an der Entwicklung von Mehrkomponentenfasern,
die Phasenübergangsmaterialien
umfassen.
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JP-A-8311716
beschreibt eine Mehrkomponentenfaser, die eine Mischung aus einem
thermoplastischen Polymer und Paraffin umfasst, die mit einem weiteren
Polymer beschichtet ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrkomponentenfaser gemäß Anspruch
1.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Zum
besseren Verständnis
der Natur und der Ziele der Erfindung wird auf die folgende detaillierte
Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen verwiesen.
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1 zeigt
vergrößerte Querschnittsansichten
von verschiedenen beispielhaften Mehrkomponentenfasern gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung;
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2 zeigt
eine dreidimensionale Ansicht einer beispielhaften Kern/Mantel-Faser
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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3 zeigt
eine dreidimensionale Ansicht einer anderen beispielhaften Kern/Mantel-Faser gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung; und
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4 zeigt
eine Reihe von Eigenschaften und Herstellungsparametern von sechs
Kern/Mantel-Fasern, die wie in Beispiel 1 erläutert hergestellt wurden.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Mehrkomponentenfasern, die ein oder
mehrere Phasenübergangsmaterialien
umfassen. Mehrkomponentenfasern gemäß verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung besitzen die Fähigkeit,
thermische Energie zu absorbieren oder abzugeben, um Wärmefluss
zu verringern oder zu eliminieren. Zusätzlich dazu können solche
Mehrkomponentenfasern verbesserte Verarbeitbarkeit (z.B. bei der
Herstellung von Fasern oder eines daraus erzeugten Gegenstands),
verbesserte Festigkeit, einen verbesserten Einschluss des Phasenübergangsmaterials,
das in den Fasern dispergiert ist, oder eine höhere Aufnahmefähigkeit
für das Phasenübergangmaterial
aufweisen. Die Mehrkomponentenfasern können in verschiedenen Gegenständen und
Anwendungen verwendet oder in diese integriert werden, um diesen
wärmeregulierende
Eigenschaften und gleichzeitig verbesserte Festigkeit zu verleihen.
Mehrkomponentenfasern gemäß den Ausführungsformen
der Erfindung können
beispielsweise in Textilien (z.B. Stoffmaterialien), Bekleidung (z.B.
Outdoor-Bekleidung, Trocken- oder Schutzanzüge), Fußbekleidung (z.B. Socken, Schuhe
und Einlegesohlen), medizinische Produkte (z.B. Isolierfolien, therapeutische
Kissen, Inkontinenzeinlagen und Heiß-/Kaltpackungen), Behältnisse
und Verpackungen (z.B. Getränke-/Nahrungsmittelbehälter, Speisewärmer, Sitzpolster
und Leiterplattenlaminate), Gebäude
(z.B. Isolierungen für
Wände und
Decken, Tapeten, Vorhangfutter, Rohrummantelungen, Teppiche und
Fliesen), Geräte
(z.B. Isolierung in Haushaltsgeräten)
und weitere Produkte (z.B. Kraftfahrzeugsauskleidungsmaterial, Schlafsäcke und
Bettzeug) verwendet werden.
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In
Verbindung mit den bereitgestellten wärmeregulierenden Eigenschaften
können
Mehrkomponentenfasern gemäß verschiedenen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, wenn sie beispielsweise in Bekleidung
und Fußbekleidung
integriert werden, zu einer Senkung der Feuchtigkeitsbildung auf
der Haut, z.B. aufgrund von Schweißabsonderung, führen. Die
Mehrkomponentenfasern können
beispielsweise die Temperatur oder die relative Feuchtigkeit der
Haut senken, wodurch sie das Maß an
Feuchtigkeitsbildung auf der Haut reduzieren und den Komfort steigern.
Die Verwendung bestimmter Materialien und bestimmter Ausführungsmerkmale
für Bekleidung
und Fußbekleidung
können
das Ergebnis der Feuchtigkeitsreduktion noch weiter verbessern.
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Eine
erfindungsgemäße Mehrkomponentenfaser
umfasst eine Vielzahl von länglichen
Elementen. Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung können
Mehrkomponentenfasern einen Faserkörper aus einer Vielzahl von
länglichen
Elementen umfassen. Der Faserkörper
ist üblicherweise
länglich
und kann eine Länge
aufweisen, die ein Vielfaches (z.B. das 100fache oder mehr) seines
Durchmessers ist. Der Faserkörper kann
vielfältige
regelmäßige oder
unregelmäßige Querschnittsformen
aufweisen, beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, rund, mehrlappig,
acht eckig, oval, fünfeckig,
rechteckig, quadratisch, trapezförmig,
dreieckig, keilförmig
usw. Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung können
zwei oder mehrere längliche Elemente
(z.B. zwei nebeneinander liegende längliche Elemente) verbunden,
kombiniert, vereint oder gebunden werden, um einen einheitlichen
Faserkörper
zu bilden. Die länglichen
Elemente können
dasselbe oder verschiedene Polymermaterialien umfassen, und zumindest
in einem der länglichen
Elemente ist ein temperaturregulierendes Material dispergiert. Das
temperaturregulierende Material umfasst ein Phasenübergangsmaterial,
das der Mehrkomponentenfaser verbesserte, reversible thermische
Eigenschaften verleiht.
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Die
länglichen
Elemente können
in verschiedenen Konfigurationen angeordnet sein. Die länglichen Elemente
können
beispielsweise so angeordnet sein, dass sie eine Insel/Meer-Konfiguration,
eine Kern/Mantel-Konfiguration, eine Matrix- oder Schachbrett-Konfiguration,
eine "Tortenstück"-Konfiguration, eine
Seite-an-Seite-Konfiguration, eine gestreifte Konfiguration usw.
bilden. Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung können
die länglichen
Elemente in einem Bündel
angeordnet sein, worin die länglichen
Elemente im Allgemeinen parallel zu einander liegen. Gemäß anderen
Ausführungsformen
der Erfindung können
die länglichen
Elemente über
einen großen
Teil der Länge
des Faserkörpers
reichen und, falls gewünscht,
können
sie gleich lang sein.
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Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung kann eine Mehrkomponentenfaser zwischen etwa 0,1 und
etwa 100 Denier und üblicherweise
zwischen etwa 0,5 und 10 Denier aufweisen. Einem Fachmann auf dem
Gebiet der Erfindung ist klar, dass ein Denier normalerweise als
Gewichtsmaß pro
Längeneinheit
einer Faser (z.B. Gramm pro 9000 Meter) verstanden wird.
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Abhängig davon,
wie die Mehrkomponentenfaser hergestellt wird, ob eine weitere Verarbeitung
oder eine spezielle Anwendung der Mehrkomponentenfaser gewünscht wird,
kann die Mehrkomponentenfaser außerdem eine oder mehrere zusätzliche
Komponenten, wie z.B. Wasser, Tenside, Dispersionsmittel, Antischäumer (z.B.
siliciumhältige
Verbindungen und fluorhältige
Verbindungen), Antioxidationsmittel (z.B. sterisch gehinderte Phenole
und Phosphite), Thermostabilisatoren (z.B. Phosphite, Organophosphorverbindungen,
Metallsalze von organischen Carbonsäuren und Phenolverbindungen),
mikrowellenabsorbierende Additive (z.B. multifunktionelle primäre Alkohole,
Glycerin und Kohlenstoff), Verstärkungsfasern
(z.B. Kohlefasern, Aramidfasern und Glasfasern), leitende Fasern
oder Teilchen (z.B. Graphit- oder Aktivkohlefasern oder -teilchen), Schmierstoffe,
Verfahrenshilfsstoffe (z.B. Metallsalze von Fettsäuren, Fettsäureester,
Fettsäureether,
Fettsäureamide,
Sulfonamide, Polysiloxane, Organophosphorverbindungen und Phenolpolyether),
Flammhemmer (z.B. halogenierte Verbindungen, Phosphorverbindungen
und Borverbindungen) usw., enthalten. Die zusätzliche/n Komponenten, eine
oder mehrere, können
in einem oder mehreren der länglichen
Elemente, die die Mehrkomponentenfaser umfassen, dispergiert werden.
Zusätzlich
dazu können
bestimmte Behandlungen oder Beschichtungen auf die Mehrkomponentenfaser
angewandt werden, um dieser zusätzliche
Eigenschaften wie etwa, ohne darauf beschränkt zu sein, Fleckenbeständigkeit,
wasserabweisende Eigenschaften, einen weicheren Griff und Feuchtigkeitshandhabungseigenschaften
zu verleihen. Beispielhafte Behandlungen und Beschichtungen umfassen
Epic von Nextec Applications Inc., Intera von Intera Technologies,
Inc., Zonyl Fabric Protectors von DuPont Inc., Scotchgard von 3M
Co. usw.
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Unter
Bezugnahme auf 1, die zur Veranschaulichung
und nicht als Einschränkung
vergrößerte Querschnittsansichten
von verschiedenen beispielhaften Mehrkomponentenfasern 12, 13, 14, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29 und 34 als
Ausführungsformen
der Erfindung bereitstellt, ist die Erfindung besser zu verstehen. Genauer
gesagt veranschaulicht 1 verschiedene beispielhafte
Konfigurationen der Anordnung der länglichen Elemente, die die
Mehrkomponentenfasern umfassen, als Ausführungsformen der Erfindung.
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Wie
in 1 gezeigt wird, umfasst jede Mehrkomponentenfaser
(z.B. 21) eine Vielzahl von unterschiedlichen Querschnittsbereichen,
die einer Vielzahl von länglichen
Elementen (z.B. 39 und 40) entspricht, die die
Mehrkomponentenfaser bilden. Gemäß der hier
veranschaulichten Ausführungsformen
umfassen die länglichen
Elemente ein erstes längliches
Element (oder eine erste Anzahl an länglichen Elemen ten) (in 1 schraffiert
dargestellt) und ein zweites längliches
Element (oder eine zweite Anzahl an länglichen Elementen) (in 1 nicht
schraffiert dargestellt). Dabei besteht das erste längliche
Element (oder die erste Anzahl an länglichen Elementen) aus einem
Polymermaterial, in dem ein temperaturregulierendes Material dispergiert
ist. Das zweite längliche
Element (oder die zweite Anzahl an länglichen Elementen) kann aus
demselben Polymermaterial oder einem anderen Polymermaterial mit
anderen Eigenschaften bestehen.
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Obwohl 1 Mehrkomponentenfasern
mit runden oder dreilappigen Querschnittsformen zeigt, umfasst die
Erfindung auch Mehrkomponentenfasern mit einer Reihe von anderen
regelmäßigen oder
unregelmäßigen Querschnittsformen
wie etwa, ohne darauf beschränkt
zu sein, mehrlappig, achteckig, oval, fünfeckig, rechteckig, quadratisch,
trapezförmig,
dreieckig, keilförmig
usw. Es sollte berücksichtigt
werden, dass im Allgemeinen eine erste Anzahl an länglichen
Elementen aus demselben oder einem anderen Polymermaterial hergestellt
werden kann und dass eine zweite Anzahl an länglichen Elementen aus demselben
oder einem anderen Polymermaterial hergestellt werden kann. Außerdem kann
in manchen Ausführungsformen
der Erfindung ein temperaturregulierendes Material in einem zweiten
länglichen
Element (oder einer zweiten Anzahl an länglichen Elementen) dispergiert
werden. Es sollte außerdem
berücksichtigt
werden, dass zwei oder mehrere verschiedene temperaturregulierende
Materialien in demselben oder in verschiedenen länglichen Elementen dispergiert
werden können.
Ein erstes temperaturregulierendes Material kann beispielsweise
in einem ersten länglichen
Element und ein zweites temperaturregulierendes Material mit etwas
anderen Eigenschaften kann in einem zweiten länglichen Element dispergiert
werden (z.B. zwei verschiedene Phasenübergangsmaterialien). Zusätzlich dazu
sollte berücksichtigt
werden, dass die Anzahl, Form und Größe der länglichen Elemente, die in 1 veranschaulicht
sind, nur als Beispiele und nicht als Einschränkung dienen sollen und dass
zahlreiche andere Ausführungsformen
im Umfang der Erfindung liegen.
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Unter
Bezugnahme auf 1 zeigt die linke Spalte 10 drei
beispielhafte Mehrkomponentenfasern 12, 13 und 14.
Die Mehrkomponentenfaser 12 umfasst eine Anzahl an länglichen
Elementen, die in einer "Tortenstück"-Konfiguration angeordnet
sind. In der vorliegenden Ausführungsform
sind eine erste Anzahl an länglichen
Elementen 15, 15', 15'', 15''' und 15'''' und eine zweite
Anzahl an länglichen
Elementen 16, 16', 16'', 16''' und 16'''' abwechselnd
angeordnet und bilden keilförmige
Querschnittsformen. Im Allgemeinen können die länglichen Elemente dieselbe
oder unterschiedliche Querschnittsform und -größe aufweisen. Außerdem sollte berücksichtigt
werden, dass im Allgemeinen, auch wenn die Mehrkomponentenfaser 12 als
aus zehn länglichen
Elementen bestehend dargestellt wird, zwei oder mehrere längliche
Elemente in "Tortenstück"-Konfiguration angeordnet
werden können
und dass zumindest in einem der länglichen Elemente ein temperaturregulierendes
Material dispergiert ist.
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Die
Mehrkomponentenfaser 13 umfasst eine Anzahl an länglichen
Elementen, die in einer Insel/Meer-Konfiguration angeordnet sind.
In der vorliegenden Ausführungsform
ist eine erste Anzahl an länglichen
Elementen 35, 35', 35'', 35''' etc. in einem
zweiten länglichen
Element 36 angeordnet und von diesem umgeben. In der vorliegenden
Ausführungsform
weist jedes der länglichen
Elemente der ersten Gruppe trapezförmigen Querschnitt auf. Es
sollte jedoch berücksichtigt
werden, dass eine Vielzahl von anderen regelmäßigen oder unregelmäßigen Querschnittsformen
in den Umfang der Erfindung fallen, wie beispielsweise, ohne darauf
beschränkt
zu sein, rund, mehrlappig, achteckig, oval, fünfeckig, rechteckig, quadratisch,
dreieckig, keilförmig
usw. Im Allgemeinen können
die länglichen
Elemente der ersten Gruppe 35, 35', 35'', 35''' etc.
denselben oder einen anderen Querschnitt aufweisen. Außerdem sollte
berücksichtigt
werden, dass im Allgemeinen, auch wenn die Mehrkomponentenfaser 13 mit
siebzehn länglichen
Elementen 35, 35', 35'', 35''' etc., die in
einem zweiten länglichen
Element 36 angeordnet und von diesem umgeben sind, dargestellt
ist, eines oder mehrere längliche
Elemente in einem zweiten länglichen
Element 36 angeordnet werden und von diesem umgeben sein
können.
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Die
Mehrkomponentenfaser 14 umfasst eine Anzahl an länglichen
Elementen, die in einer gestreiften Konfiguration angeordnet sind.
In der vorliegenden Ausführungsform
sind eine erste Anzahl an länglichen
Elementen 37, 37', 37'', 37''' und 37'''' und eine zweite
Anzahl an länglichen
Elementen 38, 38', 38'' und 38''' abwechselnd
an geordnet und bilden in Längsrichtung
verlaufende Scheiben der Mehrkomponentenfaser 14. Im Allgemeinen
können
die länglichen
Elemente dieselbe oder unterschiedliche Querschnittform oder -größe (z.B. Breite
der in Längsrichtung
verlaufenden Scheiben) aufweisen. Außerdem sollte berücksichtigt
werden, dass im Allgemeinen, auch wenn die Mehrkomponentenfaser 14 mit
neun länglichen
Elementen dargestellt ist, zwei oder mehrere längliche Elemente in einer gestreiften
Konfiguration angeordnet werden können und dass zumindest in
einem der länglichen
Elemente ein temperaturregulierendes Material dispergiert ist.
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Im
Fall der Mehrkomponentenfasern 12 und 14 ist ein
erstes längliches
Element (z.B. 15) so dargestellt, dass es teilweise von
einem oder mehreren daneben liegenden länglichen Elementen (z.B. 16 und 16'''') umgeben ist,
während
im Fall der Mehrkomponentenfaser 13 ein erstes längliches
Element (z.B. 35) so dargestellt ist, dass es vollständig von
einem einzelnen zweiten länglichen
Element 36 umgeben ist. Wenn ein erstes längliches
Element (z.B. 15) nicht vollständig umgeben ist, kann es wünschenswert,
wenn auch nicht erforderlich sein, dass eine Einschlussstruktur
(z.B. Mikrokapseln) verwendet werden, um ein dispergiertes Phasenübergangsmaterial
in dem ersten länglichen
Element eingeschlossen zu halten.
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Die
mittlere Spalte 20 in 1 zeigt
vier beispielhafte Kern/Mantel-Fasern 21, 22, 23 und 24.
Genauer gesagt umfassen die Kern/Mantel-Fasern 21, 22, 23 und 24 jeweils
eine Anzahl an länglichen
Elementen, die in einer Kern/Mantel-Konfiguration angeordnet sind.
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Die
Kern/Mantel-Faser 21 umfasst ein erstes längliches
Element 39, das in einem zweiten länglichen Element 40 angeordnet
und von diesem umgeben ist. Genauer gesagt ist das erste längliche
Element 39 als Kernelement ausgebildet, in dem ein temperaturregulierendes
Material dispergiert ist. Dieses Kernelement ist konzentrisch in
dem zweiten länglichen
Element 40, das als Mantelelement ausgebildet ist, angeordnet
und von diesem vollständig
umgeben. Hier umfasst die Kern/Mantelfaser 21 25 Gew.-%
des Kernelements und 75 Gew.-% des Mantelelements.
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Die
Kern/Mantel-Faser 22 umfasst ein erstes längliches
Element 41, das in einem zweiten länglichen Element 42 angeordnet
und von diesem umgeben ist. Wie bei der zuvor erläuterten
Ausführungsform
ist das erste längliche
Element 39 als Kernelement ausgebildet, in dem ein temperaturregulierendes
Material dispergiert ist, und ist konzentrisch in dem zweiten länglichen
Element 42, das als Mantelelement ausgebildet ist, angeordnet
und von diesem vollständig
umgeben. Hier umfasst die Kern/Mantelfaser 22 50 Gew.-%
des Kernelements und 50 Gew.-% des Mantelelements.
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Die
Kern/Mantel-Faser 23 umfasst ein erstes längliches
Element 43, das in einem zweiten länglichen Element 44 angeordnet
und von diesem umgeben ist. In dieser Ausführungsform ist das erste längliche
Element 43 jedoch als Kernelement exzentrisch in einem
zweiten länglichen
Element ausgebildet, das als Mantelelement ausgebildet ist. Die
Kern/Mantel-Faser 23 kann praktisch jeden beliebigen Gewichtsprozentsatz
an Kern- und Mantelelement umfassen, um die gewünschten thermoregulierenden
und mechanischen Eigenschaften bereitzustellen.
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Die
dreilappige Kern/Mantel-Faser 24 umfasst ein erstes längliches
Element 45, das in einem zweiten länglichen Element 46 angeordnet
und von diesem umgeben ist. In der vorliegenden Ausführungsform
ist das erste längliche
Element 45 als Kernelement ausgebildet und weist eine dreilappige
Querschnittsform auf. Dieses Kernelement ist konzentrisch in einem
zweiten länglichen
Element 46 angeordnet, das als Mantelelement ausgebildet
ist. Die Kern/Mantel-Faser 24 kann praktisch jeden beliebigen
Gewichtsprozentsatz an Kern- und Mantelelement umfassen, um die
gewünschten
thermoregulierenden und mechanischen Eigenschaften bereitzustellen.
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Es
sollte berücksichtigt
werden, dass ein Kernelement im Allgemeinen eine Vielzahl von regelmäßigen oder
unregelmäßigen Querschnittsformen
wie etwa, ohne darauf beschränkt
zu sein, rund, mehrlappig, achteckig, oval, fünfeckig, rechteckig, quadratisch,
trapezförmig,
dreieckig, keilförmig
usw., aufweisen kann. Wenngleich die Kern/Mantelfasern 21, 22, 23 und 24 mit
einem Kernelement, das in einem Mantelelement angeordnet und von
diesem umgeben ist, dargestellt sind, sollte berücksichtigt werden, dass zwei
oder mehr Kernelemente in einem Mantelelement angeordnet und von
diesem umgeben sein können
(z.B. auf ähnliche
Weise wie für
Mehrkomponentenfaser 13 dargestellt). Diese zwei oder mehreren
Kernelemente können
dieselbe oder verschiedene Querschnittsform und -größe aufweisen.
Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung umfasst eine Kern/Mantel-Faser drei oder mehr längliche
Elemente, die in einer Kern/Mantel-Konfiguration angeordnet sind,
wobei die länglichen
Elemente als konzentrische oder exzentrische, in Längsrichtung
verlaufende Scheiben der Kern/Mantel-Faser ausgebildet sind.
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Die
rechte Spalte 30 in 1 zeigt
eine Anzahl an beispielhaften Seite-an-Seite-Fasern gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung. Die Seite-an-Seite-Fasern 26, 27, 28, 29 und 34 umfassen
jeweils eine Anzahl an länglichen
Elementen, die in einer Seite-an-Seite-Konfiguration angeordnet
sind.
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Die
Seite-an-Seite-Faser 26 umfasst ein erstes längliches
Element 47, das neben einem zweiten länglichen Element 48 angeordnet
und von diesem teilweise umgeben ist. In der vorliegenden Ausführungsform weisen
die länglichen
Elemente 47 und 48 halbkreisförmige Querschnittsform auf.
Hier umfasst die Seite-an-Seite-Faser 26 50 Gew.-% des
ersten länglichen
Elements 47 und 50 Gew.-% des zweiten länglichen Elements 48.
Es sollte berücksichtigt
werden, dass die länglichen
Elemente 47 und 48, alternativ dazu oder gleichzeitig,
dadurch gekennzeichnet sein können,
dass sie in einer "Tortenstück"- oder gestreiften
Konfiguration angeordnet sind.
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Die
Seite-an-Seite-Faser 27 ein erstes längliches Element 49,
das neben einem zweiten länglichen Element 50 angeordnet
und von diesem teilweise umgeben ist. In der vorliegenden Ausführungsform
umfasst die Seite-an-Seite-Faser 27 20 Gew.-% des ersten
länglichen
Elements 49 und 80 Gew.-% des zweiten länglichen Elements 50.
Es sollte berücksichtigt
werden, dass die länglichen
Elemente 49 und 50, alternativ dazu oder gleichzeitig,
dadurch gekennzeichnet sein können,
dass sie in einer Kern/Mantel-Konfiguration angeordnet sind, wobei
das erste längliche
Element 49 in Bezug auf das zweite längliche Element 50 exzentrisch
angeordnet und von diesem teilweise umgeben ist.
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Die
Seite-an-Seite-Fasern 28 und 29 sind zwei beispielhafte
Fasern mit Mischviskosität.
Jede Faser umfasst ein erstes längliches
Element 51 bzw. 53, in dem ein temperaturregulierendes
Material dispergiert ist und das neben einem zweiten länglichen
Element 52 oder 54 angeordnet und von diesem teilweise
umgeben ist. Eine Faser mit Mischviskosität gilt üblicherweise als selbstkräuselnde
oder als selbststrukturierende Faser, wobei die Kräuselung
oder die Struktur der Faser der Faser Erhabenheit, Fülligkeit,
Isolierung, Dehnbarkeit oder ähnliche
Eigenschaften verleiht. Üblicherweise
umfasst eine Faser mit Mischviskosität eine Anzahl an länglichen
Fasern aus verschiedenen Polymermaterialien. Für die Seite-an-Seite-Faser 28 kann
beispielsweise das erste längliche
Element 51 aus einem ersten Polymermaterial und das zweite
längliche
Element 52 aus einem zweiten Polymermaterial bestehen,
das sich in bestimmter Weise von dem ersten Polymermaterial unterscheidet.
In der vorliegenden Ausführungsform
können
das erste und das zweite Polymermaterial Polymere umfassen, die
unterschiedliche(s) Viskosität
oder Molekulargewicht aufweisen (z.B. zwei Polypropylene mit unterschiedlichem
Molekulargewicht). Wenn die Seite-an-Seite-Faser 28 verstreckt
wird, kann es zu ungleichmäßiger Belastung
der länglichen
Elemente 51 und 52 kommen, und die Seite-an-Seite-Faser 28 kann
sich kräuseln
oder krümmen.
In anderen Ausführungsformen
der Erfindung können
das erste und das zweite Polymermaterial Polymere umfassen, die
ein unterschiedliches Maß an
Kristallinität
aufweisen. Das erste Polymermaterial kann beispielsweise ein geringeres
Maß an
Kristallinität
aufweisen als das zweite Polymermaterial. Wenn die Seite-an-Seite-Faser 28 verstreckt
wird, kann es in dem ersten und zweiten Polymermaterial zu einem
unterschiedlichen Ausmaß an
Kristallisation und Ausrichtung kommen, wodurch Ausrichtung und
Festigkeit in der Faser "fixiert" werden. Ein ausreichendes
Maß an
Kristallisation kann erwünscht
sein, um eine Neuausrichtung der Faser 28 bei einer Wärmebehandlung
zu verhindern oder zu reduzieren. Die Seite-an-Seite-Fasern 28 und 29 können praktisch
jeden beliebigen Gewichtsprozentsatz an erstem und zweitem länglichem
Element umfassen, um die gewünschten
thermoregulierenden, mechanischen, selbstkräuselnden oder selbststrukturierenden
Eigenschaften bereitzustellen.
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Die
Seite-an-Seite-Faser 34 ist eine beispielhafte ABA-Faser,
die ein erstes längliches
Element 55 umfasst, das zwischen mehreren zweiten länglichen
Elementen 56 und 56' angeordnet
und von diesen teilweise umgeben ist. In der vorliegenden Ausführungsform
besteht das erste längliche
Element 55 aus einem ersten Polymermaterial, in dem ein
temperaturregulierendes Material dispergiert ist. Dabei die zweite
Anzahl an länglichen
Elementen 56 und 56' aus
dem ersten Polymermaterial oder aus einem zweiten Polymermaterial,
das sich in gewisser Weise von dem ersten Polymermaterial unterscheidet,
hergestellt werden. Im Allgemeinen können die länglichen Elemente 56 und 56' dieselbe oder
unterschiedliche Querschnittsform oder -größe (z.B. Breite der länglichen
Scheiben) aufweisen. Es sollte berücksichtigt werden, dass die
länglichen
Elemente 55, 56 und 56', alternativ dazu oder gleichzeitig,
dadurch gekennzeichnet sein können,
dass sie in einer gestreiften Konfiguration angeordnet sind.
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Nun
auf 2 Bezug nehmend, zeigt diese eine dreidimensionale
Ansicht einer beispielhaften Kern/Mantel-Faser. Die Kern/Mantel-Faser 59 umfasst
ein längliches
und im Allgemeinen zylinderförmiges Kernelement 57,
das in einem länglichen
und ringförmigen
Mantelelement 58 angeordnet und von diesem umgeben ist.
Im Kernelement 57 ist ein temperaturregulierendes Material 61 dispergiert,
das Kernelement 57 ist im Mantelelement 58 angeordnet
und ist von diesem vollständig
umgeben oder umhüllt.
In der vorliegenden Ausführungsform
umfasst das temperaturregulierende Material 61 eine Vielzahl
von Mikrokapseln, die ein Phasenübergangsmaterial
umfassen, und die Mikrokapseln können
gleichmäßig in dem
Kernelement 57 dispergiert sein. Fachleuten auf dem Gebiet
der Erfindung ist klar, dass, auch wenn die Mikrokapseln vorzugsweise
gleichmäßig in dem
Kernelement 57 dispergiert sind, dies nicht für alle Anwendungen
erforderlich ist. Das Kernelement 57 kann konzentrisch
oder exzentrisch in dem Mantelelement 58 angeordnet sein,
und die Kern/Mantel-Faser 59 kann
praktisch jeden beliebigen Gewichtsprozentsatz an Kernelement 57 und
Mantelelement 58 umfassen, um die gewünschten thermoregulierenden
und mechanischen Eigenschaften bereitzustellen.
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3 zeigt
eine dreidimensionale Ansicht einer anderen beispielhaften Kern/Mantel-Faser 60.
Wie die Kern/Mantel-Faser 59 umfasst die Kern/Mantel-Faser 60 ein
längliches
und im Allgemeinen zylinderförmiges Kernelement 63,
das in einem länglichen
und ringförmigen
Mantelelement 64 angeordnet und von diesem vollständig umgeben
oder umhüllt
ist. Hier umfasst ein temperaturregulierendes Material 62 ein
Phasenübergangsmaterial
in einer Rohform (z.B. ist das Phasenübergangsmaterial nicht verkapselt,
d.h. nicht mikro- oder makroverkapselt), und das Phasenübergangsmaterial
kann in dem Kernelement 63 gleichmäßig dispergiert sein. Fachleuten
auf dem Gebiet der Erfindung ist klar, dass, auch wenn das Phasenübergangsmaterial
vorzugsweise gleichmäßig in dem
Kernelement 63 dispergiert ist, dies nicht für alle Anwendungen
erforderlich ist. Das Umschließen
des Kernelements 63 mit dem Mantelelement 64 kann
dazu dienen, das Phasenübergangsmaterial
im Kernelement 63 einzuschließen. Dementsprechend kann das
Mantelelement 64 einen Verlust an oder ein Austreten von
Phasenübergangsmaterial
bei der Faserverarbeitung oder bei der Endanwendung reduzieren oder
verhindern. Das Kernelement 63 kann konzentrisch oder exzentrisch
im Mantelelement 64 angeordnet sein, und die Kern/Mantel-Faser 60 kann
praktisch jeden beliebigen Gewichtsprozentsatz an Kernelement 63 und
Mantelelement 64 umfassen, um die gewünschten thermoregulierenden
und mechanischen Eigenschaften bereitzustellen.
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Wie
zuvor erläutert
umfasst eine erfindungsgemäße Mehrkomponentenfaser
ein temperaturregulierendes Material, das in einem oder mehreren
länglichen
Elementen dispergiert wird. Üblicherweise
wird das temperaturregulierende Material in zumindest einem der
länglichen
Elemente dispergiert. In Abhängigkeit
von den speziellen, von der Mehrkomponentenfaser erwarteten Eigenschaften,
kann die Dispersion des temperaturregulierenden Materials jedoch
variabel in einem oder mehreren länglichen Elementen erfolgen.
Das temperaturregulierende Material umfasst üblicherweise ein oder mehrere
Phasenübergangsmaterialien.
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Im
Allgemeinen kann ein Phasenübergangsmaterial
jede Substanz (oder jedes Substanzgemisch) umfassen, das in der
Lage ist, thermische Energie zu absorbieren oder abzugeben, um Wärmefluss
bei einem oder innerhalb eines Temperaturstabili sierungsbereich(s)
zu reduzieren oder zu eliminieren. Der Temperaturstabilisierungsbereich
kann eine bestimmte Übergangstemperatur
oder einen Übergangstemperaturbereich umfassen.
Ein Phasenübergangsmaterial,
das in den verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung verwendet wird, ist vorzugsweise in der Lage, einen
Fluss von thermischer Energie in einem Zeitraum, in dem das Phasenübergangsmaterial
Wärme absorbiert
oder abgibt, üblicherweise
wenn das Phasenübergangsmaterial von
einem Zustand in einen anderen übergeht
(z.B. vom flüssigen
in den festen Zustand, vom flüssigen
in den gasförmigen
Zustand, vom festen in den gasförmigen
Zustand oder von einem festen in einen anderen festen Zustand),
zu verhindern. Dieser Vorgang ist üblicherweise vorübergehend
und erfolgt beispielsweise dann, wenn vom Phasenübergangsmaterial während eines
Heiz- oder Kühlvorgangs
latente Wärme
absorbiert oder abgegeben wird. Thermische Energie kann vom Phasenübergangsmaterial
gespeichert oder abgegeben werden, und das Phasenübergangsmaterial
kann üblicherweise
mit einer Wärme-
oder Kältequelle
wirksam regeneriert werden. Durch die Auswahl des geeigneten Phasenübergangsmaterials
kann die Mehrkomponentenfaser für
die Verwendung in einem von zahlreichen Produkten und Anwendungen
ausgerichtet werden.
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Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung kann ein Phasenübergangsmaterial
ein Fest/Fest-Phasenübergangsmaterial
sein. Ein Fest/Fest-Phasenübergangsmaterial
ist ein Phasenübergangsmaterialtyp,
der üblicherweise
von einem festen Zustand in einen anderen festen Zustand übergeht
(z.B. ein Übergang
einer kristallinen oder mesokristallinen Phasen) und demnach während der
Verwendung üblicherweise
nicht flüssig
wird.
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Phasenübergangsmaterialien,
die gemäß verschiedenen
Ausführungsformen
der Erfindung in Mehrkomponentenfasern integriert werden können, umfassen
verschiedene organische und anorganische Substanzen. Beispielhafte
Phasenübergangsmaterialien
umfassen beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, Kohlenwasserstoffe
(z.B. unverzweigte Alkane oder Paraffinkohlenwasserstoffe, verzweigte
Alkane, ungesättigte
Kohlenwasserstoffe, halogenierte Kohlenwasserstoffe und alizyklische
Kohlenwasserstoffe), hydratisierte Salze (z.B. Calciumchlorid-hexahydrat,
Calcium bromid-hexahydrat, Magnesiumnitrat-hexahydrat, Lithiumnitrat-trihydrat,
Kaliumfluorid-tetrahydrat, Ammoniumalaun, Magnesiumchlorid-hexahydrat,
Natriumcarbonat-decahydrat,
Dinatriumphosphat-dodecahydrat, Natriumsulfat-decahydrat und Natriumacetat-trihydrat), Wachse, Öle, Wasser,
Fettsäuren,
Fettsäureester,
zweibasige Säuren,
zweibasige Ester, 1-Halogenide, primäre Alkohole, aromatische Verbindungen,
Clathrate, Semiclathrate, Gasclathrate, Anhydride (z.B. Stearinsäureanhydrid),
Ethylencarbonat, mehrwertige Alkohole (z.B. 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol,
2-Hydroxymethyl-2-methyl-1,3-propandiol, Ethylenglykol, Polyethylenglykol,
Pentaerythrit, Dipentaerythrit, Pentaglycerin, Tetramethylolethan,
Neopentylglykol, Tetramethylolpropan, Monoaminopentaerythrit, Diaminopentaerythrit
und Tris(hydroxymethyl)essigsäure),
Polymere (z.B. Polyethylen, Polyethlyenglykol Polypropylen, Polypropylenglykol,
Polytetramethylenglykol und Copolymere, wie z.B. Polyacrylat oder
Poly(meth)acrylat mit Alkylkohlenwasserstoff-Seitenkette oder mit
Polyethylenglykol-Seitenkette, und Copolymere, umfassend Polyethylen,
Polyethylenglykol, Polypropylen, Polypropylenglykol oder Polytetramethylenglykol),
Metalle und Gemische davon.
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Tabelle
1 stellt eine Liste von beispielhaften Paraffinkohlenwasserstoffen
dar, die als Phasenübergangsmaterial
in den hierein beschriebenen Mehrkomponentenfasern genutzt werden
können.
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Ein
Phasenübergangsmaterial
kann ein Gemisch zweier oder mehrerer Substanzen (z.B. zwei oder mehr
der zuvor erläuterten
beispielhaften Phasenübergangsmaterialien)
umfassen. Durch die Auswahl zweier oder mehrerer verschiedener Substanzen
(z.B. zwei verschiedenen Paraffinkohlenwasserstoffen) und die Herstellung
eines Gemischs daraus, kann ein Temperaturstabilisierungsbereich
innerhalb eines breiten Bereichs für alle speziellen Anwendungen
der Mehrkomponentenfaser angepasst werden. Gemäß manchen Ausführungsformen
der Erfindung kann ein Phasenübergangsmaterial
ein Copolymer aus zwei oder mehr Substanzen (z.B. zwei oder mehr
der oben erläuterten
beispielhaften Phasenübergangsmaterialien)
umfassen.
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Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung kann das temperaturregulierende Material ein Phasenübergangsmaterial
in Rohform (z.B. ein nicht verkapseltes, d.h. nicht mikro- oder
mesoverkapseltes Phasenübergangsmaterial)
umfassen. Bei der Herstellung der Mehrkomponentenfaser kann das
Phasenübergangsmaterial
als Feststoff in einer Vielzahl von Formen (z.B. als Masse, Pulver,
Pellets, Körnchen,
Flocken usw.) oder als Flüssigkeit
in einer Vielzahl von Formen (z.B. in geschmolzener Form, in einem
Lösungsmittel gelöst usw.)
bereitgestellt werden.
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Gemäß anderen
Ausführungsformen
der Erfindung kann das temperaturregulierende Material außerdem eine
Einschlussstruktur, die ein Phasenübergangsmaterial einkapselt,
umfasst, umschließt
oder absorbiert, umfassen. Diese Einschlussstruktur kann die Handhabung
des Phasenübergangsmaterials
erleichtern, während
sie dem Phasenübergangsmaterial
bei der Herstellung der Mehrkomponentenfaser oder eines daraus hergestellten
Gegenstandes Schutz bietet (z.B. Schutz vor hohen Temperaturen oder
Scherkräften).
Außerdem
kann die Einschlussstruktur zur Verhinderung von Austritt des Phasenübergangsmaterials
aus der Mehrkomponentenfaser während
der Verwendung dienen.
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Das
temperaturregulierende Material kann beispielsweise eine Vielzahl
von Mikrokapseln umfassen, die ein Phasenübergangsmaterial enthalten,
und die Mikrokapseln können
einheitlich oder unregelmäßig in zumindest
einem der länglichen
Elemente dispergiert sein. Die Mikrokapseln können als hohle Hüllen, die
das Phasenübergangsmaterial
enthalten, ausgebildet sein und einzelne Mikrokapseln mit verschiedenen
regelmäßigen oder
unregelmäßigen Formen
(z.B. sphärisch,
elliptisch usw.) und Größen umfassen.
Die einzelnen Mikrokapseln können
dieselbe oder unterschiedliche Form und Größe aufweisen. Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung weisen die Mikrokapseln eine maximale lineare Dimension
(z.B. Durchmesser) von etwa 0,01 bis etwa 100 μm auf. In einer derzeit bevorzugten
Ausführungsform
weisen die Mikrokapseln eine sphärische
Form und eine maximale lineare Dimension (z.B. Durchmesser) von
etwa 0,5 bis etwa 3 μm
auf. Andere Beispiele für
die Einschlussstruktur umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein,
Siliciumdioxidteil chen (z.B. Kieselhydrogelteilchen, Quarzstaubteilchen
und Gemische daraus), Zeolithteilchen, Kohlenstoffteilchen (z.B.
Graphitteilchen, Aktivkohleteilchen und Gemische daraus) und Absorbensmaterialien
(z.B. absorbierende Polymermaterialien, superabsorbierende Materialien,
Cellulosederivatmaterialien, Poly(meth)acrylatmaterialien, Metallsalze
von Poly(meth)acrylatmaterialien und Gemische daraus). Das temperaturregulierende
Material kann beispielsweise mit einem Phasenübergangsmaterial imprägnierte
Siliciumdioxidteilchen, Zeolithteilchen, Kohlenstoffteilchen oder
ein damit imprägniertes
Absorbensmaterialumfassen.
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Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung können
ein oder mehrere längliche
Elemente jeweils etwa 5 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% des temperaturregulierenden
Materials umfassen. In einer Ausführungsform kann ein längliches
Element demnach 60 Gew.-% des temperaturregulierenden Materials
umfassen, und in anderen Ausführungsformen
kann das längliche
Element etwa 10 bis etwa 30 Gew.-% oder etwa 15 bis etwa 25 Gew.-%
des temperaturregulierenden Materials umfassen.
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Wie
zuvor erläutert
umfasst eine erfindungsgemäße Mehrkomponentenfaser
eine Anzahl an länglichen
Elementen, die aus denselben oder unterschiedlichen Polymermaterialien
hergestellt werden. Gemäß der Erfindung
umfassen die länglichen
Elemente ein erstes längliches
Element (oder eine erste Anzahl an länglichen Elementen), das aus
einem ersten Polymermaterial besteht und in dem ein temperaturregulierendes
Material dispergiert ist. Zusätzlich
dazu umfassen die länglichen
Elemente ein zweites längliches
Element (oder eine zweite Anzahl an länglichen Elementen), das aus
einem zweiten Polymermaterial, das sich von dem ersten Polymermaterial
in gewisser Weise unterscheiden kann, hergestellt wird. Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung können
die länglichen
Elemente aus demselben Polymermaterial hergesellt werden; in diesem
Fall entsprechen einander das erste und das zweite Polymermaterial.
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Allgemein
kann ein Polymermaterial (z.B. das erste oder das zweite Polymermaterial)
jedes beliebige Polymer (oder Gemisch aus Polymeren) umfassen, das
zu einem länglichen
Element geformt werden kann. Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung kann ein längliches
Element aus jedem beliebigen faserbildenden Polymer (oder Gemisch
aus faserbildenden Polymeren) gebildet werden. Gemäß den Ausführungsformen
der Erfindung, bei denen ein Schmelzspinnverfahren zur Herstellung
der Mehrkomponentenfaser eingesetzt wird, kann ein Polymermaterial
ein thermoplastisches Polymer (oder ein Gemisch aus thermoplastischen
Polymeren) umfassen (d.h. ein Polymer, das erhitzt werden kann,
um eine Schmelze zu bilden und dann so geformt oder gepresst werden
kann, um ein längliches
Element zu bilden).
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Ein
Polymermaterial kann ein Polymer (oder ein Gemisch aus Polymeren)
mit verschiedenen Kettenstrukturen umfassen, die einen oder mehrere
Typen von Monomereinheiten umfassen können. Ein Polymermaterial kann
insbesondere ein lineares Polymer, ein verzweigtes Polymer (z.B.
ein sternförmig
verzweigtes Polymer, ein kammförmig
verzweigtes Polymer oder ein baumähnlich verzweigtes Polymer)
oder ein Gemisch daraus umfassen. Ein Polymer kann ein Homopolymer,
ein Copolymer (z.B. ein statistisches Copolymer, ein Zufallscopolymer,
ein alternierendes Copolymer, ein periodisches Copolymer, ein Segmentcopolymer,
ein radiales Copolymer oder ein Pfropfcopolymer) oder ein Gemisch
daraus umfassen. Einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung ist
klar, dass die Reaktivität
und Funktionalität
eines Polymers durch Hinzufügung
einer Gruppe, wie z.B. einer Amino-, Amid-, Carboxyl-, Hydroxyl-,
Ester-, Ether-, Epoxid-, Anhydrid-, Isocyanat-, Silan-, Keton- oder
Aldehydgruppe, verändert
werden können.
Ein Polymer, das ein Polymermaterial umfasst, kann auch vernetzt,
verhakt oder über
Wasserstoffbrücken
verbunden sein, um seine Festigkeit und seine Beständigkeit
gegenüber
Hitze, Feuchtigkeit und Chemikalien zu steigern.
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Beispielhafte
Polymere, die verwendet werden können,
um ein längliches
Element gemäß verschiedenen
Ausführungsformen
der Erfindung zu bilden, umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein,
Polyamide (z.B. Nylon 6, Nylon 6/6, Nylon 12, Polyasparaginsäure, Polyglutaminsäure usw.)
Polyamine, Polyimide, Polyacryle (z.B. Polyacrylamid, Polyacrylnitril,
Ester von Methacrylsäure
und Acrylsäure
usw.), Polycarbonate (z.B. Polybisphenol-A-carbonat, Polypropylencarbonat
usw.), Polydiene (z.B. Polybutadien, Polyisopren, Polynorbornen
usw.), Polyepoxide, Polyester (z.B. Poly ethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat,
Polytrimethylenterephthalat, Polycaprolacton, Polyglycolid, Polylactid,
Polyhydroxybutyrat, Polyhydroxyvalerat, Polyethylenadipat, Polybutylenadipat,
Polypropylensuccinat usw.), Polyether (z.B. Polyethylenglykol (Polyethylenoxid),
Polybuylenglykol, Polypropylenoxid, Polyoxymethylen (Paraformaldehyd),
Polytetramethylenether (Polytetrahydrofuran), Polyepichlorhydrin
usw.), Polyfluorkohlenstoffe, Formaldehydpolymere (z.B. Harnstoff-Formaldehyd,
Melamin-Formaldehyd, Phenol-Formaldehyd usw.), natürliche Polymere
(z.B. Cellulosederivate, Chitosane, Lignine, Wachse usw.), Polyolefine
(z.B. Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen, Polybuten, Polyocten usw.),
Polyphenyle (z.B. Polyphenylenoxid, Polyphenylensulfid, Polyphenylenethersulfon
usw.), siliciumhältige Polymere
(z.B. Polydimethylsiloxan, Polycarbomethylsilan usw.), Polyurethane,
Polyvinyle (z.B. Polyvinylbutryal, Polyvinylalkohol, Polyvinlyacetat,
Polystyrol, Polymethylstyrol, Polyvinylchlorid, Polyvinylpyrrolidon, Polymethlyvinylether,
Polyethylvinylether, Polyvinylmethylketon usw.), Polyacetale, Polyarylate
und Copolymere (z.B. Polyethylen-co-vinylacetat, Polyethyyen-co-acrylsäure, Polybutylenterephthalat-co-polytetramethylenterephthalat,
Polylauryllactam-s-polytetrahydrofuran usw.).
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Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung kann das erste Polymermaterial ein Polymer (oder ein
Polymergemisch) umfassen, das die Dispersion oder Integration des
temperaturregulierenden Materials in dem ersten länglichen
Element erleichtert. Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung kann das erste Polymermaterial ein Polymer (oder ein
Polymergemisch) umfassen, das mit dem temperaturregulierenden Material
verträglich
ist oder eine Affinität
dafür aufweist.
Eine solche Affinität
kann die Dispersion des temperaturregulierenden Materials in intermediärer geschmolzener
oder flüssiger
Form des ersten Polymermaterials bei der Herstellung der Mehrkomponentenfaser
erleichtern und so letztendlich die Integration einer einheitlicheren
oder größeren Menge
oder eines einheitlicheren oder größeren Füllanteils eines Phasenübergangsmaterials
in die Mehrkomponentenfaser erleichtern. Bei Ausführungsformen,
bei denen das temperaturregulierende Material außerdem eine Einschlussstruktur
umfasst, kann das erste Polymermaterial ein Polymer (oder ein Polymergemisch)
umfassen, das aufgrund seiner Affinität für das Phasenübergangsmaterial
ausgewählt
wurde. Wenn das temperaturregulierende Material bei spielsweise eine
Vielzahl von Mikrokapseln umfasst, die das Phasenübergangsmaterial
enthalten, kann ein Polymer (oder ein Polymergemisch) ausgewählt werden,
das eine Affinität
für Mikrokapseln
(z.B. für
ein oder mehrere Materialien, aus denen Mikrokapseln gebildet werden)
aufweist. In manchen Ausführungsformen
der Erfindung kann beispielsweise das erste Polymermaterial so ausgewählt werden,
dass es dasselbe oder ein ähnliches
Polymer wie ein Polymer umfasst, das die Mikrokapseln enthält, (z.B.
wenn die Mikrokapseln Nylonhüllen
umfassen, kann das erste Polymermaterial so ausgewählt werden,
dass es Nylon enthält.).
Eine solche Affinität
kann die Dispersion der Mikrokapseln, die das Phasenübergangsmaterial
enthalten, in intermediärer
geschmolzener oder flüssiger
Form des ersten Polymermaterials erleichtern und so letztendlich
die Integration einer einheitlicheren oder größeren Menge oder eines einheitlicheren
oder größeren Füllanteils
eines Phasenübergangsmaterials
in die Mehrkomponentenfaser erleichtern.
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Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung kann das erste Polymermaterial ein Polymer (oder ein
Polymergemisch) umfassen, das mit dem temperaturregulierenden Material
wenig oder teilweise verträglich
ist oder eine schwache oder teilweise Affinität dafür aufweist. Eine solche teilweise
Affinität
kann geeignet sein, um die Dispersion des temperaturregulierenden
Materials sowie die Verarbeitung bei höheren Temperaturen und durch
ein Schmelzspinnverfahren zu erleichtern. Bei niedrigeren Temperaturen
und geringerer Scherfestigkeit und sobald die Mehrkomponentenfaser
gebildet wurde, kann diese teilweise Affinität eine Abtrennung des temperaturregulierenden
Materials ermöglichen.
Bei Ausführungsformen
dieser Erfindung, bei denen ein Phasenübergangsmaterial in Rohform
verwendet wird, kann diese teilweise Affinität zur Unlöslichkeit des Phasenübergangsmaterials
und einer gesteigerten Bildung von Phasenübergangsmaterialbereichen in
der Mehrkomponentenfaser führen.
Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung kann die Bildung von Bereichen zu einer verbesserten
thermoregulierenden Eigenschaft führen, da der Übergang
des Phasenübergangsmaterials
von einem in einen anderen Zustand erleichtert wird. Bestimmte Phasenübergangsmaterialien,
wie z.B. Paraffinkohlenwasserstoffe, können mit Polymermaterialien,
die Polyethylen oder Polyethylen-co-vinylacetat umfassen, bei geringeren
Konzentrationen des Phasenübergangsmaterials,
oder wenn die Temperatur über
einer kritischen Lösungstemperatur
liegt, verträglich
sein. Durch Vermischen eines Paraffinkohlenwasserstoffs mit Polyethylen
oder Polyethylen-co-vinylacetat
kann bei höheren
Temperaturen und einer höheren
Konzentration des Paraffinkohlenwasserstoffs ein homogenes Gemisch
erhalten werden, das leicht gesteuert, gepumpt und in einem Schmelzspinnverfahren
verarbeitet werden kann. Sobald eine Mehrkomponentenfaser gebildet
und abgekühlt
wurde, kann der Paraffinkohlenwasserstoff unlöslich werden und sich abtrennen,
um einzelne Bereiche zu bilden. Diese Bereiche können ein reines Schmelzen oder
eine reine Kristallisation des Paraffinkohlenwasserstoffs für eine verbesserte
thermoregulierende Eigenschaft ermöglichen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann das erste Polymermaterial ein niedermolekulares Polymer
(oder ein Gemisch von niedermolekularen Polymeren) umfassen. Ein
niedermolekulares Polymer weist üblicherweise
eine niedrige Viskosität
auf, wenn es zur Bildung einer Schmelze erhitzt wird, wobei diese geringe
Viskosität
die Dispersion eines temperaturregulierenden Materials in der Schmelze
erleichtern kann. Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung ist klar,
dass manche Polymere in einer Vielzahl von Formen mit unterschiedlichem
Molekulargewicht bereitgestellt werden können, da das Molekulargewicht
eines Polymers durch die Bedingungen bestimmt wird, unter denen
das Polymer hergestellt wird. Dementsprechend kann sich die Bezeichnung "niedermolekulares
Polymer", wie sie
hierin verwendet wird, auf eine niedermolekulare Form eines Polymers
(z.B. eine niedermolekulare Form eines zuvor erwähnten beispielhaften Polymers)
beziehen, und der Ausdruck "Molekulargewicht" kann sich auf das
zahlenmittlere Molekulargewicht, das gewichtsmittlere Molekulargewicht
oder den Schmelzindex eines Polymers beziehen. Ein Polyethylen mit
einem zahlenmittleren Molekulargewicht von etwa 20.000 (oder weniger)
kann als niedermolekulares Polymer in einer Ausführungsform der Erfindung verwendet
werden. Es sollte berücksichtigt
werden, dass das Molekulargewicht oder ein Molekulargewichtsbereich
eines niedermolekularen Polymers von dem jeweiligen Polymer (z.B.
Polyethylen), dem Verfahren oder den Geräten, die zur Dispersion des
temperaturregulierenden Materials in einer Schmelze des niedermolekularen
Polymers verwendet werden, abhängig
sein kann.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung kann das erste Polymermaterial ein Gemisch aus einem
niedermolekularen und einem hochmolekularen Polymer umfassen. Ein
hochmolekulares Polymer weist üblicherweise
bessere physikalische Eigenschaften (z.B. mechanische Eigenschaften)
auf, kann aber eine hohe Viskosität aufweisen, wenn es zum Schmelzen
erhitzt wird. Die Bezeichnung "hochmolekulares
Polymer", wie sie
hierin verwendet wird, kann sich auf eine hochmolekulare Form eines
Polymers (z.B. (z.B. eine hochmolekulare Form eines zuvor erwähnten beispielhaften
Polymers) beziehen. Das niedermolekulare Polymer oder das hochmolekulare
Polymer können
so ausgewählt
werden, das sie miteinander verträglich sind oder Affinität füreinander
aufweisen. Eine solche Affinität
kann die Herstellung eines Gemischs aus dem niedermolekularen Polymer,
dem hochmolekularen Polymer und dem temperaturregulierenden Material
bei der Herstellung der Mehrkomponentenfaser erleichtern und so
letztendlich die Integration einer einheitlicheren oder größeren Menge
oder eines einheitlicheren oder größeren Füllanteils eines Phasenübergangsmaterials in
die Mehrkomponentenfaser erleichtern. Gemäß manchen Ausführungsformen
der Erfindung kann das niedermolekulare Polymer als Kompatibilität bewirkende
Verbindung zwischen dem hochmolekularen Polymer und dem temperaturregulierenden
Material dienen und dadurch die Integration des temperaturregulierenden Materials
in die Mehrkomponentenfaser erleichtern.
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Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung kann ein längliches
Element üblicherweise
etwa 10 bis etwa 30 Gew.-% des temperaturregulierenden Materials
umfassen, wobei der übrige
Anteil des länglichen
Elements ein niedermolekulares und ein hochmolekulares Polymer umfasst.
In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform kann das längliche
Element 15 Gew.-% des niedermolekularen Polymers, 70 Gew.-% des hochmolekularen
Polymers und 15 Gew.-% des temperaturregulierenden Materials umfassen.
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Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung kann ein zweites Polymermaterial ein Polymer (oder
ein Polymergemisch) umfassen, das eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften
der Mehrkomponentenfaser aufweist oder bereitstellt. Beispielhafte
gewünschte
physikalische Eigenschaften umfassen, ohne darauf be schränkt zu sein,
mechanische Eigenschaften (z.B. Dehnbarkeit, Zugfestigkeit und Härte), thermische Eigenschaften
(z.B. Thermoformbarkeit) und chemische Eigenschaften (z.B. Reaktivität). Das
zweite Polymermaterial kann ein Polymer (oder ein Polymergemisch)
umfassen, das so ausgewählt
wird, dass es Mängel
(z.B. mechanische oder thermische Mängel) des ersten Polymermaterials
oder des ersten länglichen
Elements (oder der ersten Anzahl an länglichen Elementen) kompensiert,
wie z.B. aufgrund eines hohen Füllanteils
des temperaturregulierenden Materials. Gemäß manchen Ausführungsformen
der Erfindung ist die Funktion des zweiten Polymermaterials die
Verbesserung von physikalischen Gesamteigenschaften (z.B. mechanische
Eigenschaften) und Verarbeitbarkeit (z.B. durch Erleichterung ihrer
Herstellung durch ein Schmelzspinnverfahren) der Mehrkomponentenfaser.
Das zweite Polymermaterial kann dazu dienen, das temperaturregulierende Material,
das im ersten länglichen
Element (oder in der ersten Anzahl an länglichen Elementen) dispergiert
ist, zu umschließen.
Dementsprechend kann das zweite Polymermaterial die Verwendung eines
ersten Polymermaterials oder eines temperaturregulierenden Materials
ermöglichen,
die nicht optimal für
eine Verarbeitung bei hohen Temperaturen und unter Einwirkung von
hohen Scherkräften
geeignet sind. Zusätzlich
dazu kann das zweite Polymermaterial den Verlust oder das Austreten
von Phasenübergangsmaterial
bei der Faserverarbeitung oder der Endanwendung reduzieren oder
verhindern.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann das zweite Polymermaterial ein hochmolekulares Polymer
umfassen. Wie zuvor erläutert
weist ein hochmolekulares Polymer üblicherweise verbesserte physikalische
Eigenschaften (z.B. mechanische Eigenschaften) auf und kann so ausgewählt sein,
dass es eine hochmolekulare Form eines Polymers (z.B. eine hochmolekulare
Form eines zuvor angeführten
beispielhaften Polymers) darstellt.
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Gemäß manchen
derzeit bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung kann das zweite Polymermaterial einen Polyester umfassen – teilweise
aufgrund seiner ausgezeichneten Verarbeitbarkeit, der einer resultierenden
Faser verliehenen Eigenschaften und seiner Beständigkeit gegenüber bestimmten
Phasenübergangsmaterialien, wie
z.B. Paraffinkohlenwasserstoffen, wodurch ein Verlust oder Austritt
dieser Phasenübergangsmaterialien
reduziert oder verhindert wird. Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung kann der Polyester ein zahlenmittleres Molekulargewicht
von etwa 20.000 (oder mehr) aufweisen.
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An
diesem Punkt werden Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung zahlreiche
Vorteile in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung
erkennen. Eine Mehrkomponentenfaser gemäß den verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung kann beispielsweise einen hohen Füllanteil eines oder mehrerer Phasenübergangsmaterialien,
die in einem ersten länglichen
Element (oder in einer ersten Anzahl an länglichen Elementen) dispergiert
sind, umfassen. Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung kann ein hoher Füllanteil
bereitgestellt werden, da ein zweites längliches Element (oder eine
zweite Anzahl an länglichen Elementen)
das erste längliche
Element (oder die erste Anzahl an länglichen Elementen) umschließt. Das zweite
längliche
Element kann ein Polymer (oder ein Polymergemisch) umfassen, das
so ausgewählt
ist, dass es jegliche Mängel
(z.B. mechanische oder thermische Mängel) in Bezug auf das erste
längliche
Element kompensiert, die z.B. aufgrund des hohen Füllanteils
des Phasenübergangsmaterials
vorliegen können.
Außerdem kann
das zweite längliche
Element ein Polymer (oder ein Polymergemisch) umfassen, das so ausgewählt ist, dass
es die physikalischen Gesamteigenschaften (z.B. die mechanischen
Eigenschaften) und die Verarbeitbarkeit (z.B. durch die Erleichterung
ihrer Herstellung durch ein Schmelzspinnverfahren) der Mehrkomponentenfaser
verbessert. Durch das Umschließen
des ersten länglichen
Elements kann das zweite längliche Element
dazu dienen, das in dem ersten länglichen
Element dispergierte Phasenübergangsmaterial
einzuschließen
und dadurch einen Verlust oder Austritt des Phasenübergangsmaterials
zu verhindern.
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Erfindungsgemäße Mehrkomponentenfasern
können
in Bezug auf ihr Gesamtgewicht praktisch jedes Verhältnis zwischen
dem ersten länglichen
Element (oder der ersten Anzahl an länglichen Elementen) mit darin dispergiertem
temperaturregulierendem Material und dem zweiten länglichen
Element (oder der zweiten Anzahl an länglichen Elementen) aufweisen.
Zur Veranschaulichung und nicht als Einschrän kung kann, wenn die thermoregulierende
Eigenschaft einer Mehrkomponentenfaser eine bestimmende Bedingung
ist, ein größerer Anteil
der Mehrkomponentenfaser ein erstes längliches Element mit darin
dispergiertem temperaturregulierendem Material umfassen. Wenn die
physikalischen Eigenschaften der Mehrkomponentenfaser (z.B. mechanische
Eigenschaften) eine bestimmende Bedingung darstellen, wird andererseits
ein größerer Anteil
der Mehrkomponentenfaser ein zweites längliches Element, in dem kein
temperaturregulierendes Material dispergiert ist, umfassen. Alternativ
dazu kann es, wenn die thermoregulierenden und physikalischen Eigenschaften
der Mehrkomponentenfaser ausgewogen sein sollen, wünschenswert
sein, dass in dem zweiten länglichen
Element dasselbe oder ein anderes temperaturregulierendes Material
dispergiert ist.
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Eine
Mehrkomponentenfaser gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung kann etwa 1 bis etwa 99 Gew.-% eines ersten länglichen
Elements (oder einer ersten Anzahl an länglichen Elementen) umfassen. Üblicherweise
kann eine Mehrkomponentenfaser gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung etwa 10 bis etwa 90 Gew.-% eines ersten länglichen Elements (oder einer
ersten Anzahl an länglichen
Elementen) umfassen. Eine Ausführungsform
einer Kern/Mantel-Faser umfasst beispielsweise 90 Gew.-% eines Kernelements
und 10 Gew.-% eines Mantelelements. Bei dieser Ausführungsform
kann das Kernelement 60 Gew.-% an temperaturregulierendem Material
umfassen, wodurch eine Kern/Mantel-Faser mit 54 Gew.-% des temperaturregulierenden
Materials erhalten wird.
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Mehrkomponentenfasern
gemäß verschiedenen
Ausführungsformen
der Erfindung können
unter Einsatz von zahlreichen Verfahren, wie z.B. eines Schmelzspinnverfahrens,
hergestellt werden. Mehrkomponentenfasern gemäß manchen Ausführungsformen
der Erfindung können
unter Verwendung einer Mehrkomponentenfaserspinnlinie hergestellt
werden. Beispielhafte Spinnlinien werden von Hills, US-Patent 5.162.074
mit dem Titel "Method
of Making Plural Component Fibers" und darin zitierten Verweisen beschrieben.
So kann beispielsweise ein Gemisch, umfassend ein geschmolzenes
erstes Polymermaterial mit darin dispergiertem temperaturregulierendem
Material und ein geschmolzenes zweites Polymermaterial, bereitgestellt
werden. Das Gemisch und das geschmolzene zweite Polymermaterial
können
in eine Spinndüse
mit einer Vielzahl von Öffnungen
eingeleitet werden. Genauer gesagt können das Gemisch und das geschmolzene
zweite Polymer in jede Öffnung
in verschiedenen Konfigurationen eingeleitet werden, um jeweils
ein erstes längliches
Element (oder eine erste Anzahl an länglichen Elementen) und ein
zweites längliches
Element (oder eine zweite Anzahl an länglichen Elementen) zu bilden,
und dadurch eine Mehrkomponentenfaser gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung bilden. Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung können
Mehrkomponentenfasern unter Verwendung von Pellets, die ein erstes
Polymermaterial und ein temperaturregulierendes Material umfassen,
gebildet werden. Gemäß manchen
Ausführungsformen
der Erfindung können
die Pellets ein verfestigtes Schmelzgemisch aus einem temperaturregulierenden
Material, einem niedermolekularen Polymer und einem hochmolekularen
Polymer umfassen. Die Pellets können
geschmolzen werden, um ein Gemisch zu bilden, und dann gemeinsam
mit dem geschmolzenen zweiten Polymermaterial wie zuvor erläutert zur
Herstellung von Mehrkomponentenfasern verarbeitet werden.
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VERGLEICHSBEISPIELE
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Das
folgende Vergleichsbeispiel stellt zum besseren Verständnis und
zur praktischen Umsetzung der Erfindung eine spezielle Methodik
bereit.
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Vergleichsbeispiel 1
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Etwa
5 Pfund eines niedermolekularen Polyethylen-Homopolymers (AC-16
Polyethylen, Tropfpunkt 102°C,
hergestellt von Honeywell Specialty Chemical) wurde einer nassen
Spülvorrichtung
zugesetzt, und das Homopolymer wurde langsam geschmolzen und bei
etwa 110°C
bis etwa 130°C
gerührt.
Sobald das Homopolymer geschmolzen war, wurden etwa 8 Pfund eines
Nasskuchens innerhalb von 30 min langsam zu dem geschmolzenen Homopolymer
zugesetzt, um ein erstes Gemisch zu bilden. Der Nasskuchen umfasste
mit Wasser befeuchtete Mikrokapseln, die ein Phasenübergangsmaterial
umfassten (Micro PCM lot #M45-22; 63,2 Gew.-% Mikrokapseln mit Phasenübergangsmaterial,
hergestellt von Microtek Laboratories, Inc.).
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Als
die Mikrokapseln mit dem Phasenübergangsmaterial
zu dem geschmolzenen Homopolymer zugesetzt und darin dispergiert
wurden, wurde Wasser abgetrieben. Es wurde weiter vermischt, bis
weniger als etwa 0,15 Gew.-% Wasser übrig waren (gemessen unter
Einsatz von Karl-Fischer-Titration). Das resultierende erste Gemisch
wurde dann abgekühlt
und zerkleinert, um ein zerkleinertes Material für die weitere Verarbeitung
zu bilden.
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Dann
wurde durch Trockenvermischen von etwa 30 Pfund des zerkleinerten
Materials mit etwa 70 Pfund eines faserfähigen, thermoplastischen Polypropylenpolymers
(Polypropylenhomopolymer 6852 von BP Amoco Polymers) ein Trockengemisch
hergestellt.
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Das
resultierende Trockengemisch wurde dann unter Verwendung eines 2½-Zoll-Einschneckenextruders,
wobei alle Zonen auf etwa 230°C
eingestellt waren, mit einer Schneckendrehzahl von 70 U/min und
unter Verwendung von Filtersieben mit einer Maschenzahl von 150
und unter Stickstoffspülung
extrudiert. Auf diese Weise wurden Pellets gebildet. Die Pellets
wurden dann über
Nacht in einem Trockensystem mit einem Trockenbett für Polymerpellets
bei 105°C
und einem Taupunkt von –40°C getrocknet.
Diese Pellets stellten, wie durch DSC-(Differential-Scanning-Kalorimeter-)Messungen
bestimmt, 23,1 J/g der Energiespeicherkapazität (d.h. latente Wärme) bereit.
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Die
Mehrkomponentenfasern (hier: Zweikomponentenfasern) wurden dann
auf einer Spinnlinie für Zweikomponentenfasern
unter Verwendung der Pellets zur Bildung der Kernelemente und von
Polypropylen oder Nylon zur Bildung der Mantelelemente schmelzgesponnen.
Spinnlinien dieses allgemeinen Typs werden in Hills, US-Patent 5.162.074
mit dem Titel "Method
of Making Plural Component Fibers" beschrieben. Die Mehrkomponentenfasern
wurden bei Temperaturen zwischen 230°C und 245°C schmelzgesponnen.
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Es
wurden Mehrkomponentenfasern mit unterschiedlichen Kern/Mantel-Anteilen
aus Polymermaterialien hergestellt. In 4 werden
eine Reihe von Eigenschaften und Herstellungsparametern von sechs Kern/Mantel-Fasern,
die hergestellt wurden, angeführt.
Diese Fasern umfassen alle ein Phasenübergangsmaterial und Mikrokapseln,
die dieses Phasenübergangsmaterial
("mPCM") enthalten, welches
etwa 15 Gew.-% des Kernelements jeder Faser und etwa 7,5 bis etwa
11,25 Gew.-% des Gesamtgewichts jeder Faser ausmachen. Die Proben
1,2 und 3 weisen ein Mantelelement auf, das Polypropylen (PP) umfasst,
das ein Polypropylenhomopolymer von BP Amoco Polymers ist. Die Proben
4,5 und 6 weisen ein Mantelelement auf, das Nylon 6 umfasst, das
unter dem Namen Ultramid B von BASF Corp. hergestellt wird.