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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft dehnbare Mehrkomponentenfaser-Spinnvliese und
ein Verfahren zur Herstellung von Spinnvliesen, die Filamente mit
hohen Kräuselungsniveaus
aufweisen.
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2. BESCHREIBUNG DER DAMIT IN BEZIEHUNG STEHENDEN
TECHNIK
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Faservliese
aus Mehrkomponentenfilamenten sind in der Technik bekannt. Beispielsweise
beschreibt das
U.S.Patent Nr.
5102724 an Okawahara und Mitarbeiter (Okawahara) ein Zweiwege-Stretch-Faservlies, das Bikomponenten-Polyesterfilamente
aufweist, die durch konjugiertes Spinnen von nebeneinanderliegenden
Filamenten aus Polyethylenterephthalat hergestellt werden, copolymerisiert
mit einer Struktureinheit, die eine Metallsulfonatgruppe und ein
Polyethylenterephthalat oder ein Polybuylenterephthalat aufweist.
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Das
U.S.Patent Nr. 5382400 an
Pike und Mitarbeiter (Pike) beschreibt ein Verfahren zur Herstellung
eines Vliesstoffes, das das Schmelzspinnen von Mehrkomponentenpolymerendlosfilamenten
und das Kräuseln
der Mehrkomponentenendlosfilamente umfasst, um einen Vliesstoffherzustellen.
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Die
Internationale Publikation Nr.
WO 00/66821 an
Hancock-Cooke und Mitarbeiter (Hancock) beschreibt dehnbare Faservliese,
die eine Vielzahl von Bikomponentenfilamenten aufweisen, die vor
dem Erwärmen
punktgebunden wurden, um eine Kräuselung
in den Filamenten zu entwickeln.
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Das
U.S.Patent Nr. 3671379 an
Evans und Mitarbeiter (Evans) beschreibt selbstkräuselbare Verbundfilamente,
die eine seitlich exzentrische Anordnung von mindestens zwei synthetischen
Polyester aufweisen.
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Das
U.S.Patent Nr. 5750151 an
Brignola und Mitarbeiter (Brignola) beschreibt ein Spinnvliesverfahren,
das ein Paar Streckwalzen umfasst, das in einer Ummantelung eingeschlossen
ist. Die Streckwalzen liefern die Zugspannung, die für das Strecken
der Filamente in der Nähe
der Spinndüsenoberfläche erforderlich
ist.
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Das
U.S.Patent Nr. 4977611 an
Hartmann (Hartmann) beschreibt die Herstellung von Spinnvliesstoffen,
die wahlfrei Streckwalzen umfassen, um den Filamenten eine mechanische
Streckung zu erteilen.
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Während dehnbare
Vliesstoffe, die aus Mehrkomponentenfilamenten hergestellt werden,
in der Technik bekannt sind, besteht eine Forderung nach einem Verfahren
zur Herstellung von gleichmäßigen dehnbaren
Vliesstoffen aus Mehrkomponentenfilamenten, die ein starkes Rückstellvermögen aufweisen
und nicht einen separaten mechanischen Kräuselungsschritt erfordern,
um hohe Niveaus an Dehnbarkeit zu erreichen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dehnbaren
Faservlieses, das die folgenden Schritte aufweist:
Schmelzspinnen
einer Vielzahl von Endlosfilamenten, die mindestens ein erstes und
zweites einzelnes aus der Schmelze erspinnbares Polymer aufweisen, wobei
die Polymere in einzelnen im Wesentlichen konstant positionierten
Zonen über
dem Querschnitt der Filamente in einer exzentrischen Beziehung angeordnet
sind und sich im Wesentlichen kontinuierlich über die Länge der Filamente erstrecken;
Abschrecken
der Filamente in einer Abschreckzone bei Verwendung eines Gases;
Führen der
Filamente in einer einzelnen Umschlingung abwechselnd unter und über mindestens
zwei Serpentinenzuführwalzen,
wobei die Zuführwalzen mit
einer Umfangsgeschwindigkeit so gedreht werden, dass das erste und
zweite Polymer in der Abschreckzone im Wesentlichen amorph bleiben;
Führen der
Filamente in einer einzelnen Umschlingung abwechselnd unter und über mindestens
zwei Serpentinenstreckwalzen, wobei die Streckwalzen mit einer Umfangsgeschwindigkeit
gedreht werden, die größer ist
als die Umfangsgeschwindigkeit der Zuführwalzen, so dass die Filamente
zwischen den Zuführwalzen
und den Streckwalzen gestreckt werden, wobei die Temperatur der
Streckwalzen ausreichend ist, um teilkristalline Filamente aus der
ersten und zweiten Polymerkomponente zu bilden;
Führen der
teilkristallinen Filamente in einen Gastransportstrahl, wobei der
Strahl den Filamenten zwischen den Streckwalzen und dem Strahl eine
Zugspannung erteilt;
Führen
der gestreckten und teilkristallinen Filamente aus dem Gastransportstrahl,
wodurch die Zugspannung auf die Filamente freigegeben und bewirkt
wird, dass die Filamente eine spiralförmige Kräuselung bilden;
Ablegen
der Filamente auf einer sich bewegenden Auflagefläche, die
unterhalb des Transportstrahles angeordnet ist, um ein Faservlies
aus spiralförmig gekräuselten
Filamenten zu bilden.
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Die
Erfindung betrifft ebenfalls einen dehnbaren Vliesstoff, der spiralförmig gekräuselte Mehrkomponenten-Spinnvliesendlosfilamente
aufweist, wobei die Filamente Poly(ethylenterephthalat) und Poly(trimethylenterephthalt)
in einer nebeneinanderliegenden oder exzentrischen Mantel-Kern-Anordnung
aufweisen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische grafische Darstellung einer Seitenansicht eines Spinnvliesverfahrens entsprechend
der Erfindung zur Herstellung eines Bikomponenten-Spinnvliesstoffes;
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2A und 2B schematische
grafische Darstellungen, die eine Seitenansicht von zwei verschiedenen
Konfigurationen der Serpentinenstreckwalzen zeigen, die bei der
vorliegenden Erfindung nützlich
sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
spiralförmig
gekräuselten Mehrkomponenten-Spinnvliesendlosfilamenten
und dehnbaren Faservliesen, die aus derartigen Filamenten hergestellt
werden.
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Der
Begriff „Polyester", wie er hierin verwendet
wird, soll Polymere einschließen,
bei denen mindestens 85 % der sich wiederholenden Einheiten Kondensationsprodukte
von Dicarbonsäuren
und Dihydroxyalkobolen sind, wobei Bindungen durch die Bildung von
Estereinheiten gebildet werden. Das umfasst aromatische, aliphatische,
gesättigte
und ungesättigte
zweibasige Säuren
und Dialkohole. Der Begriff „Polyester", wie er hierin verwendet
wird, umfasst ebenfalls Copolymere (wie beispielsweise Block-, Pfropf-,
Random- und alternierende Copolymere), Mischungen und deren Modifikationen.
Ein allgemeines Beispiel eines Polyesters ist Poly(ethylenterephthalat)
(PET), das ein Kondensationsprodukt von Ethylenglykol und Terephthalsäure ist.
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Die
Begriffe „Vliesstoff" oder „Faservlies", wie sie hierin
verwendet werden, bedeuten eine Struktur von einzelnen Fasern, Filamenten
oder Fäden,
die in einer regellosen Weise positioniert werden, um ein ebenes
Material ohne ein identifizierbares Muster zu bilden, im Gegensatz
zu einem Gewirk oder Gewebe.
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Der
Begriff „Mehrkomponentenfilament", wie er hierin verwendet
wird, betrifft irgendein Filament, das aus mindestens zwei einzelnen
Polymeren besteht, die miteinander versponnen wurden, um ein einzelnes
Filament zu bilden. Mit dem Begriff „einzelne Polymere" meint man, dass
ein jedes der mindestens zwei Polymere in einzelnen, im Wesentlichen konstant
positionierten Zonen über
den Querschnitt der Mehrkomponentenfilamente angeordnet ist und sich
im Wesentlichen endlos entlang der Länge der Filamente erstreckt.
Mehrkomponentenfilamente werden von Filamenten unterschieden, die
aus einer homogenen Schmelzmischung von polymeren Materialien extrudiert
werden, in denen Zonen von einzelnen Polymeren nicht gebildet werden.
Mehrkomponenten- und Bikomponentenfilamente, die bei der vorliegenden
Erfindung nützlich
sind, weisen lateral exzentrische Querschnitte auf, d.h., die Polymerkomponenten
werden in einer exzentrischen Beziehung im Querschnitt des Filamentes
angeordnet. Vorzugsweise ist das Mehrkomponentenfilament ein Bikomponentenfilament,
das aus zwei einzelnen Polymeren hergestellt wird, die eine exzentrische
Mantel-Kern- oder nebeneinanderliegende Anordnung der Polymere aufweisen.
Am meisten bevorzugt ist das Mehrkomponentenfilament ein nebeneinanderliegendes
Bikomponentenfilament. Wenn das Bikomponentenfilament eine exzentrische
Mantel-Kern-Konfiguration aufweist, befindet sich vorzugsweise das
Polymer mit niedrigerem Schmelzpunkt im Mantel, um die thermische
Bindung des fertigen Vliesstoffes zu erleichtern. Der Begriff „Mehrkomponentenvlies", wie er hierin verwendet
wird, betrifft ein Faservlies, das Mehrkomponentenfilamente aufweist.
Der Begriff „Bikomponentenvlies", wie er hierin verwendet
wird, betrifft ein Faservlies, das Bikomponentenfilamente aufweist.
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Der
Begriff „Spinnvlies"-Filamente, wie er hierin
verwendet wird, bedeutet Filamente, die durch Extrudieren von geschmolzenem
thermoplastischem Polymermaterial als Filamente aus einer Vielzahl
von feinen, im Allgemeinen kreisförmigen Kapillaren einer Spinndüse gebildet
werden, wobei der Durchmesser der extrudierten Filamente danach
durch Strecken schnell verringert wird. Andere Filamentquerschnittsformen,
wie beispielsweise oval, gelappt, usw., können ebenfalls zur Anwendung
gebracht werden. Spinnvliesfilamente sind im Allgemeinen endlos
und weisen einen mittleren Durchmesser von größer als etwa 5 μm auf. Spinnvliesstoffe
oder Spinnvliese werden durch regelloses Ablegen von Spinnvliesfilamenten
auf einer Sammelfläche
gebildet, wie beispielsweise einem porösen Sieb oder Band. Spinnvliese
werden im Allgemeinen mittels Verfahren gebunden, die im Fachgebiet
bekannt sind, wie beispielsweise Heißwalzenkalandrieren oder Führen des
Vlieses durch eine Sattdampfkammer bei einem erhöhten Druck. Beispielsweise
kann das Vlies an einer Vielzahl von thermischen Bindungsstellen,
die über
dem Spinnvliesstoff angeordnet sind, thermisch punktgebunden werden.
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Wie
er hierin verwendet wird, bedeutet der Begriff „Serpentinenwalzen" eine Reihe von zwei oder
mehr Walzen, die mit Bezugnahme zueinander so angeordnet sind, dass
die Filamente unter und über aufeinanderfolgenden
Walzen mit einer einzelnen Umschlingung auf jeder Walze geführt werden, und
bei denen abwechselnde Rollen sich in entgegengesetzten Richtungen
drehen.
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1 veranschaulicht
eine schematische grafische Darstellung einer Seitenansicht einer
Fertigungsstrecke entsprechend der vorliegenden Erfindung für die Herstellung
eines dehnbaren Bikomponentenvlieses. Das Verfahren soll die Herstellung von
Mehrkomponenten-Spinnvliesen ebensogut einschließen. Die Fertigungsstrecke
umfasst zwei Extruder 12 und 12' für das separate Extrudieren
einer ersten Polymerkomponente und einer zweiten Polymerkomponente.
Die Polymerkomponenten werden vorzugsweise entsprechend der Lehre
bei Evans ausgewählt,
worauf man sich hierin bezieht. Bei Evans sind die Polymerkomponenten
teilkristalline Polyester, wobei der erste davon sich wiederholende
chemische Einheiten in seinem kristallinen Bereich aufweist, die
sich in einer nichtgestreckten stabilen Konformation befinden, die
nicht 90 Prozent der Länge der
Konformation ihrer vollständig
gestreckten sich wiederholenden chemischen Einheiten übersteigen (worauf
man sich hierin nachfolgend zuweilen als nichtgestrecktes Polymer
bezieht). Die zweite Polymerkomponente weist sich wiederholende
chemische Einheiten in ihrem kristallinen Bereich auf, die sich
in einer Konformation befinden, die sich mehr der Länge der
Konformation ihrer vollständig
gestreckten sich wiederholenden chemischen Einheiten als der erste
Polyester nähert
(worauf man sich hierin nachfolgend zuweilen als gestrecktes Polymer
bezieht). Der Begriff „teilkristallin", wie er hierin beim Definieren
der Filamente von Evans verwendet wird, dient dazu, die einschränkende Situation
der vollständigen
Kristallinität,
wo das Potential für
eine Schrumpfung verschwinden würde,
aus dem Bereich der Erfindung zu eliminieren. Der Grad der Kristallinität, der durch
den Begriff „teilkristallin" definiert wird, weist
ein minimales Niveau von nur dem Vorhandensein einer bestimmten
Kristallinität
(d.h., die, die zuerst mittels Röntgenbeugungsmittel
nachweisbar ist) und ein maximales Niveau von einem Ausmaß auf, dem
es an vollständiger
Kristallinität
fehlt. Beispiele von geeigneten vollständig gestreckten Polyestern
sind Poly(ethylenterephthalat), Poly(cyclohexyl 1,4-dimethylenterephthalat),
deren Copolymere und Copolymere von Ethylenterephthalat und dem Natriumsalz
von Ethylen-Sulfoisophthalat. Beispiele von geeigneten nichtgestreckten
Polyestern sind Poly(trimethylenterephthalat), Poly(tetramethylenterephthalat),
Poly(propylendinaphthalat), Poly(propylenbibenzoat) und Copolymere
der Vorangehenden mit Ethylen-Natriumsulfoisophthalat und ausgewählten Polyesterethern.
Wenn Ethylen-Natariumsulfoisophthalat-Copolymere verwendet werden,
ist es vorzugsweise die kleinere Komponente, d.h., in Mengen von
weniger als 5 Mol-% und vorzugsweise in Mengen von etwa 2 Mol-%
vorhanden. Bei einer speziell bevorzugten Ausführung sind die zwei Polyester
Poly(ethylenterephthalat) und Poly(trimethylenterephthalat). Hierin
nachfolgend kann man sich auf die vorangehend erwähnte Bikomponente
zuweilen als Poly(ethylenterephthalat)/Poly(trimethylentrephthalat) oder
als 2GT/3GT beziehen. Die Bikomponentenfilamente von Evans zeigen
einen hohen Grad an spiralförmiger
Kräuselung,
die im Allgemeinen als Federn wirkt, die eine Rückstellfunktion aufweisen,
wann auch immer eine Streckkraft angewandt und freigegeben wird.
Weitere teilkristalline Polymere, die für eine Verwendung bei der vorliegenden
Erfindung geeignet sind, umfassen syndiotaktisches Polypropylen,
das sich in einer gestreckten Konformation kristallisiert, und isotaktisches
Polypropylen, das sich in einer nichtgestreckten spiralförmigen Konformation kristallisiert.
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Die
erste und zweite Polymerkomponente, beispielsweise Poly(trimethylenterephthalat)
und Poly(ethylenterephthalat) werden, wie es in 1 gezeigt
wird, als geschmolzene Ströme
von den Extrudern 12 und 12' durch die jeweiligen Leitungen 14 und 14' zu einem Spinnbalken 16 geführt, wo
sie durch eine Spinndüse
extrudiert werden, die Bikomponentenextrudieröffnungen (nicht gezeigt) aufweist. Es
sollte beachtet werden, dass keine Forderung besteht, dass ein spezielles
Polymer das erste und das andere das zweite ist. Spinndüsen für eine Verwendung
bei Spinnvliesverfahren sind in der Technik bekannt und weisen im
Allgemeinen Extrudieröffnungen auf,
die in einer oder mehreren Reihen entlang der Länge der Spinndüse angeordnet
sind. Der Spinnbalken umfasst im Allgemeinen eine Spinnbaugruppe (nicht
gezeigt), die das Polymer verteilt und dosiert. Innerhalb der Spinnbaugruppe
strömt
die erste und zweite Polymerkomponente durch ein Muster von Öffnungen,
die angeordnet sind, um den gewünschten
Filamentquerschnitt zu bilden. Die Polymere werden aus den Extrudieröffnungen
der Spinndüse
ersponnen, um eine Vielzahl von vertikal ausgerichteten Filamenten
zu bilden, was einen Schleier von sich nach unten bewegenden Filamenten
erzeugt. In der in 1 gezeigten Ausführung wird
der Schleier aus drei Reihen von Filamenten 18 gebildet,
die am drei Reihen von Bikomponentenextrudieröffnungen extrudiert werden.
Die Spinndüse
kann eine vorkoaleszierende Spinndüse sein, wo die verschiedenen
geschmolzenen Polymerströme
vor dem Austreten aus der Extrudieröffnung zusammengebracht und
als geschichteter Polymerstrom durch die gleiche Extrudieröffnung extrudiert
werden, um ein Mehrkomponenten- oder Bikomponentenfilament zu bilden.
Alternativ kann eine nachkoaleszierende Spinndüse verwendet werden, wo die
verschiedenen geschmolzenen Polymerströme nach dem Austreten aus den Extrudieröffnungen
miteinander in Kontakt gebracht werden, um ein Mehrkomponenten-
oder Bikomponentenfilament zu bilden. Bei einem nachkoaleszierenden
Vorgang werden die verschiedenen Polymerkomponenten als separate
Polymerstränge
aus Gruppen von separaten Extrudieröffnungen extrudiert, die sich
mit anderen Strängen
verbinden, die aus der gleichen Gruppe von Extrudieröffnungen
extrudiert werden, um ein einzelnes Mehrkomponenten- oder Bikomponentenfilament
zu bilden.
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Die
Spinndüsenöffnungen
und die Spinnbaugruppenkonstruktion werden so ausgewählt, dass
Filamente mit dem gewünschten
Querschnitt und Denier pro Filament geliefert werden. Das Verhältnis der zwei
Polymerkomponenten in jedem Filament liegt im Allgemeinen zwischen
etwa 10:90 bis 90:10 basierend auf dem Volumen (beispielsweise gemessen
als das Verhältnis
der Dosierpumpendrehzahlen), vorzugsweise zwischen etwa 30:70 bis
70:30 und am meisten bevorzugt zwischen etwa 40:60 bis 60:40. Wenn
die Mehrkomponentenfilamente Bikomponentenfilamente sind, die Poly(trimethylentrephthalat) und
Poly(ethylenterephthalat) aufweisen, beträgt das Volumenverhältnis von
Poly(trimethylenterephthalat) zu Poly(ethylenterephthalat) vorzugsweise
etwa 40:60 bis 60:40. Nach dem Austreten aus der Spinndüse gelangen
die Filamente durch eine Abschreckzone. Die Extrudieröffnungen
in abwechselnden Reihen in der Spinndüse können mit Bezugnahme zueinander
versetzt werden, um eine „Schattenbildung" in der Abschreckzone
zu vermeiden, wo ein Filament in einer Reihe wirksam ein Filament
in einer benachbarten Reihe gegen die Abschreckluft blockiert. Die Filamente
werden vorzugsweise bei Anwendung einer Querstromgasabschreckung
abgeschreckt, das vom Gebläse
20 zugeführt
wird. Im Allgemeinen ist das Abschreckgas Luft, die mit einer Umgebungstemperatur
(annähernd
25 °C) bereitgestellt
wird, die aber ebenfalls entweder gekühlt oder erwärmt auf Temperaturen
zwischen etwa 0 °C
und 150 °C
vorliegen kann. Alternativ kann Abschreckgas aus Gebläsen bereitgestellt
werden, die auf entgegengesetzten Seiten (nicht gezeigt) des Schleiers
aus Filamenten angeordnet sind. Das würde einen Gleichstromgasfluss
liefern, bei dem das Gas im Wesentlichen in der gleichen Bewegungsrichtung
wie die Filamente gelenkt wird.
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Es
ist manchmal wünschenswert,
insbesondere, wenn eine maximale Kräuselungsentwicklung gewünscht wird,
dass die Komponente mit hoher Schrumpfung starker ausgerichtet wird.
Das kann bewirkt werden, indem das in 1 gezeigte
Verfahren zur Anwendung kommt, wenn nebeneinanderliegende Bikomponentenfasern
hergestellt werden, wo Abschreckluft von einer Seite des Schleiers
der Filamente bereitgestellt wird, indem die Spinnvorrichtung so
ausgebildet wird, dass die Abschreckluft zur Seite der Filamente
gelenkt wird, die die nichtgestreckte Polymerkomponente (hohe Schrumpfung)
aufweisen, um den Grad der Ausrichtung in der Komponente mit hoher
Schrumpfung relativ zum Grad der Ausrichtung des gestreckten Polymers
zu erhöhen,
wenn es aus der Abschreckzone austritt. Alternativ kann die Ausrichtung
beim Polymer mit hoher Schrumpfung verstärkt werden, indem die relative
Molekülmasse
und daher die Schmelzviskosität
des Polymers mit hoher Schrumpfung erhöht wird. Bevorzugte relative
Molekülmassen
für Poly(ethylenterephthalat)
betragen 40500 bei einer Grundviskosität von 0,55 dl/g und für Poly(trimethylenterephthalat)
43000 bei einer Grundviskosität
von 0,9 dl/g. Wenn ein Bikomponentenfilament durch Spinnen von zwei
Polymeren mit bedeutend unterschiedlichen Viskositäten als
eine geschichtete Masse durch ein einzelnes Spinndüsenloch
gebildet wird, weist das Filament eine Neigung auf, sich nach dem
Austreten aus dem Spinndüsenloch
nach oben in Richtung der Spinndüsenoberfläche zu biegen.
In bestimmten Fällen
kann das Filament die Spinndüsenoberfläche berühren und
an der Spinndüsenfläche hängenbleiben.
Das kann besonders ein Problem sein, wenn, um die Kräuselung
in den fertigen Fasern zu maximieren, Polymere, wie beispielsweise
Poly(ethylenterephthalat)/Poly(trimethylenterephthalat), in einer
nebeneinanderliegenden Beziehung in der Bikomponentenfaser angeordnet
werden, wobei die Viskosität
des Poly(trimethylenterephthalates) bis zu einer Größenordnung
größer als
die des Poly(ethylenterephthalates) sein kann. Um dieses Problem
zu überwinden,
können
Filamente bei Verwendung einer nachkoaleszierenden Spinndüse ersponnen
werden. Es wurde ermittelt, dass Bikomponentenfasern, die aus Poly(ethylenterephthalat)
mit einer Grundviskosität
von etwa 0,36 bis 0,6 dl/g (entsprechend dem Zahlenmittelwert der
relativen Molekülmasse
von 24600 bis 44700) und Poly(trimethylenterephthalat) mit einer Grundviskosität von etwa
0,9 bis 1,5 dl/g (entsprechend dem Zahlenmittelwert der relativen
Molekülmasse
von 43000 bis 87000) bei Verwendung einer nachkoaleszierenden Spinndüse ersponnen
wurden, hohe Niveaus der Kräuselung
zeigen. Das ist für
die Herstellung von dehnbaren Spinnvliesstoffen der vorliegenden
Erfindung wünschenswert.
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Die
Länge der
Abschreckzone wird so ausgewählt,
dass die Filamente auf eine Temperatur so abgekühlt werden, dass kein weiteres
Strecken auftritt, während
sie aus der Abschreckzone austreten, und so, dass die Elementarfäden nicht
aneinanderhaften. Es ist im Allgemeinen nicht erforderlich, dass die
Filamente am Austritt aus der Abschreckzone vollständig verfestigt
sind.
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Die
Filamente werden in der Abschreckzone infolge der Zugspannung, die
durch die Zuführwalzen 22 und 22' bereitgestellt
wird, unter Bedingungen gestreckt, so dass die Polymere in den Bikomponentenfilamenten
nicht in einem wesentlichen Grad kristallisieren. Im Allgemeinen
erfordert das, dass das Strecken in der Abschreckzone mit relativ
niedrigen Geschwindigkeiten erfolgt, vorzugsweise zwischen etwa 300
und 3000 Meter/Minute (gemessen als die Umfangsgeschwindigkeiten
der Zuführwalzen 22 und 22' in 1).
Für 2GT/3GT
wurde ermittelt, dass Spinngeschwindigkeiten in der Abschreckzone
von 800 bis 1200 Meter/Minute bevorzugt werden. Bei konventionellen
Spinnvliesverfahren können
Spinngeschwindigkeiten von 1000 bis 6000 Meter/Minute im Allgemeinen erreicht
werden. Das führt
zu einem schnellen Strecken der Filamente bei hohen Temperaturen in
der Abschreckzone. Da die Kristallisationsgeschwindigkeit der Polymere
eine Funktion der Polymerausrichtung (die Kristallisationsgeschwindigkeit kann
um bis zu 4–5
Größenordnungen
als eine Funktion der Ausrichtung zunehmen) ist und bei konventionellen
Spinnvliesverfahren die Filamente mit hohen Geschwindigkeiten gestreckt
werden, während
sie noch bei einer relativ hohen Temperatur sind, kristallisieren
Polymere, wie beispielsweie Poly(ethylenterephthalat), im Allgemeinen
schnell in der Abschreckzone bei den hohen Spinngeschwindigkeiten.
Während
die Filamente aus der Abschreckzone austreten, werden die Filamente
im Allgemeinen nicht gekräuselt
und, wenn sie aus dem Verfahren an dieser Stelle entfernt werden,
würden
sie bei einer Wärmebehandlung
nicht eine bedeutende Kräuselung
entwickeln.
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Ein
pneumatisches Abschrecken kann ebenfalls zur Anwendung gebracht
werden, bei dem ein Gleichstromfluss angewandt wird, das Abschreckgas aber
ebenfalls in der gleichen Bewegungsrichtung der Filamente beschleunigt
wird, während
sie sich durch die Abschreckzone bewegen. Das kann einen gewissen
erhöhten
Grad der Streckung bei den Filamenten bewirken und gestattet höhere Spinngeschwindigkeiten
als bei der Querstromabschreckung und folglich einen höheren Maschinenwirkungsgrad, ohne
dass eine erhöhte
Polymerspinnausrichtung bewirkt wird. Das wird zustande gebracht,
weil der Transportgasstrom das Zugspannungsprofil des Spinnfadenverlaufes
verändert,
wodurch erzwungen wird, dass eine stärkere Streckung in der Nähe der Spinndüse auftritt,
wo die höhere
Temperatur gestattet, dass das Polymer schnell genug entspannt,
um eine bedeutende Ausrichtung auszuschließen.
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Nach
dem Austreten aus der Abschreckzone kann eine Spinnappretur, wie
beispielsweise ein Appreturöl,
wahlfrei auf die Filamente aufgebracht werden, beispielsweise, indem
die Filamente mit einer Zuführwalze
in Berührung
kommen, die mit einer Appretur beschichtet ist, und die mit einer
langsameren Geschwindigkeit läuft
als die Filamente. Ebenfalls, wenn gewünscht wird, dass ein Vliesstoff
antistatische Eigenschaften aufweist, kann eine antistatische Appretur
auf die Filamente aufgebracht werden. Wenn Spinnappreturen verwendet
werden, werden im Allgemeinen mehr als zwei Walzen pro Satz Serpentinenwalzen
erforderlich sein, weil das Appreturöl die Reibung zwischen den
Walzen und den Filamenten verringert. Diese geringere Reibung erhöht die Wahrscheinlichkeit
des Rutschens der Filamente auf den Walzen und kann zu einer Reduzierung
des Durchsatzes und einem Versagen führen, die Zugspannung zwischen
der Abschreck-, Streck- und Ablegezone zu teilen. Das könnte effektiv
das mechanische Strecken verringern, wodurch die Kräuselung verringert
wird, die in den fertigen Fasern erreicht wird. Das ist besonders
ein Problem beim Verfahren der vorliegenden Erfindung, wo einzelne
Umschlingungen der Filamente auf den Walzen anstelle von mehreren
Umschlingungen zur Anwendung kommen, die typischerweise bei einem
konventionellen Schmelzspinnverfahren zur Anwendung kommen würden. Eine
größere Anzahl
von Walzen erhöht ebenfalls
die Möglichkeit
der Walzenumschlingungen. Für
wirtschaftliche Zwecke wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung
vorzugsweise mit keiner Spinnappretur („appreturfrei") und bei Verwendung von
zwei Walzen in jedem Satz Serpentinenwalzen durchgeführt.
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Vorzugsweise
wird nach der Abschreckzone der Schleier der vertikal ausgerichteten
abgeschreckten Bikomponentenfilamente aufeinanderfolgend unter und über zwei
Sätzen
von angetriebenen Serpentinenwalzen mit einer einzelnen Filamentumschlingung
auf jeder Walze geführt,
wie in 1 gezeigt wird. Auf den ersten Satz Serpentinenwalzen 22 und 22' bezieht man
sich als die Zuführwalzen,
und auf den zweiten Satz Serpenwalzen 24 und 24' bezieht man
sich als die Streckwalzen. Jeder Satz Serpentinenwalzen weist mindestens
zwei Walzen auf. In der in 1 gezeigten
Ausführung
werden zwei Sätze
von Serpentinenwalzen verwendet, wobei jeder Satz aus zwei Walzen
besteht. Es sollte jedoch verstanden werden, dass mehr als zwei
Walzen pro Satz von Serpentinenwalzen verwendet werden können. Vorzugsweise
werden die Walzen positioniert, um den größten Kontakt zwischen den Filamenten und
der Walze zu bewirken. In den 2A und 2B werden
zwei unterschiedliche Serpentinenwalzenkonfigurationen gezeigt,
und der Umschlingungswinkel A ist der Winkel in der Mitte der Walze, gemessen
zwischen der Stelle, wo die Filamente zuerst die Walze berühren, und
der Stelle, an der sie die Walze verlassen. In 2A soll
der Umschlingungswinkel A etwa 180 Grad betragen. In 2B soll
der Umschlingungswinkel A' weniger
als 180 Grad betragen. Umschlingungswinkel von etwa 180 Grad und größer werden
bevorzugt, weil ein verstärkter
Kontakt und Reibung zwischen den Filamenten und den Walzen bewirkt
wird, was zu einem geringeren Rutschen führt. Kontaktwinkel bis zu etwa
270 Grad können
im Allgemeinen zur Anwendung gebracht werden.
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Die
Zuführwalzen 22 und 22' werden mit
annähernd
gleichen Drehzahlen aber in entgegengesetzten Richtungen gedreht,
wie durch die Pfeile angezeigt wird, und sie werden auf eine Temperatur
erwärmt,
die den Ort der Streckstelle stabilisiert. Vorzugsweise wird die
Streckstelle an einer Stelle auf der Zuführwalze 22' sehr nahe (beispielsweise
innerhalb von etwa 1 in.) der Stelle stabilisiert, wo die Filamente
die Zuführwalze 22' verlassen.
Die Zuführwalzen
werden vorzugsweise auf einer Temperatur zwischen etwa der Raumtemperatur
(etwa 25 °C)
und etwa 110 °C
gehalten. Wenn die Temperatur der Zuführwalze zu hoch ist, können die
Filamente aneinanderkleben, wodurch Knoten, gerissene Filamente oder
nichtgestreckte Segmente erhalten werden. Wenn die Temperatur der
Zuführwalze
zu niedrig ist, ist eine stabile Streckstelle schwierig zu erhalten.
Bei einem Spinnvliesverfahren für
2GT/3GT-Bikomponentenfasern werden die Zuführwalzen vorzugsweise auf ehre
Temperatur zwischen etwa 60 °C
und 80 °C
erwärmt.
Alternativ können
die Filamente zwischen den zwei Sätzen der Serpentinenwalzen
erwärmt
werden, wie beispielsweise durch Verwenden eines Dampfstrahles (100 °C) oder anderen
Heizmittels, so dass die Filamente an einer lokalisierten Stelle
zwischen den zwei Sätzen
der Walzen gestreckt werden.
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Die
gestreckten Filamente werden danach unter und über den zweiten Satz der Walzen
geführt, die
erwärmte
Serpentinenstreckwalzen 24 und 24' sind, die sich beide in entgegengesetzten
Richtungen mit annähernd
gleichen Drehzahlen drehen. Die Umfangsgeschwindigkeiten der Streckwalzen 24 und 24' sind im Allgemeinen
größer als
die Umfangsgeschwindigkeiten der Zuführwalzen 22 und 22', um so die
Zugspannung zu liefern, die für
das Strecken der Filamente erforderlich ist. Die zweite Streckwalze 24' kann mit einer
etwas höheren
Drehzahl arbeiten als die erste Streckwalze 24. Während die
Filamente gestreckt werden, wird eine weitere Ausrichtung in beiden
Polymerkomponenten der Bikomponentenfilamente entwickelt. Weil das
Strecken bei Temperaturen durchgeführt wird, bei denen im Wesentlichen keine
Relaxation stattfindet, glaubt man, dass die im Ergebnis des Streckvorganges
entwickelte Ausrichtung für
jedes der Polymersegmente im Wesentlichen gleich ist. Die Drehzahl
der Streckwalzen wird so eingestellt, dass die Filamente mit einem
Streckverhältnis
zwischen den Zuführ-
und Streckwalzen von etwa 1,4 zu 1 bis etwa 5 zu 1 mechanisch gestreckt
werden. Vorzugsweise liegt das Streckverhältnis im Bereich von etwa 3,5
zu 1 bis etwa 4 zu 1. Die maximale Betriebsgeschwindigkeit, wie
sie durch die Umfangsgeschwindigkeit der Streckwalzen definiert
wird, kann bis zu etwa 5200 Meter/Minute oder etwa 7000 Meter/Minute
erreichen, wenn ein pneumatisches Abschrecken zur Anwendung kommt.
Bei Geschwindigkeiten über
diesen können übermäßige Filamentbrüche auftreten.
Für 2GT/3GT-Bikomponenten-Spinnvliesfilamente
beträgt
die Umfangsgeschwindigkeit der Streckwalzen etwa 3200 Meter/Minute,
und die Umfangsgeschwindigkeit der Zuführwalzen beträgt etwa
800 Meter/Minute. Ohne dass man an irgendeiner Theorie festhält, glaubt
man, dass, wenn erwärmte
Zuführwalzen
verwendet werden, die Filamente an einer Stelle nahe der gestreckt werden,
wo die Filamente die Zuführwalze 22' verlassen,
wo die Filamente die heißesten
sind und die Zugspannung vom zweiten Satz der Walzen zuerst angewandt
wird, so dass das Strecken abgeschlossen ist, bevor die Filamente
die Streckwalze 24 berühren.
Die Filamente weisen vorzugsweise einen Denier pro Filament nach
dem Strecken im Bereich von etwa 2 bis 5 auf, jedoch kann ein wirksames
Verfahren mit Filamenten mit einem Denier pro Filament im Bereich
von etwa 1 bis 20 ohne bedeutende Verfahrensmodifikationen möglich sein.
Die Streckbedingungen werden so ausgewählt, dass die Polymerkomponenten
in den Filamenten während
der Streckstufe im Wesentlichen amorph bleiben.
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Die
Streckwalzen 24 und 24' werden erwärmt, um die Filamente nach
dem Strecken spannungsfrei zu machen. Während des Spannungsfreimachens
werden die Filamente auf eine Temperatur erwärmt, bei der jede der Polymerkomponenten
kristallisiert und teilkristallin wird. Das führt zu einer Zunahme der Differenzschrumpfung
zwischen den verschiedenen Komponenten. Wenn die Filamente aus dem
Verfahren unmittelbar im Anschluss an das Spannungsfreimachen herausgenommen
würden, würden sie
eine dreidimensionale spiralförmige
Kräuselung
bilden, wenn sie in einem entspannten Zustand sind. Um die Kristallinität zu stabilisieren,
ist die Temperatur des Spannungsfreimachens vorzugsweise höher als
irgendeine Temperatur, der das Garn bei der weiteren Verarbeitung
oder Prüfung
begegnen wird, so dass die spiralförmige Kräuselung während einer derartigen weiteren
Verarbeitung oder Prüfung nicht
verlorengehen wird. Für
Bikomponenten- oder Mehrkomponentenfilamente, die Poly(ethylenterephthalat)
und Poly(trimethylenterephthalat) aufweisen, weisen die Streckwalzen
vorzugsweise eine Temperatur von zwischen etwa 120 °C und 185 °C auf mehr bevorzugt
zwischen etwa 150 °C
und etwa 165 °C. Es
ist wichtig, die Filamente unter mäßiger Zugspannung (mindestens
etwa 0,3 g/den) spannungsfrei zu machen, um eine Relaxation vor
dem Auftreten der Kristallisation zu verhindern, wodurch der Grad
der Kräuselung
in den fertigen Spinnvliesfilamenten maximiert wird.
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Die
Zuführwalzen 22 und 22' und die Streckwalzen 24 und 24' können mit
Filament"abstreifern" 23 ausgestattet
werden, die sich über
im Wesentlichen die axiale Länge
der angetriebenen Walzen erstrecken und die Walzen unmittelbar stromabwärts von
den Filamentabzugsstellen für
jede Walze leicht berühren.
Die Filamentabstreifer 23 werden im Allgemeinen tangential
zu den Walzen angeordnet, aber der geeignete Winkel und die Halterung,
die für
die Verwendung der Filamentabstreifer benötigt werden, werden leicht
von einem Fachmann für
eine bestimmte Maschine und eine Reihe von Verfahrensumständen bestimmt.
Die Filamentabstreifer 23 können aus irgendeinem angemessen
steifen Karten- oder Folienmaterial hergestellt werden, das nicht eine
Tendenz aufweist, auf der Oberfläche
der Zuführ-
oder Streckwalzen zu schmelzen. KAPTON(R)-Folie
und NOMEX(R)-Papier, beide von der E.I.
duPont de Nemours and Company (Wilmington, DE) erhältlich,
wurden als für
eine Verwendung bei der vorliegenden Erfindung für geeignet befunden. Die Abstreifer
helfen dabei, Walzenumschlingungen zu verhindern, die durch gerissene
Filamente bewirkt werden, indem die Grenzluftschicht benachbart
einer jeden Walzenoberfläche
abgezogen und bewirkt wird, dass das gerissene Filament in die Luft
geschleudert wird und auf das Vlies ällt und sich durch das Verfahren
weiterbewegt, eher als dass eine Walzenumschlingung bewirkt wird.
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Nach
dem Spannungsfreimachen werden die Filamente mittels eines Transport-
oder Schleuderstrahles 26 geführt, der gerade eine ausreichende Zugspannung
liefert, um zu verhindern, dass die Filamente auf den Streckwalzen
rutschen. Nach Verlassen des Transportstrahles wird die Zugspannung
auf die Filamente gelockert, und die Filamente kräuseln sich
in einer dreidimensionalen Spirale.
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Der
Transportstrahl 26 ist typischerweise ein Ansaugstrahl,
der zusätzlich
zum Aufrechterhalten der Zugspannung auf die Streckwalzen einen
Gasstrom, wie beispielsweise einen Luftstrahl, liefern kann, um
die Filamente mitzureißen
und sie auf ein sich bewegendes poröses Band 28 zu werfen,
das unterhalb des Strahles angeordnet ist, um ein Faservlies 30 zu
bilden. Normale Verfeinerungsstrahlen, beispielsweise ein Schlitzstrahl,
die bei konventionellen Spinnvliesverfahren benutzt werden, können als
Transportstrahl verwendet werden. Derartige Ansaugstrahlen sind
in der Technik gut bekannt und umfassen im Allgemeinen einen länglichen
vertikalen Kanal, durch den die Filamente durch die Ansaugluft gezogen
werden, die von beiden Seiten des Kanals eintritt und nach unten
durch den Kanal strömt.
Bei konventionellen Verfahren liefert der Ansaugstrahl die Streckzugspannung,
um in den Filamenten einen Spinnverzug zu bewirken. Bei dem Verfahren,
das bei Pike beschrieben wird, ist der Transportstrahl ein erwärmter Transportstrahl,
der zusätzlich
dazu, dass er eine Streckzugspannung bereitstellt, auf eine Temperatur
erwärmt
wird, die ausreichend ist, um die latente Kräuselung in den Mehrkomponentenfilamenten
zu aktivieren. Beim Verfahren der vorliegenden Erfindung wird der
größte Teil
des Streckens als ein mechanisches Strecken zwischen den Zuführwalzen 22 und 22' und den Streckwalzen 24 und 24' eingeführt, und
(wie es vorangehend bemerkt wird) der Transportstrahl 26 dient
hauptsächlich
dazu, die Filamente auf ein poröses
Band 28 zu transportieren, das unterhalb des Strahles angeordnet
ist. Ein Sauger oder eine Vakuumquelle (nicht gezeigt) kann unter
dem Band 28 bereitgestellt werden, um Luft aus dem Transportstrahl
zu entfernen und die Filamente auf das Band zu heften, sobald sie
darauf abgelegt wurden. Die spiralförmigen Filamente werden auf dem
Band abgelegt, um ein Faservlies aus spiralförmig gekräuselten Filamenten zu bilden.
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Nach
dem Ablegen der Filamente als Mehrkomponenten-Spinnvlies, das spiralförmig gekräuselte Endlosfilamente
aufweist, auf dem Band 28 wird das Vlies im Allgemeinen
durchgängig
gebunden, um einen Verbundspinnvliesstoff herzustellen, der danach
im Allgemeinen auf eine Rolle aufgewickelt wird. Wahlfrei kann das
Vlies mittels einer Druckwalze vor dem Binden leicht zusammengedrückt werden.
Das Binden kann durch thermisches Binden bewirkt werden, bei dem
das Vlies auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der die Komponente
mit niedrigem Schmelzpunkt erweicht oder schmilzt, wodurch bewirkt
wird, dass die Filamente aneinanderhalten oder miteinander verschmelzen.
Beispielsweise kann das Vlies an einzelnen Bindungsstellen über die
Stoffoberfläche
thermisch punktgebunden werden, um einen kohäsiven Vliesstoff herzustellen.
Bei einer bevorzugten Ausführung
wird das thermische Punktbinden oder Ultraschallbinden zur Anwendung
gebracht. Typischerweise umfasst das thermische Punktbinden das
Anwenden von Wärme
und Druck an einzelnen Stellen auf der Stoffoberfläche, beispielsweise,
indem die Vliesschicht durch eine Klemmstelle gelangt, die durch
eine erwärmte
gemusterte Kalanderwalze und eine glatte Walze gebildet wird. Während der thermischen
Punktbindung wird die Polymerkomponente mit niedrigem Schmelzpunkt
teilweise in einzelnen Bereichen geschmolzen, die erhabenen Vorsprüngen auf
der erwärmten
gemusterten Walze entsprechen, um Schmelzbindungen herzustellen,
die die Vliesschichten des Verbundmaterials zusammenhalten, um einen
kohäsiven
Verbundvliesstoff herzustellen.
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Das
Muster der Bindewalze kann irgendeines von jenen sein, die in der
Technik bekannt sind, und es sind vorzugsweise einzelne Punktbindungen. Die
Bindung kann in kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Muster,
gleichmäßigen oder
ungleichmäßigen Punkten
oder einer Kombination davon erfolgen. Vorzugsweise sind die Punktbindungen
mit etwa 2 bis 40 pro in. (0,8 bis 16/cm) beabstandet und mehr bevorzugt
etwa 2 bis 10 pro in. (0,8 bis 4/cm). Die Bindungspunkte können runde,
quadratische, rechteckige, dreieckige oder andere geometrische Formen aufweisen,
und die prozentuale gebundene Flache betragt mindestens etwa 3 %
und vorzugsweise zwischen etwa 3 % und etwa 70 %. Die prozentuale
gebunde Fläche
liegt mehr bevorzugt zwischen etwa 3 % und etwa 20 % und am meisten
bevorzugt zwischen etwa 3 % und etwa 10 %.
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Das
Faservlies kann ebenfalls gebunden werden, indem eine Durchgangsluftbindung
angewandt wird, bei der erwärmtes
Gas, im Allgemeinen Luft, durch das Vlies geführt wird. Das Gas wird auf eine
Temperatur erwärmt,
die ausreichend ist, um die Komponente mit niedrigem Schmelzpunkt
zu erweichen oder zu schmelzen, um die Filamente an ihren Kreuzungspunkten
zu binden.
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Durchgangsluftbindeeinrichtungen
umfassen im Allgemeinen eine perforierte Walze, die das Vlies aufnimmt,
und eine Haube, die die perforierte Walze umgibt. Das erwärmte Gas
wird von der Haube durch das Vlies und in die perforierte Walze
gelenkt. Wenn 2GT/3GT-Bikomonentenfilamente verwendet werden, wird
das Vlies vorzugsweise auf Temperaturen zwischen etwa 200 und 250 °C während der
thermischen Bindung erwärmt.
Im Allgemeinen weisen Stoffe, die durchgangsluftgebunden wurden,
eine höhere
Lockerheit auf als jene, die bei Anwendung der thermischen Punktbindung
hergestellt werden. Das Binden kann ebenfalls durch Nadelfilzen
oder Hydroverwirrung zustande gebracht werden. Der Verbundvliesstoff
zeigt einen hohen Grad an Dehnung infolge der hohen Niveaus der
spiralförmigen
Kräuselung
in den Mehrkomponentenfilamenten. Der dehnbare Vliesstoff kann dann
auf eine Aufwickelrolle aufgewickelt werden und wäre für eine weitere
Behandlung oder Verwendung bereit. Vorzugsweise wird der Stoff mit
einer niedrigen Zugspannung aufgewickelt, und die Aufwickelrolle
weist eine Zugspannungsregelung auf.
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Vliesstoffe,
die in Übereinstimmung
mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung aus 2GT/3GT-Bikomponentenfilamenten
hergestellt werden, sind bei einer Anzahl von Verwendungszwecken nützlich,
einschließlich
der Bekleidung, wie beispielsweise Oberteile und Unterteile (Hosen,
Röcke,
usw.), Unterwäsche,
Oberbekleidung, saugfähige
Artikel, Hygieneprodukte (beispielsweise Hygienebekleidung und Windelkomponenten),
medizinische/industrielle Bekleidung/Umhänge, Wischtücher, Wohnungseinrichtungsgegenstände, usw.