DE60223714T2

DE60223714T2 - Verfahren zur herstellung von monofilamenten aus polypropylen, monofilamente aus polypropylen sowie deren verwendung

Info

Publication number: DE60223714T2
Application number: DE60223714T
Authority: DE
Inventors: Gustav Schütze
Original assignee: Nexis Fibers AG
Current assignee: ExNex AG
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2022-12-04
Also published as: BR0215107A; ES2301695T3; JP2005511906A; TWI227756B; TW200304510A; KR100583668B1; US20050067733A1; KR20040071169A; WO2003048434A1; EP1453995A1; CN1599810A; AU2002352212A1; PT1453995E; EP1453995B1; AU2002352212B2; ZA200403799B; PL373741A1; DE60223714D1; CA2468876C; CA2468876A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung von Monofilamenten eines Polypropylens mit einem Schmelzfliessindex (MFI) 230°C/2,16 kg von 2 bis 16 g/10 min, die einen Durchmesser grösser als 0,050 mm und eine verbesserte Abbriebbeständigkeit aufweisen; sie betrifft auch Monofilamente aus diesem Polypropylen sowie deren Verwendung.
Zweidimensionale Textilartikel aus Polypropylen sind als Filtrationsmittel, das chemisch und mechanisch beständig ist, zur Filtration in der chemischen Industrie, der pharmazeutischen Industrie und der Lebensmittelindustrie von grossem Interesse. In diesem Gebiet werden vor allem relativ grobe Monofilamente verlangt, die einen Durchmesser grösser als 0,050 mm aufweisen.
Die Monofilamente aus reinem Polypropylen haben den Nachteil, infolge der geringen Abriebbeständigkeit dieser Substanz während des Webvorgangs viel Staub zu bilden. Das Problem des Abriebs ist auch für andere Thermoplaste bekannt. So zitiert EP-A2-0 784 107 Monofile, die in geschmolzenem Zustand aus Polyamid, Polyester oder Polypropylen gesponnen werden, die für Papiermaschinenbespannungen und für Fäden für Kantenschneider bestimmt sind. Nach dieser Patentschrift werden Monofilamente, die abriebbeständig sind, mittels 70 bis 99 Gewichtsprozent faserbildenden Polymers, 1 bis 30 Gewichtsprozent eines mit Maleinsäureanhydrid modifizierten Polyethylen/Polypropylenkautschuks und anderer Additive erhalten. Die Beispiele beschränken sich hinsichtlich des faserbildenden Polymers jedoch auf Polyamid 6 und auf Polyethylenterephtalat sowie auf ein Copolyamid aus PA66 und PA6. Die Spinngeschwindigkeiten sind nicht präzisiert.
Aufgrund von EP-A-1 059 370 ist auch ein Verfahren zur Fertigung von Multifilamenten aus Polypropylen bekannt, das für textile Anwendungen bestimmt ist. Als Ausgangsmaterial wird ein isotaktisches Polypropylen verwendet, das durch ein Metallocen katalysiert ist, dessen Schmelzfliessindex grösser als 19 g pro 10 Minuten sein muss, wenn die gesuchten Schrumpfungsmerkmale erreicht werden sollen. Um nämlich eine geringe Schrumpfung zu erhalten sind hohe MFI-Werte notwendig. Es werden FOY-(Fully Oriented Yarns [= vollorientierte Garne]) mit 10 dpf (= Denier pro Faser) [0,03953 mm] und POY-Multifilamente (Partially Oriented Yarns [= teilorientierte Garne]) mit 2 dpf (= Denier pro Faser) [0,01768 mm] beschrieben. Hinsichtlich der gefertigten Garne werden nur allgemeine Angaben gemacht. Monofilamente werden nicht beschrieben.
Das Problem der Erfindung besteht darin, ein wirtschaftliches Verfahren zur Fertigung von groben Monofilamenten aus Polypropylen zur Verfügung zu stellen, die abbriebbeständig sind. Ein anderes Problem der Erfindung besteht darin, grobe Monofilamente aus Polypropylen zu fertigen, die eine verbesserte Beständigkeit gegenüber dem Abrieb beim Weben aufweisen.
Noch ein weiteres Problem besteht darin, die Verwendung von groben Monofilamenten zur Verfügung zu stellen, die eine gute Abriebbeständigkeit aufweisen, für die Fertigung von zweidimensionalen technischen Artikeln, die insbesondere für die Filtration bestimmt sind.
Das Problem wird gemäss der Erfindung durch die Tatsache gelöst, dass man dem Polypropylen 20 bis 0,01 Gewichtsprozent eines Additivs stromaufwärts des Extruders zugibt, das geschmolzene Material in ein Wasserbad spinnt, es streckt und es aufwickelt.
Als Polypropylen wird bevorzugt ein Homopolymer verwendet, das einen Schmelzfliessindex von mehr als 2 g/10 min, bevorzugt 6 bis 13 g/10 min und insbesondere 12 bis 13 g/10 min aufweist. Ein MFI von mehr als 16 g/10 min weist den Nachteil auf, unzureichende mechanische Merkmale und eine schlechte Abriebbeständigkeit zu ergeben.
Es ist geeignet, ein Additiv zu verwenden, das aus einer Kombination aus Schmiermittel, Füllstoff und thermischem Stabilisator besteht. Als Kombination aus Schmiermittel, Füllstoff und thermischem Stabilisator haben sich 0,5 bis 1,2 Gewichtsprozent Polyethylenwachs, Calciumcarbonat und sterisch gehinderte Phenole als besonders geeignet erwiesen.
In einer anderen Variante ist es geeignet, als Additiv 0,05 bis 1,0 Gewichtsprozent, insbesondere 0,3 bis 1,0 Gewichtsprozent eines Schmiermittels zu verwenden. Besonders eignen sich als Schmiermittel Metallsalze der Carbonsäuren, lineare oder verzweigte Kohlenwasserstoffe, fluorierte Elastomere und Polydimethylsiloxane.
In noch einer anderen Variante ist es geeignet, als Additiv Füllstoffe zu verwenden. Als Füllstoffe haben sich 0,01 bis 0,1 Gewichtsprozent Aerosile und 0,1 à 1,0 Gewichtsprozent Calciumcarbonat als besonders geeignet erwiesen.
In noch einer anderen Variante ist es geeignet, als Additiv 0,1 bis 0,8 Gewichtsprozent eines thermischen Stabilisators zu verwenden. Die sterisch gehinderten Phenole, Phosphite und Phosphonite haben sich als besonders geeignet erwiesen.
In noch einer anderen Variante ist es geeignet, als Additiv 1 bis 20 Gewichtsprozent eines Copolymeren von Polypropylen/Polyethylen zu verwenden, das einen Schmelzpunkt ≥ 140°C besitzt.
Es ist geeignet, dass die Monofilamente bei einer der maximalen Zugbelastung (Bruchdehnung) entsprechenden Dehnung von weniger als 35%, bevorzugt weniger als 30%, einen Widerstand von wenigstens 50 cN/tex aufweisen. Ein Wider stand von weniger als 50 cN/tex weist nämlich den Nachteil auf, die Fadenbrüche beim Webvorgang zu vervielfachen.
Es ist im Übrigen wichtig, dass die Monofilamente einen Abrieb von weniger als 0,05% aufweisen. Wenn nämlich der Abrieb grösser ist als 0,05%, treten aufgrund einer zu schnellen Verschmutzung der Blätter Unregelmässigkeiten beim Weben auf. Dies zwingt dazu, die Intervalle zwischen den Reinigungen zu verkürzen, was die Produktivität des Webstuhls vermindert.
Es ist geeignet, dass die Monofilamente sich durch eine relative Reissarbeit > 100% nach einer Behandlung von 24 Stunden bei 120°C, insbesondere nach Alterung im Trockenofen, kennzeichnen. Dies bietet den Vorteil, die Lebensdauer der Filter zu erhöhen, während sie einer relativ starken thermischen Beanspruchung und aggressiven chemischen Produkten unterzogen werden.
Die Monofilamente gemäss der Erfindung eignen sich insbesondere für die Herstellung von zweidimensionalen Artikeln, die in der chemischen Industrie, pharmazeutischen Industrie und Lebensmittelindustrie für die Filtration bestimmt sind.
Nun wird die Erfindung mittels Beispielen ausführlicher beschrieben.
Polymer

Als faserbildendes Polymere wurden bei den Versuchen fünf verschiedene Polypropylene verwendet, die im Handel verkauft werden, deren Schmelzfliessindex (MFI) 230°0/2,16 kg von 6,0 bis 13,0 g/10 min variierte. Es werden jedes Mal 50 kg Polypropylengranulat unter Verwendung von Fässern mit 100 kg und einem Taumelmischer gemischt. Das Vermischen wird abhängig vom Additiv nach zwei verschiedenen Verfahren ausgeführt. Die verschiedenen Verfahren werden in den Beispielen erläutert. Das Granulat/Additiv-Gemisch wird direkt in den Extruder eingelassen und geschmolzen. Spinnbedingungen

Extruder:	Durchmesser: 40 mm; Länge des
	Zylinders: L/D = 25
Druck des Extruders:	80 Bar
	Durchflussmenge: 19,76 kg/h
	5 Erwärmungszonen
Spinnpumpe:	Hubraum: 10 cm³/Umdrehung
Spinnbalken:	mit elektrischer Heizung
Titerpumpe:	23,19 Umdrehungen/min
Spinndüsen:	Durchmesser: 0,7 mm
	Kapillarlänge: 3 × D
Wasserbad:	Abstand zwischen Spinndüse und
	Wasserbad: 45 mm
	Temperatur: 30°C

Streckwerk und Heizkanäle

Streckwerk 1:	7 Galetten; Durchmesser der Galetten: 230mm; 1 Heizkanal
Streckwerk 2:	7 Galetten; Durchmesser der Galetten: 230 mm; 1 Heizkanal
Streckwerk 3:	7 Galetten; Durchmesser der Galetten: 230 mm; 2 Heizkanäle
Streckwerk 4:	4 Galetten; Durchmesser der Galetten: 230 mm

Spinnbad

wässrige Lösung mit 5%

Herstellung der Proben
Beispiele 2, 5, 6 und 7
Im Falle der pulverförmigen Additive, wie etwa Füllstoffe, Schmiermittel, thermischer Stabilisator usw., wird damit begonnen, das Granulat in einem Adhäsiv, wie etwa Baysilon M100^® (Handelsmarke der Firma Bayer AG) eine halbe Stunde lang zu rollen, dann wird der Rest der Additive zugegeben und weitere 1,5 Stunden lang gemischt.
Beispiel 4
Im Fall der modifizierten Polyolefine wird das Granulatgemisch, das aus Polypropylen und aus modifiziertem Polyolefin PP/PE mit Schmelzpunkt > 140°C besteht, eine Stunde lang gemischt.
Die Beispiele wurden in Tabelle 1 zusammengefasst.

Beispiel 2: Polypropylen mit MFI von 6,0 g/10 min, mit einer Kombination als Additiv
Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel 2): Polypropylen mit MFI von 12,0 g/10 min.
Beispiel 4: Polypropylen mit MFI von 12,0 g/10 min, mit PP/PE mit Schmelzpunkt > 140°C als Additiv
Beispiel 5: Polypropylen mit MFI von 13,0 g/10 min, mit einem Schmiermittel als Additiv
Beispiel 6: Polypropylen mit MFI von 13,0 g/10 min, mit einer Kombination auf der Basis von thermischen Stabilisatoren als Additiv
Beispiel 7: Polypropylen mit MFI von 13,0 g/10 min, mit einer Kombination als Additiv
Beispiel 8: Polypropylen mit MFI von 13,0 g/10 min, mit Anti-Gas-Fading-Stabilisierung
Beispiel 9: Polypropylen mit MFI von 9,0 g/10 min, mit Anti-Gas-Fading-Stabilisierung

Um ausführlichere Erläuterungen zu ermöglichen, wurden die Ergebnisse grafisch und fotografisch dargestellt.
Hier
zeigt 1 eine Säulengrafik, die die spezifische Reissarbeit, die Alterung im Trockenofen und den Abrieb in Abhängigkeit von der Zugabe eines Additivs gemäss Beispiel 2 angibt;
zeigt 2 das Abriebverhalten in Abhängigkeit von der Zugabe eines Additivs gemäss Beispiel 4;
zeigt 3a das Abriebverhalten in Abhängigkeit von der Zugabe eines Additivs und der gefertigten Lauflänge gemäss dem Vergleichsbeispiel (Beispiel 1);
zeigt 3b das Abriebverhalten in Abhängigkeit von der Zugabe eines Additivs und der gefertigten Lauflänge gemäss dem Ausführungsbeispiel (Beispiel 8);
In 1 stellt das linke Säulenpaar die spezifische Reissarbeit, das in der Mitte die Alterung im Trockenofen und das rechts den Abrieb in Abhängigkeit von der Zugabe eines Additivs gemäss Beispiel 2 dar; Die linken Säulen spiegeln den Stand der Technik wider, die rechten stellen die Ergebnisse dar, die mit den Monofilamenten gemäss der Erfindung erhalten wurden. Diese Figur lässt hinsichtlich des Abriebs eine Verbesserung von mehr als 100% erkennen. 100% weniger Abrieb bedeuten mindestens eine zwei Mal längere Betriebsdauer für den Webstuhl bevor er wieder gereinigt werden muss. Für die relative Reissarbeit werden analoge Ergebnisse erhalten. Die rechte Säule des mittleren Säulenpaars lässt hier ebenfalls eine Verbesserung von mehr als 50% erkennen. Die spezifische Reissarbeit, die durch die rechte Säule des linken Säulenpaars angegeben wird, zeigt ebenfalls eine Verbesserung im Vergleich zum Stand der Technik.
2 unterscheidet sich von 1 durch die Tatsache, dass sie den Abrieb in Abhängigkeit von der Zugabe eines Additivs gemäss Beispiel 4 angibt;
3a zeigt Fotografien, die den Zustand der Blätter eines Webstuhls nach der Fertigung von 100 m, 200 m und 300 m Gewebe mittels Monofilament aus reinem Polypropylen darstellen [Vergleichsversuch (Beispiel 1)]. Die Verschmutzung durch den Polypropylenabrieb ist nach 300 m so stark, dass der Webstuhl angehalten werden musste.
3b zeigt Fotografien, die den Zustand der Blätter eines Webstuhls nach der Fertigung von 100 m, 200 m und 300 m Gewebe mittels Monofilament gemäss der Erfindung darstellen [Ausführungsbeispiel (Beispiel 8)]. Sogar nach der Fertigung von 300 m Gewebe bleibt die Menge an erzeugtem Abrieb niedriger als die Menge, die im Vergleichsbeispiel für 100 m erhalten wurde.
Messmethoden:

• Schmelzfliessindex nach ASTM D1238
• Titerbestimmung nach SN 197 012 und SN 197 015, vervollständigt durch DIN 53830
• Die Berechnung der mechanischen Konstante MK wird gemäss der folgenden Formel ausgeführt; MK = √D·F[cN/tex]worin D die Dehnung in [%] und F den Widerstand in [cN/tex] bezeichnet.

Beschreibung der Abriebversuche
Fertigung der Teilkettbäume
Die Teilkettbäume, von jeweils 1000 m, wurden mittels Monofilen mit 80 Spulen der verschiedenen Varianten gefertigt.
Webversuche
Die Webversuche wurden auf einem Bandwebstuhl ausgeführt.
Maximale Produktionsleistung: 4000 Umdrehungen/min
Das Webfach wird mittels Exzentern gebildet.
Arbeitsweise: ohne Schusseintrag
Dichte der Kettfäden: 22,80 Fäden/cm
Blatt: Öffnung: 0,175 mm
Zahndicke: 0,264 mm
Zahnbreite: 7,0 mm
Drehgeschwindigkeit des Webstuhls: 1000 Umdrehungen/min
Webgeschwindigkeit: 10 m/h
Bindung: Leinwand L1/1
Bewertung des Abriebverhaltens:

– visuelle Bewertung der Blätter
– gravimetrische Bestimmung des erzeugten Abriebs

Bei der Sichtprüfung werden die Blätter nach einer Betriebsdauer von 100 m oder 200 m, bevorzugt von 300 m, fotografiert, und sie werden klassifiziert.
Die Bewertung des Abriebverhaltens gemäss der gravimetrischen Methode wird nachfolgend beschrieben. Hierfür wird der gesamte Abrieb gesammelt, der sich nach einer Betriebsdauer von 300 m gebildet hat, er wird gewogen und mit dem Gewicht der Kettfäden mittels der folgenden Formel in Beziehung gesetzt:
Die Monofilamente gemäss der Erfindung, die einen Durchmesser ≥ 0,050 mm besitzen, eignen sich für die Fertigung ohne Abrieb von Geweben, die für die Filtration bestimmt sind.
Mittels des Verfahrens gemäss der Erfindung und des Monofilaments gemäss der Erfindung wurde es zum ersten Mal möglich, Monofilament aus Polypropylen praktisch ohne Abrieb zu weben und die Betriebsdauer des Webstuhls beträchtlich zu erhöhen. Dieses Monofilament eignet sich insbesondere für die Fertigung von Geweben, die für die Filtration in der chemischen Industrie, der pharmazeutischen Industrie und der Lebensmittelindustrie verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Monofilamenten eines Polypropylens mit einem Schmelzfliessindex (MET) 230°C/2,16 kg von 2 bis 16 g/10 min, die einen Durchmesser grösser als 0,050 mm und eine verbesserte Abriebbeständigkeit aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass man dem Polypropylen stromaufwärts des Extruders 20 bis 0,01 Gewichtsprozente eines Additivs zugibt, das geschmolzene Material in ein Wasserbad spinnt, es streckt und es aufwickelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Additiv 0,5 bis 1,2 Gewichtsprozente einer Kombination von Schmiermittel, Füllstoff und thermischem Stabilisator verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Additiv 0,05 bis 1,0 Gewichtsprozent eines Schmiermittels verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Additiv 0,01 bis 1,0 Gewichtsprozent Füllstoffe verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Additiv 0,1 bis 0,8 Gewichtsprozent eines thermischen Stabilisators verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Additiv 1 bis 20 Gewichtsprozent eines Copolymeren von Polypropylen/Polyethylen verwendet, das einen Schmelzpunkt ≥ 140°C besitzt.
Monofilamente eines Polypropylens mit einem Schmelzfliessindex (MFI) 230°C/2,16 kg von 2 bis 16 g/10 min, die einen Durchmesser grösser als 0,050 mm und eine verbesserte Abriebbeständigkeit aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass sie bei einer Dehnung, die weniger als 35%, bevorzugt weniger als 30% der maximalen Zugbelastung (Bruchdehnung) entspricht, einen Widerstand von wenigstens 50 cN/tex aufweisen.
Monofilamente nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Abrieb von weniger als 0,05%.
Monofilamente nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine relative Reissarbeit > 100% nach einer Behandlung von 24 Stunden bei 120°C.
Verwendung der Monofilamente nach den Ansprüchen 7 bis 9 für die Herstellung von zweidimensionalen Artikeln, die in der chemischen Industrie, pharmazeutischen Industrie und Lebensmittelindustrie für die Filtration bestimmt sind.