DE68916852T2

DE68916852T2 - Hohlfasern mit hervorragenden gekrümmten Trennelementen und Spinndüse zur Herstellung dieser Fasern.

Info

Publication number: DE68916852T2
Application number: DE68916852T
Authority: DE
Inventors: Harry Vaughn Samuelson
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1988-05-10
Filing date: 1989-05-09
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2009-05-10
Also published as: DE68916852T3; EP0341978A2; EP0341978A3; EP0341978B2; DE68916852D1; JPH0214010A; US4850847A; EP0341978B1; KR900018427A; US4956237A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung befaßt sich mit Hohlfasern, und insbesondere mit Hohlfasern, welche Vorsprünge an ihren Oberflächen haben, sowie Spinndüsen zur Herstellung derselben.
Hohlfasern, welche Vorsprünge an ihrer Oberfläche haben, wurden bereits zum Einsatz bei künstlichen Nieren und Plasmaseparatoren der Membranbauart angegeben. Diese Vorsprünge bewirken, daß ein Abstand zwischen benachbarten in einem Bündel vorhandenen Hohlfasern aufrechterhalten wird. Hierdurch wird der Faseroberflächenbereich optimiert, der für die Fluide oder andere Substrate zur Verfügung steht, welche zwischen den Fasern durchgehen sollen. Diese Fasern sind auch in der Textilindustrie zu Isolations- oder Dämmzwecken einsetzbar. Wenn man einen Abstand zwischen benachbarten Fasern aufrechterhält, kann man eine zusätzliche Voluminosität und ein Isolierverhalten bereitstellen, wenn man diese Fasern auf dem Gebiet der Textilindustrie einsetzt.
Auch sind Hohlfasern und Spinndüsen zu ihrer Herstellung in US-A-3 585 684 und US-A-4 385 886 beschrieben. Das erstgenannte Dokument beschreibt Spinndüsen mit einer segmentierten kreisförmigen Öffnung, welche hiervon abzweigende radiale Öffnungen hat, und es werden mit Öffnungen versehene Filamente mit im wesentlichen dreieckförmigem Querschnitt beschrieben. Das letztgenannte Dokument beschreibt Spinndüsen, welche Öffnungen von untereinander verbundenen Schlitzen haben, von denen wenigstens zwei bogenförmig ausgebildet sind, und die unter definierten Winkeln verlaufen, wobei die Spitzen der Winkel der Bögen auf einem Umfang eines definierten Kreises liegen, die Fläche von zwei bogenförmigen Schlitzen wenigstens 50% der Gesamtfläche der Auslaßöffnung ausmacht, und zwei bogenförmige Schlitze ebenfalls andere definierte geometrische Verhältnisse haben.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung stellt Hohlfasern bereit, welche eine Mehrzahl von Teilen haben, die von der Oberfläche hiervon in einem Bogen mit variabler Länge vorstehen, wobei die Fortsetzung der Teile zu sich selbst zu einer zweiten Stelle an der Faseroberfläche mit eingeschlossen ist, wodurch man eine Hohlfaser erhält, welche eine zusätzliche hohle Struktur an der überfläche hat.
Eine Spinndüse zur Herstellung der Fasern nach der Erfindung weist folgendes auf: Eine Platte, welche obere und untere Flächen hat, die durch eine Kapillare verbunden sind, die Kapillare eine segmentierte Öffnung aufweist, welche wenigstens drei in Umfangsrichtung angeordnete gesonderte Segmente hat, jedes Segment der Öffnung einen ersten Abschnitt in Form eines Bogens aufweist, welcher um den Mittelpunkt der Öffnung aber in einem Abstand von demselben gekrümmt ist, einen zweiten Abschnitt aufweist, welcher sich in einer geradlinigen Längserstreckung ausgehend von dem ersten Abschnitt erstreckt und mit einem dritten Abschnitt verbunden ist, der dritte Abschnitt in Form einer entgegengesetzt gekrümmten Kurve bezüglich des ersten Abschnittes ausgebildet ist, und die konkaven Ränder der entgegengesetzt gerichteten Krümmungen einander nicht zugewandt sind.
Nach der Erfindung umfaßt eine Hohlfaser auch eine solche, welche eine Mehrzahl von Distanzteilen hat, die von der äußeren Oberfläche unter gekrümmten Richtungen hiervon derart vorstehen, daß das Distanzteil zur Normalen auf die Oberfläche der Faser schräg verläuft.
Die Erfindung stellt neuartige Hohlfasern bereit, welche Distanzteile haben, die von ihren äußeren Oberflächen in gekrümmten Richtungen hiervon vorstehen, und es werden Spinndüsen zu ihrer Herstellung angegeben.
Die Distanzteile der Fasern stehen von der Oberfläche der Faser in Form eines Bogens mit einer variablen Länge vor. Durch Veränderung der Länge des Bogens erhält man gekrümmte Distanzteile mit sich verändernder Länge, wobei die Fortsetzung des Teils zu einer zweiten Stelle auf der Faseroberfläche mit eingeschlossen ist, wodurch man eine Hohlfaser erhält, weiche eine zusätzliche hohle Struktur an ihrer Oberfläche hat.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung naher beschrieben, in welcher gilt:
Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Spinndüsenplatte, welche zur Herstellung der Fasern nach der Erfindung eingesetzt werden kann.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die untere Fläche oder die Fläche der Spinndüse nach Fig. 1 wobei eine Anordnung für die Kapillaröffnungen der Spinndüse gezeigt ist.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die untere Fläche oder die Fläche der Spinndüse nach Fig. 1 wobei eine weitere Anordnung für die Kapillaröffnungen der Spinndüse gezeigt ist.
Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils von Fig. 2 zur Verdeutlichung einer Öffnung der räumlichen Zuordnung der Segmente der Öffnung.
Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils von Fig. 3 zur Verdeutlichung einer Öffnung und einer räumlichen Zuordnung der Segmente der Öffnung.
Fig. 6 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Filaments, welches unter Einsatz eines Spinndüse hergestellt wurde, welche eine drei Segmente umfassende Öffnung hat, welche beispielsweise in den Fig. 2 und 4 gezeigt ist.
Fig. 7 ist eine vergrößerte Schnittansicht zur Verdeutlichung eines weiteren Filaments, welches nach der Erfindung hergestellt ist.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 weist die Spinndüse 20 eine Platte 22 auf, welche obere und untere Flächen 26, 28 jeweils hat, welche durch wenigstens eine Kapillare verbunden sind, welche von einer Öffnung der unteren Fläche der Platte gebildet wird, durch die schmelzflüssiges Polymer extrudiert wird. Eine drei Segmente umfassende Öffnung 32 in der unteren Fläche 28 ist in Fig. 2 gezeigt, und eine vier Segmente umfassende Öffnung 42 in der unteren Fläche 28a ist in Fig. 3 gezeigt.
Fig. 4 zeigt eine Spinndüsenöffnung 32, durch welche Polymer extrudiert werden kann, um Hohlfasern gemäß diesem Vorschlag zu bilden. Die Öffnung 32 weist drei unabhängige Segmente 32a, 32b, 32c auf, welche durch Brücken 33 getrennt sind. Die Segmente weisen einen ersten Abschnitt A in Form eines Bogens auf, welcher um den Mittelpunkt C der Öffnung 32 gekrümmt ist, einen zweiten Abschnitt K auf, welcher sich gemäß einer geradlinigen Linie, ausgehend von dem ersten Abschnitt, erstreckt, und einen dritten Abschnitt B auf, welcher sich, ausgehend von dem zweiten Abschnitt zu Beginn gemäß einer entgegengesetzt gerichteten Krümmungsrichtung bezüglich des ersten Abschnittes erstreckt.
Die Öffnung 32 ist in einer Spinndüsenfläche dadurch vorgesehen, daß ein Mittelpunkt C für die Öffnung und ein Mittelpunkt D für jedes der zu bildenden Segmente gewählt werden; ein erster Abschnitte A mit einem inneren Randradius F und einem äußeren Randradius G von dem Mittelpunkt C gebildet und; der entgegengesetzt gekrümmte Abschnitt B in Form eines Bogens gebildet wird, welcher einen inneren Randradius I und einen äußeren Randradius H von dem Mittelpunkt D hat; und die Abschnitte A und B mit einem zweiten Abschnitt in Form eines geradlinigen Abschnitts K verbunden werden. Der zweite Abschnitt K verläuft vorzugsweise tangential zu einem Rand des inneren Bogens des Abschnitts A und zu dem äußeren Bogen des dritten Abschnitts B und er ist auch tangential am äußeren Rand zu dem äußeren Rand des Abschnitts A und zu dem inneren Rand das Abschnitts B. Bei den Radiuslängen F, G, H, I ist die Differenz der Länge zwischen G und F gleich der Differenz der Länge zwischen H und I.
Wenn zusätzlich eine Linie L durch die Mittelpunkte C und D gelegt wird, dann ist der Abstand entlang der Linie L von C nach D vorzugsweise etwa gleich groß wie die Länge von H + G, wobei die Länge von G vorzugsweise größer oder gleich der Länge von H ist. Das Segment B verläuft um den Mittelpunkt D zu einem Punkt, welcher bezüglich der Länge L definiert ist. Das Segment B kann verlängert sein, so daß es auf die Linie L trifft, oder es kann kürzer oder länger ausgelegt sein, wodurch sich dann bei der Herstellung Fasern ergeben, welche kürzere oder längere Distanzteile jeweils, ausgehend von der Oberfläche hiervon haben. Wenn das Segment B als ein Bogen M um 60º über die Linie L hinaus fortgesetzt wird, kann ein hohlförmig ausgebildetes Distanzteil auf der Oberfläche einer Faser ausgebildet werden.
Die Brücken 23 trennen die Segmente der Öffnung 32 und stellen ein zusammenhängendes Gebilde für das innere Teil der Öffnung bereit. Die Länge E der Brücken 33 wird durch den Abstand zwischen einer Linie E', welche parallel ausgehend von dem Innenseitenrand 34 eines Segments der Öffnung 32 verläuft und einer zweiten Linie E'' bestimmt, welche parallel zu dem Rand 34 und durch die Segmentecke 36 gezogen ist. Typische Werte für die Öffnungsdimensionierungen sind in den Beispielen angegeben.
Fig. 6 ist eine Schnittansicht einer Faser mit etwa 250X Vergrößerung, welche von einer Spinndüsenöffnung gebildet wird, welche in Fig. 4 gezeigt ist, wobei der Bogen M um 60º über die Linie L hinausgeht.
Fig. 7 ist eine Schnittansicht mit einer etwa 250X Vergrößerung, welche von einer Spinndüse nach Fig. 4 gebildet wird, wobei sich der Abschnitt B nur bis zur Linie L erstreckt.
Fig. 5 zeigt eine alternative bevorzugte Ausführungsform einer Öffnung gemäß diesem Vorschlag. Diese Öffnung 42 enthält vier Segmente 42a, 42b, 42c, 42d, die durch Brücken 43 getrennt sind. Das Segmentmuster und die Konstruktion der Öffnung nach den Fig. 2 und 2A sind im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 1A beschrieben. Die Länge E der Brücken 33 wird durch den Abstand zwischen einer Linie E', welche sich ausgehend von dem Innenseitensegmentrand 44 der Öffnung 42 parallel erstreckt, und einer zweiten Linie E', bestimmt, welche parallel zu dem Rand 44 gezogen ist und durch die Segmentecke 46 geht. Die Radiuslängen G, F, H und I haben die gleichen Zuordnungen, und sie können mit den gleichen Abmessungen wie jene ausgelegt werden, die in den Beispielen für Fig. 4 angegeben sind.
Beim Betrieb wird ein Polymer durch eine Spinndüsenöffnung nach der Erfindung schmelzextrudiert, um eine hohle Faser zu bilden, welche Distanzteile hat, die in einer gekrümmten Richtung, ausgehend von der Oberfläche hiervon, vorstehen. Die Länge der Distanzteile läßt sich durch die Länge des entgegengesetzt gekrümmten Abschnitts B des Öffnungssegments beeinflussen. Neu extrudierte Fasern sind zu Beginn diskontinuierlich entlang ihres Umrisses infolge der Brücken, welche die Segmente der Öffnungen trennen; jedoch tritt eine Koaleszenz des Polymers unmittelbar beim folgenden Extrudieren auf, und führt zu einer Faser, welche einen ununterbrochenen Umriß hat. Zusätzlich zur Bereitstellung einer strukturellen Einheit der Öffnung ermöglichen die Brücken, daß Gas, beispielsweise Luft, in das innere der Hohlfaser beim Extrudieren eintreten kann, wodurch die Form der Hohlfaser während des Spinnens aufrechterhalten wird, und ein Zusammenfallen der Faserwände in Richtung nach innen verhindert wird.
In Abhängigkeit von der Polymersorte, den Abschreckbedingungen und der Erstreckung des Bogens, des in Gegenrichtung gekrümmten Abschnitts der Öffnungssegmente können die Distanzteile von einer ersten Stelle auf der Faseroberfläche in einer gekrümmten Richtung zu einer zweiten Stelle auf der Faseroberfläche vorstehen, wodurch zusätzliche hohle Strukturen an der Oberfläche der Faser gebildet werden. Schnellere Durchsätze des Polymers durch die Öffnung oder schwächere Abschreckbedingungen für die extrudierte Faser unterstützen die Bildung der hohlen Distanzteilstrukturen auf der Faseroberfläche. Zusätzlich unterstützt die Verlängerung des Segments B in einem Bogen von 60º über die Linie L hinaus die Bildung eines geschlossenen Vorsprungs.

Beispiele

Beispiel 1

Dieses Beispiel beschreibt das Spinnen einer Hohlfaser, welche gekrümmte Distanzteile hat, die von ihrer Oberfläche vorstehen. Die eingesetzte Spinndüse war eine Spinndüse der Bauart, welche in Fig. 4 gezeigt ist und die einen bogenförmigen Abschnitt B hat, welcher um einen Winkel M von 60º über die Linie L hinaus verlängert ist. Die Spinndüsenöffnung hatte die folgenden Abmessungen:
Länge G = 0,030 inch (0,8 mm)
Länge F = 0,0265 inch (0,7 mm)
Länge I = 0,0115 inch (0,3 mm)
Länge H = 0,015 inch (0,4 mm)
Länge E = 0,006 Inch (0,2 mm)
Länge C-D = 0,045 inch (1,1 mm)
Die Fasern wurden aus Polyethylpenten (Mitsui Petrochemicals (Ameri ca), Ltd., durchsichtige Sorte RT 18, Schmelzflußrate 26 g pro 10 min, Schmelzpunkt = 240ºC, Dichte = 0,833 g/cm³) gesponnen. Das Polymer wurde in einer beheizten Schneckenschmelzeinrichtung auf eine Temperatur von etwa 268ºC erschmolzen und dann durch eine Öffnung extrudiert, welche eine Temperatur von etwa 268ºC hatte. Das Polymer wurde mit einer Rate von 1,2 g/min/Öffnung zudosiert. Nach dem Extrudieren der Fasern wurden sie mit einem Raumtemperatur-Gegenluftstrom abgeschreckt und über eine Kontaktausrüstungseinrichtung geführt, an der eine Spinnausrüstung (10%ige Lösung eines Alkylstearatester-Schmiermittels emulgiert mit Aerosol® OT und Merkpol® 1452) aufgebracht wurde, um eine Kohäsion bei dem mehrfasrigen Bündel zu bewirken. Die Fasern wurden dann unter Einsatz von konvergierenden Führungen zusammengebracht und auf eine Spule bei 200 mpm aufgespult. Die Faser wurde in dünne Abschnitte unterteilt und unter Einsatz eines Lichtmikroskops bei einer Vergrößerung von etwa 250X untersucht. Hierbei hat sich die in Fig. 6 gezeigte Struktur ergeben. Die Faser 50 hatte gekrümmte Distanzteile 44 in Kontakt an zwei Stellen auf der äußeren Oberfläche 52, welche hiervon vorstanden.

Beispiel 2

Dieses Beispiel beschreibt das Spinnen gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Fasern gemäß diesem Vorschlag. Die eingesetzte Spinndüse war von der in Fig. 4 gezeigten Bauart und hatte die gleichen Abmessungen wie beim Beispiel 1 beschrieben, abgesehen davon, daß der gekrümmte Abschnitt B nur bis zur Linie L sich erstreckte. Die Polymerart war wie beim Beispiel 1 beschrieben, und wurde in einer beheizten Schraubenschmelzeinrichtung auf eine Temperatur von etwa 275ºC geschmolzen und durch eine Öffnung extrudiert, welche eine Temperatur von etwa 275ºC hatte. Das Polymer wurde mit einer Rate von 1,2 g/min/Öffnung zudosiert.
Nach dem Extrudieren der Fasern wurden sie mit einem Gegenluftstrom mit Raumtemperatur abgeschreckt und über eine Kontaktausrüstwalze geführt, an der eine Spinnausrüstung (eine 10%ige Lösung eines Alkylstearatester-Schmiermittels emulgiert mit Aerosol® OT und Merkpol® 1452) aufgebracht, um eine Kohäsion bei dem mehrere Fasern umfassenden Bündel zu bewirken. Die Fasern wurden dann unter Einsatz von konvergierenden Führungen zusammengebracht und auf einer Spule mit 200 mpm aufgespult. Die Fasern wurden im Querschnitt durchgetrennt und unter Einsatz eines Lichtmikroskops mit einer Vergrößerung von etwa 250X untersucht. Hierbei hat man die in Fig. 7 gezeigten Strukturen aufgefunden. Die Faser 56 hatte gekrümmte Distanzteile 60, die von der äußeren Oberfläche 58 hiervon vorstehen und schräg zu der Normalen auf die Oberfläche der Faser verlaufen.

Claims

1. Spinndüse (20) zur Herstellung eines Hohlfilaments aus einem schmelzflüssigen Polymer, welches eine Mehrzahl von Teilen hat, die an der äußeren Oberfläche vorstehen, wobei die Spinndüse (20) folgendes aufweist: Eine Platte (22), welche obere (26) und untere (28) Flächen hat, die durch eine Kapillare verbunden sind, die Kapillare eine segmentierte Öffnung aufweist, welche wenigstens drei in Umfangsrichtung angeordnete gesonderte Segmente (32a, 32b, 32c) hat, jedes Segment der Öffnung einen ersten Abschnitt (A) in Form eines Bogens aufweist, welcher um den Mittelpunkt (C) der Öffnung (32) aber in einem Abstand von demselben gekrümmt ist, einen zweiten Abschnitt (K) aufweist, welcher sich in einer geradlinigen Längserstreckung ausgehend von dem ersten Abschnitt erstreckt und mit einem dritten Abschnitt (B) verbunden ist, der dritte Abschnitt in Form einer entgegengesetzt gekrümmten Kurve bezüglich des ersten Abschnittes ausgebildet ist, und die konkaven Ränder der entgegengesetzt gerichteten Krümmungen einander mäht zugewandt sind.

2. Spinndüse nach Anspruch 1, bei der der dritte Abschnitt (B) um einen Mittelpunkt für den dritten Abschnitt gekrümmt ist.

3. Spinndüse nach Anspruch 2, bei der der dritte Abschnitt (B) sich in Form eines Bogens über eine Linie hinaus fortsetzt, welche den Öffnungsmittelpunkt und den Mittelpunkt des dritten Abschnitts verbindet.

4. Spinndüse nach Anspruch 3, bei der der dritte Abschnitt (B) sich in Form eines Bogens über die Linie hinaus um etwa 60º fortsetzt.

5. Spinndüse nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, bei der der zweite Abschnitt (K) in Form eines geradlinigen Längsstückes tangential zu den ersten und dritten Abschnitten verläuft.

6. Hohlfaser (56), welche eine Mehrzahl von Distanzteilen (60) hat, die von der äußeren Oberfläche (58) in gekrümmten Richtungen hiervon derart vorstehen, daß das Distanzteil schräg zu der Normalen auf die Oberfläche der Faser verläuft.

7. Hohlfaser (50) nach Anspruch 6, bei der die Teile (54) von einer ersten Stelle an der Faseroberfläche (52) in einer gekrümmten Richtung zu einer zweiten Stelle auf der Faseroberfläche vorstehen, wodurch zusätzliche hohle Teile auf der Oberfläche der Hohlfaser gebildet werden.