DE69115920T2

DE69115920T2 - Verfahren zur Behandlung von schmelzgeblasenen Filamenten

Info

Publication number: DE69115920T2
Application number: DE69115920T
Authority: DE
Inventors: Robert Robson Baytown Tx 77520 Buntin; Fumin Knoxville Tn 37916 Lu; Mancil Wood Luttrell Tn 37779 Milligan
Original assignee: Exxon Chemical Patents Inc
Current assignee: University of Tennessee Research Foundation
Priority date: 1990-10-11
Filing date: 1991-10-03
Publication date: 1996-08-14
Anticipated expiration: 2011-10-04
Also published as: JPH06504094A; CA2093810C; CA2093810A1; EP0552285A1; JP3037420B2; DE69115920D1; WO1992007122A1; US5075068A; EP0552285B1

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von schmelzgeblasenen Filamenten und Bahnen. Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von schmelzgeblasenen Bahnen mit verbesserter Festigkeit.
Schmelzblasen ist ein Einstufenverfahren, bei dem ein geschmolzenes thermoplastisches Harz durch eine Reihe von Öffnungen extrudiert wird, um eine Vielzahl von Polymerfilamenten (oder Fasern) zu bilden, während konvergierende Schichten von heißer Luft mit hoher Geschwindigkeit (Primärluft) die heißen Filamente strecken und verjüngen. Die Filamente werden auf ein Kollektorsieb (Sammlersieb) oder eine Fördereinrichtung geblasen, wo sie verfilzt und unter Bildung einer Vliesbahn aufgefangen werden. Die konvergierenden Luftschichten üben Zugkräfte auf die Polymerstränge aus, die aus der Düse austreten, wodurch verursacht wird, daß sie unter Bildung von Filamenten in Mikrogröße (typischerweise 0,5 bis 20 µm im Durchmesser) an Länge zunehmen. Sekundärluft wird in den Filament/Luft-Strom gesaugt, um die Filamente abzukühlen und zu quenchen.
Die schmelzgeblasenen Bahnen haben einzigartige Eigenschaften, die sie für eine Vielzahl von Verwendungen wie Filter, Batteriescheider, Ölabstreifer, Kabelumwicklungen, Kondensatorpapier, Einwegverkleidungen, Schutzkleidungen, etc. geeignet machen. Einer der Mängel der schmelzgeblasenen Bahnen ist allerdings ihre relativ niedrige Zugfestigkeit. Ein Grund für die niedrige Zugfestigkeit ist die Tatsache, daß die Filamente nur eine mäßige Festigkeit haben. Obwohl die Primärluft die Filamente nach unten zieht, haben Untersuchungen ergeben, daß die daraus resultierende Orientierung des Polymermoleküls nicht beibehalten wird. Ein weiterer Grund für die niedrige Festigkeit ist die spröde Beschaffenheit der Filamente, wenn sie nahe an der Düse aufgefangen werden (z. B. weniger als 18" (etwa 0,46 m)). Ein weiterer Mangel für viele Anwendungen ist die relativ breite Verteilung der Filamentgrößen innerhalb von einer einzigen Bahn.
Es wurden Anstrengungen unternommen, die Eigenschaften der Bahn zu ändern, indem die Filamente zwischen der Düse und dem Kollektor behandelt wurden, aber nichts davon betraf in erster Linie die Erhöhung der Festigkeit der Bahn. Beispielsweise ist gemäß US-A-3 959 421 ein flüssiges Spray auf Filamente nahe dem Austritt aus der Düse aufgebracht worden, um die Filamente rasch zu quenchen, um die Qualität der Bahn zu verbessern (z. B. Verringerung der Bildung von "shot" (Perlen)). Es wurde auch Kühlwasser in dem in US-A-4 594 202 beschriebenen Verfahren verwendet, um das Verbinden der Fasern zu verhindern. US-A-4 904 174 offenbart ein Verfahren zum Übertragen von elektrischen Ladungen auf die Filamente, indem ein elektrisches Feld erzeugt wird, durch das die extrudierten Filamente passieren. US-A-3 806 289 offenbart eine Schmelzblasdüse, die mit einem Coanda-Mundstück versehen ist, um Fasern in einem Wellenmuster auf einer Oberfläche abzulegen.
US-A-4 622 259 offenbart die Verwendung von Sekundärluft mit hoher Geschwindigkeit in Schmelzblasstoffen oder Mikrofaserstoffen, um die Gleichförmigkeit des Luftstroms und die Faserlänge aufrechtzuerhalten. Die Druckschrift offenbart 30 Meter pro Sekunde als hohe Geschwindigkeit. Allerdings offenbart die Druckschrift, daß übermäßige Geschwindigkeit nicht einen hohen Grad der Gleichförmigkeit von Luft- und Faserströmung stören darf und Turbulenz mit großer Amplitude zu vermeiden ist. Zudem offenbart die Druckschrift einen Anstieg des Faserdurchmessers, wenn Sekundärluft verwendet wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist gefunden worden, daß durch Unterbrechung der Strömung der heißen Polymerfilamente, die aus einer Schmelzblasdüse austreten, das Ausziehverhältnis der Filamente erhöht werden kann. Das erhöhte Ausziehverhältnis führt zu mehreren verbesserten Eigenschaften der schmelzgeblasenen Bahn oder Matte einschließlich verbesserter Bahnfestigkeit, verbesserter Filamentfestigkeit, gleichförmigerem Filamentdurchmesser und weicherer, weniger spröder Bahn.
Erfindungsgemäß werden die extrudierten Filamente zwischen der Schmelzblasdüse und dem Kollektorsieb (oder Substrat) mit Querstromluft mit ausreichender Intensität kontaktiert, um die natürliche Strömungsform der Filamente zu unterbrechen. Die Querstromluft verursacht, daß die Filamente ein undulierendes oder flatterndes Strömungsverhalten annehmen, welches nahe dem Austritt aus der Düse beginnt und sich bis zum Kollektor erstreckt.
Untersuchungen haben gezeigt, daß das undulierende oder flatternde Strömungsverhalten zu deutlich erhöhtem Ausziehverhältnis des Filaments führt ("Ausziehverhältnis" wie hier verwendet bedeutet das Verhältnis des aus der Düsenspitze austretenden Filamentdurchmessers zu dem Enddurchmesser).
Obgleich die Gründe für die verbesserten Ergebnisse nicht vollständig erarbeitet worden sind, wird angenommen, daß die Unterbrechung der Filamentströmung in einem Bereich nahe des Austritts aus der Düse einen Zustand erzeugt, bei dem eine verbesserte Zugkraft auf die Filamente einwirkt. Bei normaler Filamentströmung (ohne Querstromluft) ist die primäre Luftströmung im wesentlichen parallel zu der Filamentströmung, insbesondere nahe dem Austritt aus der Düse. Wenn allerdings Undulationen in der Filamentströmung nahe dem Austritt aus der Düse erzeugt werden, werden Teile des Filaments quer zu der primären Luftströmung angeordnet, wodurch die Auswirkungen der Zugkräfte verstärkt werden.
Zur Verdeutlichung der Beschreibung wird das Querstrommedium hier als "Luft" bezeichnet, aber es können auch andere Gase verwendet werden. Die in US-A-3 959 421 und US-A-4 594 202 offenbarten Wassersprühtechniken unterbrechen die Filamente nicht ausreichend, um die gewünschten Ergebnisse zu erreichen. Es ist zu beachten, daß die Coanda-Austrittsdüse nicht wie in US-A- 3 806 289 gelehrt verwendet werden kann, weil eine solche Anordnung nicht zu einem erhöhten Ausziehverhältnis führen würde, sondern nur die Filamente zu einer Seite der Coandadüse pulsiert und damit ein wellenartiges Absetzmuster der Fasern auf der aufnehmenden Oberfläche (Kollektoroberfläche) liefert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Schmelzblasvorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Lage ist.
Figur 2 ist eine Seitenansicht einer Schmelzblasdüse, die schematisch die Strömungsform der Filamente mit und ohne Querstromluft illustriert.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Wie zuvor erwähnt betrifft die vorliegende Erfindung die Anwendung von Querstromluft auf die Reihe von Filamenten, die aus einer Schmelzblasdüse austreten. Eine Schmelzblasstraße mit Querstromluftkammern ist in Figur 1 illustriert und umfaßt einen Extruder 10, um geschmolzenes Harz zu einer Schmelzblasdüse 11 zu fördern, die geschmolzene Polymerstränge unter Bildung von Filamenten in konvergierende Heißluftströme extrudiert. (12 zeigt allgemein die Mittellinien der Filamente, die aus der Düse 11 austreten). Der Filament/Luftstrom wird auf eine Kollektortrommel oder ein Kollektorsieb 15 gerichtet, wo die Filamente in statistisch miteinander verfilzter Anordnung unter Bildung einer Bahn 16 aufgefangen werden. Die Bahn 16 wird dem Kollektor 15 entnommen und kann zum Transport und zur Lagerung aufgerollt werden.
Die Schmelzblasstraße schließt auch Heizelemente 14, die in der Düse 11 montiert sind, und eine Luftquelle ein, die über mit einem Ventil versehene Leitungen 13 mit der Düse verbunden ist.
Erfindungsgemäß ist die Schmelzblasstraße mit Luftrohrleitungen 17 versehen, die über und/oder unter der Reihe von Filamenten 12, die aus der Düse 11 austreten, angeordnet sind. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird, hat jede Rohrleitung 17 einen longitudinalen Schlitz (Schlitz in Längsrichtung), um Luft auf die Filamente 12 zu richten. (Der Begriff "Filament" wie hier verwendet schließt sowohl kontinuierliche Stränge als auch nicht kontinuierliche Fasern ein).
Wie in Figur 2 gezeigt, schließt die Schmelzblasdüse 11 Körperteile 20 und 21, ein längliches Nasenstück 22, das an dem Düsenkörper 20 befestigt ist, und Luftplatten 23 und 24 ein. Das Nasenstück 22 hat einen konvergierenden Düsenspitzenabschnitt 25 mit dreieckigem Querschnitt und endet an der Spitze 26. Ein mittiger länglicher Kanal 27 ist in dem Nasenstück 22 gebildet und mehrere nebeneinanderliegende Öffnungen 28 sind in die Spitze 26 gebohrt. Die Öffnungen haben allgemein einen Durchmesser zwischen 100 und 1 200 µm.
Die Luftplatten 23 und 24 mit den Körperteilen 20 und 21 bilden Luftkanäle 29 und 30. Die Luftplatten 23 und 24 haben nach innen gerichtete, konisch auslaufende Oberflächen, die in Kombination mit den konisch auslaufenden Oberflächen des Nasenstücks 25 konvergierende Luftkanäle 31 und 32 bilden. 5Wieillustriert ist die Strömungsfläche von jedem Luftkanal 31 und 32 einstellbar. Geschmolzenes Polymer wird von dem Extruder 10 durch die Düsenkanäle (nicht gezeigt) an Kanal 27 abgegeben und als nebeneinander befindliche Filamente von Mikrogröße aus den Öffnungen 28 extrahiert. Primärluft wird aus einer Luftquelle über Leitungen 13 durch die Luftkanäle geliefert und wird auf entgegengesetzte Seiten der geschmolzenen Filamente als konvergierende Heißluftschichten abgegeben. Die konvergierenden Heißluftschichten sind so gerichtet, daß sie die Filamente in Richtung des Austritts der Filamente aus den Öffnungen 28 ziehen oder verjüngen. Die Orientierung der Düsen (d. h. deren Achsen) bestimmen die Richtung des Austritts der Filamente. Der eingeschlossene Winkel zwischen konvergierenden Oberflächen des Nasenstücks 25 liegt im Bereich von etwa 45 bis 90º. Es ist wichtig zu beachten, daß die obige Beschreibung der Schmelzblasstraße nur zur Illustration dient. Andere Schmelzblasstraßen können in Kombination mit den nachfolgend beschriebenen Querstromlufteinrichtungen verwendet werden.
Die Luftrohrleitungen 17 können von rohrförmiger Bauweise sein, wobei beide Enden geschlossen sind, wodurch eine innere Kammer gebildet wird. Jede Rohrleitung 17 hat mindestens einen darin gebildeten Schlitz 34. Der Schlitz 34 erstreckt sich parallel zu der Achse von Rohrleitung 17 und überquert die vollständige Reihe von Öffnungen 28 in Düse 11. Der Schlitz 34 von jeder Rohrleitung 17 ist so bemessen, daß er ausreichend hohe Luftabgabegeschwindigkeiten zum Kontaktieren der Filamente liefert. Geschwindigkeiten von mindestens 20 fps (6,1 m/s) und zwischen 300 und 1200 fps (etwa 91 und 366 m/s) sind bevorzugt. Schlitze mit Breiten zwischen 0,010 und 0,040 inch (etwa 0,3 bis 1,0 mm) sollten für die meisten Anwendungen ausreichend sein. Strömungsraten durch jeden Schlitz von 20 bis 300 SCFH pro inch (20 bis 345 dm³/cm) Öffnungslänge (d. h. Länge der Düsenspitze 25) sind bevorzugt. Die Luftspeiseleitungen 18 können an den Enden der Rohrleitungen 17 verbunden sein, wie in Figur 1 illustriert, oder können mit einem Mittelabschnitt verbunden sein, um eine gleichförmigere Strömung durch die Rohrleitungen 17 zu liefern. Die Luft wird mit beliebigem Druck an die Rohrleitungen abgegeben, aber Luft mit niedrigem Druck (weniger als 50 psi (oder 0,345 MPa)) ist bevorzugt. Die Rohrleitungen können andere Formen oder eine andere Bauweise haben und mehr als einen Schlitz aufweisen. Beispielsweise kann eine Rohrleitung mit quadratischem, rechteckigem oder halbkreisförmigen Querschnitt mit einem, zwei oder drei oder mehr parallelen Schlitzen vorgesehen werden. Die Querschnittströmungsfläche von jeder Rohrleitung kann innerhalb eines weiten Bereichs variieren, wobei 0,5 bis 6 in² (3,2 bis 38,7 cm²) bevorzugt und 0,75 bis 3,5 in² (4,8 bis 22,6 cm²) am meisten bevorzugt sind.
Die Rohrleitungen 17 können an einem Rahmen (nicht gezeigt) montiert sein, um die folgenden Einstellungen zu ermöglichen:
vertikal ("a"-Richtung in Figur 2)
horizontal ("b"-Richtung in Figur 2)
Winkeleinstellung (Winkel "A" in Figur 2)
Der Winkel A ist die Orientierung der Längsachse des Schlitzes in bezug zu der Vertikalen. Ein positiver Winkel A (+Aº) zeigt, daß der Schlitz 34 so angeordnet ist, daß Luft in einer Richtung abgegeben wird, die von der Düse wegführt und dadurch eine Luftgeschwindigkeitskomponente quer oder in Querrichtung zu der Filamentströmung und eine Geschwindigkeitskomponente in der gleichen Richtung wie die Primärluftströmung liefert. Ein negativer Winkel A (-Aº) zeigt, daß der Schlitz 34 so angeordnet ist, daß Luft in einer Richtung abgegeben wird, die zu der Düse hinführt und dadurch eine Luftgeschwindigkeitskomponente quer oder in Querrichtung zu der Filamentströmung und eine Geschwindigkeitskomponente in der entgegengesetzten Richtung zu der Primärluftströmung liefert. Ein Winkel A von 0 (Null) zeigt natürlich, daß der Schlitz so angeordnet ist, daß er Luft im rechten Winkel zu der Richtung des Filamentaustritts abgibt (z. B. in Richtung der Orientierung der Öffnungen 28). Die Bezüge zur Horizontalen und zur Vertikalen dienen nur der Beschreibung. Die relativen Abmessungen, a, b und A, sind auf jede Orientierung der Extrusionsdüse 11 anwendbar.
Wie zuvor erwähnt, ist die Hauptfunktion der Querstromluft, die aus den Schlitzen 34 austritt, das natürliche Strömungsmuster oder die natürliche Strömungsform der aus der Düse 11 austretenden Filamente zu unterbrechen und zu ändern. Es ist bevorzugt, daß die Querstromluft so nahe an der Düse 11 wie möglich (d. h. innerhalb von 1/4 der Entfernung zwischen der Düse 11 und dem Kollektor 15) in Kontakt mit den Filamenten kommt und noch für eine allgemein gleichförmige Filamentströmung zu dem Kollektor 15 sorgt. Im Optimalfall soll die Querstromluft die Filamente innerhalb von 1", vorzugsweise innerhalb von 1/2" und am meisten bevorzugt innerhalb von 1/4" (15,4 mm, 12,7 mm bzw. 6,4 mm) von der Öffnung entfernt unterbrechen. Die Rohrleitungen 17 sind vorzugsweise eine über und eine unter der Filament/Luftströmung in den folgenden Stellungen montiert: allgemeiner Bereich bevorzugter Bereich bester Modus
Die beiden Rohrleitungen 17 können symmetrisch auf jeder Seite des Filament/Luft-Stroms angeordnet sein oder können unabhängig betrieben oder eingestellt werden. So kann die Vorrichtung ein oder zwei Rohrleitungen einschließen.
Figur 2 illustriert das Strömungsmuster eines Filaments 36a, gezeigt durch eine unterbrochene Linie, ohne Verwendung der Querstromrohrleitungen 17. Wie dargestellt, strömt das Filament 36a aufgrund der Zugkräfte, die von der Primärluftströmung ausgeübt werden, über eine kurze Entfernung (in der Größenordnung von 1 inch oder etwa 25 mm) nach Austritt aus der Öffnung 28 in einer relativ geraden Linie. Bei etwa 1 inch Entfernung von der Düse beginnt das Strömungsmuster des Filaments 36a zu undulieren und erreicht einen Bereich von heftig flatternder Bewegung nach etwa 3 bis 6 inch (etwa 8 bis 16 cm). Es wird angenommen, daß diese flatternde Bewegung zu einem erhöhten Ausziehverhältnis des Filaments 36a führt.
Das Einsetzen und Verhalten der Flatterbewegung hängen von mehreren Faktoren einschließlich der Düsenschlitzbreite, der Konstruktionsweise des Nasenstücks, dem Rückschlag, den Betriebstemperaturen, der Primärluftströmungsrate und der Polymerströmungsrate ab. Weil so viele Variablen mit einbezogen sind, wird es nicht für möglich gehalten, diese Variablen mit einem hohen Sicherheitskeitsgrad zu steuern, um ein gewünschtes Ausmaß an Filamentflattern zu erhalten. Es scheint ein innewohnendes (inhärentes) Verhalten für einen bestimmten Satz von Parametern zu geben. Es ist allerdings bekannt, daß im Anfangsbereich sich die Primärluftströmung allgemein parallel zu der Filamentströmung befindet, so daß wenig oder kein Flattern in diesem Bereich auftritt.
Erfindungsgemäß wird Querstromluft auf die Filamente einwirken gelassen, um das Einsetzen der in Querrichtung liegenden oder flatternden Strömungsform viel näher an dem Düsenauslaß zu initiieren. Dies frühere Einsetzen der flatternden Filamentströmung erhöht das Ausziehverhältnis, weil das Filament eine Stellung quer zu der Primärluft annimmt, die eine effizientere Übertragung der von der Primärströmung ausgeübten Kräfte gestattet. Außerdem sind die Filamente wärmer und können sich während der frühen Stufen des flatternden Strömungsverhaltens sogar noch im geschmolzenen oder halbgeschmolzenen Zustand befinden.
Unter Verwendung von Luftrohrleitungen 17 zur Abgabe von Querstromluft, wobei a 1/2" (12,7 mm), b 1" (25,4 mm) und Winkel A 0º waren, hatte ein Filament 36 ein Strömungsverhalten, das auch in Figur 2 mit einer durchgezogenen Linie abgebildet ist. Die Querstromluft unterbrach die Filamentströmung fast unmittelbar nach Verlassen der Düse 11 und ist durch einen größeren Bereich von Wellenbewegung mit höherer Amplitude und viel längeren Flatterbereich gekennzeichnet. Untersuchungen haben gezeigt, daß die erfindungsgemäße induzierte flatternde Bewegung des Filaments den Filamentdurchmesser erheblich gegenüber konventionellem Schmelzblasen (ohne Querstromluft) unter den gleichen Betriebsbedingungen verringert. Es ist bevorzugt, daß der mit Querstromluft produzierte Durchmesser in der Größenordnung von 10 bis 70 %, am meisten bevorzugt in der Größenordnung von 15 bis 60 % abnimmt. Der resultierende Anstieg der Polymerorientierung erhöht die Festigkeit des Filaments und die Bahnfestigkeit. Untersuchungen zeigen, daß die Filamente eine gleichförmigere Größenverteilung (Durchmesserverteilung) haben und daß die erhaltenen Bahnen fester und zäher sind.

Betrieb

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Rohrleitungen 17 über und/oder unter den Düsenauslaß positioniert und auf die gewünschten Einstellungen von "a", "b" und "A" eingestellt. Die Schmelzblasstraße wird betrieben, um Betriebsbedingungen im Gleichgewichtszustand zu erreichen. Die Querstromluft wird dann durch einen konventionellen Kompressor mit dem gewünschten Druck an die Rohrleitungen 17 abgegeben. Einige geringe Änderungen sind möglicherweise zum Erreichen optimaler Ergebnisse notwendig.
Es ist wichtig zu beachten, daß die Luftrohrleitungen jeder Schmelzblasdüse hinzugefügt werden können. Beispielsweise kann die Düse 11 wie in US-A-4 818 463 oder US-A-3 978 185 offenbart sein, auf deren Offenbarungen hier bezug genommen wird.
Thermoplastische Materialien, die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind, schließen Polyolefine wie Ethylen- und Propylenhomopolymere, -copolymere, -terpolymere, etc. ein. Geeignete Materialien schließen Polyester wie Poly(methylmethacrylat) und Poly(ethylenterephthalat) ein. Ebenfalls geeignet sind Polyamide wie Poly(hexamethylenadipamid), Poly(omega-caproamid) und Poly(hexamethylensebacamid). Ebenfalls geeignet sind Polyvinylverbindungen wie Polystyrol und Ethylacrylate einschließlich Ethylenacrylcopolymeren. Die Polyolefine sind bevorzugt. Diese schließen Homopolymere und Copolymere aus den Familien der Polypropylene, Polyethylene und anderen höheren Polyolefinen ein. Die Polyethylene schließen LDPE, HDPE, LLDPE und Polyethylen mit sehr niedriger Dichte ein. Mischungen der obigen Thermoplaste können auch verwendet werden. Jedes thermoplastische Polymer, das durch Schmelzblasen in feine Fasern gesponnen werden kann, kann verwendet werden.
Ein umfassender Bereich von Verfahrensbedingungen kann in Abhängigkeit von dem gewählten thermoplastischen Material und dem Typ der benötigten Bahn/Produkteigenschaften erfindungsgemäß verwendet werden. Jede Arbeitstemperatur der thermoplastischen Materials ist akzeptabel, so lange die Materialien aus der Düse extrudiert werden, um ein Vliesprodukt zu bilden. Ein akzeptabler Temperaturbereich für das thermoplastische Material in der Düse und damit die zweckmäßige Temperatur für den um das Material herum liegenden Düsenkopf ist 350ºF bis 900ºF (177 bis 482ºC). Ein bevorzugter Bereich ist 400ºF bis 750ºF (204 bis 399ºC). Ein sehr bevorzugter Bereich für Polypropylen ist 400ºF bis 650ºF (204 bis 343ºC).
Jede Arbeitstemperatur für die Luft ist akzeptabel, so lange sie die Herstellung von brauchbaren Vliesprodukten gestattet. Ein akzeptabler Bereich ist 350ºF bis 900ºF (177 bis 482ºC).
Die Strömungsraten von Thermoplast und Primärluft können in Abhängigkeit von dem extrudierten thermoplastischen Material, der Entfernung der Düse von dem Kollektor (typischerweise 6 bis 18 inch oder etwa 15 bis 45 cm) und den verwendeten Temperaturen in großem Maße variieren. Ein akzeptabler Bereich des Verhältnisses der Masse der Primärluft zu der Masse des Polymers beträgt etwa 20 bis 500 und üblicher 30 bis 100 für Polypropylen. Typische Polymerströmungsraten variieren von etwa 0,3 bis 5,0 g Polymer/Loch /Minute, vorzugsweise etwa 0,3 bis 1,5.

Experimenteller Teil

Die Experimente wurden unter Verwendung eines 1 inch Extruders mit einer Standard-Polypropylenschnecke und einer Düse mit der folgenden Beschreibung durchgeführt. Anzahl der Düsen Öffnungsgröße (d) durch das Nasenstück eingeschlossener Winkel Öffnungssteglänge Luftschlitze (festgelegt durch Luftplatten) 2 mm Öffnung und 2 mm neg. Rückschlag
Die anderen in den Versuchen der Reihe 1 verwendeten Testgeräte schließen eine halbkreisförmige Luftrohrleitung mit einem in deren flachen Teil ausgebildeten Schlitz in Längsrichtung ein. Die Luftrohrleitungen in den anderen Experimenten hatten die Form von geschlitzten Leitungen mit einem Durchmesser von 1 inch (25,4 mm).

Experimente der Reihe 1

Das Harz und die Arbeitsbedingungen waren wie folgt: Harz Düsentemperatur Schmelztemperatur Primärlufttemperatur Primärluftrate Polymerrate Schlitzöffnung Bahnkollektor 16,5 SCFM pro inch (184 cm³/cm) Düsenbreite Sieb 12 in (30,5 cm) von der Düse entfernt
Die Werte für a, b und den Winkel A waren für die Untersuchungen dieser Reihe 1", 1 1/2" (25,4 mm, 38 mm) beziehungsweise +30º. Die Werte sind in Tabelle I gezeigt. Tabelle I Test Nr. Bedingung Querstromluft³ Kammerdruck Flächengewicht g/m² Bahntyp durchschnittliche Z-Reißlänge¹ mN/TEX Durchmesser² µm Durchmesser Standardabweichung Standardfall Querstromvorrichtung installiert Sekundärluft abgeschaltet spröde zäh, weich
¹ Die Z-Reißlänge wurden gemessen, indem 1" (25,4 mm) breite Streifen geschnitten und in einem Instron-Zugfestigkeitstestgerät ohne Trennung zwischen den Backen (mit Null Trennung zwischen den Backen) untersucht wurden. Die Backentrenngeschwindigkeit betrug 1,0 in/Min (25,4 mm/m).
² Der durchschnittliche Faserdurchmesser wurde mit einem optischen Mikroskop mit einer Gesamtvergrößerung von 400 gemessen. Das Mikroskop wurde auf eine Probe der Bahn fokussiert und jede Faser in dem Sichtgebiet wurde unter Verwendung eines Okulars mit Fadenkreuz vermessen. Mehrere unterschiedliche Fokusgebiete wurden statistisch ausgewählt, um eine Gesamtfaserzählung von 50 zu ergeben. Der angegebene Durchschnitt ist ein einfacher Zahlendurchschnitt von allen Fasermessungen jeder Probe.
³ Die Luftgeschwindigkeiten für 5 und 14 psi (34,5 und 96,5 kPa) waren 705 fps beziehungsweise 1030 fps (215 und 314 m/s).
Die Daten in Tabelle I zeigen, daß die Querstromluft zu den folgenden Ergebnissen führte:
(a) der Durchmesser der Filamente nahm ab.
(b) Die Filamentdurchmesserverteilung war gleichförmiger.
(c) Die Festigkeit der Bahn wurde verbessert.
(d) Die Qualität der Bahn wurde verbessert.

Experimente der Reihe II:

Diese Tests verwendeten die gleiche Straße und das gleiche Polymer, wobei aber nur eine rohrförmige Luftrohrleitung die Einstellung der Einstellungen a, b und Winkel A gestattete. Tabelle 2 gibt die Daten für die Experimente der Reihe II wieder. Tabelle 2 Test Nr. Einstellungen Querstrom¹ Kammerdruck psi Winkel A durchschnittlicher Faserdurchmesser Standardabweichung ¹ Luftgeschwindigkeiten bei 2, 4, 6 und 8 psi (13,8, 27,6, 41,4 und 55 kPa) waren 476 fps, 654 fps, 761 fps beziehungsweise 859 fps (145, 199, 232 und 262 m/s).
Diese Daten zeigen, daß für alle Einstellungen von a, b und A die durchschnittlichen Durchmesser verringert wurden und die Größenverteilungen abnahmen. Eine Winkeleinstellung von Null bis in den negativen Bereich (0 bis -35º) ergaben die besten Ergebnisse und sind daher bevorzugt. Die Daten aus Tabelle 2 zeigen, daß der optimale Querstromkammerdruck oder die optimale Querstromgeschwindigkeit von der Geometrie abhängt.

Experimente der Reihe III:

Diese Untersuchungen verwendeten nur eine Querstromrohrleitung (unter dem Austritt der Filamente) mit Einstellungen von a, b und A von 3/8", 5/8" (9,5 und 15,9 mm) beziehungsweise -20º. Die Primärluftströmungsgeschwindigkeit (bei einer Temperatur von 530ºC (276ºC)) wurde variiert und die Düsentemperatur und die Schmelztemperatur betrugen 500ºF (260ºC). Die anderen Bedingungen waren die gleichen wie in den Versuchsreihen I und II. Die Daten für Reihe III sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3 Test Nr. Primärluftrate Querstromkammerdruck durchschnittlicher Filamentdurchmesser Standardabweichung SCFR pro inch (oder sm³/m pro cm) Düsenbreite.
Testdurchläufe 1 bis 3 in dieser Tabelle zeigen die Auswirkung der Erhöhung der Primärluftrate ohne verwendete Querstromluft auf den Faserdurchmesser. Die Verwendung von Querstromluft ergibt eine beträchtliche Verringerung des Durchmessers und der Standardabweichung des Durchmessers sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Primärluftraten. Wiederum wurde eine optimale Querstromluftrate beobachtet. Der kräftigste Querstromluftdruck (8 psi) ergab Filamente mit größerem Durchmesser als der mittlere Querstromluftdruck (4 psi), wenn auch immer noch kleinere als bei dem Standardfall ohne Querstromluft.
Die besten Ergebnisse schienen mit Querstromgeschwindigkeiten zwischen 476 fps (2 psi) und 859 fps (8 psi) (145 und 262 m/s bei 13,8 und 55,1 kPa) erhalten zu werden. Untersuchungen haben gezeigt, daß ein so niedriger Kammerdruck wie 1 psi (6,9 kPa) verbesserte Ergebnisse produzieren kann.

Experimente der Reihe IV:

Diese Untersuchungen wurden mit zwei Querstromrohrleitungen durchgeführt, wie in Figur 2 illustriert. Jede Rohrleitung wurde unabhängig von der anderen eingestellt, um unterschiedliche Querstromkontaktflächen zu schaffen. Die obere Rohrleitung hatte Einstellungen für a, b und A von 1/2" (12,7 mm), 3/4" (19 mm) beziehungsweise +30º, und die untere Rohrleitung hatte Einstellungen für a, b und A von 1/2" (12,7 mm), 1" (25,4 mm) beziehungsweise -20º. Die Daten der Experimente der Reihe IV sind in Tabelle 4 wiedergegeben. Tabelle 4 Test Nr. Querstromkammerdruck psi (kPa) durchschnittlicher Faserdurchmesser Standardabweichung obere untere
Diese Daten zeigen, daß die Einstellungen der oberen und unteren Rohrleitung variiert werden können und dennoch verbesserte Resultate liefern. Es ist beachtenswert, daß Test Nr. 2, der nur die untere Rohrleitung verwendete, bessere Ergebnisse als alle bis auf einen Test der anderen Experimente der Reihe IV ergab.
Zusammengefaßt kann das erfindungsgemäße Verfahren als eine Zweistufen-Luftbehandlung von extrudierten Filamenten angesehen werden: Die Primärluft kontaktiert die Filamente mit einem Winkel zwischen etwa 22º und etwa 45º, um auf die Filamente in Richtung der Filamentextrusion Zugkräfte auszuüben, die Querstromluft kontaktiert die extrudierten Filamente an einem Punkt stromabwärts des Kontaktpunktes der Primärluft und in einem Kontaktwinkel, der mindestens 10º größer ist als der Kontaktwinkel der Primärluft auf der gleichen Seite der Ebene 12, um den extrudierten Filamenten ein undulierendes Strömungsmuster zu verleihen. Wie in Figur 2 ersichtlich, wird der Kontaktwinkel der Primärluft durch die Mittellinie der Kanäle 31 und 32 mit Ebene 12 bestimmt. Der Kontaktwinkel der Querstromluft aus Rohrleitung 17 über Ebene 12 (bestimmt durch den Fokus von Schlitz 34 und Ebene 12) ist mindestens 10º größer als der Kontaktwinkel der Primärluft aus Kanal 31, gemessen im Uhrzeigersinn. In ähnlicher Weise ist der Kontaktwinkel der Querstromluft aus der Rohrleitung 17 unter der Ebene 12 mindestens 10º größer als der Kontaktwinkel der Primärluft aus Kanal 32, gemessen gegen Uhrzeigersinn in Figur 2. Die Querstromluft hat eine größere Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu der Richtung der Filamentextrusion und eine geringere Geschwindigkeitskomponente parallel zu der Richtung der Filamentextrusion.

Claims

1. Schmelzblasverfahren, bei dem eine Polymerschmelze durch mehrere parallele, in einer Reihe angeordnete Öffnungen extrudiert wird, um eine Vielzahl von Filamenten zu bilden, die extrudierten Filamente mit Luftschichten kontaktiert werden, die von entgegengesetzten Seiten der Reihe von Filamenten konvergieren, so daß Zugkräfte auf die Filamente ausgeübt werden und ein Filament/Luft-Strom gebildet wird, und die Filamente auf einem Kollektor (Sammler) oder Substrat abgesetzt werden, wobei die Verbesserung darin besteht, daß die Filamente in dem Filament/Luftstrom mit Querstromluft kontaktiert werden, um die normale Strömungsform der Filamente zu unterbrechen, wobei die Querstromluft eine ausreichende Geschwindigkeit und Rate aufweist, um Wellenbewegungen in dem Strömungsmuster zu erzeugen oder zu verstärken, wodurch das Ausziehverhältnis der Filamente erhöht wird und der mittlere Durchmesser der Filamente um mindestens 10 % gegenüber dem, der ohne Querstromluft unter den gleichen Betriebsbedingungen erreichbar ist, verringert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stufe des Kontaktierens der Filamente mit der Querstromluft durchgeführt wird, indem der Luftstrom in einem Bereich zwischen dem Austritt aus der Öffnung und 1/4 der Entfernung zwischen dem Austritt aus der Öffnung und dem Kollektor oder Substrat auf die extrudierten Filamente gerichtet wird, wobei die Querstromluft senkrecht zu den Achsen der Öffnungen strömt oder eine größere Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu den Achsen der Öffnungen und eine geringere Geschwindigkeitskomponente in Richtung oder Gegenrichtung des Austritts der Filamente aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Öffnungen der Schmelzblasdüse Mittelachsen aufweisen, die in der gleichen Ebene liegen, und die Querstromluft in Form einer Schicht vorliegt, deren Richtung einen Winkel mit der Ebene bildet, wobei der Winkel im Bereich von +45º bis -35º zur Vertikalen liegt, wobei (+) einen von der Öffnung wegweisenden Winkel anzeigt und (-) einen zu der Öffnung hinweisenden Winkel anzeigt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Querstromluft das normale Strömungsmuster der Filamente innerhalb von 2,54 cm (1 inch) ab dem Austritt aus den Öffnungen unterbricht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Querstromluft eine Strömungsrate zwischen 20 und 300 SCFM pro inch (223 bis 3345 dm³/cm) der Reihe von Öffnungen und eine Geschwindigkeit zwischen 60 m/s (200 fps) bis 360 m/s (1200 fps) hat.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Richtung der Querstromluft eine größere Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu der Richtung der Filamentextrusion und eine geringere Geschwindigkeitskomponente parallel zu der Austrittsrichtung der Filamente aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Öffnungen einen Durchmesser zwischen 100 und 1200 µm haben und die auf dem Kollektor oder Substrat abgesetzten Filamente einen Durchmesser zwischen 0,5 und 20 µm aufweisen.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Querstromluft die Strömung der Filamente in einem Bereich unterbricht, der innerhalb von 1,27 cm (1/2 inch) ab dem Austritt aus den Öffnungen beginnt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stufe des Kontaktierens der Filamente mit Querstromluft durchgeführt wird, in-

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10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Richtung der Querstromluft mindestens 10º größer ist als der Winkel der konvergierenden Luftschichten auf der gleichen Seite der Reihe von Öffnungen.

11. Schmelzblasverfahren, bei dem eine Polymerschmelze durch eine Reihe paralleler Öffnungen extrudiert wird, um Filamente zu bilden, mit konvergierenden Luftströmen Zugkräfte auf die Filamente ausgeübt werden, die Filamente abgesetzt werden und der Filamentstrom mit Querstromluft kontaktiert wird, um die Strömungsform der Filamente zu unterbrechen, wodurch Wellenbewegungen in dem Strömungsmuster erzeugt oder verstärkt werden, um den mittleren Durchmesser der Filamente um mindestens 10 % gegenüber dem, der ohne Querstromluft unter den gleichen Betriebsbedingungen erreichbar ist, zu verringern.