DE69507868T2

DE69507868T2 - Verfahren zur Abtrennung von Polymeren aus Polymermischungen

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Publication number: DE69507868T2
Application number: DE69507868T
Authority: DE
Inventors: Michael A. Asheville Nc 28803 Davis; Jeffrey S. Asheville Nc 28803 Dugan; Charles F. Jr. Asheville Nc 28804 Helms; Matthew B. Arden Nc 28704 Hoyt
Original assignee: BASF Corp
Current assignee: BASF Corp
Priority date: 1994-11-08
Filing date: 1995-11-04
Publication date: 1999-08-12
Anticipated expiration: 2015-11-05
Also published as: DE69507868D1; US5807490A; EP0714918B1; ATE176786T1; EP0714918A2; EP0714918A3; ES2127454T3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung miteinander unverträglicher Polymere aus Gemischen davon. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abtrennung miteinander unverträglicher Polymere aus Gemischen davon auf der Basis von Schmelzviskositätsunterschieden zwischen den Polymeren und ferner die Anwendung des Verfahrens bei der Verwertung von gemischten Kunststoffabfällen.
Die Verwertung von Abfällen ist ein zunehmendes Ziel der modernen Gesellschaft, insbesondere in der Kunststoff- und Faserindustrie. Bestehende Deponiekapazitäten verknappen, und neue Deponiestandorte sind wegen der strengen Genehmigungsverfahren und Widerstand aus den Reihen der potentiellen Anlieger nur schwer einzurichten. Wichtig ist die Verwertung von Abfällen auch wegen der zunehmenden weltweiten Erschöpfung der für eine Neuherstellung erforderlichen Rohstoffe.
Die Verwertung von Kunststoffabfällen, die vielfach aus Erdölprodukten bestehen, ist sinnvoll. Denn bei synthetischen Kunststoffen findet in der Regel kein schneller Abbau statt und die Erdölvorkommen weden eines Tages erschöpft sein. Bisher ergeben sich durch gemischte Kunststoffabfälle, insbesondere miteinander unverträgliche Polymere enthaltende, besondere Probleme bei der Aufbereitung. So sind etwa Polyamid und PET zwar sortenrein leicht rezyklierbar, Gemische aus Polyamid und PET jedoch nicht, denn schon Mischungen aus Neupolyamid und PET- Mischungen sind nicht ohne weiteres zu Garn zu verspinnen.
Gemische miteinander unverträglicher Polymere, wie die meisten Gemische aus Polyamid 6 und PET, haben mehrere Schmelzpunkte und bilden flüssige Dispersionen, die sich unter dem Mikroskop als ein heterogenes Gemenge darstellen. Bei solchen unverträglichen Gemischen fehlt es oft an Bindung zwischen den Phasen. Die Morphologie dieser Dispersionen kann bei der Herstellung von Formkörpern wie Fasern gewisse Schwierigkeiten bereiten, da sie die Spinn- und Streckvorgänge negativ beeinflußt. So zeigen zum Beispiel einige Dispersionen, z. B. Polyamid/PET-Flüssigdispersionen, eine Morphologie, bei der ein Polymer vom anderen Polymer umgebene Kügelchen bildet. Die Größe und Form dieser Kügelchen hat einen Einfluß auf die Eigenschaften des fertigen Garns. Übergroße Kügelchen können das Faserspinnen fast unmöglich machen bzw. das Strecken der Fasern sehr erschweren. Generell ist es für ein nahezu homogenes Fließen des Gemischs erforderlich, daß die Kügelchengröße deutlich unter dem Durchmesser der Spinndüsenkapillare liegt. Im optimalen Fall enthält die Spinnfaser lange Fibrilen, die sich mit dem Matrixpolymer verformen. Schlechtestenfalls enthält das Gemisch große Kügelchen, die sich beim Strecken starr verhalten.
Verfahren zum Verwerten von gemischten Kunststoffen sind bekannt und werden zum Beispiel in dem Weiterbildungsseminar der Universität Clemson, "Thermoplastic Waste Reclamation", 9.-10. Februar 1993; Kaminsky, W., "Recycling of Polymeric Materials by Pyrolysis", Makromol. Chem., Macromol. Symp. 48/49, S. 381- 393 (1991); und Chemical Week, "Honing Technology to Improve Economics", Dezember 18/25, 1991 erörtert. Bekannt ist auch das aus gemischten Altkunststoffen extrudierte Bauholz ("plastic lumber"), doch hat eine solche Verwendung nur begrenzte Möglichkeiten und löst das Problem des übermäßigen Anteils von Kunststoffabfällen nicht. Die thermische Verwertung von Kunststoffgemischen durch Verbrennen erzeugt zwar Energie, zerstört aber gleichzeitig die Resource und kann umwelt- und gesundheitsschädlich sein.
Da die Verwertung von Kunststoffgemischen nach den bisherigen Verfahren sowohl schwierig als auch teuer ist, wäre es wünschenswert, ein Verwertungsverfahren für gemischte Kunststoffe zur Verfügung zu stellen, das billiger ist und die bei den bisherigen Verfahren anfallenden Probleme vermeidet. Da die einzelnen Polymere leichter als deren Gemische rezyklierbar sind, wäre es ferner wünschenswert, ein Rezyklierverfahren für das Gemisch zur Verfügung zu stellen, bei dem die einzelnen Polymere rezykliert werden.
Ehe die einzelnen Polymere eines Polymergemisches rezykliert werden können, müssen sie zuerst abgetrennt werden. Bisherige Polymerabtrennverfahren basieren üblicherweise auf mechanischer Trennung, chemischer Trennung oder einer Kombination davon. Diese Verfahren sind jedoch aufwendig und teuer durchzuführen.
Die mechanische Trennung von polymeren Feststoffen beruht auf dem Einsatz von größe- und dichtebezogen arbeitenden Geräten wie Zyklonen und Sieben. Dazu müssen die Feststoffe als physikalisch getrennte Teilchen vorliegen. Die festen Kunststoffgemische müssen also zu Größen vermahlen werden, die sich ohne weiteres zu den einzelnen Polymerkomponententeilchen zerteilen lassen. Es gibt zwar Geräte, die das bewerkstelligen können, doch ist das Vermahlen von Kunststoffgemischen zu den einzelnen Polymerteilchen aufwendig und in der Regel teuer, erfordert es doch vielfach die Anwendung von kryogenen Verfahren.
Es wäre daher wünschenswert, ein Verfahren zum Aufbereiten von Kunststoffgemischen mit Abtrennung der einzelnen Polymere aus den Gemischen zur Verfügung zu stellen, bei dem die Polymerabtrennung kein Mahlen des Kunststoffgemischs zu Teilchen der einzelnen Polymere erfordert.
Ein Nachteil vieler chemischen Trennverfahren liegt in dem ökologisch bedenklichen Einsatz von erheblichen Mengen an organischem Lösungsmittel. Verfahren zur chemischen Abtrennung von Polyamid und PET aus deren Mischungen sind zum Beispiel aus den US-PSen 5,241,066 und 5,264,536 bekannt.
Es ist daher wünschenswert, ein Verfahren für die Aufbereitung von Kunststoffgemischen mit Abtrennung der einzelnen Polymere zur Verfügung zu stellen, bei dem die Polymerabtrennung keine nennenswerten Mengen an organischem Lösungsmittel erfordert.
Bisherige Extrusionsverfahren machen von einem einzigen Extruder Gebrauch. Dabei erfordert die Extrusion einer zweikomponentigen Mischung einen zweiten Extruder bzw. im Falle des Faserspinnens einen zur Aufnahme von zwei Polymerströmen modifizierten Spinnbalken. Es wäre wünschenswert, ein weniger aufwendiges Verfahren für die Extrusion von zwei Komponenten zur Verfügung zu stellen, das nur einen einzigen Extruder bzw. bei Faserspinnverfahren keine Modifizierung des Spinnbalkens erfordert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein weniger aufwendiges Verfahren zur Abtrennung von miteinander unverträglichen Polymeren aus einer Mischung davon zur Verfügung zu stellen.
Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Abtrennung von miteinander unverträglichen Polymeren aus einem Gemisch davon zur Verfügung zu stellen, bei dem die Trennung keine nennenswerten Mengen an organischem Lösungsmittel erfordert.
Aufgabe der Erfindung ist es ferner, das unter den vorhergehenden Aufgaben beschriebene Trennverfahren für das Rezyklieren gemischter Kunststoffe zu verwenden.
Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für das Rezyklieren von Gemischen miteinander unverträglicher Polymere zur Verfügung zu stellen, das von der Leichtigkeit, mit der sortenreinen Kunststoffe rezykliert werden können, Gebrauch macht.
Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von bikomponentigen Gegenständen, wie Kernmantelbikomponentenfasern, zur Verfügung zu stellen, das mit nur einem Extruder auskommt.
Diese und andere erfindungsgemäß gelösten Aufgaben ergeben sich ohne weiteres aus der nachstehenden Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung beruht zum Teil auf der Erkenntnis, daß miteinander unverträgliche Polymere mit Hilfe ihrer Schmelzviskositätsunterschiede aus deren Gemischen abgetrennt werden können. Die Erfindung beruht zum Teil auch auf der Erkenntnis, daß das obige Polymertrennverfahren zur Verwertung von gemischten Kunststoffabfällen verwendet werden kann. Zudem beruht die Erfindung auf der überraschenden Erkenntnis, daß bisher als Hindernisse auf dem Weg zum Rezyklieren von Kunststoffgemischen angesehene Faktoren, z. B. heterogene Polymerdispersionen und schlechte Haftung zwischen den Polymerphasen, unter den richtigen Bedingungen die weitgehende Trennung der Polymere und das Rezyklieren von Kunststoffgemischen eher erleichtern können.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Abtrennung von mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymerkomponenten aus einem flüssigen Gemisch davon, wobei die erste der mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymerkomponenten eine erste Schmelzviskosität und eine zweite der mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymerkomponenten eine zweite Schmelzviskosität aufweist, wobei die zweite Schmelzviskosität die erste Schmelzviskosität übertrifft, bei dem man das flüssige Gemisch durch eine Scherzone hindurchführt, in der das flüssige Gemisch mit einer solchen Schergeschwindigkeit und bei einer solchen Schertemperatur auf Scherung beansprucht wird, daß sich die mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymerkomponenten in weitgehend diskrete und kontinuierliche Phasen trennen, wobei eine erste der Phasen weitgehend aus der thermoplastischen Polymerkomponente der ersten Schmelzviskosität und eine zweite der Phasen weitgehend aus der thermoplastischen Polymerkomponente der zweiten Schmelzviskosität besteht.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zum Rezyklieren eines flüssigen Polymergemischs aus mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymeren mit verschiedenen Schmelzviskositätswerten, bei dem man das Gemisch dem oben beschriebenen Trennverfahren unterwirft und Formkörper entweder aus den sortenreinen Kunststoffen oder aus deren aufgetrenntem Gemisch bildet.
Ein Verfahren zum Rezyklieren von Kunststoffgemischen, bei dem Polymere aus Mischungen davon wie oben beschrieben abgetrennt werden, hat den zusätzlichen Vorteil eines einheitlichen Endprodukts.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den weiteren Vorteil, daß die Herstellung bikomponentiger Gegenstände, wie Kernmantelbikomponentenfasern, nur einen einzigen Extruder erfordert. Dabei werden zwei oder mehr miteinander unverträgliche Polymere in einen einzigen Extruder eingeführt, darin gemischt und durch die Scherzone geleitet. Eine mechanische Trennung der Polymere ist nicht erforderlich, da sie direkt aus der Scherzone versponnen werden.
Als weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zu nennen, daß für die Herstellung eines Gegenstands, z. B. einer Faser, mit einem interessanten Querschnitt nach einem Verfahren, dem man zwei oder mehr miteinander unverträgliche Polymere mischt, trennt und dann wieder zusammenführt, nur ein einziger Extruder erforderlich ist.
Es zeigen:
die Fig. 1 eine schematische Darstellung einer geeigneten Scherzone in Form einer erfindungsgemäß verwendeten Kapillare,
die Fig. 2 eine perspektivische Schnittansicht der Kapillare gemäß der Fig. 1 mit einer die einzelnen Polymere voneinander trennenden Einrichtung,
die Fig. 3 bis 5 Querschnitte eines Zweipolymergemischs zu verschiedenen Zeitpunkten des Scherverfahrens in der Kapillare gemäß der Fig. 1,
die Fig. 6 eine schematische Abbildung der beim erfindungsgemäßen Verfahren angewandten Vorrichtungen, unter anderem einen Polymertrennungsdetektor und eine zweite Polymerdosierpumpe,
die Fig. 7 eine schematische Abbildung einer lichtmikroskopischen Aufnahme des Querschnitts eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Monofilamentmusters, aus der die Bildung einer Kernmantelstruktur ersichtlich ist,
die Fig. 8 eine schematische Abbildung einer lichtmikroskopischen Aufnahme des Querschnitts eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Monofilamentmusters, aus der eine gescheiterte Trennung an der Bildung einer Mischstruktur ersichtlich ist,
die Fig. 9 eine schematische Abbildung einer lichtmikroskopischen Aufnahme des Querschnitts eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Monofilamentmusters, aus der die Bildung einer Ringstruktur ersichtlich ist,
die Fig. 10 eine schematische Abbildung einer lichtmikroskopischen Aufnahme des Querschnitts eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Monofilamentmusters, aus der die Bildung einer partiellen Kernmantelstruktur und einer partiellen Seite-an-Seite Struktur ersichtlich ist.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mindestens zwei miteinander unverträgliche thermoplastische Polymerkomponenten mit verschiedenen Schmelzviskositätswerten aus deren flüssigem Gemisch abgetrennt. Dabei ist unter unverträglich zu verstehen, daß die Polymerkomponenten ineinander unlöslich oder auch weitgehend unlöslich sind. Polymerkomponente bezeichnet im Sinne der Erfindung ein oder mehrere Polymere der gleichen Klasse mit ähnlichen Schmelzviskositäten.
Das flüssige Gemisch durchläuft eine Scherzone mit einer solchen Schergeschwindigkeit und bei einer solchen Schertemperatur, daß sich die Polymerkomponenten mit unterschiedlichen Schmelzviskositätswerten in weitgehend diskrete und kontinuierliche Phasen trennen. Die Phasentrennung resultiert aus der Scherung, die in der Regel dazu führt, daß sich eine Polymerkomponente von dem Zentralbereich der Scherzone wegbewegt, während die andere Polymerkomponente sich dahinbewegt.
Vorzugsweise erfolgt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Scherung bei einer solchen Schertemperatur und mit einer solchen Schergeschwindigkeit, daß sich die miteinander unverträglichen Polymerkomponenten in ein Kernmantelgebilde mit einer Kernphase und einer die Kernphase umgebenden Mantelphase trennen. Ganz besonders bevorzugt besteht die Kernphase weitgehend aus der thermoplastischen Polymerkomponente der zweiten Schmelzviskosität und die Mantelphase weitgehend aus der thermoplastischen Polymerkomponente der ersten Schmelzviskosität.
Der Austrag aus der Scherzone besteht aus zwei oder mehr Produktströmen, die jeweils weitgehend eine der diskreten Phasen enthalten, oder aus einem einzigen Produktstrom, der weitgehend einheitlich getrennte Phasen enthält. Dabei ist unter weitgehend einheitlich zu verstehen, daß jedes Polymer in dem Gemisch in einer getrennten kontinuierlichen Phase vorliegt und nicht, daß mehrere diskrete Inseln in einer Matrix enthalten sind.
Ganz besonders bevorzugt enthält das erfindungsgemäß zu scherende flüssige Gemisch zwei miteinander unverträgliche thermoplastische Polymere mit verschiedenen Schmelzviskositätswerten. Je unverträglicher die Polymere und je größe die Differenz ihrer Schmelzviskositätswerte, desto einfacher ist es in der Regel, die Polymere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu trennen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren scherbare thermoplastische Polymergemische fallen zum Beispiel als Produktionsrückstände der Faser-, Garn-, Textilstoff- und Kunststoffverarbeitung, in weggeworfenen Konsumgütern und in anderen zu verwertenden Abfallstoffen an.
Als zur Abtrennung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignete thermoplastische Polymere kommen unter anderem solche in Betracht, die sich zum Einsatz in Faserspinnverfahren eignen. Solche Polymere sind zum Beispiel Polyamide, Polyester und Polyolefine. Nichtbeschränkende Beispiele für trennbare Polymergemische sind z. B. Polyamidpolyestergemische, Polyamidpolyolefingemische und Polyesterpolyolefingemische. Dabei sind Polycapronsäureamidpolyethylengemische nach dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders leicht trennbar.
Weitere konkrete nach dem erfindungsgemäßen Verfahren trennbare Polymergemische sind zum Beispiel Polyamidpolyethylenterephthalat wie Polycapronsäureamidpolyethylenterephthalat, Polyamidpolypropylen wie Polycapronsäureamidpolypropylen, Polyamidpolyethylen wie Polyamidpolyethylen hoher Dichte und Polycapronsäureamidpolyethylen hoher Dichte; Polyethylenterephthalatpolyethylen und Polyethylenterephthalatpolypropylengemische. Solche Gemische sollen die vorliegende Erfindung nicht beschränken, da anzunehmen ist, daß alle Schmelzviskositätsunterschiede aufweisenden Gemische miteinander unverträglicher thermoplastischer Polymere erfindungsgemäß trennbar sind.
Vorzugsweise handelt es sich im erfindungsgemäßen Verfahren bei der thermoplastischen Polymerkomponente der ersten Schmelzviskosität um Polyethylen hoher Dichte und bei der thermoplastischen Polymerkomponente der zweiten Schmelzviskosität um Polycapronsäureamid. Das Gewichtsverhältnis jeder in dem zu trennendem flüssigen Gemisch enthaltenen Polymerkomponente kann weit im Bereich von 99 : 1 bis 1 : 99 variieren.
Das zu trennende Gemisch befindet sich bereits vor der Scherzone in einem flüssigen Zustand. Der Begriff flüssig bezieht sich dabei auf einen geschmolzenen Zustand bzw. einen geschmolzenen Zustand unter Zusatz einer kleinen Menge an Lösungsmittel, um so die Fließfähigkeit eines Teils des Polymergemisches zu erhöhen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Gemisch um eine reine Schmelze ohne Zusatz an Lösungsmittel.
Üblicherweise erfolgt die Zubereitung des schmelzflüssigen Gemischs durch Extrusion. Ein schmelzflüssiges Polymergemisch läßt sich zum Beispiel in der Weise zubereiten, daß man das Gemisch, typischerweise in Form eines feinteiligen oder granulierten Feststoffgemenges, einem Einschneckenextruder mit Dosierzone oder -pumpe zuführt. Als Extruder kommen alle herkömmlichen labor- oder betriebsmäßigen Schneckenextruder in Frage, die üblicherweise bei der Verarbeitung thermoplastischer Polymere, z. B. zum Mischen, Homogenisieren, Extrudieren, Granulieren, Spinnen und ähnlichen Vorgängen, Verwendung finden. Geeignet ist zum Beispiel als Laborextruder ein Extruder mit einem Schneckendurchmesser von einem Zoll und einer Gangtiefe in der Dosierzone von 0,031 Zoll. Als Betriebsextruder eignet sich zum Beispiel ein Extruder mit einem Schneckendurchmesser von 3,5 Zoll und einer Gangtiefe in der Dosierzone von 0,0938 Zoll. Im Extruder wird das Gemisch einer zum Schmelzen aller Komponenten des Gemischs ausreichenden Temperatur, d. h. der Schmelztemperatur, ausgesetzt. Im Falle von Polyamid-Polyester-, Polyamid- Polyolefin- und Polyester-Polyolefingemischen haben sich Schmelztemperaturen im Bereich von etwa 265ºC bis etwa 300ºC bewährt.
Verfahrensgemäß durchströmt das extrudierte flüssige Gemisch eine Scherzone, und zwar vorzugsweise laminar. Eine turbulente Strömung des Gemisches durch die Scherzone ist zu vermeiden. Dabei liegt der Reynoldswert der Strömung als Maßzahl für die Turbulenz der Strömung vorzugsweise unterhalb von etwa 4000, besonders bevorzugt unterhalb von etwa 3000 und ganz besonders bevorzugt unterhalb von etwa 2000. Zur Minimierung bzw. Vermeidung von Turbulenz sollte die Innenwand der Scherzone glatt ausgeführt sein.
Die Schertemperatur liegt vorzugsweise bei etwa 250ºC bis etwa 300ºC und besonders bevorzugt bei etwa 270ºC bis etwa 285ºC. Die Schergeschwindigkeit liegt vorzugsweise bei etwa 200 1/sec bis etwa 1100 1/sec, besonders bevorzugt bei etwa 200 1/sec bis etwa 700 1/sec und ganz besonders bevorzugt bei etwa 300 1/sec bis etwa 500 1/sec.
Die miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymere des Gemisches haben vorzugsweise ein Schmelzviskositätsverhältnis von etwa 2 : 1 bis etwa 7 : 1, besonders bevorzugt von 2 : 1 bis etwa 3 : 1 und ganz besonders bevorzugt von etwa 2,3 : 1 bis etwa 2,7 : 1.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es bevorzugt, daß es sich bei der thermoplastischen Polymerkomponente der ersten Schmelzviskosität um Polyethylen hoher Dichte und bei der thermoplastischen Polymerkomponente der zweiten Schmelzviskosität um Polycapronsäureamid handelt, das Schmelzviskositätsverhältnis der zweiten Schmelzviskosität zur ersten Schmelzviskosität bei etwa 2 : 1 bis etwa 7 : 1, besonders bevorzugt bei etwa 2 : 1 bis etwa 3 : 1 und ganz besonders bevorzugt bei etwa 2,3 : 1 bis etwa 2,7 : 1 liegt, sich das flüssige Gemisch in einem geschmolzenen Zustand befindet, die Schertemperatur bei etwa 250ºC bis etwa 300ºC, besonders bevorzugt bei etwa 270 bis etwa 285ºC liegt, die Schergeschwindigkeit bei etwa 200 1/sec bis etwa 1100 1/sec, besonders bevorzugt bei etwa 200 1/sec bis etwa 700 1/sec und ganz besonders bevorzugt bei etwa 300 1/sec bis etwa 500 1/sec liegt sowie die Scherzone eine bei einem Reynoldswert unterhalb von etwa 4000, besonders bevorzugt unterhalb von etwa 3000 und ganz besonders bevorzugt unterhalb von etwa 2000 laminar durchströmte Kapillare darstellt.
Bei der Scherzone handelt es sich bevorzugt um einen Durchgang mit einem flüssigkeitkontaktierenden Scherkontaktbereich. Dabei bezieht sich der Begriff Scherkontaktbereich im erfindungsgemäßen Sinne auf einen Bereich der Scherzone, zwischen dem und dem die Scherzone durchlaufende Gemisch ein weitgehend vollständiger Kontakt besteht, wobei der Kontakt zwischen Scherkontaktbereich und durchlaufendem Gemisch zum Scheren in der Scherzone führt. Bei dem Scherkontaktbereich kann es sich zum Beispiel um eine flüssige oder feste Oberfläche handeln. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Scherzone um eine hohle Öffnung mit einer Innenwand, wobei die Innenwand als Scherkontaktbereich fungiert. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei der Scherzone um eine Kapillare, deren Innenwand als Scherkontaktbereich wirkt. Wie schon weiter oben erwähnt, wird die Scherzone von dem Polymergemisch vorzugsweise laminar und ohne Turbulenz durchströmt.
Die Schereigenschaften der Scherzone richten sich nach deren Länge, Durchmesser und Querschnittsform. Dabei ist hier unter Durchmesser der Durchmesser eines runden Querschnitts oder der Durchschnittsdurchmesser eines unrunden Querschnitts zu verstehen. Der Begriff Durchschnittsdurchmesser bezieht sich im Sinne der Erfindung auf den Durchschnittswert aller Durchmesserwerte eines unrunden Querschnitts. Für hohes Scheren wird die Scherzone in der Regel lang und eng ausgeführt. Die Scherzone hat vorzugsweise ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D-Verhältnis) von etwa 30 : 1 bis etwa 100 : 1 und bevorzugt von etwa 100 : 1. Die Scherzone kann entweder einen runden oder einen unrunden Querschnitt besitzen. Unrunde Querschnittsformen ergeben gegenüber runden höher scherende Scherzonen, da die unrunden eine größere Oberfläche für den Kontakt mit dem die Scherzone durchlaufenden Gemisch besitzen. Je größer nämlich die mit dem die Scherzone durchlaufenden Gemisch in Kontakt stehende Oberfläche, desto größer die Scherung. Beispiele für geeignete unrunde Formen sind Schlitzformen, Krummformen, Dreiecksformen, Quadratformen, Halbmondformen, Kreuzformen, Sternformen, Y-Formen und dergleichen. Das Ende jeder Scherzone ist vorzugsweise mit einem schmalen Spalt und einer engen Öffnung ungefähr entsprechend dem Durchmesser der mittigen Konzentration des Polymergemischs ausgeführt.
Zudem muß die Scherzone nicht unbedingt hohl ausgeführt sein, da auch andere von den zu trennenden Gemischen überströmte, feste Oberflächen ein Scheren und letztendlich eine Trennung der Polymerphasen bewirken können. Auch flache, aufgerauht flache, gewellte usw. Oberflächen können also Anwendung finden. Die Scherintensität hängt wiederum von der Länge der Scherzone und dem Ausmaß der festen Oberfläche ab. Eine turbulente Strömung ist weiterhin zu vermeiden.
Zu den für die Trennung der Polymerphasen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders wichtigen Parametern zählen anscheinend die Mischbarkeit der Polymere, die Schmelzviskositäten der Polymerkomponenten, der prozentuale Volumenanteil der Polymerkomponenten, die Schergeschwindigkeit (d. h. das lineare Geschwindigkeitsgefälle in der Scherzone in Reziproksekunden bei konstanter Viskosität), die Schertemperatur sowie Dauer der Schereinwirkung auf das Gemisch. Die Schmelzviskositätsunterschiede zwischen den Polymeren bei einer beliebigen Temperatur kann man als Unterschiede der Polymere hinsichtlich des Reibungsbeiwerts charakterisieren. Je größer der Viskositätsunterschied, desto größer die Unterschiede beim Reibungsbeiwert. Bei höheren Reibungsbeiwertunterschieden zwischen den Polymeren reichen zur Trennung der Polymere in der Regel schon geringere Schergeschwindigkeiten aus. Bei geringeren Reibungsbeiwertunterschieden muß man in der Regel höhere Schergeschwindigkeiten anwenden, um die Polymere zu trennen. Die Länge der Scherzone richtet sich nach den Reibungsbeiwertunterschieden und der in der Scherzone angewendeten Schergeschwindigkeit. Bei gleicher Schergeschwindigkeit benötigt man zur Trennung von Polymeren mit einem geringeren Reibungsbeiwertunterschied üblicherweise eine längere Scherzone als zur Trennung von Polymeren mit einem höheren Reibungsbeiwertunterschied. Für einen gegebenen Reibungsbeiwertunterschied ermöglichen höhere Schergeschwindigkeiten jedoch in der Regel kürzere Scherzonen, da die höhere Schergeschwindigkeit in der Regel die entsprechend kürzere Scherzonenlänge kompensiert.
Vermutlich spielen bei der Erzeugung der Kernmantelstruktur aus dem im erfindungsgemäßen Verfahren die Scherzone durchlaufenden Polymergemisch zwei Mechanismen der Entmischung einzeln oder zusammen eine Rolle, nämlich die viskositätsbedingte Entmischung und die Dispersionsentmischung.
Zur viskositätsbedingten Entmischung kommt es bei hohen Schergeschwindigkeiten und großen Viskositätsunterschieden, wobei das niederviskose Polymer das höherviskose einkapselt. Näheres zu dem Phänomen der viskositätsbedingten Entmischung findet sich in J. L. White und B. Lee, Trans. Soc. Rheology, 19: 3, 457-479 (1975), worauf hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
Zur Dispersionsentmischung kommt es bei kleinen Viskositätsunterschieden und langsameren Schergeschwindigkeiten, wenn die Polymere hoch unverträglich sind und das höherviskose Polymer die kontinuierliche Phase und das niederviskose Polymer die disperse Phase bildet. Zur Bildung der kontinuierlichen Phase durch das höherviskose Polymer kommt es, wenn das Polymer in dem Gemisch überwiegt, d. h. ein Volumenanteil von über 50% aufweist. Durch die Unverträglichkeit der Polymere zieht sich die disperse Phase zu einer einzigen Domäne zusammen. Die treibende Kraft für die Trennung von disperser und kontinuierlicher Phase ist die Verkleinerung der Kontaktfläche, d. h. der Grenzfläche, zwischen den beiden Polymerphasen. Die Komponente mit dem kleineren Volumenanteil in dem Gemisch ist die "dispergierte" Phase. Die dispergierte Phase sollte in der Mitte der Strömung fließen, da diese geometrische Anordnung die Kontaktfläche reduziert. Trotz der die disperse Phase nach außen schiebenden Kräfte hat die die Grenzfläche zwischen den Phasen minimierende Kraft die Überhand. Andererseits würde bei einem Volumenanteil der dispergierten Phase im Gemisch von über 50% die dispergierte Phase nach außen wandern. Ob also zur Trennung der Polymere in einem Gemisch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine hohe oder niedrige Schergeschwindigkeit anzuwenden ist, hängt von dem jeweiligen Gemisch ab.
Die nachstehenden Beispiele zeigen, daß man die vollständigste Trennung eines zu 80 Gew.-% aus Polyamid 6 und zu 20 Gew.-% aus Polyethylen hoher Dichte bestehenden Polymergemischs mittels des Mechanismus der Dispersionsentmischung, d. h. unter Nutzung von geringen Viskositätsunterschieden und langsamen Schergeschwindigkeiten, erzielt. Der Mechanismus der viskositätsbezogenen Entmischung, der auf großen Viskositätsunterschieden und hohen Schergeschwindigkeiten basiert, ergibt eine unvollständige Trennung der Polymere und instabile Gebilde wie die Ringform, bei der ein Ring aus PE-HD sowohl einen Kern aus einem Polyamid 6 umgibt als auch selber davon umgeben ist.
Obwohl die Schmelzviskositätswerte der Polymere eine wichtige Rolle für das erfindungsgemäße Verfahren spielen, sind die relativen Viskositäten (z. B. im Falle von Polycapronsäureamiden und Polyestern) oder die Schmelzindexwerte (z. B. im Falle von Polyolefinen) manchmal leichter zu messen und können hier häufig anstelle der Schmelzviskositätswerte herangezogen werden, wenn es darum geht, die für eine Trennung erforderlichen Scherparameter zu bestimmen. Zudem ist die relative Viskosität eines Polymers auch ein Maß für das Molekulargewicht des Polymers und so können auch Molekulargewichtsunterschiede zur Bestimmung von Scherparanietern herangezogen werden.
Generell können die diskrete und die kontinuierliche Phase entweder als (a) einzelner Produktstrom aus den beiden Phasen, (b) zwei oder mehr getrennte Produktströme, wobei mindestens ein getrennter Produktstrom weitgehend aus der ersten Phase und mindestens ein getrennter Produktstrom weitgehend aus der zweiten Phase besteht, oder (c) vier oder mehr getrennte Produktströme, wobei mindestens zwei getrennte Produktströme weitgehend die erste Phase und mindestens zwei getrennte Produktströme weitgehend die zweite Phase enthalten, aus der Scherzone herausgeführt werden.
Vorzugsweise rezykliert man (a) den einzelnen Produktstrom, (b) die zwei oder mehr getrennten Produktströme oder (c) die vier oder mehr getrennten Produktströme zu einem Filament oder Formkörper.
Gewünschtenfalls läßt sich jeder Produktstrom, der das erste und das zweite Polymer in einer Kernmantelanordnung enthält, so handhaben, daß Kernpolymer und Mantelpolymer ihre Plätze tauschen, d. h. das Kernpolymer zum Mantelpolymer und das Mantelpolymer zum Kernpolymer wird.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, den einzelnen Produktstrom (a), mindestens einen der zwei oder mehr getrennten Produktströme (b) oder mindestens einen der vier oder mehr getrennten Produktströme mit einer solchen Schergeschwindigkeit und bei einer solchen Schertemperatur durch eine oder mehrere zusätzliche Scherzonen hindurchzuführen, daß sich die Konzentration der thermoplastischen Polymerkomponente der ersten Schmelzviskosität in der ersten Phase und die Konzentration der thermoplastischen Polymerkomponente der zweiten Schmelzviskosität in der zweiten Phase erhöht.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es weiterhin möglich, (i) den die erste Phase weitgehend vollständig enthaltenden mindestens einen getrennten Produktstrom und den die zweite Phase weitgehend vollständig enthaltenden mindestens einen getrennten Produktstrom zu einer Mischung zu vereinen, (ii) die die erste Phase weitgehend vollständig enthaltenden mindestens zwei getrennten Produktströme zu einer Mischung zu vereinen und/oder (iii) die die zweite Phase weitgehend vollständig enthaltenden mindestens zwei getrennten Produktströme zu einer Mischung zu vereinen.
Man kann den Produktstrom bzw. die Produktströme auf verschiedenste Art und Weise rezyklieren. So kann man zum Beispiel den Produktstrom bzw. die Produktströme über eine Spinndüse zu thermoplastischen Fasern oder Filamenten verspinnen, über eine Düse extrudieren und granulieren, kontinuierlich zu Kunststoffteilen extrudieren oder auch einer Kombination der vorstehenden Verfahren unterwerfen. Es versteht sich, daß die Polymerstromrezyklierungsmöglichkeiten sich nicht auf die vorstehend aufgeführten Verfahren beschränken.
Zur Herstellung von Filamenten kann man den bzw. die oben beschriebenen bzw. oben beschriebene Produktstrom bzw. Produktströme oder Produktstrommischung bzw. Produktstrommischungen über eine Spinndüse zu Fasern und Garnen verspinnen. Zur Herstellung von Kunststoffartikeln kann man den bzw. die oben beschriebenen bzw. oben beschriebene Produktstrom bzw. Produktströme oder Produktstrommischung bzw. Produktstrommischungen über eine Düse extrudieren und den extrudierten Strang granulieren oder zu Kunststoffartikeln kontinuierlich extrudieren oder spritzgießen oder dergleichen.
Verspinnen kann man einen Produktstrom oder mehrere Produktströme auch zu bi- oder mehrkomponentigen Fasern verschiedenster Strukturen, einschließlich aber nicht ausschließlich Kernmantelfasern, Seite-an-Seite-Fasern, Inseln-in-der-See-Fasern und sehr feinen Fasern wie Mikrofasern.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine sehr breite Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Kernmantelbikomponentenfaser, wobei man:
(A) in einem einzigen Extruder ein flüssiges Gemisch aus mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymerkomponenten extrudiert, wobei eine erste der mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymerkomponenten eine erste Schmelzviskosität und eine zweite der mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymerkomponenten eine zweite Schmelzviskosität aufweist, wobei die zweite Schmelzviskosität die erste Schmelzviskosität übertrifft,
(B) das extrudierte flüssige Gemisch durch eine Scherzone hindurchführt, in der das flüssige Gemisch mit einer solchen Schergeschwindigkeit und bei einer solchen Schertemperatur auf Scherung beansprucht wird, daß sich die mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymerkomponenten in weitgehend diskrete und kontinuierliche Phasen trennen, wobei eine erste der Phasen weitgehend aus der thermoplastischen Polymerkomponente der ersten Schmelzviskosität und eine zweite der Phasen weitgehend aus der thermoplastischen Polymerkomponente der zweiten Schmelzviskosität besteht,
(C) die diskreten und kontinuierlichen Phasen als (a) einzelnen Produktstrom aus den beiden Phasen, (b) zwei oder mehr getrennte Produktströme, wobei mindestens ein getrennter Produktstrom weitgehend aus der ersten Phase und mindestens ein getrennter Produktstrom weitgehend aus der zweiten Phase besteht, oder (c) vier oder mehr getrennte Produktströme, wobei mindestens zwei getrennte Produktströme weitgehend die erste Phase und mindestens zwei getrennte Produktströme weitgehend die zweite Phase enthalten, aus der Scherzone herausführt, sowie
(D) den (a) einzelnen Produktstrom, (b) die zwei oder mehr getrennten Produktströme - oder die (c) vier oder mehr getrennten Produktströme zu der Kernmantelbikomponentenfaser verspinnt.
Ein besonders geeignetes Verfahren zum Verspinnen zweier oder mehr Produktströme zu bi- oder multikomponentigen Fasern wird in der eigenen US-PS 5,162,074 von Hills offenbart. Kurz gefaßt lehrt Hills ein Verfahren zur Herstellung mehrkomponentiger Fasern, bei dem man mehrere verschiedenartige Polymerkomponenten getrennt als Schmelze/Lösung in eine aus mehreren Teilen, unter anderem auch einer Spinndüsenplatte und mindestens einer Verteilerplatte, bestehende Konstruktion einströmen läßt. Dabei hat jede Verteilerplatte eine Oberseite und eine Unterseite, wobei in einer der Seiten oder in beiden mehrpfadige Verteilungsmuster eingeätzt sind. Durch die mehrpfadigen Verteilungsmuster wird jede einzelne Komponente einer Anordnung von Zufuhrlöchern von Mehrfachspinndüsenöffnungen in der Spinndüsenplatte zugeführt. Dabei fließt jede Komponente in jedes Zufuhrloch, so daß man in jeder Spinndüsenöffnung einen jeden der mehreren Komponenten enthaltenden vereinten Strom erhält. Über die Spinndüsenöffnungen treten die Fasern aus der Konstruktion aus. Der Einsatz der geätzten Verteilerplatten ermöglicht neben den herkömmlichen Seite-an-Seite- Anordnungen die Bildung verschiedenster verwickelter und komplexer Anordnungen der Polymerkomponenten in dem mehrkomponentigen Faserprodukt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Spinnen in einer Spinnvorrichtung mit einer Spinndüsenplatte und mindestens einer Verteilerplatte, wobei jede Verteilerplatte eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei in einer der Seiten oder in beiden mehrpfadige Verteilungsmuster eingeätzt sind.
Das erfindungsgemäße Trennverfahren wird nun anhand der Fig. 1-5 näher erläutert. Gemäß diesen Figuren wird ein geschmolzenes, thermoplastisches, unverträgliches Polymergemisch aus einem ersten Polymer 1 und einem zweiten Polymer 2 über eine Eintrittszone 3 in eine Kapillare 4 hinein- und dadurch hindurchgeleitet. Beim Durchlaufen durch die Kapillare 4 befindet sich das Gemisch in Kontakt mit der Innenwand 5 der Kapillare und wird erfindungsgemäß geschert. Dadurch trennt sich das Gemisch in diskrete und kontinuierliche Phasen 6 und 7, wobei die Phase 6 das erste Polymer 1 und die Phase 7 das zweite Polymer 2 weitgehend vollständig enthalten. Die Eintrittszone 3 der Kapillare kann entweder ein Kegelprofil oder ein Hyperbolprofil aufweisen. Vorzugsweise hat die Eintrittszone ein Hyperbolprofil, da ein solches Profil eine einheitliche Zunahme der Scherung bewirkt.
Gemäß der Fig. 1 konzentriert sich die Phase 6 im zentralen Abschnitt 8 der Kapillare 4 und die Phase 7 nahe der Innenwand 5 der Kapillare. Ob der zentrale Abschnitt 8 das höher schmelzviskose Polymer oder das geringer schmelzviskose Polymer enthält, scheint von dem jeweils eingesetzten Polymergemisch abzuhängen. So ergibt sich zum Beispiel bei der Abtrennung von Polyamid und Polyethylen hoher Dichte aus deren Gemischen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Regel eine Migration des Polyamids in Richtung des zentralen Abschnitts 8 und des Polyethylens hoher Dichte in Richtung der Innenwand 5.
Aus der Kapillare 4 tritt ein die Phasen 6 und 7 weitgehend vollständig enthaltender Produktstrom 9 über Ausgang 10 aus und kann gegebenenfalls über eine Verteilerplatte 11 oder direkt zu einer Faser versponnen werden. Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, enthält die Platte 11 eine zentrale Hohlöffnung 12, die einen kleineren Durchmesser als der Ausgang 10 der Kapillare 4 aufweist, und Seitenstromverteilerkanäle 13 und 14. Die Platte 11 teilt den Produktstrom 9 in einen zentralen Kernstrom 15 und einen äußeren Mantelstrom, der in den Seitenstromverteilungskanälen 13 und 14 in Form der Seitenströme 16 und 17 abgeführt werden kann. Die Größe der Öffnung 12 in der Verteilerplatte 11 bestimmt die Konzentration der getrennten Polymerströme. So führt beispielsweise eine kleinere Öffnung dazu, daß der mittige Kernstrom 15 eine höhere Konzentration, z. B. 100%, an Polymer 1 und eine geringere oder auch null Konzentration an Polymer 2 enthält. Eine größere Öffnung 12 ergibt einen zentralen Kernstrom 15 mit einem erhöhten Anteil an Polymer 2.
Der zentrale Kernstrom 15 und der äußere Mantelstrom wie durch Seitenströme 16 und 17 können zur weiteren Trennung von Polymer 1 und Polymer 2 in zusätzliche, nicht gezeigte Kapillaren eingeführt werden.
Es versteht sich, daß trotz der Darstellung in der Fig. 1, wonach man das Polymergemisch der Scherzone in der letzten Verfahrensstufe, d. h. in der durch die Linie 20-20 repräsentierten Stufe, entnimmt, das Gemisch durchaus auch in früheren Verfahrensstufen, d. h. in den durch die Linien 18-18 bzw. 19-19 repräsentierten Verfahrensstufen, entnehmen kann, vorausgesetzt eines der Polymere liegt als diskrete und kontinuierliche Phase vor, die wenig oder gar nichts von dem zweiten Polymer enthält. Die diskrete Polymerphase kann man von dem Gemisch trennen, wobei der Rest des Gemischs weiter geschert werden kann. Des weiteren kann man eine Verteilerplatte, wie die Platte 11, in einer früheren Stufe der Scherzone einsetzen, vorausgesetzt eine diskrete und kontinuierliche Phase hat sich schon bis dahin gebildet und soll aus dem Gemisch entfernt werden.
Die Fig. 3-5 zeigen Querschnitte durch das Polymergemisch zu einem frühen Stadium bei der Linie 18-18, einem Zwischenstadium bei der Linie 19-19 bzw. das Endstadium bei der Linie 20-20 des Schervorgangs in der Kapillare 4. Dabei zeigt die Fig. 3 den zu einem frühen Stadium bei der Linie 18-18 erhaltenen Querschnitt, in dem das erste Polymer 1 als vergleichsweise kleine Inseln in der See des zweiten Polymers 2 vorliegt. Die Fig. 4 zeigt den zu dem Zwischenstadium bei der Linie 19-19 erhaltenen Querschnitt, in dem das erste Polymer 1 als große Kügelchen in einer Matrix des zweiten Polymers 2 vorliegt. Die Fig. 5 zeigt den für das Endstadium bei der Linie 20-20 erhaltenen Querschnitt, in dem das erste Polymer 1 als ein von einem Mantel aus dem zweiten Polymer 2 umgebener Kern vorliegt.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt vorzugsweise unter Einsatz eines Polymertrennungsdetektors oder -sensors an einem oder mehreren der Produktströme sowie unter Einsatz einer über einen Regler für die Fließgeschwindigkeit der Produktströme mit dem Sensor in Verbindung stehenden zweiten Polymerdosierpumpe. Den Einsatz eines solchen Sensors und einer zweiten Polymerdosierpumpe zeigt die Fig. 6. In der Fig. 6 werden Polymere über einen Trichter in einen Extruder 30 eingeführt und zu einem geschmolzenen Polymergemisch extrudiert. Nach der Extrusion durchläuft das Polymergemisch eine erste Polymerdosierpumpe 31, die die Fließgeschwindigkeit des Polymergemischs regelt. Das Gemisch mündet in eine Vorrichtung 32, üblicherweise eine Spinnblockvorrichtung, die ein Filtersystem enthalten kann, wobei ein solches Filtersystem typischerweise aus Gradsieben, Sand, Splittermetall oder Sintermetall zusammengesetzt ist. Die Vorrichtung 32 enthält ferner eine Scherzone, vorzugsweise aus einer oder mehreren Kapillaren. Verfahrensgemäß wird das Polymergemisch in der Scherzone in getrennte Phasen (vorzugsweise eine Mantel- und eine Kernphase) geschert. Produktstrom 33 und Produktstrom 35 können aus der Scherzone austreten. Dabei können sich Mantelpolymer und Kernpolymer in jedem der beiden Produktströme befinden. An einem der Produktströme, z. B. Produktstrom 35, kann ein Sensor 34 angebracht sein. Ein zusätzlicher, nicht gezeigter Sensor steht vorzugsweise auch mit dem anderen Produktstrom in Verbindung. Der Sensor 34 kann mit einem Geschwindigkeitsregler 36 verbunden sein, der wiederum mit einer zweiten Polymerdosierpumpe 37 verbunden ist. Die zweite Polymerdosierpumpe 37 regelt die Fließgeschwindigkeit des Kern- und des Mantelpolymerstroms. Der Sensor 34 erfaßt den Anteil jedes Polymers in einem Produktstrom, z. B. Produktstrom 35. Bei Abweichung der Produktstromzusammensetzung von dem Sollwert schickt der Sensor ein Signal an den Geschwindigkeitsregler 36, bei der zweiten Polymerdosierpumpe 37 die Fließgeschwindigkeiten der Polymerströme zu erhöhen bzw. zu erniedrigen. Der Produktstrom 38 sollte danach weitgehend entweder aus Mantelpolymer oder aus Kernpolymer bestehen. Fließt zum Beispiel ein Mischpolymerstrom mit 60 Gramm mantelbildendem Polymer und 40 Gramm kernbildendem Polymer mit einer Fließgeschwindigkeit von 100 Gramm/Minute (für die die erste Polymerdosierpumpe 31 verantwortlich ist) in die Scherzone und registriert der Sensor für den Kernproduktstrom (z. B. Produktstrom 35) eine Zusammensetzung von 40 Gramm Kernpolymer und 5 Gramm Mantelpolymer bei einer Fließgeschwindigkeit von 45 Gramm/Minute, dann senkt die zweite Polymerdosierpumpe 37 die Fließgeschwindigkeit des Kernproduktstroms auf 40 Gramm/Minute, was wiederum zu einem Anstieg der Fließgeschwindigkeit des Mantelproduktstroms um 5 Gramm/Minute führt, wobei es sich bei den zusätzlichen 5 Gramm um die ursprünglich in dem Kernproduktstrom enthaltenen 5 Gramm Mantelpolymer handelt. Die Summe der Ausfließgeschwindigkeiten der Produktströme entspricht also der Einfließgeschwindigkeit des Polymergemischs in die Scherzone.
Der Einsatz des Sensors und der zweiten Polymerdosierpumpe ermöglicht also eine Kontrolle der Zusammensetzung der Produktströme und erlaubt dadurch eine integrierte (on-line) Qualitätskontrolle der Trenngüte. Mit dem Sensor und der zweiten Polymerdosierpumpe braucht man für unterschiedliche Viskositäts- und Komponentenverhältnisse keine unterschiedlichen Trenngeometrien, z. B. Kanalgröße oder Druckverlust der Polymerkomponenten. Mit anderen Worten hängt bei Abwesenheit von Sensor und zweiter Pumpe die Menge jedes Polymers in den Produktströmen von der Rheologie des Polymergemischs und den Bedingungen innerhalb der Scherzone ab. Demgegenüber erweist sich der Einsatz eines Sensors und einer zweiten Polymerdosierpumpe zur Kontrolle der Produktstromzusammensetzung als zeitsparend, flexibler und kostengünstiger.
Bei dem Sensor kann es sich um ein Spektralmeßgerät für den infraroten oder nahinfraroten Bereich handeln. Zur Bestimmung der Produktstromzusammensetzung kann man mit dem Sensor Farbe, Kapazitanz, Druckverlust, Infrarotspektrum oder andere ähnliche Eigenschaften des Produktstroms messen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein Detektor mit einem Geschwindigkeitsregler in Verbindung steht und der Geschwindigkeitsregler mit einer Polymerdosierpumpe in Verbindung steht, die die Fließgeschwindigkeit einer oder mehrerer der Produktströme regelt, (1) werden von dem Detektor (a) die Mengenanteile der ersten mindestens zweier miteinander unverträglicher thermoplastischer Polymerkomponenten und der zweiten mindestens zweier miteinander unverträglicher thermoplastischer Polymerkomponenten in (i) einem einzelnen Produktstrom, (ii) einem von zwei oder mehr getrennten Produktströmen oder (iii) einem von vier oder mehr getrennten Produktströmen gemessen und (b) dem Geschwindigkeitsregler signalisiert, der Polymerdosierpumpe zu signalisieren, die Fließgeschwindigkeit eines oder mehrerer der Produktströme soweit zu erhöhen oder zu senken, daß die Mengenanteile auf die gewünschten Werte angehoben oder abgesenkt werden, (2) von dem Geschwindigkeitsregler Signale an die Polymerdosierpumpe abgegeben, die Fließgeschwindigkeit um das erforderliche Ausmaß zu erhöhen oder abzusenken, und (3) von der Polymerdosierpumpe die Fließgeschwindigkeit um das erforderliche Maß erhöht oder abgesenkt.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der nachstehenden Beispiele näher erläutert, ist aber nicht darauf beschränkt.

BEISPIELE 1-32

Die Beispiele 1-32 zeigen die Wirkung verschiedener Parameter auf die Trennung miteinander unverträglicher Polymere in einem Gemisch in ein Kernmantelgebilde.
Abkürzungen in den nachstehenden Beispielen und Tabellen haben folgende Bedeutung:
"PA6" - Polyamid 6
"PE-HD" - Polyethylen hoher Dichte
"RV" - relative Viskosität
"SV" - Schmelzviskosität
"Char." - Charakterisierung des Trennzustands
"K/M" - Kernmantelstruktur, wobei der Kern aus Polyamid 6 und der Mantel aus PE-HD besteht, siehe Fig. 7 zur Verdeutlichung
"V" - vermischt, siehe Fig. 8 zur Verdeutlichung
"R" - Ringstruktur - siehe Fig. 9 zur Verdeutlichung
"T" - vom Typ her zum Teil eine Kernmantel- und zum Teil eine Seite-an-Seitestruktur, siehe Fig. 10 zur Verdeutlichung
Die in den Beispielen 1-32 eingesetzten PE-HD-Polyamid 6- Gemische wurden wie folgt erhalten. Für zwei Gemische aus Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) und Polyamid 6 wurde PE-HD (24 Gramm, 20 Gew.-%) mit trockenem Polyamidgranulat (96 Gramm, 80 Gew.-%) in einer sauberen, durchsichtigen Plastiktüte vermengt. Das Polyamid 6 hatte in dem einen Gemisch eine relative Viskosität (RV) von etwa 2,7 und in dem anderen Gemisch von etwa 3,3. Das PE-HD hatte für beide Gemische einen Schmelzflußindex von etwa 31,5. Jedem Gemisch wurden 16 Proben entnommen, insgesamt also 32 Proben. Jede Probe wurde in ein Glasfläschchen eingefüllt (ein Fläschchen pro Rheometerversuch) und 24 Stunden lang bei 100ºF (37ºC) in einem Vakuumschrank getrocknet. Ein Kolbenrheometer mit einem L/D-Verhältnis von 30 : 1 und einer 0,5 mm großen Düse wurde auf eine Temperatur von 270ºC oder 285ºC eingestellt. Nach Erreichen der vorgegebenen Temperatur wurden die trockenen Proben darin eingeführt und zwei Minuten länger als gewöhnlich geschmolzen. Dann wurden die Proben in dem Rheometer mit den in den nachstehenden Tabellen I-IV aufgeführten Schergeschwindigkeiten extrudiert.
Von mehreren der extrudierten Proben wurden Fasern direkt aufgenommen und deren Querschnitte unter einem Lichtmikroskop fotografiert. Schematische Abbildungen der meisten beispielsgemäß erhaltenen Faserquerschnitte sind in den Fig. 7-10 zu sehen.
Die relative Viskosität des Polyamids 6 betrug in den Beispielen 1-16 2,7 und in den Beispielen 17-32 3,3. Bei den Beispielen 1-8 und 17-24 wurde eine Schertemperatur von 270ºC und in den Beispielen 9-16 und 25-32 eine solche von 285ºC angewendet. In den nachstehenden Tabellen I-IV sind weiterhin andere Parameter der Beispiele aufgeführt. Des weiteren geben die Tabellen I-IV die Figur an, die die schematische Abbildung der in dem jeweiligen Beispiel erhaltenen Faserquerschnittsaufnahme zeigt. TABELLE I Beispiele 1-8: PA6-RV: 2,7 270ºC TABELLE II Beispiele 9-16: PA6-RV: 2,7 285ºC TABELLE III Beispiele 17-24: PA6-RV: 3,3 270ºC
a Querschnitt enthält sowohl Kernmantel- als auch Ringstrukturen TABELLE IV Beispiele 25-32: PA6-RV: 3,3 285ºC
b Querschnitt enthält sowohl partielle Kernmantel- als auch Ringstrukturen
Die Ergebnisse in den Tabellen I-IV und den Fig. 7-10 zeigen, daß die vollständigste Polymertrennung zur Bildung von bikomponentenfaserfähigen Kernmantelstrukturen bei niedrigen Schmelzviskositätswerten und niedrigen Schergeschwindigkeiten stattfindet. Höhere Schmelzviskositätswerte und höhere Schergeschwindigkeiten bewirken eher ausweislich der Faserquerschnitte mit einer partiellen Kernmantel-, Ring- oder vermischten Struktur eine unvollständige Trennung.

Claims

1. Verfahren zur Abtrennung von mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymerkomponenten aus einem flüssigen Gemisch davon, wobei die erste der mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymerkomponenten eine erste Schmelzviskosität und eine zweite der mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymerkomponenten eine zweite Schmelzviskosität aufweist, wobei die zweite Schmelzviskosität die erste Schmelzviskosität übertrifft, bei dem man das flüssige Gemisch durch eine Scherzone hindurchführt, in der das flüssige Gemisch mit einer solchen Schergeschwindigkeit und bei einer solchen Schertemperatur auf Scherung beansprucht wird, daß sich die mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymerkomponenten in weitgehend diskrete und kontinuierliche Phasen trennen, wobei eine erste der Phasen weitgehend aus der thermoplastischen Polymerkomponente der ersten Schmelzviskosität und eine zweite der Phasen weitgehend aus der thermoplastischen Polymerkomponente der zweiten Schmelzviskosität besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Scherung bei einer solchen Schertemperatur und mit einer solchen Schergeschwindigkeit erfolgt, daß sich mindestens zwei miteinander unverträgliche thermoplastische Polymerkomponenten in ein Kernmantelgebilde mit einer Kernphase und einer die Kernphase umgebenden Mantelphase trennen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Kernphase weitgehend aus der thermoplastischen Polymerkomponente der zweiten Schmelzviskosität und die Mantelphase weitgehend aus der thermoplastischen Polymerkomponente der ersten Schmelzviskosität besteht.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei dem es sich bei der Scherzone um einen Durchgang mit einem flüssigkeitkontaktierenden Scherkontaktbereich handelt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem es sich bei der Scherzone um eine hohle Öffnung mit einer Innenwand handelt, wobei die Innenwand als flüssigkeitkontaktierender Scherkontaktbereich fungiert.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das flüssige Gemisch die Scherzone laminar durchströmt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sich das flüssige Gemisch in einem geschmolzenen Zustand befindet.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man die mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymerkomponenten jeweils unter Polyamiden, Polyestern und Polyolefinen auswählt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man die diskreten und kontinuierlichen Phasen als (a) einzelnen Produktstrom aus den beiden Phasen, (b) zwei oder mehr getrennte Produktströme, wobei mindestens ein getrennter Produktstrom weitgehend aus der ersten Phase und mindestens ein getrennter Produktstrom weitgehend aus der zweiten Phase besteht, oder (c) vier oder mehr getrennte Produktströme, wobei mindestens zwei getrennte Produktströme weitgehend aus der ersten Phase und mindestens zwei getrennte Produktströme weitgehend aus der zweiten Phase bestehen, aus der Scherzone herausführt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem man (a) den einzelnen Produktstrom, (b) die zwei oder mehr getrennten Produktströme oder (c) die vier oder mehr getrennten Produktströme zu einem Filament oder Formkörper rezykliert.

11. Verfahren zur Herstellung einer Kernmantelbikomponentenfaser, bei dem man:

(A) in einem einzigen Extruder ein flüssiges Gemisch aus mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymerkomponenten extrudiert, wobei eine erste der mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymerkomponenten eine erste Schmelzviskosität und eine zweite der mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymerkomponenten eine zweite Schmelzviskosität aufweist, wobei die zweite Schmelzviskosität die erste Schmelzviskosität übertrifft,

(B) das extrudierte flüssige Gemisch durch eine Scherzone hindurchführt, in der das flüssige Gemisch mit einer solchen Schergeschwindigkeit und bei einer solchen Schertemperatur auf Scherung beansprucht wird, daß sich die mindestens zwei miteinander unverträglichen thermoplastischen Polymerkomponenten in weitgehend diskrete und kontinuierliche Phasen trennen, wobei eine erste der Phasen weitgehend aus der thermoplastischen Polymerkomponente der ersten Schmelzviskosität und eine zweite der Phasen weitgehend aus der thermoplastischen Polymerkomponente der zweiten Schmelzviskosität besteht,

(C) die diskreten und kontinuierlichen Phasen als (a) einzelnen Produktstrom aus den beiden Phasen, (b) zwei oder mehr getrennte Produktströme, wobei mindestens ein getrennter Produktstrom weitgehend aus der ersten Phase und mindestens ein getrennter Produktstrom weitgehend aus der zweiten Phase besteht, oder (c) vier oder mehr getrennte Produktströme, wobei mindestens zwei getrennte Produktströme weitgehend aus der ersten Phase und mindestens zwei getrennte Produktströme weitgehend aus der zweiten Phase bestehen, aus der Scherzone herausführt, sowie

(D) den (a) einzelnen Produktstrom, (b) die zwei oder mehr getrennten Produktströme oder die (c) vier oder mehr getrennten Produktströme zu der Kernmantelbikomponentenfaser verspinnt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem man in einer Spinnvorrichtung mit einer Spinndüsenplatte und mindestens einer Verteilerplatte verspinnt, wobei die Verteilerplatten jeweils eine Oberseite und eine Unterseite aufweisen, wobei in einer der Seiten oder in beiden mehrpfadige Verteilungsmuster eingeätzt sind.