EP2185757B1

EP2185757B1 - Verfahren zur herstellung eines flächengebildes aus zumindest teilweise gesplitteten garnen, fasern oder filamenten

Info

Publication number: EP2185757B1
Application number: EP08785156A
Authority: EP
Inventors: Denis Reibel; Robert Groten; Ulrich Jahn; Peter Ryzko; Katharina RÖMPERT
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2028-07-28
Also published as: DE102007041630A1; CN101778972A; PL2185757T3; DE102007041630B4; TW200934903A; WO2009030317A1; EP2185757A1; JP2010538170A; ES2383472T3; ATE555242T1; PT2185757E; TWI364467B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Flächengebildes aus zumindest teilweise gesplitteten Garnen, Fasern oder Filamenten und eine Vorrichtung zu dessen Herstellung.
Aus dem Dokument EP 0 814 188 B1 ist die Herstellung eines leicht spaltbaren Vliesstoffes aus Bikomponenten-Endlosfilamenten aus den unverträglichen Ausgangsstoffen Polyethylenterephthalat und Polyamid 6 bekannt. Der Vliesstoff wird dabei der Wirkung von flüssigen Druckstrahlen zur Trennung der Verbundelemente in Elementarfilamente sowie zu deren Verwicklung und Bindung ausgesetzt.
Ein Verfahren zur Herstellung polymerer Erzeugnisse, die mit feinen Partikeln beaufschlagt werden, ist aus EP0291026 bekannt.
Ein Verfahren zur Behandlung der Oberfläche von Textilien durch eine Beaufschlagung von Trockneneis ist aus WO 01/36 733 bekannt.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Flächengebildes aus zumindest teilweise gesplitteten Garnen, Fasern oder Filamenten ist aus EP 1428919 bekannt.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren anzugeben, welches den Herstellungsprozess von Flächengebilden aus splittbaren Garnen, Fasern oder Filamenten vereinfacht und wirtschaftlich besonders günstig ist.
Für den Herstellungsprozess von Flächengebilden aus zumindest teilweise splittbaren Garnen, Fasern oder Filamenten soll nur eine beispielsweise gegenüber einer Hochdruck-Wasserstrahlbehandlung, insbesondere bei Drücken von etwa 120 bis 500 bar, besonders geringe Energie bzw. geringe mechanische Kraft benötigt werden.
Ferner sollen bei dem Verfahren zusätzliche besonders zeit-, energie-, und/oder kostenintensive Prozessschritte, wie zum Beispiel die bei einer Wasserstrahlbehandlung erforderliche Trocknung des Flächengebildes, nicht erforderlich sein.
Des Weiteren soll das Verfahren die zumindest teilweise Splittung sowohl von aus miteinander verträglichen Polymeren als auch von aus miteinander unverträglichen Polymeren bestehenden konjugierten Garnen, Fasern oder Filamenten ermöglichen.
Die Lösung der gestellten Aufgaben wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 7 erreicht.
Bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dabei ein aufspaltbares Ausgangs-Flächengebilde durch Behandlung, insbesondere durch Beschuss, mit Trockeneis, mit gefrorenem Wasser oder mit einem Luft-Partikel-Gemisch bei einer Temperatur von mindestens 20 °C bis 30 °C unterhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) der als Game, Fasern oder Filamente eingesetzten Polymere zumindest teilweise in die Elementarfilamente aufgespalten bzw. aufgesplittet.
Die Glasübergangstemperatur (Tg) oder Erweichungstemperatur eines eingesetzten amorphen Polymers ist die Temperatur, bei der das Polymer die größte Änderung der Verformungsfähigkeit aufweist. Der sogenannte Glasübergang trennt den unterhalb liegenden spröden energieelastischen Bereich (Glasbereich) vom oberhalb liegenden weichen entropieelastischen Bereich (gummielastischen Bereich). Der Übergang in den Fließbereich des amorphen Polymers ist fließend. Teilkristalline Polymere besitzen sowohl eine Glasübergangstemperatur, unterhalb derer die amorphe Phase "einfriert" (einhergehend mit Versprödung), als auch eine Schmelztemperatur, bei der sich die kristalline Phase auflöst. Die Schmelztemperatur trennt den entropieelastischen Bereich deutlich vom Fließbereich ab.
Als feste Partikel des Luft-Partikel-Gemischs kommen insbesondere anorganische Partikel, wie Sand (z.B. Quarzsand), oder polymere Granulate in Betracht.
Bevorzugt wird das Trockeneis, das gefrorene Wasser oder das Luft-Partikel-Gemisch in Form von Pellets eingesetzt. Bezüglich des Trockeneises oder des gefrorenen Wassers kommt auch ein Einsatz als Schnee in Betracht.
Als Trockeneis-Pellets werden hier bevorzugt zylindrische Partikel mit einem Durchmesser von ca. 3 mm und einer Länge zwischen 5 und 30 mm eingesetzt. Unter Trockeneis-Schnee werden demgegenüber feinkörnigere und damit weniger harte Partikel verstanden, die beispielsweise einen Durchmesser von ca. 0,1 mm und eine Länge von gleich oder kleiner 1 mm aufweisen.
Beim Trockeneis handelt es sich um gefrorenes Kohlendioxid mit einer Temperatur von etwa -78,5 °C, das beim Aufprall auf das aufspaltbare Ausgangs-Flächengebilde rückstandslos in den gasförmigen Zustand übergeht (Sublimation).
Die Verwendung von Trockeneis hat daher den Vorteil, dass keine anschließende Abtrennung oder Filtration, wie beispielsweise bei Verwendung eines Luft-Sand-Gemischs, von den aufgespaltenen Elementarfilamente erfolgen muss.
Ferner bildet sich bei der Verwendung von Trockeneis unter Normaldruck keine Flüssigkeit, wie zum Beispiel bei Wassereis, wodurch auch die Bezeichnung Trockeneis entstanden ist.
Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit dem Trockeneis, dem gefrorenen Wasser oder dem Luft-Partikel-Gemisch keine Flüssigkeit, insbesondere kein flüssiges Wasser, für die Aufspaltung verwendet wird, entfällt ein ansonsten, beispielsweise bei einer Wasserstrahlbehandlung, erforderlicher besonders zeit-, energie-, und/oder kostenintensiver Trocknungsprozess des Flächengebildes aus zumindest teilweise gesplitteten Garnen, Fasern oder Filamenten.
Durch das Beschießen mit Trockeneis fällt die Temperatur der behandelten Oberfläche unter den ausgewählten Prozessparametem um ca. 60 °C herab.
Bei der Verwendung eines Luft-Partikel-Gemischs oder von gefrorenem Wasser wird die Behandlungstemperatur derart gewählt, dass die Temperatur der behandelten Oberfläche um mindestens 20 bis 30 °C unterhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) der als Game, Fasern oder Filamente eingesetzten Polymere liegt.
Dadurch, dass die Behandlungstemperatur mindestens 20 bis 30 °C unterhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) der als Game, Fasern oder Filamente eingesetzten Polymere liegt, wird eine gewisse Versprödung der Polymere erreicht, wodurch die Aufspaltung des Flächengebildes in Elementarfilamente zumindest unterstützt oder gefördert wird, ohne die Elementarfilamente zu schädigen.
Eine Schädigung der Elementarfilamente wird auch durch die vergleichsweise geringe Härte des Trockeneises, des Luft-Sand-Gemischs bzw. des gefrorenen Wassers vermieden.
Der Einsatz in Form von Schnee anstelle von Pellets ist wegen dessen kleinerer Partikelgröße bzw. dessen geringer Härte (größerer "Weichheit") besonders bevorzugt im Hinblick auf eine die Elementarfilamente nicht schädigende, besonders schonende Aufspaltung bzw. Splittung.
Durch den Sublimationseffekt des Trockeneises bei der Behandlung des aufspaltbaren Ausgangs-Flächengebildes dehnt sich das Volumen des Kohlendioxids vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand schlagartig um etwa das 600 bis 800-Fache seines ursprünglichen Volumens aus. Das Trockeneis legt sich dabei zwischen die Elementarfilamente, wodurch die Aufspaltung des Flächengebildes in Elementarfilamente ebenfalls zumindest unterstützt oder gefördert wird.
Als Anordnung der Elementarfilamente kommt über den Querschnitt der Game, Fasern oder Filamente betrachtet beispielsweise eine Kem-Mantel-Struktur (core-sheat-Struktur) oder eine Orangenspalten- bzw. Kuchenstück-Struktur (Pie-Struktur) in Betracht. Besonders bevorzugt wird als aufspaltbares Ausgangs-Flächengebilde eines eingesetzt, bei dem die Elementarfilamente in Pie-Struktur vorliegen, bevorzugt mit 2 bis 64 Segmenten, insbesondere zur Beeinflussung des Durchmessers der Filamente.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteilhafterweise wird als aufspaltbares Ausgangs-Flächengebilde ein Vliesstoff verwendet. Als Vliesstoff werden bevorzugt Stapelfaservliesstoffe oder Spinnvliesstoffe mit Endlosfasern oder mit zusammengesetzten Fasern eingesetzt, die entweder über einen Schmelzspinn- oder einen Lösungsmittelspinnprozess gewonnen werden.
Bevorzugt werden Schmelzspinnvliesstoffe eingesetzt, die gegenüber Lösungsmittelspinnvliesstoffen den Vorteil haben, dass kein Lösungsmittel entfernt werden muss und dass deren Verwendung kostengünstiger ist.
Als aufspaltbares Ausgangs-Flächengebilde wird vorzugsweise ein vorverfestigter Vliesstoff eingesetzt, der thermisch, mechanisch und/oder chemisch vorverfestigt wird, besonders bevorzugt thermisch vorverfestigt wird.
Die Garne, Fasern oder Filamente des Flächengebildes weisen vorzugsweise mindestens zwei Elementarfilamente auf, die ausgewählt sind aus Polymerpaaren oder -blends aus Polyolefinen, Polyestern, Polyamiden und/oder Polyurethanen in beliebiger Kombination untereinander.
Als bevorzugte Polyolefine werden beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen eingesetzt, als bevorzugte Polyester zum Beispiel Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polytrimethylenterephthalat, recyclierte Polyester, Polylactat oder Copolyester, als bevorzugte Polyamide beispielsweise Polyamid 6, Polyamid 12, Polyamid 66 oder Copolyamide.
Für einen guten Wirkungsgrad erfolgt die Behandlung, insbesondere der Beschuss, auf die Oberfläche des aufspaltbaren Ausgangs-Flächengebildes mit dem Trockeneis, dem gefrorenen Wasser oder dem Luft-Partikel-Gemisch bevorzugt unter einem Auftreffwinkel von 0,1° bis 180°, besonders bevorzugt von 45° bis 135° und ganz besonders bevorzugt von 90°.
Die kinetische Energie der Partikel des Trockeneises, des gefrorenen Wassers oder des Luft-Partikel-Gemischs beträgt dabei vorteilhafterweise gleich oder mehr als 0,4 Joule. Dabei werden die Masse und die Geschwindigkeit der Partikel so gewählt, dass es nicht zu einer optischen Beschädigung des Flächengebildes bzw. einer Lochbildung im Flächengebilde kommt.
Die Durchflussmenge an dem Trockeneis, an dem gefrorenen Wasser oder an dem Luft-Partikel-Gemisch beträgt vorteilhafterweise 30 kg/ h bis 70 kg/ h, bevorzugt 30 kg/ h bis 50 kg/ h.
Die Partikel des Trockeneises, des gefrorenen Wassers oder des Luft-Partikel-Gemischs treffen bevorzugt mit einer mittleren Größe von 10 µm bis 30 mm, besonders bevorzugt von 0,1 mm bis 10 mm, auf die Oberfläche des aufspaltbaren Ausgangs-Flächengebildes auf.
Der Beschuss der Oberfläche des aufspaltbaren Ausgangs-Flächengebildes mit dem Trockeneis, gefrorenen Wasser oder dem Luft-Partikel-Gemisch erfolgt vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 100 m/s bis 500 m/s bei einer Vorschubgeschwindigkeit der Austrittsdüse von 2,5 m/min bis 12, 5 m/min, besonders bevorzugt von 2,5 m/min bis 5 m/min.
Die Aufspaltung in die Elementarfilamente erfolgt vorteilhafterweise bei Drücken von 0,5 bar bis 16 bar, bevorzugt von 0,5 bar bis 6 bar, besonders bevorzugt von 0,5 bis 2 bar.
Ferner soll eine für das vorgenannte erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignete Vorrichtung bereitgestellt werden, die dieses Verfahren auf einfache Weise ermöglicht.
Dazu weist die Vorrichtung zum Aufspalten eines Flächengebildes aus zumindest teilweise gesplitteten Garnen, Fasern oder Filamenten aus mindestens zwei Elementarfilamente, insbesondere nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 7, mindestens eine gegen das aufspaltbare Ausgangs-Flächengebilde richtbare Austrittsdüse zum Beschuss der mindestens einen aufspaltbaren Oberfläche des aufspaltbaren Ausgangs-Flächengebildes mit Trockeneis, mit gefrorenem Wasser oder mit einem Luft-Partikel-Gemisch auf.
Vorteilhafterweise sind in zumindest einer Austrittsdüse Einbauten zur Zerkleinerung des Trockeneises, des gefrorenen Wassers oder des Luft-Partikel-Gemischs angeordnet.

Ausführung der Erfindung

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen und Figuren näher erläutern.

In Fig. 1: ist eine REM-Aufnahme eines 100-fach vergrößerten Ausschnitts der Oberfläche eines erfindungsgemäß mit Trockeneis-Pellets bei 2 bar gesplitteten und zuvor thermisch vorverfestigten Spinnvliesstoffs aus segmentierten PET/PA6-Piefasern mit einem Gewichtsverhältnis von 70 : 30 gezeigt,
in Fig. 2: ist eine REM-Aufnahme eines 100-fach vergrößerten Ausschnitts der Oberfläche eines erfindungsgemäß mit Trockeneis-Schnee bei 2 bar gesplitteten (nicht-thermisch-vorverfestigten) Spinnvliesstoffs aus segmentierten PET/PA6-Piefasem mit einem Gewichtsverhältnis von 70: 30 gezeigt und
in Fig. 3: ist eine REM-Aufnahme eines 100-fach vergrößerten Ausschnitts der Oberfläche eines erfindungsgemäß mit Trockeneis-Schnee bei 1 bar gesplitteten (nicht-thermisch-vorverfestigten) Spinnvliesstoffs aus segmentierten PET/PA6-Piefasem mit einem Gewichtsverhältnis von 70 : 30 gezeigt.

Die Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen (REM-Aufnahmen) wurden mit einem Niederdruck-Rasterelektronenmikroskop JEOL JSM-6480LV unter einer Beschleunigungsspannung von 20 kV erstellt.

Beispiel 1:

Gemäß Beispiel 1 wird ein Spinnvliesstoff, insbesondere ein Schmelzspinnvliesstoff, aus Bikomponenten-Endlosfilamenten mit einer Pie-Struktur mit 16 Segmenten, bestehend abwechselnd aus Polyethylenterephthalat/ Polyamid 6 (PET/ PA6) im Gewichtsverhältnis 70 : 30, mit Trockeneis-Pellets beschossen.
Dazu liegt der Spinnvliesstoff minimal vernadelt und damit minimal mechanisch verfestigt vor, so dass der Spinnvliesstoff transportiert werden kann. Außerdem liegt der Spinnvliesstoff thermisch vorverfestigt vor, wobei die thermische Vorverfestigung an einer beheizbaren Plattenpresse in einem Zeitraum von 30 Sekunden bei einer Temperatur von 150°C und einem Druck von 300 bar erfolgt.
Für die Splittung der Filamente im Spinnvliesstoff wird der Spinnvliesstoff in einem Winkel von 90° unterhalb der Austrittsdüse der Trockeneis-Pellets platziert. Bei der Form der Düse handelt es sich um eine Breitspitzdüse mit rechteckiger Austrittsfläche mit einer Größe von 50 mm x 4 mm. Diese Düse wird eingesetzt, um die Energie auf eine möglichst große Fläche zu verteilen, wobei prinzipiell auch der Einsatz beispielsweise einer Runddüse geeignet ist. Anschließend wird der Spinnvliesstoff senkrecht mit den Trockeneis-Pellets beschossen.
Polyethylenterepthalat (kristallin) hat gemäß ISO 75 HDT/A (1,8 MPa) eine Glasübergangstemperatur (Tg) von ca. 80°C und eine Schmelztemperatur von ca. 255°C gemäß ISO 11359) und Polyamid 6 hat gemäß ISO 75 HDT/A (1,8 MPa) eine Glasübergangstemperatur (Tg) von ca. 65°C und eine Schmelztemperatur von ca. 220°C gemäß ISO 11359).
Die Trockeneis-Pellets haben ungefähr einen Durchmesser von 3 mm und eine Länge von 1 cm. Bei einer Dichte von Trockeneis von 1,56 g/cm³ wiegt ein Pellet ca. 0,11 g (Masse m).
Der Beschuss mit Trockeneis-Pellets erfolgt mit einer Durchflussmenge von 50 kg/h bei einer Geschwindigkeit (v) der Trockeneis-Pellets von 300 m/s.
Damit beträgt die kinetische Energie (E_kin = 0,5 m v² = 0,5 x 0,11 x ^10-3 kg x (300 m/s)² = 4,95 kg m²/s²) der Trockeneis-Pellets 4,95 Joule.
Der Abstand zwischen der Austrittsdüse und der Oberfläche des aufspaltbaren Ausgangs-Flächengebildes beträgt zwischen 10 mm und 100 mm, bevorzugt zwischen 25 mm und 75 mm.
Der Druck der Trockeneis-Pellets bei dem Beschuss des Spinnvliesstoffs beträgt 2 bar. Die Vorschubgeschwindigkeit der Austrittsdüse beträgt 5 m/min.
Die Figur 1 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme des Spinnvliesstoffs aus dem Beispiel 1.

Beispiel 2:

Im Beispiel 2 wird im Unterschied zum Beispiel 1 statt der Trockeneis-Pellets Trockeneis-Schnee mit einer Partikelgröße von ca. 0,1 mm x 0,5 mm eingesetzt. Der Trockeneis-Schnee wiegt 0,0105 g (Masse m).
Der Beschuss mit Trockeneis-Schnee erfolgt mit einer Geschwindigkeit (v) von 300 m/s.
Damit beträgt die kinetische Energie (E_kin = 0,5 m v² = 0,5 x 0,0105 x ^10-3 kg x (300 m/s)² = 0,4725 kg m²/s²) des Trockeneis-Schnees 0,4725 Joule.
Zudem wird der eingesetzte Spinnvliesstoff aus Bikomponenten-Filamenten mit einer Pie-Struktur mit 16 Segmenten, bestehend aus Polyethylenterephthalat/ Polyamid 6 im Gewichtsverhältnis 70 : 30. Im Unterschied zu der Verfahrensweise in Beispiel 1 wird der Vliesstoff nicht thermisch vorverfestigt. Ansonsten erfolgt das Verfahren analog zu den Bedingungen aus Beispiel 1, wobei lediglich anstelle der Trockeneis-Pellets Trockeneis-Schnee eingesetzt wird.
Die Figur 2 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme des Spinnvliesstoffs aus dem Beispiel 2.
Durch die fehlende thermische Vorverfestigung sind die Filamente beweglicher als die gemäß Beispiel 1.

Beispiel 3:

Bei dem Verfahren gemäß Beispiel 3 wird ebenfalls ein Spinnvliesstoff aus Bikomponenten-Filamenten mit einer Pie-Struktur mit 16 Segmenten, bestehend aus Polyethylenterephthalat/ Polyamid 6 im Gewichtsverhältnis 70 : 30 eingesetzt. Das Verfahren erfolgt analog zu Beispiel 2 mit Trockeneis-Schnee anstelle von Trockeneis-Pellets. Im Unterschied zu Beispiel 2 beträgt der Druck des Trockeneis-Schnees im Beispiel 3 bei dem Beschuss des Spinnvliesstoffs lediglich 1 bar statt 2 bar.
Die Figur 3 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme des Spinnvliesstoffs aus dem Beispiel 3.
Dieses Verfahren gemäß Beispiel 3 zeigt, dass die Aufspaltung in die Elemantarfilamente selbst bei einem Druck von 1 bar noch gut möglich ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Flächengebildes aus zumindest teilweise gesplitteten Garnen, Fasern oder Filamenten, die aus mindestens zwei Elementarfilamenten gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein aufspaltbares Ausgangs-Flächengebilde durch Behandlung, insbesondere Beschuss, mit Trockeneis, mit gefrorenem Wasser oder mit einem Luft-Partikel-Gemisch bei einer Temperatur von mindestens 20 °C bis 30 °C unterhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) der als Garne, Fasern oder Filamente eingesetzten Polymere zumindest teilweise in die Elementarfilamente aufgespalten bzw. aufgesplittet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als aufspaltbares Ausgangs-Flächengebilde ein Vliesstoff, insbesondere ein Spinnvliesstoff, eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als aufspaltbares Ausgangs-Flächengebilde ein vorverfestigter Vliesstoff eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Game, Fasern oder Filamente mindestens zwei Elementarfilamente aufweisen, die ausgewählt sind aus Polymerpaaren oder -blends aus Polyolefinen, Polyestern, Polyamiden und/oder Polyurethanen in beliebiger Kombination.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Behandlung, insbesondere der Beschuss, auf die Oberfläche des aufspaltbaren Ausgangs-Flächengebildes mit dem Trockeneis, dem gefrorenen Wasser oder dem Luft-Partikel-Gemisch unter einem Auftreffwinkel (α) von 0,1° bis 180°, bevorzugt von 45° bis 135°, besonders bevorzugt von 90°, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die kinetische Energie der Partikel des Trockeneises, des gefrorenen Wassers oder des Luft-Partikel-Gemischs gleich oder mehr als 0,4 Joule beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Aufspaltung in die Elementarfilamente bei Drücken von 0,5 bar bis 16 bar, bevorzugt von 0,5 bar bis 6 bar, besonders bevorzugt von 0,5 bis 2 bar, erfolgt.