Spinndüse zum Extrudieren von selbstkräuselnden Hohifasern sowie selbstkräuselnde Hohlfasern und Verfahren zum Herstellen von selbstkräuselnden Hohlfasern
Die Erfindung betrifft eine Spinndüse zum Extrudieren von Hohifasern nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, eine selbstkräuselnde Hohlfaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 8 sowie ein Verfahren zum Herstellen von selbstkräuselnden Hohlfasern nach Anspruch 14.
Aus dem Stand der Technik sind selbstkräuselnde Hohlfasern bekannt, die mittels einer Spinndüse extrudiert werden. Es sind Spinndüsen mit Kapillaren bekannt, wobei jede Kapillare eine C-förmige Öffnung aufweist. Aus der C-förmigen Öffnung wird ein Hohlfaserprofil extrudiert. Nach dem Austreten aus der Öffnung schmelzen die Enden des extrudierten C-förmigen Hohlfaserprofils in Form eines Hohlfaserwandabschnitts durch Verschmelzen aneinander und bilden eine Hohlfaser mit einer Hohlfaserwand. Nach Verstrecken der Hohlfasern kräuseln diese sich 3-dimensional aufgrund entstandener Spinnorientierungen. Weiterhin können solche selbstkräuselnden Hohlfasern durch das zusätzliche gleichzeitige Einspeisen von zwei Schmelzströmen erzeugt werden, die ebenfalls zu Spinnorientierungen führen. Diese Fasern haben eine deutlich höhere Kräuselintensität, erfordern aber einen deutlich komplexere Anlagentechnik und somit deutlich höhere Investitionen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, selbstkräuselnde Hohlfasern, eine Spinndüse zum Extrudieren von selbstkräuselnden Hohlfasern und ein Verfahren zum Herstellen von selbstkräuselnden Hohlfasern zu schaffen, bei dem die Kräuselintensität der hergestellten Hohlfasern mit einem einzigen Schmelzestrom verbessert ist und die Hohlfasern auf einfache Art und Weise hergestellt werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale der Ansprüche 1, 8 und 14.
Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise eine Spinndüse vor, wobei die Spinndüse zumindest eine Kapillare mit segmentierter Öffnung aufweist, die im Querschnitt mindestens zwei voneinander beabstandete Öffnungssegmente aufweist, wobei ein erstes Öffnungssegment der mindestens zwei Öffnungssegmente eine erste Öffnungssegmentbreite aufweist und ein zweites Öffnungssegment der mindestens zwei Öffnungssegmente eine zweite Öffnungssegmentbreite aufweist, wobei die zweite Öffnungssegmentbreite breiter ist als die erste Öffnungssegmentbreite.
Aufgrund der unterschiedlichen Breite der Öffnungssegmente strömen unterschiedlich große Schmelzeströme durch die Kapillare, wodurch eine Hohlfaser mit assymmetrisch geformten Hohlfaserwänden mit unterschiedlicher Wandstärke und Krümmung und unterschiedlichen Spinnorientierungen entsteht. Die auf diese Weise hergestellten Hohlfasern haben den Vorteil, dass sie nach dem Verstecken eine sehr hohe Kräuselintensität aufweisen.
Die Offnungssegmentbreite des zweiten Öffnungssegments ist vorzugsweise mindestens 10%, insbesondere mindestens 20% breiter als die Offnungssegmentbreite des ersten Öffnungssegments. Die mittels einer solchen Spinndüse hergestellten Hohlfasern haben nach dem Verstrecken besonders gute Kräuseleigenschaften bzw. eine besonders hohe Kräuselintensität.
Die Offnungssegmentbreite des zweiten Öffnungssegments ist vorzugsweise um 10 bis 50%, insbesondere um 20 bis 40% breiter als die Offnungssegmentbreite des ersten Öffnungssegments. Unterschiede der Offnungssegmentbreite in die-
sen Bereichen haben den Vorteil, dass Hohlfasern hergestellt werden, die besonders hohe Kräuselintensitäten aufweisen.
Die Öffnungssegmente können bogenförmig rund, aber auch oval oder eckig ausgebildet sein.
Die mindestens zwei Öffnungssegmente können besonders vorteilhaft jeweils im Wesentlichen halbkreisförmig ausgebildet sein.
Die jeweiligen Öffnungssegmente können zwei Längs- und zwei Querseiten aufweisen, wobei der Abstand zwischen den Querseiten der aneinander angrenzende Öffnungssegmente derart gewählt ist, dass die aus den Öffnungssegmenten ex- trudierten Hohlfaserwandabschnitte nach Austritt aus den Öffnungssegmenten an den Querseiten aneinander verschmelzen.
Die Öffnungssegmentbreite der jeweiligen Öffnungssegmente ist vorzugsweise konstant, d.h. gleichbleibend.
Es können auch segmentierte Öffnungen mit mindestens drei oder mindestens vier Öffnungssegmenten vorgesehen sein, wobei zumindest ein erstes und ein zweites Öffnungssegment dabei vorgesehen sind, die unterschiedliche Öffnungssegmentbreiten aufweisen.
Bei einer Hohlfaser mit einer Hohlfaserwand, die mittels einer Spinndüse extru- diert ist, wobei die Hohlfaserwand im Querschnitt mindestens zwei Hohlfaserwandabschnitte aufweist, kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass ein erster der mindestens zwei Hohlfaserwandabschnitte eine erste Wandstärke aufweist und ein zweiter der mindestens zwei Hohlfaserwandabschnitte eine zweite Wandstärke aufweist, wobei die zweite Wandstärke größer ist als die erste Wandstärke.
Eine solche hergestellte Hohlfaser ist aufgrund der bei dem Schmelzefluss durch die Kapillare entstehenden Spinnorientierungen eine selbstkräuselnde Hohlfaser.
Die mindestens zwei Hohlfaserwandabschnitte können jeweils eine konstante Wandstärke über den jeweiligen Hohlfaserwandabschnitt aufweisen, d .h . sie weisen jeweils eine gleichbleibende Wandstärke auf.
Der erste Hohlfaserwandabschnitt kann eine konstante Wandstärke aufweisen. Der zweite Hohlfaserwandabschnitt kann eine konstante Wandstärke aufweisen.
Der erste Hohlfaserwandabschnitt und der zweite Hohlfaserwandabschnitt sind durch Verschmelzen miteinander verbunden . Das bedeutet, dass die mindestens zwei Hohlfaserwandabschnitte jeweils durch Verschmelzen mit den benachbarten Hohlfaserwandabschnitten verbunden sind.
Die Wandstärke des zweiten Hohlfaserwandabschnitts kann um mindestens 10% vorzugsweise um mindestens 20% größer sein als die Wandstärke des ersten Hohlfaserwandabschnitts.
Die Wandstärke des zweiten Hohlfaserwandabschnitts kann um 10 bis 50% vorzugsweise um 20 bis 40% größer sein als die Wandstärke des ersten Hohlfaserwandabschnitts. Bei solchen Wandstärkenverhältnissen weisen die Hohlfaserwandabschnitte besonders gute räuselintensitäten auf.
Der erste Hohlfaserwandabschnitt und der zweite Hohlfaserwandabschnitt können aus demselben Material bestehen. Die Hohlfaser kann somit eine Mono- Komponentenhohlfaser sein.
In einer weniger vorteilhaften Ausführung können der erste Hohlfaserwandabschnitt und der zweite Hohlfaserwandabschnitt aus unterschiedlichen Materialien bestehen . Die Hohlfaser kann somit auch eine Bi-Komponentenhohlfaser sein.
Die Hohlfaserwandabschnitte können gekrümmt sein, wobei der zweite Hohlfaserwandabschnitt stärker gekrümmt sein kann als der erste Hohlfaserwandabschnitt. Eine Hohlfaser mit zwei Hohlfaserwandabschnitten weist vorzugsweise einen„D"-förmigen Querschnitt auf.
Es können auch Hohlfasern vorgesehen sein, die mindestens drei oder mindestens vier Hohlfaserwandabschnitte aufweisen. Dabei kann zumindest ein erster und ein zweiter Hohlfaserwandabschnitt vorgesehen sein, die unterschiedliche Wandstärken aufweisen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Herstellen von Hohlfasern mittels einer Spinndüse vorgesehen sein, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
Extrudieren von poiymerem Material aus einer im Querschnitt segmentierten Öffnung einer Kapillare einer Spinndüse, wobei die Öffnung mindestens zwei Öffnungssegmente mit unterschiedlichen Öffnungssegmentbreiten aufweist, wobei aus den mindestens zwei Öffnungssegmenten mindestens zwei Hohlfaserwandabschnitte extrudiert werden, wobei aus jeweils einem Öffnungssegment jeweils ein Hohlfaserwandabschnitt extrudiert wird,
Aneinanderschmelzen der extrudierten Hohlfaserwandabschnitte nach dem Austreten aus der Öffnung unter Bildung einer Hohlfaser mit einer Hohlfaserwand, die im Querschnitt mindestens zwei Hohlfaserwandabschnitte mit unterschiedlichen Wandstärken aufweist. Die Hohlfaserwandabschnitte sind somit durch Selbstschmelzen miteinander verbunden.
Die Hohlfaser kann nach dem Aneinanderschmelzen erhitzt werden, was die Kräuselintensität durch Nachschrumpfen abermals verbessert. Je kleiner die einzelnen Kräuselbögen sind, umso intensiver ist die Kräuselintensität.
Die aneinander geschmolzene Hohlfaser kann abgekühlt und verstreckt werden. Die unverstreckte Hohlfaser ist vorzugsweise noch glatt, nach Ziehen oder Verstecken sind die Hohlfasern gekräuselt.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen schematisch :
Fig. 1 eine Vorrichtung zum Herstellen von Spinnfasern,
Fig. 2 eine Unteransicht einer Spinndüse,
Fig . 3 eine segmentierte Öffnung der Kapillare,
Fig . 4a eine gestellte Hohlfaser im Querschnitt,
Fig . 4b eine Hohlfaser im Querschnitt,
Fig . 5a- 5d Vergleich von Kräuselintensitäten von unterschiedlichen
Hohlfasern,
Fig . 1 zeigt eine Vorrichtung zum Herstellen von Spinnfasern. Polymeres Material, kann in einem Behälter 8 angeordnet sein . Nach Trocknung in einer Trockeneinrichtung 6 kann das po!ymere Material in einer Schmelzeinrichtung 4 aufgeschmolzen werden. Dieses aufgeschmolzene Material wird in einer Spinndüse 1 durch Kapillaren gepresst. Die Schmelze wird über Druck- und Messpumpen durch die Kapillaren gepresst und in Form von Filamenten bzw. Fasern abgezogen . Nach dem Austreten aus der Spinndüse werden die Filamente in einem nicht dargestellten Anblasschacht in den Bereich 12 mittels z. B. Luft gekühlt und sie können dann mit konstanter Geschwindigkeit auf Trommeln aufgewickelt werden oder in Kannen abgelegt werden. Die Filamente können dann direkt oder später in Verstreckeinrichtungen 12, 14 verstreckt werden. Im vorliegenden Fall sind die Filamente Hohlfasern 2.
Die Spinndüse 1 ist in Fig. 2 in der Unteransicht näher dargestellt. Die Spinndüse weist eine Vielzahl von Kapillaren 18 auf. Die Kapillaren 18 sind die Düsenlöcher. Wie in Fig. 2 dargestellt, weist die Kapillare 18 zumindest eine segmentierte Öffnung 16 auf. Die segmentierte Öffnung 16 weist im Querschnitt mindestens zwei voneinander beabstandete Öffnungssegmente 20, 22 auf. Aus Fig. 2 ist zu ent-
nehmen, dass die Spinndüse eine Vielzahl von Kapillaren aufweist, aus denen jeweils Hohlfasern extrudiert werden können. Die jeweiligen Kapillaren sind identisch aufgebaut, so dass eine Vielzahl von denselben Hohlfasern extrudiert werden können.
Die in Fig. 3 im Detail dargestellte segmentierte Öffnung 16 der Kapillare 18 weist voneinander beabstandete Öffnungssegmente 20, 22 auf. Das erste Öffnungssegment 22 der mindestens zwei Öffnungssegmente 20, 22 weist eine erste Offnungssegmentbreite 32 auf. Die Öffnungssegmentbereite wird vorzugsweise in radialer Richtung der Öffnung 16 bestimmt. Das zweite Öffnungssegment 20 der mindestens zwei Öffnungssegmente 20, 22 weist eine zweite Offnungssegmentbreite 34 auf. Die zweite Offnungssegmentbreite 34 ist breiter als die erste Offnungssegmentbreite 32. Bevorzugt ist die Offnungssegmentbreite des- zweiten Öffnungssegments 20 um mindestens 10%, insbesondere um mindestens 20% breiter als die Offnungssegmentbreite 32 des ersten Öffnungssegments 22.
Ganz besonders bevorzugt ist die Offnungssegmentbreite 34 des zweiten Öffnungssegments 20 um 10% bis 50%, vorzugsweise um 20% bis 40% breiter als die Offnungssegmentbreite 32 des ersten Öffnungssegments 22.
Vorzugsweise sind die Öffnungssegmente 20, 22, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, bogenförmig ausgebildet. Ferner sind die Öffnungssegmente 20, 22 vorzugsweise konzentrisch gekrümmt. Die Öffnungssegmente 20, 22 sind vorzugsweise um den Mittelpunkt 24 der Öffnung 16 konzentrisch gekrümmt. Ebenfalls sind die Öffnungssegmente 20, 22 vorzugsweise jeweils im Wesentlichen halbkreisförmig ausgebildet.
Die jeweiligen Öffnungssegmente 20, 22 weisen jeweils Längsseiten 28 und Querseiten 30 auf. Zwischen den Querseiten 30 sind jeweils Stege 26 angeordnet.
Bei dem Verfahren zum Herstellen von selbstkräuselnden Hohlfasern 2 mittels der Spinndüse 1 wird das polymere Material aus der im Querschnitt segmentierten Öffnung 16 der Kapillare 18 der Spinndüse 1 extrudiert. Aus den Öffnungs-
Segmenten 20, 22 wird jeweils ein Hohlfaserwandabschnitt 40, 42 extrudiert. Dadurch, dass das erste Öffnungssegment 22 und das zweite Öffnungssegment 20 unterschiedliche Öffnungssegmentbreiten 32, 34 aufweisen, weisen auch die aus den jeweiligen Öffungssegmenten 20, 22 extrudierten Hohifaserwandabschnitte 40, 42 unterschiedliche Wandstärken auf. Nach Austritt aus der Öffnung 16 verschmelzen die extrudierten Hohifaserwandabschnitte 40, 42 aneinander, wobei die Bereiche aneinander verschmelzen, die im Bereich der Querseiten 30 der Öffnungssegmente 20, 22 angeordnet sind . Die Hohifaserwandabschnitte 40, 42 verschmelzen somit ebenfalls im Bereich ihrer Querseiten aneinander, so dass eine Hohlfaser 2 mit einer Hohlfaserwand gebildet wird, die im Querschnitt zwei Hohifaserwandabschnitte 40, 42 mit unterschiedlichen Wandstärken aufweist.
Der Abstand zwischen den Querseiten 30 der Öffnungssegmente 20, 22 ist derart gewählt, dass die Hohifaserwandabschnitte 40, 42 nach dem Austreten aus der Öffnung aneinander verschmelzen können . Die extrudierten Hohifaserwandabschnitte 40, 42 verbinden sich durch Verschmelzen mitaneinander.
In Fig . 4a ist eine makroskopische Aufnahme von Querschnitten von erfindungsgemäßen Hohlfasern 2 dargestellt. In Fig. 4b ist eine vergrößerte Darstellungen eines Querschnitts einer erfindungsgemäßen Hohlfaser 2 dargestellt.
Wie den Fign . 4a und 4b zu entnehmen ist, weist die Hohlfaser eine Hohlfaserwand 48 auf. Die Hohlfaserwand 48 weist im Querschnitt mindestens zwei Hohifaserwandabschnitte 40, 42 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Hohlfaserwand 48 mit zwei Hohlfaserwandabschnitten 40, 42 dargestellt. Es könnten jedoch auch mehr als zwei Hohifaserwandabschnitte vorgesehen sein.
Der erste Hohlfaserwandabschnitt 40 weist eine erste Wandstärke 44 auf und der zweite Hohlfaserwandabschnitt 42 weist eine zweite Wandstärke 46 auf. Die zweite Wandstärke 46 des zweiten Hohlfaserwandabschnitts 42 ist größer als die erste Wandstärke 42 des ersten Hohlfaserwandabschnitts.
Sowohl die Wandstärke 44 des ersten Hohlfaserwandabschnitts 40 als auch die zweite Wandstärke 46 des zweiten Hohlfaserwandabschnitts 42 sind jeweils vorzugsweise konstant bzw. gleichbleibend.
Die aus zwei Hohlfaserwandabschnitten 40, 42 bestehende Hohlfaserwand 48 aus dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist vorzugsweise einen D-förmigen Querschnitt auf. Der zweite Hohlfaserwandabschnitt 42, der die stärke Wandstärke 46 aufweist, krümmt sich stärker als der erste Hohlfaserwandabschnitt 40 mit der geringeren Wandstärke 44. Dadurch entsteht ein D-förmiger Hohlfaserquerschnitt. Dies ist besonders vorteilhaft für die selbstkräuselnden Eigenschaften der Hohlfaser.
Der erste Hohlfaserwandabschnitt 40 und der zweite Hohlfaserwandabschnitt 42 sind durch Verschmelzen miteinander verbunden. Dies ist die Voraussetzung für die Kräuselintensität der Hohlfaser. Die mittels eines Spinnverfahrens hergestellten Hohlfasern 2 erhalten die Kräuselung vorzugsweise nach dem Verstrecken mit beispielsweise den Verstreckeinrichtungen 12, 14.
In den Fign. 5a bis 5d sind Hohlfasern nach dem Verstrecken dargestellt. Die Fasern wurden auf Schwarztafeln geklebt und qualitativ verglichen. Relevant sind nur die gekräuselten Abschnitte. Die geraden Abschnitte sind unverstreckte Fasern, da die Muster von Hand verstreckt wurden.
In Fig. 5a ist eine Hohlfaser dargestellt, die mit einer Spinndüse hergestellt worden ist, wobei die Kapillare der Spinndüse eine segmentierte Öffnung aufwies, die im Querschnitt voneinander beabstandete Öffnungssegmente aufwies. Die Öffnungssegmentbreiten der jeweiligen Öffnungssegmente waren gleich .
In Fig . 5b ist eine Hohlfaser dargestellt, die unter denselben Versuchsbedingungen wie die Hohlfaser gemäß Fig. 5a hergestellt worden ist, jedoch mit dem Unterschied, dass eine erfindungsgemäße Spinndüse verwendet worden ist, deren Kapillaren segmentierte Öffnung mit zwei Öffnungssegmenten mit unterschiedlicher Öffnungssegmentbreite aufwiesen . Die zweite Öffnungssegmentbreite des zweiten Öffnungssegments war um 20% breiter als die Öffnungssegmentbreite des ersten Öffnungssegments.
In Fig . 5c ist eine Hohlfaser dargestellt, die unter denselben Versuchsbedingungen wie die Hohlfasern gemäß 5a und 5b hergestellt worden ist, jedoch mit dem
Unterschied, dass die segmentierte Öffnung der jeweiligen Kapillare im Querschnitt ein erstes Öffnungssegment und ein zweites Öffnungssegment aufweist, wobei die Öffnungssegmentbreite des zweiten Öffnungssegments um 40% breiter war als die Öffnungssegmentbreite des ersten Öffnungssegments.
Wie den Figuren 5b - 5c deutlich zu entnehmen ist, sind die Kräuselintensitäten von den Hohlfasern, die mittels erfindungsgernäßen Spinndüsen hergestellt worden sind, deren Öffnungssegmente unterschiedliche Breiten aufwiesen, wesentlich stärker als die Kräuselintensität gemäß Fig. 5a, erkennbar an den vielen kleinen Kräuselbögen.
Ferner wies die Hohlfaser gemäß Fig. 5c eine geringfügig höhere Kräuselintensität auf als die Hohlfaser gemäß Fig. 5b. Die Hohlfasern gemäß Fig. 5b und 5c wiesen beide jeweils eine Hohlfaserwand mit mindestens zwei Hohlfaserwandabschnitten auf, wobei die Wandstärke des ersten Hohlfaserwandabschnitts und die Wandstärke des zweiten Hohlfaserwandabschnitts unterschiedlich groß waren.
Bei den Versuchen wurde festgestellt, dass, wenn die Öffnungssegmentbreite des zweiten Öffnungssegments um mindestens 5%, vorzugsweise um mindestens 20% breiter war als die Öffnungssegmentbreite des ersten Öffnungssegments, die Kräuseiintensität besonderes gut war.
Ferner wurde herausgefunden, dass, wenn die Öffnungssegmentbreite des zweiten Öffnungssegments um 5% bis 50%, vorzugsweise um 20% bis 40% breiter war als die Öffnungssegmentbreite des ersten Öffnungssegments die Kräuselintensität besonders vorteilhaft war.
Auch wurde herausgefunden, dass, wenn die Wandstärke des zweiten Hohlfaserwandabschnitts um mindestens 5%, vorzugsweise um mindestens 20% größer war als die Wandstärke des ersten Hohlfaserwandabschnitts ebenfalls die Kräuselintensität besonders vorteilhaft war.
Ferner wurde festgestellt, dass, wenn die Wandstärke des zweiten Hohlfaserwandabschnitts um 5% bis 50%, vorzugsweise um 20% bis 40% größer war als
die Wandstärke des ersten Hohlfaserwandabschnitts die Hohlfasern besonders gute Kräuselintensitäten aufwiesen .
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass selbst bei Mono-Komponenten- Hohlfasern besonders gute selbstkräuselnde Eigenschaften vorlagen.
Aufgrund der unterschiedlichen Öffnungssegmentbreiten der Öffnungssegmente strömen unterschiedliche Schmelzmengen aus den Öffnungssegmenten, die nach dem Austritt an den jeweiligen Enden der Hohlfaserwandabschnitte miteinander verkleben und eine Hohlfaser bilden. Eine solche Hohlfaser weist vorzugsweise einen D-förmigen Querschnitt auf. Jeder der Hohlfaserwandabschnitte besitzt eine andere Spinnorientierung, was zu einem unterschiedlichen Streck- und Schrumpfverhalten führt. Diese Asymmetrie führt nach dem Verstrecken zur Selbstkräuselung der Fasern. Die oben angegebenen Verhältnisse von Öffnungssegmentbreiten und unterschiedlichen Verhältnissen von Wandstärken waren besonders vorteilhaft.
In Fig. 5d ist noch eine C-förmige selbstkräuselnde Hohlfaser bei gleichen Spinnbedingungen dargestellt. Während diese C-förmige selbstkräuselnde Hohlfaser Fig. 5d große und relativ flache Kräuselbögen besitzt, sind die Hohlfasern Fign. 5b und 5c mit den kleinen und hohen Bögen viel intensiver gekräuselt. Dies ergibt einen höheren Bausch, was umgekehrt bei Anwendungen als Füllfaser weniger Füllgewicht für ein bestimmtes Volumen und somit geringere Kosten bedeutet.