ES2223471T3 - Hilatura por fusion a alta velocidad de fibras de fluoropolimeros. - Google Patents
Hilatura por fusion a alta velocidad de fibras de fluoropolimeros.Info
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Abstract
Proceso para hilar por fusión una composición que comprende un polímero termoplástico altamente fluorado o una mezcla de tales polímeros, comprendiendo dicho proceso los pasos de: fundir una composición que comprende un polímero termoplástico altamente fluorado o una mezcla de tales polímeros para formar una composición fluoropolimérica fundida; transportar dicha composición fluoropolimérica fundida a presión hasta una matriz de extrusión de un aparato de hilatura por fusión; y extrusionar la composición fluoropolimérica fundida a través de la matriz de extrusión para formar filamentos fundidos, estando dicha matriz a una temperatura de al menos 450ºC, a una velocidad de cizallamiento de al menos 100 seg.-1, y a una velocidad de hilatura de al menos 500 m/min.
Description
Hilatura por fusión a alta velocidad de fibras de
fluoropolímeros.
Los procesos y aparatos de la presente invención
se refieren a la hilatura por fusión de fluoropolímeros para formar
con los mismos filamentos individuales o hilos multifilamentos a
altas velocidades de hilatura.
Es conocida la hilatura por fusión de copolímeros
termoplásticos basados en tetrafluoroetileno. Sin embargo, el
incrementar aún más las velocidades de hilatura de fibras constituye
para estos polímeros de alto valor un considerable incentivo
económico. Un problema al que se enfrentan los procesos de hilatura
por fusión es el de que a altas velocidades de cizallamiento se
produce fractura de la masa fundida, lo cual queda de manifiesto en
forma de rugosidad superficial en las fibras extrusionadas. Puesto
que la velocidad de cizallamiento crítica para el inicio de la
fractura de la masa fundida disminuye al aumentar la viscosidad de
la masa fundida, los esfuerzos que se han hecho para encontrar
maneras de reducir la viscosidad de la masa fundida se han centrado
en elevar la temperatura de la masa fundida. Sin embargo, en muchos
polímeros entre los que se incluyen los copolímeros termoplásticos
basados en tetrafluoroetileno, el polímero presenta degradación
térmica antes de que pueda lograrse una significativa disminución de
la viscosidad de la masa fundida.
Las fibras de homopolímero de
politetrafluoroetileno (PTFE) son también muy apreciadas, en
particular por sus propiedades químicas y mecánicas, tales como su
bajo coeficiente de rozamiento, su estabilidad térmica y su
inertidad química. Sin embargo, su elaboración mediante hilatura por
fusión ha venido resultando difícil de conseguir. Puesto que las
fibras de homopolímero de politetrafluoroetileno son
convencionalmente formadas mediante un proceso de hilatura de
dispersión en el que intervienen muchos pasos y un complicado
equipo, el encontrar un método para hilar tales fibras por fusión
constituye un gran incentivo económico.
El problema de hilar fibras a partir de masas
fundidas poliméricas de alta viscosidad ha sido anteriormente
abordado para los poliésteres. En la Patente U.S. 3.437.725 se
describe un conjunto de hilera que presenta una placa superior, una
placa de calentamiento y una placa inferior con un distanciador que
proporciona un espacio de aire entre la placa superior y la placa de
calentamiento. Suplementos huecos, uno para cada filamento a hilar,
son colocados en la placa superior y discurren hasta la cara
inferior de la placa inferior. El polímero fundido es aportado al
interior de los suplementos para su hilatura a través de capilares.
Un calentador eléctrico suministra calor para mantener a la placa
inferior, a la placa de calentamiento y a las partes inferiores de
los suplementos a una temperatura al menos 60ºC más alta que la
temperatura del polímero fundido que es aportado. En ejemplos de
hilatura de poliésteres se enumeraban temperaturas de los capilares
calentados que eran de entre 290 y 430ºC. No se hace mención alguna
de fluoropolímero alguno, ni de las temperaturas que sean necesarias
para hilar fluoropolímeros por fusión a altas velocidades de
hilatura.
La presente invención aporta un proceso para
hilar por fusión una composición que comprende un polímero
termoplástico altamente fluorado o una mezcla de tales polímeros,
comprendiendo dicho proceso los pasos de fundir una composición que
comprende un polímero termoplástico altamente fluorado o una mezcla
de tales polímeros para formar una composición fluoropolimérica
fundida; transportar dicha composición fluoropolimérica fundida a
presión hasta una matriz de extrusión de un aparato de hilatura por
fusión; y extrusionar la composición fluoropolimérica fundida a
través de la matriz de extrusión para formar filamentos fundidos,
estando dicha matriz a una temperatura de al menos 450ºC, a una
velocidad de cizallamiento de al menos 100 seg.^{-1}, y a una
velocidad de hilatura de al menos 500 m/min.
La presente invención aporta también un proceso
para hilar por fusión una composición que comprende homopolímero de
politetrafluoroetileno, comprendiendo dicho proceso los pasos de
fundir una composición que comprende un homopolímero de
politetrafluoroetileno para formar una composición de
politetrafluoroetileno fundida; transportar dicha composición de
politetrafluoroetileno fundida a presión hasta una matriz de
extrusión de un aparato de hilatura por fusión; y extrusionar la
composición de politetrafluoroetileno fundida a través de la matriz
de extrusión para formar filamentos fundidos.
La presente invención aporta además un aparato
que es para hilar fibras por fusión y comprende un conjunto de la
hilera que comprende medios de filtración; una hilera; un tubo
alargado de transporte, estando dicho tubo de transporte dispuesto
entre dichos medios de filtración y dicha hilera; medios para
calentar dicho tubo alargado de transporte; medios para calentar
dicha hilera; y un atemperador alargado dispuesto debajo de dicho
conjunto de la hilera.
La Figura 1 es una vista en sección de una parte
de un aparato de hilatura por fusión convencional.
La Figura 2 es una vista en sección de una
realización de una parte de un aparato de hilatura por fusión de la
presente invención, que tiene una hilera alargada.
La Figura 3 es una vista en sección de una
realización de una parte de un aparato de hilatura por fusión que
tiene una hilera alargada acortada.
La Figura 4 es una vista en sección de una
realización de una parte de un aparato de hilatura por fusión de la
presente invención, que tiene una hilera alargada acortada con
medios calentadores dispuestos dentro de una cavidad central de la
misma y medios calentadores dispuestos sobre una superficie exterior
de la misma.
La Figura 5 es una vista en sección y en despiece
de una realización de un aparato de hilatura por fusión de la
presente invención, que presenta un tubo alargado de transporte que
está dispuesto entre un grupo de filtración y un disco de
hilera.
La Figura 6 es una vista en sección en la que se
muestra el aparato de hilatura por fusión de la Fig. 5 montado.
La Figura 7 es una vista en sección y en despiece
de una realización de un aparato de hilatura por fusión de la
presente invención, que incorpora otra realización de un tubo
alargado de transporte y de un disco de hilera.
La Figura 8 es una vista en sección del aparato
de hilatura por fusión de la Fig. 7 montado.
La Figura 9 es un esquema de una realización de
un aparato de hilatura por fusión de la presente invención.
Las Figuras 10A y 10B son vistas en sección de
una realización de un atemperador que es útil en la presente
invención. La Fig. 10B es una vista ampliada de una parte de la Fig.
10A.
La Figura 11 es un gráfico en el que está
registrada gráficamente la velocidad de cizallamiento (1/seg.)
referida al factor de estiramiento en la hilatura (SSF) a 500ºC para
una composición del Ejemplo 1, representando el triángulo en negro
al factor de estiramiento en la hilatura (SSF) a la primera rotura
de filamento y representando el triángulo en blanco al SSF a la
última rotura de filamento. Se incluyen algunos datos de
denier/tenacidad/velocidad/caudal en gramos por minuto.
La Figura 12 es un gráfico que demuestra que la
temperatura ejerce un efecto positivo en el SSF a la primera rotura
de filamento para una velocidad de cizallamiento constante. El
círculo representa al SSF a 420ºC; el cuadrado representa al SSF a
460ºC; y el triángulo representa al SSF a 500ºC (véase también el
Ejemplo 1).
La Figura 13 es una representación gráfica del
caudal de paso por la hilera referido a la distancia de
solidificación desde la hilera con y sin un atemperador y usando
FEP-5100, una hilera para la hilatura de 30
filamentos de 30 milésimas de pulgada, un atemperador de 3 pulgadas
de diámetro y 41 pulgadas de largo y unas temperaturas de la hilera
de 380ºC (triángulo), 430ºC (cuadrado) y 480ºC (círculo),
representando los símbolos en blanco las condiciones de trabajo sin
atemperador y representando los símbolos en negro el uso de un
atemperador.
La Figura 14 es una representación gráfica de la
distancia desde una hilera (en pulgadas) referida a la temperatura
del hilo con un atemperador (símbolos en negro) y sin un atemperador
(símbolos en blanco) usando FEP-5100, una hilera
para la hilatura de 30 filamentos de 39,4 milésimas de pulgada (1,0
mm) y una temperatura de la hilera de 480ºC, a razón de 45,4 gpm/6,0
pph (gpm = gramos/minuto) (pph = libras/h), representando el
cuadrado la temperatura del hilo a una velocidad de hilatura de 400
mpm (mpm = metros/minuto), representando el círculo la temperatura
del hilo a 500 mpm, y representando el triángulo la temperatura del
hilo a 700 mpm.
La Figura 15 es una representación gráfica de la
longitud del atemperador (en pulgadas) referida a la velocidad de
primera rotura de filamento en metros/minuto (mpm). Se usó lo
siguiente: fluoropolímero FEP-5100, una hilera para
la hilatura de 30 filamentos de 30 milésimas de pulgadas (0,76 mm),
una temperatura de la hilera de 480ºC y un caudal másico de 44,8
gramos/minuto (gpm).
La Figura 16 es una representación gráfica de la
temperatura referida a la velocidad de primera rotura de filamento
(mpm) para el Ejemplo 23, representando el círculo en negro la
muestra de la presente invención, y representando el cuadrado al
ejemplo comparativo.
El proceso de la presente invención proporciona
las ventajas de la hilatura a alta temperatura evitando al mismo
tiempo las pegas de la misma. En el proceso de la presente
invención, la composición que comprende un polímero termoplástico
altamente fluorado o una mezcla de tales polímeros puede ser
expuesta a temperaturas superiores a la temperatura de degradación
de los polímeros por espacio de periodos de tiempo que son
suficientes para ocasionar una disminución de la viscosidad de la
masa fundida pero son insuficientes para que se produzca una
considerable degradación de los polímeros. En la hilatura por
fusión, la composición fundida experimenta la máxima velocidad de
cizallamiento durante su paso a través de la matriz de extrusión, o
sea p. ej. a través de los capilares de la hilera del aparato de
hilatura por fusión. En el proceso de la presente invención, es en
ese punto cuando la composición fundida puede ser calentada hasta
una temperatura superior a la temperatura de degradación del
polímero altamente fluorado. Debido a la alta velocidad de paso por
la hilera que puede ser alcanzada en la presente invención debido a
la elevada temperatura, el tiempo de permanencia de la composición
en la matriz de extrusión es mantenido al nivel de una mínima
cantidad de tiempo.
En consecuencia, la presente invención aporta un
primer proceso para hilar por fusión una composición que comprende
un polímero termoplástico altamente fluorado o una mezcla de tales
polímeros, comprendiendo dicho proceso los pasos de fundir una
composición que comprende un polímero termoplástico altamente
fluorado o una mezcla de tales polímeros para formar una composición
fluoropolimérica fundida; transportar dicha composición
fluoropolimérica fundida a presión hasta una matriz de extrusión de
un aparato de hilatura por fusión; y extrusionar la composición
fluoropolimérica fundida a través de la matriz de extrusión para
formar filamentos fundidos, estando dicha matriz a una temperatura
de al menos 450ºC, a una velocidad de cizallamiento de al menos 100
seg.^{-1}, y a una velocidad de hilatura de al menos 500
m/min.
En el paso de fusión es fundida una composición
que incluye un polímero termoplástico altamente fluorado o una
mezcla de tales polímeros. A los efectos de este primer proceso, los
polímeros termoplásticos altamente fluorados incluyen homopolímeros
distintos del politetrafluoroetileno (PTFE), tales como fluoruro de
polivinilideno (PVDF), y copolímeros tales como copolímeros de
tetrafluoroetileno (TFE) preparados con comonómeros incluyendo
perfluoroolefinas, tales como un compuesto perfluorovinilalquílico,
un perfluoroalquilviniléter, o mezclas de tales polímeros. A los
efectos de esta invención, el vocablo "copolímero" engloba
polímeros que comprenden dos o más comonómeros en un solo polímero.
El hexafluoropropileno es un compuesto perfluorovinilalquílico
representativo. Son perfluoroalquilviniléteres representativos el
perfluorometilviniléter (PMVE), el perfluoroetilviniléter (PEVE) y
el perfluoropropilviniléter (PPVE). Son polímeros altamente
fluorados preferidos los copolímeros preparados a base de
tetrafluoroetileno y perfluoroalquilviniléter y los copolímeros
preparados a base de tetrafluoroetileno y hexafluoropropileno. Los
copolímeros que son los más preferidos son de TFE con un
1-20% molar de un comonómero
perfluorovinilalquílico, preferiblemente con un
3-10% molar de hexafluoropropileno o un
3-10% molar de hexafluoropropileno y un
0,2-2% molar de PEVE o de PPVE, y los copolímeros de
TFE con un 0,5-10% molar de
perfluoroalquilviniléter, incluyendo un 0,5-3% molar
de PPVE o de PEVE. Son también adecuadas para la puesta en práctica
de esta invención mezclas de los polímeros termoplásticos altamente
fluorados que incluyen mezclas de copolímeros de TFE.
Los fluoropolímeros que son adecuados para la
puesta en práctica de la presente invención presentan
preferiblemente un índice de fusión (MFR) de 1 a aproximadamente 50
g/10 minutos según determinación efectuada a 372ºC según los métodos
de ensayo de las normas ASTM D2116, D3307 o D1238, o según los
correspondientes métodos de ensayo con que se cuenta para otros
polímeros termoplásticos altamente fluorados.
La composición que comprende el polímero
termoplástico altamente fluorado o una mezcla de tales polímeros
puede comprender además aditivos. Tales aditivos pueden incluir, por
ejemplo, pigmentos y cargas.
En el presente proceso, la composición que
comprende el polímero altamente fluorado o la mezcla de tales
polímeros, como se ha expuesto anteriormente, es fundida para formar
una composición fluoropolimérica fundida. Para formar una masa
fundida pueden usarse cualesquiera de los medios que son conocidos
en la técnica. Un método representativo puede incluir la
introducción de la composición fluoropolimérica en una
extrusionadora que es calentada hasta una temperatura suficiente
para fundir la composición pero inferior a la temperatura de
degradación del polímero termoplástico altamente fluorado o de la
mezcla de tales polímeros. Esta temperatura es dependiente de los
polímeros específicos que se usen.
Una vez que la composición está en estado de
fusión, la misma es transportada a presión hasta una matriz de
extrusión, tal como una hilera, de un aparato de hilatura por
fusión. Los medios que se usan para transportar las composiciones
hasta la matriz de extrusión son perfectamente conocidos en la
técnica e incluyen un aparato con un émbolo o pistón, una
extrusionadora de un solo husillo o una extrusionadora de dos
husillos. En una realización preferida del proceso de la presente
invención, se emplea una extrusionadora para fundir y transportar la
composición fundida que es adecuada para la puesta en práctica de
esta invención hasta una matriz de extrusión de cabos de una sola
abertura o de múltiples aberturas para formar, respectivamente, un
producto que constituye una fibra monofilamento o una fibra
multifilamentos. El cilindro y el husillo de la extrusionadora y la
matriz están preferiblemente hechos de materiales resistentes a la
corrosión entre los que se incluyen las aleaciones de acero con alto
contenido de níquel resistentes a la corrosión tales como la
Hastelloy C-276 (de la Cabot Corp., de Kokomo, IN).
Son perfectamente conocidas en la técnica y están disponibles
comercialmente muchas extrusionadoras adecuadas entre las que se
incluyen las del tipo de una extrusionadora de husillo y las del
tipo de una extrusionadora de émbolo. Puede incluirse también un
dispositivo dosificador tal como una bomba de engranajes para
facilitar la dosificación de la masa fundida entre la extrusionadora
de husillo y la hilera.
En el proceso de la presente invención, tras
haber sido la composición fluoropolimérica fundida transportada
hasta la matriz de extrusión, la misma es extrusionada a través de
las aberturas de la matriz de extrusión, estando dicha matriz a una
temperatura de al menos 450ºC, a una velocidad de cizallamiento de
al menos 100 seg.^{-1}, y a una velocidad de hilatura de al menos
500 m/min.
Las aberturas de la matriz de extrusión pueden
tener cualquier forma deseada de su sección transversal, siendo la
preferida la forma circular de la sección transversal. Se ha
comprobado que para su uso en el proceso de la presente invención el
adecuado diámetro de una abertura de sección transversal circular
puede estar situado dentro de la gama de diámetros que va desde
aproximadamente 0,5 hasta 4,0 mm, pero la puesta en práctica de esta
invención no queda limitada a esa gama de diámetros. La relación de
longitud a diámetro de la abertura de la matriz de extrusión que es
útil en la presente invención está preferiblemente situada dentro de
la gama de relaciones que va desde aproximadamente 1:1 hasta
aproximadamente 8:1. A pesar de que la disposición según la cual se
dispongan los orificios no es decisiva, se prefiere que los
orificios estén dispuestos en un círculo o en dos círculos
concéntricos, siendo más preferida la disposición en un solo
círculo.
La Fig. 1 ilustra una parte de un aparato
convencional para la hilatura por fusión de polímeros
termoplásticos, y concretamente el conjunto 10 de la hilera. Están
ilustrados un adaptador 1 que puede ser calentado con un calentador
de cartucho introducido dentro del espacio 9 que está localizado
entre las líneas de trazos a lo largo del adaptador 1, que está
unido a medios para transportar y fundir la composición
fluoropolimérica (no ilustrados), el grupo de filtración 2 que
contiene los medios 3 de filtración de la masa fundida, que son
típicamente rejillas, y la hilera convencional 4 que tiene la placa
frontal 5, estando la placa frontal 5 dispuesta en un extremo de la
hilera 4 a una distancia h del extremo opuesto de la hilera 4. La
hilera 4 está dispuesta junto a la superficie inferior 8 del grupo
de filtración 2, y junto con el grupo de filtración 2 es unida al
adaptador 1 por la tuerca de retención 6. El conjunto 10 de la
hilera es calentado por el calentador de cinta 7 que está dispuesto
periféricamente en torno a la tuerca de retención 6. En la Fig. 1,
la hilera 4 es calentada en general en virtud de su contacto
conductivo con la tuerca de retención 6.
En el diseño del conjunto de hilera convencional
de la Fig. 1, no hay una conveniente manera de calentar tan sólo la
placa frontal 5 de la hilera 4 porque la hilera 4 queda enteramente
alojada dentro del anillo de retención 6. Todo intento de
sobrecalentar la placa frontal 5 redundaría en un calentamiento de
una parte considerable de otras zonas del conjunto 10 de la hilera
hasta una temperatura similar si bien algo más baja. Este indeseable
calentamiento de otras zonas además de la placa frontal 5 del
conjunto 10 de la hilera hasta temperaturas del orden de la
temperatura de degradación de la composición fluoropolimérica o
superiores a la misma redundaría en una no deseable larga duración
de la exposición de la composición fluoropolimérica a una alta
temperatura, y podría dar lugar a una excesiva degradación de los
polímeros bajo determinadas circunstancias.
Durante la extrusión en la presente invención, la
matriz de extrusión es calentada hasta una temperatura de al menos
450ºC. Para determinadas composiciones fluoropoliméricas de la
presente, la matriz de extrusión puede ser calentada hasta
temperaturas de más de aproximadamente 500ºC. El calentamiento hasta
estas temperaturas sin una degradación de la composición
fluoropolimérica puede hacerse aislando térmicamente la matriz de
extrusión de otras zonas del aparato de hilatura por fusión que
puedan contener la composición fluoropolimérica. Cuando la
composición fluoropolimérica comienza a pasar a través de la matriz
de extrusión, la elevada temperatura de la matriz induce una rápida
disminución de la viscosidad de la masa fundida polimérica,
permitiendo que sea alta la velocidad de paso por la matriz de
extrusión. Para evitar la degradación térmica, es necesario reducir
el tiempo de permanencia de la masa fundida a las altas
temperaturas. Puesto que la degradación es función no tan sólo de la
temperatura sino también del tiempo, si la temperatura es alta se
prefiere que el tiempo de permanencia sea minimizado. Por
consiguiente, la presente invención proporciona la temperatura más
alta en la zona en la que la misma sería más beneficiosa, y
concretamente en la matriz de extrusión, o sea p. ej. en las paredes
de los orificios capilares de la hilera, que están en la placa
frontal de la hilera. Por consiguiente, a la matriz de extrusión se
la puede mantener aislada térmicamente de las otras zonas del
aparato de hilatura por fusión que pueden estar en contacto con la
composición fluoropolimérica.
La hilera o una parte de la misma que incluya la
placa frontal puede ser calentada independientemente de otras zonas
del conjunto de la hilera. Para la puesta en práctica de la
invención pueden emplearse cualesquiera medios para lograr un
calentamiento altamente localizado hasta una temperatura de al menos
450ºC. Tales medios incluyen un calentador de bobina, un calentador
de cartucho, un calentador de cinta y aparatos de calentamiento por
radiofrecuencia, por conducción, por inducción o por convección,
tales como un calentador por corrientes de inducción. Puede usarse
aislamiento, tal como aislamiento cerámico, para lograr separaciones
y con ello aislamiento térmico entre la placa frontal y las otras
zonas del aparato de hilatura por fusión que puedan estar en
contacto con la composición fluoropolimérica. Puede hacerse también
uso de una o varias camisas de refrigeración en zonas de la hilera o
del conjunto de la hilera distintas de la matriz de extrusión para
lograr un aislamiento térmico de la matriz de extrusión.
A fin de facilitar el aislamiento térmico de la
matriz de extrusión, en una realización de la presente invención se
ha comprobado que resulta satisfactorio separar la placa frontal de
la hilera del cuerpo de la hilera simplemente a base de incrementar
la distancia h entre los extremos de la hilera convencional que está
ilustrada en la Fig. 1. Al ser incrementada de esta manera la
distancia, ilustrada en la Fig. 2 como h', ello permite efectuar por
separado un calentamiento de la placa frontal de la hilera sin
incluir en dicho calentamiento la mayor parte del resto del conjunto
de la hilera. Así, la placa frontal de la hilera de la presente
invención está en una realización separada de la superficie inferior
del grupo de filtración por la distancia h', siendo dicha distancia
suficiente para permitir que sea efectuado por separado un
calentamiento de la placa frontal de la hilera.
En la Fig. 2 está ilustrado el conjunto 20 de la
hilera, que tiene un adaptador 21 que está unido a medios para
fundir y/o transportar la composición fluoropolimérica (no
ilustrados), el grupo de filtración 22 que contiene la rejilla 23 y
la superficie inferior 28, y la hilera alargada 24, que tiene la
placa frontal 25 que está dispuesta en un extremo de la hilera 24 a
una distancia h' del extremo opuesto de la hilera 24 que está junto
a la superficie inferior 28 del grupo de filtración 22, siendo h'
> h y manteniéndose iguales las otras medidas de las Figs. 1 y 2,
para permitir que la placa frontal 25 quede situada fuera de la
tuerca de retención 26. Con la placa frontal 25 sobresaliendo así de
la tuerca de retención 26, pueden usarse los medios calentadores 29
para calentar por separado la placa frontal 25, y por consiguiente
la placa frontal 25 queda aislada térmicamente del resto del
conjunto de la hilera. Medios calentadores 27 tales como un
calentador de cinta o de bobina están dispuestos periféricamente en
torno a la tuerca de retención 26.
Está ilustrada en la Fig. 3 como conjunto 30 de
hilera una realización alternativa de un conjunto de hilera que es
útil en la presente invención. En esta realización, la parte
inferior de la tuerca de retención 26 de la Fig. 2 tiene su tamaño
reducido, siendo p. ej. más delgada la tuerca de retención; véase la
tuerca de retención 36 en la Fig. 3. Aquí, el cuerpo de la hilera
alargada 34 está acortado con respecto a la longitud de la hilera 24
de la Fig. 2, y sin embargo la hilera 34 es alargada (con respecto a
la hilera 4 de la Fig. 1) prolongándose hasta más allá de la tuerca
de retención 36, lo cual permite que la placa frontal 35 sea
calentada por separado mediante medios 39, aparte de los medios 37
que según están ilustrados son para calentar otra zona del conjunto
de la hilera. Están también ilustrados el adaptador 31, que está
unido a medios para fundir y/o transportar la composición
fluoropolimérica (no ilustrados), el grupo de filtración 32 y los
medios de filtración 33, y el conducto 38.
En las susodichas realizaciones de la presente
invención, la composición fundida que es transportada al interior de
la hilera puede ser calentada por medios dispuestos en torno a la
pared exterior de la hilera, y así la temperatura de la masa fundida
que está junto a las paredes de las aberturas es más alta que la
temperatura en el centro de la masa fundida. El efecto de esta falta
de uniformidad de la temperatura, que es máxima en el exterior y va
disminuyendo hacia el centro de la masa fundida, puede hacer que los
filamentos que son extrusionados se inclinen hacia el centro de la
hilera. El ángulo de inclinación que ha sido observado es de más de
45 grados a alta velocidad de los chorros de material para
determinadas composiciones fluoropoliméricas. La consecuencia de
este fenómeno puede consistir en una reducción de la continuidad del
filamento que puede lograrse a alta velocidad. A fin de reducir todo
gradiente de temperatura entre las partes más exterior y más
interior de la masa fundida de polímero, como se muestra en el
conjunto 40 de la hilera de la Fig. 4 pueden introducirse en el
centro de la hilera alargada 44 unos medios calentadores tales como
un calentador de cartucho que quedan colocados dentro de la abertura
48. Están también ilustrados en la Fig. 4 el adaptador 41, que está
unido a medios para fundir y/o transportar la composición
fluoropolimérica (no ilustrados), el grupo de filtración 42, los
medios de filtración 43, la tuerca de retención 46, los medios
calentadores 47 y 49, y la placa frontal 45.
Una realización adicional prevista por la
presente invención, ilustrada en las Figs. 5 y 6 en forma del
conjunto 50 de la hilera, es para calentar la masa fundida más
rápidamente y a través del conducto estrecho 62 (estrecho con
respecto al conducto 38 de la Fig. 3) que está previsto dentro del
tubo de transporte 58, y para reducir el volumen directamente antes
de la placa frontal 55 de la hilera. Al ser reducido el volumen, es
reducido el tiempo de permanencia. Esta realización proporciona
también la oportunidad de prever una zona de temperatura intermedia
para la composición mientras la misma está en el conducto 62 del
tubo de transporte 58, mediante el uso de medios calentadores 60.
Así, el presente proceso puede incluir adicionalmente el paso de
exponer la composición fluoropolimérica a una temperatura intermedia
que está situada dentro de la gama de temperaturas que va desde la
temperatura de fusión de la composición fluoropolimérica hasta una
temperatura inferior a la temperatura de la matriz de extrusión, o
sea p. ej. inferior a la temperatura reinante en la placa frontal de
la hilera. Como está ilustrado, la parte del tubo de transporte 58
que es adyacente al grupo de filtración 52 puede ser calentada
mediante medios calentadores 57 dispuestos periféricamente en torno
a la tuerca de retención 56. La composición fluoropolimérica que se
encuentra dentro del conducto 62 del tubo de transporte 58 puede ser
precalentada hasta al menos una temperatura intermedia que puede
estar situada dentro de la gama de temperaturas que va desde la
susodicha temperatura de fusión de la composición fluoropolimérica
hasta una temperatura inferior a la temperatura de la placa frontal
55 mediante medios calentadores 57 y/o medios calentadores 60. Según
se ilustra, la placa frontal 55 es en esta realización calentada por
separado mediante medios calentadores 61 que van en el manguito 59
de la hilera. El tubo de transporte 58 está dispuesto a continuación
del grupo de filtración 52 y de los medios de filtración 53 y va
seguido por la hilera 54, que según está ilustrada tiene forma de
disco. La hilera 54 puede ser desmontable para que así pueda
procederse a su limpieza y sustitución sin retirar el grupo de
filtración 52. Está también ilustrado el adaptador 51, que está
unido a medios para fundir y/o transportar la composición
fluoropolimérica (no ilustrados).
Las Figs. 7 y 8 muestran el conjunto 70 de la
hilera de la presente invención cuya realización permite retirar el
tubo de transporte 78 e instalar hileras de disco de mayor diámetro
en comparación con la realización que está ilustrada en las Figs. 5
y 6, tal como la hilera 74. La tuerca 79 de la hilera sujeta la
hilera de disco 74, que tiene la placa frontal 75, a la superficie
inferior 82 del tubo de transporte 78. El conducto circulatorio
interno estrecho 83 del tubo de transporte 78 reduce el volumen y el
tiempo de permanencia de la composición fluoropolimérica a alta
temperatura, para así reducir adicionalmente las posibilidades de
degradación. El tubo de transporte 78 proporciona también unos
medios para incrementar la temperatura hasta una temperatura
intermedia entre los medios de filtración 73 y la hilera 74 mediante
sus medios calentadores 80 previstos por separado. Al mismo tiempo,
la realización del tubo de transporte ilustrada proporciona una
transmisión de calor más uniforme y más rápida. Una ventaja
adicional de esta realización es la de que la hilera de disco 74
puede ser sustituida sin tener que retirar el grupo de filtración, y
el disco puede ser más fácil de fabricar. Están también ilustrados
el adaptador 71, que está unido a medios para fundir y/o transportar
la composición fluoropolimérica (no ilustrados), el plato 72, que
tiene múltiples conductos de distribución y sirve para soportar los
medios de filtración 73, la tuerca de retención 76 que está rodeada
por los medios calentadores 77, la cámara 84, que está dispuesta
entre los medios de filtración 73 y el tubo de transporte 78, y la
placa frontal 75.
Se cree que el presente proceso proporciona una
extrusión autolubricada por la masa fundida. La expresión
"extrusión autolubricada por la masa fundida" significa que tan
sólo la capa exterior del material extrusionado, o sea la parte de
la masa fundida que está directamente junto a las paredes de las
aberturas, es calentada hasta una temperatura extremadamente alta
por la muy caliente superficie de la abertura de la hilera, lo cual
redunda en una muy baja viscosidad de esta parte de la masa fundida,
mientras que la mayor parte del material extrusionado se mantiene a
una temperatura más baja debido al corto tiempo de contacto o de
permanencia. La considerablemente reducida viscosidad de la capa
exterior se comporta como una fina película lubricante, permitiendo
así que la extrusión pase a tener lugar en condiciones de flujo de
tapón, teniendo la mayor parte del material extrusionado una
velocidad uniforme.
En el sentido en el que se la utiliza en la
presente, la expresión "velocidad de cizallamiento" se refiere
a la velocidad de cizallamiento aparente junto a la pared, y es
calculada como 4Q/\piR^{3} (Q = caudal volumétrico, R = radio
del capilar). En el proceso de la presente invención, la velocidad
de cizallamiento es de al menos 100/seg. La gama de velocidades de
cizallamiento dentro de la cual puede lograrse una satisfactoria
hilatura de fibras por fusión en una configuración determinada y a
una temperatura determinada va estrechándose progresivamente al
aumentar la viscosidad de la masa fundida de polímero. La ventana de
trabajo puede ser expandida incrementando la temperatura, lo cual
hace que la velocidad de cizallamiento crítica para el inicio de la
fractura de la masa fundida se desplace hacia gamas de velocidades
de cizallamiento más altas, pero hay que tener cuidado de evitar la
degradación del polímero. La temperatura/velocidad de cizallamiento
crítica para la fractura de la masa fundida es aquí determinada a
base de incrementar el caudal de paso por la hilera para una
temperatura determinada y unas determinadas dimensiones de la hilera
hasta que sea visible rugosidad superficial, que es puesta de
manifiesto al cambiar el material extrusionado fundido pasando de
ser transparente a ser ligeramente opaco, lo cual indica el inicio
de la fractura de la masa fundida. Un adicional incremento del
caudal de paso por la hilera daría lugar a una indeseable mayor
rugosidad superficial, a un peor rendimiento de la hilatura y a la
obtención de peores propiedades.
La velocidad de hilatura del proceso de la
presente invención es de al menos 500 m/min., y es aquí determinada
como la velocidad de hilatura en el último cilindro, que en
dependencia de la configuración del aparato de hilatura por fusión
puede ser un cilindro receptor o un cilindro de devanado.
Se comprueba en la puesta en práctica de la
presente invención que tanto la velocidad de cizallamiento como el
SSF ejercen un marcado efecto en la resistencia del filamento
hilado. Puede mantenerse la misma resistencia al aumentar la
velocidad de cizallamiento mientras que disminuye el SSF, y
viceversa, como queda demostrado en el Ejemplo 1 y como se ilustra
gráficamente en la Fig. 11.
El proceso de la presente invención puede
comprender adicionalmente el paso de apantallar los filamentos. Al
apantallar los filamentos, el aire que rodea los filamentos se
mantiene más caliente que si los filamentos estuviesen expuestos al
aire libre ambiente, y por consiguiente se impide así el rápido
enfriamiento de los filamentos. El aire libre ambiente, y en
particular el aire turbulento, puede redundar en un rápido
enfriamiento de los filamentos, lo cual es indeseable porque puede
ser perjudicial para la cantidad de estirado que puedan tener los
filamentos. Así, el apantallamiento de los filamentos puede permitir
un mayor adelgazamiento de estiramiento en la hilatura. Se ha
observado aquí que puede lograrse un alto SSF para hilatura a alta
velocidad si la solidificación del cabo de hilo fundido tiene lugar
a una distancia de más de 50 veces el diámetro de la hilera de
extrusión (diámetro del capilar) (véase también la Fig. 13).
Preferiblemente, la distancia de solidificación es de más de 500
veces el diámetro del capilar. El apantallamiento puede ir
acompañado por el paso de pasar los filamentos fundidos a través de
un atemperador. Un atemperador permite que los filamentos fundidos
extrusionados a alta velocidad sean sometidos a un alto grado de
estiramiento en la hilatura, y por consiguiente incrementa la
velocidad de hilatura. A pesar de que puede ser generada una ligera
aspiración de aire por el hilo que se mueve rápidamente a través del
fondo del atemperador, el atemperador sigue proporcionando un
ambiente relativamente quiescente frente a la turbulencia de aire
circundante, lo cual da lugar a un enfriamiento parcial pero impide
un enfriamiento rápido de los filamentos fundidos extremadamente
calientes, manteniendo a los filamentos a una temperatura superior a
su punto de fusión dentro de una distancia desde la hilera mucho
mayor que la que se tendría sin un atemperador. Esto está ilustrado
gráficamente en la Fig. 13. El uso de un atemperador mantiene
también al hilo solidificado a una temperatura más alta que la que
se daría sin usar un atemperador, como se muestra en la Fig. 14.
Además, el uso de un atemperador puede permitir más altas
velocidades de hilatura, como se muestra en la Fig. 15 (nota: 0
pulgadas representa que no se usa atemperador). Con respecto a las
Figs. 14 y 15, 1 pulgada = 25,4 mm.
Está ilustrada en las Figs. 10A y 10B una
realización de un atemperador que es útil en la presente invención.
Como está ilustrado, el atemperador 200 incluye el tubo interior
202, que es un tubo largo que está dispuesto concéntricamente en el
interior del tubo exterior 204, que es un tubo de diámetro
ligeramente mayor que puede tener prácticamente la misma longitud.
El tubo interior 202 puede estar posicionado dentro del tubo
exterior 204 de forma tal que sobresalga por debajo del tubo
exterior 204, proporcionando así una salida para los filamentos
fundidos y creando además una abertura cilíndrica 205 junto a la
parte superior del tubo exterior 204. La abertura 205 permite que
sea aspirado al interior de la cámara interior 206 del tubo interior
202 aire que puede haber sido precalentado en el espacio anular 208
entre el tubo interior 202 y el tubo exterior 204. A pesar de que no
se aporta calor externo, el espacio anular 208 puede ser calentado
durante la hilatura por el calor que irradian los filamentos
fundidos extrusionados calientes. La brida superior 210, que puede
tener un reborde periférico circular, descansa sobre la parte
superior del tubo exterior 204. El tubo de malla 212, que se compone
preferiblemente de una rejilla de malla fina, tal como de malla del
20, puede estar unido a la brida superior 210 y está dispuesto junto
a las paredes interiores del tubo interior 202. El tubo de malla 212
discurre axialmente a través de la cámara interior 206 hasta más
allá de la abertura 205, pero no es necesario prever el tubo de
malla a todo lo largo del tubo interior. El tubo de malla 212, que
puede incluir adicionalmente una segunda malla más fina, tal como
una malla del 100, unida a la primera malla o dispuesta muy junto a
la misma, sirve para reducir la turbulencia del aire entrante y
facilita también una distribución considerablemente uniforme del
aire, de manera que el aire fluye radialmente al interior de la
cámara 206 a través de la abertura 205. Están también ilustrados
distanciadores 214 que están realizados en forma de placas anulares
perforadas, están dispuestos entre el tubo interior 202 y el tubo
exterior 204, están unidos ya sea a la superficie exterior del tubo
interior 202 o bien a la superficie interior del tubo exterior 204,
y pueden servir para impedir que el tubo interior 202 caiga fuera
del tubo exterior 204. Rejillas 216 de malla fina pueden estar
colocadas sobre la placa 214 para difundir y distribuir el aire que
fluye hacia arriba y al interior de la abertura 205. Tales
distanciadores 214 y 216 son opcionales. Un anillo de vidrio
opcional 220 permite la observación visual de los cabos de hilo
fundidos y del frente de la hilera.
Los tubos interior e exterior del atemperador
pueden estar hechos de materiales entre los que se incluye el metal,
tal como aluminio, o el plástico, tal como Lucite®. El atemperador
puede ser autoestable, o bien puede mantenérsele estable con un
adecuado mecanismo de montaje que puede ser unido a otros elementos
de un aparato de hilatura por fusión o bien puede ser unido a otros
materiales para mantenerlo firmemente estable.
El proceso de la presente invención puede
comprender adicionalmente el paso de pasar el material extrusionado
en forma de uno o varios cabos a través de una zona de enfriamiento
rápido a medios para acumular la fibra hilada. La zona de
enfriamiento rápido puede estar a temperatura ambiente, o bien puede
ser calentada o enfriada con respecto a la misma, en dependencia de
las necesidades de la específica configuración de proceso que se
emplee.
Para la puesta en práctica de la presente
invención son adecuados cualesquiera medios para acumular la fibra.
Tales medios incluyen un tambor giratorio, un sistema de colocación
en botes o una estación de devanado, preferiblemente con una barra
guiahílos, siendo todos estos medios conocidos en la técnica. Otros
medios incluyen un proceso en el que se pica o corta la fibra
continua hilada y estirada con el fin de producir una estopa de
fibras cortadas o un fíbrido. Otros medios adicionales incluyen una
incorporación directa en línea de la fibra hilada y estirada a una
estructura de tela o a una estructura de material compuesto. Unos
medios que se ha comprobado que son adecuados en las realizaciones
que se describen más adelante en la presente consisten en una
estación de devanado de tipo textil de alta velocidad, de la clase
de las que son suministradas comercialmente por la Leesona Co., de
Burlington, NC.
Pueden emplearse según convenga aquellos otros
medios que son conocidos en la técnica de la hilatura de fibras para
ayudar a transportar la fibra. Estos medios incluyen el uso de
poleas de guía, cilindros receptores, barras de aire, separadores y
medios similares.
Puede ser aplicado a la fibra un acabado
antiestático. La aplicación de un acabado de este tipo es
perfectamente conocida en el ramo.
El proceso de la presente invención puede
comprender además un paso de estirado de la fibra, una etapa de
relajación, o ambos. La fibra puede ser estirada entre cilindros
receptores y un conjunto de cilindros de estirado. Como es
perfectamente conocido en el ramo, con tal estirado se incrementa la
tenacidad de la fibra y se reduce la densidad lineal de la misma.
Los cilindros receptores pueden ser calentados para impartir un más
alto grado de estirado a la fibra, siendo la temperatura y el grado
de estirado dependientes de las deseadas propiedades de la fibra
final. Pueden ser análogamente añadidos al presente proceso para
relajar la fibra pasos adicionales que son conocidos para los
expertos en la materia.
La presente invención aporta además un aparato de
hilatura de fibras por fusión que comprende un conjunto de la hilera
que comprende medios de filtración; una hilera; un tubo alargado de
transporte, estando dicho tubo de transporte dispuesto entre dichos
medios de filtración y dicha hilera; medios para calentar dicho tubo
alargado de transporte; medios para calentar dicha hilera; y un
atemperador alargado dispuesto debajo de dicho conjunto de la
hilera.
hilera.
En el presente aparato pueden usarse cualesquiera
medios para filtrar la masa fundida que es convencionalmente usada
en la técnica de hilatura por fusión. La hilera está construida para
permitir efectuar por separado el calentamiento del frente de la
hilera, o sea p. ej. de la parte de la hilera que incluye las
paredes de los capilares, pudiendo dicho frente constar de una placa
aparte o bien ser parte integrante del cuerpo de la hilera,
excluyendo dicho calentamiento otras zonas del aparato de hilatura
por fusión. La relación de longitud a diámetro de los capilares
dentro de la hilera está preferiblemente situada dentro de una gama
de relaciones que va desde aproximadamente 1:1 hasta aproximadamente
8:1. Los orificios capilares de la hilera están preferiblemente
dispuestos para que se logre un calentamiento uniforme entre todos
los orificios. Preferiblemente, los orificios capilares están
dispuestos en dos círculos concéntricos o bien en un solo círculo.
Preferiblemente, la hilera puede ser retirada por separado del tubo
de transporte, para que así pueda ser efectuada fácilmente su
limpieza o sustitución. Análogamente, el tubo de transporte puede
ser preferiblemente retirado del grupo de filtración y de la hilera.
Los medios que se usan para calentar el tubo de transporte y los
medios que se usan para calentar la hilera pueden incluir un
calentador de cinta, un calentador de bobina u otros calentadores
por conducción, por convección o por inducción que son conocidos
para los expertos en la materia.
El atemperador alargado, del que se da una
descripción más detallada anteriormente y en los ejemplos, comprende
preferiblemente un tubo interior y un tubo exterior que están
separados por un espacio anular. Preferiblemente, el diámetro
interior de los tubos interiores está situado dentro de una gama de
diámetros que va desde aproximadamente 3 pulgadas hasta
aproximadamente 8 pulgadas. El atemperador alargado puede comprender
además un tubo de malla que está dispuesto junto a la pared interior
del tubo interior y se extiende hacia abajo a lo largo del tubo
interior abarcando al menos una parte de la longitud del mismo. El
atemperador alargado puede comprender adicionalmente al menos una
placa perforada que está dispuesta dentro del espacio anular, se
extiende radialmente con respecto a la periferia de dicho tubo
exterior, y está unida a la pared exterior de dicho tubo interior, a
la pared interior de dicho tubo exterior, o bien a ambos tubos.
Pueden colocarse rejillas sobre estas placas
perforadas o muy junto a las mismas. A través de una abertura o
entrada puede entrar aire en el espacio anular del atemperador. El
atemperador puede comprender adicionalmente medios para medir o
regular el caudal de aire, tal como por medio de una válvula de
aguja o de un caudalímetro.
El presente aparato puede comprender además
medios para acumular los filamentos hilados. Pueden usarse
cualesquiera de los medios que son convencionalmente conocidos en la
técnica, incluyendo, aunque sin carácter limitativo, un cilindro
receptor, un cilindro de estirado y un cilindro de devanado.
Está ilustrada en la Fig. 9 en forma del aparato
de hilatura por fusión 100 una realización de un aparato de hilatura
por fusión según la presente invención. Está ilustrada la tolva de
alimentación 102 al interior de la cual es aportada la composición
polimérica, preferiblemente en forma de pellets. Estos pellets son
calentados y transportados a través de la extrusionadora de husillo
103. Tras haber sido fundida la composición de polímero o de mezcla,
la misma es transportada a presión al bloque de bombeo 104, a través
del grupo de filtración 105 y del tubo de transporte 106 a la hilera
107, que tiene el frente 108. El manguito de vidrio 109 permite ver
los filamentos fundidos. La composición fluoropolimérica fundida es
extrusionada a través de una o varias aberturas de la placa frontal
108 en la hilera 107 para formar un cabo continuo que es pasado a
través del atemperador alargado 110, en el que el cabo es
apantallado para impedir su enfriamiento rápido. Al salir del
atemperador, la fibra hilada pasa por guiahílos de cola de puerco
111 y por guías de cambio de dirección 116 al cilindro acabador por
contacto 112 para una opcional aplicación de acabado, a un par de
cilindros receptores 113, a un par de cilindros de estirado 114, y a
una estación de devanado 115. Pueden ser añadidos adicionales
cilindros de estirado, así como cilindros de
relajación.
relajación.
Las fibras hechas mediante el proceso y el
aparato de la presente invención pueden ser útiles en materiales
textiles. Tales materiales textiles pueden ser usados en ropa
deportiva de altas prestaciones, tal como calcetines. Tales fibras
pueden ser combinadas con otras fibras en telas. Las fibras de PTFE
pueden ser usadas para hilo de calidad industrial para filtración en
húmedo. La fibra de PTFE puede ser también picada para cojinetes con
lubricación en seco.
En los ejemplos fueron usados los polímeros
siguientes (que son todos ellos suministrados por la E. I. du Pont
de Nemours and Company, de Wilmington, DE):
Teflon® PFA 340, que es un copolímero de TFE y
perfluoropropilviniléter
Teflon® FEP 5100, que es un copolímero de TFE,
hexafluoropropileno y perfluoroetilviniléter
Zonyl® MP-1300 PTFE
Teflon® TE-6462 PTFE
Teflon® PTFE TE-6472, que es un
polvo de moldeo granular
Teflon® PTFE 62, que es una resina de extrusión
de pasta lubricada
Zonyl® MP-1600N, PTFE
A no ser que se indique lo contrario, el polímero
usado era Teflon® PFA 340.
Fueron sometidos a ensayo los efectos de la
temperatura de la hilera, de la velocidad de cizallamiento y del
factor de estiramiento en la hilatura (SSF) en la velocidad de
hilatura y en las propiedades de la fibra.
La hilatura fue llevada a cabo usando una
extrusionadora de un solo husillo de acero de 1,0 pulgada (25,4 mm)
de diámetro a la cual estaba conectado un bloque de bombeo para
hilatura que estaba a su vez conectado a un adaptador del grupo de
la hilera, con las características siguientes: Fue usada una placa
de derivación en lugar de una bomba de hilatura. Fue usada una
hilera alargada tal como la ilustrada en la Fig. 2, siendo "h'"
de 2,0 pulgadas. Fue usada una hilera de 39 orificios de 30
milésimas de pulgada (0,76 mm) en la que todos los orificios estaban
en un solo círculo, para cubrir la gama de velocidades de
cizallamiento que va desde las bajas velocidades de cizallamiento
hasta las velocidades de cizallamiento medianas, como p. ej. desde
aproximadamente 60/seg. hasta aproximadamente 180/seg., mientras que
fue usada una hilera de 25 orificios de 15 milésimas de pulgada para
cubrir la gama de velocidades de cizallamiento que va desde las
velocidades de cizallamiento medianas hasta las altas velocidades de
cizallamiento, como p. ej. desde aproximadamente 350/seg. hasta
aproximadamente 1.150/seg. Un calentador de bobina de 1 pulgada
(25,4 mm) de altura y de 1,25 pulgadas (31,75 mm) de diámetro
interior (de la Industrial Heater Corp.) fue colocado en torno a la
parte inferior de 1 pulgada (25,4 mm) de la hilera alargada, y fue
usado para calentar por separado una parte de la hilera que incluía
la placa frontal. Fueron usados cilindros receptores convencionales
junto con una estación de devanado Leesona.
El perfil de temperatura antes de la hilera era
de 350ºC en la extrusionadora de husillo y 380ºC en el bloque de
bombeo que envía el material al grupo de filtración situado entre la
extrusionadora y la hilera. Fueron llevadas a cabo tres operaciones
de hilatura usando Teflon® PFA 340. La temperatura de la hilera fue
ajustada a 420ºC, 460ºC o 500ºC.
A 420ºC se producía fractura de la masa fundida
(M.F.) a una velocidad de cizallamiento de aproximadamente 180/seg.
La máxima velocidad de hilatura posible con todos los filamentos
intactos sin fractura de la masa fundida era de algo menos de 219
mpm a una velocidad de cizallamiento de aproximadamente 90/seg. La
tenacidad de la fibra a esta velocidad y con este cizallamiento era
de 1,02 gpd (gpd = gramos por denier). La máxima velocidad de
hilatura para la última rotura de filamento era de 490 mpm a una
velocidad de cizallamiento de aproximadamente 60/seg., y la
tenacidad de la fibra era de 1,68 gpd con un denier de filamento de
4,0 (1 gpd = 1 g/denier, siendo 1 denier = 1 g/9000 m).
A 460ºC la velocidad de cizallamiento apta para
la hilatura aumentaba para pasar a ser de algo menos de 720/seg.
antes del inicio de la fractura de la masa fundida. La máxima
velocidad de hilatura medida al tener lugar la primera rotura de
filamento era de 435 mpm a una velocidad de cizallamiento de
160/seg., y la fibra poseía una tenacidad de 1,13 gpd. La máxima
velocidad de hilatura al producirse la última rotura de filamento
era de 850 mpm también a una velocidad de cizallamiento de
aproximadamente 160/seg. La máxima tenacidad de la fibra para la
fibra hilada hasta la última rotura de filamento era de 1,61 gpd
para una hilatura efectuada a 580 mpm, con un denier de filamento de
2,0.
En la Fig. 11 se ilustra un gráfico de la
velocidad de cizallamiento referida al factor de estiramiento en la
hilatura para la muestra de hilera que trabajaba a 500ºC. El
triángulo en negro representa los datos a la primera rotura de
filamento, y el triángulo en blanco representa los datos a la última
rotura de filamento. A 500ºC, la velocidad de cizallamiento apta
para la hilatura se veía desplazada hasta la de algo menos de
1.150/seg. antes del inicio de la fractura de la masa fundida. La
máxima velocidad de hilatura al producirse la primera rotura de
filamento era de 933 mpm a una velocidad de cizallamiento de
aproximadamente 180/seg., y la fibra poseía una tenacidad de 1,04
gpd. La máxima velocidad de hilatura para la última rotura de
filamento era de 930 mpm también a aproximadamente 180/seg., y la
tenacidad a esta velocidad era de 1,15 gpd.
Así, se ve que al ser incrementada la temperatura
de la hilera pasando de 420ºC a 500ºC, la velocidad de hilatura
alcanzable se incrementó con un factor de 4,3.
La temperatura ejercía también un efecto positivo
en el SSF a la primera rotura de filamento a velocidad de
cizallamiento constante, como se muestra en la Fig. 12. Los círculos
en negro indican el SSF a 420ºC; los cuadrados en negro indican el
SSF a 460ºC; y los triángulos en negro indican el SSF a 500ºC. Un
SSF más alto significaba que para el mismo caudal de paso por la
hilera y para un determinado tamaño de orificio de la hilera, la
velocidad de los cilindros receptores era más alta en velocidad de
hilatura.
A no ser que se indique lo contrario en los
ejemplos restantes, la hilatura fue llevada a cabo usando el equipo
que ha sido descrito anteriormente, exceptuando el hecho de que fue
usada una extrusionadora de un solo husillo resistente a la
corrosión de 1,5 pulgadas (38,1 mm) de diámetro fabricada por la
Killion Extruders, Inc., de Cedar Grove, N.J. Esta extrusionadora
tenía tres zonas de calentamiento separadas designadas como "Zona
de Husillo 1, 2 y 3" en los perfiles de temperatura que se
indican a continuación. Fue usado un anillo de sujeción para unir la
extrusionadora a un adaptador de la extrusionadora de husillo
manteniéndolos unidos, y el adaptador de la extrusionadora de
husillo estaba a su vez unido a un adaptador de la hilera. El anillo
de sujeción era calentado usando un calentador de cartucho de
varilla cilíndrico, y el adaptador de la extrusionadora de husillo y
el adaptador de la hilera eran calentados usando calentadores de
cartucho. Para calentar el grupo de filtración se usó un calentador
de cinta. A no ser que se indique lo contrario, para calentar todo
tubo de transporte que estuviese presente y el frente de la hilera
fue usado un calentador de cinta o de bobina. Fue usado equipo
receptor y de devanado convencional, incluyendo una estación de
devanado Leesona.
La hilatura fue llevada a cabo a razón de un
caudal de paso por la hilera de 1,3 gramos por minuto por orificio
usando una hilera alargada de 30 orificios de 30 milésimas de
pulgada (0,76 mm) a una velocidad de chorro de 1,9 mpm. El perfil de
temperatura (ºC) de hilatura del equipo era el siguiente:
| Zona \; Husillo | Anillo | Adaptador | Adaptador | Grupo | |||
| 1 | 2 | 3 | Suj. | Husillo | Hilera | Filtr. | Hilera |
| 350 | 350 | 350 | 380 | 353 | 480 | 480 | 500 |
La velocidad de cizallamiento era de 328/seg., y
la máxima velocidad de hilatura alcanzada era de 1.100 mpm para un
factor de estiramiento en la hilatura a la primera rotura de
filamento (FFB) de 580. El denier, la tenacidad, el alargamiento y
el módulo de las fibras resultantes eran respectivamente de 11 d,
0,76 gpd, 61% y 5,6 gpd.
Esta hilatura fue efectuada en condiciones
similares a las del Ejemplo 2, exceptuando el hecho de que fue
añadido al equipo a continuación de la hilera para apantallar los
filamentos fundidos tras haber salido los mismos de la hilera un
atemperador de aluminio de sección progresivamente decreciente y de
5 pies (1,54 m) de altura. El atemperador tenía una sección
transversal cuadrada que era un cuadrado de 12 pulgadas en la parte
superior y disminuía progresivamente hasta llegar a ser un cuadrado
de 1,0 pulgada (25,4 mm) en la parte inferior. Fue usado el mismo
perfil de temperatura como en el Ejemplo 2, exceptuando las
siguientes variaciones: 380ºC en el adaptador de la extrusionadora
de husillo, 470ºC en el adaptador de la hilera y 470ºC en el grupo
de filtración. La velocidad de cizallamiento era de 328/seg. A razón
del mismo caudal de paso por la hilera de 1,3 gramos por minuto por
orificio y usando la misma hilera alargada de 30 orificios de 30
milésimas de pulgada (0,76 mm) que fue usada en el Ejemplo 2, la
máxima velocidad de hilatura fue incrementada en un 35%, o sea en
385 mpm, para pasar a ser de 1.485 mpm, para un SSF a la primera
rotura de filamento de 782. El denier, la tenacidad, el alargamiento
y el módulo de las fibras resultantes eran respectivamente de 9,4 d,
0,72 gpd, 76% y 5,1 gpd.
Esta hilatura fue efectuada en condiciones
similares a las de los Ejemplos 2 y 3, exceptuando el hecho de que
fue usado un atemperador distinto. Para esta hilatura fue usado un
atemperador Lucite® autoportante de 6 pies y 3 pulgadas (1,905 m) de
altura que tenía una sección transversal cuadrada de 12 pulgadas x
12 pulgadas (30,5 cm x 30,5 cm). Fue usado el mismo perfil de
temperatura como en el Ejemplo 3. La velocidad de cizallamiento era
de 328/seg. La máxima velocidad de hilatura fue incrementada hasta
los 1.756 mpm para un SSF a la primera rotura de filamento de 924.
Esto constituía un incremento de un 60% de la velocidad de hilatura
en comparación con el Ejemplo 2, o un incremento de un 18% de la
velocidad de hilatura en comparación con el Ejemplo 3. El denier, la
tenacidad, el alargamiento y el módulo de las fibras resultantes
eran respectivamente de 6,0 d, 1,16 gpd, 28% y 10 gpd.
Fue usado en este ejemplo un conjunto de la
hilera tal como el ilustrado en la Fig. 3, que tiene una hilera
alargada acortada. La distancia entre la superficie inferior del
grupo de filtración y la placa frontal de la hilera era de 1,25
pulgadas (31,8 mm). Fueron usados el mismo perfil de temperatura y
el mismo atemperador Lucite® de 6 pies y 3 pulgadas (1,905 m) como
en el Ejemplo 4. La velocidad de cizallamiento era de 328/seg. La
máxima velocidad de hilatura alcanzada era de 1.860 mpm para un SSF
a la primera rotura de filamento de 979. Esta muestra hecha a alta
velocidad no fue sometida a ensayo para determinar las propiedades
de la fibra, pero otra muestra hilada bajo las mismas condiciones y
a una velocidad de cizallamiento de 342/seg. con una velocidad de
hilatura de 1.701 mpm tenía unas propiedades de la fibra (denier,
tenacidad, alargamiento y módulo) que eran respectivamente de 7,6 d,
1,01 gpd, 68% y 6,2 gpd.
La hilatura fue llevada a cabo como en el Ejemplo
5, exceptuando el hecho de que la hilera alargada acortada era
calentada usando una bobina de calentamiento por inducción, y fueron
aplicadas las siguientes variaciones del perfil de temperatura:
440ºC en el grupo de filtración, 522-531ºC en la
hilera. La velocidad de cizallamiento era de 342/seg. La máxima
velocidad de hilatura a la primera rotura de filamento era de 1.860
mpm. El denier, la tenacidad, el alargamiento y el módulo de las
fibras resultantes eran respectivamente de 9,6 d, 1,06 gpd, 49% y
8,7 gpd.
La hilatura fue llevada a cabo como en el Ejemplo
6, exceptuando el hecho de que el atemperador usado era el mismo
atemperador de aluminio de sección progresivamente decreciente que
fue usado en el Ejemplo 3. Fue añadida sobre el atemperador una caja
de Lucite® transparente con forma de cubo de 12 pulgadas (30,5 cm)
con la finalidad de ver los cabos de hilo. La velocidad de
cizallamiento era de 342/seg. La máxima velocidad de hilatura a la
primera rotura de filamento era de 1.860 mpm. El denier, la
tenacidad, el alargamiento y el módulo de las fibras resultantes
eran respectivamente de 9,0 d, 1,02 gpd, 54% y 7,7 gpd.
La hilatura fue llevada a cabo usando una hilera
que era como la que está ilustrada en la Fig. 4 y tenía un
calentador de cartucho (suministrado por la Industrial Heater Corp.,
de Stratford, CT) en el centro de la hilera y una calentador de
cinta estándar en exterior de la hilera. La longitud de la hilera
desde la superficie inferior del grupo de filtración hasta la placa
frontal de la hilera era de 1,25 pulgadas. El perfil de temperatura
usado era el siguiente:
\newpage
| Zona \; Husillo | Anillo | Adaptador | Adaptador | Grupo | Centro | |||
| 1 | 2 | 3 | Suj. | Husillo | Hilera | Filtr. | Hilera | Hilera |
| 350 | 350 | 350 | 380 | 380 | 411 | 410 | 496 | 500 |
La hilera usada tenía 26 orificios; si bien el
caudal de paso por cada orificio se mantuvo constante como en los
Ejemplos 2 a 7. Por consiguiente, la velocidad de cizallamiento era
aproximadamente la misma, o sea de 342/seg. La máxima velocidad de
hilatura era de 1.976 mpm para un SSF de 1.040. El incremento de un
6% de la velocidad en comparación con el Ejemplo 5 fue atribuido al
más uniforme calentamiento de la masa fundida a través de la hilera.
Las propiedades de la fibra en materia de denier, tenacidad,
alargamiento y módulo eran respectivamente de 5,6 d, 1,09 gpd, 55% y
7,0 gpd.
Otra muestra hilada con una temperatura de 400ºC
en el adaptador de la hilera y en el grupo de filtración y con la
misma temperatura de 500ºC en la hilera arrojó una velocidad máxima
de 1.920 mpm para un SSF de 1.010. La tenacidad de la fibra era más
alta, arrojando la medición de las propiedades de la fibra en
materia de denier, tenacidad, alargamiento y módulo los resultados
siguientes: 5,6 d, 1,25 gpd, 54% y 8,7 gpd.
Fue usado un conjunto de la hilera tal como el
ilustrado en la Fig. 6 para someter a ensayo la efectividad de esta
realización de cara a alcanzar una alta velocidad de hilatura. Fue
usada una hilera de disco de 1,0 pulgada de diámetro y de 15
orificios con orificios de 30 milésimas de pulgada (0,76 mm) de
diámetro. El atemperador usado era el atemperador Lucite® de 6 pies
y 3 pulgadas (1,905 m) que fue usado en el Ejemplo 4. Fue usado para
el grupo de filtración un calentador de cinta. El tubo de transporte
medido desde la superficie inferior del grupo de filtración hasta el
disco de la hilera era de 3,125 pulgadas (79,375 mm).
A unas rpm del husillo de 4,0, el caudal total de
paso por la hilera era de 20,3 gramos por minuto (2,7 libras/h), o
de 1,35 gpm por orificio. Éste es prácticamente el mismo caudal de
paso por orificio como en los ejemplos anteriores. Fue alcanzada una
velocidad de hilatura de 1.816 mpm con todos los filamentos intactos
bajo las condiciones siguientes: La temperatura de la extrusionadora
de husillo fue ajustada a 350ºC en las tres zonas; el anillo de
sujeción y el adaptador de la extrusionadora de husillo fueron
ajustados a 380ºC para una temperatura medida de la masa fundida de
389ºC; el adaptador de la hilera y el grupo de filtración fueron
ajustados a 430ºC; el tubo de transporte fue ajustado a 470ºC; y la
hilera fue ajustada a 500ºC.
Al ser reducida la temperatura del adaptador de
la hilera y del grupo de filtración e incrementada la temperatura
del tubo de transporte, fue adicionalmente mejorada la velocidad de
hilatura:
| Adaptador Hilera | Tubo | Velocidad | Propiedades | |
| y Gr. Filtr. | Transp. | Hilera | Máxima | Den/Ten/A/Mod |
| 430ºC | 474ºC | 500ºC | 1.816 mpm | 6,5/1,20/45%/10 |
| 420ºC | 471ºC | 500ºC | 1.969 mpm | 5,5/1,24/24%/12 |
| 410ºC | 471ºC | 500ºC | 1.965 mpm | 5,6/1,38/35%/13 |
| 400ºC | 470ºC | 500ºC | 1.950 mpm | 5,8/1,27/32%/12 |
| 400ºC | 480ºC | 500ºC | 1.994 mpm | 5,3/1,48/48%/12 |
Fue alcanzada una velocidad de hilatura de 1.994
mpm, lo cual constituía un mejoramiento de un 14% con respecto a la
velocidad de hilatura de 1.756 mpm del Ejemplo 4. La velocidad de
cizallamiento era de 347/seg. La tenacidad de la fibra mejoró en un
28%, pasando de ser de 1,16 gpd a ser de 1,48 gpd. Este mejoramiento
de la resistencia fue atribuido, además de a la más alta velocidad,
a una menor degradación del polímero o a una ausencia de degradación
del polímero.
Fueron recogidas varias muestras de hilo a 1.000
mpm para someter a ensayo la estabilidad a largo plazo del proceso
de hilatura. La continuidad de la hilatura de filamentos era
excelente, permitiendo un devanado de 60 minutos y 105 minutos, en
ambos casos con mudada voluntaria. Las propiedades de la fibra en
materia de denier, tenacidad, alargamiento y módulo eran de 11 d,
0,94-1,01 gpd, 68-80% y 7,5 gpd,
respectivamente.
Una muestra que fue hilada a 1.500 mpm y duró 4
minutos tenía unas propiedades del filamento en materia de denier,
tenacidad, alargamiento y módulo de 7,2 d, 1,20 gpd, 39% y 11 gpd,
respectivamente. Otra muestra que fue hilada a 1.000 mpm y estirada
en línea con un factor de 1,4 a 280ºC tenía unas propiedades de la
fibra en materia de denier, tenacidad, alargamiento y módulo de 7,6
d, 1,41 gpd, 25% y 14 gpd, respectivamente.
Las mediciones que fueron efectuadas en muestras
de aire que fueron recogidas a la salida del atemperador, a lo largo
del recorrido del hilo encima de los cilindros receptores calentados
y encima de la estación de devanado no detectaron que fuesen
desprendidos gases de tipo alguno. La degradación térmica del
polímero habría producido gases. Puesto que los gases desprendidos
podrían haber sido también atrapados o disueltos dentro de las
fibras, las fibras fueron recogidas en viales, y sus espacios
superiores, verificados tras haber transcurrido varios intervalos de
tiempo usando espectroscopia de infrarrojos, cromatografía de
gases/espectrometría de masas y cromatografía iónica, tampoco
contenían gases de desprendimiento de tipo alguno. Adicionalmente,
las muestras de fibra fueron calentadas a 200ºC para así liberar
cualesquiera gases disueltos en las mismas, pero no fueron
detectados gases de tipo alguno. Estos resultados confirmaron que en
el presente proceso, a pesar de que se usan temperaturas tan altas
como la de 500ºC para facilitar una alta velocidad de cizallamiento,
una alta velocidad de hilatura y un alto SSF, no hubo degradación
del polímero. Un polímero de PFA (PFA = resina perfluoroalcoxi) se
habría degradado fácilmente si hubiese sido sometido a una
temperatura tan baja como de 425ºC por espacio de más de 1,0
minuto.
Esta hilatura fue similar a la del Ejemplo 9,
exceptuando el hecho de que una bobina calentadora por inducción de
aproximadamente 1/8 de pulgada (3,175 mm) fue aplicada en torno al
frente de la hilera envolviéndolo dos veces. Se mantuvo igual como
en el Ejemplo 9 el perfil de temperatura en la extrusionadora de
husillo hasta el adaptador de la extrusionadora de husillo. La
velocidad de cizallamiento era de 347/seg. Hubo un mejoramiento de
un 3,6% en la máxima velocidad de hilatura, que pasó de ser de 1.994
mpm en el Ejemplo 9 a ser de 2.065 mpm para un SSF a la primera
rotura de filamento de 1.087. Se indican a continuación la velocidad
máxima y las propiedades obtenidas:
| Adaptador Hilera | Tubo | Velocidad | Propiedades | |
| y Gr. Filtr. | Transp. | Hilera | Máxima | Den/Ten/A/Mod |
| 430ºC | 470ºC | 520ºC | 1.910 mpm | 6,9/1,04/59%/6,5 |
| 400ºC | 480ºC | 525ºC | 2.065 mpm | 5,6/1,21/32%/11 |
La continuidad de la hilatura resultó ser
excelente cuando fue hilada una muestra por espacio de 90 minutos a
997 mpm siendo mudada a voluntad. Las propiedades de la fibra en
materia de denier, tenacidad, alargamiento y módulo eran de 10,3 d,
0,97 gpd, 68% y 3,6 gpd, respectivamente.
Fue usado un conjunto de hilera como el que está
ilustrado en la Fig. 8. El frente de la hilera tenía un diámetro de
1,75'' (44,45 mm) y 60 orificios de 30 milésimas de pulgada (0,76
mm) de diámetro. El caudal por orificio era de 1,35 gpm para un
caudal total de 81 gpm o 10,7 libras por hora (pph). Fue usado el
atemperador de aluminio de sección progresivamente decreciente con
la caja de Lucite® con forma de cubo de 12 pulgadas (30,5 cm)
colocada sobre el mismo como en el Ejemplo 7. El perfil de
temperatura (ºC) que fue usado fue el siguiente:
| Zona \; Husillo | Anillo | Adaptador | Adaptador | Grupo | Tubo | |||
| 1 | 2 | 3 | Suj. | Husillo | Hilera | Filtr. | Transp. | Hilera |
| 350 | 350 | 350 | 380 | 380 | 400 | 400 | 477 | 500 |
La máxima velocidad de hilatura fue de 1.359 mpm.
La velocidad de cizallamiento era de 347/seg. Las propiedades de la
fibra en materia de denier, tenacidad, alargamiento y módulo eran de
8,0 d, 1,04 gpd, 67% y 7,1 gpd, respectivamente.
Se pensó que la causa de la disminución de la
velocidad de hilatura, en comparación con la hilera de 30 orificios,
tal como en el Ejemplo 7, era debida a una excesiva retención de
calor en el atemperador debido al caudal total de paso por la
hilera, que era el doble. El atemperador fue sustituido por el
atemperador con la caja de Lucite® de 6 pies y 3 pulgadas (1,905 m)
de mayor capacidad, y la máxima velocidad de hilatura aumentó
pasando a ser de 1.500 mpm. El perfil de temperatura (ºC) usado fue
el siguiente:
| Zona \; Husillo | Anillo | Adaptador | Adaptador | Grupo | Tubo | |||
| 1 | 2 | 3 | Suj. | Husillo | Hilera | Filtr. | Transp. | Hilera |
| 350 | 350 | 350 | 380 | 380 | 420 | 420 | 500 | 520 |
Las propiedades de la fibra en materia de denier,
tenacidad, alargamiento y módulo eran de 7,2 d, 1,20 gpd, 48% y 9,4
gpd.
A fin de reducir la excesiva retención de calor
dentro del atemperador, la puerta del atemperador, que discurría
longitudinalmente y abarcaba casi un lado del atemperador, fue
abierta por completo y cubierta con una pantalla perforada para
lograr un movimiento de aire quiescente sin turbulencia. Usando una
chapa metálica perforada con orificios de 3/32 de pulgada (0,794 mm)
de diámetro separados por una distancia entre centros de 3/16 de
pulgada (1,588 mm), la máxima velocidad de hilatura mejoró en un 8%
pasando a ser de 1.623 mpm, en comparación con el uso del
atemperador con la puerta cerrada, usando el siguiente perfil de
temperatura (ºC) ligeramente distinto:
| Zona \; Husillo | Anillo | Adaptador | Adaptador | Grupo | Tubo | |||
| 1 | 2 | 3 | Suj. | Husillo | Hilera | Filtr. | Transp. | Hilera |
| 350 | 350 | 350 | 380 | 380 | 400 | 400 | 500 | 520 |
Las propiedades de la fibra en materia de denier,
tenacidad, alargamiento y módulo eran de 7,5 d, 1,18 gpd, 50% y 8,9
gpd, respectivamente.
Fue observado en la parte frontal del atemperador
cubierto con la chapa metálica perforada como se ha descrito
anteriormente cierto movimiento no uniforme de aire, porque había
movimiento de aire difuso que entraba y salía en la parte frontal,
mientras que no había movimiento alguno en los otros tres lados. Un
termopar colocado cerca del frente de la hilera indicaba que la
temperatura fluctuaba pasando de 368ºC a 390ºC, o sea que había una
variación de temperatura de 22ºC.
Fue usado un mayor atemperador de Lucite® que
medía 20 pulgadas x 24 pulgadas (50,8 cm x 61 cm) en su sección
transversal y tenía una altura de 71,5 pulgadas (181,6 cm), con una
abertura en la parte superior para la hilera y en la parte inferior
para poder acceder al curso del hilo. Durante la hilatura había
demasiado movimiento ascendente y descendente de aire, y se veía
reducida la velocidad de hilatura.
Se pusieron suplementos en la parte inferior del
atemperador para reducir la abertura de 20 pulgadas (50,8 cm) x 24
pulgadas (61 cm) a un cuadrado de 20 pulgadas (50,8 cm). Estos
suplementos eran de sección progresivamente decreciente para que
cayese el hilo. La fluctuación de la temperatura que fue medida era
aún alta, siendo de 25ºC, pero las temperaturas que se daban de
hecho eran considerablemente más bajas, siendo de 240ºC a 265ºC
(Nota: Mientras que la temperatura medida era más baja que la que se
daba en el atemperador de menor tamaño, la comparación entre las
temperaturas absolutas en los dos atemperadores no deberá tomarse
demasiado al pie de la letra, por cuanto que la ubicación del
termopar puede no estar exactamente situada). En cuanto a la
estabilidad del aire, el mismo se encontraba visiblemente en
condiciones de mayor quiescencia. Con el mismo perfil de
temperatura, la máxima velocidad de hilatura había mejorado y era
ligeramente más alta que la registrada para el atemperador de menor
tamaño: 1.680 mpm. Las propiedades de la fibra en materia de denier,
tenacidad, alargamiento y módulo eran de 8,2 d, 0,84 gpd, 59% y 5,9
gpd, respectivamente.
Con los atemperadores hechos según los diseños
precedentes se tenía cierta dificultad para alcanzar el hilo en el
fondo del atemperador a fin de llevarlo a una pistola aspiradora
para enhebrar el hilo en todo el recorrido de elaboración del hilo
hasta la estación de devanado. Además, la atemperación del cabo de
hilo fundido dependía por entero de la convección de aire natural
sin medios de control. Estos dos problemas fueron resueltos con un
diseño de atemperador tal como el que está ilustrado en las Figs.
10A y 10B. Este atemperador permitía tomar fácilmente el hilo en su
salida cónica de la parte inferior. El aire entrante procedente de
una fuente de aire comprimido fluía a través del espacio anular
entre los tubos interior y exterior y hacia arriba a través de
varias rejillas de malla fina para eliminar las corrientes parásitas
y al interior de la parte superior y radialmente hacia los
filamentos fundidos. Se permitía la entrada del aire a través de una
abertura inferior prevista en el atemperador, y el caudal de aire
era regulado con una válvula de aguja y medido mediante un
caudalímetro. Las temperaturas dentro del tubo interior a lo largo
de las seis pulgadas de la parte superior podían ser supervisadas
mediante termopares situados a una distancia de una pulgada. La
altura de la abertura de entrada de aire entre el tubo interior y el
tubo exterior era ajustable entre 1,0 pulgada (25,4 mm) y 4,0
pulgadas (101,6 mm). Un anillo de vidrio de 1,0 pulgada de altura
permitía la observación visual de los cabos de hilo fundidos y del
frente de la hilera.
La hilatura fue llevada a cabo usando un conjunto
de la hilera configurado como el que está ilustrado en la Fig. 8 y
una hilera de 30 orificios de 39,4 milésimas de pulgada (1 mm) de
diámetro con una relación de longitud/diámetro de 3,0. La hilatura
tenía lugar a razón de un caudal de paso por la hilera de 1,3 gpm
con el siguiente perfil de temperatura: 350ºC desde la
extrusionadora de husillo hasta el grupo de filtración, 450ºC en el
tubo de transporte y 500ºC en la hilera. Las temperaturas dentro del
atemperador eran las siguientes: 268ºC a 1,0 pulgada (25,4 mm) del
frente de la hilera, 252ºC a 2 pulgadas (50,8 mm) del frente de la
hilera, y 222ºC a 6 pulgadas (152,4 mm) del frente de la hilera. La
fluctuación de la temperatura era despreciable, con una variación de
tan sólo 2ºC frente a los 25ºC que fueron observados en los
atemperadores de los ejemplos anteriores que aquí se han descrito.
La velocidad de cizallamiento era de 151/seg. La máxima velocidad de
hilatura alcanzada fue de 1.737 mpm. Las propiedades de la fibra en
materia de denier, tenacidad, alargamiento y módulo eran de 4,2 d,
1,17 gpd, 57% y 7,8 gpd, respectivamente.
La validez de este sistema de hilatura quedó
confirmada al quedar demostrada la excelente continuidad de la
hilatura con un paquete de 3,5 horas de hilo a 1.005 mpm con un
estirado en línea de 1,4x partiendo de una velocidad del cilindro
receptor de 702 mpm a 240ºC. El paquete de hilo tenía un peso neto
de más de 20 libras (9,07 kg) y formaba un rodete de 2,0 pulgadas
(50,8 mm) de espesor sobre un carrete de 6,0 pulgadas (152,4 mm) de
diámetro. El perfil de temperatura (ºC) era el siguiente:
| Zona \; Husillo | Anillo | Adaptador | Adaptador | Grupo | Tubo | |||
| 1 | 2 | 3 | Suj. | Husillo | Hilera | Filtr. | Transp. | Hilera |
| 350 | 350 | 350 | 350 | 350 | 350 | 350 | 448 | 500 |
Las propiedades de la fibra en materia de denier,
tenacidad, alargamiento y módulo eran de 12,6 d, 0,80 gpd, 92% y 3,8
gpd, respectivamente.
La hilatura fue llevada a cabo como en el Ejemplo
12, pero en lugar de PFA 340 fue usado fluoropolímero Teflon® FEP
5100. El perfil de temperatura (ºC) era el siguiente:
| Zona \; Husillo | Anillo | Adaptador | Adaptador | Grupo | Tubo | |||
| 1 | 2 | 3 | Suj. | Husillo | Hilera | Filtr. | Transp. | Hilera |
| 315 | 319 | 325 | 325 | 325 | 325 | 325 | 401 | 480 |
Las temperaturas usadas eran en este ejemplo más
bajas que las que fueron usadas para el polímero de PFA, porque el
FEP (FEP = copolímero de etileno-propileno fluorado)
es menos estable que el PFA. La velocidad de cizallamiento era de
161/seg. La máxima velocidad de hilatura alcanzada fue de 1.290 mpm.
Las propiedades de la fibra en materia de denier, tenacidad,
alargamiento y módulo eran de 7,3 d, 1,04 gpd, 36% y 10 gpd,
respectivamente.
La hilatura fue efectuada para someter a ensayo
la validez del proceso desarrollado en el Ejemplo 13 para el
polímero Teflon® FEP 5100. Quedó demostrada la excelente continuidad
de la hilatura usando el mismo diseño del equipo como en los
Ejemplos 12 y 13, con una bobina de 3,5 horas obtenida a la misma
velocidad de recepción de 700 mpm como en el Ejemplo 12 para el
polímero de PFA. El hilo fue estirado fuera de línea con la misma
relación de estirado de 1,4x pero a una temperatura más baja de
200ºC porque el punto de fusión del FEP (260ºC) es más bajo que el
punto de fusión del PFA (305ºC). El paquete de hilo era similar al
de la hilatura de polímero PFA 340 en el Ejemplo 12. El perfil de
temperatura (ºC) usado fue más bajo que el usado en el Ejemplo 13, y
fue concretamente el siguiente:
| Zona \; Husillo | Anillo | Adaptador | Adaptador | Grupo | Tubo | |||
| 1 | 2 | 3 | Suj. | Husillo | Hilera | Filtr. | Transp. | Hilera |
| 305 | 310 | 315 | 315 | 315 | 315 | 315 | 393 | 480 |
La velocidad de cizallamiento era de 163/seg. Las
propiedades de la fibra estirada en materia de denier, tenacidad,
alargamiento y módulo eran de 12,2 d, 0,97 gpd, 45% y 5,8 gpd,
respectivamente.
El conjunto de hilera que ha sido descrito en el
Ejemplo 9 y está ilustrado en la Fig. 6 fue usado para hilar Teflon®
PFA 340 y para comparar las condiciones de hilatura que se dan con
un diseño convencional del conjunto de la hilera (véase la Fig. 1),
en el que la hilera no puede ser calentada por separado, con las
condiciones de hilatura en las cuales la hilera está aislada
térmicamente del grupo de filtración. El aislamiento térmico se
logró en parte en esta realización añadiendo un tubo de transporte
entre la superficie inferior del grupo de filtración y el frente de
la hilera.
Fueron efectuados dos ciclos de control usando el
mismo sistema de hilera pero manteniendo la hilera a la misma
temperatura constante. Fue usada una hilera de 10 orificios de 30
milésimas de pulgada (0,76 mm).
La primera hilatura de control fue efectuada
manteniendo el perfil de temperatura (ºC) al nivel de una
temperatura de 350ºC como se indica a continuación:
| Zona \; Husillo | Anillo | Adaptador | Adaptador | Grupo | Tubo | |||
| 1 | 2 | 3 | Suj. | Husillo | Hilera | Filtr. | Transp. | Hilera |
| 350 | 350 | 350 | 350 | 350 | 350 | 350 | 350 | 350 |
El caudal de paso por la hilera fue incrementado
hasta que se observó una ligera fractura de la masa fundida a nivel
de 0,178 gpm por orificio. La velocidad de cizallamiento a este
máximo caudal de paso por la hilera era de 45,7/seg., y la máxima
velocidad de hilatura alcanzada era de 58 mpm teniendo una velocidad
del chorro de 0,26 mpm y un SSF de 223.
La segunda hilatura de control fue efectuada a un
perfil de temperatura más alto de 400ºC como se indica a
continuación:
| Zona \; Husillo | Anillo | Adaptador | Adaptador | Grupo | Tubo | |||
| 1 | 2 | 3 | Suj. | Husillo | Hilera | Filtr. | Transp. | Hilera |
| 350 | 350 | 350 | 350 | 350 | 350 | 400 | 400 | 400 |
La más alta temperatura de 400ºC permitió
trabajar con un mayor caudal de paso por la hilera de 0,370 gpm por
orificio antes de que se produjese fractura de la masa fundida. Con
un menor caudal de 0,238 gpm por orificio, antes de que se produjese
fractura de la masa fundida, fue obtenida una máxima velocidad de
hilatura de 206 mpm. Con el caudal máximo y al borde de la fractura
de la masa fundida, la máxima velocidad de hilatura alcanzada fue de
381 mpm a razón de una velocidad de cizallamiento de 95/seg. y de
una velocidad del chorro de 0,54 mpm y con un SSF de 704.
Fue usado el siguiente perfil de temperatura
(ºC):
| Zona \; Husillo | Anillo | Adaptador | Adaptador | Grupo | Tubo | |||
| 1 | 2 | 3 | Suj. | Husillo | Hilera | Filtr. | Transp. | Hilera |
| 325 | 330 | 335 | 335 | 335 | 335 | 335 | 450 | 500 |
Con este perfil de temperatura, el caudal de paso
por la hilera pudo ser incrementado hasta llegar a ser tan
considerable como de 1,125 gpm por orificio, siendo éste 3 veces
mayor que el del control a temperatura uniforme de 400ºC, y seguía
sin producirse fractura de la masa fundida. La máxima velocidad de
hilatura alcanzada fue de 1.956 mpm, la cual es una velocidad 5
veces superior a la del control a temperatura uniforme de 400ºC, a
una velocidad de cizallamiento de 289/seg. y a una velocidad del
chorro de 1,645 mpm y con un SSF de 1.189.
No fue simulado un ciclo de control a 500ºC
porque en un sistema de hilara convencional el grupo de filtración
tiene que ser calentado a la misma temperatura de 500ºC. Con el
grupo de filtración a 500ºC, el polímero se degradaría
considerablemente debido al largo tiempo de permanencia, de 10,1
minutos, en el grupo de filtración. A 425ºC, el polímero comenzaría
a degradarse en menos de 1,3 minutos.
Fue fundida e hilada para formar fibras usando un
conjunto de hilera como el ilustrado en la Fig. 8 la calidad de
homopolímero de PTFE Zonyl® MP-1600N. El polvo de
polímero fue comprimido en un molde hembra de 0,5 pulgadas (12,7 mm)
de altura con orificios de 0,25 pulgadas (6,35 mm) de diámetro que
fueron llenados con el polvo de polímero usando varillas de menos de
0,25 pulgadas (6,35 mm) de diámetro, siendo así formados discos
delgados de aproximadamente 0,1 pulgadas (2,54 mm) de espesor. Se
hicieron aproximadamente dos libras (0,91 kg) de estos pellets
realizados en forma de discos delgados. Los pellets fueron aportados
a mano al interior de la extrusionadora de husillo en una cantidad
justo suficiente para llenar la parte roscada del husillo como
precaución para evitar que fuesen aplastados y ocasionasen
adherencia y obturación anular en el husillo.
Con el perfil de temperatura que se indica a
continuación, se estudiaron los efectos de un atemperador efectuando
la hilatura sin y con el atemperador. El caudal de paso por la
hilera era de 8,4 gramos por minuto a través de una hilera de 30
orificios de 30 milésimas de pulgada (0,76 mm) de diámetro, para una
velocidad de cizallamiento de 72/seg.
| Zona \; Husillo | Anillo | Adaptador | Adaptador | Grupo | Tubo | |||
| 1 | 2 | 3 | Suj. | Husillo | Hilera | Filtr. | Transp. | Hilera |
| 315 | 330 | 340 | 340 | 340 | 340 | 340 | 400 | 400ºC |
Con atemperador: Los de aproximadamente un
15% de estos filamentos de extrusión no podían aguantar su propio
peso a una distancia de caída libre vertical de 5 pies y 8 pulgadas
(1,727 m). En cuanto a los filamentos que aguantaban, los mismos
podían ser hilados a una velocidad máxima de tan sólo 15 mpm antes
de romperse.
Con un atemperador de 48 pulgadas (121,9 mm)
de largo: Todos los filamentos caían continuamente en caída
libre al suelo. La velocidad de hilatura a la primera rotura de
filamento (FFB) era de 50 mpm, y la máxima velocidad de hilatura
(MSS) alcanzada fue de 480 mpm. Al ser incrementada la temperatura
del tubo de transporte y de la hilera hasta 450ºC y 500ºC, la
velocidad de hilatura a la primera rotura de filamento mejoró
pasando a ser de 85 mpm, y la máxima velocidad de hilatura pasó a
ser de 250 mpm. El hilo presentaba visiblemente zonas gruesas y
delgadas. Se comprobó que la uniformidad del hilo mejoraba con la
introducción de aire a temperatura ambiente a través de la camisa
del atemperador al interior de la parte superior del atemperador. A
nivel de 250 cfh (cfh = pies cúbicos por hora) (7079 litros por
hora), el hilo devino uniforme. Bajo estas condiciones de hilatura,
la máxima velocidad de hilatura mejoró pasando a ser de 404 mpm. Las
propiedades de la fibra en materia de denier, tenacidad,
alargamiento de rotura y módulo eran de 5,8, 0,16 gpd, 12% y 8
gpd.
En este experimento se usó como composición
fluoropolimérica Teflon® FEP-5100, y el experimento
demostró la ventaja de aislar térmicamente la hilera. Fue usado un
conjunto de la hilera como el que está ilustrado en la Fig. 8. El
ciclo de control fue llevado a cabo en el mismo conjunto, pero
manteniendo la misma temperatura para todos los componentes. Los
perfiles de temperatura (ºC) para los controles fueron los
siguientes:
| Zona \; Husillo | Anillo | Adaptador | Adaptador | Grupo | Tubo | |||
| 1 | 2 | 3 | Suj. | Husillo | Hilera | Filtr. | Transp. | Hilera |
| 275 | 300 | 350 | 350 | 350 | 350 | 350 | 350 | 350 |
| 275 | 350 | 400 | 400 | 400 | 400 | 400 | 400 | 400 |
| 275 | 350 | 400 | 400 | 450 | 450 | 450 | 450 | 450 |
Se mantuvo bajo el perfil de temperatura en las
Zonas de Husillo 1 y 2, y no se pasó a la temperatura de ensayo
hasta la Zona de Husillo 3 o el Anillo de Sujeción. La degradación
hubiese sido peor si las Zonas de Husillo 1 y 2 hubiesen estado a
temperatura de ensayo. El perfil de temperatura para la muestra de
la presente invención era el siguiente:
| Zona \; Husillo | Anillo | Adaptador | Adaptador | Grupo | Tubo | |||
| 1 | 2 | 3 | Suj. | Husillo | Hilera | Filtr. | Transp. | Hilera |
| 275 | 295 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 380 | 480 |
Las velocidades de cizallamiento eran las
siguientes: 86/seg. a 10 gpm, 232/sef. a 27,2 gpm, 359/seg. a 42
gpm, y 385/seg. a 45 gpm. Como se ve en la Fig. 16, a una
temperatura de la hilera de aproximadamente 480ºC fue alcanzada una
velocidad de hilatura de 1.900 mpm sin degradación perceptible
alguna. Sin embargo, el control experimentó una ligera degradación
térmica a una temperatura de la hilera de 400ºC alcanzando una
velocidad de hilatura de aproximadamente 600 mpm a esa temperatura,
y severa degradación térmica a aproximadamente 450ºC con una
velocidad de hilatura de 900 mpm.
Claims (25)
1. Proceso para hilar por fusión una composición
que comprende un polímero termoplástico altamente fluorado o una
mezcla de tales polímeros, comprendiendo dicho proceso los pasos
de:
fundir una composición que comprende un polímero
termoplástico altamente fluorado o una mezcla de tales polímeros
para formar una composición fluoropolimérica fundida;
transportar dicha composición fluoropolimérica
fundida a presión hasta una matriz de extrusión de un aparato de
hilatura por fusión; y
extrusionar la composición fluoropolimérica
fundida a través de la matriz de extrusión para formar filamentos
fundidos, estando dicha matriz a una temperatura de al menos 450ºC,
a una velocidad de cizallamiento de al menos 100 seg.^{-1}, y a
una velocidad de hilatura de al menos 500 m/min.
2. El proceso de la reivindicación 1, que
comprende además el paso de apantallar los filamentos.
3. El proceso de la reivindicación 1, que
comprende además el paso de exponer a la composición
fluoropolimérica fundida a una temperatura intermedia que está
situada dentro de la gama de temperaturas que va desde la
temperatura de fusión de dicha composición hasta una temperatura
menor que la temperatura de la matriz de extrusión antes de
extrusionar dicha composición a través de la matriz de
extrusión.
4. El proceso de la reivindicación 1, en el que
el polímero altamente fluorado tiene un índice de fusión de 1 a 50
g/10 minutos a 372ºC.
5. El proceso de la reivindicación 1, en el que
el polímero fluorado es un copolímero de tetrafluoroetileno y una
perfluoroolefina.
6. El proceso de la reivindicación 5, en el que
el polímero fluorado es un copolímero de tetrafluoroetileno y
hexafluoropropileno.
7. El proceso de la reivindicación 5, en el que
el polímero fluorado es un copolímero de tetrafluoroetileno y un
perfluoroalquilviniléter.
8. El proceso de la reivindicación 7, en el que
el perfluoroalquilviniléter es perfluorometilviniléter,
perfluoroetilviniléter o/y perfluoropropilviniléter.
9. El proceso de la reivindicación 1, en el que
la temperatura de la matriz es de al menos 500ºC.
10. El proceso de la reivindicación 1, en el que
la matriz de extrusión está aislada térmicamente de otras zonas del
aparato que pueden contener la composición fluoropolimérica.
11. El proceso de la reivindicación 1, en el que
la velocidad de hilatura es de al menos 1000 m/min.
12. El proceso de la reivindicación 1, en el que
la velocidad de cizallamiento es de al menos 500 seg.^{-1}.
13. El proceso de la reivindicación 1, que
comprende además el paso de estirar las fibras.
14. El proceso de la reivindicación 1, que
comprende además una etapa de relajación.
15. Aparato que es para hilar fibras por fusión y
comprende:
un conjunto de la hilera que comprende:
medios de filtración;
una hilera;
un tubo de transporte alargado, estando dicho
tubo de transporte dispuesto entre dichos medios de filtración y
dicha hilera;
medios para calentar dicho tubo alargado de
transporte;
medios para calentar dicha hilera; y
un atemperador alargado dispuesto debajo de dicho
conjunto de la hilera.
16. El aparato de la reivindicación 15, en el que
el atemperador alargado comprende un tubo interior que está
dispuesto dentro de un tubo exterior, estando dicho tubo interior y
dicho exterior separados uno de otro por un espacio anular.
17. El aparato de la reivindicación 16, que
comprende además un tubo de malla que está dispuesto junto a la
pared interior de dicho tubo interior y se extiende hacia abajo a lo
largo de dicho tubo interior abarcando al menos parte de la longitud
del mismo.
18. El aparato de la reivindicación 16, que
comprende además al menos una placa perforada que está dispuesta
dentro de dicho espacio anular, se extiende radialmente con respecto
a la periferia de dicho tubo exterior, y está unida a la pared
exterior de dicho tubo interior o a la pared interior de dicho tubo
exterior, o a ambos tubos.
19. El aparato de la reivindicación 18, que
comprende además una rejilla colocada sobre la placa perforada que
es al menos una o en las cercanas inmediaciones de la misma.
20. El aparato de la reivindicación 15, en el que
el atemperador alargado comprende además medios para medir o regular
el caudal de aire.
21. El aparato de la reivindicación 15, en el que
la hilera es desmontable.
22. El aparato de la reivindicación 15, en el que
el tubo de transporte es desmontable.
23. El aparato de la reivindicación 15, en el que
dichos medios para calentar la hilera son un calentador por
conducción, un calentador por convección o un calentador por
inducción.
24. El aparato de la reivindicación 15, en el que
la hilera tiene una pluralidad de orificios de extrusión que están
todos ellos dispuestos en un círculo.
25. El aparato de la reivindicación 15, que
comprende además medios para acumular los filamentos hilados.
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