ITMI960888A1 - Metodo per la produzione di fibre bicomponenti di polimero autoincrespanti - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"METODO PER LA PRODUZIONE DI FIBRE BICOMPONENTI DI POLIMERO AUTO-INCRESPANTI

L'invenzione riguarda l'oggetto citato nelle rivendicazioni. L'invenzione riguarda, in particolare, un nuovo metodo per la produzione di fibre bicomponenti di polimero autoincrespanti, nonché le fibre bicomponenti in una nuova forma increspata che si possono produrre secondo questo metodo, così come il loro uso.

Fibre bicomponenti di tipo S/S (affiancato) vengono prodotte principalmente per le loro proprietà autoincrespanti. In base alla creazione di diversi ritiri delle due mezze fibre polimeriche, è possibile creare un'increspatura tridimensionale che, in confronto con l'increspatura a compressione meccanica con forma di piegatura a denti di sega, ha il vantaggio di una maggiore voluminosità, di un'elasticità più elevata e di una mano più soffice.

Un prerequisito per autoincrespatura è un certo potenziale di increspatura creato da differenze di ritiro, potenza di ritiro e modulo di elasticità delle due metà fibre. Inoltre la capacità di increspatura è massima per una combinazione di polimeri definita se i due componenti sono presenti con aree circa uguali, cioè entrambi di sezione semicircolare.

Non è tuttavia assolutamente necessario che i due componenti, che devono aderire bene l'uno all'altro oltre al requisito delle differenze di ritiro, siano polimeri differenti, in quanto una differenza di ritiro può essere provocata anche da differenze di orientamento, cristallinità o viscosità relativa.

Queste ultime possibilità, tuttavia, si accompagnano ad un potenziale di increspatura ridotto, che rende difficile lo sviluppo dell'increspatura. Nel caso di fibre con potenziale di increspatura troppo piccolo, il problema è di farle increspare uniformemente malgrado ciò. Come descritto in DE 1760 755, è necessario, per realizzare ciò, aprire il nastro di fibre stirato consistente di molte singole fibrille mediante un ugello a getto d'aria, cosicché ogni singola fibrilla possa incresparsi liberamente ed in modo rilassato, indisturbata da quelle vicine, si crea in tal modo la normale increspatura tridimensionale. Tuttavia, con le attuali capacità di linee di stiro di fibre tagliate, il gonfiamento del nastro di fibre a formare una struttura voluminosa e massiccia comporta la difficoltà che questo nastro increspato ha appena spazio per passare attraverso un normale essiccatore durante l'essiccazione finale e l'indurimento a caldo e rimane attaccato dappertutto, il che rende molto difficile una produzione ragionevole. Ma anche con fibre bicomponenti che hanno in sé un potenziale di increspatura più elevato, per il fatto di essere composte di due polimeri differenti, era nota finora solo l'autoincrespatura tridimensionale a spirale che, nel caso di increspatura di grandi nastri di fibre, cioè quelli costituiti da una moltitudine di fibre singole, dà luogo a problemi simili a quelli dell'esempio citato.

E' perciò scopo dell'invenzione sviluppare un nuovo metodo che eviti i problemi suaccennati della tecnica nota e gli svantaggi descritti, cosicché si possa controllare 1'autoincrespatura di fibre bicomponenti di polimero in grandi spessori di nastro su una linea per fibre.

Si ottiene lo scopo mediante il metodo della rivendicazione 1) e mediante le fibre bicomponenti autoincrespanti secondo la rivendicazione 9). Forme di uso delle fibre bicomponenti secondo l'invenzione sono descritte nella rivendicazione 10).

Forme di realizzazione esemplificative dell'invenzione sono contenute nelle rivendicazioni dipendenti.

Nel seguito si intende per nastro una struttura di almeno 5.000 fibre senza fine.

Sorprendentemente si determinò che, se sono soddisfatti i tre requisiti indicati nella rivendicazione 1), si ottiene un'autoincrespatura delle fibre con archi ad o bidimensionali, che sono vantaggiosi nell'uso e si ottiene una porzione controllabile di archi a spirale bidimensionali. Il tipo di increspatura è nuovo ed estremamente vantaggioso.

E' sorprendente che il metodo secondo l'invenzione funzioni, poiché finora non era immaginabile, per motivi puramente geometrici, che l'autoincrespatura delle singole fibre potesse avvenire in un nastro compatto con libertà di movimento molto limitata. Ancor più sorprendente fu la forma di autoincrespatura creata mediante il metodo secondo l'invenzione ed il suo meccanismo. Il nuovo modo di operare, sviluppato nel corso dell'attività inventiva sulla linea per fibre, evita i problemi che si presentano impiegando il DE 1760 755 con grandi nastri di fibre.

Per esporre l'invenzione, nelle figg. 1 e 2 sono rappresentate schematicamente varianti preferite del metodo di stiro ed increspatura secondo l'invenzione, con i numeri di riferimento: 1 nastro per filatura (nastro di fibre bicomponenti S/S non stirate)

2 prima unità di stiro

3 canale per vapore

4 seconda unità di stiro

5 terza unità di stiro

6 quarta unità di stiro (calandra di raffreddamento)

7 bagno di immersione per applicazione della finitura finale B cilindri spremitori

9 dispositivo di avvolgimento del nastro anteriormente all'essiccatore

10 essiccatore a trasportatore a piastre

11 nastro finito alla macchina di taglio

12 finitura a rullo come alternativa a 7

Si ottiene un nastro di fibre bicomponenti S/S 1 non stirate combinando i nastri provenienti da una molteplicità di recipienti nei quali sono stati posti i filamenti combinati provenienti da tutte le posizioni di filatura, nella macchina di filatura. Il nastro non stirato è ancora piatto, poiché le proprietà di increspatura sono solo latenti in questo stato. Dato il potenziale di increspatura più elevato, si usano preferibilmente filamenti bicomponenti di due polimeri differenti, ma di tipi simili (per adesione sufficiente), ad esempio PA 6/PA 66, PET/PBT, PE/PP o accoppiamenti di polimeri e copolimeri, quale PET/co-PET. La combinazione di PET/e-caprolattone-co-PET, con una proporzione di lattone nel co-PET fra il 4 e il 12% in moli, è particolarmente preferita nel metodo secondo l'invenzione.

Per ottenere una chiusura di nastro compatta con preriscaldamento e livellamento del rivestimento di preparazione di filatura, il nastro 1 viene condotto attraverso una vasca di umidificazione (non mostrata) prima di essere caricato sulla prima unità di stiro 2. Nel caso di PET/co-PET, la temperatura del rullo di guida è posta uguale a circa 70°C. Lo stiro avviene fra la prima unità di stiro e la seconda che va più veloce 4, con l'ausilio di un canale per vapore (circa 100°C). La temperatura (relativa all'esempio1del poliestere, cosi come tutti i dati successivi) nella seconda unità di stiro è di circa 120°C. A seconda della velocità di filatura e del tipo di fibra, il rapporto di stiro è normalmente nell'intervallo circa da 3,0 a 3,7. Se, come indicato in fig.

1, si ha un totale di quattro unità di stiro, i valori di regolazione per la terza unità di stiro 5 sono gli stessi che per la seconda. Se la linea per fibre è provvista solo di un totale di tre unità di stiro, ciò che è sufficiente, in linea di principio, per il metodo secondo l'invenzione, la terza unità di stiro deve assumere il compito dell'ultima unità di stiro. Occorre solo tenere a mente che il nastro di fibre deve essere secco fino all'ultimo rullo di guida caldo (circa 120°C) e deve avere raggiunto circa la temperatura del rullo di guida. Per produrre l'increspatura è importante un piccolo post-stiro sull'ultima (la quarta in figura) unità di stiro 6 fredda. Fredda significa non riscaldata (cioè circa a temperatura ambiente). Nell'uso effettivo, l'ultima unità di stiro è spesso detta calandra (con rulli di guida più grandi) che, con fibre PET normali, è usata per l'indirmento a caldo. Il rapporto di post-stiro è preferibilmente nell'intervallo da 1,000 ad 1,100, particolarmente preferito è l'intervallo da 1,005 a 1,050. Un'altra fase di trattamento importante per il metodo secondo l'invenzione segue il processo di stiro: il nastro, ancora in stato teso, deve essere portato ad un tenore d'acqua relativamente elevato ed uniformemente distribuito. Contemporaneamente all'acqua, viene applicata al nastro la finitura finale, nel caso di fibre con riempimento, di regola un composto di silicio (emulsionato in acqua). L'umidificazione del nastro viene realizzata nel modo migliore mediante un passaggio attraverso un bagno di immersione 7. L'acqua in eccesso viene spremuta fra i rulli 8 in misura tale che rimanga sul nastro un rivestimento d'acqua ottimale per il metodo secondo l'invenzione. L'intervallo ottimale è fra il 10% e il 30% di rivestimento d'acqua, ed è particolarmente preferito l'intervallo fra il 15% e il 20%. Questo rivestimento d'acqua è chiaramente più elevato dell'intervallo (<6%) rivendicato in DE 1760 755. Un'altra variante vantaggiosa dell'umidificazione del nastro è rappresentata in fig. 2, una finitura a rullo 12 (kiss rollers). Questa può essere impiegata invece di un bagno ad immersione. Benché teoricamente la giusta quantità d'acqua debba essere direttamente regolabile con la finitura a rullo, si raccomanda come regola anche in questo caso di applicare un eccesso e di spremerlo via dopo, poiché solo in questo modo è assicurato un'umidificazione uniforme all'interno del nastro. Infine ha luogo la terza e ultima fase di trattamento necessaria per il metodo secondo l'invenzione sulla linea per fibre: distensione ed autoincrespatura. La distensione ha luogo dopo la coppia di rulli del dispositivo di avvolgimento 9. In contrasto coi modi di procedere noti, un punto caratteristico ed essenziale del metodo secondo l'invenzione è che la distensione del nastro si verifica in stato umido e chiuso in modo compatto ed il nastro non si apre, cosicché le singole fibre in una struttura compatta si toccano ed hanno una certa adesione fra loro.

E' sorprendente che l'autoincrespatura possa verificarsi in queste condizioni, che differiscono molto da quelle della tecnica nota. L'autoincrespatura della fibra incomincia già nel collettore del dispositivo di raffreddamento 9 all'entrata dell'essiccatore a trasportatore a piastre 10. Il collettore viene usato per avvolgere il nastro a serpente sulla larghezza dell'essiccatore a trasportatore a piastre. Con avvolgimento stretto (per usare la capacità dell'essiccatore) è eventualmente possibile usare dispositivi ausiliari addizionali fra l'estremità del collettore ed il trasportatore a piastre per avere avvolgimento privo di torsione e sovrapposizione. In larga misura si verifica l'increspatura già prima dell'ingresso nella prima camera di essiccazione. Poiché, col modo di funzionamento secondo l'invenzione, il nastro è sempre molto meno voluminoso, anche nello stato increspato, di un nastro gonfiato aperto, esso può essere manipolato senza problemi. L'essiccatore a trasportatore a piastre 10 è regolato preferibilmente ad una temperatura nell'intervallo fra 145° e 185°C ed un tempo di residenza fra 5 e 12 minuti, preferibilmente circa 7,5 minuti. Sarebbe anche possibile impiegare un essiccatore a vaglio cilindrico invece di un essiccatore a trasportatore a piastre. Le condizioni di essiccazione sono richieste per l'indurimento della finitura a base di silicio sulla superficie della fibra e contemporaneamente, sono usate per essiccare e indurire a caldo il nastro increspato. Il nastro increspato finito viene raffreddato alla fine del trasportatore a piastre e quindi viene alimentato ad una macchina di taglio (11, non mostrata). Tuttavia, vi sono anche applicazioni in cui viene ulteriormente lavorato il nastro non tagliato.

In modo sorprendente, col procedimento secondo l'invenzione per produrre filamenti di fibre autoincrespanti si forma un nuovo tipo di increspatura, non più a forma di spirali o di linee elicoidali, come nel modo convenzionale. Abbiamo chiamato la nuova increspatura increspatura omega (Ω). Che questa sia la descrizione adatta si può vedere nel disegno caratteristico b) in fig. 3 (Nota: tutte le illustrazioni in fig. 3 sono state ingrandite del 141% per rendere meglio visibile la struttura di increspatura). Archi di increspatura del genere, ben tondi e regolari, potevano essere prodotti finora solo mediante un metodo meccanico complicato (detto anche metodo di arricciamento o di increspatura a maglia), come descritto, ad esempio, da R. Bauer ed H.J. Koslowski in chemiefaser-Lexikon [Dizionario di fibre chimiche], Deutscher Fachverlag GmbH, Frankfurt/Main, 1979, pag. 60 in basso (illustrazione) e pag. 63 in basso a destra, o da B. von Falkai in Synthesefasern [Fibre sintetiche], Verlag Chemie, Weinheim 1981, pag. 148 in basso e pag. 149 (ili. 20 con fotografia). Ma gli archi ad Ω nella forma pura secondo l'invenzione non si producono isolatamente in singole fibre o gruppi di fibre, ma solo in una struttura compatta più grande in condizioni adatte. Ciò risulta chiaro considerando la fig. 3a che rappresenta una sezione piana di un nastro di fibre increspato ad O. Osservata dall'alto, si può' vedere una struttura ad onde continua regolare con disposizione stretta, che continua con una fase costante, con esatto sincronismo di fase nella direzione di avanzamento del nastro (sinistra--destra) e sorprendentemente anche lateralmente (alto-basso). Questa struttura di ordine elevato si è formata da sola nelle condizioni scelte, il che risulta in un primo momento quasi incredibile, se si pensa all'increspatura meccanica a maglia. Le singole fibre con increspatura ad Ώ si trovano di nuovo effettuando una sezione longitudinale attraverso il pezzo piano di fig.

3a ed osservandola di lato, cioè la fig. 3b rappresenta il profilo longitudinale di fig. 3a. Con ciò si afferma anche indirettamente che la pura increspatura reale ad Ω è un'increspatura (piana) bidimensionale. La risposta alla domanda a proposito del meccanismo dell'increspatura ad Ω disposta strettamente estendentesi su una grande superficie con molte singole fibre si trova solo considerando più del puro campo particolare che è spesso governato da modi di pensare lineari e monocausali. In questo caso diventa chiaro che il fenomeno di increspatura ad Ω è un esempio di un cosiddetto sistema autoorganizzato, quale è stato ultimamente trovato in modo sorprendentemente analogo a proposito di processi in sistemi apparentemente del tutto differenti in fisica, chimica, biologia, sociologia, economia ed altri campi. Hermann Haken ha basato su questo una nuova disciplina scientifica, che chiama sinergetica. Questo insegnamento di cooperazione è in grado di spiegare matematicamente la creazione spontanea di strutture a partire da elementi non organizzati o sistemi parziali. Tali strutture, molto lontane dall'equilibrio termodinamico, possono soltanto essere mantenute o create fornendo continuamente energia e/o materiale (cioè in un sistema aperto che è in interazione con l'ambiente). Queste sono perciò strutture dinamiche simili ad una fiamma di candela. La cooperazione coordinata di singoli elementi è controllata da parametri d'ordine che sono creati a partire dal disordine (dal caos) in determinate condizioni esterne (ad esempio, rivestimento d'acqua sul nastro maggiore di circa il 10%, oltre agli altri requisiti accennati) analogamente ad una transizione di fase da parte di forze di azionamento casuali (fluttuazioni) e connessioni deterministiche. Non è quindi possibile, con processi autoorganizzanti, creare direttamente la struttura, cosi come con l'increspatura a maglia meccanica, bensì occorre molto senso istintivo di livello elevato per adattare fra loro in modo ottimale valori di influssi esterni in modo che si possa generare "da solo" un sistema strutturato.

La geometria dell'increspatura a spirale nota e della nuova increspatura ad Ω secondo l'invenzione vengono confrontate fra loro nelle figg. 4 e 5. I simboli hanno il seguente significato: x, y, z assi di un sistema di coordinate tridimensionale S increspatura a spirale

Ω increspatura ad omega

P periodo dell'increspatura a spirale

Ω periodo dell'increspatura ad omega

Ω punto di flesso dell'increspatura ad omega Partendo dal punto di coordinate zero, l'increspatura a spirale di una fibra nella direzione dell'asse z verticalmente verso l'alto è rappresentata in fig. 4, l'increspatura ad Ω nel piano x, y nella direzione y. Con ogni tipo di autoincrespatura la componente della configurazione bicomponenti S/S che si ritira di più (nel caso di PET/co-PET il copoliestere) è situata rispettivamente all'interno degli archi di increspatura. Poiché, in contrasto con l'increspatura a spirale, l'increspatura ad Ω ha archi alternati con direzioni di curvatura opposte, i punti di flesso matematici del tracciato della curva ad Ω (intersezioni con l'asse y) corrispondono anche simultaneamente a punti di flesso materiali con uno scambio della posizione di componenti nella fibra. Poiché questo cambiamento di posizione avviene, ovviamente, con continuità, può avvenire solo, dato l'impedimento sierico (laterale) nella struttura di nastro, in modo tale che le fibre ruotino attorno ai propri assi quando si effettui la transizione da un arco ad Ω al successivo. A causa del mutuo contatto, questa curvatura non ha luogo individualmente, ma accoppiata sull'intera larghezza del nastro connesso, in modo tale che fibre adiacenti si arrotolino l’una sull'altra in direzioni di rotazione opposte (alternativamente avanti e indietro dopo ogni arco). I punti di flesso dell'increspatura ad Ω sono perciò il sistema di comunicazione del nastro compatto, per così dire, mediante i quali avviene la sincronizzazione dell'increspatura, che dà luogo, infine, all'autoorganizzazione e all'alto grado di ordine del nastro. In fig. 5 è mostrato come lo stesso materiale abbia automaticamente archi più grandi, cioè un periodo di increspatura più lungo o pochi archi per unità lineare, nella forma di increspatura ad Ω rispetto alla forma di increspatura ad S. Se si disegnano i due tipi di increspatura in profilo lineare in modo parzialmente congruente l'uno sull'altro, si può vedere che è già finito un arco ad S quando l'arco ad Ώ ha già percorso metà lunghezza verso il punto di flesso ed è ancora curvato dall'altro lato. Tuttavia non occorre che il periodo Ω sia esattamente il doppio del periodo S (ciò dipende anche dal passo effettivo della linea a spirale S), però generalmente nella forma di increspatura ad Ω risultano sempre archi più grandi (in periodo ed ampiezza) che nella forma a spirale. Per determianate applicazioni non è ottimale né la pura increspatura ad S né la pura increspatura ad Ώ. Tuttavia, col metodo secondo l'invenzione, è possibile, senza inconvenienti nel processo di produzione, disporre specificamente stadi intermedi vantaggiosi fra l'increspatura ad Ω e quella ad S. In fig. 4 tali fibre saranno situate nel piano y, z e si estenderanno in posizioni in una forma ad Ω nella direzione y e quindi di nuovo in posizioni in una forma ad S nella direzione z. Disegni di tali increspature non più puramente ad O, associati con archi a spirale, sono rappresentati nelle figg- 3d e 3e. Il disegno di fig. 3d mostra una forma intermedia di increspatura adatta per la produzione di fibre di riempimento, ma in particolare anche per piccole sfere di fibre (ad esempio Schlafkugelrv , dream balls®) che ha proprietà di voluminosità ed elasticità particolarmente vantaggiose nella realizzazione cava. Un'applicazione preferita per l'increspatura ad Ω bidimensionale pura sono fibre increspate in questo modo (non cave) per il rinforzo di carta speciale (non-tessuto umido). I requisiti di produzione dei disegni delle figg. 3c-e saranno discussi in maggiore dettaglio nell'esempio che segue.

Esempio

La base era materiale bicomponenti per filatura di composizione PET/e-caprolattone-co-PET con l'8% in moli della porzione caprolattone nel co-PET e con configurazione in sezione S/S cava.

Il rapporto di stiro principale tra la prima e la seconda unità di stiro era circa 1:3,5. Furono variati, da una parte, il modo di applicazione della finitura a silicio (5%) e, d'altra parte, il rapporto di post-stiro all'unità di stiro a freddo, entrambi con effetto sull’autoincrespatura. I dati di tessuto delle singole fibre rimasero circa gli stessi in queste variazioni, cioè il risultato per le fibre finite fu un titolo di circa 5,3 dtex, un allungamento a rottura circa del 45% ed una resistenza a trazione di circa 3,6 cN/dtex. Le variazioni ebbero i seguenti effetti riguardo alla geometria di increspatura:

- Con un rapporto di post-stiro di 1,006 con successiva immersione e spremitura risultò una bella increspatura ad Ω, come si può vedere sul pezzo di nastro (sfioccato) di fig. 3c.

- Con lo stesso rapporto di post-stiro (1,006), ma con finitura a rullo (dosata) senza spremitura, risultò l'increspatura di fig.

3d. Data la disuniformità del rivestimento d'acqua, si formarono gruppi di fibre più piccoli, nei quali si alternavano statisticamente archi ad Ω e ad s.

- Con finitura mediante immersione e spremitura, ma con un post-stiro più elevato aumentato in precedenza, si verificò anche uno spostamento dall'increspatura Ω all'increspatura S. Col disegno di fig. 3e il rapporto di post-stiro fu 1,024. Con un post-stiro ancora maggiore (1,050 e più), si ebbe la formazione di singole matasse che avevano più increspatura S che Ω. Quanto più elevato era il post-stiro, tanto più fine era l'increspatura delle aree ad Ω, come si può vedere confrontando le figg. 3c ed e.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1) Metodo per la produzione di fibre bicomponenti di polimero autoincrespanti, basato su filatura affiancata di materiale bicomponenti combinato in una linea di nastro di fibre, comprendente inoltre la lavorazione del nastro mediante stiro, post-stiro, finitura, distensione, essiccazione e indurimento a caldo, caratterizzato da ciò che: - lo stiro principale è seguito da post-stiro del nastro caldo e secco sull'ultima unità di stiro a freddo, - nello stato teso e con l'eventuale spremitura si applica al nastro un rivestimento d'acqua dal 10 al 30% in peso, e - si effettua distensione nello stato chiuso, compatto, all'entrata di un essiccatore.
2. 2) Metodo come in 1), caratterizzato da ciò che si usa per il post-stiro un rapporto di stiro uguale al massimo ad 1,100.
3. 3) Metodo come nelle rivendicazioni 1) e 2), caratterizzato da ciò che si usa per il post-stiro un rapporto di stiro fra 1,005 ed 1,050.
4. 4) Metodo come in una qualsiasi delle rivendicazioni da 1) a 3), caratterizzato da ciò che si effettua finitura mediante immersione o finitura a rullo.
5. 5) Metodo come nelle rivendicazioni 1) e 4), caratterizzato da ciò che si effettua finitura mediante una finitura a silicio.
6. 6) Metodo come in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni da 1) a 5), caratterizzato da ciò che si effettua la finitura con un rivestimento d'acqua dal 15 al 20% in peso, misurato prima della distensione e dopo eventuale spremitura.
7. 7) Metodo come in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni da 1) a 6), caratterizzato da ciò che, per le fibre bicomponenti S/S, si usano come polimeri dei polimeri di tipi affini, quali PA6/PA66, PET/PBT, PE/PP o coppie di polimeri e copolimeri, quali PET/CO-PET, essendo preferita una combinazione di PET con un co-PET che contenga unità di acido ‘o-idrossicarbossilico distribuite statisticamente, create preferibilmente da una modificazione con e-caprolattone. B) Metodo come nella rivendicazione 7), caratterizzato da ciò che si scelgono per fibre bicomponenti S/S, da una parte, polimeri di polietilentereftalato e, d'altra parte, i copolimeri a base di polietilentereftalato con una porzione dal 4 al 12% in moli di e-caprolattone. 9) Fibre bicomponenti autoincrespanti con una notevole parte di archi di increspatura ad Ω bidimensionali ed eventualmente archi a spirale tridimensionali che possono essere prodotti col metodo come in una delle rivendicazioni da 1) a 8). 10) Uso di fibre bicomponenti autoincrespanti come in 9), in particolare in forma cava, preferibilmente per la produzione di piccole sfere di fibre, così come fibre per rinforzo di carta, in particolare con pura increspatura ad Ω.