NO136983B - Fremgangsm}te til fremstilling av en masse av findelte, stive fibrer. - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte til fremstilling av en masse av findelte, stive fibrer.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte til fremstilling av en masse av findelte, stive fibrer, hvor en smelte av en lineær polymer ved høyere temperatur og høyt trykk overføres i et flerfasesystem som avspennes gjennom en dyse.

Anvendelsesområdet for oppfinnelsen er fremstilling av papir av polymerfibrer. Dette papir kan fremstilles i en vanlig papirmaskin slik som cellulosepapir. Fibrene i et slikt papir må

ha høy molekylorientering, de må være tynne og de må være meget fibrillert. Det er vanskelig å tilfredsstille disse betingelser med polymerfibrer.

Innen fiberteknikken er det fra DT-OS 1.435.632 kjent en avspennings-spinnemåte hvor det som avspenningsmiddel anvendes et løsningsmiddel for polymeren, som når det gjelder kokepunkt, løseevne, og restløsningsmiddelsmengde må oppfylle visse betingelser. Derved oppnås det en homogen løsning av polymeren. Ved forandring av trykket før avspenningen føres denne homogene løs-ning over i et tofasesystem. Denne fremgangsmåte er meget komplisert. Klargjøringen og håndteringen av løsningsmidlene i teknisk målestokk er kostbar og komplisert. Tråden som oppnås ved denne fremgangsmåte er beregnet for anvendelse i tekstiler og har følgelig ikke tilstrekkelig fibrilldannelse for papirfremstilling.

En liknende fremgangsmåte er kjent fra DT-AS 1.292.301.

Fra britisk patentskrift 1.090.478 er det kjent en fremgangsmåte til fremstilling av polyakrylnitrilfibrer som er egnet for papirfremstilling. I polymermassen kan det også anvendes en kopolymeriserbar andel av en olefinpolymer. Ifølge denne fremgangsmåte dispergeres polymeren i vann som inneholder et middel for regulering av viskositeten. Idet polymeren er delvis løselig i vann, oppnås det en viskøs smelte, altså hovedsakelig en homogen løsning. Umiddelbart før utpressing av dette system foretas det en oppvarming, slik at det i polymerfasen, som inneholder vann, foregår en faseskilling. Det dannes inne i systemet en stort sett polymerfri vandig fase. Deretter avlastes systemet. For fibrilldannelse er det nødvendig ved avspenningen innvirk-ning av en dampstråle idet vannet som er løst i polymerfasen utgjør en for liten andel til å kunne sikre en tilstrekkelig fibrilldannelse. For bearbeidelse av polymerer som er uløselig i vann er fremgangsmåten uegnet. Dessuten er utøvelsen av fremgangsmåten vanskelig på grunn av at tallrike behandlingsbeting-elser må tilfredsstilles. Heller ikke den ekstra behandling med en dampstråle er problemfri. Dampstrålen bevirker utelukkende på grunn av Joule-Thomson-effekten en liten avkjøling av fibrene, slik at denne dampstråles virkning er utilstrekkelig.

Formålet med oppfinnelsen er å frembringe en fremgangsmåte til fremstilling av en masse av findelte, stive fibrer med høy grad av fibrilldannelse og hydrofile egenskaper. Fremgangsmåten skal være så enkel og økonomisk som mulig.

Dette er ifølge oppfinnelsen oppnådd ved at det til en olefinpolymer tilsettes vann i en mengde av 2-50 vektsprosent, regnet av den totale vekt, at denne blanding ved et trykk over metningsdamptrykket eltes til dannelse av en dispersjon, og at det umiddelbart før avspenningen tilsettes ytterligere vann i en mengde av 1 til 5 ganger eller flere ganger vekten av dispersjonen.

Ifølge oppfinnelsen anvendes det et dispergert system. Ole-finpolymerene er uløselig i vann. Umiddelbart før avspenningen tilsettes det ytterligere vann som ved senkningen av trykket oppviser overraskende virkninger. Senkningen av trykket fører til fordampning av vannet. Dette betinger en esevirkning og en driv-virkning på polymeren. Dessuten foregår det en sterk og hurtig avkjøling på grunn av at fordampningen av vannet krever fordampningsvarme. Joule-Thomson-effekten utnyttes bare som et tillegg. Først dispergeres en mindre vannmengde homogent i polymersmelten ved elting. Ved tilsetning•av mer vann umiddelbart før avspenningen i lavtrykksområdet kan det ved slagaktig fordampning av dette vann oppnås en strålevirkning og retningsvirkning i ekstruderingsretningen. Derved oppnås det en strekking og utretting av polymerfibrillene og en hurtig avkjøling på grunn av den med-gåtte fordampningsvarme. Disse virkninger oppnås utelukkende ved ekspansjonen og fordampningen av vannet.

Fortrinnsvis tilsettes det til den smeltete lineære polymer et vannsorpsjonsmiddel i form av et findelt fast stoff bestående av nitrater, oksalater, acetater, sulfater, sulfitter, karbonater, fosfater, hydroksyder samt halogenider av alkalimetaller, jord-alkalimetaller (inklusive magnesium) og amminium, eller i form av et findelt, vannuløselig fast stoff med en andel av et silikat. Dette vannsorpsjonsmiddel bibringer fibermassen hydrofile egenskaper.

Ved utbløting, oppløsning eller maling av den findelte fibermasse i en mølle lar det seg lettvint danne fiberstoffer for syntetisk papir. Et syntetisk papir som er fremstilt av slike findelte fibrer har en høy fasthet og en tilsvarende stivhet som er sammenlignbar med tilsvarende egenskaper hos cellulose.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av den etter-følgende detaljerte beskrivelse som angir foretrukne utførelses-former av oppfinnelsen under henvisning til de medfølgende tegn-inger, hvori: Fig. 1 viser et flytdiagram som viser den vesentlige anord-ning av apparatur for utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ifølge et første utførelseseksempel. Fig. 2 viser et flytdiagram som viser apparatur for ut-førelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ifølge et annet eksempel. Fig. 3, 4 og 5 viser langsgående snitt av ekstruderhoder som er egnet for utøvelse av oppfinnelsen.

Eksempler på slike lineære olefinpolymerer er polyklor-etylener, polyvinylaromater, anvendt alene eller som kopolymerer. De mest typiske eksempler blant polyolefinene er isotaktisk polypropylen, HD-polyetylen og harpiksaktige etylenpropylen-kopolymerer. Disse lineære polymerer kan anvendes alene eller som blandinger. Det har vist seg at i det sistnevnte tilfelle er det, ved å blande en polymer hvis adhesjon, polaritet eller hydrofile egenskaper er mer fremtredende enn dens evne til å danne fibrer med en krystallinsk polymer, mulig å bedre de fysi-kalske egenskaper til de findelte fibre av den krystallinske polymer. For å oppnå tilstrekkelig molekylorientering er en krystallinsk polymer å foretrekke.

Den lineære polymer kan inneholde et pigment, et fyllstoff, et esemiddel, et broslagningsmiddel, en stabilisator samt andre tilsetninger som vanligvis anvendes i polymerer.

For å fremme dispergeringen av vann i den smeltete polymer

er det ønskelig å anvende en substans som er vannløselig eller har egenskap som går fra vannabsorpsjon til vannadsorpsjon (her-etter kalt "vannsorpsjonsmiddel"). Vannsorpsjonsmidlet kan være blandet med polymeren på forhånd eller det kan blandes ved å føre det inn sammen med vann.

Vannsorpsjonsmidlet kan være en substans som inneholder krystallvann og selv kan innføre vann i den smeltete polymer, eller det kan være en substans som selv om det har vannsorpsjonsegen-skaper, ikke inneholder krystallvann og kan funksjonere som et såkalt fyllstoff.

Eksempler på vannsorpsjonsmidler som har krystallvann og

kan anvendes ifølge oppfinnelsen er organiske og uorganiske salter såsom Na_.S0.-7 H_0, Na_B„O_.10 H„0, CaC-O..Ho0 samt CaC.H.O,.

z 4 z z 4 / z 2 4 z 4 4 6 4 H20. Ved utøvelsen av oppfinnelsen er et hydratisert salt med spaltingstemperatur over polymerens smeltetemperatur, såsom Na2B40^. 10 H20, særlig egnet.

Eksempler på substanser som er vannsorberende uten krystallvann er: vanlige, hygroskopiske, porøse fyllstoffer såsom titanoksyd, bariumsulfat, leire, kalsiumkarbonat, silisiumdi-

oksyd og diatoméjord, vannløselige og vannabsorberende uorganiske salter såsom Na2C03, NaHC03, (NK4)2C03, NH4HC03, Ba2C03, CaS04, NaoS0., MgSO., Mg(0H)o, Al(OH)og Ca(0H)o samt vannløselige høy-

Z 4 4 Z J ^

polymere substanser såsom polyvinylalkohol, polyakrylsyre og salter av denne, polyakrylamid, polyetylenglykol samt polyetyl-enimin.

Disse vannsorpsjonsmidler kan anvendes i kombinasjon. Mens disse midler kan blandes med polymeren i en konsentrasjon på opp-til omtrent 60%, er det funnet at en foretrukket konsentrasjon vanligvis er i området 10 til 30%. Det er ønskelig at vannsorpsjonsmidlet finnes i polymeren i jevn og høydispergert tilstand. Generelt øker vannsorpsjonsmidlets effektivitet med avtakende partikkeldiameter.

Ifølge en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen tilsettes et overflateaktivt stoff til polymeren og/eller vannet for å fremme fuktbarheten til den smeltete polymer med supplerende vann som .tilføres umiddelbart før ekstrudering innad i lavtrykksområdet for derved å utlede maksimal strekkeeffekt på grunn av suppleringsvannet som tilføres under trykk.

Som overflateaktivt stoff kan et vilkårlig anionisk, kat-ionisk, amfotert eller dobbeltionisk overflateaktivt stoff anvendes alene eller som en blanding forutsatt at det er stabilt under høytemperatur- og høytrykksbetingelsene ifølge oppfinnelsen. Det overflateaktive stoff tilsettes polymeren i en mengde på

mer enn 0,1 vektsprosent av polymeren. En mengde på mindre enn 1,0 vektsprosent er vanligvis tilstrekkelig til å gi tilstrekkelig effekt av det overflateaktive stoff.

Avhengig av behovet kan det anvendes forskjellige hjelpestoffer ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen forutsatt at de ikke har noen skadelig virkning på resultatene og ikke utgjør en avvikelse fra oppfinnelsens mål. Eksempler på slike hjelpestoffer er hjelpestoffene som tidligere er nevnt med hensyn til polymeren og stoffer for regulering av verdier såsom vannets pH-verdi, densitet samt viskositet om nødvendig.

Det er ønskelig at vannet som er dispergert i polymeren finnes som væske i polymeren. En årsak til dette er at når vannet er i væskeform opptar det en relativt liten volumdel i polymeren, og elting og dispergering kan utføres mere lettvint enn når vannet er i dampform. En annen viktig årsak er at når vann er i væskeform er ekspansjonskraften under ekstrudering innad i et lavtrykksområde meget større.

Vannet som dispergeres jevnt og høydisperst i form av frie celler inne i polymeren utløser øyeblikkelig ekspansjon og fordampning når det brått frigjøres fra høyt trykk på ekstruderings-tidspunktet, og idet det brister celleveggene stråles det videre i ekstruderingsretningen hvorved det strekker polymeren med stor styrke og forårsaker at denne splittes i findelte fibre.

For at vannet skal dispergeres jevnt inne i polymeren eltes polymeren og vann sammen under temperatur- og trykkbetingelser som bidrar til jevn dispergering og fortrinnsvis i nærvær av et overflateaktivt stoff og/eller vannsorpsjonsmiddel som angitt foran.

Eltingen kan utføres på vilkårlig egnet måte, f.eks. 1) ved en metode som omfatter samtidig blanding av polymer, vann, overflateaktivt stoff og/eller vannsorpsjonsmiddel og elting av den resulterende blanding en bestemt tid under bestemte temperatur-og trykkbetingelser, 2) ved en metode hvor polymeren (og vann-sorps jonsmidlet og/eller det overflateaktive stoff) bringes til å anta smeltet tilstand, hvoretter vann (og overflateaktivt stoff) tilføres den smeltete blanding under trykk til dannelse av en blanding som deretter eltes samt 3) ved en metode hvor vann (og overflateaktivt stoff og/eller vannsorpsjonsmiddel som vanskelig løses) tilføres polymeren under trykk (og overflateaktivt stoff)

i smeltet tilstand, og den resulterende blanding eltes.

En foretrukket fremgangsmåte omfatter tilsetning av vann til polymeren i smeltet tilstand under trykk. Selv om et apparat såsom en ekstruder anvendes for blanding av et hjelpestoff for polymerer, såsom et antistatisk middel eller en stabilisator,

med en smeltet polymer, kan det anvendes en kontinuerlig Ban-bury-blander eller en elter, men det antas at den enkleste og mest praktiske fremgangsmåte for å utføre elting er ved hjelp av en ekstruder, idet vann ved høy temperatur og høyt trykk inn-føres direkte i ekstruderen, og det oppnås et passende høyt trykk der inne.

Dispergering av vannet i den smeltete polymer innflueres sterkt av graden av elting og av temperatur- og trykkbetingelsene under eltingen.

Mens eltetemperaturen bør være i hvert fall så høy som polymerens smeltetemperatur, idet vannet skal dispergeres i den smeltete polymer, foretrekkes en betydelig høyere temperatur. Videre influerer vannets temperatur og trykk på vannets blåsevirkning ved ekstruderingen innad i lavtrykksområdet, og denne blåsevirkning øker med økende vanntemperatur og vanntrykk. Årsaken til dette er at dersom temperaturen er lav vil elteeffektiviteten avta på grunn av viskositetsøkning i den smeltete polymer, og dispergeringen av vannet hindres.

Følgelig er det når vannet skal tilføres den smeltete polymer under trykk ønskelig at vanntemperaturen er over polymerens temperatur i smeltet tilstand. Selvfølgelig vil ikke dette pro-blem oppstå dersom eltetiden forlenges etter at vannet er tilsatt eltesystemet.

Videre er det som tidligere nevnt ønskelig at vannet fore-ligger som væske i polymeren. Følgelig bør trykket på eltetids-punktet være høyere enn metningsvanndamptrykket ved denne temperatur. Jo høyere trykket som vannet tilsettes under er, desto dypere vil vannet trenge inn i det indre av den smeltete polymer og desto mer lettvint vil dis<p>ergeringen på grunn av elting bli. Følgelig er et høyt vanntilførselstrykk ønskelig.

Nærmere bestemt har det vist seg at når vann tilsettes en smeltet polyolefin kan det oppnås gode resultater dersom den smeltete olefins og.vannets trykk begge er over 40 kg/cm 2, fortrinnsvis over 100 kg/cm 2.

I hvert fall er det nødvendig at vann tilsettes i form av bittesmå dråper med egnet finhet og jevnhet inne i den smeltete polymer.

Idet den mengde vann som dispergeres i den smeltete polymer sammen med temperaturen og trykket influerer på blåsevirkningen er det ønskelig med en stor mengde vann som ikke vil svekke elte- og dispergeringsoperasjonen.

Det vil nå bli beskrevet et system hvori de dispergerte vannpartikler er kuleformete partikler med samme diameter og er blitt tilsatt med maksimal densitet til en polymer. I et tenkt tilfelle hvor det søkes en grensekonsentrasjon av det dispergerte vann på 74% og de dispergerte vannpartikler har meget liten diameter og tynne cellevegger, kan det antas det oppnås jevn og fin fibrillering ved hjelp av vannets egen blåse- og strekke-kraft. Men i en vanlig ekstruder eller liknende elteapparat kan forskjeller i viskositet forårsake at de individuelle vannpartikler aggregerer innbyrdes og sekundært, hvorved det i praksis blir vanskelig å elte og dispergere mer enn 50% vann jevnt og sterkt i den smeltete polymer.

Med dispergert vann i bare denne mengde er strekke- og orienteringseffektene utilstrekkelig, og det er vanskelig å oppnå en fibermasse som er blitt høyt orientert og jevnt og sterkt fibrillert. Ifølge oppfinnelsen tvinges supplerende vann inn i polymeren umiddelbart før ekstrudering i lavtrykksområdet, og det supplerende vanns strekke-effekt anvendes for å gjøre splittingen av polymeren i findelte fibre mere lettvint for derved å fremstille høyt orienterte, findelte fibre.

I det tilfelle at 50% overstiges og en ytterligere, stor mengde vann tilsettes polymeren, kan ikke vannet lenger beholde dets dispergerte tilstand av små celler, og det dannes delvis innbyrdes kommuniserende, kontinuerlige faser. Samtidig avtar cellediameteren eller avstanden mellom de kontinuerlige faser.

På liknende måte som i tilfellet med dispergering av vann i

form av uavhengige celler som beskrevet tidligere kan følgelig, ved å tilsette supplerende vann og utnytte strekke-effekten til det supplerende vann, de etterstrebete høyt orienterte fibre oppnås.

Vannmengden som dispergeres i polymeren før det supplerende vann tvinges inn er ifølge oppfinnelsen over 2%, fortrinnsvis 25-50%, beregnet på polymeren og det findispergerte vann. Når mengden er mindre enn 2% er den resulterende skammevirkning utilstrekkelig. Mens det i dette tilfelle er mulig å oppnå findelt fibrillering ved å tilsette en stor mengde supplerende vann og utnytte dettes jetkraft, vil de resulterende fine fibre være harde og ujevne, hvorved de vil kreve ytterligere etter-behandling for anvendelse i syntetisk papir.

For å fremstille en masse av findelte fibre med høy fasthet ved å ekstrudere en slik smeltet polymer hvis vann er findispergert, inn i et lavtrykksområde, må supplerende vann være til stede i tillegg til det dispergerte vann som nevnt tidligere. Dette supplerende vann hjelper til med og gjør det lettere å foreta uttømmingen av den vanninneholdende polymer i lavtrykksområdet og, som nevnt før, sprøytes kraftig i ekstruderingsretningen ved hjelp av plutselig opphevelse av trykk som opptrer når polymeren ekstruderes inn i lavtrykksområdet. Denne virkning til det supplerende vann gir en høy grad av strekking og orientering i polymeren som inneholder findispergert vann og som be-veger seg i samme ekstruderingsretning, hvorved polymeren splittes i findelte fibre ved hjelp av det dispergerte vanns kombin-erte skumme- og strekke-effekt.

Ved utøvelse av den foreliggende oppfinnelse inntreffer således blåsevirkningen til vannet, som er dispergert i den smeltete polymer, og strekke- og orienteringsvirkningene, som skyldes det supplerende vann, nesten samtidig for derved å omdanne polymeren til findelte fibre. Følgelig bestemmes mengden supplerende vann i forhold til dets effekt med blåsevirkningen av det vann som er dispergert i den smeltete polymer. Nærmere bestemt kreves det en relativt stor mengde av det supplerende vann når mengden av det dispergerte vann er liten og blåsevirkningen er liten. På den annen side er det nok med en relativt liten mengde når blåsevirkningen er tilstrekkelig sterk.

Videre påvirkes blåsevirkningen til det dispergerte vann også av temperatur- og trykkbetingelsene i høytrykksområdet i forhold til betingelsene i lavtrykksområdet. Det vil si at jo høyere trykk og temperatur, desto bedre blir resultatene.

Generelt bevirker ikke det supplerende vann splitte-effekt, dette på grunn av at celleveggene brister fra det indre som følge av det dispergerte vann, og polymersplitte-effekt på grunn av strekking og orientering fra innsiden er derfor dominerende. Av lenne årsak er det supplerende vanns bidrag til splittingen av <p>olymeren noe mindre enn det dispergerte vanns bidrag. Følgelig ir det i en effektiv virkemåte ved utøvelsen av den foreliggende oppfinnelse ønskelig at en så stor vannmengde som mulig disper-jeres jevnt og findelt i polymeren og at det supplerende vann invendes sekundært.

Når det f.eks. anvendes polypropylen som polymer, er meng-len dispergert vann beregnet på polymer med dispergert vann fra 10 til 50%, og ekstrudering inn i et lavtrykksområde med rom-:emperatur og ved atmosfæretrykk foretas fra et høytrykksområde ied temperatur på fra 230 til 280°C og trykk på fra 100 til 150 cg/cm 2, og mengden supplerende vann er 1 til 5 eller flere ganger vannmengden som er dispergert i polymeren. Det har vist seg at ied denne mengde supplerende vann og under disse betingelser ir det mulig å fremstille en findelt fibermasse som er meget jgnet for papirfremstilling.

Dersom mengden dispergert vann er fra 2 til 5% er det på den mnen side nødvendig å tilsette det supplerende vann i en meget stor mengde, i størrelsesorden 4 0 til 50 ganger beregnet på poly-rteren med dispergert vann.

Det vil være klart at det supplerende vann tilsettes ved løy temperatur og under høyt trykk som er omtrent de samme som :or det dispergerte vann.

Selv om det supplerende vann kan tilsettes etter at den nød-vendige mengde dispergert vann er tilsatt på det tidligere nevnte iltetrinn, er det den mest ønskelige fremgangsmåte å tvinge det supplerende vann under trykk inn i det indre av ekstruderings-mordningens munning i lavtrykksområdet eller inn i polymerstrøm-aen umiddelbart før munningen. Årsaken til dette er at dersom det supplerende vann tilsettes for tidlig har den jevne og findelte ;ilstand av det dispergerte vann inne i den smeltete polymer en ;endens til å ødelegges.

For å utnytte effekten av det supplerende vann maksimalt Dør videre kontaktarealet mellom det supplerende vann og poly-leren med dispergert vann være så stor som mulig, og dette kan )ppnås ved egnet utforming av ekstruderdelen hvor det supplerende vann tilsettes.

Det er ønskelig at dette supplerende vann også inneholder it overflateaktivt stoff. Videre bør som nevnt ovenfor det sup-

plerende vann tilsettes ved egnet høy temperatur.

Representative eksempler på konstruksjonen av den ovenfor nevnte apparatur for tilsetning av det supplerende vann er vist i fig. 3, 4 og 5, som hver viser et langsgående snitt langs et plan gjennom ekstruderens akse og viser en ekstrudermunning. Fig. 3 viser et eksempel på en dyse for indre mating. Innenfor en ekstrudermunning 113 tilsettes supplerende vann gjennom en indre del eller torpedo 213 til den indre del av en polymer med dispergert vann, og den nevnte strekking utøves mot polymeren fra dens indre. Fig. 4 viser et eksempel på en dyse for ytre mating hvor det supplerende vann tilsettes langs den indre flate av ekstruder-dyseveggen, og polymeren stekkes fra utsiden. Dyseveggen av munningen 113A er stort sett den samme som for munningen 113 i fig. 3, idet munningen 113 og 113A atskiller seg fra hverandre bare ved deres indre deler 213 og 213A.

Kontaktarealet mellom det supplerende vann og polymeren

med dispergert vann er større i munningen 113A ifølge fig. 4

enn i munningen 113 ifølge fig. 3, og følgelig er strekke-effekten større. Ifølge fremgangsmåten med ytre mating flyter det supplerende vann langs ekstruderdyseveggens indre overflate hvorved friksjonstrekkingen eller motstand mot flyt blir ytterst lav, og denne fremgangsmåte er derfor dårligere når det gjelder å opprettholde indre trykk i dysen. Men den lave dysemotstand muliggjør ekstrudering ved høy hastighet og høy strømningshas-tighet.

På grunn av dette trekk sammen med den ovenfor nevnte økning i kontaktareal er effekten med å danne findelte fibre ifølge fremgangsmåten med ytre mating som antydet i fig. 4, bedre, til tross for reduksjon i blåsevirkningen på grunn av det indre trykk i dysen.

Kontaktarealet mellom det supplerende vann og polymeren med dispergert vann kan økes ytterligere for derved ytterligere å fremme effekten til å omsette polymeren i findelte fibre ved anvendelse av ekstrudermunninger av forskjellige konstruksjoner, av hvilke et representativt eksempel er illustrert i fig. 5.

Som nevnt ovenfor må dispersjonsvannet dispergeres i væskeform i den smeltete polymer ved høy temperatur og under høyt trykk for å oppnå maksimal utnyttelse av vannets blåsevirkning.

Følgelig bør strømningsstrekningen fra den ovenfor beskrevne elteanordning og munningens utløp holdes på et trykk som er høyere enn vanndampens metningstrykk ved strømningsstrek-ningens temperatur. Dersom opprettholdelsen av trykk er uhensikts-messig og det inntreffer et trykkfall til en verdi under metnings-trykket vil vannet ekspandere og fordampe umiddelbart, hvorved polymeren avkjøles. Følgelig øker den smeltete polymers viskositet, og motstanden på skummetidspunktet og omdannelse av polymeren til findelte fibre i lavtrykksområdet øker.

Reduksjon av blåsevirkningen i lavtrykksområdet på grunn av senkning av vanntemperaturen og sekundær aggregatdannelse av det dispergerte vann på grunn av vannets ekspansjon gir dessuten anledning til atskillelse av vannet og den smeltete polymer.

Som resultat spaltes ikke polymeren tilstrekkelig, hvorved de findelte fibre som er formålet med oppfinnelsen ikke oppnås, men i ekstreme tilfeller avkjøles den smeltete polymer slik at den størkner og gir derved opphav til vanskeligheter såsom tilstopping av munningen.

Følgelig er det nødvendig å fremskaffe anordninger for koordinert regulering av trykkøkningsbetingelsene (f.eks. til-førsel av polymeren og vannet til elteområdet) i systemet fra elteområdet gjennom munningsutløpet og regulering av trykkreduk-sjonsbetingelsene (f.eks. overføring av den smeltete polymer fra elteområdet til munningen og uttømmingen i lavtrykksområdet fra munningen) for derved å opprettholde hele systemets trykk over en spesiell normal verdi som er høyere enn systemets dampmetnings-trykk.

Den smeltete polymer som fremstilles på denne måte ekstruderes fra høytrykksområdet, hvori den finnes i begynnelsen, via munningen og inn i lavtrykksområdet, for derved å omdanne den smeltete polymer til en masse av findelte fibre.

Mens lavtrykksområdet vanligvis er ved romtemperatur og atmosfæretrykk er det også mulig å anvende høyere temperatur og senket trykk i lavtrykksområdet for å fremme ekspansjonen og spruting av vannet.

For ekstruderingen av den smeltete polymer kan det anvendes en munning som har et antall ytre utdrivingsåpninger som har egnet form, såsom rund eller spalteformet. Mens ekstruderings-hastigheten fra utdrivingsåpningen fortrinnsvis tilsvarer lydhastigheten (330 m/sek), kan det anvendes en hastighet som er halvparten av lydhastigheten eller lavere.

Polymeren som fremstilles ved ekstrudering av en smeltet polymer hvori vann er dispergert findelt og jevnt, inn i et lavtrykksområde slik som beskrevet ovenfor, hvorved polymeren spren-ges i findelte fragmenter, fremstilles som en findelt fibermasse hvori det er uregelmessig forenet et stort antall meget tynne, findelte fibre.

Forutsatt at dispergeringen av det dispergerte vann i den smeltete polymer er høy og jevn, oppnås den resulterende findelte fibermasse som et aggregat av atskilte, korte fibre og kan mates som den er, direkte inn i en utbløtningsanordning eller spalte-anordning. Dessuten kan denne findelte fibermasse, i den tilstand den er etter fremstilling anvendes som råstoff i form av findelte fibre for papirfremstilling.

Selv i det tilfelle hvor den findelte fibermasse ikke kan fremstilles som atskilte, korte fibre på grunn av at de enkelte bestanddelsfibre er sterkt orientert, kan de bløtes ferdig ved hjelp av en maskin, såsom et formalingsapparat eller en raffinør som er vanlig i papirindustrien.

Utbløtingsbetingelsene blir enda mer fordelaktig når det anvendes en blanding av to eller flere polymerer i prosessen. Særlig findelte fibre som fremstilles ved anvendelse av polymerer som har adhesjonskraft (f.eks. polyvinylalkohol, polyakrylsyre og salter av denne, polyamidakrylat, polyetylenoksyd og poly-etylenamin) oppviser høy effektivitet i dannelsen av papirfilmen under papirfremstillingen.

Idet i hvert fall en eller annen fraksjon av det overflateaktive vannsorpsjonsmidlet som anvendes i den ovenfor beskrevne prosess forblir i produktet, er produktets findelte fibre sterkt hydrofile. Disse findelte fibre har en form som likner tremasse og kan tilføres i foreliggende tilstand til en papirmaskin. Dessuten er våtpapirstyrken etter dannelse av papirfilmen med disse fibre av samme størrelsesorden som for "naturlig papir".

De findelte fibre som fremstilles ifølge den foreliggende oppfinnelse kan også anvendes blandet med tremasse for fremstilling av papir, og i tillegg til deres anvendelse som råstoff for syntetisk papir kan de anvendes i et stort antall produkter fra uvevete tekstiler til atskillbare ark og arkprodukter.

Et utførelseseksempel på den foreliggende oppfinnelse antydes ved hjelp av flytdiagrammet ifølge fig. 1. Ifølge fremgangsmåten som antydes der er polymersmeltedelen og vanntilset-nings- og eltedelen atskilte.

w ^» >^

I et annet utførelseseksempel på oppfinnelsen, som vises

i fig. 2, utføres smeltingen av polymeren, tilsetningen av vann samt elting og dispergering i samme ekstruder. Deler ifølge fig. 1 og 2, angitt med samme henvisningstall er like eller tilsvarende, med unntakelse av at henvisningstallene i fig. 2 har bok-staven "A" tilføyet.

I en prosess hvori det anvendes en ekstruder for å gjennom-føre elting og vanndispergering ifølge dette eksempel, er det å oppnå optimal dispergering av vannet nødvendig å bestemme, i tillegg til den ovenfor nevnte polymersammensetning samt vanntil-setningsbetingelser, visse faktorer såsom skruens form og dreiehastighet, trykkfordelingen i ekstruderen samt stedet for vann-tilsetning.

Idet effekten av stedet for vanntilsetningen varierer med skruens form og dreiehastighet, er det ønskelig at vannet tilsettes ved en del plassert oppstrøms i skruen for å frembringe egnet eltetid. For å utføre eltingen og vanndispergeringen med enda større effektivitet foretrekkes dessuten anvendelse av en skrue med høy skjære- og eltevirkning.

Idet det på nytt henvises Ul fig. 1 vil det bli beskrevet prosessen som antydet med flytdiagrammet. Råstoffpolymeren smel-tes kontinuerlig ved hjelp av en ekstmder 1 og mates kontinuerlig til et elte- og vanndispergeringsområde. Vann som lagres i et vannreservoar 2 oppvarmes passende ved hjelp av en varmeveksler 4 og tilføres kontinuerlig ved hjelp av en pumpe 3 for tilsetning med konstant hastighet ved høyt trykk til elte- og vanndispergering sområdet .

Polymerens trykk angis ved hjelp av en trykkmåler som er montert på ekstruderen. Vanntrykket holdes på konstant nivå idet konstant strømningshastighet opprettholdes med en trykk-kontroll-ventil 5.

Polymeren i smeltet tilstand og vann med høy temperatur og høyt trykk tilføres et elteområde (det vil si ekstruderen i dette tilfelle) hvor polymeren eltes kontinuerlig og grundig med høy skjærevirkning ved hjelp av en kontinuerlig elter 6, hvorved vannet dispergeres i den smeltete polymer til dannelse av en masse av polymer og høydisperst vann.

Denne masse av polymer og høydisperst vann overføres via en overføringssone 14 til en høytrykksmatepumpe 8, hvormed den føres videre til en ekstruderdyse 13. Trykket i elteområdet måles og angis med en trykkmåler 15. Dette trykk holdes over en forutbestemt verdi ved å kontrollere matehastighetene til ekstruderen 1 og pumpen 3, samt ved å kontrollere overføringshas-tigheten i høytrykksmatepumpen 8 i overføringssonen.

I nærheten av dysen tilføres vann som er oppvarmet i en varmeveksler 11 ved hjelp av en høytrykksmatepumpe 10, til en overføringssone 16. Trykket som vannet tilsettes ved reguleres ved hjelp av en trykkreguleringsventil 12 til et konstant trykk, slik at strømningshastigheten holdes konstant.

Massen av polymer og høydisperst vann og vannet som tilsettes i overføringssonen 16 føres kontinuerlig til dysen 13 og drives kontinuerlig gjennom denne dyse med spesielle dimensjoner med meget høy hastighet og trykk inn i et område med atmosfæretrykk. Følgelig splittes den smeltete polymer til findelt tilstand og avkjøles på grunn av den brå ekspansjon og fordampning av vannet, og omdannes derved til en masse av findelte fibrer med høy fasthet.

Trykkene i strømningsstrekningen oppstrøms fra munningen

13 og inn i overføringssonen 16 måles med trykkmålere 17 og 18

og holdes over respektive terskelverdier ved å regulere høy-trykksmatepumpens 8 overføringshastighet.

Temperaturregulering i hele systemet gjennomføres med auto-matiske temperaturregulatorer som installeres på egnete steder i dette. Dessuten holdes vanntemperaturen konstant med varme-vekslere med tilsvarende kapasitet. Ved således å holde trykkene på terskelverdier over bestemte trykk og samtidig å holde tem-peraturene på respektive konstante verdier når den smeltete polymer ekstruderes gjennom dysen, kan det fremstilles jevne, findelte fibrer.

For å antyde oppfinnelsens spesielle karakter og bruks-egenskaper ennå mer fullstendig, angis de etterfølgende praktiske eksempler som illustrerer foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen, idet det vil forståes at disse eksempler bare er illustrerende og at de ikke skal begrense rammen for oppfinnelsen.

Eksempel 1

Til et pulver av isotaktisk polypropylen med smelteindeks (MI) på 20 ble det tilsatt en 80 prosentig vandig løsning av natriumoleat i en mengde av 2% beregnet på polymeren og 10% kalsiumkarbonat, og den resulterende blanding ble jevnt blandet

ved hjelp av et blandeapparat.

Denne blanding ble kontinuerlig smeltet ved 210°C i en ventilert ekstruder med 50 mm diameter og med et L/D-forhold på 29 og ekstrudert under et trykk pa 80 kg/cm 2 og i en mengde av 20 kg/time. v

Dessuten ble vann, med 2% natriumoleat som var fremstilt separat og tilsatt vannet sendt ved hjelp av en høytrykkspumpe gjennom en varmeveksler, og det ble opprettholdt et trykk på 50 kg/cm 2 ved hjelp av en trykkreguleringsventil for å frembringe vann under trykk oppvarmet til 210°C. Dette trykkbelastete og oppvarmete vann ble tilsatt gjennom ekstruderens luftehull og eltet sammen med polymeren under høy skjærkraft og med et indre trykk i ekstruderen på 80 kg/cm 2. Den resulterende polymer, som inneholdt dispergert vann, ble deretter overført til en munning ved hjelp av en tannhjulspumpe.

Vann, som inneholdt 2% av et anionisk overflateaktivt stoff og som var fremstilt i et separat reservoar ble ved hjelp av en annen høytrykksmatepumpe ført til en varmeveksler. Dette vanns ventil, og dets temperatur ble hevet til 210°C. Det resulterende vann ble tilsatt gjennom en mellomliggende del av dysen og som sammen med den ovenfor beskrevne polymer ble ekstrudert ved hjelp av tannhjulspumpen, ble ekstrudert inn i atmosfære-trykkområdet gjennom en dyse med 2 mm diameter og et L/D-forhold på 30.

Systemets temperatur ble holdt konstant på 210°C ved hjelp av temperaturregulatorer som var installert på forskjellige om-råder. Dessuten ble trykket ved hvilket ekstruderingen ble utført regulert ved å variere ekstruderingsmengden gjennom tannhjulspumpen og vannmengden som ble tilsatt i dysen. Ved således å tilsette vann i en mengde på 10 liter/time i ekstruderen og i en mengde på 100 liter/time til dysedelen, ble ekstrudering utført ved et trykk på 100 kg/cm 2.

De således fremstilte fibrer ble utvunnet som en masse av sterkt fibrillerte, findelte fibre. Denne findelte fibermasse ble malt ved hjelp av en 30 cm enplateraffinør og i en konsentrasjon på 10 og med en klaring på 0,127 mm. Som resultat ble det oppnådd stive, findelte fibre som hadde flat form tilsvarende en tremasse med en gjennomsnittsdiameter på 20 mikron og en lengde på fra 3 til 4 mm.

Eksempel 2

En blanding av 44 deler isotaktisk polypropylen med smelteindeks på 20, 24 deler HD-polyetylen med smelteindeks på 20, 10 deler kalsiumkarbonat, 20 deler aluminiumhydroksyd og 2

deler polyvinylalkohol ble blandet homogent i en blander. Denne blanding ble smeltet kontinuerlig ved 250°C i en 90 mm diameter ekstruder (L/D = 29) og ekstrudert ved et sluttrykk på 400 kg/cm<2 >ved en gjennomstrømningsmengde på 100 kg/time.

Overhetet vann ved 250°C og 200 kg/cm<2> frembrakt separat ble tilført i en strømningsmengde på 120 liter/time ved hjelp av en høytrykksmatepumpe og en varmeutveksler samt en trykkreguleringsventil, ble tilsatt et sted oppstrøms i ekstruderen, og det resulterende materiale ble eltet med høy skjærkraft.

Ekstruderens dysetrykk falt fra 150 til 200 kg/cm 2 på grunn av eltingen og dispergeringen av vannet. Polymeren hvori vannet var findispergert ved eltingen ble sendt til en dyse som var direkte forbundet med nedstrømssiden av ekstruderen og ble således ekstrudert gjennom munningen. Vann som hadde et trykk på 200 kg/cm ved 250°C og som var dannet separat, ble tilsatt som supplerende vann i en mengde på 130 liter/time på et sted opp-strøms fra munningen, og ble sammen med den ovenfor beskrevne polymer med høydisperst vann ekstrudert gjennom en dyse med 2 mm diameter og med L/D = 50 inn i et område med atmosfæretrykk.

Som resultat ble det fremstilt en jevn masse av findelte fibrer som var sterkt fibrillert. Denne masse av findelte fibrer ble malt ved hjelp av en 61 cm enplateraffinør med en klaring på 0,085 mm, hvorved det ble oppnådd findelte, tremasseliknende fibrer med flat form med en gjennomsnittlig diameter på 15 mikron og lengder på 2 til 3 mm. Disse findelte, fibrer viste seg å være ytterst hydrofile og å kunne hurtig dispergeres jevnt i vann uten tilsetning av dispergeringsmiddel.

Eksempel 3

Til 60 deler isotaktisk polypropylen med MI på 9 ble det tilsatt 3 0 deler HD-polyetylen med MI på 8, 2 deler av et anionisk overflateaktivt stoff, 8 deler kalsiumkarbonat samt 5 deler gips, og den resulterende blanding ble behandlet i et blandeapparat til dannelse av en jevn blanding som deretter ble smeltet ved 230°C i en 50 mm diameter ventilert ekstruder og kontinuerlig ekstrudert ved et trykk på 100 kg/cm 2 og i en mengde på 4 0 kg/time.

Dessuten ble vann av 80 kg/cm^ og 210°C inneholdende 2%

av et anionisk overflateaktivt stoff og frembrakt separat tilsatt gjennom det ventilerte hull med 3 0 liter/time og eltet sammen med den ovenfor beskrevne polymer. Det resulterende pro-dukt ble injisert ved hjelp av en tannhjulspumpe ved et trykk pa 130 kg/cm 2 gjennom en munning med 2 mm diameter og et L/D-forhold på 40 inn i et område med atmosfæretrykk, hvoretter det ble oppnådd en blanding av en masse av findelte fibrer med sterk fibrillering og skummete strukturer på spredte steder.

I dette tilfelle ble det injisert vann ved 210°C inneholdende 2% av et ikk-ionisk overflateaktivt stoff i en oppstrøms del av munningen ved et trykk pa 130 kg/cm 2 og i en tilsetningsmengde på 80 liter/time. Dette vann og polymeren ble sammen tilsatt i et område med atmosfæretrykk, hvoretter det var mulig å fremstille kontinuerlig findelte fibrer liknende dem ifølge eksempel 1.

Eksempel 4

Til et polypropylenpulver med MI på 5 ble det tilsatt 40%

av et findelt pulver av Ha^ B^ O^. 10^0 og 5% kalsiumkarbonat og den resulterende blanding ble i en blander omdannet til en jevn blanding.

Den således fremstilte blanding ble smeltet og eltet i en totrinns ekstruder som hadde en elteseksjon ved 200°C på første trinn og 230°C på annet trinn. Den eltete blanding ble under 80 kg/cm 2og 20 kg/time sendt til en tannhjulspumpe med hvilken blandingens trykk ble øket til 150 kg/cm 2 og injisert gjennom dysen inn i et område med atmosfæretrykk.

I dette tilfelle ble vann av 230°C som var fremstilt

separat og inneholdt 2% av et anionisk overflateaktivt stoff, tilsatt ved et trykk på 160 kg/cm 2 og i en mengde pa o 100 liter/ time, og ble deretter sammen med polymeren injisert inn i atmos-færetrykket. Som resultat ble det mulig å fremstille kontinuerlig en masse av findelte fibrer tilsvarende til fibrene i eksempel 1.

Eksempel 5 ( Sammenligningseksempel)

De findelte fibrer ifølge eksempel 1 ble dispergert i vann

i en konsentrasjon på 0,3%. Disse findelte fibrer viste seg å

være ytterst hydrofile og hadde gode dispergeringsegenskaper selv i den tilstand de forelå i ved fremstillingen, men det ble tilsatt 0,01% av et overflateaktivt stoff for å fremstille

en væske med høydispergerte fibrer, som ble anvendt for papirfremstilling i en liten kontinuerlig papirmaskin med filmdannelseshastighet på 3 meter/min. Som resultat ble det oppnådd et syntetisk papir med vekt pr. arealenhet på 4 0 g/m 2, tykkelse på 90 mikron og tilsynelatende spesifikk vekt på 0,45 og med god tekstur.

Disse findelte fibrer kunne anvendes direkte som de var i en vanlig papirmaskin for derved å fremstille godt, syntetisk papir.

Eksempel 6

60 deler polypropylen med MI på 9, 3 0 deler HD-polyetylen med MI på 8, 5 deler leire, 5 deler kalsiumkarbonat og 10 deler av en 30 prosentig vandig løsning av natriumstearat ble blandet grundig i en blander.

Blandingen ble ført gjennom en totrinns ekstruder som ble anvendt ifølge eksempel 4 og smeltet og eltet ved 23 0°C. Den smeltete og eltete blanding ble ekstrudert ved et trykk på 100 kg/cm 2og i en mengde på 2 0 kg/time gjennom en sirkulær dyse med diameter på 2 mm. Trykkvann som var fremstilt separat, slik at det inneholdt en mindre mengde av et aktivt stoff og hadde et trykk på 100 kg/cm<2> og en temperatur på 230°C, ble tilsatt polymeren i en del plassert oppstrøms i dysen i en mengde av 200 liter/time slik som ifølge eksempel 1. Vannet og polymeren ble injisert inn i et område med atmosfæretrykk.

Som resultat ble det oppnådd en masse av findelte fibrer som inneholdt skummete strukturer på spredte steder og som var strukket til båndtilstand. Ved å splitte disse findelte fibrer ved hjelp av en plateraffinør på liknende måte som ifølge fig.

1, ble det fremstilt findelte fibrer med gjennomsnittlig diameter på fra 20 til 30 mikron og med lengder på fra 1 til 3 mm.

Disse fibrer samt kraftpapirmasse ble blandet i et forhold på 4:1, og den resulterende blanding ble dispergert i vann i en konsentrasjon på 0,3%. Den vandige dispersjon ble anvendt i en liten kontinuerlig papirmaskin for fremstilling av papir ved en filmdannelseshastighet på 3 meter/min, hvorved det ble oppnådd et blandet papir med en vekt pr. arealenhet på 4 5 g/m 2 og tykkelse på 10 0 mikron og med jevn tekstur.

Eksempel 7 ( Sammenlignlngseksempel)

De findelte fibrer ifølge eksempel 6 ble jevnt dispergert

i vann i en fiberkonsentrasjon på 0,3% sammen med et bindemiddel av akrylemulsjonstype i en mengde på 5% beregnet på de findelte fibrer. Den resulterende dispersjon ble deretter anvendt for fremstilling av papir i en liten papirmaskin som arbeidet ved en filmdannelseshastighet på 3 meter/min, hvorved det ble opp-nadd et syntetisk papir med en vekt pr. arealenhet på 4 5 g/m<2 >og en tykkelse på 100 mikron og med jevn tekstur.

Dette syntetiske papir hadde en bruddlengde på fra 2 til 2,5 km og styrke som var sammenliknbar med styrken i papir fra tremasse og hadde samme fyldighetsverdi (ample value) som papir. Dessuten ble det funnet at etter å være omformet til papir kunne fibrene lettvint spaltes igjen til deres opprinnelige form som findelte fibrer ved hjelp av en maskin såsom en masseoppløser eller en blander og kunne faktisk behandles på nøyaktig samme måte som vanlig papir.

Dersom polyolefinfibre som er fremstilt ifølge en vanlig fremgangsmåte, såsom smeltespinning, anvendes i papirfremstilling med et liknende bindemiddel for å oppnå adhesjon anses det vanligvis for nødvendig med en bindemiddelmengde på minst 30% for å oppnå passende styrke. Dersom det derimot anvendes findelte fibrer ifølge den foreliggende oppfinnelse har det overflateaktive stoff og vannsorpsjonsmidlet som ble igjen i fibrene en slik effekt at bindemidlet adsorberes selektivt. Av denne årsak oppnås passende styrke med en liten bindemiddelmengde, slik som ifølge dette eksempel.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av en masse av findelte, stive fibrer, hvor en smelte av en lineær polymer ved høyere temperatur og høyt trykk overføres i et flerfasesystem som avspennes gjennom en dyse, karakterisert ved at det til en olefinpolymer tilsettes vann i en mengde 2-50 vektsprosent, regnet av den totale vekt, at denne blanding ved et trykk over metningsdamptrykket eltes til dannelse av en dispersjon, og at det umiddelbart før avspenningen tilsettes ytterligere vann i en mengde av 1 til 5 eller flere ganger vekten av dispersjonen.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det som polyolefin anvendes homopolymerer eller kopolymerer av etylen, propylen, og buten-1, kopolymerer av disse monomerer som dominerende bestanddel med særlig polystyren eller blandinger av disse polymerer.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den smeltete, lineære polymer tilsettes et vannsorpsjonsmiddel i form av et findelt, fast stoff bestående av nitrater, oksalater, acetater, sulfater, sulfiter, karbonater, fosfater, hydroksyder samt halogenider av alkalimetaller, jord-alkalimetaller (inklusive magnesium) og ammonium eller i form av et findelt, vannuløselig fast stoff med en andel av et silikat.