SE438875B - Forfarande for framstellning av fibrer av formaldehydherdplast genom centrifugalspinning - Google Patents

Description

13 78027071-8 i ,_., i g Det har emellertid nu visat sig att när den fiber-O formande kompositionen vid en centrifugalspinningsprocess är en flytande blandning innehållande en formaldehydhärdplast och en härdningskatalysator, föreligger en gppenbar risk för tork- ning och reaktion i harts/katalysatorblandningen medan den ännu finns i spinnskâlen.

Genom föreliggande uppfinning undanröjes riskerna 'härför genom att rikta ett flöde av kall, fuktig luft mot skålen så att åtminstone en del av luften när in i skålen med harts/kata- Q lysatorblandningen. _ ' Uppfinningen avser sålunda ett förfarande för framställning av formaldehydhartsfibrer, varvid en flytande blandning innehållande hartset och en härdningskatalysator spinns till fibrer i en upphettad gasatmosfär, i vilken fibrerna torkas och får stelna och sedan transporteras till en uppsamlingszon.

Förfarandet kännetecknas av de särdrag som framgår av kravet 1, Formaldehydhartset är företrädesvis karbamid-formaldehyd-harts, men det kan även vara melamin-formaldehyd-harts, fenol-form- aldehyd-harts, resorcinol-formaldehyd-harts, kresol-formaldehyd- harts, eller en blandning av två eller flera av dessa hartser.

Uppfinningen beskrives i fortsättningen speciellt med avseende på centrifugalspinning av karbamid-formaldehyd-harts.

Ett vätskeformigt karbamid-formaldehyd-harts an- vändes. t.ex. en vattenlösning därav, och dess viskositet reg-- leras, om så erfordras, till ett förutvalt värde mellan 5 och 300 poise, företrädesvis mellan 15 och 75 poise¿ Hartset blan- das med en vätskeformig katalysator, som medför att hartset uppvisar en lämpligt lång livslängd vid rumstemperatur, men vilken vid temperaturer över 100°C, i synnerhet över 120°C, härdar och kemiskt stabiliserar hartset och gör det olösligt i kallt vatten.

Den vätskeformiga harts- och_katalysatorblandningen, eventuellt med en eller flera tillsatser såsom ett spinnhjälp- medel och/eller en ytaktiv substans, inmatas vid en förutvald, men variabel hastighet in i en spinnskâl eller liknande, som roterar vid en hög förutvald, men variabel hastighet. Som exem- pel kan nämnas att skålar med diametrar i området 7,6 - 12,7 cm har använts med rotationshastigheter av 3000 - 5000 varv/minut.

Harts/katalysator-blandningen i spinnskålen placeras under och i vägen för ett nedåtgående flöde av kall fuktig luft, 78Û27Û1~'8 varav åtminstone en del inkommer i skålen väsentligen samtidigt med blandningen och varav företrädesvis en del är avböjd utåt av och bort från skålen som utåtriktade strömmar av kall fuktig luft. Ändamålet med den kalla fuktiga luften är att förhindra torkning eller reaktion för harts/katalysator-blandningen åt- minstone medan den är i skålen. Vanligen användes omgivnings- luft, men om så erfordras kan dess temperatur och fuktighet regleras efter behov.

Harts/katalysator-blandningen strömmar, i när- varo av kall fuktig luft, över den inre ytan och väggen på skålen, och centrifugalspinnes utåt med den kalla fuktiga luften, från kanten på skålen eller från en mångfald öppningar anordnade med regelbundna intervall i periferin för skålens vägg, i form av individuella separata fibrer. Då fibrerna spinnes utåt från skålen i närvaro av de kalla fuktiga luftströmmarna och innan de torkas eller härdas, fortsätter de att utdragas och blir ut- tunnade eller sträckes till fibrer med mindre diameter. Då de har uppnått den önskade diametern och innan de har haft möjlig- het att utvecklas till droppar eller kulor bringas de i kontakt med ett varmt, torrt luftflöde, som torkar och fysiskt stabili- semm àauttunnade fibrerna under det att de transporteras till en uppsamlingszon.

Dessa sistnämnda upphettnings- och transportsteg utföres genom varma torra strömmar av luft, som företrädesvis strömmar utåt nedifrån och bort från spinnskålen. Sålunda kan varm torr luft bringas att strömma från under skålen mot botten på skålen, som avböjer luften utåt. Om så erfordras kan organ an- ordnas på skålens botten, t.ex. en axiell fläkt och/eller en radiell propeller eller liknande, för att tillförsäkra att den varma luften avböjes och bildar utåtströmmande varma torra luft- strömmar. Den varma luften uppvisar en temperatur, som uppvärmer fibrerna över 50°C men under 10000, vanligen till 65°C eller 70°C, vid vilken temperatur fibrerna torkas och fysikaliskt stabiliseras utan att emellertid katalysatorn bringas att härda och kemiskt stabilisera dem. De varma torra luftströmmarna tjänar även till att stödja fibrerna och uppbära dem till en uppsamlingszon, vilken, under icke-inneslutna betingelser, van- ligen skulle vara i form av en ring med spinnskålen i centrum, men på ett visst avstånd från och under skålen. 7802701-s 4 De torkade, men icke-härdade fibrerna avlägsnas från uppsam- lingszonen och härdas och kemiskt stabiliseras därefter genom kataly- _ _. o satorn genom upphettning, t.ex. i en ugn, vid en temperatur over 100 C vanligen vid 120-140°C, tills härdningen är fullständig och fibrerna är olösliga i kallt vatten.

Uppfinningen beskrives nedan med hänvisning till bifogade ritningar, där fig. 1 schematiskt visar sättet enligt uppfinningen för centrifugalspinning och uppsamling av formaldehydhartsfibrer ge- nom införande av ett vätskeformigt harts, t.ex. ett vattenhaltigt karbamid-formaldehyd-harts, i_en roterande skål, fig. 2-visar en typ av skål, vari fibrerna centrifugalspinnes från den övre kanten på skålen, fig. 3 visar en upp- och nervänd skål, vari fibrerna centri- fugalspinnes från den undre kanten på skålen, fig. 4 visar en annan typ av skål, vari fibrerna centrifugalspinnes genom hål anordnade i _periferin för skålen, och fig. 4a visar samma skål i drift, fig. 5 vi- sar ytterligare en typ av skål, vari fibrerna centrifugalspinnes ge- nom slitsar anordnade i periferin för skålen och fig. 5a_visar ännu en skål i drift, och fig. 6 visar en alternativ typ av skål, vari fibrer spinnes genom spår, räfflor eller liknande, anordnade i den öv- rekanten på skålen. Ä Med hänvisning till fig. 1 införes vattenhaltigt karbamid- formaldehydharts med en viskositet av 5-300 poise, företrädesvis 10- 100 poise, speciellt 15-75 poise, vid 1 i en blandare 2, där den blan- das med en vattenlösning av en hartshärdande katalysator, som infö- res vid 3. Tillsats av ett spinnhjälpmedel, t.ex. polyetylenoxidlös- ning och/eller ett ytaktivt nfiñel, som t.ex. "Lissapol", till blandaren 2 är för- delaktig. Från blandaren 2 införes karbamidrforualdehydharts-blandningen till bot- ten.på en roterande skål 4, driven av en notor 5. Hartset utspriddes över botten och väggen på skål 4 som en tunn filnloch spinnes från öppningar 6 i väggen på den roterande skålen under sâdana.betingelser att en mångfald individuella separata fibrer bildas. Dessa får tunnas ut elier srräckas- till aen önskade aiarerern, uran torkning eller härdning eller störningar från turbulerande luft, genom att de först spnmes i ett ernråae rea låg renperarur och hög frflaigher. Ett sådant erråae åsraa~ kommes genom ett nedâtriktat flöde av kall, fuktig luft, som delvis strömar genom öppningarna 6 med fibrerna och som delvis avböjes-utåt genom skålen, för bildning av utåtriktade strömmar-av kall, fuktig luft, såsom visas genom pilarna A. Den ge- nom rotation av skålen 4 bildade pupeffekten bringar den kalla fuktiga luften att avböjas utåtned ofl1 på smB.sätt och i same riktning som fümxnna, varnyxmm den relativa hastigheten mellan den kalla fuktiga luften och hartsfibrerna under uttunningen och sträckningen av hartsfibrerna reduceras. Vid de flesta fall är omgiwüngshfiï Eàmdig. ' 7802701-8 Då den önskade fiberdiametern har uppnåtts torkas hartsfib- rerna och transporteras till en fiberuppsamlingspunkt genom lämpliga utåtriktade strömmar av torr varm luft, betecknade med pilar B i fig. l.

Dessa strömmar B kan alstras genom en radiell propeller 7 och en axiell fläkt 8, anbringade på botten av skålen 4. Den varma torra luf- ten uppvisar en sâdan temperatur att fibrerna uppvärmes till mellan dso° c eeh 1oo° c, t.ex. cirka 65° c eller 7o° c.

Efter att de spunna fibrerna lämnar skålen, fortsätter de att dragas ut och tunnas ut eller sträckas till fibrer med mindre diameter, men de stabiliseras fysikaliskt genom värmet i de torra varma luft- strömmarna B, medan de fritt lämnar skålen, efter att de har uppnått den önskade diametern men innan de haft möjlighet att utvecklas till droppar eller kulor.

Efter uppsamling härdas och stabiliseras kemiskt fibrerna genom uppvärmning, under vilken katalysatorn icke endast härdar fibrer- na utan även gör dem olösliga i kallt vatten. Lämpliga katalysatorer innefattar syror eller sura salter, t.ex. svavelsyra, myrsyra, ammo- niumsalter, t.ex. ammoniumsulfat, eller blandningar därav. Härdningen utföres vid en temperatur över l00° C, företrädesvis över l20° C.

En lämplig utformning av skålen för användning vid uppfin- ningen visas schematiskt i fig. 2 i bifogade ritningar. Vätskeformigt harts, t;ex. en karbamid-formaldehyd-hartslösning, inmatas genom 9 med en vätskeformig katalysator till botten på den roterande skålen 4, och strömmar radiellt över skålen och därefter upp för väggarna på skålen, där flödesoregelbundenheter utjämnas under de i den roterande skålen arbetande centrifugalkrafterna. Vid den korrekta flödeshastigheten spinnes fibrerna utåt från kanten 10 på skålen. Höjden för skålen är sådan att den medger att flödeshastigheten utjämnas och beror på diame- tern hos skålen, dess rotationshastighet, och viskositeten för den spunna vätskeformiga hartslösningen.

Diametern för skålen och dess rotationshastighet kan varieras inom ganska stora områden, och är reglerbara för erhållande av de ge- nom processen erfordrade flödeshastigheterna.

En alternativ anordning för användning vid sättet enligt upp- finningen visas i fig. 3, där det vätskeformiga hartset och katalysa- torn inmatas genom ll till en roterande skiva 12 omgiven av en nedåt- gående ringformig vägg 13, varvid väggen och skivan bildar en upp- och nedvänd skål. Hartset strömmar radiellt över skivan 12 och ned över ?eo27ø1-s r den inre ytan på ringformiga väggen 13, där fibrer centrifugflsphræs utåt från dess bottenkant l4.

Genommatningen för skålkonstruktionerna, som visas i fig. 2 och 3, begränsas av att över en viss kritisk hartsflödeshastighet, vil- ken bl.a. beror på diametern och djupet för skålen, dess rotationshas- tighet och viskositeten för hartset, har hartset en benägenhet att lämna kanten på skålen som ett tvådimensionellt ark före uppdelning i oregelbundna fibrer, i stället för att lämna kanten på skålen som in- dividuella separata fibrer. Effekten av att överstiga den kritiska, hartsflödeshastigheten illustreras i nedanstående exempel. _ Emellertid kan begränsningen för hartsflödeshastigheten, som beskrivits ovan, undanröjas om fibrerna förhindras att förenas vid kanten på skålen och bilda kontinuerliga tvådimensionella vätskefilmer.

Detta kan uppnås genom användning av sådana skålar som visas i fig. 4 och 4a, vari skålens vägg 4där försedd med en mångfald hål 15 på lika avstånd från varandra, som sträcker sig in i skålens inre. Utförings- formerna i fig. 4 och 4a drives företrädesvis vid en sådan hartsflö- deshastighet att hålen 15 icke fullständigt fylles med det vätskefor- miga hartset, utan så att även den kalla fuktiga luften kan strömma därigenom tillsammans med hartset. Hartset spinnes från ytorna på hå- len 15 som en film, vilken faller ihop och bildar en fiber, vilken ge- nerellt har elliptiskt tvärsnitt. Avståndet mellan angränsande hål l5 måste vara större än vad som är nödvändigt för att medge elastisk ex- pansion av hartset vid dess utlopp från hålet.

Hålen 15 i fig. 4 och 4a kan vara ersatta med slitsar 16, placerade på lika avstånd från varandra, som visas i fig. 5 och 5a.

Skålar med kanter 17 försedda med spår, uddar, räfflor eller urtag, såsom visas i fig. 6, fungerar på samma sätt som de hål- eller slitsförsedda skålarna i fig. 4, 4a, 5 och 5a, tills hartsflödeshas- tigheten är sådan att hartset bringas att flöda över toppen på kanten av skålen. Vid en sådan hög flödeshastighet förenas fibrerna till ett tvådimensionellt ark och skålen har uppnått sin användbara begräns- ning för framställning av fibrer med god kvalitet. Emellertid uppnås med de hål- eller slitsförsedda skålarna i fig. 4, 4a, 5 och 5a, den användbara gränsen sannolikt icke förrän hålen eller slitsarna är ful- la med vätska. 7ao27o1~a I följande exempel l - 9 utfördes experiment med användning av vattenhaltigt karbamid-formaldehyd-harts med varierande viskositet i området 15 - 300 poise. Skålar med diametrarna 7,6 cm och l2,7 cm av de i fig. 2 och 4 visade typerna användes vid en rotationshastighet mellan 3000 och 5000 varv/minut. I exemplen l och 2 samt 4 - 6 var hartset icke katalyserat och den fysikaliska kvaliteten för fibrerna undersöktes och bedömdes endast vid uppsamlingspunkten. I exemplen 3 samt 7 - 9 var hartset katalyserat och fibrerna avlägsnades från upp- samlingspunkten och härdades och stabiliserades kemiskt, såsom be- skrivits.

Fibrerna bedömdes vara av god kvalitet om större delen av dem var i form av separata individuella fibrer, eller fibrer som satt tillräckligt löst ihop så att deras efterföljande separation icke för- svårades, och om de var väsentligen fria från "kulor" (d.v.s. icke- fibröst formaldehyd-harts-material av en storlek större än diametern för den tjockaste av fibrerna). Fibrer av god kvalitet uppvisade även en medeldiameter mellan l och 30 jrn, företrädesvis 2 - 20 )nn, och' en genomsnittlig hâllfasthet av åtminstone 50 mega-Newton per kvadrat- meter. Den mest uppenbara egenskapen för fibrer av låg kvalitet var närvaron av en avsevärd mängd av "kulor".

Exempel l Ett karbamid-formaldehyd-harts, "Aerolite 300" från Ciba- Geigy användes. ("Aerolite 300" är ett vattenhaltigt karbamid-form- aldehyd-harts framställt genom kondensation av en blandning av karbamid och formaldehyd i ett formaldehyd:karbamid-molförhållande av cirka l,95:l, följt av koncentrering till en halt fast substans av cirka 65 vikt-%, och det uppvisar en viskositet, beroende på dess ålder, av cirka 40 - 200 poise vid rumstemperatur, samt en vattentolerans av cirka 180 %). Hartset reglerades till en viskositet av cirka 75 poise genom tillsats av vatten och inmatades till botten på en skål med dia- metern 7,6 cm, utformad i enlighet med fig. 2, och roterande med en hastighet av 3000 varv/minut. Vid en inmatningshastighet av cirka 75 ml per minut bildades fiber med god kvalitet med en medeldiameter av cirka 15 /rn. Vid en inmatningshastighet av 200 ml per minut spanns hartset från kanten på skålen som ett kontinuerligt tvådimensionellt ark och gav fibrer med låg kvalitet. p?so2?o1-s GD Exempel 2 ' Det i exempel l beskrivna experimentet upprepades med an- vändning av "Aerolite 300", utspätt till en viskositet av cirka 25 poise och med en tillsats av 2 % “Lissapol"-lösning. God fibrillering erhölls över ett område av flödeshastigheter av cirka 60 - 190 ml per minut. Vid högre flödeshastigheter var fibrerna av sämre, oacceptabel kvalitet. ' Exempel 3 "Aerolite 300"-harts, utspätt till en viskositet av cirka 35 poise, blandades med 6 vikt-% av en 2,4-procentig vattenlösning av polyetylenoxid och 2 vikt-% av en 30-procentig lösning av ammonium-7 sulfat i vatten och inmatades därefter i en roterande skål med diame- tern 7,6 cm och uppvisande 24 hål av den i fig. 4 visade typen. Vid* en inmatningshastighet av cirka 75 ml per minut bildades fibrer av god kvalitet med en medeldiameter av cirka 12 /nn vid en rotationshastig- het av 5000 varv/minut. Fibrerna avlägsnades från uppsamlingspunkten och härdades genom upphettning i en ugn vid 120 - 1400 C under cirka 4 timmar. De blev därigenom kemiskt stabiliserade och olösliga i 7 kallt vatten. I olikhet till exempel l erhölls god fibrillering fort- farande vid flödeshastigheter överstigande 12 kg per minut (cirka 9 li- ter per minut).

Exempel 4 “Aerolite 300", utspädd med vatten till en lösning med visko- siteten 75 poise, spanns från en skål med diametern 12,7 cm av den i fig. 2 visade typen och med en rotation av 3000 varv/minut. Goda fib- rer bildades vid hastigheter mellan cirka 50 och 200 ml per minut. 7 Exempel 5 Det i exempel 4 beskrivna experimentet upprepades med an- vändning av “Aerolite 300"-harts med en viskositet av cirka l5 poise.

God fibrillering erhölls vid flödeshastigheter mellan cirka 100 och 250 ml per minut.

Exempel 6 Det i exempel 4 beskrivna experimentet upprepades med an- vändning av "Aerolite 300", utspätt till en viskositet av 25 poise med vatten, med tillsats av 2 vikt-% “Lissapol“-lösning. God fibrillering erhölls vid hartsflödeshastigheter mellan cirka 100 och 250 ml per minut. 7802701*8 Exempel 7 “Aerolite 300?-harts, utspätt med vatten till cirka 35 poise viskositet, blandades med 6 vikt-% av en 2,4-procentig lösning av poly- etylenoxid och 2 vikt-% av en 30-procentig vattenlösning av ammonium- sulfat. Detta inmatades sedan till en roterande skål med diametern 12,7 cm med 24 hål av den typ, som visas i fig. 4. Vid en hastighet av cirka 5000 varv/minut erhölls goda fibrer med medeldiametern cirka 10 /nn med en inmatningshastighet av cirka 75 ml per minut. Liksom i exempel 3 kunde god fibrillering även iakttagas vid mycket högre in- matningshastigheter. Fibrerna avlägsnades från uppsamlingspunkten och härdades genom upphettning vid 120 - 1400 C under cirka 4 timmar. De blev därigenom kemiskt stabiliserade och olösliga i kallt vatten.

Exempel 8 Följande tabell anger kompositionen för olika hartser och de betingelser¿ som användes för framställning av fibrer med god kvalitet.

I samtliga fall användes en skäl med diametern 7,6 cm och med 24 hål vid en rotationshastighet av 4500 varv/minut. Temperaturen för den varma luften var 750 C. Samtliga hartset innehöll 1,6 vikt-% av en ~2,4-procentig polyetylenoxidlösning och 7 vikt-% av en 30-procentig ammoniumsulfatlösning. Samtliga angivna procenttal hänför sig till vikt-%.

Harts Hartsets Inmatningshastig- viskositet het för hartset (poise) (g/min) l. förhållande formaldehydzkarbamid l,95:l halt fast substans 55 % med l0 % glycerol tillsatt 25 78 2. som (1) förutom 10 % etylenglykol i stället för glycerol 15 “ 3. förhållande formaldehyd:karbamid l.95:l halt fast substans 65 %, 5 % melamin tillsatt 50 " 4. som (3) men l0 % melamin tillsatt till hartset 50 " 7802701-s Ny beskrivnr sida avsedd att ersätta sid. 10 i den ur- 10 sprungliga beskrivningen Hartsets Inmatningshastighet Harts- e viskositet för hartset (poise) - (g/min) 5. som (4) men melamin utbytt mot 10 % resorcinol, till- satt till hartset 50 78 6. som (4) men melamin utbytt mot 10 % kresol tillsatt h till hartset 50 - " 7. som (4) men melamin utbytt mot 10 % fenol tillsatt till hartset 50 Exempel 9 Följande karbamid-formaldehyd-hartser fibrillera- des med en skål med diametern 12,7 cm med 24 hål, roterande vid 4500 varv/minut och med samma katalysator, spinnhjälpmedel och varmlufttemperatur som i exempel 8. _ Hartsets Inmatningshastighet Harts viskositet för hartset 7 (Eoise) ' (g/min) förhållande formaldehyd:karb- amid 1,2:1 35 50 förhållande forma1aehya=karb- 1 amid 1,6:1 _ 50 "-50 Samtliga bildade fibrer var av god kvalitet och häraaaes via 12o°c under 3 timmar.

I De i enlighet med föreliggande uppfinning bildade fibrerna är speciellt lämpliga för användning vid papperstill- verkning, såsom beskrives i brittiska patentskriften 1 573 115.

Claims (2)

7802701-8 11 Patentkrav

1. Förfarande för framställning av formaldehyd- hartsfibrer, varvid en flytande blandning innehållande form- aldehydhartset och en hartshärdande katalysator spinns till fibrer i en upphettad gasatmosfär, i vilken fibrerna torkas och bringas att stelna och transporteras till en uppsamlings- zon, k ä n n e t e c k n a t av att fibrerna spinnes från en roterande spinnskål genom i och för sig känd centrifugal- spinning och ett flöde av kall, fuktig luft riktas nedåt mot skålen så att åtminstone en del av flödet kommer in i skålen med harts/katalysatorblandningen så att det inhiberar torkning och reaktion i harts/katalysatorblandningen medan den befin- ner sig i skålen, och att fibrerna spinnes från skålen medan de är omgivna av flödet av kall, fuktig luft vari fibrerna uttunnas, och att de uttunnade fibrerna bringas i kontakt med ett flöde av varm, torr luft som får de uttunnade fibrerna att torka och stelna, varpå de uttunnade fibrerna transporteras till upp- samlingszonen.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k - n a t av att skålens yttre vägg är försedd med ett antal öppningar anordnade på inbördes lika avstånd runt periferin och sträckande sig inåt mot skålens innervägg och att fibrerna spinnes genom nämnda öppningar, varvid flödeshastigheten för harts/kataly- satorblandningen är sådan att öppningarna ej är helt fyllda med harts/katalysatorblandningen utan att det kalla, fuktiga luftflödet strömmar genom öppningarna med harts/katalysator- blandningen. '