SE446105B - Forfarande for framstellning av polymerfilament med hog draghallfasthet och modul - Google Patents

Description

1o_ ' i d¿jï»:s1ua1o99 7- o för avdunstning av allt eller största delen av lösningsmed- let från filamentet. Temperaturen i schaktet hålls under polymerens smältpunkt, så att den utfälls när lösningsmed- let avdunstar. Detta ökar den mekaniska hållfastheten hos filamentet, vilken fortfarande är mycket låg vid utgången från spinnmunstycket. Styrkan ökas ytterligare vid följan- Kde,sträckningsförlopp vid temperaturer under polymerens smältpunkt.

Enligt föreliggande uppfinning är avdunstningen av lösningsmedlet från filamentet omedelbart efter spinningen , inte befordrad under kylningsfasen. Filamentet kan kylas till under lösningstemperaturen och speciellt till under polymerens svällpunkt i lösningsmedlet på vilket lämpligt sätt som helst, exempelvis genom att filamentet får gå ge- nom ett vattenbad eller genom ett schakt under däzattingen eller mycket litet luft blâses genom schaktet. Någon av- dunstning av lösningsmedlet från filamentet sker ofta spon- tant-och kan inte förhindras. Detta medför ingen skada så länge som avdunstningen inte aktivt befrämjas och mängden lösningsmedel i filamentet inte minskas till ett för lågt värde, exempelvis till mindre än 25 viktprocent lösnings- medel, räknat på polymeren, och företrädesvis inte till mindre än lika viktmängd lösningsmedel och polymer. Even- tuellt kan avdunstningen av lösningsmedlet minskas eller förhindras genom att spinningen genomförs i en atmosfär in- nehållande ånga av lösningsmedlet.

Vid kylning till under lösningstemperatur och spe- ciellt till under polymerens svällningstemperatur i lösnings- medlet, utfaller polymeren ur lösningen och det bildas en gel. Ett filament som består av denna polymergel har till- 'räcklig mekanisk hållfasthet för ytterligare behandling, exempelvis medelst gejder, rullar etc., som vanligen används vid spinning. Ett filament av detta slag värms till en tem- peratur mellan svällpunkten hos filamentet i lösningsmedlet 'och polymerens smältpunkt och sträcks vid denna temperatur.

Detta kan genomföras genom att man låter filamentet passera in i en zon innehållande gasformigt eller flytande medium, som hålls vid erforderlig temperatur. En rörugn med luft som gasformigt medel är mycket lämplig, men det är också 8000997-0* möjligt att använda ett flytande bad eller vilken annan läm- pad anordning som helst. _Ett gasformigt medium är lättare att handha och är därför att föredra. ' När filamentet sträcks kommer lösningsmedlet att avdunsta eller, om man använder flytande medium, löser sig lösningsmedlet i den använda vätskan. Företrädesvis under- stöds avdunstningen med lämpliga medel, exempelvis avlägs- nande av lösningsmedelsångor, exempelvis genom att gas eller luft får strömma förbi filamentet i sträçkningszonen. Åt- minstone en del av lösningsmedlet bör avdunsta, men företrä- desvis bör största delen av lösningsmedlet avdunsta, så att vid slutet av sträckningszonen högst mycket liten mängd, ex- empelvis inte mer än några få procent, räknat på fastsubstan- sen, av lösningsmedlet är kvar i filamentet. Det slutligen erhållna filamentet måste vara fritt från lösningsmedel och det är lämpligt att tillämpa sådana förhållanden, att fila- mentet är fritt eller praktiskt taget fritt från lösnings- medel redan i sträckningszonen. överraskande nog har det varit möjligt att enligt uppfinningen framställa filament som är avsevärt starkare än filament av samma material, tillverkade med användning av de nu vanliga torrspinningsprocesserna, dvs. man får fi- Med de metoder som beskrivs i de ovan nämnda publikationerna av Juyn lament med avsevärt högre draghållfasthet och modul. och Bigg har filament med högre modul visserligen tillverkats, men draghållfastheten lämnar mycket övrigt att önska. Dess- utom är produktiviteten vid dessa metoder låg.

Förfarandet enligt uppfinningen skiljer sig från de vanliga torrspinningsprocesserna genom att ett filament in- nehållande en avsevärd mängd lösningsmedel för det spinnbara materialet sträcks vid en temperatur, vid vilken det spinnba- ra materialet är åtminstone svällbart i lösningsmedlet, med avlägsnande av lösningsmedlet, medan i de vanligen använda spinnprocesserna lösningsfria filament utsätts för sträck- ningen. _ Ett krav vid torrspinning är att den linjära polyme- ren är löslig i ett lämpligt lösningsmedel. För varje lös- lig polymer är ett antal lösningsmedel kända. Fackmannen kan utan svårighet välja ett lämpligt lösningsmedel bland ä.. l5 ~ len.och upplösningen är tidberoende. 8000997-0 dessa, vars kokpunkt inte är så hög att det blir svårt att avdunsta lösningsmedlet från filamentet och inte så låg att det är alltför flyktigt och hindrar filamentbildning på grund av snabb avdunstning, eller måste användas under tryck för att detta skall förhindras.

Upplösning av en polymer i ett för ändamålet lämp-' ligt lösningsmedel innebär svällning. När lösningsmedel _absorberas och volymen ökar, bildas en kraftigt uppsvälld gel, vilken emellertid på grund av sin konsistens och form- stabilitet fortfarande måste betraktas som ett slags fast substans. Det antas allmänt att polymeren består av ordna- de (kristallina) och mindre ordnade (amorfa) områden. Man antar att de ordnade områdena verkar som förankringspunkter och därmed ger formstabilitet till gelen. Bildningen av ge- En viss polymer kan upplösas i ett givet lösningsmedel blott ovanför en viss temperatur. Under denna lösningstemperatur sker blott svällning och i den mån temperaturen är lägre blir sväll- ningen lägre till en viss punkt där den blir försumbar.

Svällpunkten eller svälltemperaturen anses vara den tempe- 'ratur, vid vilken en distinkt ökning i volym och en distinkt absorption av lösningsmedel, 5-10% av polymerens vikt, före- kommer. För enkelhets skull kan sägas att den svällnings- temperatur, ovanför vilken sträckning skall ske, är den temperatur, vid vilken 10% lösningsmedel obestridbart absor- beras av den svällande polymeren. _ Vid torrspinningsprocesser av det slag som vanligen används, används för det mesta 5-30 viktprocent lösning av tekniska och ekonomiska skäl. Sådana lösningar är även lämp- liga för förfarandet enligt uppfinningen, ehuru det i allmän- het är lämpligt att använda lägre koncentration. Företrädes- vis används lösningar på l-5 viktprocent. Ännu lägre kon- centrationer kan ibland användas, ehuru dessa inte medför fördelar och är olämpliga ur ekonomisk synpunkt.

Lämpliga sträckningsförhâllanden kan lätt bestämmas med egperiment. Draghållfasthet och modul hos filamenten är, inom vissa gränser, omkring proportionell mot sträckningsför- hållandet. man sålunda välja större sträckningsförhållande.

Allteftersom filamenten bör vara starkare, måste 8000997-0 Sträckningsförhållandet är åtminstone 5 och företrä- desvis minst 10 och gärna över 20. Höga sträckningsförhål- landen, 30-40 och t.o.m. högre, kan man utan nackdel tillämpa, vilket ger filament vilkas draghâllfasthet och modul är avse- , värt högre än de som uppnås med de hittills vanliga proces- serna.

Vid torrspinningsprocesser av vanligt slag, är dia- metrarna hos spinnöppningarna i spinnmunstyckena vanligen ¿ små. I allmänhet är dessa diametrar 0,02-1,0 mm. Speciellt om små spinnöppningar, lika med eller under 0,2 mm, används, g blir spinningsprocessen mycket känslig för förekomst av föro- reningar i spinnlösningen, varför denna måste noggrant befrias från och hållas fri från fasta föroreningar. I de flesta fall anordnas filter vid spinnmunstyckena. Trots detta har det vi- sat sig att spinnmunstycket efter kort användning måste ren- sas och att tilltäppning ofta uppträder. Vid förfarandet Q enligt uppfinningen kan man använda större spinnöppningar, på mer än 0,2 mm och exempelvis 0,5-2,0 mm eller mer, efter- som avsevärt högre sträckningsförhållanden kan tillämpas och dessutom i allmänhet lägre polymerkoncentrationer i spinnlös- ningen används.

Uppfinningen är inte begränsad till framställning av - starka filament av vissa polymerer, utan kan generellt an- vändas för material som kan torrspinnas till filament.

Polymerer som kan spinnas med förfarandet enligt fö- religgande uppfinning är, exempelvis, polyolefiner, exempel- vis polyeten, polypropen, eten-propensampolymerer, polyoxi- metylen, polyetylenoxid, polyamider, exempelvis de olika ty- perna av nylon, polyestrar, exempelvis polyetentereftalat, polyakrylnitril, vinylpolymerer, exempelvis polyvinylakohol, polyvinylidenfluorid.

Polyolefiner, exempelvis polyeten, polypropen, eten- -propensampolymerer och högre polyolefiner, kan utan svårig- het lösas i kolväten, exempelvis mättade alifatiska och cyk- . liska samt aromatiska kolväten, eller blandningar därav, ex- empelvis mineraloljefraktioner. Mycket lämpliga är alifatis- ka eller cykliska kolväten, exempelvis nonan, dekan, undekan, dodekan, tetralin, dekalin, etc., eller mineraloljefraktio- ner med motsvarande kokningsområde. Polyeten och polypropen ' - " 8000997-0 löses lämpligen i dekalin eller doekan. Förfarandet är speciellt lämpat för framställning av filament av polyole- finur, särskilt polyeten.

Det är också möjligt att tillverka filament av lös- ninqar av tvâ eller flera polymerer i samma lösningsmedel, för vilket ändamål polymererna inte behöver vara blandbara med varandra. Så exempelvis är det möjligt att tillsammans i dekalin eller dodekan lösa polyeten och polypropen, vil- kas smältor är oblandbara, och spinna den så erhållna lös- ningen. I Filament enligt uppfinningen kan användas för många olika ändamål. De kan sålunda användas som armering i många olika slag av material, för vilka armering med fibrer eller filament är känd, för däckgarn, och för alla möjliga tillämp- ningar vid vilka låg vikt i kombination med hög styrka är önskvärd. Naturligtvis är området för möjliga tillämpning- ar inte begränsat till det nämnda.

Uppfinningen framgår ytterligare av följande exem- pel, till vilka uppfinningen naturligtvis dock inte är be- gränsad.

Exempel l En polyeten med hög molekylvikt, med fiw “ 1,5 x 106 löstes i dekalin vid 14500 till en 2-procentig lösning (vikt).

Denna lösning spanns genom ett spinnmunstycke med en spinn- öppning på 0,5 mm diameter vid l30°C. Filamentet fick pas- sera ett vattenbad vid rumstemperatur, där det kyldes. Det kylda, 0,7 mm tjocka filamentet, som verkade vara gelliknan- de och som fortfarande innehöll omkring 98% lösningsmedel, fick först gå genom en till 12000 uppvärmd rörugn och sträck- tes med användning av olika sträckningsförhållanden.

Processen i detta exempel illustreras av ett på de bifogade ritningarna i fig. l visat schema, medan fig. 2 och 3 visar draghållfasthet respektive modul som funktion av sträckningsförhållandet.

En modul på mer än 60 GPa och en draghållfasthet på nära 3 GPa kan uppnås, medan modulen hos polyetenfilament som tillverkats på konventionellt sätt är 2-3 GPa och drag- hållfastheten omkring 0,1 GPa. Värdena på modul och drag- hållfasthet hos filament med olika sträckningsförhållanden 8000997-0 \1 enligt fig. 2 och 3 är angivna i följande tabell 1.

Polyetenfilament med draghållfasthet på mer än 1,2 GPa kan lätt framställas enligt följande uppfinning.

Tabell l Prov Sträcknings~ Modul GPa Draghållfasthet förhållande GPa 1 1 2,4 0,09 ; 2 3 5,4 0,27 3 7 17,0 0,73 4 8 17,6 0,81 ll 23,9 1,32 6_ 12 37,5 1,65 7 13 40,9 1,72 , 8 15 41,0 1,72 9 17 43,1 2,ll 25 69,0 2,90 ll 32 90,2 3,02 Eåemëëiå Enligt det i exempel l beskrivna förfarandet spanns en 2-procentig (vikt) lösning av en blandning av lika delar polyeten med hög molekylvikt, HW = 1,5 x 106, och en poly- = 3,0 x 106, vid 14o°c och Erhåll- propnn med hög molekylvikt, Üw 7 sträuktes vid 13o°c med sträckningsförhållanaet 20. na filament hade en draghållfasthet på 1,5 GPa. ëšëmšáeš Pâ samma sätt som enligt exempel l spanns en 2~pro~ centig (vikt) lösning av isotaktisk polypropen med fiw = 3,0 x 106 vid l40°C och sträcktes vid l30°C med sträckningsför- hållandet 20. l GPa.

Draghållfastheten hos erhållet filament var

Claims (5)

son0997-o ß PATENTKRAV

1. l. Förfarande för framställning av polymerfilament med hög drag- hâllfasthet och modul, varvid en lösning av polymeren i ett lämpligt lösnings- medel spinnes till ett filament genom en spinnöppning, det erhållna filamentet fylles och därefter sträckes, k ä n n e t e c k n a t därav, att en lösning av 1-30 viktprocent polymer spinnes vid en temperatur över polymerens lösningstemperatur i lösningsmedlet, det erhållna filamentet kyles till under lösningstemperaturen utan att lösning-smedlets föràngning främjas för bildning av ett polymert gelfilament, gelfílamentet bringas till en temperatur i intervallet mellan polymerens svällningstemperatur i lösningsmedlet och polymerens smältpunkt och sträckes vid en temperatur i nämnda intervall med åtminstone partiell förängning av i filamentet alltjämt kvarvarande lösningsmedel, varvid filamentet, som skall sträckas, innehåller minst Zšviktprocent lösningsmedel, med avseende på polymeren, och att filamentet sträckes till ett sträckningsförhâllande av minst 5.

2. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t därav, att den använda polymeren är en polyolefin.

3. Förfarande enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att man spinner en 1-5 viktprocentig polymerlösning. _

4. ' Förfarande enligt kraven 1-3, k ä n n e t e c k n a t därav, att ett filament innehållande minst 100 viktprocent lösningsmedel, räknat på poly- meren, sträckes.

5. Förfarande enligt kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a t därav, att sträckningsförhällandet är minst lÛ.