DE2208921A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von kurzfasern aus thermoplastischen kunststoffen - Google Patents

Description

Badische Anilin- & Soda-Fabrik AG

Unser Zeichen: O.Z. 29 000 Gr/L

6700 Ludwigshafen, 23.2.1972

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Kurzfasern aus thermoplastischen Kunststoffen

Es sind zahlreiche Verfahren zur Herstellung von Stapelfasern und Kurzfasern bekannt. Bei den aerodynamischen Spinnverfahren werden Gase, meist Luft oder Dämpfe als Hilfsmedium verwendet» Bei den Spinnverfahren unterscheidet man einerseits Verfahren zur Herstellung von Fäden oder monofilen Endlosgarnen, die praktisch konstante Durchmesser haben, und andererseits unkonventionelle Verfahren zur Herstellung von Kurzfasern oder Fibrids, die in ihren Durchmessern und Längen ein Spektrum aufweisen. Zu diesen unkonventionellen Spinnverfahren gehört das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren.

Bei den bekannten Verfahren wird der Kunststoff· entweder in einem Schneckenextruder oder in einem unter Druck stehenden Schmelzgefäß aufgeschmolzen und durch beheizte Rohrleitungen zur Stelle der Zerfaserung gefördert. Dort wirkt Gas oder Dampf mit hoher Geschwindigkeit unter einem Winkel auf die aus Düsenöffnungen austretende Schmelze ein.

Weiter ist bekannt, Kurzfasern aus Polymeren herzustellen, indem man die Polymerlösungen unter hohem Druck durch enge Düsenöffnungen preßt.

Ferner kann man Kurzfasern über eine Fällung herstellen. Die in geeigneten Lösungsmitteln gelösten Polymeren werden durch Zugabe von einem Nichtlöser aus ihrer Lösung ausgefällt und im Moment des Ausfällens Scherkräften unterworfen.

Ein anderer Weg ist die Grenzflächenkondensation, indem man das dabei entstehende Polymere in Form eines hauchdünnen Films ab-

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zieht und durch starke Rührung in einer Flüssigkeit, z.B. Wasser, zerfasert.

Polyolefin-Fasern kann man während einer Fällungspolymerisation in statu nascendi erzeugen, wenn die Polymerisation mit einer relativ hohen Reaktionsgeschwindigkeit in einem geeigneten Lösungsmittel und in Gegenwart eines Koordinationskatalysators und unter Einwirkung einer Scherspannung durchgeführt wird.

Eine weitere Möglichkeit, kurzfaseriges Material oder Faserbrei herzustellen, besteht darin, eine Folie auf Basis von kristallinen Polyolefinen uniaxial zu recken, durch Einwirkung äußerer mechanischer Kräfte, z.B. durch Behandlung mit gerillten Walzen, zu zerfasern und die Fasern dann in Stücke zu schneiden. Nach einer Variante des Verfahrens wird das nach der Reckung erhaltene, orientierte Folienmaterial zerschnitten und dann in wäßrigem Medium vermählen.

Alle diese bekannten Verfahren haben zum Ziel, Kurzfasern, sogenannte Fibrids, herzustellen. Die Fibrids sind hinsichtlich ihrer Größe und meist auch hinsichtlich ihrer Form verschieden voneinander. Sie können faserförmig und/oder bandförmig ausgebildet sein. Man kennt aber auch filmartige Formen. Meist besitzen Fibrids Ausfransungen, Widerhäkchen und/oder gewebeartige Strukturen, die die Einzelteilchen miteinander verbinden. Es wird meist angestrebt - je nach Verwendungszweck -, daß solche Fibrids hinsichtlich ihrer Morphologie und Größe natürlichen Fasern gleichen. Für die Papierherstellung müssen sie gemahlenem Zellstoff ähnlich sein.

Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind jedoch nicht frei von Nachteilen, sei es, daß neben den Fasern pulver- oder krümeiförmige Teilchen entstehen; sei es, daß große Mengen an gasförmigem Hilfsmedium je Fasermenge erwärmt und verbraucht werden; daß die hergestellten Fasern ein breites Faserspektrum aufweisen; daß mit Lösemitteln gearbeitet wird, die anschließend aufgearbeitet werden müssen und Abwasserprobleme nach sich ziehen; oder sei es, daß Verfahren durch hohen apparativen Aufwand wirtschaftlich in Frage gestellt sind.

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Es war daher die Aufgabe gestellt, unter weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile ein Verfahren zur Herstellung von Kurzfasern (Fibrids) aus thermoplastischen Kunststoffen, das apparativ einfach und stö'runanfällig ist und ein Verspinnen direkt aus der Schmelze ermöglicht, sowie eine hierfür geeignete Vorrichtung zu entwickeln.

Es wurde nun gefunden, daß man auf sehr einfache Weise Kurzfasern aus thermoplastischen Kunststeffen durch Extrudieren von Schmelzen aus Düsen erhält, wenn die Zerfaserung der aus der Düsenöffnung kontinuierlich austretenden Schmelze mit einem flüssigen Hilfsmedium durch Einwirkung von Schubspannungen auf kleinem Volumen erfolgt, indem man die zu zerfasernde Schmelze in eine Zone hoher Energiedissipation bringt und dadurch nach einem Durchgang vollständig in die gewünschte Pasergröße zerteilt.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einer Zweistoff- oder Mehrstoffdüse, die in einen Behälterraum (4) hineinragt, in dem ein gegenüber dem Behälterraum kleines Rohr als Impulsaustauseiiraum (3) beliebigen Querschnitts in Richtung der aus den Düsenöffnungen (l, 2) austretenden Medien derart in geringem Abstand von der Düsenmündung auf der Düsenachse angebracht ist, daß dieses Rohr die aus den Düsenöffnungen austretenden Strahlen aufnimmt.

Besonders vorteilhafte Ergebnisse beim Zerfasern der Schmelze werden erzielt, wenn ein oder mehrere Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von 10 bis 100 m/s durch Düsen in den Impulsaustauschraum des mit Flüssigkeit gefüllten Behälters eingeleitet werden, so daß sie das zylindrische Rohr gemeinsam mit der relativ langsam bewegten Behälterflüssigkeit durchwandern.

Der kleine zylindrische Rohrraum stellt einen Impulsaustauschraum dar, weil der Gesamtimpuls der Treibstrahlen praktisch innerhalb dieses Raumes, also auf kleinem Volumen, umgesetzt wird. Der mittlere Durchmesser dieses Impulsaustauschraumes soll das 2- bis 20-fache des mittleren äquivalenten Düsendurchmessers, seine Länge das 2- bis 30-fache seines hydraulischen Durchmessers betragen.

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Durch diese Anordnung von Flüssigkeitsdüsen und Impulsaustauschraum in einem größeren Behälter wird die Behälterflüssigkeit nicht wie beim Freistrahl längs des Strahlweges angesaugt, sondern die nach dem Impulssatz geförderte Menge muß durch den Eintrittsquerschnitt des Impulsaustauschraumes eintreten.

Führt man die Kunststoffschmelze durch die Düsenöffnungen derart zu, daß sie einerseits in Form von Schmelzsträngen oder flächig ausgebreitet wird und andererseits zwischen die mit hoher Geschwindigkeit treibenden Flüssigkeitsstrahlen und die angesaugte Flüssigkeit gelangt, so wird die Schmelze mit einem Schergefälle beaufschlagt, das zur Zerfaserung führt.

Als Kunststoffe kommen alle zur Faserherstellung bekannten und geeigneten Typen in Betracht, die je nach Verwendungszweck der daraus hergestellten Fibrids im Bereich niedriger bis hoher Molekulargewichte liegen können, z.B. Polyolefine, wie Polyäthylen oder Polypropylen und deren Wachse und Wachsverschnitte, Polyamide, Polyester, Polyvinylchlorid und Polystyrol.

Die Schmelze wird über ein unter Druck stehendes Schmelzgefäß oder über einen Extruder der Düse zugeführt. Je nach Art der verwendeten Thermoplasten können die Schmelzen unterschiedliche Temperaturen haben. Zur Anwendung kann der gesamte Temperaturbereich zwischen dem Schmelzpunkt und der ohne chemische Veränderung höchstmöglichen Schmelzentemperatur gelangen.

Zweckmäßig sind Schmelzentemperaturen nahe der oberen Grenze zur Erzielung möglichst geringer Viskosität. Der notwendige Schmelzendruck richtet sich nach der Temperatur der Schmelze und nach der Düsengeometrie.

Als Hilfsmedien zur Zerfaserung werden im allgemeinen inerte Flüssigkeiten, vorteilhaft Wasser, verwendet. Der Einsatz von Wasser wirkt sich insofern günstig aus, als Wasser gegenüber Luft eine um den Faktor ICr größere Dichte hat. Das bedeutet zur Erzielung eines bestimmten Impulses eine entsprechende Verminderung des Volumens bzw. der Geschwindigkeit des Wassers. Das Wasser wird im Kreislauf gefahren, wobei die Fibrids mittels Sieb abge-

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nommen werden, und verursacht praktisch keine Abasserprobleme. Die Wassertemperatur richtet sich nach der Temperatur der Kunststoffschmelze und nach der Art und Größe der herzustellenden Fibrids, da das Wasser die Thermoplastenschmelze kühlen und damit die Fibrids in ihrer Form fixieren muß. Die Geschwindigkeit des austretenden Wassertreibstrahles ist abhängig vom erforderlichen Schergefälle und von der gewünschten Faserstruktur, wird damit also wieder von der Temperatur und Zähigkeit der Schmelze beeinflußt.

Der gesamte Zerteil- und Zerfaserungsvorgang findet in dem kleinen Impulsaustauschraum statt. Man kann auf den größeren Behälter verzichten, wenn man den relativ langsam strömenden, aus dem Behälter angesaugten Flüssigkeitsstrom mit einer Pumpe zuführt. Man verhindert auf diese Weise ein Rücksaugen von Flüssigkeit einschließlich bereits fertiger Fibrids und erreicht ein definiertes Verweilzeitverhalten der Flüssigkeit im Impulsaustauschraum.

Der Impulsaustauschraum hat im allgemeinen einen konstanten oder einen sich in Strömungsrichtung vergrößernden Querschnitt.

Der Impulsaustauschraum soll sich in Richtung der eintretenden Flüssigkeit erstrecken und kann konstruktiv verschieden gestaltet werden, wobei man zweckmäßig diese Formen den verwendeten Düsenformen anpaßt. Meist verwendet man zylindrische Rohre oder Kegelstümpfe. Sofern der Impulsaustauschraum als zylindrisches Rohr ausgebildet ist, soll seine Länge das 2- bis 50-fache seines Durchmessers betragen; hat er keinen kreisförmigen oder über seine Länge konstanten Querschnitt, soll seine Länge das 2- bis 30-fache seines hydraulischen Durchmessers betragen. Der Impulsaustauschraum soll oinen mittleren Durchmesser der Eintrittsöffnung aufweise.· η, der das 2- bis 20-fache des Treibdüsendurchmessers oder bei mehreren Düsen des flächengleichen Düsendurchmessera beträgt.

Die technische Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen erläutern die Fig. 1 und 2. Nach Fig. 1 ist die Vorrichtung in einen größeren Behälter eingebaut» Zur besseren Übersicht sind jedoch die Düsen und der Impulsaustauschraum im Vergleich zum

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Behälter vergrößert dargestellt. Es bedeuten: 1 - Austrittsöffnung für den Treibstrahl, 2 - AustrittsÖffnung für die Schmelze, 3 ~ Impulsaustauschraum, 4 - Behälter, 5 - Zuführung für das Hilfsmedium (Wasser), 6 - Zuführung für die Schmelze.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung, bei der man auf einen großen Behälter verzichten kann. 7 stellt darin die Zuführung für das langsamer fließende Hilfsmedium (Wasser) dar. Die Zerfaserung erfolgt hierbei im Rohr J>, das als Impulsaustauschraum wirkt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit der Vorrichtung können verschiedene Typen von Kurzfasern erzeugt werden. Je nach Fahrweise und eingesetztem Kunststoff unterscheidet sich die Kurzfaser in ihrer Struktur und Größe. Ihr Aussehen reicht von feinster, pulverförmiger Beschaffenheit bis hin zu Wattecharakter. Die obere Gre

durchmessers.

P Die obere Grenze der Faserlänge beträgt das 10 -fache des Faser-

Durch die Betriebsbedingungen und die spezielle Gestaltung der Zerfaserungsvorrichtung läßt sich das Faserspektrum variieren. Da der Impuls- und Energieaustausch auf sehr engem Raum stattfindet, ist das Faserspektrum im allgemeinen klein.

Beispiel 1

Ein Polyäthylenwachs mit einem mittleren Molekulargewicht von 3 000 und einem Schmelzpunkt von etwa 95°C wird in einem unter Druck stehenden Schmelzgefäß aufgeschmolzen und durch eine beheizte Rohrleitung der Zerfaserungsvorrichtung zugeführt. Die Schmelzentemperatur an der Düse beträgt 150⁰C, die Zähigkeit der Schmelze etwa 3 Poise. Der Förderdruck der Wachsschmelze ist 2 at. Das Wasser hat im Treibstrahl eine Geschwindigkeit von 37 m/s, sein Vordruck beträgt 7 at und wird von einer Pumpe aufgebracht. Das Wasser enthält ein Antistatikum in einer Konzentration von 0,3 g/l und hat eine Temperatur von 8θ C.

Man erhält mikrofeine Fasern, die äußerlich in ihrer Gesamtheit PuIverCharakter haben. Die Fasern sind kaum verästelt und verhalten sich praktisch nicht klumpend. Die Faserdurchmesser liegen zwischen 4 und 25 /um, die Faserlängen zwischen 5 und 500 jam.

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Beispiel 2

Ein Polyäthylenwachs mit einem mittleren Molekulargewicht von 6 000 und einem Schmelzpunkt von etwa 100⁰C wird wie in Beispiel 1 aufgeschmolzen und der Zerfaserungsvorrichtung zugeführt. Die Schmelzentemperatur an der Düse beträgt 13O⁰G, die Zähigkeit der Schmelze etwa 6 Poise. Der Förderdruck der V/achsschmelze ist 2 at. Die Wassergeschwindigkeit im Treibstrahl beträgt 15 m/s, der Wasserdruck 2 at.

Il

Das Wasser enthält ein Antistatikum der im Beispiel 1 angegebenen Konzentration und hat eine Temperatur von 8o°C.

Die hergestellten Fibrids sind sehr fein und deutlich verästelt; dadurch kommt es zu gegenseitigen Verhakungen und Zusammenlagerungen. Der Fasercharakter ist ohne optisches Hilfsmittel erkennbar. Die Faserdurchmesser liegen zwischen 25 und 125 Aim, die Faserlängen zwischen 75 und 1 250yum.

Beispiel 3

Ein Wachsverschnitt auf Basis Polyäthylen mit einem Schmelsindex von 1 000 (2,16 kg; 190⁰C) und einem Schmelzpunkt von etwa 95⁰C wird wie in Beispiel 1 aufgeschmolzen und der Zerfaserungsvorrichtung zugeführt. Die Schmelzentemperatur an der Düse beträgt 150⁰C, die Zähigkeit der Schmelze etwa 3 Poise. Der Förderdruck der Wachsschmelze ist 2 at. Die Wassergesehwindigkeit im Treibstrahl beträgt 30 m/s, der Wasservordruck 5 at, die Wassertemperatur 6o°c.

Die hergestellten Fibrids sind gemahlenem Zellstoff sehr ähnlich, zum Teil stark gespleißt und verästelt und deshalb untereinander verfilzend. Die Faserdurchmesser liegen zwischen 25 und J^>jam_s die Faserlä^jjgen zwischen 500 und 1 500 Aim.

Beispiel 4

Ein Wachsverschnitt wie in Beispiel 3 beschrieben wird in gleicher Weise der Zerfaserungsvorriohtung zugeführt. Die Betriebsbedingungen werden gegenüber Beispiel 3 etwas abgewandet« Die Schmelzentemperatur an
Schmelze etwa 2 Poise.

Schmelzentemperatur an der Düse beträgt 17G'"'C.« die Zähigkeit ö.er

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Der Förderdruck der Wachsschmelze ist 1,5 at, die Wassergeschwindigkeit im Treibstrahl beträgt 20 m/s, der Wasservordruck 3 at, die Wassertemperatur 6o°C.

Die gewonnenen Fibrids sind feiner und durchschnittlich länger als in Beispiel 3 und sehen Watte sehr ähnlich. Die Faserdurchmesser liegen zwischen 25 und 4oyarn, die Faserlängen zwischen 500 und 1 000yum.

Beispiel 5

Ein Wachsverschnitt auf Basis Polyäthylen mit einem Schmelzindex von 220 (2,16 kg; 19O⁰C) und einem Schmelzpunkt von etwa 120⁰C wird wie in Beispiel 1 aufgeschmolzen und der Zerfaserungsvorrichtung zugeführt. Die Schmelzentemperatur an der Düse beträgt 155°C, die Zähigkeit der Schmelze etwa 500 Poise. Der Förderdruck der Wachsschmelze ist 2 at, die Wassergeschwindigkeit im Treibstrahl 25 m/s, der Wasservordruck 4 at, die Wassertemperatur 9O⁰C.

Die erhaltenen Fasern sind fein und lang und haben den Charakter von Haar. Die Faserdurchmesser liegen zwischen 50 und 250 /im, die Faserlängen zwischen 3 und 250 mm.

In den Beispielen 1, 2, 4 und 5 wird die Schmelze mittels einer Kreislochdüse, im Beispiel 3 mittels einer Kreisschlitzdüse in. das Scherfeld, zwischen dem Treibstrahl einerseits und der angesaugten Flüssigkeit andererseits eingeführt.

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Claims (6)

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   Patentansprüche

   rft Verfahren zur Herstellung von Kurzfasern aus thermoplastischen Kunststoffen durch Extrudieren von Schmelzen aus Düsen, dadurch gekennzeichnet , daß die Zerfaserung der aus der Düsenöffnung kontinuierlich austretenden Schmelze mit einem flüssigen Hilfsmedium durch Einwirkung von Schubspannungen auf kleinem Volumen erfolgt,\ indem man die zu zerfasernde Schmelze in eine Zone hoher Energiedissipation bringt und dadurch nach einem Durchgang vollständig in die gewünschte Fasergröße zerteilt»
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man für die Herstellung der Kurzfasern bekannte thermoplastische Kunststoffe mit niedrigem bis hohem Molekulargewicht verwendet»
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als thermoplastische Kunststoffe Polyolefine und deren Wachse und Wachsverschnitte verwendet.
4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, gekennzeichnet durch eine Zweistoff- oder Mehrstoffdüse, die in einen mit Flüssigkeit gefüllten Behälterraum (4) hineinragt-, in dem ein gegenüber dem Behälterraum kleines Rohr beliebigen Querschnitts als Impulsaustauschraum (3) in Richtung der aus den Düsenöffnungen (1, 2) austretenden Medien derart in geringem Abstand von der Düsenmündung auf der Düsenachse angebracht ist, daß dieses Rohr die aus den Düsenöffnungen austretenden Strahlen aufnimmt.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das den Impulsaustauschraum bildende kleine Rohr die Form eines Zylinders oder eines Kegelstumpfes hat.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Durchmesser des zylindrischen Rohres oder des Kegelstumpfes das 2- bis 20-fache des mittleren äquivalenten Durchmessers, seine Länge das 2- bis 30-fache seines hydraulischen Durchmessers beträgt.

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   Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet« daß die Düsenöffnungen für die Kunststoffschmelze auf einem Loch-kreis rings um die Treibdüse sitzen (Kreislochdüse) oder in Form von Schlitzen konzentrisch zur Treibdüse angeordnet sind (Kreisschlitzdüse).

   Badische Anilin- & Soda-Fabrik

   Zeichn.

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