DE2208921B2

DE2208921B2 - Vorrichtung zur Herstellung von Kurzfasern aus einer thermoplastischen Kunststoff schmelze

Info

Publication number: DE2208921B2
Application number: DE2208921A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 6710 Frankenthal Engler; Heribert Dr.-Ing. 6800 Mannheim Kuerten; Otto Dr.-Ing. 6730 Neustadt Nagel; Richard Prof. Dr.- Ing. 6904 Ziegelhausen Sinn; Werner 6800 Mannheim Weinle
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1972-02-25
Filing date: 1972-02-25
Publication date: 1975-04-10
Also published as: NL174741C; DE2208921A1; FI56204C; CA1044868A; AT342744B; NL174741B; ATA162973A; DE2208921C3; CH550259A; US4013744A; FI56204B; FR2173200A1; BE795724A; SE391744B; GB1413356A; JPS5727203B2; NL7302427A; FR2173200B1; USB335783I5; IT978345B

Description

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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 unterschiedet 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 zugrundeliegende 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 au* Düsenöffnungen austretende Schmelze ein.

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

Aus, der DT-OS 19 34 541 und der OE-PS 2 49 850 sind z. B. Vorrichtungen für die Herstellung von Stapelfasern aus thermoplastischen Kunststoffen bekannt, bei denen vermittels zweier Hilfsgasströme eine Schmelze beim Austritt aus der Düsenmischung zerfasert wird.

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

Polyolefin-Fasern kann man während einer Fallungspolymerisation 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 rekken. 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 Rekkung 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 faserfcvmig und/oder bandförmig ausgebildet sein. Man kennt aber auch filmanige Formen. Meist besitzen Fibrids Ausfransungen. Widerhäkchen und/oder gewebeartige Strukturen, die die Einzelteilchen miteinander verbinden. F.s wird meist angestrebt - je nach Verwendungszweck —, daß solche Fibrids hinsichtlich ih rer 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 nohen apparativen Aufwand wirtschaftlich in Frage gestellt sind.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile eine Vorrichtung zur Herstellung von Kurzfasern (Fibrids) aus thermoplastischen Kunststoffen, die apparativ einfach und störunanfällig ist und ein Verspinnen direkt aus der Schmelze ermöglicht, zu entwickeln.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhält man auf sehr einfache Weise Kurzfasern aus thermoplastischen Kunststoffen durch Extrudieren von Schmelzen aus Düsen, wobei die Zerfaserung der aus der Düsenöffnung kontinuierlich austretenden Schmelze mit einer Flüssigkeit 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. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die technische Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutern die F i g. 1 und 2. Nach Fi g. 1 ist die Düse in einen größeren Behälter eingebaut. Zur besseren Übersicht sind jedoch die Düse und das Rohr 3 im Vergleich zum Behälter 4 vergrößert dargestellt. Es bedeuten: 1 zentrale Düsenöffnung für die Flüssig-

fceit 2 Austrittsöffnung für die Schmelze, 3 Rohrimpulslustauschraum, 4 Behälter, 5 Zuführung für die Flüssigleite Zuführung für die Schmelze.

F i g. 2 zeigt eine Vorrichtung, bei der man auf einen croßen Behälter verzichten kann. 7 stellt darin die Zu-{jjhrung für die langsamer fließende Flüssigkeit dar. Die Zerfaserung erfolgt hierbei im Rohr 3, das als ImpulsjBistauschraum wirkt

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 Rohr 3 gemeinsam mit der relativ langsam bewegten Behälterflüssigkeit durchwandern.

Das Rohr 3 s;elli einen Impulsaustauschraum dar, weil der Gesanuimpuls der Treibstrahlen praktisch innerhalb dieses Raumes, also auf kleinem Volumen, umgesetzt wird.

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

Führt man die Kunststoffschmelze durch die Düsen-Öffnungen 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 Materialien 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 Hilfsmedium 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 10³ 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 abgenommen werden, und verursacht praktisch keine Abwasserprobleme. 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 Wüssertreibstrahles ist abhängig vom erforderlichen Schergefälle und von der gewünschten Faserstruktur, wird damit also wieder von der Temperatur und Zähigkeit der Schmelze beeinflußt
Mit der erfindungsgemäßen 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 Beschaffenheil bis hin zu Wattecharakter. Die obere Grenze der Faserlänge betfägt dac> lf^fache des Faserdurchmessers.

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

Beispiel 1

Ein Polyäthylenwachs mit einem mittleren Molekulargewicht von 3000 und einem Schmelzpunkt von etwa 95°C wird in einem unter Druck stehenden Schmelzgefäß aufgeschmolzen und durch eine beheizte

as Rohrleitung der Zerfaserungsvorrichtung zugeführt. Die Schmelzentemperatur an der Düse beträgt 150°C, 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 8O⁰C.
Man erhält mikrofeine Fasern, die äußerlich in ihrer Gesamtheit Pulvercharakter haben. Die Fasern sind kaum verästelt und verhalten sich praktisch nicht klumpend. Die Faserdurchmesser liegen zwischen 4 und 25 μηι, die Faserlängen zwischen 5 und 500 μίτι.

Beispiel 2

Ein Polyäthylenwachs mit einem mittleren Molekulargewicht von 6000 und einem Schmelzpunkt von etwa 100°C wird wie in Beispiel 1 aufgeschmolzen und

♦5 der Zerfaserungsvorrichtung zugeführt. Die Schmelzentemperalur an der Düse beträgt 130°C, die Zähigkeit der Schmelze etwa 6 Poise. Der Förderdruck der Wachsschmelze ist 2 at. Die Wassergeschwindigkeit im Treibstrahl beträgt 15 m/s, der Wasserdruck 2 at.

Das Wasser enthält ein Antistatikum der im Beispiel 1 angegebenen Konzentration und hat eine Temperatur von 80° 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 μιη, die Faserlängen zwischen 75 und 1250 μη").

Beispiel 3

Ein Wachsverschnitt auf Basis Polyäthylen mit einem Schmelzpunkt von etwa 95°C wird wie im Beispiel 1 aufgeschmolzen und der Zerfaserungsvorrichtung zugeführt. Die OJ.melzentemperatur an der Düse beträgt 150°C, die Zähigkeit der Schmelze etwa 3 Poise. Der Förderdruck der Wachsschmelze ist 2 at. Die Wassergeschwindigkeit im Treibstrahl beträgt 30m/s, der Was-

servordruck 5 at, die Wassertemperatur 6O⁰C.

Die hergestellten Fibrids sind gemahlenem Zellstoff sehr ähnlich, zum Teil stark gespleißt und verästelt und deshalb untereinander verfilzend. Die Faserdurchmesser liegen zwischen 25 und 75 μσι, die Faserlängen zwischen 500 und 1500 μΐη.

Beispiel 4

Ein Wachsverschnitt wie im Beispiel 3 beschrieben wird in gleicher Weise der Zerfaserungsvorrichtung zugeführt. Die Betriebsbedingungen werden gegenüber Beispiel 3 etwas abgewandelt. Die Schmelzentemperatur an der Düse beträgt 17O⁰C, die Zähigkeit der Schmelze etwa 2 Poise.

Der Förderdruck der Wachsschmelze ist 1,5 at, die Wassergeschwindigkeit im Treibstrahl beträgt 20 m/s, der Wasservordruck 3 at, die Wassertemperatur 60⁰C.

Die gewonnenen Fibrids sind feiner und durchschnittlich langer als in Beispiel 3 und sehen Watte sehr ähnlich. Die Faserdurchmesser liegen zwischen 25 und 40 μίτι, die Faserlängen zwischen 500 und 1000 μίτι.

Beispiel 5

Ein Wachsverschnitt auf Basis Polyäthylen mit einem Schmelzpunkt von etwa 120°C wird wie im Beispiel 1 aufgeschmo'zen 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 90⁰C.

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

In den Beispielen 1, 2, 4 und 5 wird die Schmelze durch öffnungen 2 eingeführt, die auf einem Lochkreis rings um die zentrale Düsenöffnung 1 sitzen, während im Beispiel 3 die Schmelze durch Öffnungen 2 eingeführt wird, die in Form von Schlitzen konzentrisch zur

»o zentralen Düsenöffnung 1 angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung von Kurzfasern aus einer thermoplastischen Kunststoffschmelze mit einer Düse, welche eine zentrale Düsenöffnung für die Zuführung einer Flüssigkeit und konzentrisch um die zentrale Düsenöffnung angeordnete öffnungen für die Zufuhr der Kunststoffschmelze aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse in einen mit Flüssigkeit gefüllten Behälter (4) hineinragt, in weichem in Richtung der Düsenachse ein Rohr (3) in geringem Abstand von der Düse zur Aufnahme der aus der zentralen Düsenöffnung (1) austretenden Flüssigkeit und der aus den öffnungen (2) austretenden Kunststoffschmelze angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3) die Form eines Zylinders oder eines Kegelstumpfes hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- ao zeichnet, daß der Durchmesser der tintrittsöffnung des Rohres (3) das 2- bis 20fache des Durchmessers der zentralen Düsenöffnung (1) und die Länge des Rohres (3) das 2- bis 30fache seines mittleien Durchmessers betragen. »5

4. Vorrichtung; nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (2) für die Kunststoffschmelze auf einem Lochkreis rings um die zentrale Düsenöffnung (1) sitzen oder in Form von Schlitzen konzentrisch zur zentralen Düsenöffnung (1) angeordnet sind.