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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mehrkomponenten-Stapelfasern,
die eine Polyarylensulfid-Komponente aufweisen, und Produkte, die dieselben
einschließen.
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Hintergrund der Erfindung
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Filtrationsverfahren
werden zum Abtrennen von Verbindungen einer Phase von einem Fluidstrom einer
anderen Phase verwendet, indem man den Fluidstrom durch ein Filtrationsmedium
hindurchfährt, das
das mitgeführte
oder suspendierte Material einfängt.
Der Fluidstrom kann entweder ein Flüssigkeitsstrom sein, der ein
festes Partikel enthält,
oder ein Gasstrom sein, der ein flüssiges oder ein festes Aerosol
enthält.
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Z.
B. werden Filter zum Sammeln von Staub verwendet, der von Verbrennungsöfen, kohlebefeuerten
Heizkesseln, Metallschmelzöfen
und dergleichen emittiert wird. Solche Filter werden im Allgemeinen
als "Schlauchfilter" bezeichnet. Da die
Abgastemperaturen hoch sein können,
müssen
Schlauchfilter, die zum Sammeln von heißem Staub, der von diesen und ähnlichen
Vorrichtungen emittiert wird, verwendet werden, hitzebeständig sein.
Schlauchfilter können
auch in chemisch korrosiven Umgebungen verwendet werden. So können für Staubsammel-Umgebungen auch ein
Schlauchfilter erforderlich sein, das aus Materialien hergestellt
wird, die eine chemische Beständigkeit
aufweisen. Beispiele für
gebräuchliche
Filtrationsmedien schließen
Textilerzeugnisse ein, die aus Aramidfasern, Polyimidfasern, Fluorfasern
und Glasfasern gebildet werden.
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Polyphenylensulfid
("PPS")-Polymere haben eine
thermische und eine chemische Beständigkeit. PPS-Polymere können als
solche in verschiedenen Anwendungen brauchbar sein. Z. B. kann PPS
bei der Herstellung von geformten Komponenten für Kraftfahrzeuge, elektrische
und elektronische Vorrichtungen, industrielle/mechanische Produkte,
Verbraucherprodukte und dergleichen geeignet sein.
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PPS
wurde auch zur Verwendung als Fasern für Filtrationsmedien, flammfeste
Artikel und Verbundstoffe hoher Leistungsfähigkeit vorgeschlagen. Trotz
der Vorteile des Polymers gibt es jedoch Schwierigkeiten, die mit
der Produktion von Fasern aus PPS verbunden sind. PPS-Fasern haben
typischerweise schlechte mechanische Eigenschaften. Demgemäß haben
PPS-Fasern für
viele Anwendungen keine ausreichende Zugfestigkeit. Zusätzlich dazu
sind PPS-Fasern spröde
und lassen sich somit nicht leicht zu Textilerzeugnissen für die Verwendung in
nachgelagerten Anwendungen verarbeiten.
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Frühere Versuche
zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von PPS-Fasern wurden mit
begrenztem Erfolg durchgeführt.
PPS wurde mit einem anderen Polymer vermischt, und das Elend wurde
in der Schmelze gesponnen, um Monofilamente herzustellen. Die Blend-Monofilamente
lösen jedoch
nicht notwendigerweise die Probleme, die mit der schlechten Zugfestigkeit
und Sprödigkeit
von PPS verbunden sind. Zudem können
die Blend-Monofilamente eine geringe Verbesserung einer Eigenschaft
auf Kosten einer anderen Eigenschaft aufweisen. Ein Monofilament
mit seinem relativ großen Durchmesser
wäre auch
von sich aus in einem Filtrationsmedium weniger wirksam als eine
Faser mit einem geringeren Durchmesser.
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Weiterhin
werden die Probleme der Herstellung von PPS-Blendfasern durch die
eingeschränkte Compoundierbarkeit
von PPS mit anderen Polymeren verschlimmert. Ein Kompatibilisierungsmittel
ist typischerweise notwendig, um die Fasern überhaupt herzustellen. Dies
kann jedoch die erwünschten
Fasereigenschaften beeinträchtigen
und der Faserproduktion zusätzliche
Verarbeitungsschritte und Kosten auferlegen. Ein anderer Versuch
besteht darin, Mineralfasern oder Verstärkungsfasern mit dem PPS-Polymer
zu vermischen, um den Produkten, die aus dem PPS-Material hergestellt
werden, eine ausreichende Festigkeit zu verleihen. Solche Elends
können
jedoch wegen des Vorliegens der mineralischen Füllstoffe und/oder Verstärkungsfasern
nicht für
die Faser-Extrusion verwendet werden.
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US-A-5,424,125 an
Ballard et al. bezieht sich auf Monofilamente, die aus Polymerblends
gebildet werden, nämlich
einem Elend aus PPS und wenigstens einem anderen Polymer, das aus
Polyethylenterephthalat, Hochtemperatur-Polyesterharzen und Polyphenylenoxid
(PPO) ausgewählt
ist. Die Polymere des Elends liegen im gesamten Querschnitt der Faser
vor, so dass die Außenfläche der
Faser zusätzliche
Polymere zum PPS einschließt.
Dies kann wiederum die Brauchbarkeit der sich ergebenden Fasern
unter strengen Hochtemperatur-Betriebsumgebungen
und/oder korrosiven Umgebungen einschränken. Obwohl in dem Patent
von Ballard et al. darauf hingewiesen wird, dass ein Kompatibilisierungsmittel
nicht erforderlich ist, wird in dem Patent weiterhin die Verwendung
von Kompatibilisierungsmitteln bei der Herstellung der Fasern beschrieben. Zusätzlich dazu
ist in dem Patent von Ballard et al. eine große Menge eines vom PPS-Polymer
verschiedenen Polymers notwendig, und insbesondere von wenigstens
50 Gew.-% und mehr.
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Die
japanische Offenlegungsschrift
JP-A-03104924 bezieht sich auf Zweikomponentenfasern,
die – wie
angegeben – eine
gute Färbbarkeit aufweisen
sollen. Die Fasern schließen
eine Polyphenylensulfid-Polymerschicht und eine Schutzschicht ein.
Die Schutzschicht, die aus einem von PPS verschiedenen Polymer gebildet
wird, muss auf einer Außenfläche der
Faser vorliegen, um derselben eine Färbbarkeit zu verleihen. Sonst
wäre die
Faser nicht färbbar.
Die sich ergebende Faser wird einer Oxidationsbehandlung unter Verwendung
von z. B. Wasserstoffperoxid unterzogen, um das PPS zu oxidieren.
Die Veröffentlichung
weist darauf hin, dass die Fasern oxidiert werden müssen, sonst
würden
die Fasern nicht so arbeiten wie es erforderlich ist.
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Andere
japanische Offenlegungsschriften diskutieren die Herstellung von
PPS-Fasern. Im Allgemeinen
schließen
die Fasern wenigstens ein Polymer zusätzlich zu PPS auf ihrer Außenfläche ein,
um so dem Endprodukt erwünschte
Eigenschaften zu verleihen. Das Vorliegen von Polymeren, die von PPS
verschieden sind, auf der Oberfläche
der Faser beeinträchtigt
jedoch die Eigenschaften, die derselben durch PPS verliehen werden.
Im Allgemeinen benötigen
die Fasern auch das Vorliegen zusätzlicher Materialien, die in
die Faser eingearbeitet werden, wie ein elektrisch leitfähiges Material,
ein Haftvermittler wie eine Haftvermittlungsschicht zwischen Hülle- und
Kern-Komponenten und dergleichen. Dies kann jedoch die Komplexität und die
Kosten der Faserherstellung erhöhen.
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JP-A-3040813 beschreibt
Fasern mit einer Polyamid-Kernkomponente in Kombination mit einer PPS-Hüllenkomponente.
Wie oben erwähnt
wurde, weist PPS jedoch eine eingeschränkte Kompatibilität mit anderen
Polymeren auf. Dieses Fehlen an Kompatibilität verschlimmert sich weiterhin
bei Polyamiden, die im Allgemeinen an anderen Typen von Polymeren
nicht gut haften.
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Es
gab Versuche, um die Haftung und/oder Kompatibilität von Polyamid
mit PPS unter Verwendung verschiedener Haftvermittlungstechniken
zu verbessern. Zum Beispiel beschreibt
JP-A-4343712 eine Faser,
die eine Komponente einschließt,
welche aus einem Blend von Polyamid und PPS besteht.
JP-A-4327213 beschreibt eine
Faser mit einer modifizierten PPS-Hülle, in der das PPS Maleinsäureanhydrid
einschließt.
Siehe auch
JP-A-2099614 ,
das eine Faser beschreibt, die eine Polyester/PPS-Blend-Kernkomponente
und eine PPS-Hüllenkomponente
einschließt.
Derartige Techniken können
jedoch die Kosten und die Komplexität der Faserherstellung erhöhen und
weiterhin die Fasereigenschaften beeinträchtigen, insbesondere bei Fasern,
die modifiziert wurden, um ein von PPS verschiedenes Polymer einzuschließen, das
auf der Oberfläche
derselben frei vorliegt.
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JP-A-6123013 und
JP-A-5230715 schlagen Verbundfasern
vor, die eine anisotrope Komponente, z. B. ein flüssig-kristalline
Polymer, und eine PPS-Komponente einschließen. Flüssig-kristalline Polymere können jedoch
kostspielig und in der Schmelze schwierig zu spinnen sein, wodurch
auch die Kosten und die Komplexität solcher Fasern zunehmen.
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US-A-5,702,658 von
Pellegrin et al. bezieht sich auf ein Rotationsverfahren zur Herstellung
von Zweikomponentenfasern. Es wird angegeben, dass das Rotations verfahren,
das demjenigen ähnlich
ist, welches zur Herstellung von Glasfasern verwendet wird, zur
Herstellung von Fasern unter Verwendung von Polymeren mit variierenden
physikalischen Eigenschaften wie unterschiedlichen Viskositäten brauchbar
ist. Das Rotationsverfahren verwendet die Zentrifugalkraft zum Verfeinern,
der Fasern, im Gegensatz zur mechanischen Verfeinerung von konventionellen
Faser-Extrusionsverfahren. Für
Polymere mit unterschiedlichen Viskositäten wickelt die Zentrifugalkraft
das Polymer mit niedriger Viskosität um das Polymer mit höherer Viskosität, so dass
die Grenzfläche
zwischen den beiden gekrümmt
ist.
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JP-A-59-204920 offenbart
Mehrkomponentenfasern des Kern/Hülle-Typs
mit einem Polyesterkern, der frei von einem Polyarylensulfid-Polymer
ist. Die Hülle
umfasst ein Polyphenylensulfid-Polymer, das die gesamte freiliegende
Oberfläche
der Faser bildet.
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DE-A-199 63 242 offenbart
ein Zweikomponenten-Monofilament mit einem Polyethylennapthalat-Kern
und einer Polyphenylensulfid-Hülle.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt Mehrkomponenten-Stapelfasern bereit,
die wünschenswerte, dennoch
sich widersprechende Eigenschaften in einem einzigen Faserprodukt
haben. Zusätzlich
dazu ermöglicht
die vorliegenden Erfindung die Herstellung solcher Stapelfasern
zu reduzierten Kosten.
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Insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Mehrkomponenten-Stapelfaser mit einer
Länge von
25 bis 50 mm und einer freiliegenden Außenfläche, umfassend:
- – ein
lineares Polyarylensulfid-Polymer, das die gesamte freiliegende
Fläche
der Mehrkomponentenfaser bildet, und
- – ein
zweites, isotropes, halbkristallines, faserbildendes Polymer, das
frei von Polyarylensulfid-Polymer ist und wenigstens mit einem Teil
des Polyarylensulfid-Polymers in Kontakt steht, wobei das zweite Polymer
aus der Gruppe bestehend aus Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat,
Polycyclohexanterephthalat, aliphatischen Polyestern, Mischungen
davon und Polyolefinen ausgewählt
ist,
wobei das Polyarylensulfid-Polymer und das zweite, isotrope,
halbkristalline Polymer schon an sich elektrisch nicht leitfähig sind
und nicht behandelt werden, um sie elektrisch leitfähig zu machen,
und wobei das faserbildende Polymer eine so hohe Menge wie 50 Gew.-%
des Gesamtgewichts der Faser umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf einen Schlauchfilter,
der mehrere dieser Mehrkomponenten-Stapelfasern umfasst.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
sind aus den Unteransprüchen
ersichtlich. Bei der Bezugnahme auf Fasern sind nachstehend die
Fasern, aus denen die Mehrkomponenten-Stapelfasern der Erfindung
gebildet werden, gemeint.
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Die
Fasern haben eine freiliegende Außenfläche, die gänzlich aus einer Polyarylensulfidpolymer-Komponente
besteht. Die Polyarylensulfidpolymer-Komponente kann ein oder mehrere
Polyarylensulfidpolymere einschließen. Ein beispielhaftes Polyarylensulfidpolymer
ist Polyphenylensulfid (PPS). Die Polyarylensulfidpolymer-Komponente kann der Faser
eine Wärmebeständigkeit
und chemische Beständigkeit
verleihen.
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Die
Fasern der Erfindung schließen
auch wenigstens eine andere polymere Komponente ein, die mit wenigstens
einem Teil der Polyarylensulfid-Komponente in direktem Kontakt steht.
Die zusätzliche Polymer-Komponente
wird aus einem oder mehreren faserbildenden isotropen halbkristallinen
Polyester- oder Polyolefin-Polymeren
gebildet. Die isotropen halbkristallinen Polyester sind Polyethylenterephthalat
(PET), Polybutylenterephthalat, Polycyclohexanterephthalat, aliphatische
Polyester wie Polymilchsäure
und Gemisch davon. Beispielhafte Polyolefine schließen Polypropylen,
Polyethylen und Polybuten sowie Co- und Terpolymere und Gemische
derselben ein.
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Die
polymere Komponente, welche mit der Polyarylensulfidpolymer-Komponente
in Kontakt tritt, schließt
kein Polyarylensulfidpolymer ein. Dies kann die Herstellungskosten
und die Komplexität
reduzieren. Trotz des Fehlens eines Polyarylensulfidpolymers in
der Komponente, die mit der Polyarylensulfidpolymer-Komponente in
Kontakt tritt, weisen die Fasern der Erfindung dennoch überraschenderweise eine
ausreichende Integrität
für eine
nachgeschaltete Verarbeitung auf. Dies ist in Anbetracht früherer Versuche
zur Verbesserung der Haftung zwischen PPS und anderen Polymeren überraschend,
beispielsweise durch die Verwendung zusätzlicher Bindemittel wie Klebstoffe
(gepfropft auf ein Polymer oder damit vermischt), Haftvermittler,
Polymerblends und dergleichen. Selbst für Polymer-Komponenten mit geringer oder keiner
Kompatibilität
bleibt die Struktur der Fasern intakt.
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Die
Fasern sind zur Verwendung in ihrer Mehrkomponentenform vorgesehen,
wobei die entsprechenden polymeren Komponenten während der Verwendung der Faser
intakt bleiben. Somit sind die polymeren Komponenten aus Polymeren
ausgewählt,
die im Wesentlichen in allen Medien unlöslich sind, mit denen die Fasern
in Berührung
kommen sollen. Dies steht im Widerspruch zu Mehrkomponentenfaser-Konstruktionen,
in denen wenigstens eine der polymeren Komponenten gelöst werden
soll, um wenigstens eine andere polymere Komponente in Form von
Filamenten mit einer geringeren Fadenfeinheit zurückzulassen.
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Das
Polyarylensulfid-Polymer und das zusätzliche Polymer (die zusätzlichen
Polymere) sind von sich aus nicht elektrisch leitfähig. Für die Zwecke der
Erfindung werden die Polymere nicht behandelt, um sie elektrisch
leitfähig
zu machen.
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Die
Polymer-Komponenten sind relativ zueinander so angeordnet, dass
die Polyarylensulfidpolymer-Komponente die gesamte freiliegende
Oberfläche
der Faser bildet. Polymere, die vom Polyarylensulfid-Polymer (den
Polyarylensulfid-Polymeren)
verschieden sind, liegen nicht auf oder entlang der Außenfläche der
Faser vor. Als Ergebnis werden die Wärmebeständigkeit und die chemische
Beständigkeit,
die der Faser durch das Polyarylensulfid-Polymer (die Polyarylen sulfid-Polymere)
verliehen werden, nicht beeinträchtigt.
Zudem können
die Fasern trotz des reduzierten Gesamtvolumens an Polyarylensulfid-Polymer
eine minimale oder keine Abnahme der Wärmebeständigkeit und der chemischen
Beständigkeit
aufweisen. Selbst wenn von Polyarylensulfid verschiedene Polymere
nicht auf der Außenfläche der
Faser vorliegen, können
solche Polymere derselben dennoch vorteilhafte Eigenschaften verleihen.
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Z.
B. kann die zusätzliche
Polymer-Komponente der Faser gute mechanische Eigenschaften wie
Zugfestigkeit bei einem minimalen oder keinem Verlust an Wärmebeständigkeit
und chemischer Beständigkeit
verleihen. Obwohl wird uns nicht auf irgendeine Erklärung der
Erfindung festlegen wollen, wird doch angenommen, dass die zusätzliche
Polymer-Komponente als lasttragende Komponente wirken kann, da das
zusätzliche
Polymer nicht diskontinuierlich im gesamten Querschnitt der Faser
vorliegt, wie dies bei einem Blend der Fall wäre. Da die zusätzliche
Komponente nicht diskontinuierlich ist, kann die zusätzliche
Polymer-Komponente zur Faserfestigkeit beitragen.
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Die
zusätzliche
polymere Komponente kann auch die Flexibilität der Faser bei einem minimalen oder
keinem Verlust an Wärmebeständigkeit
und chemischer Beständigkeit
verbessern. Als Ergebnis können
die thermisch und chemisch widerstandsfähigen Fasern gehandhabt werden,
um nachgelagerte Produkte für
verschiedene Anwendungen zu bilden.
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Die
thermisch und chemisch widerstandsfähigen Fasern können mit
reduzierten Kosten hergestellt werden, Polyarylensulfid-Polymere
sind relativ kostspielige Polymere, verglichen mit vielen konventionellen
faserbildenden Polymeren wie PET. In den Fasern der Erfindung kann
die Menge an Polyarylensulfid-Polymer reduziert werden und durch
ein weniger teures Polymer bei einer minimalen oder keiner Beeinträchtigung
der erwünschten
Fasereigenschaften ersetzt werden, wodurch die Gesamtkosten der Fasern
reduziert werden. Die Kosten können
auch reduziert werden, weil Haftvermittler, wie gepfropfte Polymere,
Polymerblends, Haftvermittlungsschichten und dergleichen nicht notwendig
sind.
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Eine
beispielhafte Faserkonstruktion der Erfindung ist eine Hülle/Kern-Faser,
in der die Hülle eine
kontinuierliche Bedeckung, die eine innere Kernkomponente umgibt,
darstellt. In diesem Aspekt der Erfindung bildet die Hülle die
gesamte Außenfläche der
Faser und schließt
das Polyarylensulfid-Polymer ein. Die Kernkomponente wird aus dem
zusätzlichen
Polymer gebildet, das nicht auf der Faseroberfläche freigelegt ist und mit
der Hüllekomponente ohne
irgendwelche dazwischen geschalteten Schichten wie eine Haftvermittler-Schicht
in direktem Kontakt steht.
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Eine
andere beispielhafte Faser der Erfindung ist eine "Island-in-the-Sea"-Faserkonstruktion. Diese
Faserkonstruktion umfasst eine "Sea"-Komponente, die
die gesamte freiliegende Außenfläche der Faser
bildet, und mehrere "Island"-Komponenten, die darin verteilt sind,
aber nicht auf der Außenfläche der Faser.
Die "Sea"-Komponente besteht
aus dem Polyarylensulfid-Polymer, und die "Island"-Komponenten
bestehen aus dem zusätzlichen
Polymer.
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Die
Mehrkomponentenfasern der Erfindung werden unter Verwendung konventioneller
Mehrkomponenten-Textilfaserverfahren und -gerätschaften hergestellt. Im Allgemeinen
umfassen solche Verfahren die Schritte des separaten Extrudierens
wenigstens zweier unterschiedlicher Polymere, in diesem Fall Polyarylensulfid,
und wenigstens eines zusätzlichen
Polymers wie PET und des Eingebens der Polymere in ein Polymerverteilungssystem.
Die Polymere folgen separaten Wegen innerhalb des Verteilungssystems
und werden in einem Spinndüsenloch vereinigt.
Nach dem Verlassen der Spinndüse
werden die flüssigen
Faserstränge
mechanisch verfeinert. Die sich ergebenden Mehrkomponentenfasern oder
-filamente schließen
zwei oder mehr polymere Komponenten ein.
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Die
Erfinder haben gefunden, dass selbst bei inkompatiblen Polymeren
die Faser eine ausreichende Integrität für eine nachgeschaltete Verarbeitung beibehält. Somit
sind zusätzliche
Bindemittel, wie eine Klebstoff- oder Haftvermittlerschicht nicht
notwendig, damit die Komponenten aneinander haften. Selbst bei Polymer-Komponenten mit einer
geringen oder keinen Kompatibilität bleibt die Struktur der Fasern
intakt.
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Die
vorliegende Erfindung schließt
auch Produkte ein, die die hierin beschriebenen Fasern umfassen.
Die Fasern der Erfindung sind z. B. in Filtrationsmedien, insbesondere
Filtrationsmedien für strenge
Betriebsbedingungen, wie Hochtemperatur-Umgebungen und/oder chemisch
korrosive Umgebungen geeignet. Die Fasern der Erfindung sind zur
Herstellung von Schlauchfiltern zum Sammeln von heißem Staub,
wie demjenigen, der durch Verbrennungsöfen, kohlebefeuerte Heizkessel,
Metallschmelzeöfen
und dergleichen erzeugt wird, besonders geeignet.
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Kurzbeschreibung der verschiedenen Ansichten
der Zeichnungen
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Nachdem
die Erfindung somit in allgemeiner Form beschrieben worden ist,
wird nun auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen, die nicht notwendigerweise maßstabsgerecht
gezeichnet wurden und in denen
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1 querverlaufende
Querschnittsansicht einer beispielhaften Mehrkomponentenfaser der
Erfindung nämlich
einer Zweikomponentenfaser ist;
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2 eine
Querschnittsansicht einer anderen beispielhaften Mehrkomponentenfaser
der Erfindung nämlich
einer "Island-in-the-Sea"-Faser ist und
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3 eine
Querschnittsansicht einer anderen beispielhaften Mehrkomponentenfaser
der Erfindung nämlich
einer mehrlappigen Faser ist.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird nun nachstehend unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen ausführlicher
beschrieben, in denen einige, aber nicht alle Ausführungsformen
der Erfindung gezeigt sind. Tatsächlich
können
diese Erfindungen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert werden und
sollten nicht dergestalt angesehen werden, dass sie auf die hierin
beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sind;
vielmehr werden diese Ausführungsformen
bereitgestellt, damit diese Offenbarung anwendbaren gesetzlichen
Vorschriften genügt.
Gleiche Zahlen beziehen sich durchgängig auf gleiche Elemente.
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Der
hierin verwendete Ausdruck "Mehrkomponentenfasern" schließt Stapelfasern
und Endlosfasern (aus denen die Stapelfasern gebildet werden) ein,
die aus zwei oder mehr Polymeren hergestellt werden, welche in diskreten
strukturierten Domänen der
Faser vorliegen, im Gegensatz zu Elends, in denen die Domänen oft
verstreut, zufällig
oder unstrukturiert sind. Die zwei oder mehr strukturierten polymeren
Komponenten sind im Wesentlichen in konstant positionierten, ausgeprägten Zonen über den Querschnitt
der Mehrkomponentenfaser angeordnet und erstrecken sich kontinuierlich
entlang der Länge der
Mehrkomponentenfaser.
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Nur
zum Zwecke der Erläuterung
wird die vorliegende Erfindung im Allgemeinen in Form einer Zweikomponentenfaser,
die zwei Komponenten umfasst, beschrieben. Man sollte sich jedoch
darüber
im Klaren sein, dass der Umfang der Erfindung so aufzufassen ist,
dass er Fasern mit zwei oder mehr strukturierten Komponenten einschließt.
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1 ist
eine querverlaufende Querschnittsansicht einer beispielhaften Faser-Konfiguration, die in
der vorliegenden Erfindung brauchbar ist. 1 erläutert eine
Zweikomponentenfaser 10, die eine innere Kernpolymer-Domäne 12 und
eine umgebende Hüllenpolymer-Domäne 14 aufweist.
Die Hüllen-Komponente 14 besteht
aus einem Polyarylensulfid-Polymer. Die Kern-Komponente 12 kann
aus beliebigen Polymertypen, die in der Technik für die Faserproduktion
bekannt sind, bestehen, deren Polymer jedoch von dem Polyarylensulfid-Polymer
der Hülle 14 verschieden
ist. In der vorliegenden Erfindung ist die Hülle 14 kontinuierlich,
umgibt z. B. vollständig
den Kern 12 und bildet die gesamte Außenfläche der Faser 10.
Der Kern 12 kann konzentrisch sein, wie in der 1 dargestellt
ist. Alternativ dazu kann der Kern exzentrisch sein, wie nachstehend ausführlicher
beschrieben wird.
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Anders
strukturierte Faser-Konfigurationen, wie sie in der Technik bekannt
sind, können
auch verwendet werden, solange das Polyarylensulfid-Polymer die
gesamte freiliegende Außenfläche der
Faser bildet. Als ein Beispiel schließt eine andere geeignete Mehrkomponentenfaser-Konstruktion "Island-in-the-Sea"-Anordnungen ein. 2 erläutert eine
Querschnittsansicht einer solcher "Island-in-the-Sea"-Faser 20.
Im Allgemeinen schließen "Island-in-the-Sea"-Fasern eine "Sea"-Polymerkomponente 22 ein, die
von mehreren "Island"-Polymerkomponenten 24 umgeben
ist. Die Island-Komponenten können
im Wesentlichen gleichmäßig innerhalb
der Matrix der Sea-Komponente 22 angeordnet sein, wie in 2 dargestellt
ist. Alternativ dazu können
die Island-Komponenten innerhalb der Sea-Matrix zufällig verteilt sein.
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Die
Sea-Komponente 22 bildet die gesamte freiliegende Außenfläche der
Faser und besteht aus einem Polyarylensulfid-Polymer. Wie bei der Kern-Komponente 12 der
Hülle/Kern-Zweikomponentenfaser 10 können die
Island-Komponenten 24 aus beliebigen Polymertypen, die
in der Technik für die
Faserproduktion bekannt sind, bestehen, die aber von der Sea-Polymerkomponente
verschieden sind. Die Island-in-the-Sea-Faser
kann gegebenenfalls auch einen Kern 26 einschließen, der
wie veranschaulicht konzentrisch sein kann oder wie nachstehend
beschrieben exzentrisch sein kann. Falls vorliegend, besteht der
Kern 26 aus irgendeinem geeigneten faserbildenden Polymer.
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Die
Fasern der Erfindung schließen
auch mehrlappige Fasern ein, die drei oder mehr Arme oder Lappen
haben, welche sich von einem zentralen Teil derselben nach außen hin
erstrecken. 3 ist eine Querschnittsansicht
einer beispielhaften mehrlappigen Faser 30 der Erfindung.
Die Faser 30 umfasst einen zentralen Kern 32 und
Arme oder Lappen 34, die sich davon nach außen erstrecken.
Die Arme oder Lappen 34 bestehen aus einem Polyarylensulfid-Polymer,
und der zentrale Kern 32 besteht aus einem zusätzlichen
Polymer, das von dem Polyarylensulfid-Polymer verschieden ist. Obwohl der
Kern in 3 als ein zentral lokalisierter
Kern veranschaulicht ist, kann der Kern exzentrisch sein.
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Jede
dieser oder andere Mehrkomponentenfaser-Konstruktionen können verwendet
werden, solange die gesamte freiliegende Außenfläche der Faser aus dem Polyarylensulfid-Polymer
besteht. Es wird Bezug genommen auf
US-A-5,108,820 von
Kaneko et al.,
US-A-5,336,552 von
Strack et al.,
US-A-5,382,400 von
Pike et al.,
US-A-5,277,976 von Hogle
et al. und
US-A-5,057,368 und
US-A-5,069,970 von Largman et al.
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Der
Querschnitt der Faser ist vorzugsweise kreisförmig, da die Gerätschaften,
die typischerweise zur Herstellung synthetischer Fasern verwendet
werden, normalerweise Fasern mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt
produzieren. In Zweikomponentenfasern mit einem kreisförmigen Querschnitt
kann die Konfiguration der ersten Komponente und der zweiten Komponente
entweder konzentrisch oder azentrisch sein, wobei die letztere Konfiguration
zuweilen als "modifizierte
Seite-an-Seite"-
oder "exzentrische" Mehrkomponentenfaser
bekannt ist.
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Vorteilhafterweise
sind die Hülle/Kern-Fasern
der Erfindung konzentrische Fasern, und als solche sind sie im Allgemeinen
nicht von sich aus kräuselnde
Fasern oder nicht latent kräuselnde
Fasern. Die konzentrische Konfiguration ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Hüllen-Komponente
eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke
hat, so dass die Kern-Komponente ungefähr im Mittelpunkt der Faser liegt,
wie in 1 veranschaulicht ist. Dies steht im Widerspruch
zu einer exzentrischen Konfiguration, in der die Dicke der Hüllen-Komponente
variiert, und daher die Kern-Komponente nicht im Mittelpunkt der Faser
liegt. Konzentrische Hülle/Kern-Fasern
können als
Fasern definiert werden, in denen der Mittelpunkt der Kern-Komponente
um nicht mehr als 0 bis 20%, vorzugsweise nicht mehr als 0 bis 10%,
bezogen auf den Durchmesser der Hülle/Kern-Zweikomponentenfaser,
vom Mittelpunkt der Hüllen-Komponente
versetzt ist.
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Island-in-the-Sea-Fasern
und mehrlappige Fasern der Erfindung können auch eine konzentrische
Kern-Komponente einschließen,
die im Wesentlichen zentral innerhalb der Faserstruktur positioniert ist,
wie die Kerne 26 und 32, die in den 2 bzw. 3 veranschaulicht
sind. Alternativ dazu können die
zusätzlichen
polymeren Komponenten exzentrisch lokalisiert sein, so dass die
Dicke der umgebenden Polyarylensulfidpolymer-Komponente über den Querschnitt
der Faser variiert.
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Jede
der zusätzlichen
polymeren Komponenten kann einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt
haben, wie die Komponenten 12, 24 und 32,
die in den 1, 2 bzw. 3 veranschaulicht
sind. Alternativ dazu kann jede der zusätz lichen polymeren Komponenten
der Fasern der Erfindung einen nicht-kreisförmigen Querschnitt haben.
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Polyarylensulfid
umfasst lineare, verzweigte oder vernetzte Polymere, die Arylensulfid-Struktureinheiten
einschließen.
Polyarylensulfid-Polymere und deren Synthese sind in der Technik
bekannt, und solche Polymere sind im Handel erhältlich.
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Beispielhafte
Polyarylensulfide, die in der Erfindung brauchbar sind, umfassen
Polyarylenthioether, die die Repetiereinheit der Formel enthalten,
in der Ar1, Ar2,
Ar3 und Ar4 gleich
oder voneinander verschieden sind und Arylen-Struktureinheiten mit
6 bis 18 Kohlenstoffatomen sind; W, X, Y und Z gleich oder voneinander
verschieden sind und zweibindige Verknüpfungsgruppen sind, die aus
-SO2-, -S-, -SO-, -CO-, -O-, -COO-, oder
Alkylen- oder Alkylidengruppen mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen ausgewählt sind, und
wobei wenigstens eine der Verknüpfungsgruppen
-S- ist; und n, m, i, j, k, l, o und p unabhängig voneinander Null oder
1, 2, 3 oder 4 sind, mit der Maßgabe,
dass ihre Gesamtsumme nicht kleiner als 2 ist. Die Arylen-Struktureinheiten
Ar1, Ar2, Ar3 und Ar4 können selektiv
substituiert sein oder unsubstituiert sein. Vorteilhafte Arylen-Systeme sind Phenylen,
Biphenylen, Naphthylen, Anthracen und Phenanthren. Das Polyarylensulfid
umfasst typischerweise wenigstens 30 Mol-%, insbesondere wenigstens
50 Mol-% und typischer wenigstens 70 Mol-% Arylensulfid(-S-)-Struktureinheiten.
Vorzugsweise umfasst das Polyarylensulfid-Polymer wenigstens 85
Mol-% Sulfid-Verknüpfungen,
die direkt an zwei aromatische Ringe gebunden sind. Vorteilhafterweise
ist das Polyarylensulfid-Polymer Polyphenylensulfid (PPS), das hierin
so definiert ist, dass es die Phenylensulfid-Struktur-(C6H4-S)n-
(wobei n eine ganze Zahl von 1 oder mehr ist) als eine Komponente
desselben enthält.
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Wenigstens
eine andere der polymeren Komponenten umfasst ein in der Technik
bekanntes im Wesentlichen unlösliches,
faserbildendes, isotropes, halbkristallines Polyester- oder Polyolefin-Polymer.
Der hierin verwendete Ausdruck "isotrop, halbkristallin" bezieht sich auf
Polymere, die keine flüssig-kristallinen
Polymere sind, welche anisotrop sind.
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Zu
den isotropen, halbkristallinen Polyestern gehören solche, wie Polyethylenterephthalat,
Polybutylenterephthalat, Polycyclohexanterephthalat, aliphatische
Polyester wie Polymilchsäure
und Gemische derselben.
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Beispielhafte
Polyolefine umfassen ohne Einschränkung Polypropylen, Polyethylen
(Polyethylen niedriger Dichte, Polyethylen hoher Dichte, lineares
Polyethylen niedriger Dichte) und Polybuten sowie Co- und Terpolymere
und Gemische derselben.
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Obwohl
Gemische von isotropen, halbkristallinen Polymeren verwendet werden
können,
schließt die
wenigstens eine andere polymere Komponente kein Polyarylensulfid-Polymer
ein, wie es oben definiert ist. Dies kann die Herstellungskosten
und die Komplexität
reduzieren. Trotz des Fehlens eines Polymers, das mit dem Polyarylensulfid-Polymer
der äußeren polymeren
Komponente identisch ist oder demselben chemisch ähnlich ist,
wiesen die Fasern der Erfindung jedoch überraschenderweise eine ausreichende
Integrität
für eine
nachgeschaltete Verarbeitung auf.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung kann das faserbildende Polymer ein aliphatisches Polyester-Polymer
wie Polymilchsäure
(PLA) sein. Weitere Beispiele für
aliphatische Polyester, die in der vorliegenden Erfindung brauchbar
sein können,
umfassen ohne Einschränkung
das faserbildende Polymer, das wie folgt hergestellt wird: (1) aus
einer Kombination eines aliphatischen Glycols (z. B. Ethylenglycol,
Propylenglycol, Butylenglycol, Hexandiol, Octandiol oder Decandiol)
oder eines Oligomers von Ethylenglycol (z. B. Diethylenglycol oder
Triethylenglycol) mit einer aliphatischen Dicarbonsäure (z.
B. Bernsteinsäure, Adipinsäure, Hexandicarbonsäure oder
Decandicarbonsäure),
oder (2) durch die Selbstkondensation von Hydroxycarbonsäuren, die
von Polymilchsäure verschieden
sind, wie Polyhydroxybutyrat, Polyethylenadipat, Polybutylenadipat,
Polyhexanadipat und Copolymere, die dieselben enthalten. Aliphatische Polyester
sind in der Technik bekannt und kommerziell erhältlich.
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In
der Ausführungsform
der Erfindung ist die faserbildende Komponente der Fasern der Erfindung in
der Technik wohlbekannt und kommerziell erhältlich.
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Das
Gewichtsverhältnis
der entsprechenden polymeren Komponenten der Fasern der Erfindung ist
variabel. Z. B. kann das Gewichtsverhältnis der polymeren Komponenten
von 10:90 bis 90:10 reichen. Ein Vorteil der Fasern der Erfindung
besteht darin, dass deutlich reduzierte Mengen des Polyarylensulfid-Polymers
mit minimaler oder keiner negativen Auswirkung auf die erwünschten
Eigenschaften der Fasern, wie chemische Beständigkeit oder Wärmebeständigkeit,
verwendet werden können.
Diesbezüglich
liegt das faserbildende Polymer in so hohen Mengen wie 50 Gew.-%
vor; dennoch können
die Fasern trotz der deutlichen Reduktion des Gesamtvolumens des
Polyarylensulfid-Polymers geeignete chemische Eigenschaften und
Wärmebeständigkeitseigenschaften
aufweisen.
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Die
Fasern können
z. B. eine chemische Beständigkeit
aufweisen, die mit der chemischen Beständigkeit der gleichen Faser,
die mit 100% Polyarylensulfid-Polymer
hergestellt wurde, vergleichbar ist, und zwar selbst bei Fasern,
die das faserbildende Polymer in einer so hohen Menge wie 50 Gew.-%
einschließen.
Die Wärmebeständigkeit, über welche
die Fasern der Erfindung verfügen,
kann variieren, da die Menge an Polyarylensulfid-Polymer in einer
gegebenen Faserstruktur schwankt. Die Struktur der Fasern kann somit
dergestalt maßgeschneidert
werden, dass sie mehr oder weniger Polyarylensulfid-Polymer einschließen als
zum Bereitstellen der Wärmebeständigkeit
notwendig ist, die für
eine gegebene Endanwendung erforderlich ist.
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Die
Polymere können
gegebenenfalls andere Komponenten einschließen, die die erwünschten Eigenschaften
derselben nicht beeinträchtigen.
Beispielhafte Materialien, die als zusätzliche Komponenten verwendet
werden könnten,
schließen
unter anderem antimikrobielle Mittel, Pigmente, Antioxidationsmittel,
Stabilisatoren, Tenside, Wachse, Fließverbesserer, feste Lösungsmittel,
Partikel und andere Materialien ein, die zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit
der ersten und zweiten Komponenten zugegeben werden. Diese und andere
Additive können in
herkömmlichen
Mengen verwendet werden.
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Verfahren
zur Herstellung von Mehrkomponentenfasern sind wohlbekannt und brauchen
hierin nicht im Detail beschrieben werden. Im Allgemeinen werden
die Mehrkomponentenfasern der Erfindung unter Verwendung konventioneller
Spinnverfahren und Gerätschaften
für Mehrkomponenten-Textilfasern
und unter Verwendung mechanischer Strecktechniken – wie in
der Technik bekannt ist – hergestellt.
Die Verarbeitungsbedingungen für
die Schmelzextrusion und die Faserbildung von Polyarylensulfid-Polymeren
sind in der Technik wohlbekannt und können in dieser Erfindung verwendet
werden. Die Verarbeitungsbedingungen für die Schmelzextrusion und
die Faserbildung von anderen faserbildenden Polymeren, die als zusätzliche
polymere Komponente der Fasern brauchbar sind, sind in der Technik auch
bekannt und können
in dieser Erfindung verwendet werden.
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Zur
Bildung der in der Erfindung verwendeten Mehrkomponentenfaser werden
wenigstens zwei Polymere, nämlich
ein Polyarylensulfid-Polymer und wenigstens ein zusätzliches
faserbildendes Polymer, separat in der Schmelze extrudiert und in
ein Polymerverteilungssystem gegeben, in welchem die Polymere in
eine Spinndüsenplatte
eingeführt
werden. Die Polymere folgen separaten Wegen zur Faser-Spinndüse und werden
in einem Spinndüsenloch vereinigt.
Die Spinndüse
ist so konfiguriert, dass das Extrudat die erwünschte Form hat.
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Nach
der Extrusion durch die Düse
verbleiben die sich ergebenden dünnen
fluiden Stränge oder
Filamente im geschmolzenen Zustand, bevor sie durch Kühlen in
einem umgebenden fluiden Medium, welches gekühlte Luft sein kann, die durch
die Stränge
geblasen wird, oder Eintauchen in ein Bad einer Flüssigkeit
wie Wasser verfestigt werden. Sobald sie verfestigt sind, werden
die Filamente auf einer Galette oder einer anderen Aufnahmefläche aufgenommen.
In einem Endlosfaser-Verfahren
werden die Stränge
auf einer Galette aufgenommen, welche die dünnen fluiden Ströme im Verhältnis zur
Geschwindigkeit der Aufnahme-Galette herunterzieht. Im Düsenverfahren
werden die Stränge
in einem Strahl, wie z. B. einer Luftdruckpistole, gesammelt und
auf eine Aufnahmefläche
wie eine Walze oder ein sich bewegendes Band geblasen, um eine Spinnfließmatte zu
bilden. Im Schmelzblas-Verfahren wird an der Oberfläche der
Spinndüse
Luft ausgestoßen, die
dazu dient, die dünnen
fluiden Ströme
gleichzeitig herunterzuziehen und zu kühlen, wenn sie auf einer Aufnahmefläche im Kühlluftweg
abgeschieden werden, wodurch eine Faserbahn gebildet wird.
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Unabhängig vom
Typ der verwendeten Schmelzspinn-Arbeitsweise werden die dünnen fluiden
Ströme
im geschmolzenen Zustand in der Schmelze heruntergezogen, d. h.
bevor die Verfestigung erfolgt, um die Polymermoleküle zu orientieren, damit
sie eine gute Zähigkeit
erhalten. Typische in der Technik bekannte Verhältnisse des Herunterziehens
der Schmelze können
verwendet werden. Wenn ein Endlosfaser- oder Stapel-Verfahren verwendet
wird, kann es wünschenswert
sein, die Stränge
mit einer konventionellen Streckgerätschaft, wie z. B. aufeinander
folgenden Galetten, die bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten
arbeiten, im festen Zustand zu ziehen.
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Nach
dem Ziehen im festen Zustand können die
Endlosfasern gekräuselt
oder texturiert und zu einer erwünschten
Faserlänge
geschnitten werden, wodurch die Stapelfaser der Erfindung produziert wird.
Die Länge
der Stapelfasern reicht von 25 bis 50 mm, obwohl die Fasern je nach
Wunsch länger
oder kürzer
sein können.
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Die
Fasern der Erfindung sind Stapelfasern. Im Allgemeinen können gemäß der vorliegenden
Erfindung gebildete Stapelfasern einen Feinheitsgrad von 0,5 bis
100 Denier haben. Durch Schmelzblasen geformte Filamente können einen
Feinheitsgrad von 0,001 bis 10,0 Denier haben. Die Fasern können auch
Monofilamente sein, die einen Feinheitsgrad im Bereich von 20 bis
10 000 Denier haben.
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Die
Fasern der Erfindung sind zur Herstellung einer großen Vielfalt
von Produkten brauchbar, einschließlich unter anderem nichtgewebter
Strukturen, wie unter anderem Krempelvlies, Vlies auf nassem Wege,
Vlies auf trockenem Wege, Spinnvlies, schmelzgeblasene Vliese und
dergleichen. Die Fasern der Erfindung können auch zur Herstellung anderer
Textilstrukturen verwendet werden, wie unter anderem Web- und Wirkwaren.
Fasern, die von den Fasern der Erfindung verschieden sind, können in daraus
hergestellten Artikeln vorliegen, einschließlich irgendeiner der verschiedenen
synthetischen und/oder natürlichen
Fasern, die in der Technik bekannt sind. Zu den beispielhaften synthetischen
Fasern gehören
Polyolefin-, Polyester-, Polyamid-, Acryl-, Rayon-, Celluloseacetat-,
thermoplastische Mehrkomponenten-Fasern (wie konventionelle Hülle/Kern-Fasern, z. B. Polyethylenhülle/Polyesterkern-Fasern)
und dergleichen und Gemische derselben. Zu den beispielhaften natürlichen
Fasern gehören
Wolle-, Baumwolle-, Holzstoff-Fasern und dergleichen und Gemische
derselben.
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In
einem besonders vorteilhaften Aspekt der Erfindung werden die Fasern
zur Herstellung von Filtrationsmedien verwendet. In dieser Ausführungsform
können
die Fasern der Erfindung eine gute Wärmebeständigkeit und chemische Beständigkeit
aufweisen. Die Fasern können
auch eine gute Flexibilität und
Zugfestigkeit aufweisen und zur Herstellung von Produkten gehandhabt
werden, die in korrosiven Umgebungen und/oder Hochtemperatur-Umgebungen
verwendet werden sollen. Z. B. können
die Fasern der Erfindung leicht zur Herstellung von Produkten verarbeitet
werden, die als Filtrationsmedien verwendet werden sollen, wie Schlauchfilter
(oder Gewebefilter) zum Sammeln von heißem Staub, der von Verbrennungsöfen, kohlebefeuerten
Heizkesseln, Metallschmelzöfen
und dergleichen erzeugt wird. Eine andere Anwendung der Fasern der
Erfindung besteht in der Herstellung einer Isolierung für Heißöl-Transformatoren.
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Die
vorliegende Erfindung wird durch die folgenden nichteinschränkenden
Beispiele weiterhin erläutert.
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Beispiel 1: 100% PPS-Faser (nicht gemäß der Erfindung)
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Kristallisiertes
Fortron 0309 PPS von Ticona wurde in zwei Trocknungstrichter gegeben
und 8 Stunden lang bei 137,8°C
(280°F)
getrocknet. Das getrocknete Polymer wurde aus den Trichtern in zwei Extruder
gegeben, die bei Temperaturen von 280°C am Einlass bis 305°C am Auslass
betrieben werden. Das Polymer wurde in zwei Zahnradpumpen extrudiert,
die die Polymerströme
in eine Zweikomponenten-Spinnpackung leiteten, die so konstruiert
ist, dass Fasern mit einer Hülle/Kern-Anordnung – mit Polymer
von einem Extruder in der Hülle
jeder Faser und Polymer von dem anderen Extruder in jedem Kern der
Faser – gebildet
werden. Die Fasern wurden in einem Luftstrom von 12,5°C verfestigt
und durch ein Galettenpaar, das mit 992 m/min umläuft, mechanisch
verfeinert und auf einer Spule mit 1000 m/min aufgewickelt. Diese
Fasern wurden weiterhin auf nicht erhitzten Walzen durch ein Wasserbad
von 73,9°C
(165°F)
mit einem Gesamtstreckverhältnis von
2,65:1 mechanisch gestreckt. Diese Fasern wurden zur Verwendung
in Gewebefiltern als geeignet beurteilt, die Kosten waren aber unerschwinglich.
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Beispiel 2: 40% PPS/60% PET-Hülle/Kern-Faser
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Kristallisiertes
Fortron 0309 PPS von Ticona und 0,55 i. v. PET von NanYa Plastics
wurden separat in zwei Trocknungstrichter gegeben und 8 Stunden
lang bei 137,8°C
(280°F)
getrocknet. Die getrockneten Polymere wurden separat aus den Trichtern
in zwei Extruder gegeben, die bei Temperaturen von 280°C am Einlass
bis 295°C
am Auslass betrieben werden. Das Polymer wurde in zwei Zahnradpumpen
extrudiert, die die Polymerströme
in eine Zweikomponenten-Spinnpackung
leiteten, die so konstruiert ist, dass Fasern mit einer Hülle/Kern-Anordnung – mit dem
PPS in der Hülle
jeder Faser und dem PET in jedem Kern der Faser – gebildet werden. Die Fasern
wurden in einem Luftstrom von 15°C
verfestigt und durch ein Galettenpaar, das mit 842 m/min umläuft, mechanisch
verfeinert und auf einer Spule mit 865 m/min aufgewickelt. Diese
Fasern wurden weiterhin auf nicht erhitzten Walzen durch ein Wasserbad
von 73,9°C
(165°F)
mit einem Gesamtstreckverhältnis
von 2,72:1 mechanisch gestreckt. Diese Fasern wurden zur Verwendung
in Gewebefiltern als geeignet beurteilt, und wegen der reduzierten
Kosten der PET-Komponente, verglichen mit dem Kosten von PPS, wurden
die Fasern für
eine Kommerzialisierung akzeptiert.