DE102008008944B4 - Verfahren zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern Download PDFInfo
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Abstract
Bei dem Verfahren zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche, bei dem die Fasern aus dem Grundmaterial Polyurethan durch Extrudieren erzeugt werden, sind folgende Merkmale vorhanden: Das Grundmaterial besitzt vor der Extrusion eine Restfeuchte unterhalb 0,02%. Temperatur und Massedruck der Extrusion werden an mindestens drei Positionen entlang des Extrusionszylinders eingestellt. Die entlang des Extrusionszylinders eingestellten Temperaturen liegen im Bereich zwischen der Glasübergangstemperatur und dem Schmelzpunkt des Extrusionsmaterials, wobei der höchste Wert der Temperatur im Eingangsbereich der Extruderschnecke eingestellt wird. Die Massetemperatur des Extrusionsmaterials liegt im Bereich seiner Schmelztemperatur, jedoch nicht mehr als 40 K von dieser abweichend. Die Fasern werden nach der Extrusion in mehreren Kühlzonen abgekühlt und gereckt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern.
- Polyurethanfasern dieser Art werden auch als Seitenlichtfasern bezeichnet.
- Bekannt ist es, Polymerfasern zur Lichtübertragung durch Extrudierung herzustellen. Jedoch zeichnen sich solche Polymerfasern durch eine Durchleitung des Lichtes durch den Faserkorpus aus, ohne dass eine Abstrahlung von Licht über wesentliche Teile der Oberfläche erfolgt.
- Gerade die Eigenschaft der sogenannten Seitenlichtabstrahlung ist aber für unterschiedliche Anwendungen der Beleuchtungstechnik gewünscht und gefordert:
Neben der Werbebranche (Firmenlogos und Werbeslogans aus Seitenlichtfasern), der Haustechnik (Sicherheitsbeleuchtung für Treppenstufen, Handläufe, Fußbodenleisten, Wand- und Bodenfliesen, Türschilder u. a.), der „Aquatechnik” (Schwimmbäder, Springbrunnen, Aquarien) und der Leuchtenherstellung (Designerleuchten) bietet auch der Automotivbereich ein Anwendungsgebiet der Seitenlichtfasern: Die Innenraumbeleuchtung kann energieeffizienter und kostengünstiger gestaltet werden – sicherheitstechnische Anwendungen sind ebenfalls außerordentlich relevant. - Analog zur Automotivanwendung können auch Anwendungen im Flugzeug-, Schiffs- und Schienenfahrzeugbau (Innenausstattungen) genannt werden.
- Gegenüber konventionellen Leuchtmitteln haben Seitenlichtfasern diverse Vorteile des geringen Gewichts, hervorragender Handhabbarkeit und Flexibilität sowie sehr niedrigen Stromverbrauches bei hoher Koppeleffizienz.
- Bekannte Verfahren zur Herstellung von Seitenlichtfasern beruhen auf dem Prinzip des Ziehturms oder in der Herstellung durch spezielle Gießverfahren.
- Lösungsvorschläge zur Anwendung des Ziehturms sind enthalten in der Sammel-Veröffentlichung ”Aktuelle Ergebnisse aus dem hochschulübergreifenden Forschungsnetzwerk MPOF-Hessen” in: Dipl.-Ing. (FH) T. Göbel, Prof. Dr.-Ing. M. Loch, P. Jaeger, Fachhochschule Darmstadt, Fachbereich Elektrotechnik/Telekommunikation; Prof. Dr.-Ing. K.-F. Klein, Dipl.-Ing. (FH) H. Eckhardt, Dipl.-Ing. (FH) C. Vincze, Fachhochschule Gießen-Friedberg; Prof. Dr.-Ing. K.-H. Witte, A. Unger, Fachhochschule Wiesbaden: Mikrostrukturierte optische Polymerfasern, S. 59, veröffentlicht unter www.vmk-verlag.de/data/6_2.pdf.
- Weitere Hinweise zur Ziehturmtechnologie sind enthalten in den Veröffentlichungen ”Uni Stuttgart erhält 1,8 Millionen Euro für Faserproduktion in der Lasertechnik” unter www.prophysik.de/phy/print.do?laid=7546 sowie ”Inbetriebnahme eines Ziehturms für Polymerfasern”, Diplomarbeit am Institut für Hochfrequenztechnik der TU Braunschweig, Betreuer: Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Reinhard Caspary, unter www.terahertzconsulting.de/Diplomarbeiten/FH.html.
- Das Prinzip des Ziehturms besteht darin, dass das Ausgangsmaterial, z. B. PMMA, bis in die Nähe der Schmelztemperatur erwärmt und dann durch spezielle Düsen gezogen wird. Der große Nachteil besteht darin, dass die entstehende Faser bereits beim Ziehprozess einem nicht unerheblichen Stress ausgesetzt wird, der ihre physikalischen Eigenschaften, wie z. B. Bruch- und Biegeverhalten sowie Elastizität stark negativ beeinflusst.
- Beim Gießverfahren wird das flüssige Ausgangsmaterial, z. B. PMMA, in einen Schlauch gegossen. In diesem Schlauch härtet das Material anschließend aus. Aufgrund der Wechselwirkung des Materials mit der Innenwand des Schlauches während des Gießprozesses einerseits und dem schnellen Aushärten andererseits ist die Herstellung sehr dünner Fasern nicht möglich.
- Gießverfahren für Polymerfasern sind außerordentlich aufwendig. Daher sind die Herstellungskosten dieser Fasern, insbesondere im Bereich dünner Fasern, sehr hoch und unwirtschaftlich.
- Dieser Umstand führt dazu, dass derartig hergestellte dünne Fasern bisher nur sehr selten eingesetzt werden. Auch zeichnet sich das bei den erwähnten Verfahren des Standes der Technik eingesetzte Material PMMA durch eine hohe Steifigkeit aus.
- Dies führt dazu, dass potentielle Anwender auf die zwar durch Bruch ebenfalls anfällige, aber billigere Glasfasertechnologie zurückgreifen. Der Einsatzbereich polymerer Seitenlichtfasern schränkt sich dadurch drastisch ein.
- Einen Vorschlag zur Herstellung eines Lichtleiters, der eine Streuung des Lichtes aus seiner Oberfläche heraus aufweist und der aus flexibler Polyurethanfaser besteht, enthält die Druckschrift
WO 2006/063414 A1 - In dieser Druckschrift
WO 2006/063414 A1 - Der Einfluss von Extrusionsbedingungen auf die Eigenschaften der Polyurethanfaser wird in der Druckschrift durch den zweimaligen Hinweis auf eine zu langsame [too slow] oder zu schnelle [too quick] Extrusion, verglichen mit herkömmlichen Extrusionsparametern (S. 6, Z. 2–3 und Z. 20–21 der Druckschrift), erläutert.
- Diese Hinweise beschränken sich jedoch faktisch ausschließlich auf die Extrusionsgeschwindigkeit als Einflussparameter. Eine ungezielte Variation der Extrusionsgeschwindigkeit als Versuch, ein Maximum an Oberflächenlichtabstrahlung der Polyurethanfaser zu erreichen, ermöglicht aber nicht die Herstellung von Polyurethanfasern zur möglichst gleichmäßigen intensiven Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern mit geringem Durchmesser bei geringem Aufwand und mit einem breiten Anwendungsbereich.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern mit geringem Aufwand und breitem Anwendungsbereich preiswert gefertigt werden können.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche 2 bis 7 enthalten dabei besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
- Es zeigt sich, dass die mit dem der Erfindung zugrunde liegendem Verfahren produzierten dünnen Seitenlichtfasern bedeutende Vorteile gegenüber bekannten lichtleitenden Polymerfasern besitzen:
Sie zeichnen sich durch eine gleichmäßige Lichtabstrahlung bei einer bestimmten Wellenlänge über dem gesamten Bereich des sichtbaren Lichtes aus. - Der Wert der optischen Dämpfung der erfindungsgemäß hergestellten dünnen Seitenlichtfasern liegt wellenlängenabhängig in einem Bereich unterhalb von 20 dB/m.
- Die erfindungsgemäß hergestellten Fasern benötigen wegen der geringen Dämpfung und der hohen Abstrahlungseffizienz nur geringe Leistungseinspeisungen an Licht – damit ermöglichen die Erfindungen einen nicht unerheblichen Beitrag zur Energieeinsparung und tragen damit zur Senkung des CO2-Haushaltes der Erde bei.
- Die erfindungsgemäß hergestellten Seitenlichtfasern zeichnen sich durch eine konstante Dicke im Bereich unterhalb von 4 mm aus.
- Die Fasern sind in beliebiger Länge herstellbar. Die thermische Längenänderung ist im breiten Temperaturbereich von etwa –20°C bis etwa 80°C nahezu konstant.
- Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Extrusionsverfahrens besteht in seiner Komplexität, d. h. in der Möglichkeit, eine Vielzahl von Parametern zu variieren und damit eine gezielte Einstellung von gewünschten physikalischen, z. B. optischen, Eigenschaften durch Definition der Parametermatrix zu erreichen.
- Die genannten Einzelvorteile führen zu einem sehr breiten Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Fasern – dies wird unterstützt durch die erfindungsgemäß preiswerte Herstellung.
- Die Erfindungen sollen nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden:
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dabei mit Hilfe einer Extrusions-Vorrichtung zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern realisiert. - Die zugehörigen Zeichnungen zeigen dabei in
-
1 : das Blockschema eines Extruders, der Anwendung findet bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern und -
2 : das Blockschema der Extrusions-Vorrichtung zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern. - Gem.
1 weist der Extruder20 die Baugruppen Antrieb21 , Trichter22 , Zylinderzone23 , Zylinderzone24 , Zylinderzone25 , Zylinderzone26 , Zylinderzone27 , Flansch28 und Werkzeug29 auf. - Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern benutzte Vorrichtung weist im Ausführungsbeispiel gem.
2 die Bestandteile Trockner10 , Extruder20 , Kühlzone30 , Kühlzone40 sowie Reckeinrichtung50 auf. - Im Ausführungsbeispiel wurde als Ausgangsmaterial thermoplastisches Polyurethan gewählt, das auf eine Restfeuchte unterhalb 0,02% getrocknet wurde. Bei Erreichen der genannten Restfeuchte wurde das genannte Ausgangsmaterial über einen zur Abschottung neuerlich befeuchtender Umgebungsluft luftdicht verschlossenen Trichter
22 der Verfahrenseinheit des Extruders20 zugeführt. Dieser wird in seiner Längsrichtung zur Extrusion genutzt und weist beispielsweise eine Länge von 1500 mm auf, wobei ein Längen-Durchmesser-Verhältnis der Extruderschnecke von 25 eingehalten wurde. - In Extrusionsrichtung – d. h. im vorliegenden Fall des Extruders in Längsrichtung – wird die Verfahrenseinheit des Extruders
20 , die in 5 Zylinderzonen23 bis27 unterteilt ist, derart aufgeheizt, dass die genannten 5 Zylinderzonen23 bis27 , der Flansch28 sowie das Werkzeug29 eine definierte, jeweils konstante Temperatur aufweisen. Folgende Temperaturen werden eingestellt:Zylinderzone 23 195°C Zylinderzone 24 195°C Zylinderzone 25 190°C Zylinderzone 26 185°C Zylinderzone 27 180°C Flansch 28 180°C Werkzeug 29 180°C - Nach Erreichen der eingestellten, konstanten Temperaturen wird der Antrieb
21 der Extruderschnecke auf eine konstante Drehzahl von 60 U/min eingestellt. - Nach Erreichen einer konstanten Massetemperatur des Extrusionsmaterials thermoplastisches Polyurethan von 190°C wird das am Werkzeug
29 austretende Material in einem ersten Schritt in einer Kühlzone30 über eine Strecke von 300 mm auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des Extrusionsmaterials mittels Luft abgekühlt. - In einem zweiten Schritt wird das Material in einer zweiten Kühlzone
40 , ausgeführt als Wasserbad, bei einer Temperatur des Wasserbades von 20°C über eine Länge von 2000 mm bis unterhalb der Glasübergangstemperatur abgekühlt. - Während des ersten Kühlschrittes erfolgt eine Reckung des Extrusionsmaterials auf den gewünschten Durchmesser von 3 mm durch eine Reckeinrichtung
50 . - Damit werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern besonders dünne lichtleitende Polymerfasern herstellbar, die wegen der erfindungsgemäß besonderen Verfahrensweise die gewünschte Abstrahlungseigenschaft des zu leitenden Lichtes überwiegend über die Oberfläche besitzen.
- Bezugszeichen zur Patentanmeldung
- „Verfahren zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern”
- Bezugszeichenliste
-
- 10
- Trockner
- 20
- Extruder
- 30
- Kühlzone
- 40
- Kühlzone
- 50
- Reckeinrichtung
- 21
- Antrieb
- 22
- Trichter
- 23
- Zylinderzone
- 24
- Zylinderzone
- 25
- Zylinderzone
- 26
- Zylinderzone
- 27
- Zylinderzone
- 28
- Flansch
- 29
- Werkzeug
Claims (7)
- Verfahren zur Herstellung von Polyurethanfasern zur Abstrahlung von Licht über die Oberfläche der Fasern, bei dem die Fasern aus dem Grundmaterial Polyurethan durch Extrudieren erzeugt werden, wobei das Grundmaterial vor der Extrusion eine Restfeuchte unterhalb 0,02% besitzt, Temperatur und Massedruck der Extrusion an mindestens drei Positionen entlang des Extrusionszylinders (
23 bis27 ) eingestellt werden, wobei die entlang des Extrusionszylinders eingestellten Temperaturen im Bereich zwischen der Glasübergangstemperatur und dem Schmelzpunkt des Extrusionsmaterials liegen und der höchste Wert der Temperatur im Eingangsbereich der Extruderschnecke eingestellt wird, bei dem die Massetemperatur des Extrusionsmaterials im Bereich seiner Schmelztemperatur liegt, jedoch nicht mehr als 40 K von dieser abweicht und die extrudierten Fasern nach der Extrusion in mehreren Kühlzonen (30 ;40 ) abgekühlt und einem Reckvorgang unterworfen werden. - Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Abkühlung der extrudierten Fasern in der ersten Kühlzone (
30 ) bei einer Kühlmedientemperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur erfolgt, wobei die extrudierte Faser bei einer Eintrittstemperatur in diese erste Kühlzone (30 ) von höchstens 40 K unterhalb der Schmelztemperatur selbst nicht unter die Glasübergangstemperatur abgekühlt wird. - Verfahren, gemäß Anspruch 1, bei dem die Abkühlung der extrudierten Faser in einer zweiten Kühlzone (
40 ) in einem zweiten Medium bei einer Kühlmedientemperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur erfolgt, wobei die extrudierte Faser bis unterhalb der Glasübergangstemperatur abgekühlt wird. - Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Einstellung der Dicke der extrudierten Faser durch eine Reckung der Faser im Verlauf des ersten Abkühlungsschrittes bei einer Temperatur der Faser oberhalb der Glasübergangstemperatur erfolgt.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die optischen Eigenschaften der Faser durch den spezifischen Masseausstoß des Extruders bestimmt werden.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem optische Eigenschaften der Fasern durch unterschiedliche Zylinderzonentemperaturen eingestellt werden.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem optische Eigenschaften der Faser durch den Reckvorgang eingestellt werden.
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