DE1934541A1

DE1934541A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Stapelfasern aus thermoplastischen Kunststoffen

Info

Publication number: DE1934541A1
Application number: DE19691934541
Authority: DE
Inventors: Stockburger Dr Dipl-Ing Dieter; Urban Dr Friedrich; Gehrig Dr Dipl-Ing Heinz; Pfannmueller Dr Helmut; Zizlsperger Dr Johann; Sinn Prof Dr Richard
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1969-07-08
Filing date: 1969-07-08
Publication date: 1971-01-14
Also published as: FR2054358A5; BE753167A

Description

Badiaehe Anilin- & Soda-Fabrik AG

Unsere Zeichen: O.Z. 26 224 Ms/Fe 6200 Ludwigshaifeii» 7»7«1969

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Stapelfasern aus thermoplastischen Kunststoffen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Stapelfasern aus thermoplastischen Kunststoffen, wobei die strangförmig kontinuierlich extrudierte Schmelze mit gasförmigen, dampfförmigen od er flüssigen Hilfsmedien unter Einwirkung von Schubspannungen zerfasert wird. Verfahren dieser Art sind in einer Reihe von Varianten bekannt. Da als Hilfsmedium meist Luft benutzt wird, sind diese Verfahren als aerodynamische Spinnverfahren bekannt. Sie unterteilen sich in zwei Untergruppen, und zwar einerseits Verfahren zur Herstellung von Fäden oder monofilen Endlosgarnen, die praktisch konstante Durchmesser haben, da aus einem Strang auch nur ein Faden entsteht, und andererseits Verfahren zur Herstellung von Stapelfasern, die in ihren Durchmessern und Längen ein Spektrum aufweisen. Bei den bekannten Verfahren werden durchweg Schmelzenstränge unmittelbar nach dem Verlassen der Kanäle einer Spinndüse durch das Hilfsmedium (bzw. durch Fliehkräfte bei den Schleuderverfahren) zu Fasern gezogen, wobei aus einem Strang jeweils eine Faser entsteht.

Bei den bekannten aerodynamischen Spinnverfahren wird der Kunststoff entweder in einem Schnecken-Extruder oder in einem druckbeaufschlagten Schmelzgefäß aufgeschmolzen und durch beheizte Rohrleitungen zur Stelle der Zerfaserung gefördert.

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Dahinter werden die Fasern entweder in einem Behälter oder auf einem Band aufgefangen. In beiden Fällen kann zur Kühlung der Fasern Luft ein- bzw. aufgeblasen oder Wasser ein- bzw. aufgespritzt werden.

Die bekannten Verfahren sind nicht frei von Nachteilen: Sei es, daß neben den Fasern pulverförmige Teilchen entstehen; sei es,-daß sich ein Teil der Fasern verklumpt; sei es, daß der spezifische Gas- oder Energieverbrauch unwirtschaftlich hoch ist; sei es, daß die erreichten Verstreckungsgrade und Reißdehnungen unzulänglich sind, oder sei es, daß die Verfahren zur Herstellung großer Mengen wenig geeignet sind.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs definierten Art zu entwickeln, das mit den vorerwähnten Rachteilen nicht oder in erheblich geringerem Umfang belastet ist. Es wurde gefunden, daß diese Aufgabe gelöst werden kann, indem man

1.) den strangförmigen geschmolzenen Kunststoff vor dem Austragen aus der Düsenmündung in der Fließrichtung des Kunststoffs bis zu einem Orientierungsgrad von wenigstens 25, vorzugsweise von wenigstens 50 $ vororientiert, indem man

(ä) den Strang auf eine Temperatur bringt, bei der der Kunststoff eine Viskosität TJ, von 10 bis 10 cP, vorzugs-

x 5
weise von 10 bis 10 cP hat,

(b) dem Strang einen Querschnitt gibt, der einen hydraulischen Radius r von 0,05 mm bis 1 mm, vorzugsweise von 0,1 bis 0,5 mm hat,

(ö) auf die Oberfläche des Stranges unter den Bedingungen gemäß (a) und (b) in der Fließrichtung des Stranges eine

Λ "" Q p

Schubspannung % von 10 bis 10 kp/m , vorzugsweise von.

ς- Q ρ

10⁵ bis 10 kp/m entsprechend einer Schergeschwindigkeit ΛΓ von 10 bis 10 see" , vorzugsweise von 10 bis 10 see" einwirken läßt und'

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—3 (d) den Strang über eine Zeitspanne t von 10 bis 1 see,

—2 —1
vorzugsweise von 10 bis 10 see entsprechend einer Orientierungslänge 1 von 1 bis 100 mm, vorzugsweise von 2 bis 30 mm den Bedingungen gemäß (a), (b)"und (c) aussetzt

mit der Maßgabe, daß zwischen den Bedingungen gemäß (a) bis

(d) die folgenden Zusammenhänge bestehen:

T.t.r/l = 10° bis 10⁵ kp . sec/m², vorzugsweise 10¹ bis kp.sec/m und

^.l.r = 10 bis 10 m.kp, vorzugsweise 10 bis 10 rn.kp, und daß man die vororientierten Schnielzenstränge mit einem Hauptstrom eines gasförmigen, dampfförmigen oder flüssigen Hilfsmediums vorzugsweise außerhalb der Düse, nachdem die Stränge oder der Schlauch bereits durch angesaugtes oder zwangsweise zugeführtes Hilfsgas zum Teil abgekühlt sind, in einem Abstand von 5 bis 100" mm von der Düsenmündung durch Zerteilung vorwiegend parallel zur Fließrichtung zerfasert, indem der Hauptstrom des Hilfsmediums unter einem Winkel Q\ von 5 bis 85°, vorzugsweise von 10 bis 45°, mit einer Geschwindigkeit von 50 bis 700 m/sec, vorzugsweise von 100 bis 400 m/sec, und einer Temperatur von 0 bis 700°C, vorzugsweise von 20 bis 200⁰C auf die Schmelzenstränge einwirkt.

Die wesentlichsten Einflußparameter sind wie folgt definiert: Hydraulischer Radius = Verhältnis von Fläche zu Umfang des

Strömungsquerschnitts der Schmelze

Sch^-ergeschwindigkeit T= 4.,'QVTTr = 4.Cg₀, /r (^nactl Hagen-Poiseu Ie) mit Q = Durchsatz und Cg₀J_1n. = mittlere Schmelzenges chw.ind igke i t.

Schubspannung tT = T^ · X = p.r/2.1 mit ρ = Förderdruck der Schmelze bzw. f = ¹^·X =4. Ή -

Das Hilfsmedium der Zerfaserung kann nun entweder wie bei den bekannten Verfahren unmittelbar an der Mündung der Düse zur Wirkung gebracht werden oder vorzugsweise in einem bestimmten

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Abstand außerhalb der Düse. Diese besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schubspannung längs ihrer Wirkstrecke in ihrer Größe veränderlich ist, und zwar derart, daß sie in Fließrichtung der Schmelze zunimmt und mit ihrem Maximum erst außerhalb der Düse in einem Abstand von 5 bis 100, vorzugsweise von 10 bis 30 mm auf den bereits zum Teil abgekühlten Schmelzenstrang einwirkt. '

Die verschiedenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zunächst durch die Methode zur Erzielung der " Vororientierung gekennzeichnet. Die erste Methode, die Schub

spannung t· gemäß (c) zu erzeugen, besteht darin, die gemäß (a) vorbereitete Schmelze mit einem Druck von 2 bis 300 atü, vorzugsweise von 5 bis 100 atü durch einen odei mehrere Kanäle zu fördern, die die Bedingung (b) erfüllen und vollständig von der Schmelze ausgefüllt werden. Die vororientierte Schmelze wird dann nach ihrem Austritt aus den Kanälen mit Gasstrahlen zu Pasern.zerblasen.

Eine weitere Methode, die Schubspannungen T gemäß (c) zu erzeugen, besteht darin, die Schmelze flächig auszubreiten und durch Vorbeistreichen eines Hiltfsmediums auf einer Seite der flächig ausgebreiteten Schmelze zu fördern, wobei die Geschwindigkeit des Hilfsmediums 5 bis 500 m/sec, vorzugsweise 10 bis 300 m/sec beträgt und der filmförmige Strang die Bedingungen (b) zu erfüllen hat. Der Film wird dann mit demselben oder auch einem zusätzlichenHilfsstrom verfasert.

Schließlich können die Schubspannungen T gemäß (c) auch dadurch erzeugt werden, daß die gemäß (a) vorbereitete Schmelze mit einem Druck von 2 bis 300 atü, vorzugsweise von 5 bis 100 atü durch einen oder mehrere Kanäle gefördert wird, die die Bedingung (b) erfüllen und vollständig von der Schmelze ausgefüllt werden und daß anschließend die aus den Kanälen austretenden, annähernd flächig ausgebreiteten Schmelzstränge ge-

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fördert werden durch VorbeistMchen eines Hilfsmediums auf einer Seite der flächig ausgebreiteten Schmelzenstränge, wobei die Geschwindigkeit des Hilfsmediums 5 bis 500 m/sec, vorwiegend 10 bis 300 m/sec beträgt. Die auf diese Weise doppelt vororientierten Schmelzenstränge werden dann durch Vorbeistreichen von Hilfsströmen auf beiden Seiten der flächig ausgebreiteten Schmelzenstränge zerfasert und gekühlt.

Die zur Durchführung des Verfahrens zur Faserherstellung benutzten Düsen zeichnen sich aus durch eine zentral angeordnete Gasdüse für die Zuführung des Hauptgasstromes zur Düsenmündung, einen die Gasdüse koaxial umgebenden Ringkanal für die Zuführung der Schmelze zur Düsenmündung und eine die Gasdüse koaxial umgebende Ringdüse für die Zuführung des Hilfsgasstromes zur Düsenmündung. Hierbei kann der Ringkanal für die Zuführung der Schmelze zur Düsenmündung auch in einzelne voneinander getrennte, in ihrer Gesamtheit die Gasdüse ringförmig umschließende Kanäle, aufgelöst sein. Es kann ferner vorteil-_c haft sein, den Ringkanal für die Zuführung der Schmelze zur Düsenmündung in ein über die Mündung der Gasdüse hinausragendes, in der Mitte von dem Hauptgasstrom durchströmtes Rohr auslaufen zu lassen. In einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Düse ist die Ringdüse für die Zuführung des Hilfsgasstromes als Ringschlitz zwischen der Außenwandung der Gasdüse und der Innenwandung des Ringkanals fir die Schmelze ausgebildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die dazugehörigen Vorrichtunger werden anhand der Zeichnungen im folgenden näher erläutert.

In Figur 11 ist der Verfahrensablauf des Extrudierens eines Schmelzenstranges mit den Phasen der Vororientierung und der Zerfaserung in schematischer Darstellung gezeigt.

Der Zerfaserungsvorgang nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist gekennzeichnet durch eine Zerteilung des vororientierten

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Schmelzenstranges vorwiegend parallel zur Fließrichtung der Schmelze (Aufspieißung) unter Einwirkung eines Hilfsmediums, so daß aus einem Strang ein ganzes Bündel von Stapelfasern entsteht, verbunden mit einem anschließenden Reckvorgang. Figur 1 zeigt schematisch die einzelnen Phasen oder Zonen des ZerfaserungsVorgangs über dem Weg der'Schmelze. Ebenfalls eingetragen sind in Figur 1 die Verläufe von Schubspannung und Schmelzentemperatur. In Zone 1 kommt der Schmelzenstrang mit Verdüsungstemperatur und niedriger Schubspannung in die Düse. Im folgenden Düsenabschnitt (Zone 2) wird der Strang vororientiert und verläßt die Düse beim Übergang in Zone 3. Hier setzt bei fallender Schmelzentemperatur infolge der steigenden Schubspannung die Spleißung des Stranges ein. Es folgt die Zerfaserung in Zone 4. durch Aufbringung der Schubspannungsspitze. Bei weiterer Abkühlung gelangen die Fasern in Zone an deren Ende der Erstarrungspunkt unterschritten wird. In Zone 6 kann sich eine, aerodynamische oder mechanische Fachverstreckung anschließen.

Die Hauptprinzipien der Vororientierung und Zerfaserung der Schmelze sind in den Figuren 2 bis 4 schematisch dargestellt, während die speziellen, der Vororientierung und Zerfaserung der Schmelze dienenden Düsen in den Figuren 5 bis 7 im Längs,. schnitt dargestellt sind. Übereinstimmende Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugsziffern versehen. In allen Fällen wird die Schmelze zunächst auf eine Temperatur gebracht, bei der der Kunststoff eine Viskosität \ von 10 bis 10 cP,

■7. C

vorzugsweise von 10 bis 10 cP aufweist, und einer Schmelzenkammer 7 zugeführt.

Gemäß Figur 2 wird die Vororientierung der Schmelze dadurch vorgenommen, daß die Schmelze 20 aus der Schmelzenkammer 7 durch Kanäle 8 hindurchgetrieben wird, die einen Durchmesser von 0,2 bis 4 mm, vorzugsweise von 0,4 bis 2 mm aufweisen und vollständig von der Schmelze ausgefüllt werden. Anstelle des kreisförmigen Querschnitts können die Kanäle auch einen

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beliebigen anderen Querschnitt aufweisen, wobei lediglich, darauf zu achten ist, daß beim Schmelzenstrang ein hydraulischer Radius von etwa 0,05 bis 1 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 mm eingehalten wird. Das Verhältnis von Länge zu Durchmesser bzw. Länge zu Breite der Kanäle soll in der Größenordnung zwischen 1:1 und 100:1 liegen. 7,um Zwecke der Vororientierung muß auf die Oberfläche des Schmelzenstranges in der Fließrichtung des Stranges eine Schubspannung t" von 10 bis 10 kp/m , vorzugsweise von 10 bis 10 kp/m entsprechend einer Schergeschwindigkeit )f von 10 bis 10 , vorzugsweise von 10 bis 10 see" über eine Zeitspanne von 10

-2 —1 ' ·

bis 1 see, vorzugsweise von 10 bis 10 see ausgeübt werden. Das Aufbringen der erforderlichen Schubspannungen erreicht man nun dadurch", daß die Schmelze mit einem Druck von 2 bis atü, vorzugsweise von 5 bis 100 atü durch die Kanäle 8 gefördert wird. Die auf diese Weise vororientierte Schmelze wird dann nach ihrem Austritt aus den Kanälen 8 mit Hilfe von Strahlen 9 eines Hilfsmediums zu Fasern zerblasen. Hierzu wird das Hilfsmedium unter einem Winkel oc von 5 bis 85 , vorzugsweise von 10 bis 45° mit einer Geschwindigkeit von 50 bis 700 m/sec, vorzugsweise von 100 bis 400 m/sec und einer Temperatur von 0 bis 700⁰C, vorzugsweise von 20 bis 200 0, auf den Schmelzenstrang gerichtet. An die Zerfaserung kann sich in der Zone 6 eine Nachverstreckung anschließen.

Eine für die in Figur 2 dargestellte Verfahrensweise geeignete . Ausführungsform der Düse ist in Figur 5 dargestellt. Die Düse besteht im wesentlichen aus einer zentral angeordneten Gasdüse 12 für die Zuführung des Hauptgasstromes 19 zur Düsenmündung 13, einem die Gasdüse koaxial umgebenden Ringkanal 14 für die Zuführung der Schmelze 20 zur Düsenmündung 13 und einer die Gasdüse 12 koaxial umgebenden Ringdüse 15 für die Zuführung eines Hilfsgasstromes 21 zur Düsenmündung 13. Die Schmelze tritt über einen Stutzen 11 in die Schmelzenkammer 7 ein und wird unter Druck durch den Ringkanal 14 zur Düsenmündung 13 hin gefördert. Der Ringkanal 14 kann auch₍wie ,in Figur 2 dargestellty in einzelne voneinander getrennte Kanäle 8 aufgelöst

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sein. Zur Zerfaserung der an der Düsenmündung 13 austretenden Schmelze wird der Hauptgasstrom über den Stutzen 16 und die Gasdüse 12 und ein Hilfsgasstrom über den Stutzen 17 und die Ringdüse 15 der Düsenmündung in der bei Figur 2 beschriebenen Weise zugeführt. Bei Verwendung eines Kingkanals 14 kann die Spaltbreite durch axiale Verschiebung der G-asdüse 12 verändert werden.

Eine andere Art der Durchführung des Verfahrens ist in Figur 3

' dargestellt. Hierbei Wird die Schmelze aus der Schmelzenkammer 7 der Innenwand eines nicht voll von der Schmelze ausgefüllten

" Kanals 18 zugeführt, wobei die so flächig ausgebreitete Schmelze von dem Hauptgasstrom 19 eines Hilfsmediums mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 500 m/sec, vorzugsweise von 10 bis 300 m/sec überstrichen und gefördert wird. Die dabei gestellten Bedingungen bezüglich der Viskosität, des Strangquerschnittes, der Schubspannung und der Zeitspanne der Einwirkung der Schubspannung auf die Schmelze stimmen mit den bei der Beschreibung der Figur 2 gestellten und erläuterten Bedingungen überein. Die auf diese Weise vororientierte Schmelze wird dann nach ihrem Austritt aus dem Kanal 18 von einem Hilfsgasstrom 21 erfasst, zerfasert und gegebenenfalls in der Zone 6 einer Nachverstreckung unterworfen. Bezüglich des Auftreffwinkels Ot, der Geschwindig-

k keit und der Temperatur des in Hauptgasstrom 19 und Hilfsgasstrom 21 aufgeteilten Hilfsmediums gelten ebenfalls die zu Figur 2 gegebenen Erläuterungen.

Eine für.die in Figur 3 dargestellte Verfahrensweise geeignete Ausfuhrungsform der Düse ist in Figur 6 im Längsschnitt dargestellt. Die Düse besteht im wesantlichen wieder aus einer zentral angeordneten Gasdüse 12, einem die Gasdüse koaxial umgebenden Ringkanal 14 und einer ebenfalls koaxial angeordneten Ringdüse 15. Die einzige Änderung gegenüber der in Figur 5 dargestellten Düsenform besteht darin, daß die Gasdüse 12 schon vor der Düsenmündung 13 endet und der-Ringkanal 14 in einen über die Mündung 22 der Gasdüse 12 hinausragenden, in der Mitte vom Hauptgasstrom

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durchströmten rohrförmigen Kanal 18 ausläuft. Dadurch wird erreicht, daß der über den Stutzen 16 und die Grasdüse 12 eintretende Hauptgasstrom 19 auf der Innenseite der über den Stutzen 11 und die Schmelzenkammer 7 eintretenden und über den Ringkanal 14 entlang der Wandung des Kanals 18 filmartig ausgebreiteten Schmelze entlangstreicht j die Schmelze durch Aufbringen von Schubspannungen vororientiert und zur Düsenmündung 13 hin fördert« Die an der Düsenmündung 13 austretende Schmelze wird mit Hilfe des Hauptgasstromes 19 und des über den Stutzen 17 und die Ringdüse 15 zugeführten Hilfsgasstromes 21 zerfasert. Der Hauptgasstrom wird vorzugsweise mit einer Umfangskomponente seiner Geschwindigkeit durch das Rohr geschickt. Dieser Drall wird entweder durch tangentialen Einlauf des Gasstromes in das Düsengehäuse oder durch einenDrallkörper erzeugt. Zweck des Dralles ist es, die Schmelze an der Wand des Kanals 18 zu halten. Diarch diese Vermeidung von Strömungsablösungen wird somit verhindert, daß Teile der Schmelze während der Strömung durch das Vororientierungsrohr aus dem Film herausgerissen werden und so zu störenden Pulveranteilen im Fertigprodukt füh'ren.

Eine weitere, bevorzugte Art der Durchführung des Verfahrens ist. in Figur 4 dargestellt. Die Schmelze QQ wird zunächst wie in Figur 2 aüä der Schmelzenkammer 7 über vollständig von der Schmelze ausgefüllte Kanäle 8 gefördert und vororientiert. Nach dem Austritt aus den Kanälen 8 wird die Schmelze zunächst vom Hilfsgasstrom 21 erfasst und bei weiterer Orientierung und beginnender Abkühlung gespleißt und anschließend vom H_auptgasstrom 19 zerfasert. Auch bei dieser Verfahrensweise gelten wieder alle bezüglich Figur 2 gemachten Ausführungen über den Zustand, in dem sich die Schmelze befinden muß, die Kanaldurehmesser und die Drücke, Temperaturen und Geschwindigkeiten der Schmelze und des hier wieder in Hauptgasstrom und Hilfsgasstrom aufgespaltenen Hilfsmediums.

Die zur Durchführung der in Figur 4 beschriebenen Verfahrensweise zur Verwendung kommende Düse ist in Figur 7 dargestellt.

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Eine zentral angeordnete, mit einem Stutzen 16 zur Zuführung des Hauptgasstromes .19 versehene Gasdüse 12 ist koaxial um- . geben von einem Ringkanal 14 für die Weiterleitung der über den Stutzen 11 und die Schmelzenkammer 7 eintretenden Schmelze

20 zur Düsenmündung 13. Innerhalb der Schmelzenkammer 7 kann eine elektrische Heizung 24 angeordnet sein, durch die die Schmelze 20 auf der optimalen Temperatur gehalten wird. Die koaxial zur Gasdüse 12 angeordnete Ringdüse 15 für den Hilfsgasstrom ist bei dem in Figur 7 dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel zwischen der- Außenwandung der Gasdüse 12 und der Innenwandung des Ringkanals 14 für die Schmelze angeordnet. Der Ringkanal 14 kann wieder in einzelne voneinander getrennte Kanäle 8 aufgelöst sein. Die innerhalb des vollständig von der Schmelze 20 ausgefüllten Ringkanals 14 bzw. der Kanäle 8 vororientierte Schmelze wird bei ihrem Austritt an der Düsenmündung 13 durch den mit hoher Geschwindigkeit aus der Gasdüse 12 austretenden Hauptgasstrom 19 zur Düsenachse hin angesaugt. Auf dem Wege von dem Ringkanal 14 bzw. den Kanälen 8 zum Hauptgasstrom 19 kommt die Schmelze 20 zunächst mit dem aus der Ringdüse 15 austretenden Hilfsgasstrom

21 und dem aus der Umgebung angesaugten Hilfsgasstrom 23 in Berührung und wird bei beginnender Abkühlung gemäß Figur 1 gespleißt, ehe mit Hilfe des Hauptgasstromes 19 die Schubspannungsspitze aufgebracht wird, wodurch die Zerfaserung erfolgt. Der Hilfsgasstrom 21 kann bei dieser Variante des Verfahrens ebenfalls vom Hauptgasstrom 19 angesaugt werden.

Die zu einer ausreichenden Vororientierung der Kunststoffschmelze benötigte Dimensionierung der Vororientierungsstrecke ist von dem Orientierungsverhalten der jeweiligen Kunststoffschmelze abhängig. Die Querschnitte der Vororientierungsstrecken und der Gasd'üsen können beliebige geometrische Formen haben, z. B. Kreisförmig, ringförmig oder schlitzförmig ausgebildet sein. Über die Länge der Orientierungsstrecke kann deren Querschnitt konstant oder veränderlich ausgebildet werden.

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Durch Variation der Betriebsbedingungen (Temperaturen, Drücke, Geschwindigkeiten, Mengenverhältnisse) des Verfahrens läßt sich für eine gegebene Thermoplastschmelze die Struktur der Pasern, d. h. die mittlere Faserstärke und Faserlänge sowie die Form (glatt oder gekräuselt, runder oder unregelmäßiger Querschnitt) in weiten Grenzen verändern. Weiterhin lassen sich über die Betriebsdaten des Verfahrens Fasern herstellen, die bereits bis an die Reckgrenze orientiert sind (über 90 % Reckgrad) oder auch nur teilgereckte Fasern. Die Bereiche der einzelnen Betriebsdaten lassen sich wie folgt abstecken:

Temperatur der Schmelze:

Die Schmelzen können je nach Art der verwendeten Thermoplaste in unterschiedlich breiten Temperaturbereichen zur Verdüsung gebracht werden, wobei häufig der gesamte Temperaturbereich zwischen dem Schmelzpunkt und der ohne chemische Veränderung höchstmöglichen Schmelzentemperatur verwendet werden. Zweckmäßigerweise arbeitet man bei Schmelzentemperaturen nahe der oberen Grenze zur Erzielung möglichst geringer Viskosität.

Gastemperatur:

Hat die Zerfaserungsvorrichtung keine eingebauten Heizungen, so ist die erforderliche Mindestgastemperatur etwa die Schmelztemperatur des Thermoplastes, da sonst die Vorrichtung einfriert. Bei eingebauten Heizungen kann als unterer Wert der Gastemperatur etwa 0 ⁰C angegeben werden. Die obere Grenze ' der Gastemperatur hängt von der thermischen Schädigungsgrenze des Produktes ab, wobei zu berücksichtigen ist, daß die Gastemperatur bis zu ca. 300 ⁰C darüber liegen kann, da infolge der Gasexpansion eine Abkühlung erfolgt. Bei der Verwendung mehrerer Gasströme können diese unterschiedliche Temperaturen aufweisen.

Schmelzendruck:

Die Schmelze kann z. B. über einen Schneckenextruder, eine Zahnradpumpe oder ein druckbeaufschlagtes Schmelzgefäß der Zerfaserungsvorrichtung zugeführt werden. Es sind je nach Düsentyp und Einstellung Drücke vorwiegend zwischen und 100 atü erforderlich.

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Gasdruck:

Die Gasdrücke liegen normalerweise im Bereich von 0,1 bis 100 atü, vorzugsweise zwischen 0,2 und 5 atü.

Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze:

Beim Eintritt in die Orientierungsstrecke liegen die Geschwindigkeiten der Schmelze etwa zwischen 0,02 und 5 m/sec, vorzugsweise zwischen 0,05 und 1 m/sec.

^% Gasgeschwindigkeit:

Entsprechend den angegebenen Drücken ist die Geschwindigkeit " des Zerfaserungsgases theoretisch kleiner oder gleich der Schallgeschwindigkeit. Die tatsächliche mittlere Gasgeschwindigkeit ist durch Verluste in der Düse und andere strömungstechnische Einflüsse kleiner als die theoretische Geschwindigkeit, bei schlechter Düsengestaltung bis zu ca. 50 fo. Es ergeben sich als Grenzen der effektiven Gasgeschwindigkeit etwa 50 bis 700 m/sec.

Spezifischer Gasaufwand:

Der spezifische Gasaufwand ist definiert als das Mengenverhältnis Gas zu Produkt in kg/kg oder Nm /kg. Dieses Mengenverhältnis kann in den Grenzen 0,2 bis 50, vorzugsweise 5 bis 30 liegen.

Reynoldszahl der Gasströmung:

Mit den angegebenen Geschwindigkeiten, Temperaturen und Drücken erhält man für die Reynoldszahl in den Gasdüsen Werte zwischen 2 5

10 und 10 Λ Es wurde gefunden, daß sowohl für die aerodynamische Vororientierung als auch für die Spleißphase wenig Turbulenzen, d. h. niedrige Reynoldszahlen zweckmäßig sind, da andernfalls die Fasern mit Pulveranteilen durchsetzt sind. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Zerfaserung unmittelbar an der Düsenmündung stattfindet, während bei der außerhalb der Düse stattfindenden Zerfaserung lediglüi das Hilfsgas, das zwischen/Strangaustritt und/Zerfaeerungsstelle aufgeblasen wird, kleine Reynoldszahlen aufweisen sollte.

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Anstelle von Gas kann bei dem beschriebenen Verfahren auch Wasserdampf oder heißes Bruckwasser als Hilfsmediiim eingesetzt werden. Es kann auch eine Kombination von Gas und Wasserdampf bzw. Druckwasser verwendet werden, z. B. so, daß die Vororientierung mit Gas, die Zerfaserung dagegen mit Dampf oder Druckwasser erfolgt. Heißes Druckwasser oder Dampf wird insbesondere dann vorteilhaft angewendet, wenn die Pasern zur Weiterverarbeitung in Suspension gebracht werden sollen. Bei der Verwendung von Druckwasser kann dessen Geschwindigkeit etwa zwischen 10 und 200 m/sec betragen.

Geeignete Thermoplastenschmelzen im Sinne des beschriebenen Verfahrens sind Schmelzen folgender Kunststoffe:

1) Polyäthylen aller Dichtebereiche (0,918 - 0,960 g/cnr) sowie die Copolymeren des Äthylens mit i-Olefinen (z. B. Propylen, Buten), mit Vinyl- und Acrylestern (z. B. Vinylacetat-, Butylacrylatcopolymere), mit zusätzlich freien Acrylsäuregruppen (z. B. Äthylen- t-Butylacrylat- Acrylsäureesterpolymere) und mit Vinylchlorid. Außerdem nachchloriertes PE mit einem Chlorgehalt bis 40 $. Der Anteil der Comonomeren am Gesamtgewicht des Polymerisates kann dabei

bis 30 Gew.-$ betragen. Geeignet sind die Polymerisate in einem weiten Molekulargewichtsbereich (gemessen als Schmelzindex nach ASTM D 1238-57T MI₂ -j g/190 ⁰G ^{= 1 bis 100}' vorzugsweise 5 bis 20).

2) Polypropylen und Polybuten (-1) sowie deren Copolymerisate untereinander und mit anderen 1-Olefinen (ζ. Β. Äthylen). Comonomerenanteil : max. 15 ^, Molekulargewichtsbereich wie oben (Schmelzindexbereich MI_? -15/210 ⁼ ^ ^is 100, vorzugsweise 5 bis 20).

3) Polyamide, z. B. die Reinpolykondensate aus Caprölactam oder aus Dicarbonsäuren wie Adipin- und Sebacinsäure und Diaminen, wie Hexamethylendiamin. Geeignet sind auch Mischpolykonden-

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sate ζ. B. aus den obengenannten Ausgangsstoffen. Die Molekulargewichte können, ausgedrückt in K-Werten, schwanken zwischen K = 50 bis 90, vorzugsweise 70 bis 80. (K-Wert = rel. Viskosität \/i\₀ gemessen nach DIN 53 726).

4) Polyvinylchlorid, Homopolymere und Copolymere mit Vinylestern (z. B. Vinylacetat). Vor der Verarbeitung sind geeignete Weichmacher (z. B. Phthalsäureester oder Adipinsäureester mit 1- und 2-wertigen Alkoholen in Mengen bis 40 Gew.-$, vorzugsweise 20 bis 30 Gew.-$ zuzugeben. MoIekulargewichtsbereich, ausgedrückt in K-Werten: 50 bis 80, vorzugsweise 50 bis 75.

5) Polyester .

Geeignet sind besonders die linearen, gesättigten Polyester mit mittleren Molekulargewichten zwischen 10 000 und 50 000, wie z. B. Polyäthylenterephthalat (z. B. aus Terephthalsäurediglykolester), sowie die aus Hydroxycarbonsäure wie der OO -Hydroxydecansäure oder der 4(ß-Hydroxy-äthoxy)-benzoesäure herstellbaren Polyester. Neben diesen Gruppen von Polyestern, die aus nur einer Komponente hergestellt werden können, sind ganz allgemein die linearen, gesättigten Polyester aus Glykolen und aliphatischen bzw. aromatischen Dicarbonsäuren geeignet, soweit sie die obengenannten hochmolekularen Produkte ergeben. Neben den Carbonsäuren können auch deren Anhydride, Ester oder Säurechloride eingesetzt werden.

Allen genannten Polymeren können vor der Verarbeitung zu Pasern Hilfsstoffe zugesetzt werden, die die Fließfähigkeit und Orientierungsfähigkeit der Schmelze bei gegebener Schmelztemperatur verbessern, also für die jeweiligen Polymeren geeignete Weichmacher und Gleitmittel. Für Polyolefine sind das z. B. Wachse, übliche Metallseifen (z. B. Ca-stearat) und Säureamide (z. B. Stearinsäureamid). Außerdem können die

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Schmelzen geeignete Wärme-, Licht- und UV-Stabilisatoren, Füllstoffe, Farbstoffe und Flammschutzmittel enthalten.

Mit den beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen konnten Fasern mit folgenden Charakteristiken hergestellt werden:

Faserstärken: 0,5 bis 500 /um, wobei je nach Verwendung innerhalb dieses Bereiches Fasern mit Dickenschwankungen bis etwa einer halben Zehnerpotenz hergestellt werden können. Die Faserquerschnitte sind je nach Betriebsbedingungen und Düsentyp von vorwiegend runder oder unregelmäßiger Form.

Faserlängen: Es wurden relative Faserlängen vom 10 bis 10 ~ fachen Faserdurchmesser erhalten. Durch die Betriebsbedingungen und die spezielle Gestaltung der Zerfaserungsvorrichtung läßt sich auch hier das Spektrum der Faserlängen variieren, wobei jeweils ein Bereich (Spektrum) von Faserlängen erhalten wird, der um eine bis zwei Zehnerpotenzen uneinheitlich ist.

Die erhaltenen Fasern können für sich allein oder im Gemisch mit anderen, nach üblichen Verfahren hergestellten Fasern Anwendung finden. Sie können z. B. durch geeignete Methoden in Vliesstoffe überführt werden. Diese Möglichkeit eröffnet weite Anwendungsbereiche, z. B. auf den Gebieten der Papierveredelung, im textlien Bereich, als Teppichrückenmaterial, zur Herstellung von Kunstleder und zur Tapetenherstellung. Die Fasern können aber auch direkt etwa als Steppdecken- oder Matratzenfüllstoffe oder zur Armierung von anderen Thermoplasten (z. B. Polyestern) verwendet werden.

Nach dem beanspruchten Verfahren hergestellte Fasern aus Poly amiden sind hierbei durch besonders hohe Temperaturbeständigkeit, Abriebfestigkeit und Reißfestigkeit charakterisiert, Fasern aus Polyolefinen und PVC dagegen durch besonders einfache Verschwelßbarkeit zu Vliesstoffen.

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Im folgenden werden mehrere Beispiele angeführt, die mit verschiedenen Ausgangsprodukten, unterschiedlichen Betriebsbedingungen und Zerfaserungsvorrichtungen gefahren wurden:

Beispiel 1

Ein Polyäthylen der Dichte 0,96 mit einem Schmelzindex von 5 (2,16 kg; 190 ⁰C) und einem Schmelzpunkt von 135 ⁰C wurde über einen Schneckenextruder und eine beheizte Rohrleitung in eine Zerfaserungsvorrichtung nach Fig. 5 gefördert. Die Schmelzentemperatur am Düseneingang betrug 275 ⁰C, die Schmelzviskosität 1,8 . 10 Poise. Der Förderdruck der Schmelze war 60 atü. Die beiden Gasströme 19 und 21, hier Stickstoff,-wurden mit 23 atü Vordruck und 290 ⁰C in die Düse gefördert. Das Mengenverhältnis Gas zu Produkt betrug 3 Nm /kg.

Es wurden Pasern mit folgenden Merkmalen erhalten: Der mittlere Faserdurchmesser betrug 10 /um bei einer mittleren Länge von 300 bis 500 /um. Die Fasern haben nahezu runden Querschnitt und sind nahezu vollständig bis zur Reckgrenze orientiert.

Beispiel 2

Ein Polypropylen der Dichte 0,91 mit einem Schmelzindex MFJ 230/2 nach DIN 53 735 (IC)von 0,8 wurde wie in Beispiel 1 der Zerfaserungsvorrichtung nach Fig. 5 zugefördert. Die Schmelzentemperatur am Düseneingang betrug 300 C, der Förderdruck 35 atü. Die beiden Gasströme (wieder Stickstoff) wurden mit 15 atü und 170 ⁰O in die Düse geleitet. Das Mengenverhältnis war wieder 3 Nm /kg.

Die Fasern hatten folgendes Aussehen: Der mittlere Faserdurchmesser der stark gekräuselten Fasern betrug 20 bis 30 /um bei durchschnittlichen Faserlängen von 500 bis 800 Aun. Das

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Fasermaterial enthält noch etwa 5 $ kürzere Anteile mit Durchmessern bis 100 /um.

Beispiel 3

Das in Beispiel 2 genannte Polypropylen wurde wieder mit der gleichen Fördereinrichtung wie in den vorigen Beispielen in eine Zerfaserungsvorrichtung nach Fig. 6 gefördert. Die Schmelzentemperatur am Düseneingang betrug 300 C, der Förderdruck 24 atü. Der Zerfaserungsstickstoff hatte nun. im Innen- und Außenkreis der Düse verschiedene Drücke und Temperaturen: innen 11 atü, 280 ⁰C; außen 5 atü, 160 ⁰C.

Die erhaltenen Fasern waren mit Durchmessern von durchslinittlich 20 bis 30 /um und Längen vjn 300 bis 600 /um, etwas kürzer als die in Beispiel 2 erhaltenen.

Beispiel 4

Polypropylen nach Beispiel 2 wurde mit 80 atü und 300 C in eine Zerfaserungsvorrichtung nach Bild 5 gefördert und mit einem Gasdruck von 2 atü sowie einer Gastemperatur von 270 C zu Fasern zerblasen. Das Durchsatzverhältnis Gas zu Produkt hatte in diesem Beispiel den Wert 1 Fm /kg. Die erhaltenen Fasern sahen folgendermaßen aus: mittlerer Durchmesser 40 bis 60 /um bei Längen von 80 bis 120 cm, entsprechend einem Längen/Durchmess er-Verhältnis von ca. 20 000 : 1. Die erhaltenen Fasern sind von-weitgehend gleichmäßiger Faserstärke und enthalten waniger als 2 io kurzfaserige Anteile.

Beispiel 5

Ein Polycaprolactam mit einem K-Wert von 72 und einer Schmelzvjskosität von 3 500 Po ir: ^ bei 25O⁰O wurde einer Zerfaserungs-

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vorrichtung nach Bild 5 zugefördert. Am Düseneingang hatte die Schmelze eine Temperatur von 310 ⁰C. Der Förderdruck war 90 atü.,Das Zerfaserungsgas wurde mit 12,5 atü und 240 ⁰C in die Düse geführt. Die erhaltenen Pasern zeigten folgendes Aussehen: mittler«
bis 800 /um Länge,

Aussehen: mittlerer Faserdurchmesser 1 bis 10 /um bei 600

Beispiel 6

Ein Polyester wurde mit 150 atü und 300 ⁰O der Zerfaserungs- W vorrichtung nach Bild 5 zugefördert. Das Zerfaserungsgas strömte mit 5 atü Vordruck und 325 ⁰C in die Düse ein. Das Durchsatzverhältnis war dabei 1,2 Fm G-as/kg Produkt. Die erhaltenen Fasern hatten hauptsächlich Durchmesser zwischen 5 und 15 /um bei Längen von etwa 5 bis 50 cm.

Beispiel 7

Ein Polyäthylen der Dichte 0,92 mit einem Schmelzindex von 18 (2,16 kg; 190 ⁰G) und einem Schmelzpunkt von 110 ⁰C wurde über einen Schneckenextruder und eine beheizte Rohrleitung in eine Zerfaserungsvorrichtung nach Bild 7 gefördert. Die ) Schmelzentemperatur vor der Düsenmündung betrug 280 ⁰C, der Förderdruck der Schmelze 5 atü. Der Hauptgasstrom 19 wurde mit Raumtemperatur (ca. 20 ⁰C) und 2 atü Druck in die Düse geleitet. Das Hilfsgas 21 wurde vom Hauptgasstrom durch In-

•3 jektorwirkung angesaugt. Das Mengenverhältnis lag bei 1 Nm Hauptgas je kg Schmelze. Die erhaltenen Fasern hatten Durchmesser von 20 bis 30 /um, die Faserlängen waren zwischen 2 und 20 cm. Die Verdoppelung des Mengenverhältnisses reduzierte die Faserstärken auf etwa die Hälfte und ergab Längen von 0,4 bis 1m,

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Claims

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Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung von Stapelfasern aus thermoplastischen Kunststoffen, wobei man einen oder mehrere Stränge der Kunststoffschmelze kontinuierlich aus Düsenmündungen austrägt und die Stränge unmittelbar danach durch einen Gasstrom zerfasert, dadurch gekennzeichnet, daß man den strangförmigen geschmolzenen Kunststoff vor dem Austragen aus den Düsenmündungen in der Fließrichtung des Kunststoffes bis zu einem Orientierungsgrad von wenigstens 25, vorzugsweise von wenigstens 50 io vororientiert, indem man

(a) den Strang auf eine Temperatur bringt, bei der der Kunst-

2 6 stoff eine Viskosität \ von 10 bis 10 , vorzugsweise von

10³ bis 10⁵ cP hat,

(b) dem 'Strang einen Querschnitt gibt, der einen hydraulischen Radius r von 0,05 mm bis 1 mm, vorzugsweise von 0,1 mm bis 0,5 mm hat,

(c) auf die Oberfläche des Stranges unter den Bedingungen gemäß (a) und (b) in der Fließrichtung des Stranges eine Schubspannung f von 10 bis 10 kp/m , vorzugsweise von

pr ο ρ

10 bis 10 kp/m , entsprechend einer Schergeschwindigkeit ^Ton 10 bis 10 see , vorzugsweise von 10 bis 10 see"* einwirken läßt und

(d) den Strang über eine Zeitspanne t von 10 bis 1 see, vor-

—2 —1
zugsweise von 1.0 bis 10 see, entsprechend einer Orientierungslänge 1 von 1 bis 100 mm, vorzugsweise von 2 bis 30 mm den Bedingungen gemäß (a), (b) und (c) aussetzt,

mit der Maßgabe, daß zwischen den Bedingungen gemäß (a) bis

(d) die folgenden Zusammenhänge bestehen:

T.t.r/1 = 10 ;bis 10⁵ kp.sec/m , vorzugsweise 10 bis 10 kp.sec/m und

T.l.r = 10 bis 10"⁴" m.kp, vorzugsweise 10° bis 10~³ m.kp; und daß man die vororientierten Schmelzenstränge mit einem Hauptstrom eines gasförmigen, dampfförmigen oder flüssigen

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Hilfsmediums Torzugsweise außerhalb der Düse, nachdem die Stränge oder der Schlauch bereits durch angesaugtes oder zwangsweise zugeführtes Hilfsgas z. T. abgekühlt sind, in einem Abstand von 5 bis 100 mm vom Düsenende durch Zerteilung vorwiegend parallel zur !Fließrichtung zerfasert, indem der Hauptgas— strom unter einem Winkel von 5 bis 85°, vorzugsweise von 10 bis 45 , mit einer Geschwindigkeit von 50 bis 700 m/sec, vorzugsweise von 100 bis 400 m/sec und einer Temperatur von 0 bis 700 ⁰C, ν
einwirkt.

700 ⁰C, vorzugsweise von 20 bis 200 ⁰C auf die Schmelzenstränge

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubspannungen f gemäß (c) erzeugt werden, indem die gemäß (a) vorbereitete Schmelze mit einem Druck von 2 bis 300 atü, vorzugsweise von 5 bis 100 atü durch einen oder mehrere Kanäle gefördert wird, die die Bedingung (b) erfüllen und vollständig von der Schmelze ausgefüllt werden und daß die Schmelze nach Verlassen der Kanäle mit Gasstrahlen zerfasert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubspannungen ¹^ gemäß (c) erzeugt werden, indem die gemäß (a) vorbereitete Schmelze flächig ausgebreitet und gefördert wird durch Vorbeistreichen eines Hilfsmediums, dessen Ge-

) schwindigkeit 5 bis 500 m/sec, vorzugsweise 10 bis 300 m/sec beträgt, auf einer Seite der flächig ausgebreiteten Schmelze, wobei der filmförmige Strang die Bedingung (b) zu erfüllen hat und daß die vororientierte Schmelze mit demselben oder einem zusätzlichen Hilfsstrom zerfasert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubspannungen T gemäß (c) erzeugt werden, indem die gemäß (a) vorbereitete Schmelze mit einem Druck von 2 bis 300 atü, vorzugsweise von 5 bis 100 atü durch einen oder mehrere Kanäle gefördert wird, die die Bedingung (b) erfüllen und vollständig von der Schmelze ausgefüllt werden und daß anschließend die aus den Kanälen austretenden,annähernd flächig ausgebreiteten

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Schmelzenstränge gefördert werden durch Vorbeistreichen eine's Hilfsmediums, dessen Geschwindigkeit 5 bis 500 m/sec, vorzugsweise 10 "bis 300 m/sec beträgt, auf einer Seite der flächig ausgebreiteten Schmelzstränge und daß die auf diese Weise doppelt vororientierten Schmelzenstränge durch Yorbeistreichen von Hilfsströmen auf beiden Seiten der flächig ausgebreiteten Schmelzenstränge zerfasert und gekühlt werden.

5. Düse zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine zentral angeordnete Gasdüse (12) für die Zuführung des Hauptgasstromea (19) zur Düsenmündung (13), einen die Gasdüse koaxial umgebenden Ringkanal (14) für die Zuführung der Schmelze (20) zur Düsenmündung und eine die Gasdüse koaxial umgebende Ringdüse (15) für die Zuführung des Hilfsgasstromes (21) zur Düsenmündung.

6. Düse gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (14) für die Zuführung der Schmelze (20) zur Düsenmündung in einzelne voneinander getrennte, in ihrer Gesamtheit die Gasdüse (12) ringförmig umschließende Kanäle (8) aufgelöst ist.

7. Düse zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (14) für die Zuführung der Schmelze (20) zur Düsenmündung (13) in einen über die Mündung (22) der Gasdüse (12) hineinragenden, in der Mitte von dem Hauptgasstrom (19) durchströmten Kanal (18) ausläuft.

8. Düse zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen

1 und 2 sowie 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdüse (15) für die Zuführung bzw. Ansaugung des Hilfsgasstromes (21) als Ringschlitz zwischen der Außenwandung der Gasdüse (12) und der Innenwandung des Ringkanals (14) der Schmelze ausgebildet ist.

Badische Anilin- 4 Soda-Fabrik AG

Zeichn.

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Al

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