DE2718343A1

DE2718343A1 - Integrales, elektrisch leitfaehiges textilfilament

Info

Publication number: DE2718343A1
Application number: DE19772718343
Authority: DE
Inventors: Sterling Mccoy Nichols; George Alexander Paton; John Horace Sanders
Original assignee: Dow Badische Co
Current assignee: BASF Corp
Priority date: 1976-04-29
Filing date: 1977-04-25
Publication date: 1977-11-17
Also published as: MX145086A; BE854105A; NL7704725A; JPS563447B2; CH625570A5; IT1104571B; FR2361485B1; FR2361485A1; IN146424B; CA1096570A; LU77218A1; DE2718343C2; ES458175A1; JPS52152513A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820 ? 7 1 8 3 Λ 3

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER ° 39 21/22

C-48-F - H/l/E/ra

Dow Badische Company, Williamsburg, Virginia 2^185, USA

Integrales, elektrisch leitfähiges Textilfilament

Die Erfindung betrifft allgemein Textilien und insbesondere elektrisch leitfähige Textilfasern, die für die Erzeugung antistatischer flächenhafter Materialien verschiedener Arten verwendet werden können.

Die Akkumulation statischer Elektrizität als Folge bei dem Gebrauch flächenhafter Materialien bzw. Textilmaterialien ist eine Erscheinung, die die Aufmerksamkeit der Textilindustrie seit einiger Zeit auf sich zieht. Das

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Auftreten der statischen Elektrizität ist nicht nur ärgerlich (beispielsweise bei Kleidungsstücken, die an dem Körper haften und von anderen Kleidungsstücken angezogen v/erden, oder daß feine Teilchen aus Fusseln und Schmutz an Polstermobeltextilien angezogen werden, daß sich die Häufigkeit der erforderlichen Reinigung erhöht, oder daß man bei"i Berühren eines Hetalltürknopfs nach dem Laufen über einen Teppich einen Stoß oder Schlag erhält), sondern stellt ebenfalls eine Gefahr dar (beispielsweise kann die Entladung statischer Elektrizität Funken erzeugen, die flammbare Gemische, wie Äther oder Luft, entzünden können, die häufig in Krankenhäusern, beispielsweise in Operationssälen, vorhanden sind). Alle diese V/irkungen treten besonders stark in Atmosphären mit niedriger relativer Feuchtigkeit hervor.

Von den vielen Vorschlägen, die man zur Verhinderung unerwünschter Ansammlung statischer Elektrizität gemacht hat, sind die zufriedenstellendsten hinsichtlich ihrer Wirksamkeit und Permanenz solche, bei denen Fasern verwendet v/erden, die eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen (beispielsweise Metallfasern, Fasern, die mit elektrisch leitfähigem Material beschichtet sind, Fasern, die leitfähige Blockcopolymere, dispergiert in Form langer schlanker Teilchen, enthalten, integrale Fasern, die eine Hülle oder einen Kern mit einem elektrisch leitfähigen Material enthalten, und Metallaminatfilamente). Diese Fasern werden zusammen mit den üblichen natürlichen oder synthetisehen Fasern zur Herstellung gewebter bzw. gewirkter, gestrickter Strukturen oder Strukturen in Hetzart oder getufteten Strukturen oder sonst hergestellten Strukturen, verwendet, die die statischen Ladungen, so wie sie erzeugt

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ORIGINAL INSPECTED

werden, leicht vernichten. Einige der wichtigsten dieser Verfahren und Strukturen werden beschrieben in den US-PS 2 129 594, 2 714 569, 3 069 746, 3 288 175, 3 329 557, 3 582 444, 3 582 445, 3 582 448, 3 586 597, 3 590 570, 3 637 908, 3 639 502, 3 729 449, 3 803 453 und 3 823 035, in Webber "Metal Fibers", Modern Textile Magazine, Mai 1966, Seiten 72 bis 75, in den belgischen Patentschriften 775 935 und 790 254 sowie in der französischen Patentschrift 2 116 106.

Diese und ähnliche Produkte und Verfahren besitzen jedoch verschiedene Nachteile, nämlich:

Die Herstellung von Metallfasern mit feinem Denier, insbesondere in der Form von Monofilamenten, ist ein schwieriger und teurer Vorgang. Da diese Fasern in ihren Eigenschaften von normalen Textilfasern sehr verschieden sind, treten Schwierigkeiten beim Mischen und bei der Behandlung wie auch beim Griff der erhaltenen Produkte auf.

Metallaminatfasern erzeugen andererseits keine Misch- und Behandlungsprobleme, da sie sehr ähnlich sind wie die normalen Textilfasern, und der Griff der Produkte ist dementsprechend nicht zu beanstanden. Jedoch sind die Kosten solcher Filamente hoch, verglichen mit den natürlichen oder synthetischen Fasern, mit denen sie vermischt werden.

Textilfasersubstrate, deren Oberflächen durch Dampfabscheidung oder Elektroabscheidung oder durch Aufbringung von klebenden Zusammensetzungen, die feinverteilte Teilchen aus elektrisch leitfähigem Material enthalten, beschichtet wurden, sind in einigen Fällen weniger kostspielig als Metallfasern und/oder Metallaminatfilamente, abhängig

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von der Art des verwendeten elektrisch leitfähigen Materials und dem gewählten Beschichtungsverfahren. Es wurde jedoch festgestellt, daß solche Überzüge oft keine Kohäsion und Adhäsion besitzen, häufig zu dick sind, um bei einigen Anwendungen verwendet werden zu können, insbesondere dann, wenn das elektrisch leitfähige teilchenförmige Material so ist, daß es eine hohe Konzentration für eine zufriedenstellende Leitfähigkeit besitzen muß. Die Wirtschaftlichkeit wird daher im allgemeinen nur auf Kosten der Dauerhaftigkeit der Leitfähigkeit der Fasern erreicht.

Das Extrudieren von Gemischen aus pulverförmigen synthetischen Polymeren und feinverteilten elektrisch leitfähigen Materialien direkt in Filamente oder als einzelne Beschichtungen für die Filamentsubstrate mit der gleichen oder unterschiedlichen polymeren Zusammensetzung 1st ebenfalls gut bekannt. Unglücklicherweise erfordern diese im wesentlichen homogenen Gemische eine hohe Konzentration eines elektrisch leitfähigen Materials. Sie können im allgemeinen - sofern es überhaupt möglich ist - nicht leicht extrudiert werden und irgendwelche Filamente und filamentartige Überzüge, die aus ihnen hergestellt werden, besitzen eine extrem schlechte Kohäsion und Adhäsion und weisen somit keine Dauerhaftigkeit auf.

Filamentartige polymere Strukturen, die leitfähige polymere Materialien enthalten (beispielsweise Polyalkylenäther-Polyamid-Blockcopolymere), die in dem polymeren Substrat in Form von langen schlanken Teilchen oder Schichten, deren Achsen im wesentlichen parallel zu der Richtung der molekularen Orientierung des Filaments verlaufen, verteilt sind, sind nur schwierig in reproduzierbarer Form

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herzustellen, dadurch werden die Kosten erhöht und/oder ihre Verwendbarkeit verschlechtert.

Obgleich sie bei den meisten Anwendungen recht günstige Ergebnisse ergeben, ist die Verwendbarkeit von filamentartigen polymeren Strukturen mit entweder einer integralen Umhüllung oder einem integralen Kern, die ein elektrisch leitfähiges Material enthalten, etwas beschränkt, das heißt, sie sind für solche Anwendungen ungeeignet, wo ein sehr niedriger Widerstand gefordert wird.

Obgleich Multikomponentenfilamente bekannt sind (vgl. US-Patentschrift 3 531 368, wo ein Multikomponentenfilament beschrieben wird, das eine Vielzahl feiner filamentartiger Teilchen enthält, die kontinuierlich längs der Achse des Filaments verlaufen) und obgleich es weiterhin seit langem bekannt ist, eine der Komponenten einer filamentartigen Multikomponentenstruktur durch die Zugabe von Zusatzstoffen, wie antistatische Mittel, einschließlich elektrisch leitfähigem Ruß (vgl. US-Patentschriften 2 428 046 und 3 582 448) zu modifizieren, hat die vorliegende Erfindung für den Fachmann nicht nahegelegen, da nur durch die besondere Kombination von Elementen, wie sie in der vorliegenden Anmeldung beschrieben wird, Filamente ergibt, die Eigenschaften besitzen, durch die die Nachteile der bekannten Fasern beseitigt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, billige, jedoch dauerhafte elektrisch leitfähige Fasern zu schaffen, die reproduzierbare Leitfähigkeitseigenschaften über einen großen Bereich von Leitfähigkeiten besitzen, im wesentlichen die gewünschten physikalischen

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Eigenschaften des nicht-modifizierten polymeren Substrats aufweisen und die beim Vermischen und bei ihrer Verarbeitung mit normalen natürlichen und synthetischen Textilfasern keine Schwierigkeiten ergeben.

Gegenstand der Erfindung sind integrale elektrisch leitfähige Textilfilamente, die einen Widerstand von nicht über 1Cr Ohm/cm besitzen und enthalten:

a) von etwa 2 bis etwa 1000 elektrisch leitender longitudinal gerichteter Schichten (strata) aus einem faserbildenden polymeren Material mit feinverteilten Teilchen aus elektrisch leitendem Ruß einheitlich darin dispergiert, wobei die Konzentration des elektrisch leitenden Rußes innerhalb Jeder elektrisch leitenden Schicht innerhalb der folgenden Grenzen liegt:

1. Für zwei elektrisch leitende Schichten: von etwa 30 Gew.-% bei einer Gesamtkonzentration an Ruß in dem integralen Filament von etwa 1/2 Gew.-?» — bis etwa 70 Gew.-% bei einer Gesamtkonzentration von Ruß in dem integralen Filament von etwa 1/4 Gew.-% und

2. für 1000 elektrisch leitende Schichten: von etwa 30 Gew.-% bei einer Gesamtkonzentration von Ruß in dem integralen Filament von etwa 12 Gew.-% bis etwa 70 Gev.-% bei einer Gesamtkonzentration

von Ruß in dem integralen Filament von etwa 2 Gevr.-%, und

b) in gemeinsamer Vereinigung mit jeder elektrisch leitenden Schicht längs der Länge von

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mindestens einer ihrer Hauptoberflächen eine nichtleitfähige Schicht aus dem gleichen faserbildenden polymeren Material.

Es ist weiterhin von besonderem Vorteil, wenn das polymere Material ein Acrylnitrilpolymer mit mindestens etwa 85 Gew.-% Acrylnitril und bis zu etwa 15 Gew.-% eines weiteren polymerisierbaren monoolefinisehen, damit copolymerisierbaren Monomeren ist.

Das erfindungsgemäße integrale elektrisch leitfähige Textilfilament ist besonders nützlich, wenn vier elektrisch leitende longitudinal direkte Schichten aus faserbildendem polymeren Material vorhanden sind, wobei jede Schicht feinverteilte Teilchen aus elektrisch leitfähigem Ruß einheitlich darin dispergiert in einer Konzentration von 40 bis 60 Gew.-?6 enthält, wobei die Gesamtkonzentration an Ruß in dem integralen Filament zwischen 4 und 6 Gew.-56 liegt.

Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung der integralen elektrisch leitfähigen Filamente vorteilhafterweise, indem man:

1) einen ersten Lösungsstrom aus faserbildendem polymeren Material erzeugt;

2) einen zweiten Strom aus der gleichen Lgsung des polymeren Materials erzeugt und in dem zweiten Strom feinverteilten elektrisch leitfähigen Ruß in geeigneter Konzentration dispergiert, wobei sich der Ruß nicht in dem Lösungsmittel lösen darf oder mit dem Lösungsmittel reagieren darf;

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3) einen dritten Strom, der mit dem ersten Strom identisch ist, erzeugt;

4) einen vierten Strom erzeugt, der mit dem zweiten Strom identisch ist, und

5) die ersten, zweiten, dritten und vierten Ströme zur Herstellung eines zusammengesetzten Stroms vereinigt, ohne daß ein wesentliches Mischen der einzelnen Ströme untereinander erfolgt, und den entstehenden zusammengesetzten Strom zu integralen Filamenten verspinnt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens werden die ersten und zweiten oben beschriebenen Ströme gleichzeitig in das Einlaßende eines Grenzflächengenerators eingeleitet, der zwischen 8 und etwa 2000 Gesamtschichten erzeugt, und der entstehende vielschichtige zusammengesetzte Strom wird zu integralen Filamenten nach Standard-Naß- oder Trockenspinnverfahren versponnen.

Bei einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform werden viele Filamente zu einem Werg extrudiert, welches in Stapelfasern geschnitten wird und anschließend nach an sich bekannten Verfahren unter Herstellung von gesponnenem Garn verarbeitet wird.

Anhand der beigefügten Zeichnungen werden bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen erläutert. Die Figuren 1 und 2 sind perspektivische Ansichten, die die erfindungsgemäßen integralen elektrisch leitfähigen Filamente schematisch erläutern.

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Das polymere Material, das die erfindungsgemäßen integralen elektrisch leitfähigen Textilfilamente ergibt, kann irgendeines der bekannten film- oder faserbildenden Polymeren sein, die normalerweise auf diesem Gebiet verwendet werden, wie Acrylpolymere, Acetate, Modacrylpolymere, celluloseartige Materialien, Polystyrole, Polyolefine, Polyester und Polyamide. Acrylnitrilpolymere mit mindestens etwa 85 Gew.-96 Acrylnitril und bis zu etwa 15 Gew.-% eines anderen polymerisierbaren und damit copolymerisierbaren monoolefinischen Monomeren sind besonders vorteilhaft. Das einzelne Filament muß mindestens zwei elektrisch leitende longitudinal gerichtete Schichten aus faserbildendem polymeren Material enthalten, wobei jede Schicht darin einheitlich dispergiert feinverteilte Teilchen aus einem elektrisch leitfähigen Ruß enthält. Eine Teilchengröße von etwa 20 bis 40 mn ist bevorzugt.

Die Zahl der elektrisch leitfähigen Schichten und die geeignete Konzentration des elektrisch leitenden Rußes in den einzelnen elektrisch leitfähigen Schichten wurden empirisch bestimmt. In dieser Hinsicht ist es bevorzugt, daß der elektrische Widerstand des einzelnen Filaments nicht über etwa 10^ Ohm/cm liegt und bei vielen Anwendungen zwischen etwa 10 und 10⁹ Ohm/cm liegt. Bei den letzteren Bedingungen ist das Einheitsfilament besonders für eine große Vielzahl von flächenhaften Materialien geeignet, da die Akkumulation von hohen Ladungen aus statischer Elektrizität vermieden wird, während keine wesentlichen Elektrokutionsgefahren auftreten.

Das erfindungsgemäße Filament enthält entsprechend:

a) von etwa 2 bis etwa 1000 elektrisch leitende, longitudinal gerichtete Schichten aus faserbildendem

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polymeren Material mit feinverteilten Teilchen aus elektrisch leitfähigem Ruß einheitlich darin dispergiert, wobei die Konzentration an elektrisch leitfähigem Ruß in jeder elektrisch leitenden Schicht innerhalb der folgenden Grenzen liegt:

1. FUr zwei elektrisch leitende Schichten von etwa 30 Gew.-% bei einer Gesamtkonzentration von Ruß in dem integralen Filament von etwa 1/2 Gew.-96 bis etwa 70 Gew.-% bei einer Gesamtkonzentration von Ruß in dem integralen Filament von etwa 1/4 Gew.-Ji und

2. für etwa 1000 elektrisch leitfähige Schichten von etwa 30 Gew.-96 bei einer Gesamtkonzentration von Ruß in dem Integralen Filament von etwa 12 Gew.-96 bis etwa 70 Gew.-# bei einer Gesamtkonzentration von Ruß in dem integralen Filament von etwa 2 Gew.-96, und

b) in gemeinsamer Verbindung mit jeder elektrisch leitfähigen Schicht längs der Länge von mindestens einer Hauptoberfläche davon eine nicht-leitfähige Schicht aus dem gleichen faserbildenden polymeren Material.

Das integrale elektrisch leitfähige erfindungsgemäße Textilfilament 1st besonders nützlich, wenn vier elektrisch leitende, longitudinal gerichtete Schichten aus fasernbildendem polymeren Material vorhanden sind, wobei jede Schicht feinverteilte Teilchen aus elektrisch leitendem Ruß einheitlich darin in einer Konzentration von 40 bis 60 Gew.-% dispergiert enthält, wobei die Gesamtkonzentration an Ruß in dem integralen Filament zwischen 4 und 6 Gew.-96 liegt.

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Im folgenden werden die Zeichnungen näher erläutert. Obgleich zwei longitudinal gerichtete elektrisch leitfähige Schichten 12 ausreichend die Kombination von Eigenschaften, nach der so lange gesucht wurde, ergibt (vgl. Figur 1), wurde gefunden, daß eine große Anzahl von elektrisch leitfähigen Schichten 12 besonders vorteilhaft ist. (In Figur 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt, die vier elektrisch leitende Schichten 12 enthält). Jede elektrisch leitfähige Schicht 12 ist in gemeinsamer Verbindung längs der Länge von mindestens einer ihrer Hauptoberflächen mit einer nicht-leitenden Schicht 13 aus dem gleichen polymeren Material, wobei eine integrale oder Einheitsfilamentstruktur 11 gebildet wird. Da die einzelnen Komponentschichten dieser Struktur nicht einzeln getrennt oder von der Einheit entfernt werden können, unterscheidet sich die erfindungsgemäße integrale Struktur 11 wesentlich von solchen zusammengesetzten bekannten Strukturen, die einzelne Schichten oder Lagen enthalten, die miteinander mit Klebstoffen und/ oder durch die Anwendung von Wärme und Druck verbunden sind und die leicht entlaminiert oder aufgespalten werden, wodurch ein Verlust in der Leitfähigkeit der Struktur auftritt. Die elektrisch leitfähigen Schichten 12 der erfindungsgemäßen Einheitsstruktur 11 sind ganz anders als die bekannten Materialien, die lange schlanke Teilchen aus disperglerten leitfähigen Blockcopolymeren enthalten und die \ nur schwierig in reproduzierbarer Form aus einer engen Auswahl aus leitfähigen polymeren Materialien hergestellt werden können. Im Gegensatz zu diesen bekannten Strukturen enthalten die elektrisch leitfähigen Schichten 12 der erfindungsgemäßen einheitlichen Filamente 11 feinverteilte Teilchen aus elektrisch leitfähigem Ruß, beispielsweise grob kugelförmige Teilchen aus elektrisch leitfähigem Ruß

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mit einem durchschnittlichen Durchmesser zwischen etwa 20 und AO m Ii, einheitlich dlspergiert in einer nicht-leitenden polymeren Matrix. Die gewünschte elektrische Leitfähigkeit einer Vielzahl von polymeren Materialien kann so leicht und wirtschaftlich erreicht werden und außerdem ist sie reproduzierbar.

Die Höhe von jeder elektrisch leitenden Schicht 12 ist nicht kritisch. Sie variiert mit dem Durchmesser des Filaments 11, der Anzahl der darin enthaltenen Schichten, und der Konzentration an Ruß in jeder Schicht. Es ist jedoch natürlich bevorzugt, daß die Schicht gut definiert bzw. begrenzt und kontinuierlich ist.

In den Zeichnungen sind nur schematische Ansichten dargestellt und die einzelnen Schichten sind nicht und müssen nicht genau definiert bzw. begrenzt sein.

Jede nicht-leitende Schicht 13 aus polymerem Material, die das erfindungsgemäße Einheitsfilament 11 ergibt, besteht aus dem gleichen polymeren Material, das die Matrix der elektrisch leitfähigen Schicht 12 darstellt. Im folgenden wird eine Erläuterung und ein Beispiel für ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der Einheit aus Schichten gegeben, die die erfindungsgemäße integrale filamentartige Struktur 11 ergibt.

Zur Herstellung von erfindungsgemäßen integralen elektrisch leitfähigen Filamenten kann man eine Anzahl von Spezialverfahren verwenden. Das bevorzugte Verfahren ist ein Verfahren, bei dem das gut bekannte Spinnverfahren einer Lösung aus faserbildendem polymeren Material in einem Lö-

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/sr

sungsmittel modifiziert wird. Diese Modifizierung bzw. Verbesserung umfaßt:

1) Erzeugung eines ersten Stroms aus einer Lösung aus polymerem Material;

2) Erzeugung eines zweiten Stroms der gleichen Lösung des polymeren Materials und Dispergieren in dem zweiten Strom zwischen etwa 30 und 70 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des polymeren Materials, an feinverteiltem elektrisch leitfähigen Ruß, der sich in dem Lösungsmittel nicht löst und nicht damit reagiert;

3) Erzeugung eines dritten Stroms, der identisch ist mit dem ersten Strom;

4) Erzeugung eines vierten Stroms, der identisch 1st mit dem zweiten Strom, und

5) eine Vereinigung der ersten, zweiten und dritten Ströme zu einem zusammengesetzten Strom ohne wesentliches Mischen der einzelnen Komponentenströme und Verspinnen des entstehenden zusammengesetzten Stroms zu integralen Filamenten.

Das polymere Material ist irgendeines der gut bekannten film- oder faserbildenden Polymeren, die normalerweise auf diesem Gebiet verwendet werden. Beispiele wurden bereits oben aufgeführt. Ihre Lösung wird hergestellt, indem man das ausgewählte polymere Material in einer Flüssigkeit löst, die für es ein gutes Lösungsmittel ist,* die jedoch

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nicht mit dem feinverteilten elektrisch leitfähigen Ruß, der in dem zweiten Strom nach Standardverfahren dispergiert wird, reagiert oder sich darin löst. Die einzelnen Ströme werden zuerst entgast und anschließend verbunden bzw. vereinigt, indem man sie gleichzeitig in paralleler Beziehung in ein zylindrisches Element leitet, das durch eine Düse oder eine Jetdüse endet. Wenn ein "Naßspinnen"-Verfahren gewählt wurde, wird der zusammengesetzte Strom "gesponnen" oder extrudiert durch eine Spritzdüse in ein Koagulationsbad, das eine Flüssigkeit enthält, die mit dem Lösungsmittel für das Polymere mischbar ist, die aber selbst für das Polymere ein Nicht-Lösungsmittel ist und bewirkt, daß das Polymere ausfällt. Das so gebildete Filament wird dann zur Entfernung der Spinnlösungsmittel gewaschen, im allgemeinen im Gegenstrom mit Wasser, und dann getrocknet und schließlich auf eine Packung aufgewickelt für die nachfolgende Verwendung bei der Herstellung einer großen Vielzahl antistatischer flächenhafter Materialien bzw. flächenhafter Textilmaterialien. Wenn das "Trockenspinnverfahren¹¹ gewählt wurde, muß das in dem zusammengesetzten Strom vorhandene Lösungsmittel flüchtig sein und der zusammengesetzte Strom wird durch eine Jetdüse in Luft oder einer Inertgasatmosphäre "gesponnen" oder extrudiert, wonach das Filament durch Verdampfung des Lösungsmittels aus dem zusammengesetzten Strom gebildet wird. Das Trockenspinnen erfolgt im allgemeinen unter Verwendung eines zylindrischen Elements in vertikaler Stellung. Das zylindrische Element ist im allgemeinen für die Temperaturkontrolle mit einem Mantel versehen und so ausgerüstet, daß über die Jetdüse Luft, Dampf oder ein Inertgas entweder im Gleichstrom oder Gegenstrom je nach Bedarf geleitet werden kann. FUr Fasern mit niedrigem Denier ist ein Abwärtsspinnen bevor-

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zugt und ein Aufwärtsspinnen ist für Fasern mit höherem Denier bevorzugt, da das Strecken durch Beseitigung des Schwereeinflusses besser kontrolliert werden kann.

Es wurde gefunden, daß von besonderer Bedeutung und von großem Vorteil bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, die oben beschriebenen ersten und zweiten Ströme gleichzeitig in das Einlaßende eines Grenzflächengenerators einzuleiten und dann den entstehenden mehrschichtigen zusammengesetzten Strom durch die JetdUse und in ein Koagulationsbad oder in Luft oder eine Inertgasatmosphäre zu leiten. Grenzflächengeneratoren können mit Vorteil diejenigen sein, die in den US-Patentschriften 3 404 869 und 3 583 678 beschrieben werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Filamente besonders gute Ergebnisse erhalten werden, ist das faserbildende polymere Material ein langkettiges synthetisches Polymer, das aus mindestens etwa 85 Gew.-% Acrylnitrileinheiten besteht, wobei der Rest aus einem oder mehreren anderen monoolefinischen Monomeren besteht, die damit copolymerisierbar sind, wie Vinylacetat, Alkylester von Acryl- und Methacrylsäure, Vinylbromid, wie auch Monomeren, die gegenüber sauren Farbstoffen eine Affinität aufweisen, insbesondere solche, die ein tertiäres oder quarternäres Stickstoffatom im Molekül enthalten, wie Vinylpyridin und Methylvinylpyridin, sowie Monomere, die eine Affinität gegenüber basischen Farbstoffen besitzen, insbesondere solche, die eine SuI-fonsäure- oder Carbonsäuregruppe enthalten, wie Alkylsulfonsäure, Itaconsäure, unter vielen anderen. Das elektrisch leitende Material, das bei dieser bevorzugten AusfUhrungs-

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form verwendet wird, ist ein elektrisch leitfähiger Ruß mit einer Teilchengröße zwischen etwa 20 und 40 mn. Das Acrylnitrilpolymer wird in einem anorganischen Lösungsmittel, wie es in den US-Patentschriften 2 558 730 und

2 916 348 angegeben wird, oder in einem organischen Lösungsmittel, wie es in Knudsen "Textile Research Journal", 33, 13 bis 20 (1963) angegeben wird, gelöst. Die ersten und zweiten Ströme werden in das Einlaßende eines Grenzflächengenerators geleitet, wie er in der US-Patentschrift

3 583 678 beschrieben wird, unter Bildung eines zusammengesetzten Stroms mit zwischen 8 und über 2000 Gesamtschichten, wobei der zusammengesetzte Strom dann durch eine Jetdüse in ein Koagulationsbad gesponnen wird, wo das Polymer ausgefällt wird. Das so gebildete Einheitsfilament wird im Gegenstrom mit Wasser gewaschen, gestreckt, gekräuselt und getrocknet.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung. In den Beispielen sind alle Teile und Prozentgehalte, sofern nichts anderes angegeben ist, durch das Gewicht ausgedrückt.

Beispiel 1

In diesem Beispiel werden die Einzelheiten eines bevorzugten Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen integralen elektrisch leitfähigen Filaments erläutert und einige der Grundeigenschaften des Filaments aufgeführt.

Ein Acrylnitrilhomopolymer, dessen Herstellung beispielsweise in der US-Patentschrift 2 847 405 beschrieben wird, wird in einer 60#igen Lösung aus Zinkchlorid unter Her-

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stellung einer Stocklösung, die etwa 11% Acrylpolymer enthält, gelöst. Ein erster Strom aus dieser Lösung wird in einer Leitung erzeugt. Zu einem Teil der Stocklösung, die zur Herstellung des ersten Stroms verwendet wird, gibt man im Handel erhältlichen elektrisch leitfähigen Ruß mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 350 m u in einer Menge, die ausreicht, eine Dispersion der folgenden Zusammensetzung zu ergeben: 6% Acrylnitrilhomopolymer, 6% Ruß. Ein zweiter Strom wird aus dieser Dispersion erzeugt. Durch die Verwendung von zwei Meßpumpen werden die ersten und zweiten Ströme gleichzeitig in das Einlaßende eines Grenzflächengenerators in den folgenden Verhältnissen eingeleitet: 90% erster Strom und 10% zweiter Strom. Der Grenzflächengenerator, der in der US-Patentschrift 3 583 678 beschrieben und dargestellt wird, enthält ein individuelles Grenzflächen erzeugendes Element mit vier Durchgängen durch es. Dementsprechend beträgt die Gesamtzahl an erzeugten Schichten 8 (4 leitende und 4 nicht-leitende). Der entstehende zusammengesetzte Strom wird durch eine Spinndüse in ein Koagulationsbad mit 42% Zinkchlorid in Wasser gesponnen und die einheitliche filamentartige Struktur, die auf diese Weise hergestellt wurde, wird im Gegenstrom mit Wasser gewaschen, auf ungefähr das 9-fache ihrer ursprünglichen Länge gedehnt und in Luft getrocknet. Das Filament wird schließlich auf eine Spule für die nachfolgende Verwendung bei der Herstellung von antistatischem flächenhaften Material aufgewickelt. Das Filament besitzt einen Denier von 15 und eine Gesamtrußkonzentration von 5%. Unter-Verwendung eines Keithley-61OC-Elektrometers wird der elektrische Widerstand des Filaments bestimmt, er beträgt 10' Ohm/cm. Dieses Filament, das im folgenden als Filament A bezeichnet wird, wird mit einem Acrylnitrilhomopolymerfila-

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Io

ment mit 15 Denier, das als Filament B bezeichnet wird und das einen elektrischen Widerstand von 10 Ohm/cm besitzt, verglichen. Vgl. Tabelle I. Dieser Vergleich zeigt, daß die gewünschten Textileigenschaften der Acrylhomopolymerfilamente beim Filament A erhalten bleiben, während eine wesentliche Leitfähigkeit erhalten wird.

Beispiel 2

Es werden verschiedene Versuche durchgeführt, die im wesentlichen identisch sind wie das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren^ mit der Ausnahme der Anzahl der elektrisch leitfähigen Schichten und der Zusammensetzung von jeder elektrisch leitfähigen Schicht in dem integralen Filament. Es wurden die in Tabelle I aufgeführten Änderungen durchgeführt. Die im folgenden beschriebenen Filamente C bis E und die anderen werden hergestellt und ihre physikalischen Eigenschaften werden bestimmt. Die Ergebnisse dieser Messungen werden ebenfalls in Tabelle I aufgeführt.

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Tabelle I

Filament Anzahl der (C) in je- Gesamt- Wider- Exten- Zähigelektrisch der elek- (C) in stand sion keit leitfähigen trisch dem in- Ohm/cm % bzw. Schichten leitfähi- tegralen Festig

gen Schicht Filament keit

g/Deniei

A (erfindungsge mäß)

B (Vergleich)

C (erfindungsge-

D (erfindungsge mäß;

E (erfindungsge mäß;

64

1000

50%
O

5% 10' 13,8 3,9 O 10¹⁴ 10,0 4,0

50%

10⁵ 14,6 3,3

2% 1O^y 15,1 4,2 5% 1O^y 14,1 3,2

Bei mehr als etwa 1000 elektrisch leitfähigen Schichten übersteigt der Widerstand des Filaments 10^y Ohm/cm. Bei nur einer leitfähigen Schicht fibrilliert das Filament unerwünscht.

Beispiel 3

In diesem Beispiel wird die Verwendbarkeit und Dauerhaftigkeit von erfindungsgemäßen integralen elektrisch leitfähigen
Filamenten beschrieben.

Versuch A:

Das Filament A von Beispiel 1 oben wird zu Stapellängen von

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7,62 cm (3 inches) geschnitten und nach Standardverfahren mit einem ö-Denier-Nylon-ö-Stapelprodukt mit einer Stapellänge von 15,24 cm (6 inches) unter Bildung eines Gemisches, das 2% Filament A enthält, vermischt. Dieses Gemisch wird nach Standardverfahren zu einem 2,25/2-Baumwollzahlgam mit 3,5 Z-Umdrehungen und 2,5 S-Umdrehungen pro 2,54 cm verarbeitet. Dieses Garn wird als Garn A bezeichnet. Unter Verwendung eines Juteunterfadenmaterials und unter Verwendung einer Standardtuftmaschine wird ein 30 oz/yd -Gehalt-Schlingenteppich (der im folgenden als Teppich A bezeichnet wird) aus dem Garn A hergestellt.

Versuch B:

Der Teppich A wird dann dem statischen Elektrizitätstest, wie zuvor beschrieben, unterworfen. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Tabelle II als "statische Anfangselektrizität·¹ aufgeführt.

Nach der Prüfung der statischen Anfangselektrizität wird der Teppich A einem beschleunigten Abnutzungsverfahren während 60 h unterworfen, danach erfolgt erneut eine Prüfung der statischen Elektrizität. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in der folgenden Tabelle II als "statische Endelektrizitä-e« aufgeführt.

Aus der Tabelle II ist erkennbar, daß der Teppich A nicht nur zu Beginn statisch geschützt ist (d.h. er ermöglicht die Erzeugung von statischen Ladungen über 3000 V nicht, dieser Wert wird im allgemeinen als durchschnittlicher Schwellenwert für die menschliche Empfindlichkeit angesehen), sondern der Teppich A ist ebenfalls nach ausgedehnter

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Benutzung statisch geschützt. Eine mikroskopische Prüfung des elektrisch leitfähigen Filaments A zeigt keine erkennbare Verschlechterung.

Statischer Elektrizitätstest:

Das zu prüfende Flächengebilde wird zuerst in quadratische Proben 91,A4 χ 91,44 cm pro Seite geschnitten. Diese Proben werden 7 Tage konditioniert, indem man sie auf Gestelle in einem Testraum hängt, der mit einer Kautschukfußmatte ausgerüstet ist und mindestens 1076 qm Fläche aufweist, wobei die Temperatur bei 21,1 i 1,1⁰C kontrolliert wird und die relative Feuchtigkeit bei 20% i 196 kontrolliert wird.

Eine freie Zirkulation der Luft über alle Probenoberflächen wird erzeugt, aber die Proben berühren einander nicht. Ein Paar Testschuhe mit Neolit- oder PVC-Sohle wird ebenfaTLs die gleiche Zeit bei den gleichen Bedingungen konditioniert.

Die restliche statische Ladung der Kautschukbodenmatte wird dann neutralisiert, indem man zweimal über ihre gesamte Oberfläche eine Poloniumwand zieht, die 6 Polonium 210-Legierungsstreifen enthält, die Ende an Ende auf einen Kopf aufgebracht sind, der an einem Griff befestigt ist. Eine Probe des flächenhaften Gebildes wird dann auf die Kautschukbodenmatte gegeben und die restliche statische Ladung wird auf gleiche Weise neutralisiert. Die Sohlen der Testschuhe werden dann durch Abschmirgeln ihrer gesamten Oberfläche mit feinem Sandpapier gereinigt und anschließend wird zur Entfernung von Staubteilchen mit einem Tuch abgewischt.

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Ein Prüfer, der die Testschuhe trägt und eine Handsonde hält, die mit einem elektrostatischen Nachweiskopf verbunden ist, tritt auf die Teppichprobe und erdet die Sonde. Während er die Handsonde hält, geht ein Prüfer normal auf der Probe in einer Rate von zwei Schritten pro see während 30 see, wobei er sorgfältig darauf achtet, die Schuhe nicht über dem flächenhaften Gebilde zu reiben oder zu schlürfen. Gegen Ende der 30-sec-Zeit hat die Spannung noch kein konstantes Maximum erreicht, daher wird der Gang weitere 30 see fortgeführt. Die maximale Spannung, die während dieses Gangs aufgezeichnet wird, ist der statische Gehalt der Probe. Die Durchschnittsv/erte für zwei Prüfer sind in der Tabelle II als statische Elektrizität in V aufgeführt.

Tabelle II

Teppich- statische Anfangs- statische Endelektrizität, probe elektrizität, V V

Neolit- PVC-Sohlen Neolitsohlen PVC-Sohlen

sohlen

A (erfindungsge
mäß; 1400 1200 1500 1600

Florflächengebilde, wie der Teppich A, dessen Herstellung oben beschrieben wurde, erzeugen, wenn sie in einer Atmosphäre mit einer relativen Feuchtigkeit von mindestens 20# verwendet werden, keine statische Ladung über etwa 3000 V; dieser Wert liegt in der Nachbarschaft zu dem Schwellenwert für die menschliche Empfindlichkeit. Bei den gleichen Bedingungen kann ein Standard-Nylon-6-Teppich bis zu etwa 14000 V erzeugen. Florflächengebilde, wie der Teppich A, erzeugen, wenn sie integrale elektrisch leitfähige Filamente mit einem elektrischen Widerstand zwischen etwa 10 und

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10^ Ohm/cm enthalten, keine Elektrokutionsgefahr für diejenigen, die sie anfassen, im Falle eines zufälligen und gleichzeitigen Kontakts dieser Flächengebilde mit einer Quelle für im wesentlichen unbegrenzten elektrischen Strom, wie sie bei üblichen elektrischen Auslässen auftritt, oder bei Kurzschlüssen elektrischer Anlagen durch Isolationsfehler.

Die erfindungsgemäßen integralen elektrisch leitfähigen Filamente besitzen eine einzigartige Kombination von Eigenschaften. Dies bewirkt, daß sie als kontinuierliche Filamente oder als Stapelprodukte verwendet werden können, nicht nur für Teppiche, großen Wolldecken und andere Arten von Bodenbelägen, sondern ebenfalls in Bettdecken, insbesondere für Krankenhäuser, in Vorhängen,insbesondere in Krankenhäusern für die Abtrennung von Kabinen, in Bekleidungsgegenständen, insbesondere bei Uniformen und Unterwäsche, wie Slips, bei Wirk-, insbesondere Strumpfwaren, insbesondere bei Strumpfhosen und Kniestrümpfen, als Heizflächengebilde bzw. Heizkissen und als Nähfäden.

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ι ^Ä Leerse

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber 8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22 Patentansprüche

1. Integrales elektrisch leitfähiges Textilfilament mit einem Widerstand nicht über etwa 10* Ohm/cm, dadurch gekennzeichnet , daß das Filament enthält:

a) von 2 bis etwa 1000 elektrisch leitfähige longitudinal gerichtete Schichten aus einem faserbildenden polymeren Material mit feinverteilten Teilchen aus elektrisch leitfähigem Ruß einheitlich darin dispergiert, wobei die Konzentration an elektrisch leitfähigem Ruß in jeder elektrisch leitfähigen Schicht innerhalb der folgenden Grenzen liegt:

1) für zwei elektrisch leitfähige Schichten: von etwa 30 Gew.-% bei einer Gesamtkonzentration von Ruß in dem integralen Filament von etwa 1/2 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% bei einer Gesamtkonzentration von Ruß in dem integralen Filament von etwa 1/4 Gew.-?6, und

2) für etwa 1000 elektrisch leitfähige Schichten: von etwa 30 Gew.-# bei einer Gesamtkonzentration von Ruß in dem integralen Filament von etwa 12 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-# bei einer Ge-

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ORIGINAL INSPECTED

samtkonzentration von Ruß in dem integralen Filament von etwa 2 Gew.-#, und

b) in gemeinsamer Verbindung mit jeder elektrisch leitenden Schicht längs der Länge von mindestens einer Hauptoberfläche eine nicht-leitende Schicht aus dem gleichen faserbildenden polymeren Material.

2. Integrales elektrisch leitfähiges Textilfilament nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das polymere Material ein Acrylnitrilpolymer ist, das mindestens etwa 85 Gew.-% Acrylnitril und bis zu etwa 15 Gew.-% eines anderen, damit copolymerisierbaren, polymerisierbaren monoolefinischen Monomeren enthält.

3. Integrales elektrisch leitfähiges Textilfilament nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens vier elektrisch leitende longitudinal gerichtete Schichten aus faserbildendem polymeren Material vorhanden sind, wobei jede Schicht feinverteilte Teilchen aus elektrisch leitfähigem Ruß einheitlich dispergiert darin in einer Konzentration von 40 bis 60 Gev.-% enthält und wobei die Gesamtkonzentration an Ruß in dem integralen Filament zwischen 4 und 6 Gew.-% liegt.

4. Leitfähiges gesponnenes Garn, dadurch gekennzeichnet, daß es integrale elektrisch leitfähige Textilfilamente von Anspruch 1, vermischt mit einem nicht-leitfähigen Stapelprodukt, enthält.

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