DE3642416C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von ein
Gel aufweisenden Fasern, insbesondere ein Verfahren zur Her
stellung von derartigen Fasern, die durch äußere Einwir
kung reversibel zum Quellen und Schrumpfen gebracht werden
können.
Verfahren zur Herstellung von synthetischen Fasern umfassen
im allgemeinen eine Spinnstufe, bei der ein als Ausgangsma
terial verwendetes Polymerisat nach einem seinen physikali
schen Eigenschaften angepaßten Verfahren in einen leicht
fließfähigen Zustand gebracht wird, indem man beispiels
weise das Polymerisat in einem geeigneten Lösungsmittel
unter Bildung einer Lösung löst oder das Polymerisat in
einen geschmolzenen Zustand überführt und die Lösung oder
die Schmelze durch eine Düse einer bestimmten Größe extru
diert, um eine Verfestigung zu einer Faser zu erreichen.
Ferner umfassen derartige Herstellungsverfahren eine Fertig
stellungsstufe, bei der entsprechend den verschiedenen Be
dürfnissen die gewünschten physikalischen Eigenschaften er
reicht werden.
Wird beim Spinnverfahren eine Lösung eines Polymerisats als
Spinnflüssigkeit verwendet, so stehen zwei Spinnverfahren
zur Verfügung, nämlich das Naßspinnen und das Trockenspinnen.
Das Naßspinnen ist ein Verfahren zur Herstellung von Poly
merisatfasern, indem man eine zur Bildung von Fasern geeig
nete Polymerisatlösung (Spinnlösung) in eine Lösung zur Ko
agulation des Polymerisats (Fällbad) spinnt, d.h. durch
eine Spinndüse extrudiert, sodann den abgegebenen Flüssig
keitsstrom zu einem Faden von gewünschter Dicke dehnt und
den Faden mittels einer mechanischen Vorrichtung, z.B.
mittels einer Drehspule, einer Zentrifugalvorrichtung und
dergl., sammelt. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise
Vinylon oder Acrylfasern herstellen.
Beispielsweise wird bei der Herstellung von Vinylon
unter Verwendung von Polyvinylalkohol, der ein wasserlös
liches polymeres Ausgangsmaterial darstellt, eine wäßrige
PVA-Lösung mit einer Konzentration von etwa 15 Prozent als
Spinnlösung verwendet, während eine wäßrige Lösung eines
Salzes, z.B. Glaubersalz, Ammoniumsulfat und dergl. oder
von Alkali, wie Natriumhydroxid und dergl., als Flüssigkeit
zur Koagulation des Polymerisats (Fällbad) verwendet wird.
Beim Trockenspinnen wird die Spinnlösung durch eine Spinn
düse in ein erwärmtes Gas versponnen, um das Polymerisat
durch Verdampfen des Lösungsmittels aus der Spinnlösung zu
verfestigen. Gemäß diesem Verfahren lassen sich beispiels
weise Vinylon, Acrylfasern, Vinylchloridfasern und dergl.
herstellen.
Zur Herstellung von Vinylon gemäß dem Trockenspinnverfahren,
wird als Spinnlösung beispielsweise eine wäßrige, hochkon
zentrierte PVA-Lösung mit einem Gehalt von etwa 30 bis 50
Prozent verwendet und in erwärmtes Gas gesponnen.
Wenn sich die gewünschten physikalischen Eigenschaften nicht
in ausreichendem Maße bei den durch die Spinnstufe gebilde
ten Fasern verwirklichen lassen, so wird ggf. eine weitere
Stufe zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften
der Fasern angewandt.
Beispielsweise wird beim vorerwähnten Verfahren zur Herstel
lung von Vinylon an die Spinnstufe eine Wärmebehandlungs-
und Acetalisierungsstufe angeschlossen.
Bei der Wärmebehandlungsstufe wird die Faser in Luft auf
210 bis 220°C erwärmt, wodurch die Kristallisation der
Faser fortschreitet und ihr vorwiegend Wasserbeständigkeit
und Festigkeit verliehen wird. Bei der Acetalisierungsstufe
wird die der vorerwähnten Wärmebehandlungsstufe unterworfene
Faser in eine wäßrige Lösung mit einem Gehalt an Form
aldehyd, Natriumsulfat und Schwefelsäure in vorgeschriebenen
Konzentrationen, ggf. unter Erwärmen, getaucht. Durch diese
Behandlung werden im Polymerisat vorhandene hydrophile
Hydroxylgruppen untereinander vernetzt, wodurch die Faser
gegen heißes Wasser beständig wird.
Die gemäß den vorstehend erläuterten Verfahren gebildeten
synthetischen Fasern werden vorwiegend als Fasern für tex
tile Werkstoffe oder als Fasern für industrielle Anwendungs
zwecke, z.B. Seile, Reifen, verschiedene Füllstoffe und
dergl., angewendet. Von diesen Fasern wird im allgemeinen
eine ausreichende Zugfestigkeit und Wasserbeständigkeit
oder eine angemessene Dehnbarkeit und Gleichmäßigkeit der
Form verlangt. Um diesen Bedingungen zu genügen, wird im
Anschluß an das Spinnen eine Nachbehandlung durchgeführt,
z.B. bei der Herstellung von Vinylon eine Wärmebehandlung
und Acetalisierungsbehandlung.
Im Rahmen von Untersuchungen, die zur vorliegenden Erfindung
führten, wurde nach neuen Fasern gesucht, deren Eigenschaf
ten und Funktionen bei den vorstehend erläuterten herkömm
lichen Fasern nicht verwirklicht sind.
Aus der US-PS 40 41 020 ist ein Lösungsspinnverfahren zur
Herstellung von Fasern unter Verwendung von N-substituierten
Acryl- oder Methacrylamiden bekannt, wobei es sich bei den
Substituenten um N-Hydroxymethyl- oder N-Alkoxymethylgruppen
handelt.
Aus der US-PS 37 33 386 geht die Herstellung von Fasern unter
Verwendung eines Copolymerisats hervor, das zu mindestens
80 Gew.-% aus Acrylnitril besteht.
Aus dem am Ende der Beschreibung angefügten Versuchsbericht
geht hervor, daß die erfindungsgemäß hergestellten Fasern
gegenüber diesen bekannten Fasern ein überlegenes
Schrumpfungsverhalten zeigen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
von Fasern, deren physikalische Eigenschaften und Funktio
nen bei herkömmlichen Fasern nicht verwirklicht sind, bereit
zustellen. Insbesondere sollen diese Fasern entsprechend
den Veränderungen in der Umgebung, in die sie gebracht
werden, reversibel zum Quellen oder Schrumpfen gebracht werden können.
Der Gegenstand der Erfindung ist in den Patentansprüchen definiert.
Fig. 1 und 2 stellen jeweils schematische Darstellungen von
im erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren Vorrichtungen
dar, wobei Fig. 1 eine Vorrichtung zum Naßspinnen und Fig. 2
eine Vorrichtung zum Trockenspinnen zeigt.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, die ein Anwendungs
beispiel für die erfindungsgemäß hergestellten Fasern zeigt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein
Verfahren zur Herstellung von Gelfasern, das folgende Stufen
umfaßt: Verspinnen einer Lösung, die mindestens eine Kom
ponente, die ein Gel bilden kann, enthält, unter Verfesti
gung dieser Lösung zu einer Faser und Vernetzen der Lö
sungskomponente zu einem Gel.
Somit besteht ein spezielles Merkmal des erfindungsgemäßen
Verfahrens im Verspinnen einer Lösung eines Ausgangsmate
rials, das durch eine Vernetzungsreaktion ein Gel bilden
kann, und im Vernetzen des erhaltenen faserigen Materials
unter Bildung eines in einem Gel vorhandenen Netzwerks, so
daß eine ein Gel enthaltende Faser gebildet wird. Demge
mäß handelt es sich bei der Vernetzungsstufe des erfindungs
gemäßen Verfahrens um eine Stufe, bei der die Struktur der
Faser auf der molekularen Ebene stark verändert wird, was
einen erheblichen Unterschied zu der vorstehend erläuterten
herkömmlichen Fertigstellungsstufe darstellt, bei der nach
dem Spinnen die physikalischen Eigenschaften von Fasern ver
bessert werden sollen.
Nachstehend werden die Hauptstufen des erfindungsgemäßen
Verfahrens näher erläutert.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Spinnlösung
kann durch Lösen der Komponenten, die durch eine Vernetzungs
reaktion ein Gel mit den gewünschten Eigenschaften bilden
können, in einem geeigneten Lösungsmittel hergestellt werden.
Die erfindungsgemäße Vernetzungsreaktion umfaßt die Ver
netzung zwischen vernetzbaren Polymerisaten sowie die Ver
netzung zwischen Polymerisaten in Gegenwart eines Vernetzungs
mittels. Demgemäß kann eine breite Klassifizierung der Art
der hergestellten Spinnlösung in Abhängigkeit vom Verfahren
zur Vernetzung des Polymerisats vorgenommen werden:
- a) Die Spinnlösung enthält zumindest ein vernetzbares Polymerisat;
- b) die Spinnlösung enthält zumindest ein vernetzbares Polymerisat und ein Vernetzungsmittel zur Vernetzung dieser Polymerisate;
- c) die Spinnlösung enthält zumindest ein vernetzbares Polymerisat, das durch Bestrahlung, z. B. mit γ-Strahlen, vernetzt werden kann; und
- d) die Spinnlösung enthält zwei oder mehr der vorerwähnten Bestandteile (a) bis (c).
Beim vorerwähnten vernetzbaren Polymerisat kann es sich um
Homopolymerisate und Copolymerisate von vernetzbaren Mono
meren sowie um Copolymerisate aus unvernetzbaren Monomeren
und vernetzbaren Monomeren handeln.
Beim in der Spinnlösung verwendeten Polymerisat kann es
sich um beliebige Polymerisate handeln, die in ihrem Ge
samtbereich oder in einem Teilbereich zur Bildung des Ge
rüsts eines Gels in der Lage sind. Polymerisate, deren
monomere Zusammensetzung und Polymerisationsgrad den ge
wünschten physikalischen Eigenschaften und Funktionen des
Produkts entsprechen, können in entsprechender Weise ausge
wählt und eingesetzt werden.
Bei Verwendung der im Anspruch 1 genannten Polymerisate mit einem hydrophoben
Substituenten als N-Substituenten besteht die Tendenz, daß
die Phasenübergangstemperatur des erhaltenen Gels vom ge
quollenen Zustand in den geschrumpften Zustand in Wasser ge
senkt wird. Demgegenüber besteht bei Verwendung von Poly
merisaten mit einem hydrophilen Substituenten eine Tendenz
zur Erhöhung der Phasenübergangstemperatur. Unter Berück
sichtigung dieser Befunde ist eine entsprechende Auswahl
der das Polymerisat bildenden Ausgangsmonomeren möglich.
Ferner ist es auch möglich, ein vernetzbares Copolymerisat
zu verwenden, das während der Herstellung der Ausgangs
polymerisate zur Bildung der erfindungsgemäßen Fasern
durch Copolymerisation eines vernetzbaren Monomeren zu einem
Polymerisat gebildet worden ist. Beispiele für in derartigen
Fällen verwendbare vernetzbare Monomere sind Verbindungen
mit einer Mehrzahl von Molekülstellen, die eine Polymeri
sationsreaktion hervorrufen können, oder Verbindungen mit
einer Mehrzahl von Molekülstellen, die eine Kondensations-
oder Additionsreaktion auslösen können, wie Divinylbenzol,
Äthylendimethacrylat, Glycidylmethacrylat, N-Methylolacryl
amid, Glutaraldehyd, Dimethylolharnstoff, Epichlorhydrin,
Phenyldiisocyanat und dergl.
Die in der Spinnlösung vom vorgenannten Typ (c) enthaltenen
Vernetzungsmittel können in geeigneter Weise je nach dem
einzusetzenden Ausgangspolymerisat ausgewählt werden. Bei
spielsweise kann zur Bildung eines Polymerisatgels mit den
vorerwähnten Quell- und Schrumpfungseigenschaften eine Bis
azidverbindung, wie eine Verbindung der Formel
und dergl., oder eine bifunktionelle
Verbindung, wie Dimethylolharnstoff und dergl., verwendet
werden.
Beispiele für Lösungsmittel zur Bildung der Spinnlösung
sind Wasser oder Alkohole, wie Methanol, Äthanol und dergl.;
Ketone, wie Aceton, Methyläthylketon und dergl.; Kohlen
wasserstoffe, wie Pentan, Cyclohexan, Benzol und dergl.;
halogenierte Kohlenwasserstoffe, wie Tetrachloräthan, Di
chlorbenzol und dergl.; Ester, wie Isoamylacetat, Äthylfor
miat und dergl.; Äther, wie Dioxan, Diglyme und dergl.; Ami
de, wie Dimethylformamid, Dimethylacetamid und dergl.; schwe
felhaltige Lösungsmittel, wie Dimethylsulfoxid und dergl.,
sowie andere organische Lösungsmittel und Gemische der vor
genannten Lösungsmittel. Ferner kommen Lösungen in Frage,
die mit Salzen, wie Lithiumperchlorat, Ammoniumpropionat
und dergl., oder organischen Verbindungen, wie Harnstoff,
Glucose und dergl., versetzt sind. Die Lösungsmittel und
die Zusätze werden je nach dem verwendeten Ausgangspoly
merisat ausgewählt.
Die Spinnlösung kann zweckmäßigerweise auch geeignete
Mengen an verschiedenen Additiven enthalten, wie oberflä
chenaktive Mittel, geringe Mengen an wasserlöslichen Salzen
und dergl.
Die Zusammensetzung der Spinnlösung, insbesondere die Kon
zentration des Ausgangspolymerisats wird in geeigneter Wei
se innerhalb eines Bereichs gewählt, in dem die physikali
schen Eigenschaften, z.B. die Viskosität, eine praxisge
rechte Durchführung des Spinnvorgangs erlauben, so daß Pro
dukte mit den gewünschten physikalischen Eigenschaften er
halten werden. Die Zusammensetzung kann nicht exakt defi
niert werden, da sie je nach Lösungsmittel, Additiv und
Ausgangspolymerisat variiert, jedoch liegt im allgemeinen
die Konzentration des Ausgangspolymerisats beim Naßspinn
verfahren im Bereich von etwa 1 bis 15 und vorzugsweise
2 bis 10 Gewichtsprozent und beim Trockenspinnverfahren im
Bereich von etwa 5 bis 30 Gewichtsprozent.
Durch Verwendung einer Spinnlösung der vorstehend beschrie
benen Art läßt sich die erfindungsgemäße Spinnstufe
praxisgerecht durchführen. Für die Spinnstufe können, wie
bereits erwähnt, beispielsweise das Naßspinnverfahren oder
das Trockenspinnverfahren angewandt werden. Diese beiden
Verfahren werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeich
nung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für eine bei der praktischen Durch
führung der erfindungsgemäßen Spinnstufe nach dem Naß
spinnverfahren verwendete Vorrichtung.
Dabei wird die Spinnlösung 12 in einen Druckextruder 11 ge
füllt und mittels einer geeigneten Extrudiervorrichtung mit
einer vorbestimmten Fließgeschwindigkeit durch eine Düse 13
in ein Koagulationsbad 14 extrudiert (versponnen). Das in
das Koagulationsbad 14 extrudierte Ausgangspolymerisat der
Spinnlösung 12 wird koaguliert und während der Bildung der
Faser 16, die das koagulierte Produkt enthält, auf eine
Aufwickelvorrichtung, die eine mit vorbestimmter Drehzahl
rotierende Scheibe 17 aufweist, aufgewickelt. Somit wird
die Faser 16, die ein Koagulationsprodukt des Ausgangspoly
merisats enthält, gebildet. In diesem Stadium ist das Poly
merisat in der Faser noch nicht der Gelbildung unterworfen.
Beim Naßspinnverfahren ist es auch möglich, ein Vernetzungs
mittel oder andere Additive, die ggf. in der Koagulations
flüssigkeit 15 enthalten sind, der Faser 16 bei der Koagula
tion des Polymerisats einzuverleiben.
Die Koagulationsflüssigkeit 15 wird in geeigneter Weise je
nach Art des für die Spinnlösung verwendeten Ausgangspoly
merisats gewählt. Beispielsweise kann eine konzentrierte
wäßrige Lösung eines anorganischen Salzes, wie Natrium
chlorid, Natriumsulfat, Ammoniumsulfat, Calciumchlorid und
dergl. verwendet werden.
Die Scheibe 17 der Aufwickelvorrichtung ist mit einem Motor
18 zum Antrieb der Scheibe verbunden. Die Drehzahl des Mo
tors 18 wird durch eine Regelvorrichtung (nicht abgebildet)
geregelt.
Die Betriebsbedingungen, z.B. Öffnungsdurchmesser der Düse,
Extrusionsgeschwindigkeit der Spinnlösung, Aufwickelge
schwindigkeit der Fasern und dergl., können je nach dem
Querschnitt der gebildeten Fasern oder den physikalischen
Eigenschaften oder Funktionen, wie Festigkeit, unter Berück
sichtigung der Viskosität der Spinnlösung oder der Art der
Koagulationsflüssigkeit gewählt werden.
Demgemäß können die physikalischen Eigenschaften und die
Funktionen des Endprodukts auch durch Einstellung der Vis
kosität der Spinnlösung oder der Art der Koagulations
flüssigkeit in diesem Naßspinnstadium geregelt werden.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine beim erfindungsgemäßen
Trockenspinnverfahren geeignete Vorrichtung.
In dieser Vorrichtung wird die in einen Druckextruder 24
gefüllte Spinnlösung 22 mittels einer
geeigneten Extrudiervorrichtung bei einer vorbestimmten
Fließgeschwindigkeit durch eine Düse 23 in einen Spinn
zylinder 24 extrudiert. Gleichzeitig wird das Produkt als
Faser 26 aus dem äußeren Bereich des Spinnzylinders 24 ent
nommen, wobei über eine Führungsrolle auf eine darunter an
geordnete Aufwickelrolle 27 aufgewickelt wird. In den Spinn
zylinder 24 wird heiße Luft aus einer Heißluftzuführ
vorrichtung 25 zugeführt. Die extrudierte Polymerisatlö
sung wird unter Bildung der Faser 26 getrocknet.
Die Betriebsbedingungen bei der Spinnstufe beim Trocken
spinnverfahren, wie Öffnungsdurchmesser der Düse, Extru
sionsgeschwindigkeit der Spinnlösung, Aufwickelgeschwindig
keit der Faser, Temperatur der heißen Luft und dergl.,
werden in geeigneter Weise je nach dem Querschnitt der er
haltenen Fasern oder den physikalischen Eigenschaften oder
Funktionen, z.B. Festigkeit und dergl., gewählt. Die physi
kalischen Eigenschaften und Funktionen können auch durch
Einstellung der Viskosität der Spinnlösung oder der Betriebs
bedingungen in diesem Spinnstadium geregelt werden.
Die Faser, die ein koaguliertes Produkt des Ausgangsmate
rials und ggf. ein Vernetzungsmittel enthält, wird nach
Durchlaufen der Vernetzungsstufe in eine Gelfaser überge
führt.
Für die erfindungsgemäße Vernetzungsstufe lassen sich je
nach Art der eingesetzten Lösung des Ausgangsmaterials
verschiedene Vernetzungsverfahren anwenden.
Insbesondere können entsprechend den vorstehend beschriebe
nen verschiedenen Typen von Spinnlösungen folgende Ver
fahren angewandt werden.
- 1) Bei Verwendung einer Spinnlösung vom Typ (a) wird ein der Vernetzbarkeit des Ausgangsmaterials entsprechendes Vernetzungsverfahren angewandt. Handelt es sich beim Aus gangsmaterial beispielsweise um ein durch Wärmeeinwirkung vernetzbares Polymerisat, so wird die bei der Spinnstufe erhaltene Faser einer Wärmebehandlung unterzogen. Ist das Polymerisat durch Bestrahlung mit Licht, z.B. mit UV-Strah len, vernetzbar, so wird die bei der Spinnstufe erhaltene Faser einer Photobestrahlung unterworfen.
- 2) Bei Verwendung einer Spinnlösung vom Typ (b) kann die bei der Spinnstufe erhaltene Faser einer Strahlenbehandlung, (z.B. mit γ-Strahlen), unterworfen werden, oder es kann ein Spinnverfahren angewandt werden, bei dem in die Faser ein Vernetzungsmittel eingearbeitet und je nach Art des verwendeten Vernetzungsmittels eine Behandlung mit Wärme oder Licht durchgeführt wird. Bei Anwendung eines derar tigen Vernetzungsverfahrens kann das Vernetzungsmittel in die Faser eingearbeitet werden, indem man das Vernetzungs mittel beim Naßspinnverfahren der Koagulationsflüssigkeit zusetzt und somit das Vernetzungsmittel in die Faser gleich zeitig mit der Bildung der Faser aus dem Polymerisat, d.h. bei der Stufe der Koagulation des Polymerisats, einbringt. Ferner ist es möglich, eine getrennte Lösung eines Ver netzungsmittels herzustellen und die das aus dem Polymeri sat gebildete koagulierte Produkt enthaltende Faser damit zu imprägnieren. Als derartige Vernetzungsmittel können bei spielsweise bifunktionelle Verbindungen verwendet werden, wie Formaldehyd, Glutaraldehyd, Epichlorhydrin, Phenyldiiso cyanat, Natrium-4,4′-diisothiocyanostilben-2,2′-disulfonat und dergl.
- 3) Bei Verwendung einer Spinnlösung vom Typ (c) kann die Vernetzung je nach Art des in der Spinnlösung enthaltenen Vernetzungsmittels durch Wärmebehandlung oder Bestrahlung mit Licht durchgeführt werden.
- 4) Bei Verwendung einer Spinnlösung vom Typ (d) können die vorerwähnten Vernetzungsverfahren 1) bis 3) in geeigneter Weise kombiniert werden.
Die Vernetzungsstufe beim erfindungsgemäßen Verfahren kann
in der Praxis gemäß einem Verfahren durchgeführt werden,
bei dem an einer geeigneten Stelle im Spinnbad beim Naß
verfahren oder innerhalb des Spinnzylinders beim Trocken
verfahren gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 ein Bereich zur Durch
führung der Vernetzung unter Wärme- oder Lichteinwirkung
bereitgestellt wird. Die Vernetzungsreaktion wird durchge
führt, indem man das koagulierte Produkt der durch die Düse
extrudierten Lösung des faserigen Ausgangsmaterials (ggf.
mit einem Gehalt an einem Vernetzungsmittel) durch den Ver
netzungsbereich führt. Eine andere Möglichkeit besteht darin,
die Vernetzungsreaktion in aufgewickeltem Zustand auf der
Aufwickelvorrichtung ggf. nach Zusatz eines Vernetzungs
mittels durchzuführen. Selbstverständlich kann die Faser
vor der Vernetzung auch an einen anderen geeigneten Platz
gebracht werden.
Die Vernetzungsdichte des Gels (Polymerisats) kann je nach
den gewünschten physikalischen Eigenschaften oder Funk
tionen, wie Quellverhältnis und dergl., des Endprodukts
gewählt und durch die Betriebsbedingungen, z.B. die Art
oder Konzentration des verwendeten Polymerisats oder Ver
netzungsmittels, die Temperatur während der Vernetzungs
stufe, die Reaktionszeit, die Bestrahlungsintensität und
dergl., eingestellt werden. Im Fall eines Gels mit Quell-
und Schrumpfungseigenschaften besteht beispielsweise die
Tendenz, daß mit zunehmender Vernetzungsdichte das Quell
verhältnis im Wasser größer wird.
Durch eine derartige Vernetzungsreaktion erfolgt eine Ver
netzung zwischen den Polymerisatmolekülen unter Bildung
einer Netzwerkstruktur im Gel, wobei die Faser, bei der es
sich ursprünglich um ein koaguliertes Produkt der Lösung
des Ausgangsmaterials gehandelt hat, in eine ein Gel ent
haltende Faser übergeführt wird. Das erhaltene Produkt kann
ggf. einer zusätzlichen Stufe, beispielsweise einer Dehn-
bzw. Reckbehandlung unterworfen werden, wodurch man das
Endprodukt erhält.
Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildeten Gel
fasern weisen verschiedene, dem Gel zuzuschreibende Eigen
schaften und Funktionen auf, die bei herkömmlichen Fasern
nicht erzielt werden.
Beispielsweise besitzt das unter Verwendung der Ausgangsma
terialien zur Bildung eines Gels hergestellte Gel (Polymerisat),wie bereits
erwähnt, ausgeprägte Quell- und Schrumpfeigenschaften, die
unter äußerer Einwirkung, beispielsweise durch Veränderung
der Temperatur, der Salzkonzentration und des pH-Werts, der
Umgebung, in die es gebracht wird, beeinflußt werden.
Wird das Gel beispielsweise in Wasser gebracht und die Tem
peratur verringert, so geht das Gel in einen gequollenen
Zustand über, während es bei Temperaturerhöhung in einen
geschrumpften Zustand übergeht. Die dabei erzielte Schrump
fung ist sehr groß. Ferner verändert sich diese Quellungs-
und Schrumpfungsstufe (Phasenübergang) in kritischer Weise
bei einem konstanten Phasenübergangspunkt und ist auch re
versibel. Derartige Quellungs- und Schrumpfungseigenschaften
(Phasenübergangseigenschaften) des Gels lassen sich auch
durch eine Veränderung der Salzkonzentration, des pH-Werts
und dergl. im umgebenden Lösungsmittel erzielen. Daneben
ist es möglich, verschiedene Phasenübergangspunkte einzu
stellen, die durch gewünschte Umgebungsfaktoren definiert
sind. Dabei werden Umgebungsfaktoren, wie Temperatur, Salz
konzentration, pH-Wert und dergl. variiert. Setzt man bei
spielsweise andere Umgebungsfaktoren als die Temperatur,
z.B. die Salzkonzentration, den pH-Wert und dergl., in ge
eigneter Weise fest, so läßt sich eine gewünschte Phasen
übergangstemperatur erzielen. Eine andere Möglichkeit be
steht darin, durch geeignete Einstellung von anderen Umge
bungsfaktoren als dem pH-Wert, z.B. der Salzkonzentration,
der Temperatur und dergl., einen durch den pH-Wert definier
ten, gewünschten Phasenübergangspunkt zu erzielen.
Derartige Quellungs- und Schrumpfungseigenschaften sind ver
mutlich vorwiegend auf die Veränderung von Amidgruppen und
dergl. in der Seitenkette des das Netzwerk des Gels dar
stellenden Polymerisats von einem hydrophilen in einen hy
drophoben Zustand aufgrund einer Veränderung der Temperatur,
der Salzkonzentration, des pH-Werts und dergl. zurückzu
führen.
Ferner kann auch der Phasenübergangspunkt während einer der
artigen Quellung und Schrumpfung beispielsweise durch die
Art des Substituenten in der N-Stellung des Acrylamids oder
durch die Vernetzungsdichte des Gels, wie bereits erwähnt,
eingestellt werden.
Die auf diese Weise erhaltenen Fasern mit einem Gehalt an
einem Gel mit Quell- und Schrumpfeigenschaften können ent
weder einzeln, als Bündel oder als textiles Gewebe einge
setzt werden, um eine Veränderung der Temperatur, der Salz
konzentration, des pH-Werts und dergl. in eine mechanische
Veränderung, die von einem Quell- und Schrumpfvorgang be
gleitet ist, zu übersetzen. Daher können sie beispielsweise
als Stellglieder, Filtermaterialien und dergl. verwendet
werden, die in Abhängigkeit von der Temperatur, dem pH-Wert
und der Salzkonzentration einer Lösung eine Veränderung
ihrer Durchlässigkeit gegenüber dieser Lösung erfahren.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher
erläutert.
2,5 g N-Isopropylacrylamid, 0,5 g N-Methylolacrylamid und
15 mg Ammoniumpersulfat wurden in 100 ml kaltem Wasser ge
löst und mit 40 µl Tetramethyläthylendiamin versetzt. Die
Polymerisationsreaktion wurde 2 Stunden unter Einleiten von
Stickstoff bei Raumtemperatur durchgeführt. Nach Beendigung
der Polymerisation wurde die erhaltene Polymerisatlösung in
heißes Wasser gegossen. Der Niederschlag wurde abfiltriert
und getrocknet. Man erhielt ein Copolymerisat.
Sodann wurde das erhaltene Polymerisat in einer Konzentra
tion von 5 Prozent in Wasser unter Bildung einer Spinn
lösung gelöst.
Anschließend wurde die Spinnlösung in einen Druckextruder
einer in Fig. 1 abgebildeten Naßspinnvorrichtung gefüllt
und mit einer Geschwindigkeit von 0,09 ml/min durch eine
Düse mit einer Öffnung von 1 mm in eine gesättigte Natrium
sulfatlösung als Koagulationsflüssigkeit extrudiert. Das
faserige Produkt wurde auf einer Aufwickelrolle aus Teflon
mit einem Durchmesser von 18 cm aufgewickelt. Die Aufwickel
geschwindigkeit wurde auf 0,5 cm/sec eingestellt.
Nach dem Aufwickeln von 20 Faserwindungen auf der Aufwickel
rolle wurde die Faser zusammen mit der Rolle in einen Vakuum
trockenschrank gebracht und 10 Stunden einer Wärmebehand
lung von 150°C unter Entgasung unterzogen, wodurch das die
Faser bildende Polymerisat vernetzt und dadurch in ein Gel
übergeführt wurde.
Beim Eintauchen der Faser in Wasser von 25°C wurde eine Quel
lung der Faser beobachtet. Wurde die in diesem Zustand be
findliche Faser in Wasser von 50°C gebracht, so trat eine
Schrumpfung von 40 Prozent des gequollenen Zustands ein.
Wurde die Faser dann entnommen und an die Luft (20°C) ge
bracht, so kam es wiederum zu einer Quellung, wobei sie
wieder ihre Länge, die sie vorher in Wasser von 25°C auf
wies, einnahm. Wurde die Faser in diesem gequollenen Zu
stand in eine gesättigte Natriumchloridlösung (25°C) ge
taucht, so schrumpfte sie um 40 Prozent.
Man verfuhr wie in Beispiel 1, mit der Abänderung, daß
Glycidylmethacrylat anstelle von N-Methylolacrylamid ver
wendet wurde. Man erhielt ein Polymerisatpulver.
Anschließend wurde das Polymerisatpulver in Wasser in einer
Konzentration von 6 Prozent gelöst. Die erhaltene Spinnlö
sung wurde gemäß Beispiel 1 versponnen.
Der Spinnvorgang wurde nach Aufwickeln von 20 Faserwindungen
auf der Aufwickelrolle abgebrochen. Die auf der Aufwickel
walze befindliche Faser wurde 5 Stunden mit einer Xenon-
Lichtquelle von 500 W, die sich in einem Abstand von 30 cm
von der Faser befand, bestrahlt, um eine Vernetzung herbei
zuführen. Man erhielt eine ein Gel enthaltende Faser.
Die Quell- und Schrumpfungseigenschaften der erhaltenen
Faser wurden gemäß Beispiel 1 untersucht. Es ergab sich
eine Schrumpfung von 45 Prozent.
Man verfuhr wie in Beispiel 1, mit der Abänderung, daß
Acrylamid anstelle von N-Methylolacrylamid verwendet wurde.
Man erhielt ein Polymerisatpulver.
Sodann wurden 100 ml einer 5prozentigen wäßrigen Lösung
dieses Pulvers hergestellt. Darin wurden 0,5 g Dimethylol
harnstoff gelöst. Man erhielt eine Spinnlösung.
Unter Verwendung dieser Spinnlösung wurde der Spinnvorgang
gemäß Beispiel 1 durchgeführt.
Der Spinnvorgang wurde nach dem Aufwickeln von 20 Faserwin
dungen auf der Aufwickelwalze abgebrochen. Die auf der Auf
wickelwalze befindliche Faser wurde zusammen mit der Walze
in einen Vakuumtrockenschrank gebracht und zur Vernetzung
des die Faser bildenden Polymerisats 10 Stunden einer Wärme
behandlung von 130°C unterworfen, wodurch ein Übergang zu
einem Gel erzielt wurde.
Die Quell- und Schrumpfeigenschaften der erhaltenen Faser
wurden gemäß Beispiel 1 untersucht. Es ergab sich eine
Schrumpfung von 40 Prozent.
Das gemäß Beispiel 3 erhaltene Polymerisatpulver wurde in
Wasser in einer Konzentration von 5 Prozent gelöst. Man
erhielt eine Spinnlösung.
Unter Verwendung dieser Spinnlösung wurde der Spinnvorgang
gemäß Beispiel 1 durchgeführt.
Der Spinnvorgang wurde abgebrochen, nachdem 20 Faserwindungen
auf der Aufwickelrolle aufgewickelt waren. Die auf der Auf
wickelrolle befindliche Faser wurde in eine wäßrige Lösung
mit einem Gehalt an 5 Prozent Formaldehyd, 15 Prozent Na
triumsulfat und 20 Prozent Schwefelsäure getaucht.Die Ver
netzungsreaktion wurde durchgeführt, indem man die Tempera
tur der Flüssigkeit 1 Stunde auf 50°C hielt. Man erhielt eine
ein Gel enthaltende Faser. Die Quell- und Schrumpfeigenschaf
ten der erhaltenen Faser wurden gemäß Beispiel 1 unter
sucht. Es ergab sich eine Schrumpfung von 40 Prozent.
3 g N-Isopropylacrylamid und 15 mg Ammoniumpersulfat wurden
in 100 ml kaltem Wasser gelöst. Hierzu wurden 40 µl Tetra
methyläthylendiamin gegeben. Die Polymerisationsreaktion
wurde 2 Stunden unter Einleiten von Stickstoffgas bei Raum
temperatur durchgeführt. Nach Beendigung der Polymerisation
wurde die erhaltene Polymerisatlösung in heißes Wasser
gegossen. Der Niederschlag wurde abfiltriert und getrocknet.
Man erhielt ein Polymerisatpulver.
Sodann wurde eine 5prozentige wäßrige Lösung des erhal
tenen Pulvers hergestellt. Mit dieser Spinnlösung wurde der
Spinnvorgang gemäß Beispiel 1 durchgeführt.
Der Spinnbetrieb wurde nach Aufwickeln von 20 Faserwindungen
auf der Aufwickelrolle abgebrochen. Die auf der Aufwickel
rolle befindliche Faser wurde mit γ-Strahlen aus einer Co60-
Quelle in einer Dosis von 0,44 · 10-7 C/kg (0,17 MR/h) 7 Stunden bestrahlt,
um die Vernetzung herbeizuführen. Man erhielt eine ein Gel
enthaltende Faser.
Die Quell- und Schrumpfeigenschaften der erhaltenen Faser
wurden gemäß Beispiel 1 untersucht. Es ergab sich eine
Schrumpfung von 40 Prozent.
Unter Verwendung der in Beispiel 1 erhaltenen Spinnlösung
wurde ein Spinnvorgang unter Einsatz der in Fig. 2 abge
bildeten Trockenspinnvorrichtung durchgeführt.
Der Düsendurchmesser betrug 1 mm, die Extrusionsgeschwindig
keit der Spinnlösung 1 mm/min, die Aufwickelgeschwindigkeit
5 cm/sec und die Temperatur der heißen Luft 90°C.
Der Spinnbetrieb wurde nach Aufwickeln von 20 Faserwin
dungen auf der Aufwickelwalze abgebrochen. Die Faser wurde
zusammen mit der Aufwickelwalze in einen Vakuumtrocken
schrank gebracht und zur Vernetzung des die Faser bildenden
Polymerisats einer 10stündigen Wärmebehandlung bei 120°C
unterworfen. Dabei wurde eine Umwandlung in ein Gel erzielt.
Die Quell- und Schrumpfeigenschaften der erhaltenen Faser
wurden gemäß Beispiel 1 untersucht. Es ergab sich eine
Schrumpfung von 40 Prozent.
Wie in Fig. 3 gezeigt, wurden 20 der gemäß Beispiel 1 er
haltenen Fasern zu einem ein Gel enthaltenden Faserbündel 33
gebündelt, und das Bündel wurde in Wasser 32 von 25°C in
einem Gefäß 31 angeordnet. Das untere Ende des Gelfaser
bündels 33 wurde am Boden des Gefäßes 31 fixiert, während
das obere Ende mit einem 2 g-Gewicht 35 mittels eines über
eine Rolle 34 gelegten Strangs 36 verbunden wurde. Während
das Gewicht 35 sich in hängendem Zustand befand, wurde die
Wassertemperatur im Gefäß 31 auf 50°C erhöht, wodurch das
Gewicht 35 unter Einwirkung der Schrumpfung des Gelfaser
bündels 33 angehoben wurde. Wurde die Wassertemperatur im
Gefäß 31 wieder auf 25°C gesenkt, so kehrte das Gewicht 35
in seine ursprüngliche Stellung zurück. Durch kontinuier
liche Wiederholung dieser Vorgänge konnte das Gewicht 35
angehoben und gesenkt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, Gel
fasern mit Eigenschaften und Funktionen eines Gels herzu
stellen, die bei herkömmlichen Fasern nicht erzielt werden
konnten. Insbesondere betrifft dies die reversible Quellung
und Schrumpfung je nach Veränderungen in der Umgebung, in
der sich die Fasern befinden.
Das Schrumpfverhalten von verschiedenen Fasern, die teilweise
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und teilweise gemäß dem
Stand der Technik hergestellt worden sind, wird miteinander
verglichen.
Die Fasern der Beispiele 7 bis 11 und der Vergleichsbeispiele 1
bis 8 werden jeweils gemäß dem Verfahren von Beispiel 1 der
vorliegenden Beschreibung hergestellt. Die Herstellung der
Fasern der Vergleichsbeispiele 9, 10 und 11 erfolgt gemäß dem
nachstehend angegebenen Verfahren, da aufgrund der geringen
Wasserlöslichkeit der in Frage stehenden Polymeren das Herstellungsverfahren
von Beispiel 1 nicht durchführbar ist.
Das Copolymer wird bei 40°C in Dimethylacetamid unter Herstellung
einer Lösung mit einer Konzentration von 10 Gew.-%
gelöst. Diese Lösung wird in ein Koagulationsbad von 25°C, das
aus einer 30%igen wässerigen Lösung (Volumen-%) von Dimethylacetamid
besteht, extrudiert. Die Extrusionsvorrichtung, die
Extrusionsgeschwindigkeit und die Aufwickelgeschwindigkeit
entsprechen den Angaben von Beispiel 1.
Die einzelnen Fasern werden in Wasser getaucht und anschließend
wird die Wassertemperatur mit einer Geschwindigkeit von
1°C/min von 5°C auf 93°C angehoben.
Bei den Proben, bei denen sich während der Temperaturerhöhung
eine Schrumpfung von mindestens 10% ergibt, wird die Temperatur,
bei der die Schrumpfungsgeschwindigkeit ihr Maximum erreicht,
als "Schrumpfungstemperatur" definiert. Das Verhältnis
der Länge bei einer Temperatur von 3°C oberhalb der
Schrumpfungstemperatur zur Länge bei einer Temperatur von 3°C
unterhalb der Schrumpfungstemperatur ist in Tabelle 1 als
"Schrumpfungsverhältnis" angegeben. Somit ist das
"Schrumpfungsverhältnis" gemäß folgender Gleichung definiert:
wobei T die Schrumpfungstemperatur bedeutet.
Es zeigt sich, daß die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Fasern aufgrund der Temperaturveränderung um
6°C eine Schrumpfung von 50% oder mehr erleiden und dabei die
Schrumpfungstemperatur nieder ist. Demgegenüber lassen sich
bei den gemäß den Vergleichsbeispielen hergestellten Fasern
entweder Schrumpfungstemperaturen nicht feststellen oder diese
sind für den Einsatz für praktische Zwecke zu hoch.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung von Gelfasern,
dadurch gekennzeichnet, daß man
(X) eine Lösung mindestens einer Gelbildungskomponente aus einem geradkettigen vernetzbaren Polymerisat, das mindestens ein Monomer aus der Gruppe N-n-Propylacrylamid, N-n-Propylmethacrylamid, N-Isopropylacrylamid, N-Isopropylmethacrylamid, N-Cyclopropylacrylamid, N-Cyclopropylmethacrylamid, N,N-Ethylmethylacrylamid, N,N-Diethylacrylamid, N-Acrylpyrrolidin und N-Acrylpiperidin enthält, verspinnt, um die Lösung zu einer Faser zu verfestigen, und
(Y) die Komponente durch eine Vernetzungsreaktion in ein vernetztes Gel überführt.
(X) eine Lösung mindestens einer Gelbildungskomponente aus einem geradkettigen vernetzbaren Polymerisat, das mindestens ein Monomer aus der Gruppe N-n-Propylacrylamid, N-n-Propylmethacrylamid, N-Isopropylacrylamid, N-Isopropylmethacrylamid, N-Cyclopropylacrylamid, N-Cyclopropylmethacrylamid, N,N-Ethylmethylacrylamid, N,N-Diethylacrylamid, N-Acrylpyrrolidin und N-Acrylpiperidin enthält, verspinnt, um die Lösung zu einer Faser zu verfestigen, und
(Y) die Komponente durch eine Vernetzungsreaktion in ein vernetztes Gel überführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
man in der Stufe (X) das Naßspinnverfahren anwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
man in der Stufe (X) das Trockenspinnverfahren anwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Lösung 1 bis 15 Gewichtsprozent Polymerisat enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Lösung 5 bis 30 Gewichtsprozent Polymerisat enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Lösung das Polymerisat und ein Vernetzungsmittel
enthält.
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