DE4222772A1 - Verfahren zur Herstellung von viskositätsstabilen, gelarmen hochkonzentrierten Elastan-Spinnlösungen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von viskositätsstabilen, gelarmen hochkonzentrierten Elastan-SpinnlösungenInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstel
lung von in ihrer Lösungsviskosität überraschend stabi
len Spinn-Lösungen von segmentierten Polyurethanharn
stoff-Elastomeren in hochpolaren Lösungsmitteln wie Di
methylformamid (DMF) oder Dimethylacetamid (DMAC), ohne
bzw. mit verminderter Verpastungstendenz und ohne bzw.
mit sehr geringem Gelgehalt, gekennzeichnet durch die
Verwendung einer mehrstufigen Düsenreaktor-Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
Erfindungsgegenstand ist weiterhin ein mehrstufiger Dü
senreaktor ohne mechanisch bewegliche Teile als Vor
richtung, welcher durch sehr schnelles und intensives
Vermischen der Reaktionskomponenten miteinander erlaubt,
z. B. segmentierte Polyurethanharnstoff-Elastomere als
homogene Lösungen in hochpolaren Lösungsmitteln kon
tinuierlich herzustellen.
Weiterer Erfindungsgegenstand sind die nach dem Ver
fahren und mittels dieser Vorrichtung erhältlichen
Elastanspinnlösungen bzw. daraus erhältliche Elastan
fasern.
Unter Elastanfasern werden Fäden verstanden, die zu
mindestens 85 Gew.-% aus segmentierten Polyurethan(harn
stoff)en bestehen. Derartige Elastanfasern werden üb
licherweise hergestellt, indem zunächst ein langkettiges
Diol (Makrodiol) mit einem aromatischen Diisocyanat end
ständig verkappt wird, so daß man ein Makrodiisocyanat
(NCO-Präpolymer) erhält. Das NCO-Präpolymer wird dann
In einem zweiten Schritt mit einem Kettenverlängerungs
mittel, welches üblicherweise aus einem (cyclo)alipha
tischen Diamin besteht, in Lösung zu einem hochmolekula
ren Polyurethanharnstoff umgesetzt. Diese Polyurethan
harnstoffe sind so aufgebaut, daß das Makromolekül eine
Segmentstruktur aufweist, d. h. aus hochschmelzenden
kristallinen und niederschmelzenden amorphen Segmenten
(Hart- bzw. Weichsegmenten) besteht. Die Hartsegmente
wirken dann im Feststoff aufgrund ihrer Kristallinität
als Fixpunkte des Netzwerkes und sind damit maßgebend
für die Festigkeit und den Erweichungsbereich der aus
dem Polymeren hergestellten Formkörper. Die Weichseg
mente hingegen, deren Glasübergangstemperatur unterhalb
der Gebrauchstemperatur liegen soll, sind für die Elastizität
der Elastomere maßgebend (B. v. Falkai, Syn
thesefasern, Verlag Chemie, 1981, S. 179 bis 187).
Üblicherweise wird die Kettenverlängerung diskontinuier
lich so durchgeführt, daß man in einem Rührkessel bei
verminderter Temperatur den Kettenverlängerer (ein ali
phatisches Diamin, vorzugsweise Ethylendiamin) und even
tuell einen Kettenabbrecher, ein sekundäres Monoamin,
wie z. B. Diethylamin in einem polaren Lösungsmittel (DMF
bzw. DMAC) vorlegt (und vorzugsweise mit Kohlendioxid
versetzt). Zu dieser nun vorzugsweise durch CO2-Zusatz
erhaltenen und in ihrer Reaktivität verminderten Suspen
sion des Diamincarbamats wird dann das NCO-Prepolymer
zugesetzt und unter Rühren entsteht eine Elastomerlösung
mit definiertem Elastomerfeststoffgehalt. Ein Nachteil
bei dieser Art der Herstellung liegt darin, daß die an
gestrebte Viskosität der Elastanlösungen häufig nicht
in dem beabsichtigten Bereich liegt, der zur Weiterver
arbeitung notwendig ist und dann durch Nachdosieren z. B.
von aliphatischen Diisocyanaten auf die gewünschte Vis
kosität eingestellt werden muß. Ein weiterer Nachteil
ist die Verpastung von Teilen der Lösung und/oder das
Vorhandensein von Gelteilchen, wenn nicht ausreichend
vermischt wurde. Solche Elastanlösungen können dann
nicht praktikabel weiterverarbeitet werden. Außerdem
enthalten diskontinuierlich hergestellte Lösungen wegen
mangelnder Durchmischungsintensität offensichtlich stär
ker verzweigte Polyurethanharnstoffe, welche bei gege
bener Konzentration höhere Viskositäten aufweisen als
mehr linear aufgebaute Polyurethanharnstoffe.
Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit (Schnellspinnen)
und auch aus ökologischer Sicht (Senkung des Lösungsmit
telanteils in der Elastanspinnlösung) soll möglichst aus
Elastanspinnlösungen mit hohen Feststoffkonzentrationen
30% versponnen werden. Bei diesen hohen Feststoffkon
zentrationen treten jedoch besondere Probleme hinsicht
lich einer begrenzten Löslichkeit der Polymeren auf,
Insbesondere bei längeren Lagerzeiten der Spinnlösungen,
die sich in einer Verpastung oder Viskositätserhöhung
äußert. Die so zunehmende Unlöslichkeit führt häufig
dazu, daß die Elastanlösung nicht mehr weiterverar
beitet bzw. versponnen werden kann. Die Ursache dieser
Phänomene kann dabei unterschiedlicher Art sein.
Folgende Ursachen können bei hochkonzentrierten Elastan
lösungen beispielsweise zur Verschlechterung der Lös
lichkeit führen:
- 1. Je niedriger der Lösungsmittelanteil wird, umso schneller tritt die Desolvatation der Weichseg mente, bestehend aus hochmolekularen Polyester- oder Polyetherdiolen (Makrodiolen), bevorzugtes Molekulargewicht von 2.000, ein. Dieser Prozeß wird noch verstärkt, je höher das Molekulargewicht, z. B. 3.000 bis 8.000, des Makrodiols ist.
- Zudem sind Polyetherdiole in den üblichen Lösungs mitteln schwerer löslich als Polyesterdiole. Ver stärkt wird die Desolvatation insbesondere bei Ver wendung von Polyether-Polyesterdiol-Mischungen, da diese aufgrund der unterschiedlichen Löslichkeit von vornherein eine Entmischungstendenz durch Mi krophasentrennung aufweisen.
- 2. Für besondere Anwendungszwecke, bei denen besonders hohe Festigkeiten und Thermostabilitäten erwünscht sind, wird ein höherer Diisocyanatanteil als üblich (NCO-Gehalt bezogen auf Feststoff 2,5 Gew.-%) eingesetzt. Der dadurch im Elastan bedingte hohe Anteil an Polyharnstoffsegmenten führt zu einer verminderten Löslichkeit und gesteigerter Verpa stungstendenz der Elastanlösung.
- 3. Da bekanntermaßen eine Temperaturerhöhung zu einer Senkung der Lösungsviskosität rührt, werden häufig hochkonzentrierte Elastanlösungen bei erhöhter Tem peratur, beispielsweise 50°C, gelagert. Dies hat jedoch in vielen Fällen bereits nach 1 bis 2 Tagen eine drastische Viskositätsänderung der Elastanlö sung zur Folge die häufig auf einem Molekulargewichtsaufbau beruht. Es wird vermutet, daß es sich hier im wesentlichen um eine Endgruppenaminolyse handelt, bei der die sekundären Monoamine oder ihre Umsetzungsprodukte (zum Kettenabbruch) durch die primären Aminoendgruppen (aus überschüssigen Dia min-Kettenverlängerungsmitteln wie Ethylendiamin) aus den Harnstoffbindungen verdrängt werden und insbesondere bei etwa äquivalenten Mengen an sekun dären und primären Amingruppen zu besonders hohem Viskositätsaufbau führen.
- 4. Längeres Erhitzen von Elastanlösungen oder -pasten - z. B. 2 bis 5 Stunden auf 80 bis 12°C führt dage gen zumeist zu einem Molekülabbau - erkennbar am Rückgang des ηrel-Wertes der Polymersubstanz mit steigender Einwirkungsintensität -, der jedoch schlecht kontrollierbar verläuft, einen hohen Ener gieaufwand erfordert und häufig zu Elastanlösungen, welche sich nicht oder nur mit vielen Spinnfehlern verspinnen lassen, führt!
Wenn die Polyaddition (Kettenverlängerung) in den übli
cherweise dafür verwendeten polaren organischen Lösungs
mitteln, insbesondere mit Ethylendiamin, durchgeführt
wird, sinkt mit steigendem Molekulargewicht die Löslich
keit, so daß mit Verpastung gerechnet werden muß. Daher
läßt man häufig die Polyaddition bei diskontinuierlicher
Arbeitsweise bis zu einer festgelegten Viskosität ablau
fen und/oder setzt einen monofunktionellen Kettenabbre
cher, wie Dibutylamin, Octylamin, Butanonoxim (Houben
Weyl Band E 20 Teil 2, S. 1642), vorzugsweise jedoch Di
ethylamin (Ullmann′s Encyclopedia of Industrial Che
mistry, Vol. A 10, S. 612), hinzu. Damit erhält man
gleichzeitig eine engere Molekulargewichtsverteilung.
Um vor der sehr schnellen aliphatischen Amin/NCO-Reak
tion eine ausreichende Vermischung der aliphatischen
(Di)Aminmischung mit der NCO-Prepolymerlösung zu errei
chen, wird bei der diskontinuierlichen Reaktionsführung
der (Di)Aminmischung Kohlendioxid zugesetzt. Die ent
standene Carbamatsuspension reagiert dann mit dem NCO-
Propolymer sehr verlangsamt unter CO2-Freisetzung (s.
DE-A 12 23 154 oder DE-A 12 22 253). Bei einem Verfahren
ohne Kohlendioxid muß dagegen mit einer Vorrichtung eine
sehr schnelle Vermischung erreicht werden.
Das schnelle Vermischen von zwei oder mehreren reaktiven
Flüssigkeiten ist in der Polyurethan-Chemie eine an sich
übliche Technik zur Durchführung von Polyadditionsreak
tionen von NCO-Vorprodukten mit Wasser, aliphatischen
Diolen oder aromatischen Diaminen. Dabei müssen alle
Verfahrensoperationen wie das Dosieren, Mischen und
Befüllen von Formkörpern vor Beginn der chemischen
Reaktion (Topfzeit) überwiegend abgeschlossen sein.
Zentrale Operation ist das Mischen vorgegebener Flüssig
keitsmengen. Hierzu gehört das Mischen in Batch mit me
chanischen Rührern oder im Durchlauf durch Rotor/Stator-
Dispergiermaschinen und Stachelmischern (s. Kunststoff
handbuch, Band 7, Carl Hauser Verlag 1977). Darüber
hinaus ist in der PU-Technik das Mischen mit Hochdruck
mischern üblich (s. H. Proksa, Kunststoffberater 3/1988;
Hochdruckvermischung, Wegbereiter moderner PU-Technik),
wobei zwei Reaktionskomponenten unter hohem Druck über
Düsen in einer kleinen Mischkammer gegeneinander gedüst
und durch die intensive Turbulenz vermischt werden (s.
DE-A 23 44 135 und DE-A 11 57 386). Die Reaktionszeiten
solcher Polyurethan-Reaktionen liegen im Sekundenbe
reich.
Da die Polyadditionsreaktionen von NCO-Vorprodukten mit
den aliphatischen Diaminen bei der Elastan-Herstellung
aber erheblich schneller ablaufen als mit Diolen, Wasser
oder aromatischen Diaminen und im Millisekundenbereich
bereits hochviskose Reaktionsprodukte entstehen, sind
diese Vorrichtungen für die kontinuierliche Kettenver
längerung von NCO-Präpolymeren mit Diaminen wenig geeig
net: Die Reaktion läuft schneller ab, als die Mischung
der Reaktionskomponenten erfolgen kann. Es sei denn, daß
die zur Verfügung stehende Mischzeit durch Zugabe von
reaktionshemmenden Zusätzen erheblich verlängert werden
kann, wie z. B. durch Zugabe von Trockeneis (CO2) zum
Diamin, so daß die Reaktion über die wesentlich lang
samer reagierende Carbamatstufe abläuft und/oder zusätz
lich durch die tiefere Temperatur gebremst ist.
In der EP-A 3 99 266 wird ein Verfahren zur Herstellung
von hochkonzentrierten, feinteiligen Dispersionen aus
der Schmelze von hochschmelzenden organischen Verbin
dungen, jedoch keine Reaktionsmischungen, beschrieben,
indem man eine Schmelze zur Bildung einer Vorsuspension
in eine kältere flüssige Phase bei einer Temperatur un
terhalb der Kristallisationstemperatur eindosiert und
diese Voremulsion in einer nachgeschalteten Homogeni
sierdüse feindispergiert. Als Dispergierapparatur werden
u. a. eine Emulgiervorrichtung mit einer Mischdüse und
einer nachgeschalteten Homogenisierdüse angegeben.
Das gleiche trifft auch für einfache Mischdüsen in einem
Gleichstromreaktor zu, die z. B. nach der EP-A 03 03 907
zur Herstellung von wäßrigen Polyurethandispersionen
verwendet werden, indem man ein NCO-Prepolymer mit Was
ser vermischt.
Solche Dispergiervorrichtungen sind aber in ihren Misch
zeiten noch zu langsam, und sind nur dann geeignet, wenn
die Reaktionszeit mehr als 0,1 Sekunden beträgt.
Ohne Desaktivierung z. B. mit Kohlendioxid lassen sich
Polyadditionen mit aliphatischen oder cycloaliphatischen
Diaminen oder mit durch Katalysator oder Anhebung der
Mischtemperatur in ihrer Reaktivität beschleunigten
Diolen, nicht durchführen. Solcherart hergestellte
Reaktionslösungen enthalten dann Stippen und Gelkörper
und sind deshalb für die Weiterverarbeitung (insbe
sondere störungsfreies Verspinnen) nicht geeignet.
Aufgabe der Erfindung war somit die Realisierung eines
kostensenkenden und auch umweltverträglichen Herstell
verfahrens (Verwendung von weniger Lösungsmittel und
Verbesserung der Wirtschaftlichkeit durch Schnellspin
nen) für hochkonzentrierte Spinnlösungen, bevorzugt
Elastanlösungen mit verbesserten Fließeigenschaften
(Verbesserung der Spinnfähigkeit durch eine geringere
Lösungsviskosität bei Erhalt der nötigen Molekularge
wichte) und einer verbesserten Viskositätskonstanz bei
langen Lagerzeiten von Spinnlösungen ohne Einbußen im
thermischen und elastischen Verhalten der daraus erhal
tenen Endprodukte sowie eine gelfreie Form von Spinn
lösungen mit erhöhter Linearität des Polymeren.
Diese Vorteile, wie sie aus der Beschreibung und den
Beispielen im einzelnen hervorgehen, konnten durch die
Verwendung der erfindungsgemäßen Misch- und Homogeni
siervorrichtung (in Form eines mehrstufigen Düsenreak
tors) bei der Polyaddition erreicht werden. Hierbei wur
den einfache aber höchst wirksame Mischvorrichtungen
weitgehend ohne mechanisch bewegte Mischaggregate einge
setzt, jedoch müssen diese in bestimmter Weise für
schnellste Reaktionsabläufe konstruiert werden und vor
zugsweise mehrere Stufen enthalten.
Gegenstand der Erfindung ist ein kontinuierlich betrie
benes Verfahren, zur Herstellung von hochkonzentrierten
Elastanspinnlösungen mit verbesserten Fließeigenschaften
und hoher Viskositätskonstanz bei langer Standzeit bei
Erhalt des üblichen thermischen und elastischen Eigen
schaftsniveaus der aus diesen Lösungen erhältlichen
Elastanfasern bevorzugt erhältlich aus entsprechend
hergestellten segmentierten Polyurethanharnstoffen mit
bestimmten Monoaminen und/oder Monoisocyanaten als Ket
tenabbrecher.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können problemlos
hochkonzentrierte Elastanspinnlösungen auf Basis von
Polyurethanharnstoffen mit einem Feststoffanteil bis zu
40 Gew.-% hergestellt werden, die eine hervorragende
Löslichkeit und Viskositätskonstanz, auch bei Einstel
lung eines höheren Anteils an Hartsegmenten z. B. durch
einen höheren Diisocyanatanteil, und überraschenderweise
auch eine Verringerung der Viskosität der Elastanspinn-
Lösung bei gleicher Konzentration des Polymeren aufwei
sen.
Es wurde nun überraschend gefunden, daß sich homogene,
hochkonzentrierte, hervorragend viskositätsstabile
Spinnlösungen bevorzugt sowohl aus Polyester- oder
Polyetherdiolen wie auch insbesondere aus Mischungen von
Polyester- und Polyetherdiolen, mit hervorragenden
Fließeigenschaften und dadurch besserer Verspinnbarkeit
nach dem Verfahren herstellen lassen, wenn man in der
Kettenverlängerungsstufe (Polyaddition) die erfindungs
gemäße Misch- und Homogenisiervorrichtung (mehrstufiger
Düsenreaktor) kontinuierlich arbeitend einsetzt. Auf
grund der sehr schnellen Vermischung während des Reak
tionsablaufs kann dann auf den Einsatz z. B. von Kohlen
dioxid als Reaktionshemmer verzichtet werden.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Abbildungen
näher erläutert:
Fig. 1a zeigt einen Schnitt durch einen Düsenreaktor mit
kurzen Verweilzeiten des Reaktionsgemisches in Bereich
der Mischkammer.
Fig. 1b zeigt einen Schnitt durch einen bekannten Düsen
reaktor mit langer Verweilzeit des Reaktionsgemisches
(<< 100 ms) im Bereich der Mischkammer.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen er
findungsgemäßen Mehrstufen-Düsenreaktor.
Fig. 3 zeigt ein Schema des erfindungsgemäßen Gesamtver
fahrens zur Herstellung der Spinnlösungen.
Die erfindungsgemäße mehrstufige Düsenreaktor-Vorrich
tung ermöglicht, sehr reaktive Komponenten schneller
miteinander zu vermischen, als die Reaktion abläuft
(z. B. 10 ms) (Fig. 2). Die bekannte Anordnung
(siehe Fig. 1b) ist jedoch ungeeignet, da die Vermi
schung der Komponenten zu langsam abläuft. (Die Ver
weilzeit der Reaktionsmischung beträgt hierbei
< 100 ms). Wie aus der Zeichnung (Fig. 1a) hervorgeht,
müssen die Stoffdüse (21) und die Mischdüse (22) sehr
eng miteinander verkoppelt sein, um eine schnelle, op
timale Durchmischung und die Verminderung einer Rück
vermischung zu garantieren.
Fig. 3 zeigt das Fließbild des erfindungsgemäßen Verfah
rens im wesentlichen zur kontinuierlichen Polyurethan
harnstoff-Kettenverlängerung aus NCO-Präpolymer-Lösung
und (cyclo)aliphatischen Diaminen. In die erfindungsge
mäße Kurzzeit-Misch- und Homogenisiervorrichtung nach
Fig. 2 (Düsenreaktor genannt), werden die beiden Stoff
ströme z. B. NCO-Präpolymerlösung (B) und aliphatische
Diaminlösung (A) mittels Dosierpumpen 5 und 6 aus den
Ansatzbehältern 3 und 4 kontinuierlich eindosiert. Die
Gemischbereitung der Aminlösung (Kettenverlängerer, Ket
tenabbrecher und Lösungsmittel) und der NCO-Präpolymer
lösung (NCO-Präpolymer und Lösungsmittel) kann dabei
in die Vorlagen eingewogen oder auch mittels Dosier
pumpen kontinuierlich hergestellt werden.
Der mehrstufige Düsenreaktor (s. z. B. Fig. 2) besteht
aus einer Hintereinanderschaltung verschiedener Düsen
und zwar der Stoffdüse 1, der Mischdüse 2 und der Homo
genisierdüse 7 mit den Bohrungen 8 und in einer bevor
zugten Ausführung dem Verdrängerkörper 9. Stoffdüse und
Mischdüse sind unmittelbar hintereinander geschaltet,
so daß die Verweilzeit bis zur vollständigen Durchmi
schung des Aminstromes (A) mit dem Prepolymerstrom (B)
in einer Zeit 10 ms, vorzugsweise 0,1 bis 5 ms, ab
geschlossen ist. Beide Düsen 1 und 2 sind so ausgebil
det, daß eine Injektorwirkung entsteht und eine Rückver
mischung in den Bereich 10 zwischen beiden Düsen vermie
den wird.
An den Injektorteil schließt sich die Homogenisierdüse
7 mit den Bohrungen 8 an, die das bereits reagierende
Reaktionsgemisch nochmals intensiv homogenisiert. Damit
die Durchmischung noch bei möglichst niedriger Viskosi
tät erfolgt, ist das Volumen zwischen Misch- und Homo
genisierdüse durch einen Verdrängerkörper 9 minimiert.
Eine der möglichen konstruktiven Ausführungsformen zeigt
die Fig. 2.
Das bevorzugte Gesamtverfahren wird anhand der Fig. 3
weiter erläutert:
Unmittelbar hinter dem eigentlichen mehrstufigen Düsen
reaktor gelangt die Reaktionslösung in den Zwischenpuf
ferkessel 11, (Fig. 3), der die Aufgabe hat, den Düsen
reaktor mit seinen vorgeschalteten Dosierpumpen, hydrau
lisch von dem nachgeschalteten Rohrleitungssystem mit
den Austragungspumpen 12 und 13 zu entkoppeln. Hierdurch
werden Rückimpulse auf die Dosierpumpen 5 und 6, die
Schwankungen im Mikrodosierbereich verursachen können,
verhindert. Möglich wäre auch die direkte Einleitung in
einen Spinnkessel.
Der Reaktionsverlauf kann durch direkte Druckmessung in
den Düsenreaktor z. B. zwischen Mischdüse 2 und Homoge
nisierdüse 8 verfolgt werden.
Der Polymerisationsgrad der Polymerlösungen kann über
die Viskositätsmeßgeräte 14 und 15 verfolgt werden. Da
die Reaktion in dem Zwischenpufferkessel 11 unter Um
ständen noch nicht vollständig zu Ende geführt ist und
damit die Verwendung der Viskosität als Regelgröße zur
Steuerung der Rezeptur erschwert ist, ist der Pufferkes
sel 11 vorzugsweise mit einem Umpumpkreislauf und dieser
besonders bevorzugt mit einem Wärmetauscher 16 versehen.
Als Wärmetauscher 16 kommen insbesondere sogenannte
KSM-Wärmetauscher (die Heiz- bzw. Kühlschlange ist in
einem Rohr wie ein Statik-Mischer geformt) in Frage.
Durch Erwärmung auf etwa 50 bis 60°C wird in diesem
Bereich eine vollständige Umsetzung erreicht, so daß mit
dem Viskositätsmeßwert 14 die Viskositätskonstanz durch
Regelung der Dosierpumpen 5 und 6 erreicht werden kann.
Weitere mögliche Eingriffsparameter zur Steuerung der
Viskosität sind die kontinuierliche bzw. gravimetrische
Einwaage des Aminkessels über das Verhältnis von Ketten
verlängerer zu Kettenabbrecher bzw. durch die Höhe des
gewählten Aminüberschusses über den NCO-Endgruppenge
halt. Der Druck kann an verschiedenen Stellen der Vor
richtung über Druckmeßgeräte 17 verfolgt werden.
Die Vorteile des Verfahrens liegen in der Erzielung
hoher Durchsätze in dem Düsenreaktor bei gleichmäßiger
Produktqualität (z. B. bezüglich Molgewichtsverteilung)
und Produktkonzentration, da jedes Volumenteil an Reak
tionslösung bei exakt den gleichen Scher- und Konzen
trationsbedingungen gemischt und damit zur Reaktion
gebracht wurde und praktisch keine Möglichkeit zu
Vernetzungsreaktionen besteht.
Die erfindungsgemäß aufgebauten, segmentierten Poly
urethanharnstoff-Elastomere liefern klare, gelfreie sta
bile Spinnlösungen, die nach üblichen Naß- und besonders
nach dem Trockenspinnverfahren auch bei hoher Feststoff
konzentration (z. B. 30 bis 40 Gew.-%) sehr gut verarbei
tet werden können. Die erfindungsgemäß hergestellten,
vorzugsweise hochkonzentrierten Spinnlösungen besitzen
eine hervorragende Viskositätsstabilität sowohl bei 25°C
als auch bei 50°C bei Lagerzeiten (z. B. auch bei hohen
Konzentrationen) bis zu mindestens 5 Tagen und länger.
Überraschenderweise besitzen die erfindungsgemäß herge
stellten Spinnlösungen eine geringere Viskosität bei
vorgegebener Feststoffkonzentration als solche Elasto
merlösungen, die nach diskontinuierlichen Polyadditions
verfahren hergestellt werden. Es wird angenommen, daß
ein linearer Polymeraufbau erzielt wird, was sich nicht
nur auf die Produktivität, sondern auch auf ein besseres
Spinnverhalten der Elastanlösungen auswirkt.
Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen mehrstufigen
Düsenreaktors als Misch- und Homogenisier-Vorrichtung,
vorzugsweise mit nachgeschaltetem Zwischenpufferkessel,
Umpump-Kreislauf und Wärmetauscher, ermöglicht das er
findungsgemäße Herstellungsverfahren demnach unter Aus
nutzung der Vorteile wie Löslichkeitsverbesserung, Vis
kositätsverminderung, Viskositätskonstanz auch bei
längerer Lagerzeit und erhöhter Temperatur sowie ver
besserter Qualitätskonstanz, die Herstellung von
Elastomer-Fäden ohne Einbußen in dem thermischen und
mechanischen Eigenschaftsprofil der Elastanfäden.
Gegenstand der Erfindung sind auch Fäden oder Fasern,
hergestellt aus den erfindungsgemäßen Spinnlösungen.
Die erfindungsgemäßen Elastan-Lösungen können auch zur
Herstellung von Filmen, Folien, Schläuchen oder Be
schichtungen eingesetzt werden.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Polyurethanharn
stoff-Elastomeren kann nach an sich bekannten Verfah
rensstufen erfolgen. Besonders bewährt hat sich die Syn
these nach NCO-Präpolymer-Verfahren, wobei in der ersten
Verfahrensstufe ein höhermolekulares Diol a) im Lösungs
mittel oder in der Schmelze mit Diisocyanat c), gegebe
nenfalls in Gegenwart niedermolekularer Diole b), zu
einem NCO-Präpolymer so umgesetzt wird, daß das NCO-Prä
polymer NCO-Endgruppen in bestimmter Menge enthält.
Als langkettige, höhermolekulare Dihydroxyverbindungen
a) (auch Makrodiole genannt) sind insbesondere Poly
esterdiole und Polyetherdiole geeignet. Diese Diole
haben im allgemeinen Molekulargewichte von 1.000 bis
8.000, vorzugsweise 1.500 bis 4.000.
Als Polyesterdiole sind z. B. Dicarbonsäurepolyester ali
phatischer Dicarbonsäuren geeignet, die sowohl mehrere
Diole wie auch mehrere Dicarbonsäuren oder Hydroxycarbon
säuren enthalten können. Besonders geeignet sind Adipin
säure Mischester aus Adipinsäure, Hexandiol-1,6 und Neo
pentylglykol, Adipinsäure, Butandiol-1,4 und Neopentyl
glykol oder Adipinsäure, Butandiol-1,4, Neopentylglykol
und Hexandiol-1,6.
Als langkettige Polyetherdiole eignen sich besonders
Polytetramethylenoxiddiole oder ihre Copolyether mit an
deren etherbildenden Verbindungen wie Ethylenoxid oder
Propylenoxid. Es können auch Mischungen aus den genann
ten Verbindungen eingesetzt werden.
Weitere höhermolekulare Diolverbindungen, (Makrodiole)
z. B. Dihydroxylactonester oder Dihydroxypolycarbonate
wie aus dem Stand der Technik bekannt, können ebenfalls
eingesetzt werden, ebenso wie weitere, im Stand der
Technik bekannte höhermolekulare Diole. Diese umfassen
auch mit Diisocyanaten verknüpfte Diole (z. B. im Molver
hältnis OH/NCO = 2 : 1 bis 5 : 4).
Niedermolekulare Diole b) sind z. B. Ethylenglykol, Bu
tandiol-1,2, Butandiol-1,4, 1,4- und-oder 1,3-Cyclo
hexandimethanol, N,N-Bis-(β-hydroxypropyl)-methylamin,
N,N′-Bis-(β-hydroxyethyl)-piperazin, N,N-Dimethyl-N,N′-
hydroxyethyl-hydrazin und andere Verbindungen dieser
Stoffklassen.
Als Diisocyanate c) können die üblichen aromatischen
Diisocyanate eingesetzt werden. Sie werden gegebenen
falls in Kombination (mit geringeren Anteilen) von
(cyclo)aliphatischen Diisocyanaten, gegebenenfalls aber
auch die (cyclo)aliphatischen Diisocyanate allein ver
wendet. Besonders brauchbare Ergebnisse erhält man mit
4,4′-Diphenylmethan-diisocyanat bzw. entsprechenden Iso
merengemischen mit untergeordneten Mengen an 2,4′- und/
oder 2,2′-Isomeren, sowie mit TDI. Selbstverständlich
ist es möglich, Mischungen von aromatischen Diisocyana
ten zu verwenden. Als Mischungskomponenten oder Einzel
komponenten sind weiterhin beispielsweise nachstehende
(cyclo)aliphatische Diisocyanate geeignet, insbesondere
1,6-Hexamethylendiisocyanat, 1,8-Octamethylendiisocya
nat, 2/3-Methylhexamethylendiisocyanat-1,6 oder 2,4-Di
isocyanato-1-methyl-cyclohexan sowie die 4,4′-Dicyclo
hexylmethan-, 4,4′-Dicyclohexylalkyliden-, 4,4-Dicyclo
hexyletherdiisocyanate oder Isophorondiisocyanat in
ihren verschiedenen Stereoisomeren oder Stereoisomerge
mischen.
Bei der Synthese der segmentierten Elastomeren nach dem
NCO-Präpolymerverfahren werden die Makrodiole in der
Schmelze oder in einem Lösungsmittel mit überschüssigen
molaren Mengen an Diisocyanaten c) über die Diole (a+b)
so umgesetzt, daß das Reaktionsprodukt Isocyanatendgrup
pen enthält. Die OH/NCO-Verhältnisse werden zwischen
1 : 1,4 bis 1 : 4,0, vorzugsweise 1 : 1,6 bis 1 : 3,8, gewählt,
so daß NCO-Präpolymere mit einem NCO-Gehalt von 1,4 bis
etwa 4,5 Gew.-%, vorzugsweise 1,8 bis 4,0 Gew.-% NCO,
entstehen. Dabei muß das OH/NCO-Verhältnis in Abhängig
keit vom Molekulargewicht des Makrodiols innerhalb des
hier vorgegebenen Verhältnisses so gewählt werden, daß
der NCO-Gehalt des NCO-Präpolymeren in dem hier bemes
senen Bereich fällt.
Als Katalysatoren sind für die NCO-Präpolymerherstellung
geeignet: Lewis-Säuren-Katalysatoren wie Zinnsalze oder
z. B. Organozinnverbindungen wie Organozinncarboxylate
oder -halogenide, Dibutylzinndilaurat, anorganische
Salze anorganischer Säuren, z. B. Zinnoctoat, Zinnstea
rat, Zinnacetat, Bleioctoat, Einschubkatalysatoren wie
Organozinnalkoholate, β-dicarbonylverbindungen, -oxide,
-mercaptide, -sulfide, Organoaminzinnverbindungen, -phos
phinzinnverbindungen: ferner sind Lewis-Basen-Katalysa
toren wie tertiäre Amine, Phosphine, Pyridine als Kata
lysatoren geeignet, wie sie im Stand der Technik der
Polyurethanherstellung im Prinzip bekannt sind. Vorzugs
weise werden Dibutylzinndilaurat (Desmorapid® Z/Bayer
AG) oder Diazobicyclooctan (DABCO®) eingesetzt. Zumeist
wird auf den Einsatz von Katalysatoren verzichtet, oft
mals werden jedoch geringe Mengen an Desaktivatoren
gegenüber Alkalisäuren eingesetzt.
Werden Lösungsmittel bei der Präpolymerisationsreaktion
verwendet, so eignen sich hierfür besonders Chlorbenzol,
N-Methylpyrrolidon, Dimethylsulfoxid und ganz besonders
die zumeist auch als Spinnlösungsmittel benutzten hoch
polaren Amid-Lösungsmittel Dimethylformamid und Dime
thylacetamid.
Zur Synthese der segmentierten Polyurethanharnstoffe
werden die gewünschten Harnstoffgruppen durch eine Ket
tenverlängerungsreaktion der NCO-Prapolymeren mit Dia
minen in die Makromoleküle eingeführt. Die in der NCO-
Präpolymerstufe synthetisierten NCO-Propolymeren (auch
Makrodiisocyanate genannt) werden in hochpolaren Lö
sungsmitteln mit Kettenverlängerungsmitteln f), vorzugs
weise aliphatischen Diaminen und Kettenabbrechern/
Blockiermitteln (sekundäre Monoamine) g) entsprechend
dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Hilfe der mehrstufi
gen Misch- und Homogenisiervorrichtung lt. Erfindung
umgesetzt.
Bevorzugt werden als Diamine f) geradkettige oder ver
zweigte Diamine eingesetzt, z. B. 1,2-Propylendiamin,
1,4-Diaminobutan, 1,6-Diaminohexan, 1,3-Diamino-cyclo
heran oder auch 1,3-Diamino-2,2-dimethylpropan; bevor
zugt wird jedoch Ethylendiamin als alleiniges oder über
wiegendes Kettenverlängerungsmittel verwendet.
In Anteilen (50 Mol-% können auch cycloaliphatische Dia
mine als Co-Kettenverlängerungsmittel verwendet werden,
z. B. 1,3-Diamino-cyclohexan.
Es können auch sekundäre Amine wie Piperazin, N-Methyl
ethylendiamin oder N,N′-Dimethyl-ethylendiamin als Co
diamine mitverwendet werden, jedoch ist dies weniger be
vorzugt.
Die Kettenverlängerungsreaktion erfolgt bevorzugt in Lö
sung unter Verwendung hochpolarer Lösungsmittel wie Di
methylsulfoxid, N-Methylpyrrolidon, vorzugsweise jedoch
Dimethylformamid oder insbesondere Dimethylacetamid.
Die für den bevorzugten Trockenspinnprozeß notwendige
Viskosität der Elastomerlösung liegt im allgemeinen im
Bereich von 10 bis 350 Pa·s bei 50°C und einer Scherge
schwindigkeit von 23s-1, wobei die Konzentration der
Spinnlösung zwischen 18 und 34 Gew.-% betragen kann. Die
nach dem erfindungsgemäß beschriebenen Verfahren herge
stellten Elastomerlösungen können Feststoffkonzentratio
nen bis zu 40% und mehr aufweisen, wobei die Viskosität
der Elastomerlösung im Bereich von 100 bis 250 Pa·s bei
50°C (Schergeschwindigkeit 23 s-1) beträgt.
Im Trockenspinnprozeß können die - gegebenenfalls bis
ca. 120°C erwärmten - Spinnlösungen mit Viskositäten von
mindestens 30 Pa·s bei 50°C durch Düsen in einen auf et
wa 150 bis 250°C beheizten, etwa 4 bis 8 m langen Spinn
schacht, in den auf etwa 150 bis 350°C beheizte Luft
oder Inertgase wie Stickstoff oder Dampf eingeblasen
werden, versponnen werden.
Die erfindungsgemäß hergestellten Lösungen besitzen eine
Viskositätsstabilität von mindestens ± 20% über minde
stens 5 Tage, vorzugsweise mindestens 7 Tage und sind
gegenüber dem diskontinuierlichen Verfahren deutlich
günstiger.
Durch die Verwendung einer geringen Menge eines mono
funktionellen Kettenabbrechers während der Kettenver
längerungsreaktion, läßt sich das gewünschte Molekular
gewicht problemlos einstellen.
Völlig überraschend entstanden Spinnlösungen von vermin
derter Viskosität bei ansonsten gleichartiger Zusammen
setzung - somit wird eine Verspinnung aus höherkonzen
trierten Lösungen möglich.
Den erfindungsgemäß hergestellten Elastomerlösungen kön
nen auch die für verschiedenste Zwecke dienenden übli
chen Additive i) in wirksamen Mengen zugesetzt werden.
Genannt seien z. B. Antioxidantien, Lichtschutzmittel,
UV-Absorber, Schönungsfarbstoffe, Pigmente, Färbeaddi
tive (z. B. tertiär Amin-haltige Oligomere oder Poly
mere), Antistatika, DMF-lösliche Silikonöle, adhäsiv
wirksame Zusätze wie Magnesium-, Calcium-, Lithium-,
Zink- und Aluminiumsalze langkettiger Carbonsäuren wie
-stearate, -palmitate oder Dimerfettsäuren oder belie
bige Gemische dieser Salze oder auch Zusätze von fein
teiligen Zinkoxiden, welche bis zu 15 Gew.-% andere
Oxide, z. B. Magnesiumoxid oder Calciumoxid oder Carbo
nate, z. B. Ca- oder Magnesiumcarbonate, enthalten kön
nen. Durch derartige Zinkoxide mit Erdalkalioxiden oder
-Carbonaten als Zusätze kann eine hervorragende Chlor
beständigkeit von Ether- wie auch Polyester-Elastomer
fäden gegen Chlorwasser (Waschmittel/Schwimmbäder/
Bleichmittel) erzielt werden, ohne daß man eine hohe
Reinheitsforderung, z. B. im Zinkoxid- oder Spuren-Schwe
fel-Gehalt, einhalten müßte.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Ela
stomerlösungen können nach den angegebenen Verfahren zu
Elastomerfäden versponnen, jedoch auch zu Folienbe
schichtungen oder ähnlichen Flächengebilden verarbeitet
werden. Dies kann durch Auftrocknen oder durch Koagula
tion geschehen.
Die erfindungsgemäßen Elastomerlösungen zeigen eine un
gewöhnliche Kombination von hervorragender Löslichkeit
und Vikositätskonstanz, selbst bei hoher Temperatur und
langen Lagerzeiten.
Die in den Beispielen erwähnten Meßgrößen wurden wie
folgt bestimmt: Die inhärente Viskosität (ηi) der Ela
stomeren wurde in verdünnter Lösung von 0,5 g/100 ml Di
methylacetamid bei 30°C durch Bestimmung der relativen
Viskosität ηr gegenüber dem reinen Lösungsmittel be
stimmt und nach der Formel
t1: Durchlaufzeit (s) der Polymerlösung
t0: Durchlaufzeit (s) des reinen Lösungsmittels
t0: Durchlaufzeit (s) des reinen Lösungsmittels
umgerechnet.
Die Feinheitsfestigkeit wurde in Anlehnung an DIN 53 815
bestimmt (cN/dtex). Die Höchstzugkraftdehnung (in %) er
folgte ebenfalls nach DIN 53 815. Der Modul bei 100%
bzw. 300% erstmaliger Dehnung wurde bei einer Dehnungs
geschwindigkeit von 4 × 10-3 Meter pro Sekunde in
cN/dtex bestimmt. Die Restdehnung wurde nach fünfmaliger
Ausdehnung auf 300% und nach einer Erholungszeit von
60 Sekunden bestimmt. Die Messung von Heat distortion
Temperatur (HDT), Heißreißzeit (HRZ) bzw. Heißwasser
spannungsabfall (HWSA) erfolgt nach Methoden, die in
Chemiefasern/Textilindustrie, Januar 1978, Heft 1/78,
28.180. Jahrgang auf Seite 44 bis 49 beschrieben sind.
Entsprechende Angaben finden sich auch in DE-OS
25 42 500 (1975).
Die Verspinnung erfolgte nach dem Trockenspinnprozeß ge
mäß den Beispielen unter folgenden Bedingungen:
Schachttemperatur|200°C | |
Lufttemperatur | 220°C |
Luftmenge | 40 m³/h |
Düse | 12 Loch, Durchmesser 0,3 mm |
Spinnkopftemperatur | 80°C |
Luftdralldüse | 0,6 bar |
Abzug der Galetten 1, 2, 3 | 325/340/340 m/min |
25.000 g eines Polyesterdiols vom Molekulargewicht Mn =
2.014 auf der Basis von Adipinsäure, Hexandiol-1,6 und
Neopentylglykol (Molverhältnis der Diole 65 : 35) wurden
mit 13.175 g Dimethylacetamid gemischt und mit 5.741 g
Diphenylmethan-4,4′-diisocyanat (Desmodur® 44/Bayer AG)
versetzt. Anschließend wurde 40 Minuten auf 50°C er
wärmt, bis der NCO-Gehalt des NCO-Präpolymeren 2,60%
betrug. Der Feststoffgehalt der NCO-Präpolymerlösung
betrug 70%.
18.000 g eines Polyesterdiols (auf der Basis Adipinsäu
re, Hexandiol-1,6, Butandiol-1,4-, Neopentylglykol; Mol
verhältnis der Diole: 64 : 17 : 19) mit Molekulargewicht
Mn von 3.313 und 7.714 g eines Polytetramethylenether
diols (Terathane® 2.000, Du Pont, Mn von 2.066) wurden
mit 12.857 g Dimethylacetamid gemischt und mit 4.286 g
Diphenylmethan-4,4′-diisocyanat versetzt. Anschließend
wurde die Mischung 60 Minuten auf 50°C erwärmt, bis der
NCO-Gehalt des NCO-Präpolymeren 2,14% (bezogen auf
Feststoff) betrug. Der Feststoffgehalt der NCO-Präpoly
merlösung betrug 70%.
Zu einer Mischung aus 26 g Ethylendiamin, 1,6 g Diethyl
amin und 4.463 g Dimethylacetamid wurden 60 g CO2 zuge
geben. Zu dieser frisch hergestellten Carbamatsuspension
wurden unter intensivem Rühren 2.000 g der NCO-Prepoly
merlösung aus Beispiel 1 innerhalb von 15 Minuten
zugesetzt. Man erhält eine klare Lösung mit einem
Elastomerfeststoffgehalt von 22% und einer Lösungs
viskosität von 39 Pa·s/20°C. Die inhärente Viskosität
betrug 1,06 dl/g. Zu dieser viskosen Elastomerlösung
wurden, bezogen auf Polyurethan-Feststoff, 0,3 Gew.-%
Mg-Stearat, 1 Gew.-% Cyanox® 1790 (American Cyanamid,
USA), 0,5 Gew.-% Tinuvin 622 (Ciba-Geigy) 7 ppm Makro
lex® - Violett B (Bayer AG), 0,5 Gew.-% des Polyether
siloxans Silvet® L7607 (ein Polyether/Polydimethyl
siloxan-Copolymer, Lieferfirma Union Carbide Corp.,
USA), zugesetzt. 3.000 g dieser Polymerlösung wurden
nach dem Trockenspinnverfahren versponnen.
Die Verspinnung der Lösung erfolgte nach dem Trocken
spinnverfahren über eine 12-Loch-Düse mit Bohrungen von
je 0,3 mm Durchmesser. Schachtheiztemp. 200°C, Lufttem
peratur 220°C, Abzugsgeschw. 340 m/min unter Verwendung
eines Luftdrallgebers. Die textilen Daten sind in Ta
belle 1 und das Langzeitviskositätsverhalten ist in Ta
belle 2 zusammengefaßt.
Zu einer Mischung aus 26 g Ethylendiamin, 1,6 g Diethyl
amin wurden 60 g CO2 gegeben. Zu dieser Carbamatsuspen
sion wurden unter Rühren 2.000 g der NCO-Präpolymerlö
sung nach Beispiel 1 innerhalb von 15 Minuten zugesetzt.
Man erhält eine klare Elastomerlösung mit einem Elasto
merfeststoffgehalt von 30 Gew.-% und einer Lösungs
viskosität von 121 Pa·s/50°C. Die inhärente Viskosität
betrug 1,24 dl/g. Zu dieser viskosen Elastomerlösung
wurden Zusätze, wie in Beispiel 3 beschrieben, zugege
ben. Sie wurde analog dem Beispiel 3 nach dem Trocken
spinnverfahren versponnen. Die Daten der erhaltenen
Fäden sind in Tab. 1 und das Langzeitviskositätsverhal
ten ist in Tab. 2 wiedergegeben.
Zu einer Mischung aus 26 g Ethylendiamin, 1,6 g Diethyl
amin und 2.052 g Dimethylacetamid wurden 60 g CO2 gege
ben. Zu dieser Carbamatsuspension wurden unter Rühren
2.000 g der NCO-Präpolymerlösung nach Beispiel 1 inner
halb von 15 Minuten zugesetzt. Man erhält eine klare,
Elastomerlösung mit einem Elastomerfeststoffgehalt von
35 Gew.-% und einer Lösungsviskosität von 158 Pa·s/50°C.
Die inhärente Viskosität betrug 0,99 dl/g. Zu dieser
viskosen Elastomerlösung wurden Zusätze, wie in Beispiel
3 beschrieben, zugegeben und sie wurde analog verspon
nen. Die Daten der erhaltenen Fäden sind in Tab. 1 und
das Langzeitviskositätsverhalten ist in Tab. 2 wieder
gegeben.
Zu einer Mischung aus 21,7 Ethylendiamin und 1,4 g Di
ethylamin wurden 60 g CO2 gegeben. Zu dieser Carbamat
suspension wurde unter intensivem Rühren 2.000 g der
NCO-Präpolymerlösung nach Beispiel 2 innerhalb von
15 Minuten zugesetzt. Man erhält eine klare Elasto
merlösung mit einem Elastomerfeststoffgehalt von
22 Gew.-% und einer Lösungsviskosität von 61 Pa·s/20°C.
Die inhärente Viskosität betrug 1,38 dl/g. Zu dieser
viskosen Elastomerlösung wurden die Zusätze, wie in
Beispiel 3 beschrieben, zugegeben. Sie wurde nach den
Trockenspinnverfahren versponnen. (Daten der Fäden in
Tab. 1).
In der Anlage gemäß Fig. 3 und unter Verwendung des
mehrstufigen Düsenreaktors gemäß Fig. 2 wurde eine
Elastomerlösung mit einem Feststoffgehalt von 30 Gew.-%
hergestellt.
In den Behälter 3 wurden 53,5 Teile der auf 39,2 Gew.-%
verdünnten, laut Beispiel 1 hergestellten NCO-Präpoly
merlösung und in Behälter 4 17,8 Teile Aminlösung vor
gelegt. Die Aminlösung hatte folgende Zusammensetzung:
394,8 Teile Ethylendiamin
24,6 Teile Diethylamin
17.430,0 Teile Dimethylacetamid.
24,6 Teile Diethylamin
17.430,0 Teile Dimethylacetamid.
Der Durchmesser der Stoffdüse 1 und der Mischdüse 2 (s.
Fig. 2) betrug 0,5 mm bzw. 0,75 mm. Der Durchmesser der
Bohrungen in der Homogenisierdüse 0,75 mm. Die NCO-Prä
polymerlösung wurde dem Düsenreaktor mit einem Vordruck
von 25 bar und einem Massenstrom von 45 kg/h und die
Aminlösung mit einem Vordruck von 28 bar und einem Mas
senstrom von 15 kg/h mittels der Dosierpumpen 5 und 6
zugeführt. Die Verweilzeit in der Mischzone betrug ca.
0,5 bis 5 ms. Danach gelangte die Reaktionslösung in den
Nachreaktionsteil, in welchem sie zur Nachreaktion auf
50°C mit dem Wärmetauscher 16 erwärmt wurde. Die Zahn
radpumpe 12 bewegte den Massenstrom mit 90 kg/h und för
derte 30 kg/h in den Wärmetauscher sowie 60 kg/h aus dem
Nachreaktionsteil. Anschließend wird die fertige, klare,
homogene und gelfreie Elastomerlösung mit der Austrags
pumpe 13 aus der Vorrichtung gefördert. Die Elastomer
lösung hat einen Elastomerfeststoffgehalt von 30 Gew.-%
und eine Lösungsviskosität von nur 56 Pa·s/50°C. Die
inhärente Viskosität betrug 1,13 dl/g. In dieser Elasto
merlösung wurden Zusätze wie in Beispiel 3 zugegeben.
Die Polymerlösung wurde analog nach dem Trockenspinnver
fahren versponnen (Daten der Fasern sind in Tab. 1 und
das Langzeitviskositätsverhalten in Tab. 2 wiedergege
ben).
Die Beispiele 8 und 9 wurden entsprechend dem Beispiel
7 in der dort beschriebenen Vorrichtung unter den glei
chen Reaktionsbedingungen ausgeführt. Die Zusammenset
zung der Ausgangskomponenten sowie die Viskosität und
die inhärente Viskosität der erhaltenen Elastomerlösun
gen zeigt Tabelle 3.
Den erhaltenen Elastomerlösungen wurden, wie in Beispiel
3 beschrieben, Zusätze zugegeben. Sie wurden analog
diesem Beispiel nach dem Trockenspinnverfahren verspon
nen. In Tabelle 1 sind die textilen Daten und in Tabelle
2 das Langzeitviskositätsverhalten zusammengefaßt. Es
sei besonders darauf verwiesen, daß man nach dem erfin
dungsgemäßen Verfahren Elastanfäden mit erhöhter Dehn
barkeit erhält, was für eine Reihe von Anwendungsgebie
ten von besonderem Vorteil ist.
In der Anlage gemäß Fig. 3 und unter Verwendung eines
Düsenreaktors nach Fig. 1b wurde versucht eine Elasto
merlösung mit einem Feststoffgehalt von 30 Gew.-% und
bei gleicher Rezeptur wie in Beispiel 7 herzustellen.
Der Durchmesser der Stoffdüse 23 betrug 0,4 mm und die
Mischdüse 24 hatte zwei Bohrungen mit 0,6 mm Durchmes
ser. Das NCO-Präpolymer wurde zunächst bei einem Vor
druck von 30 bar und einem Massenstrom von 45 kg/h und
die Aminlösung mit einem Vordruck von 35 bar und einem
Massenstrom von 15 kg/h zugeführt. Die Verweilzeit in
der Mischzone betrug etwa 100 ms. Nach kurzer Fahrzeit
traten unkontrollierte Druckschwankungen bis < 40 bar
auf, die mit einer Verquallung der austretenden Reak
tionslösung verbunden waren, so daß der Versuch abge
brochen werden mußte.
In der Anlage gemäß Abb. 3 und unter Verwendung des
Düsenreaktors nach Fig. 1a wurde versucht eine Elasto
merlösung mit einem Feststoffgehalt von 30 Gew.-% und
bei gleicher Rezeptur wie in Beispiel 7 herzustellen.
Der Durchmesser der Stoffdüse 21 betrug 0,4 mm und die
Mischdüse 22 hatte eine Bohrung von 0,6 mm Durchmesser.
Das NCO-Präpolymer wurde zunächst bei einem Vordruck von
20 bar und einem Massenstrom von 45 kg/h und die Amin
lösung mit einem Vordruck von 25 bar und einem Massen
strom von 15 kg/h zugeführt. Die Verweilzeit in der
Mischzone betrug etwa 5 ms.
Die hieraus erhaltene Spinnlösung enthielt Mikrogele, die
beim anschließenden Trockenspinnen der Spinnenlösung zu
wiederholten Fasernabrissen führten.
Claims (15)
1. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von
hochkonzentrierten Elastan-Spinnlösungen mit ver
besserter Fließeigenschaften und hoher Viskositäts
konstanz aus schnell reagierenden Polyadditionskom
ponenten, dadurch gekennzeichnet, daß die Reak
tionskomponenten aus den Ansatzbehältern in einen
mehrstufigen Düsenreaktor, bestehend aus einer
Mischkammer (10) mit einer Stoffdüse (1), einer
Mischdüse (2) und einer Homogenisierdüse (7), die
unmittelbar hintereinandergeschaltet sind, kon
tinuierlich eindosiert werden, in der ersten Stufe
des mehrstufigen Düsenreaktors die Reaktionskompo
nenten in der Mischdüse (2) des Reaktors in bis
10 ms miteinander vermischt werden, die reagierende
Mischung in einer zweiten Stufe in einer Homogeni
sierdüse (7) homogenisiert wird und anschließend
in einem nachgeschalteten Reaktor ausreagiert
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Reaktionskomponenten NCO-Präpolymere und
cycloaliphatische oder aliphatische Diamine sind
und die Diamine über eine Stoffdüse (1) der Misch
düse (2) zugeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die NCO-Präpolymere aus a) Polyester- oder
Polyetherdiolen oder Mischungen aus Polyester- und
Polyetherdiolen mit einem Molekulargewicht von 1000
bis 8000. Diisocyanat c) und gegebenenfalls nieder
molekulare Diolen b) hergestellt sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Diamin Ethylendiamin eingesetzt
wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekenn
zeichnet, daß unmittelbar hinter dem Düsenreaktor
die Reaktionslösung in einen Zwischenpufferkessel
(11) geführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß an den Zwischenpufferkessel (11) ein Umpump
kreislauf mit einem Wärmetauscher (16) geschaltet
ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Viskosität im Umpumpkreislauf konstant ge
halten wird dadurch, daß die Viskosität im Umpump
kreislauf gemessen wird und als Steuergröße für die
Eindosierung der Reaktionskomponenten verwendet
wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Verweilzeit der Reaktanten
im Reaktor bis zum Ende der Mischdüse (2) von 0,1
bis 5 ms beträgt.
9. Gelfreie Polyurethanharnstoff-Elastomer-Spinnlösun
gen mit einer Viskosität von 10 bis 350 Pa·s, ge
messen bei 50°C und einer Schergeschwindigkeit von
23 s-1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Fest
stoffkonzentration von größer 30 Gew.-% und eine
Viskositätsstabilität von mindestens ± 20% bei min
destens 5 Tage Lagerung bei 50°C aufweisen.
10. Spinnlösungen gemäß Anspruch 9 hergestellt nach dem
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1-8.
11. Fasern oder Fäden, hergestellt aus Spinnlösungen
gemäß den Ansprüchen 9 bis 10.
12. Mehrstufendüsenreaktor bestehend aus einer Misch
kammer (10) mit einer Stoffdüse (1), einer Misch
düse (2) und einer Homogenisierdüse (7) die unmit
telbar hintereinander geschaltet sind, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Verweilzeit der Reaktionskom
ponenten, die in den Reaktor strömen und von denen
einer über die Stoffdüse (1) und weitere Reaktanten
über die Mischkammer (10) zugeführt werden, bis zur
vollständigen Vermischung am Ende der Mischdüse (2)
weniger als 100 ms beträgt und dadurch gekennzeich
net, daß die Rückvermischung in dem Bereich der
Mischkammer (10) zwischen der Stoffdüse (1) und der
Mischdüse (2) vermieden wird.
13. Mehrstufendüsenreaktor gemäß Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß Stoffdüse (1) und Mischdüse (2)
axial hintereinander geschaltet sind und sich an
die Mischdüse (2) ein Verdrängerkörper (9) vor der
Homogenisierdüse (7) anschließt, der die Reaktions
mischungen zu den Bohrungen (8) der Homogenisier
düse (7) leitet.
14. Mehrstufendüsenreaktor gemäß den Ansprüchen 12 und
13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit der
Reaktionskomponenten in der Mischkammer (10) bis
zum Ende der Mischdüse (2) 10 ms beträgt.
15. Mehrstufendüsenreaktor gemäß Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verweilzeit der Reaktions
komponenten von 0,1 bis 5 ms beträgt.
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