DE4334922C2 - Verfahren zur Herstellung von Fasern aus Polyolefinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstel­ lung von Fasern, insbesondere von thermobondierbaren Stapelfasern zur Verarbeitung von Vliesen.

Bekannte Verfahren zur Herstellung von Stapelfasern sind der Kurzspinn- und Langspinnprozeß. Beiden Prozessen ist gemeinsam, daß das Polyole­ fin in einem Extruder geschmolzen wird und anschließend durch Spinn­ düsen unter Erhalt von Fasern gepreßt wird. Beim Kurzspinnprozeß werden Spinndüsen mit großen Lochzahlen bei engen Lochabständen verwendet, wodurch zur Abkühlung der Fasern hohe Blasluftgeschwindig­ keiten nötig sind. Auf Grund der niedrigen Prozeßgeschwindigkeiten ist es möglich, direkt auf die nachfolgende Weiterbehandlungsstrecke zu gehen. Hingegen werden beim Langspinnprozeß Spinndüsen mit deutlich geringeren Lochzahlen bei größeren Lochabständen verwendet, so daß man mit deutlich niedrigeren Blasluftgeschwindigkeiten als beim Kurz­ spinnprozeß arbeiten kann. Auf Grund der deutlich höheren Prozeßge­ schwindigkeiten ist die Anblasstrecke deutlich länger. Diese Unterschiede in den Lochabständen und Blasluftgeschwindigkeiten ermöglichen es u. a. beim Langspinnprozeß beliebige Polyolefintypen ohne Einschränkungen in der Molekulargewichtsverteilung und Schmelzeviskosität verwenden zu können, wohingegen beim Kurzspinnprozeß für thermobondierbare Stapel­ fasern nur Polyolefine breiter Molekulargewichtsverteilung Anwendung finden.

Dies erklärt sich dadurch, daß die langkettigen Anteile die Schmelzefe­ stigkeit erzeugen, während die kürzeren Ketten als Schmiermittel zwi­ schen den langen Molekülen wirken. Aufgrund der niedrigeren Blasluftge­ schwindigkeiten beim Langspinnprozeß wird hier keine so hohe Schmelze­ festigkeit benötigt und dies bietet dem Betreiber einen weiten Schmelze­ temperaturbereich und somit die Auswahl unter Polyolefinen mit stark unterschiedlichen Schmelzeviskositäten, in der Praxis als Schmelzindex bezeichnet, an, während man beim Kurzspinnprozeß nur einen einge­ schränkten Schmelzindexbereich verwenden kann, der bei ebenfalls einge­ schränktem Temperaturbereich die notwendige Schmelzfestigkeit ergibt.

Der Langspinnprozeß bietet somit gegenüber dem Kurzspinnprozeß den Vorteil, daß Polyolefinschmelzen enger Molekulargewichtsverteilung und/ oder niedriger Schmelzeviskosität verarbeitet werden können, wobei diese Schmelzen entweder auf Grund des Rohmaterials bereits vorliegen bzw. in der Schmelze durch thermischen oder chemischen Abbau im Extruder erzeugt werden können. Dieser thermische oder chemische Abbau der Schmelze führt zu höheren kurzkettigen Polyolefinanteilen und geht mit einer Verengung der Molekulargewichtsverteilung und Verringerung der Schmelzeviskosität einher. Dies führt zu deutlich verbesserten Eigenschaf­ ten der bei der Verarbeitung aus den Stapelfasern hergestellten Vlies­ stoffe, da ein höherer Anteil an kurzkettigen Polyolefinen die Thermo­ bondierbarkeitseigenschaften verbessert.

Dieser thermische oder chemische Abbau kann im Prinzip sowohl beim Kurzspinn- als auch beim Langspinnprozeß durchgeführt werden. Während beim Langspinnprozeß die niedrige Schmelzefestigkeit aufgrund des Viskositätsabbaus und der beim thermischen Abbau benötigten hohen Temperaturen keine verfahrenstechnischen Probleme verursacht, führt sie beim Kurzspinnprozeß jedoch zu Problemen bei der Kühlung mit Blas­ luft, und zwar in Form von Verklebungen zwischen den austretenden Fäden. Diesem Vorteil des Langspinnprozesses stehen die Nachteile eines Zweistufenprozesses entgegen, die beim Langspinnprozeß durch die zum Erreichen einer wirtschaftlichen Arbeitsweise erforderlichen hohen Anlagengeschwindigkeiten (da niedrigere Lochzahlen) bedingt sind und die bei der Weiterbehandlung mittels einer Faserstraße im On-Line-Prozeß gesenkt werden müssen, weshalb eine Zwischenstufe in Form einer Kannenablage vorzusehen ist. Dieser Zweistufenprozeß (des Langspinn­ prozesses) verursacht allgemein höhere Investitions- und Personalkosten.

Sowohl für den Kurzspinnprozeß als auch für den Langspinnprozeß ist es bekannt, daß Seitenstromextruder zum Beimischen von Additiven, insbesondere zur Einfärbung oder zur schonenden Einarbeitung von thermisch empfindlichen Farbmasterbatches, verwendet werden können.

Die Verwendung eines Seitenstromextruders ist auch im Zusammenhang mit dem Schmelzen einer färbenden polymeren Substanz bekannt (DE-OS 21 34 140), die mit dem farblosen Hauptstrom zu einem farbigen Material vereinigt wird.

Weiterhin ist aus der DE-OS 20 13 997 bekannt, zwei verschiedene Polymere (Polyamid/Polyester) getrennt in zwei Extrudern zu schmelzen und dann zu vermischen.

Dieser Stand der Technik befaßt sich weder mit der Herstellung von Fasern aus Polyolefinen noch mit der Herstellung von Fliesen aus thermobondierbaren Fasern. Es können diesem Stand der Technik keine Anregungen oder Hinweise zur Lösung der oben geschilderten Probleme hinsichtlich des Lang- und auch Kurzspinnprozeses entnommen werden.

Eines der Hauptanwendungsgebiete der obengenannten Stapelfasern liegt in der Herstellung von thermobondierten Vliesstoffen. Diese Bondierung geschieht durch Verpressen der in einem mechanisch oder pneumatisch hergestellten Vlies enthaltenen Einzelfasern zwischen zwei beheizten Kalanderwalzen. Ein wesentliches Beurteilungskriterium für die Qualität eines Vliesstoffes ist die Festigkeit des Vlieses, was wesentlich von der Thermobondierbarkeit der Fasern abhängt. Diese Thermobondierbarkeit ist umso besser, je höher der Anteil an kurzkettigen Polyolefinen, der wiederum wie bereits oben erwähnt, mit einer Verengung der Molekular­ gewichtsverteilung einhergeht.

Aus EP 0 552 013 A2 sind thermisch bondierbare Fasern zur Herstellung von Vliesstoffen mit erhöhten Festigkeitswerten bekannt. Jedoch erfordert die Erzeugung dieser Eigenschaften ein aufwendiges Materialzuführungs-, Materiallagerungs- und Materialdosiersystem, was im wesentlichen durch mehrere hierfür erforderliche Ausgangspolymere bedingt ist.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Ver­ fahren zur Herstellung von Fasern aus Polyolefinen zu schaffen, das für die Vliesherstellung geeignete Fasern mit einem möglichst hohen Anteil an kurzkettigen Polyolefinen und günstiger Molekulargewichtsver­ teilung liefert. Gleichzeitig sollte eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Hierbei wird ein Teil der Polyolefine in einem Hauptextruder geschmolzen und der andere Teil der Polyolefine wird als Seitenstrom in mindestens einem Seitenstromextruder, geschmolzen, in geeigneter Weise chemisch oder thermisch unter Erhalt eines höheren Anteils kurzkettiger Polyolefine behandelt und anschließend den im Hauptextruder geschmolzenen Polyolefinen zugeführt. Die geschmolzenen Polyolefine werden durch Spinndüsen unter Erhalt von Fasern gepreßt und diese werden in an sich bekannter Weise wei­ terbehandelt. Diese Weiterbehandlung umfaßt u. a. ein Kühlen der Fasern, bevorzugt mit Blasluft.

Bei der vorliegenden Erfindung wird also mindestens ein Seitenstrom­ extruder, der bisher nur zum Beimischen von Additiven bekannt war, gezielt zum thermischen oder chemischen Abbau eines Teils der einge­ setzten Polyolefine eingesetzt. Durch diesen thermischen oder chemischen Abbau werden Polyolefine mit den gewünschten Eigenschaften (enge Molekulargewichtsverteilung, möglichst hoher Anteil an kurzkettigen Polyolefinen), die zur Vliesherstellung geeignete Fasern liefern, bereitge­ stellt. Bisher konnte ein derartiger thermischer oder chemischer Abbau ohne verfahrenstechnische Probleme oder wirtschaftliche Nachteile nur beim aufwendigen, zweistufigen Langspinnprozeß durchgeführt werden.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht also die Herstellung von zur Vliesherstellung geeigneten Fasern aus Polyolefinen in einem einstufigen Prozeß. Gleichzeitig bietet die Erfindung den Vorteil, daß für den Kurz­ spinnprozeß alle Typen von Polyolefinen einsetzbar sind, wohingegen bisher zur Erzeugung von Fasern zur Vliesherstellung nur Polyolefine breiter Molekulargewichtsverteilung verwendet werden konnten. Somit bietet die Erfindung die Vorteile des Langspinnprozesses in einem einstufigen Prozeß.

Durch diese Aufteilung der Schmelzerzeugung in einen Hauptstrom (im Hauptextruder geschmolzene Polyolefine) und einen Seitenstrom steht dem Anwender ein Verfahren zur Herstellung von Fasern mit erhöhter Thermobondierbarkeit bei gleichzeitig guter Erspinnbarkeit zur Verfügung, wobei der Anwender durch die Aufteilung der beiden Polyolefinströme eine zusätzliche verfahrenstechnische Variationsmöglichkeit zur Verfügung hat, mit der sowohl die Erspinnbarkeit wie auch die Thermobondier­ barkeit positiv beeinflußt werden können. Die Erfindung gibt dem An­ wender sogar die Möglichkeit, bisher für die Erspinnbarkeit ungeeignete Polymere derart aufzubereiten, daß gleichzeitig ein guter Lauf möglich ist und die Thermobondierbarkeit der daraus hergestellten Fasern erhöht wird. Gegenüber der bereits erwähnten Offenlegungsschrift EP 0 552 013 A2 bietet die Erfindung den Vorteil, daß ein beliebiges Polyolefin eingesetzt werden kann und die aufwendige, in der Offenlegungsschrift genannte Materialzuführung, -lagerung und -dosierung entfällt.

Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung eine günstigere Energiebilanz, indem mit einem heißen Seitenstrom und einem kälteren Hauptstrom gearbeitet und somit durch Mischen der Teilströme die für die Fadenfor­ mung optimale Temperatur erzielt werden kann ohne zusätzliche Ablei­ tung von Wärme aus dem Prozeß.

Bei den eingesetzten Polyolefinen kann es sich um beliebige Polyolefine handeln, vorzugsweise werden Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen oder Gemische davon verwendet.

Das Schmelzen der Polyolefine im Hauptextruder erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur von 180 bis 300°C, besonders bevorzugt bei einer Temperatur von 220 bis 250°C. Das Schmelzen der Polyolefine im Sei­ tenstrom erfolgt bei chemischer Behandlung vorzugsweise bei der gleichen Temperatur wie das Schmelzen im Hauptextruder. Bei der thermischen Behandlung der Polyolefinschmelze im Seitenstrom wird bei erhöhter Temperatur gearbeitet, bevorzugt bei 250 bis 350°C, besonders bevorzugt bei 280 bis 320°C.

Zur chemischen Behandlung werden bevorzugt Peroxide, besonders bevorzugt organische Peroxide eingesetzt. Bevorzugt liegt die Menge an verwendetem Peroxid im Bereich von 0,1 bis 2 Gew.-% bezogen auf den Seitenstrom.

Die Menge des Seitenstroms beträgt bevorzugt 2 bis 50 Gew.-%, beson­ ders bevorzugt 5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf den Hauptstrom.

In einer bevorzugten Ausführungsform können den Polyolefinen im Seiten- oder Hauptstrom, besonders bevorzugt im Seitenstrom, übliche Zusatzstoffe, vorzugsweise Farbstoffe, Masterbatches und/oder Additive, zugeführt werden. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform können ein Teil dieser Zusatzstoffe oder alle diese Zusatzstoffe über einen zweiten Seitenstromextruder zugeführt werden.

Die Zusammenführung von Haupt- und Seitenstrom erfolgt bevorzugt innerhalb des Hauptextruders bei dynamischer Vermischung oder nach dem Hauptextruder bei statischer Vermischung, wie auch aus den unten beschriebenen Fig. 1 und 2 ersichtlich ist.

Die durch das Pressen der Schmelze durch die Spinndüsen erhaltenen Fasern werden bevorzugt mittels Blasluft gekühlt. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Temperatur der Blasluft bei 10 bis 50°C und ihre Geschwindigkeit bei 5 bis 50 m/sec. Die weitere Behandlung der gesponnenen und gekühlten Faser erfolgt in an sich bekannter Weise. Hierbei werden die Fasern zuerst zu Stapelfasern verarbeitet, die dann zur Herstellung der gewünschten Vliese thermobondiert werden.

Aus den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Fasern können Vliese hergestellt werden, die eine höhere Festigkeit bieten, und höhere Weiterverarbeitungsgeschwindigkeiten zulassen.

Zur Veranschaulichung der Erfindung zeigen Fig. 1 und 2 Vorrichtungen, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind.

Fig. 1 zeigt Zuführungseinrichtungen 1 für Polyolefine mittels derer ein Teil der Polyolefine zu einem Hauptextruder 2 und der andere Teil zu einem Seitenstromextruder 3 geführt werden. Die Polyolefine werden im Haupt- bzw. Seitenstromextruder geschmolzen, wobei die geschmolzenen Polyolefine im Seitenstromextruder 3 des weiteren auf geeignete Weise thermisch oder chemisch unter Erhalt eines höheren Anteils kurzkettiger Polyolefine behandelt werden. Die im Seitenstromextruder 3 geschmolze­ nen, behandelten Polyolefine werden dann über eine Verbindungsleitung 4 durch eine Pumpe 5, bevorzugt eine Zahnradpumpe, die zum Dosieren der Schmelze dient, in den Hauptextruder 2 geführt. Hierbei findet eine dynamische Mischung innerhalb des Hauptextruders 2 statt. Die Polymer­ schmelze wird dann über eine Schmelzeleitung 7 zu einem statischen Mischer 6 und anschließend zu den Spinndüsen oder Spinndüsenpaketen 8 geführt. Die Polymerschmelze wird durch die Spinndüsen 8 zu Fasern gepreßt, die in an sich bekannter Weise zu thermobondierbaren Stapelfa­ sern bzw. Vliesen weiterverarbeitet werden.

Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 darin, daß die im Seitenstromextru­ der 3 geschmolzenen und behandelten Polyolefine über die Verbindungs­ leitung 4 durch eine Pumpe 5, vorzugsweise eine Zahnradpumpe (zum Dosieren der Schmelze) direkt in die Schmelzeleitung 7 geführt werden. Hierbei findet eine statische Mischung statt. Im übrigen bezeichnen gleiche Bezugsziffern in den Fig. 1 und 2 gleiche Komponenten.

In einer bevorzugten Ausführungsform (nicht gezeigt) weist die Vorrich­ tung nach den Spinndüsen Kühleinrichtungen zur Kühlung mit Blasluft auf. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform (nicht gezeigt) weist die Vorrichtung mehr als einen Seitenstromextruder auf.

Somit stellt die vorliegende Erfindung ein einstufiges, kostengünstiges Verfahren zur Herstellung thermobondierbarer Stapelfasern aus Polyolefi­ nen bereit.

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung von Fasern aus Polyolefinen, insbesondere von thermobondierbaren Fasern zur Verarbeitung zu Vliesen, umfassend das Schmelzen von Polyolefinen in mindestens einem Extruder, Pressen der geschmolzenen Polyolefine durch Spinndüsen unter Erhalt von Fasern und Weiterbehandlung der Fasern in an sich bekannter Weise, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Ausgangsmaterials der Polyolefine in einem Hauptextruder geschmolzen wird, und der andere Teil des Ausgangsmaterials der Polyolefine als Seitenstrom in mindestens einem Seitenstromextruder geschmolzen wird und hierbei in geeigneter Weise thermisch oder chemisch unter Erhalt eines höheren Anteils kurzkettiger Polyolefine behandelt wird, und den im Hauptextruder geschnmolzenen Polyolefinen zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyolefine aus Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen oder Gemischen davon ausgewählt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyolefine im Hauptextruder bei einer Temperatur von 180 bis 300°C, bevorzugt von 220 bis 250°C, geschmolzen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Polyolefine im Seitenstrom bei thermischer Behandlung bei 250 bis 350°C geschmolzen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Polyolefine im Seitenstrom bei chemischer Behandlung bei 180 bis 300°C, bevorzugt bei 220 bis 250°C, geschmolzen werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der im Seitenstrom geschmolzenen Polyolefine 2 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die im Hauptextruder geschmolzenen Polyolefine beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyolefine chemisch mit Peroxiden, bevorzugt mit organischen Peroxiden, behandelt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Peroxide in einer Menge von 0,1 bis 2 Gew.-% bezogen auf die im Seitenstrom geschmolzenen Polyolefine verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den geschmolzenen Polyolefinen im Seitenstrom Farbstoffe, Masterbatches und/oder Additive zugegeben werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im Seitenstrom geschmolzenen und behandelten Polyolefine den im Hauptextruder geschmolzenen Polyolefinen innerhalb des Hauptextruders bei dynamischer Vermischung zugeführt werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im Seitenstrom geschmolzenen und behandelten Polyolefine den im Hauptextruder geschmolzenen Polyolefinen nach dem Hauptextruder bei statischer Vermischung zugeführt werden.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Weiterbehandlung der Fasern ein Kühlen der Fasern mittels Blasluft, vorzugsweise bei einer Blaslufttemperatur von 10 bis 50°C und einer Blasluftgeschwindigkeit von 5 bis 50 m/sec umfaßt.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend

• - einen Hauptextruder (2),
• - mindestens einen Seitenstromextruder (3),
• - Zuführungseinrichtungen (1) für Polyolefine zu dem Hauptextruder (2) und dem mindestens einen Seitenstromextruder (3) und
• - Spinndüsen (8).

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiterhin einen statischen Mischer (6) und eine Pumpe (5), bevorzugt eine Zahnradpumpe, zum Dosieren der in dem mindestens einen Seitenstromextruder (3) geschmolzenen Polyolefine bei ihrer Zuführung zum Hauptextruder (2) aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zusätzlich Zuführungseinrichtungen für Peroxide aufweist.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Steuerungseinrichtungen zur On-Line-Viskositätsmessung zur Kontrolle des thermischen Abbaus im Seitenstromextruder aufweist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Rechner zur Steuerung aufweist.