Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft schmelzgeblasene
Faservliesmatten, d.h. Spinnstoffe, die durch Extrusion
geschmolzenen, faserbildenden Materials durch Öffnungen in
einer Düse in einen gasförmigen Strom mit hoher Geschwindigkeit
erzeugt werden, wobei der Strom auf das Extrudat trifft und
dieses in den Fasern verfeinert, und zwar häufig im
Mikrofaserbereich, der im Durchschnitt bei 10 Mikrometern oder
darunter liegt.
Allgemeiner Stand der Technik
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In den über zwanzig Jahren, in denen schmelzgeblasene Fasern
häufige Anwendung fanden, und zwar zum Beispiel zum Filtern,
zur Batterieelektrodentrennung und zur Isolation, existierte
anerkannter Bedarf an Fasern mit außerordentlich geringen
Durchmessern und Spinnstoffen mit guter Zugfestigkeit. Jedoch
wurde immer anerkannt, daß die Zugfestigkeit schmelzgeblasener
Fasern gering war, z.B. geringer als die Zugfestigkeit von
Fasern, die durch herkömmliche Schmelzspinnverfahren erzeugt
werden (siehe den Artikel "Melt-Blowing -- A One-Step Web
Process For New Nonwoven Products", von Robert R. Buntin und
Dwight D. Lohkcamp, Band 56, Nr. 4, April 1973, Tappi, Seite
75, Absatz in den Spalten 2 und 3). Mindestens bis in das Jahr
1981 wurde im Fach allgemein angezweifelt, "daß
schmelzgeblasene Spinnstoffe an sich jemals die Festigkeiten
besitzen werden, die herkömmliche Faservliesmatten aufweisen,
die durch Schmelzspinnen erzeugt werden, wobei eine
Faserverfeinerung unterhalb des polymeren Schmelzpunktes
auftritt, die eine kristalline Orientierung mit einer
resultierenden höheren Faserfestigkeit mit sich bringt" (siehe
das Dokument "Technical Developments In The Melt-Blowing
Process And Its Application In Absorbent Products", von Dr. W.
John McCullock und Dr. Robert A. VanBrederode, vorgestellt bei
Insight '81, Verlagsrechte Marketing/Technology Service, Inc.,
Kalamazoo, MI, Seite 18, unter der Überschrift "Strength").
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Die geringe Festigkeit der schmelzgeblasenen Fasern schränkte
die Anwendbarkeit der Fasern ein, und folglich wurden
verschiedene Versuche unternommen, um diese geringe Festigkeit
zu überwinden. In dem U.S. Patent US-A-3.704.198 an Prentice
wird ein solcher Versuch gelehrt, wobei ein schmelzgeblasener
Spinnstoff "durch Schmelzen verbunden wird", wie etwa durch
Kalandrieren oder Punktverbindung, und zwar mindestens eines
Teilstücks des Spinnstoffs. Zwar kann die Festigkeit des
Spinnstoffs durch das Kalandrieren teilweise verbessert werden,
jedoch bleibt die Faserfestigkeit unbeeinflußt, wobei die
Gesamtfestigkeit unter dem gewünschten Wert bleibt.
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Andere Fachleute haben das Einmischen von hochfesten
Bikomponentenfasern in schmelzgeblasene Fasern vor dem Sammeln
des Spinnstoffs bzw. dem Laminieren des schmelzgeblasenen
Spinnstoffs auf ein Substrat mit hoher Festigkeit
vorgeschlagen, wie zum Beispiel eine Spinnfliesmatte (siehe die
U.S. Patente US-A-4.041.203, US-A-4.302.495 und US-A-
4.196.245). Diese Schritte tragen zu höheren Kosten bei und
schwächen das Mikrofasermerkmal des Spinnstoffs ab, und sie
sind für viele Zwecke ungeeignet.
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In bezug auf den Faserdurchmesser existiert anerkannter Bedarf
an Fasern mit einheitlich geringen Durchmessern und mit
außerordentlich hohen Längenverhältnissen, wie dies zum
Beispiel in dem U.S. Patent US-A-4.118.531 an Hauser (Spalte 5)
sowie in dem U.S. Patent US-A-4.215.582 an Kubik u.a. (Spalten
5 und 6) beschrieben wird. Trotz der Möglichkeit der Erzeugung
schmelzgeblasener Fasern mit sehr geringen durchschnittlichen
Faserdurchmessern, ist die Fasergrößenverteilung
verhältnismäßig groß, wie dies von Hauser anerkannt wird, wobei
Fasern im Bereich von 6 bis 8 Mikrometern zur Verwendung mit
Fasern mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser von 1 bis
2 Mikrometern (Beispiele 5-7) vorhanden sind. Hinsichtlich der
Beseitigung von "Einschüssen" mit größeren Durchmessern
existieren ebenfalls Schwierigkeiten, wie dies zum Beispiel in
dem obengenannten Artikel von Buntin u.a. auf Seite 74, erster
Absatz aus Spalte 2, beschrieben wird. Ein Einschuß wird
gebildet, wenn die Fasern in der Wirbelströmung der
auftreffenden Luft während dem Schmelzblaseverfahren brechen.
Buntin gibt an, daß ein Einschuß unvermeidbar ist und einen
größeren Durchmesser als die Fasern aufweist.
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Das U.S. Patent US-A-4.622.259 an McAmish u.a. betrifft
schmelzgeblasene Faservliesstoffe, die sich insbesondere als
medizinische Stoffe eignen, und die angeblich eine verbesserte
Festigkeit aufweisen. Diese Spinnstoffe werden durch die Zufuhr
von Sekundärluft mit hoher Geschwindigkeit an einem Punkt nahe
der Stelle erzeugt, an der das faserbildende Material aus der
Schmelzblasedüse extrudiert wird. Wie dies in Figur 2 dieses
Patents am besten deutlich wird, wird die Sekundärluft von
jeder Seite des Stroms der schmelzgeblasenen Fasern zugeführt,
der die Schmelzblasedüse verläßt, wobei die Sekundärluft
allgemein senkrecht zu dem Faserstrom zugeführt wird. Die
Sekundärluft vermischt sich mit der Primärluft, die auf dem
faserbildenden Material aufgetroffen ist und die Fasern
gebildet hat, und wobei die Sekundärluft so gerichtet wird, daß
sie mehr in eine zu dem Weg der Fasern parallele Richtung
verläuft. Die vermischte Primär- und Sekundärluft trägt die
Fasern dann zu einem Sammler. In dem Patent wird erwähnt, daß
durch den Einsatz der Sekundärluft Fasern erzeugt werden, die
länger sind als die durch ein herkömmliches
Schmelzblaseverfahren erzeugten Fasern, und wobei die Fasern
nach der Faseransammlung eine geringere autogene Bindung
aufweisen; wobei hinsichtlich der letztgenannten Eigenschaft in
diesem Patent erwähnt wird, daß festgestellt werden konnte, daß
die Festigkeit der einzelnen Fasern höher ist. Es wird
angegeben, daß die Festigkeit von dem Grad der molekularen
Ausrichtung abhängig ist, und wobei in dem Patent erwähnt wird,
(Spalte 9, Zeilen 21-27), daß die in dem vorliegenden Verfahren
verwendete sehr schnelle Sekundärluft für die Erhöhung des
Zeitraums und der Strecke, über die die Fasern verfeinert
werden, wesentlich ist. Der Kühleffekt der Sekundärluft erhöht
die Wahrscheinlichkeit dafür, daß die molekulare Ausrichtung
der Fasern bei einer abnehmenden Geschwindigkeit der Fasern bei
der Ansammlung auf dem Sieb nicht übermäßig erschlaffen.
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Die Stoffe werden aus dem angesammelten Spinnstoff durch Prägen
der Spinnstoffe oder durch den Zusatz eines chemischen
Bindemittels zu dem Spinnstoff erzeugt, und wobei erwähnt wird,
daß die Stoffe höhere Festigkeiten aufweisen, z.B. ein
minimales Verhältnis der Grab-Zugfestigkeit zu dem Gewicht von
mehr als 0,8 N pro Gramm pro Quadratmeter und ein minimales
Verhältnis der Elmendorf-Reißfestigkeit zu dem Gewicht von mehr
als 0,04 N pro Gramm pro Quadratmeter. Ferner wird berichtet,
daß die Fasern einen Durchmesser von 7 Mikrometern oder weniger
aufweisen. Es werden jedoch keine Angaben darüber gemacht, daß
das Verfahren Fasern erzeugt, die eine schmale
Faserdurchmesserverteilung aufweisen, oder Fasern mit
durchschnittlichen Durchmessern von weniger als 2,
Mikrometern, im wesentlichen Endlosfasern bzw.
Faserspinnstoffe, die im im wesentlichen einschußlos sind.
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In EP-A-0 322 16 wird ein Verfahren zur Erzeugung orientierter,
schmelzgeblasener Mikrofilter unter Verwendung einer
spezifischen Orientierungskammer beschrieben. Dieses
Orientierungsverfahren ermöglicht gemäß der Beschreibung die
Erzeugung von Fasern, die allgemein kleinere Durchmesser
aufweisen als unter herkömmlichen Schmelzblasebedingungen ohne
Orientierungskammer erzeugte Fasern. Ferner wird beschrieben,
daß die Fasern eine schmalere Durchmesserverteilung als
herkömmliche, nicht orientierte Mikrofasern aufweisen.
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In EP-A-0 190 012 wird ein herkömmliches Schmelzblaseverfahren
offenbart, wobei ein nicht-gewebter Stoff erzeugt wird, der
sich aus Fasern mit einem durchschnittlichen Einzelfaser-
Denierwert von 0,005 bis 2,0 zusammensetzt.
Offenbarung der Erfindung
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Vorgesehen werden gemäß der vorliegenden Erfindung neuartige
schmelzgeblasene Fasern und Faservliesstoffe mit stark
verbesserter Faserdurchmessergrößenverteilung,
durchschnittlichem Faserdurchmesser, Faser- und Spinnstoff-
Festigkeit, und mit wenigen Einschüssen. Die neuartigen
schmelzgeblasenen Fasern weisen im Vergleich zur früheren
ausgerichteten schmelzgeblasenen Fasern eine deutlich höhere
Ausrichtung und Kristallinität auf, und zwar als Ergebnis der
Herstellung durch ein neuartiges Verfahren, das kurz
zusammengefaßt folgendes umfaßt: die Extrusion faserbildenden
Materials bei geringer Polymer-Zufuhrgeschwindigkeit von 0,01
bis 3 g/Stunde/Öffnung auf eine Meßeinrichtung, und danach
durch die Öffnungen einer Düse mit einem Durchmesser von 0,025
bis 0,5 mm in einen geregelten gasförmigen
Hochgeschwindigkeitsstrom mit verringertem Druck (etwa 70 kPa
oder weniger, bei einem Luftspalt von 4 mm), wobei das
extrudierte Material schnell in die Fasern verteilt wird; das
Leiten der verteilten bzw. verfeinerten Fasern und des
gasförmigen Stroms in ein erstes offenes Ende, d.h. das
Einlaßende, einer röhrenförmigen Kammer, die nahe der Düse
angeordnet ist und sich in paralleler Richtung zu dem Weg der
verteilten bzw. verfeinerten Fasern erstreckt, wenn diese die
Düse verlassen; Zufuhr von Luft mit sowohl radialen als auch
axialen Komponenten in die röhrenförmige Kammer, so daß die
entlang der Achse der Kammer geblasene Luft eine
Geschwindigkeit aufweist, die ausreichend ist, um die Fasern
während deren Verlauf durch die Kammer unter Spannung zu
halten, und wobei die Luft im wesentlichen entlang der gesamten
Länge der Kammer senkrecht zu der Längsachse der Kammer
zugeführt wird; optionales Führen der verfeinerten Fasern in
eine zweite röhrenförmige Kammer, in der gekühlte Fasern durch
entlang der Achse der Kammer geblasene Luft weiter gezogen
werden; und Sammeln der Fasern nach deren Austreten aus dem
entgegengesetzten Ende bzw. Auslaßende aus der letzten
röhrenförmigen Kammer.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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die Figuren 1 und 2 eine Seitenansicht bzw. Perspektivansichten
verschiedener Vorrichtungen, die für die Ausführung
erfindungsgemäßer Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer
Stoffe verwendet werden können;
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Figur 3 einen Graphen, der in bezug auf Endlos-Submikronfasern
das theoretische Verhältnis der Polymer-Fließgeschwindigkeit zu
dem Faserdurchmesser darstellt; und
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Figur 4 eine rasterelektronenmikroskopische Darstellung der
Submikronfasern aus Beispiel 5.
Genaue Beschreibung
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In Figur 1 ist eine repräsentative Vorrichtung für die
Herstellung erfindungsgemäßer geblasener Fasern bzw. eines
Blasfaser-Spinnstoffes schematisch dargestellt. Ein Teil dieser
Vorrichtung, der die geblasenen Fasern bildet, kann den
Beschreibungen der folgenden Dokumente entsprechen: "Superfine
Thermoplastic Fibers", Wente, Van A., Industrial Engineering
Chemistry, Band 48, Seite 1342 ff. (1956), oder Bericht Nr.
4364 der Naval Research Laboratories, mit dem Titel
"Manufacture of Superfine Organic Fibers", von Wente, V.A.,
Boone, C.D. und Fluharty, E.L., veröffentlicht am 25. Mai 1954.
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Dieser Abschnitt der Vorrichtung umfaßt eine Düse 10, die eine
Reihe ausgerichteter, nebeneinander angeordneter, paralleler
Düsenöffnungen 11 aufweist, wobei eine dieser Öffnungen in der
Schnittansicht durch die Düse sichtbar ist. Die Öffnungen
öffnen sich von dem zentralen Düsenhohlraum 12.
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Von einem Extruder (nicht abgebildet) wird durch eine Öffnung
13 faserbildendes Material in den Düsenhohlraum 12 eingeführt.
Auf jeder Seite der Reihe von Öffnungen 11 sind
Luftzwischenräume 15 angeordnet, die erhitzte Luft mit einer
sehr hohen Geschwindigkeit übertragen. Diese Luft, die als
Primärluft bezeichnet wird, trifft auf dem extrudierten
faserbildenden Material auf und wird schnell gezogen, und
verfeinert das extrudierte Material in eine Fasermasse. Die
Primärluft wird allgemein erhitzt und mit im wesentlichen
gleichem Druck beiden Luftzwischenräumen 15 zugeführt. Die Luft
wird ferner vorzugsweise gefiltert, um dadurch zu verhindern,
daß Schmutz oder Staub die einheitliche Fasergestaltung
beeinträchtigen. Die Lufttemperatur wird allgemein auf einem
Wert aufrechterhalten, der höher ist als die Temperatur des
Schmelzpolymers in den Düsenöffnungen Vorzugsweise liegt die
Temperatur der Luft mindestens um 5ºC über der Temperatur der
Schmelze. Darunterliegende Temperaturen können beim Austreten
des Polymers aus der Düse eine übermäßige Abkühlung
verursachen, wodurch die Ausrichtung in den Kammern schwierig
wird. Eine zu hohe Temperatur kann zu einem übermäßigen Abbau
des Polymers oder zu einer Erhöhung der Bruchneigung der Faser
führen.
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Von der Schmelzblasedüse 10 verlaufen die Fasern zu einer
primären, röhrenförmigen Ausrichtungskammer 17. In dieser
Beschreibung bezieht sich der Begriff "röhrenförmig" auf jedes
axial langgestreckte Gefüge mit offenen Enden an jedem axial
gegenüberliegenden Ende, wobei diese Achse von Wänden umgeben
wird. Im allgemeinen handelt es sich bei der Kammer um eine
eher dünne, breite, kastenartige Kammer mit einer Breite, die
etwas größer ist als die Breite der Düse 10, und mit einer Höhe
(18 in Figur 1), die für eine Ausrichtung bzw. Orientierung der
Luft ausreicht, so daß diese ohne übermäßigen
Geschwindigkeitsverlust ruhig durch die Kammer fließt, und so
daß aus der Düse gespritzter Faserstoff ohne Berührung der
Kammerwände durch die Kammer verläuft. Eine zu große Höhe würde
übermäßig große Luftvolumen voraussetzen, um eine
spannungsgebende Luftgeschwindigkeit vorzusehen. Bei einer
festen Wandkammer 17 wurden mit einer Höhe von 10 Millimetern
oder mehr gute Ergebnisse erzielt, und es konnte festgestellt
werden, daß eine Höhe von mehr als etwa 25 Millimetern nicht
erforderlich ist.
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Die Wände 26 entlang der Breite der Kammer 17 können aus einem
luftdurchlässigen bzw. porösen Material gestaltet werden.
Danach kann entlang der Breite der Kammer ein sekundärer,
kühlender, diffuser Luftstrom eingeführt werden. Dieser
Luftstrom dient der Funktion der Steigerung der
Polymerverfestigungs- und/oder Kristallisierungsgeschwindigkeit
in der Kühlkammer 17. Diese sekundäre Kühlluft sorgt ferner
unterstützend dafür, daß die Fasern in der Mitte der Kammer 17
und von den Wänden 26 fern gehalten werden. Jedoch darf der
Luftdruck dieses kühlenden Luftstroms nicht so hoch sein, daß
in der Kammer Turbulenzen erzeugt werden. Allgemein hat sich
ein Druck zwischen 2 und 15 psi als zulässig herausgestellt.
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Orientierungsluft wird in die Ausrichtungskammer 17 durch die
Öffnungen 19 eingeführt, die nahe dem ersten offenen Ende der
Kammer angeordnet sind, wo die in der Primärluft enthaltenen
Fasern aus der Düse in die Kammer eintreten. Die
Orientierungsbzw. Ausrichtungsluft wird vorzugsweise von beiden Seiten der
Kammer (d.h. von entgegengesetzten Seiten des in die Kammer
eingeführten Faserstroms) um die gekrümmten bzw. gebogenen
Oberflächen 20 zugeführt, wobei diese Oberflächen als Coanda-
Oberflächen bezeichnet werden können. Im allgemeinen können
Coanda-Oberflächen mit einem unendlichen Radiusbereich
eingesetzt werden. Wenn der Radius jedoch auf Null abnimmt,
wird der Winkel zu spitz, und die Luft neigt dazu sich von der
Oberfläche zu lösen. Eingesetzt wurden Radien mit einer so
geringen Größe wie 1/8 Inch, wobei die Radien allgemein im
Bereich von 0,5 bis 1,5 Inch liegen. Hinsichtlich der
Ausrichtungskammer 17 wird eine Coanda-Oberfläche mit größerem
Radius bevorzugt, wenn das verwendete Polymer weniger
kristallin ist oder eine geringe
Kristallisierungsgeschwindigkeit aufweist. Bei Polymeren mit
geringer Kristallinität tritt die Luft vorzugsweise aus einer
Öffnung neben der Coanda-Oberfläche in einem Winkel zu einer
Linie aus, die senkrecht zu der axialen Mittellinie der Kammer
verläuft. Bei einem Winkel von null Grad würde die Luft
parallel zu der axialen Mittellinie aus der Öffnung austreten.
Im allgemeinen lag der Austrittswinkel der Orientierungsluft
zwischen 0 und 90 Grad, wobei jedoch auch größere Winkel
möglich sind. Allgemein bevorzugt wird ein Luftaustrittswinkel
von 30 bis 60 Grad. Ein geringerer Austrittswinkel der
Orientierungsluft ist zulässig, wenn vor der
Orientierungsbzw. Ausrichtungskammer eine Kühlkammer verwendet wird, oder
wenn ein hochkristallines Polymer schmelzgeblasen wird.
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Die in die Kammer eingeführte Orientierungsluft macht beim
Austritt aus der Öffnung eine Biegung und verläuft um die
Coanda-Oberfläche, so daß entlang der Längsachse der Kammer ein
überwiegend axialer Fluß vorgesehen wird. Der Verlauf der Luft
ist relativ einheitlich und schnell, und sie zieht die aus der
Schmelzblasedüse 10 extrudierten Fasern gleichmäßig in die
Kammer. Im Gegensatz zu den aus einer schmelzgeblasenen Düse
austretenden Fasern, die kurz nach dem Verlassen der Düse
normalerweise relativ stark schwingen, neigen die aus der
Schmelzblasedüse austretenden Fasern in dem erfindungsgemäßen
Verfahren dazu, mit überraschend planarer Verteilung
einheitlich bzw. gleichmäßig in die Mitte der Kammer zu
verlaufen und ohne größere Schwingungen der Länge nach durch
die Kammer zu strömen.
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Nachdem die Fasern aus der Kammer 17 austreten, weisen sie
normalerweise eine Schwingungsbewegung auf, die durch die
Schwingungslinie 21 und die gestrichelten Linien 22 dargestellt
ist, die die allgemeinen Außenlinien des Faserstroms
darstellen. Dieses Schwingen ist auf die Erweiterung bzw.
Konizität an dem Auslaß der Kammer 17 zurückzuführen. Diese
Schwingung führt jedoch zu keinem erheblichen
Faserbruchverhalten, wie dies der Fall wäre, wenn das Schwingen
nahe an der Schmelzblasedüsenöffnung auftreten würde. Die
Ausrichtungskammer sorgt für eine erhebliche Verstärkung der
Faser, so daß ein Schwingverhalten nach der Kammer in
Verbindung mit einer resultierenden Erhöhung der
Höchstbeanspruchung, der die Fasern ausgesetzt sind, ohne
Faserbruch besser ausgehalten werden kann.
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Gemäß der Darstellung aus Figur 1 in bezug auf das
Ausführungsbeispiel mit einer Ausrichtungskammer 17, ist die
Kammer 17 an ihrem Auslaßende 23 vorzugsweise konisch
erweitert. Es konnte festgestellt werden, daß diese Konizität
dafür sorgt, daß die Fasern eine zufälligere oder isotropische
Anordnung in dem Faserstrom aufweisen, jedoch ohne Faserbruch.
Zum Beispiel neigt ein vereinigter Spinnstoff erfindungsgemäßer
Fasern, der durch eine Kammer ohne konisch erweiterten Auslaß
verlaufen ist, dazu ein eine Faseranordnung in
Maschinenrichtung aufzuweisen (d.h. mehr Fasern neigen zu einer
Ausrichtung in eine Richtung, die parallel zu der
Bewegungsrichtung der Sammeleinrichtung ist, als zu einer zu
dieser Richtung transversalen Ausrichtung). Andererseits weisen
aus einer Kammer mit konisch erweitertem Auslaß angesammelte
Faserspinnstoffe einen besseren Ausgleich zwischen
Maschinen-
und Querausrichtung auf. Die Konizität kann in der Höhe und der
Breite auftreten, d.h. auf der Achse oder in der Ebene der
Zeichnung sowie in einer Ebene, die senkrecht zu der Seite der
Zeichnungen verläuft. Üblicher ist es, daß die Konizität nur
auf der Achse in der Ebene der Zeichnung auftritt, d.h. den
Seiten mit großer Fläche bzw. den Wänden an gegenüberliegenden
Seiten des durch die Kammer verlaufenden Faserstroms. Es wird
davon ausgegangen, daß eine Konizität in einem Winkel (der
Winkel 0) zwischen der gestrichelten Linie 25, die parallel zu
der Längsachse der Kammer verläuft, und der konisch erweiterten
Seite der Kammer von 4 bis 70 für eine glatte isotropische
Ablagerung der Fasern ideal ist. Die Länge 24 des Abschnitts
der Kammer, über die die Konizität auftritt (der als
Randomisierungsabschnitt der Kammer bezeichnet werden kann),
ist von der Geschwindigkeit der Orientierungsluft und von dem
Durchmesser der erzeugten Fasern abhängig. Bei niedrigeren
Geschwindigkeiten und bei geringeren Faserdurchmessern werden
kürzere Längen verwendet. Konisch erweiterte Längen im Bereich
von 25 bis 75 Zentimetern haben sich als geeignet erwiesen.
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Die Orientierungsluft tritt mit hoher Geschwindigkeit in die
Ausrichtungs- bzw. Orientierungskammer 17 ein, wobei die
Geschwindigkeit ausreichend hoch ist, um die Fasern unter
Spannung zu halten, während sie der Länge nach durch die Kammer
verlaufen. Ein planarer, kontinuierlicher Verlauf durch die
Kammer zeigt an, daß die Fasern ununterbrochen sind und unter
hoher Spannung stehen. Die erforderliche Luftgeschwindigkeit
für die Orientierung, die durch den Druck bestimmt wird, mit
dem die Luft in die Ausrichtungskammer eingeführt wird, sowie
durch die Dimensionen der Öffnungen bzw. Zwischenräume 19, ist
abhängig von dem verwendeten faserbildenden Material und von
dem Durchmesser der Fasern. Für die meisten Anwendungen konnten
als optimale Werte für die entsprechende Spannung
Geschwindigkeiten festgestellt werden, die Druckzuständen von
etwa 70 psi (ungefähr 500 kPa) mit einer Spaltweite der Öffnung
19 (Dimension 30 in Figur 1) von 0,005 Inch (0,013 cm)
entsprechen. In Verbindung mit einigen Polymeren, wie zum
Beispiel Hexamethylendiamin-Adipinsäure-Polymer, und der
genannten Spaltweite, wurden jedoch auch so geringe
Druckzustände wie 20 bis 30 psi (140 bis 200 kPa) verwendet.
Wenn die Kammer 17 hauptsächlich als Kühlkammer eingesetzt
wird, können für die Orientierungsluft Druckzustände von nur 5
psi verwendet werden.
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Überraschenderweise können viele Fasern über eine lange Strecke
durch die Kammer strömen, ohne daß sie die obere oder untere
Oberfläche der Kammer berühren. In die erste Kammer (17 bzw.
37) wird jedoch vorzugsweise ein sekundärer, kühlender
Luftstrom auf diffuse Weise senkrecht zu den Fasern durch die
Seitenwände der Kammer eingeführt. Der sekundäre, kühlende
Luftstrom wird bei Polymeren mit niedriger
Kristallisierungsgeschwindigkeit bevorzugt, da diese eine
erhöhte Klebrigkeit aufweisen und folglich eine Tendenz
besitzen, daß vereinzelte Fasern an den Seitenwänden der Kammer
haften bleiben. Durch seine kühlende bzw. härtende Wirkung
erhöht der kühlende Luftstrom ferner die Faserfestigkeit,
wodurch die Wahrscheinlichkeit hinsichtlich eines Faserbruchs
vor, in oder nach der ersten Kammer (17 bzw. 37) verringert
wird.
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Im allgemeinen sind die Kammern mindestens etwa 40 Zentimeter
lang (wobei bei geringer Produktionsleistung jedoch auch
kürzere Kammern verwendet werden können, oder wenn die erste
Kammer hauptsächlich als Ausrichtungskammer dient), wobei die
Kammern vorzugsweise mindestens 100 Zentimeter lang sind, um
eine wünschenswerte Ausrichtung sowie wünschenswerte
mechanische Eigenschaften in den Fasern zu erzielen. Bei
kürzeren Kammerlängen können schnellere Luftgeschwindigkeiten
verwendet werden, so daß immer noch eine Faserausrichtung
erzielt werden kann. Das Einlaßende der ersten Kammer befindet
sich allgemein innerhalb von 3-10 Zentimetern zu der Düse, und
trotz der üblicherweise nahe dem Auslaß einer Schmelzblasedüse
vorhandenen Turbulenz, die bereits vorstehend erwähnt worden
ist, werden die Fasern ausgerichtet bzw. in organisierter
Anordnung in die Kammer gezogen.
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Nach dem Austreten aus der Ausrichtungskammer bzw. aus der
letzten Kammer (17 bzw. 38) verlangsamen sich die verfestigten
Fasern, und im Verlaufe dieser Verlangsamung werden sie an dem
Sammler 26 als Spinnstoff 27 vereinigt, und zwar als eine
möglicherweise fehlgerichtete Masse verwickelter Fasern. Der
Sammler bzw. die Sammeleinrichtung kann in Form eines
zylinderförmigen, feinporigen Siebes oder einer Trommel, eines
drehbaren Dorns, oder einer Bandfördereinrichtung gegeben sein.
Hinter der Sammeleinrichtung kann sich eine
Gasentzugsvorrichtung befinden, die den Gasentzug unterstützt.
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Der angesammelte Faserspinnstoff kann von der Sammeleinrichtung
entfernt und auf eine Vorratsrolle aufgewickelt werden, wobei
aneinandergrenzende Wicklungen der Rolle vorzugsweise durch
eine Zwischenlage getrennt werden. Zum Zeitpunkt der
Faseransammlung und der Spinnstoffgestaltung sind die Fasern
vollständig verfestigt und ausgerichtet. Diese beiden Merkmale
neigen dazu, den Fasern einen hohen Modul zu verleihen, und
wobei es schwierig ist, Hochmodulfasern zu verlangsamen und
ausreichend zu verwickeln bzw. zu verhaken, um einen
behandelbaren zusammenhängenden Spinnstoff zu gestalten.
Spinnstoffe, die nur ausgerichtete, schmelzgeblasene Fasern
umfassen, weisen nicht den Zusammenhalt auf, den ein
angesammelter bzw. vereinigter Spinnstoff herkömmlicher
schmelzgeblasener Fasern aufweist. Aus diesem Grund wird der
vereinigte Faserspinnstoff häufig direkt einer Vorrichtung zur
Gestaltung eines integralen, behandelbaren Spinnstoffs
zugeführt, und zwar zum Beispiel durch Verbindung der Fasern
durch gleichmäßiges Kalandrieren des Spinnstoffs in Bereichen
oder an Stellen (allgemein in einer Fläche bzw. in einem
Bereich von 5 bis 40 Prozent), durch Verdichten des Spinnstoffs
zu einem zusammenhängenden Gefüge, wie etwa durch hydraulische
Verwicklung, durch Verbindung des Spinnstoffes durch
Ultraschall, durch Hinzufügen eines Bindemittels zu den Fasern
in gelöster oder in geschmolzener Form und Verfestigung des
Bindemittels, durch Hinzufügen eines Lösemittels zu dem
Spinnstoff, um die Fasern durch Lösemittel miteinander zu
verbinden, oder durch die Herstellung von Bikomponentenfasern,
wobei der Spinnstoff derartigen Bedingungen ausgesetzt wird,
daß eine Komponente schmilzt, wodurch aneinandergrenzende bzw.
sich schneidende Fasern zusammenschmelzen. Ferner kann der
vereinigte Spinnstoff auf einem anderen Spinnstoff bzw. einer
Bahn aufgetragen werden, wie zum Beispiel auf einem Spinnstoff
bzw. einer Bahn, der bzw. die über die Sammeleinrichtung
verläuft; wobei auf der unbedeckten Oberfläche des vereinigten
Spinnstoffs ein zweiter Spinnstoff aufgetragen werden kann. Die
Der angesammelte bzw. vereinigte Spinnstoff kann entweder nicht
an der Träger- oder Abdeckbahn bzw. Zwischenlage angebracht
werden, oder er kann an der Bahn bzw. Zwischenlage angebracht
werden, und zwar durch Verbindung durch Hitze, Lösemittel oder
zugesetztem Bindemittel.
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Der Faserdurchmesser ist im Durchschnitt geringer als 5
Mikrometer, wobei er vorzugsweise geringer ist als etwa 2
Mikrometer, wobei der Durchmesser der größten Fasern von dem
Mittelwert vorzugsweise um höchstens etwa 1,0 Mikrometer
abweicht, und wobei sich im allgemeinen 90 Prozent oder mehr
der Fasern innerhalb eines Bereichs von weniger als 3,
Mikrometern befinden. Vorzugsweise befinden sie sich in einem
Bereich von etwa 2,0 Mikrometern oder weniger und am besten
innerhalb eines Bereichs von 1,0 Mikrometern oder weniger.
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In Figur 2A ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, daß sich
zur Herstellung von Fasern mit außerordentlich geringen
Durchmessern eignet, wobei die Durchmesser im Durchschnitt
allgemein etwa 2 Mikrometer oder weniger betragen, und wobei
ein sehr schmaler Bereich von Faserdurchmessern existiert (z.B.
90 Prozent innerhalb eines Faserdurchmessers von 1,0
Mikrometern oder weniger). Das faserbildende Material aus dem
Extruder 30 wird in eine Meßeinrichtung geführt, die mindestens
eine Präzisionsdosierpumpe 31 bzw. Ableitungseinrichtung oder
dergleichen umfaßt. Die Dosierpumpe 31 neigt dazu, den Fluß von
dem Extruder 30 auszugleichen. Es konnte festgestellt werden,
daß die Polymer-Fließgeschwindigkeit durch jede Öffnung in der
Düse bei einheitlichen, in wesentlichen ununterbrochenen Fasern
mit übermäßig geringem Durchmesser allgemein relativ gering
sein muß. Bei durchschnittlichen Faserdurchmessern von weniger
als 1 bzw. 2 Mikrometern liegen die Polymer-
Fließgeschwindigkeiten für die meisten Polymere im Bereich von
0,01 bis 3 g/Stunde/Öffnung, wobei Werte zwischen 0,02 bis 1,5
g/Stunde/Öffnung bevorzugt werden. Damit diese geringen
Fließgeschwindigkeiten verwirklicht werden können, werden
herkömmliche Extruder mit geringen
Schneckenrotationsgeschwindigkeiten betrieben, und zwar auch
bei einer hohen Dichte von Öffnungen in der Düse. Dies führt zu
einer Polymer-Fließgeschwindigkeit mit leichten Schwankungen.
Es konnte festgestellt werden, daß diese leichten Schwankungen
des Fließzustands einen großen nachteiligen Effekt auf die
Größenverteilung und die Kontinuität der resultierenden
schmelzgeblasenen Fasern mit außerordentlich geringen
Durchmessern ausüben.
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Für die Meßeinrichtung wird vorzugsweise ein System aus drei
Präzisionspumpen verwendet, wie dies in Figur 2A dargestellt
ist. Die Pumpen 32 und 33 teilen den Fluß von der Dosierpumpe
31. Die Pumpen 32 und 31 können durch einen einzigen Antrieb
betrieben werden, wobei die Pumpen in feststehendem Verhältnis
zueinander betrieben werden. Bei dieser Anordnung wird die
Geschwindigkeit der Pumpe 33 fortlaufend so geregelt, daß an
die Pumpe 32 eine Polymerzufuhr mit konstantem Druck vorgesehen
wird, der von einem Druckmeßwertwandler gemessen wird. Die
Pumpe 33 dient allgemein als Ableitungseinrichtung zur
Entfernung überschüssiger Polymerzufuhr von dem Extruder und
der Pumpe 31, während die Pumpe 32 einen ruhigen Polymerfluß an
die Düse 35 vorsieht. Für die Zufuhr des Polymers an eine Reihe
von Düsen (nicht abgebildet) können mehr als eine Pumpe 32
verwendet werden. Vorzugsweise wird zwischen der Pumpe 32 und
der Düse 35 ein Filter 34 vorgesehen, um etwaige Unreinheiten
zu entfernen. Vorzugsweise liegt die Maschengröße des Filters
im Bereich von 100 bis 250 Löchern/Inch² oder mehr. Dieses
System wird zwar bevorzugt, jedoch können auch andere
Anordnungen verwendet werden, die den Öffnungen Polymer mit der
entsprechend niedrigen Geschwindigkeit und im wesentlichen ohne
Schwankungen zuführen.
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Das Polymer wird der Düse mit einer Fließgeschwindigkeit je
Öffnung zugeführt, die sich zur Erzeugung des gewünschten
Faserdurchmessers eignet, wie dies zum Beispiel in dem
hypothetischen Modell aus Figur 3 dargestellt ist, in der die
Y-Achse den Logarithmus der Harzfließgeschwindigkeit (in
Gramm/Minute/Öffnung) darstellt, während die X-Achse den
entsprechenden isotaktischen Polypropylen-Faserdurchmesser der
0,9-Dichte in Mikron bei zwei Fasergeschwindigkeiten darstellt
(obere Linie gleich 400 m/Sekunde und untere Linie gleich 200
m/Sekunde). Dies bestätigt die Notwendigkeit der Verringerung
der Fließgeschwindigkeit für die Erzeugung von Mikrofasern mit
einheitlichem Durchmesser. Es wird deutlich, daß unter
Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Erzeugung
von Endlos-Mikrofasern mit sehr kleinen mittleren Durchmessern
eine sehr niedrige Polymer-Fließgeschwindigkeit erforderlich
ist. Die gesamte theoretische Polymer-Zufuhrgeschwindigkeit an
die Düse ist von der Anzahl der Öffnungen abhängig. Diese
geeignete Polymer-Zufuhrgeschwindigkeit wird danach vorgesehen,
und zwar zum Beispiel durch die Meßeinrichtung Jedoch war das
erfindungsgemäße Verfahren zur Verwirklichung einheitlicher,
ununterbrochener Fasern mit hoher Festigkeit und mit geringem
Durchmesser mit derartigen niedrigen Polymer-
Fließgeschwindigkeiten aus herkömmlichen Schmelzblasetechniken
nicht bekannt bzw. vorhersehbar.
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Die geeigneten Öffnungsdurchmesser zur Erzeugung einheitlicher
Fasern mit mittleren Durchmessern von weniger als 2 Mikrometern
liegen im Bereich von 0,025 bis 0,50 mm, wobei ein Bereich von
0,025 bis 0,05 bevorzugt wird (zum Beispiel von Ceccato
Spinnerets, Mailand, Italien, oder von der Kasen Nozzle
Manufacturing Corporation, Ltd., Osaka, Japan, erhältlich). Die
geeigneten Längenverhältnisse dieser Öffnungen liegen im
Bereich von 200 bis 20, wobei ein Bereich von 100 bis 20
bevorzugt wird. Bei den bevorzugten Öffnungen werden hohe
Öffnungsdichten bevorzugt, um den Polymerdurchsatz zu erhöhen.
Im allgemeinen werden Öffnungsdichten von 30/cm bevorzugt,
wobei Dichten von 40/cm oder mehr darüber hinaus bevorzugt
werden.
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Bei der Erzeugung einheitlicher Fasern mit mittleren
Faserdurchmessern von weniger als 2 Mikrometern wird der
primäre Luftdruck verringert, wodurch die Bruchneigung der
Fasern verringert wird, während die aus den Düsenöffnungen
extrudierten polymeren Schmelzströme weiterhin verfeinert und
gezogen werden. Allgemein werden Luftdruckwerte von weniger als
10 Pfund/Inch² psi (70 kPa) bevorzugt, wobei etwa 5 Pfund/Inch²
(35 kPa) darüber hinaus bevorzugt werden, und zwar bei einer
Luftspaltweite von etwa 0,4 mm. Durch den niedrigen Luftdruck
wird die Wirbelströmung bzw. Turbulenz reduziert, wobei eine
Endlosfaser vor einem Faserbruch durch die während dem
Schmelzblasen erzeugte Turbulenz in die Kammer 17 bzw. 37
geblasen werden kann. Die der Kammer 17 bzw. 37 zugeführte
Endlosfaser wird danach durch die Orientierungsluft gezogen (in
Kammer 17 bzw.37 und/oder 38). Die Temperatur der Primärluft
entspricht vorzugsweise fast der Temperatur der Polymerschmelze
(z.B. etwa 10ºC oberhalb der Temperatur der Polymerschmelze)
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Die Fasern müssen an dem Auslaß der Düsenfläche durch die erste
und/oder zweite Kammer aus dem Schmelzblasebereich gezogen
werden, um die entsprechende Spannung der Spannungslinie
aufrecht zu erhalten. Die Kammern (17 in Figur 1 und 37
und/oder 38 in Figur 2A) sorgen dafür, daß die Fasern keinen
Schwingungseffekt aufweisen, der normalerweise bei
schmelzgeblasenen Fasern an dem Auslaß einer Schmelzblasedüse
auftritt. Wenn die Fasern zu Randomisierungszwecken diesen
Schwingungskräften ausgesetzt werden, sind die Fasern stark
genug, um den Kräften ohne zu brechen zu widerstehen. Die
resultierenden ausgerichteten Fasern sind praktisch
ununterbrochen, und wobei bei einer Betrachtung der
resultierenden Mikrofaser-Spinnstoffe unter einem
Rasterelektronenmikroskop keine Faserenden festgestellt wurden.
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Aus den Düsenöffnungen wird das faserbildende Material in der
Primärluft mitgerissen und danach in der Orientierungsluft und
der sekundären Kühlluft, wie dies vorstehend für die Kammer 17
bzw. die Kammer 37 (die mit oder ohne die Kammer 38 verwendet
werden kann) beschrieben worden ist. Bei einer bevorzugten
Anordnung tritt das Material aus der Kammer 37 aus und wird in
der Kammer 38 weiter verfeinert. Die röhrenförmige Kammer 38
funktioniert auf ähnliche Weise wie die Kammer 37. Wenn die
sekundäre Kammer 38 eingesetzt wird, dient sie hauptsächlich
zur Ausrichtung, wobei der Luftdruck in diesem Fall bei einer
Spaltweite der Luftöffnung (nicht abgebildet) von 0,005 Inch
(0,13 cm) allgemein mindestens 50 psi (344 kPa) und
vorzugsweise mindestens 70 psi (483 kPa) beträgt. Wenn diese
sekundäre Kammer 38 verwendet wird, liegen die entsprechenden
Druckwerte in der ersten Kammer 37 bei identischer Spaltweite
allgemein zwischen 5 psi und 15 psi (35 bis 103 kPa). In diesem
Fall dient die erste Kammer 37 hauptsächlich als Kühlkammer,
wobei ein geringfügiger Grad der Ausrichtung eintritt.
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Die sekundäre Kammer 38 ist allgemein 2 bis 5 cm von dem Auslaß
der ersten Kammer angeordnet, wobei die erste Kammer eine
Konizität gemäß obiger Beschreibung aufweist. Die Abmessungen
der sekundären Kammer entsprechen im wesentlichen den
Abmessungen der ersten Kammer 37. Wenn die sekundäre Kammer 38
vorhanden ist, weist deren Auslaßende 40 vorzugsweise eine
Konizität gemäß obiger Beschreibung in bezug auf das
Ausführungsbeispiel aus Figur 1 auf.
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Die Randomisierung der Fasern wird durch den Einsatz eines
Luftstroms erhöht, und zwar unmittelbar bevor die Fasern den
konisch erweiterten Auslaß 40 erreichen. Dies kann durch einen
verfangenden Luftstrom durchgeführt werden, der von den
Kammerwänden vorgesehen wird. Dieser verfangende Luftstrom kann
durch Öffnungen in den Seitenwänden vorgesehen werden
(vorzugsweise entlang der Breite) und vorzugsweise nahe an dem
Auslaßende 40 der Kammer 38. Ein derartiger Luftstrom kann auch
in einer Anordnung gemäß der Beschreibung in bezug auf Figur 1
verwendet werden.
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Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel wird hauptsächlich
für die Verwirklichung von Endlosfasern mit außerordentlich
kleinen Durchmessern verwendet, wie zum Beispiel von Fasern mit
einem mittleren Durchmesser von weniger als 2 Mikrometern, mit
sehr schmalen Bereichen von Faserdurchmessern sowie mit sehr
hoher Faserfestigkeit. Diese Kombination von Eigenschaften bzw.
Merkmalen ist für einen Mikrofaser-Spinnstoff einzigartig und
für bestimmte Verwendungszwecke, wie zum Beispiel zum Filtern
oder zur Isolation, höchst wünschenswert.
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Wie dies bereits beschrieben worden ist, wird davon
ausgegangen, daß die erfindungsgemäßen ausgerichteten,
schmelzgeblasenen Fasern endlos bzw. ununterbrochen sind, was
im Vergleich zu Fasern, die durch herkömmliche
Schmelzblasverfahren gestaltet werden, offensichtlich den
deutlichen Unterschied aufweist, daß diese Fasern
kennzeichnenderweise unterbrochen bzw. nicht endlos sind. Die
Fasern werden der bzw. den Ausrichtungskammer(n) (oder zuerst
der Kühl- und dann der Ausrichtungskammer) ungebrochen
zugeführt, wobei die Fasern danach allgemein ohne Unterbrechung
durch die Ausrichtungskammer verlaufen. Die Kammer(n) erzeugt
bzw. erzeugen eine Spannung entlang einer Spannungslinie, die
die Faser in bemerkenswertem Ausmaß ausrichtet und verhindert,
daß die Fasern stärker schwingen, bis sie vollständig
ausgerichtet worden sind. In dem vereinigten Spinnstoff gibt es
keine Anzeichen für Faserenden oder Einschüsse (verfestigte
Kügelchen faserbildenden Materials, die etwa beim Brechen von
Fasern auftreten, und wobei es die Lösung der Spannung
ermöglicht, daß sich das Material wieder zusammenzieht). Diese
Merkmale sind auch in dem Ausführungsbeispiel vorhanden, in dem
der mittlere Durchmesser der Fasern kleiner ist als 2
Mikrometer, was in Anbetracht der geringen Festigkeit der
Polymerströme mit außerordentlich geringem Durchmesser, die die
Düsenöffnungen verlassen, besonders bemerkenswert ist. Ferner
weisen die Fasern wenn überhaupt, dann nur eine sehr geringe
Wärmebindung zwischen den Fasern auf.
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Die Fasern können aus einer Vielzahl verschiedener
faserbildender Materiale gestaltet werden. Zu den
kennzeichnenden Polymeren zur Gestaltung schmelzgeblasener
Fasern gehören Polypropylen, Polyethylen,
Polyethylenterephthalat und Polyamid. Bei Polycaprolactam und
Hexamethylendiamin-Adipinsäure-Polymer handelt es sich um
besonders geeignete Materiale, da diese Fasern mit sehr hoher
Festigkeit bilden.
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Die erfindungsgemäßen Fasern und Spinnstoffe können elektrisch
geladen werden, um deren Filtereigenschaften zu verbessern,
wobei die Ladungen zum Beispiel während der Gestaltung der
Fasern zugeführt werden können, wie dies etwa in dem U.S.
Patent US-A-4.215.682 beschrieben wird. Der Spinnstoff kann
aber auch nach der Gestaltung geladen werden, wie dies in dem
U.S. Patent US-A-3.571.679 beschrieben wird; siehe auch die
US. Patente US-A-4.375.718, US-A-4.588.537 und US-A-4.592.815.
In elektrisch geladenen Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung
sind vorzugsweise Polyolefine und insbesondere Polypropylen
vorhanden, da diese Stoffe einen Ladungszustand besonders gut
erhalten.
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Erfindungsgemäße Faserspinnstoffe können zusätzlich zu den
Mikrofasern andere Bestandteile aufweisen. So können zum
Beispiel Haftmittelüberzüge auf einen Spinnstoff gespritzt
werden, um den Griff des Spinnstoffs zu verbessern. Zusätze,
wie zum Beispiel Farbstoffe, Pigmente, Füllmittel, Tenside,
Schleifpartikel, Lichtschutzmittel, Flammschutzmittel,
Absorptionsmittel, Medikamente, usw., können den
erfindungsgemäßen Spinnstoffen ebenfalls hinzugefügt werden,
und zwar durch Hinzufügen dieser in die faserbildende
Flüssigkeit der Mikrofasern, oder durch Sprühen dieser Zusätze
auf die Fasern, wenn diese erzeugt werden oder nachdem der
Spinnstoff gesammelt bzw. vereinigt worden ist.
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Ein vollständiger erfindungsgemäßer Spinnstoff kann sehr
unterschiedliche Dicken aufweisen. Bei den meisten Anwendungen
weisen die Spinnstofe Dicken im Bereich von etwa 0,05 bis 5,
Mikrometern auf 4 Bei einigen Anwendungen können zwei oder mehr
einzeln gestaltete Spinnstoffe als ein dickeres Lagenprodukt
zusammengesetzt werden.
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Die Erfindung wird nachstehend in bezug auf die folgenden
veranschaulichenden Ausführungsbeispiele weiter beschrieben.
Beispiel 1
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Unter Verwendung der Vorrichtung aus Figur 2 ohne
Sekundärkammer 38 wurde eine ultrafeine Submikronfaser aus
Polypropylenharz (Himont PF 442) geblasen, wobei die
Extrudertemperatur 435ºF (224ºC) und die Düsentemperatur 430ºF
(221ºC) betrugen. Der Extruder wurde mit 5 U/Min. (3/4 Inch
Durchmesser, Modell Nr. D-31-T, C.W. Brabender Instruments,
Hackensack, New Jersey) mit einem Ablaßblock betrieben.
Überschüssiges Polymer wure abgelassen, ungefähr eine Polymer-
Fließgeschwindigkeit von weniger 1 g/Öffnung/Stunde zu
erreichen. Die Düse umfaßte 98 Öffnungen, wobei jede Öffnung
eine Öffnungsgröße von etwa 0,005 Inch (125 Mikrometer) und
eine Öffnungslänge von 0,227 Inch (0,57 cm) aufwies. Der
Primärluftdruck betrug 30 psi (206 kPa), wobei die Spaltweite
bei 0,01 Inch (0,025 cm) lag. Die Primärlufttemperatur betrug
200ºC. Das Polymer wurde in die Ausrichtungskammer geblasen.
Die sekundäre Orientierungsluft wies bei einer Luftspaltweite
von 0,03 Inch und bei Umgebungstemperatur einen Druck von 70
psi (483 kPa) auf. Der Radius der Coanda-Oberfläche betrug 1/8
Inch (0,32 cm). Die Kammer umfaßte eine Innenhöhe von 1,0 Inch
(2,54 cm), eine Innenbreite von 4 Inch (10,16 cm) und eine
Gesamtlänge von 20 Inch (einschließlich eines konisch
erweiterten Auslaßteilstücks).
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Die gestalteten Fasern wiesen einen mittleren Faserdurchmesser
von 0,6 Mikrometern auf, wobei 52% der Fasern einen Durchmesser
im Bereich von 0,6 bis 0,75 Mikrometern aufwiesen. Ungefähr 85%
der Fasern wiesen einen Durchmesser im Bereich von 0,45 bis
0,75 Mikrometern auf. (Die Fasergrößen und Verteilungen wurden
durch rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen des Spinnstoffs
ermittelt und von einem Bildanalysesystem Omicon Image
Analysis System von Bausch & Lomb analysiert.) Eine gewisse
Strangbildung der Fasern (ungefähr 3%) konnte festgestellt
werden.
Beispiel 2
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In diesem Beispiel wurden die gleiche Vorrichtung und das
gleiche Polymer wie in Beispiel 1 verwendet, jedoch ohne die
Kammer 38. In diesem Beispiel 37 wurde die Kammer 37 mit
Seitenwänden aus porösem Glas vorgesehen, wobei die Kammer eine
Kammerlänge von 15,5 Inch ohne das konisch erweiterte
Auslaßteilstück aufwies. Ferner waren die Luftbürsten an der
Kammer 37 verstellbar, so daß die Luft in unterschiedlichen
Winkeln der Coanda-Oberfläche zugeführt werden konnte. Die
Coanda-Oberfläche umfaßte einen Radius von 1 Inch (2,54 cm) und
einen Luftaustrittswinkel von 45 Grad. Die Temperatur des
Extruders lag vom Einlaß bis zum Auslaß im Bereich von 190 bis
225ºC, und wobei der Extruder eine Rotationgsgeschwindigkeit
von 4 Umdrehungen pro Minute aufwies (ein Schneckendurchmesser
von 0,75 Inch, 1,7 cm). Wiederum wurde ein Ablaßblock dazu
verwendet, die Polymer-Fließgeschwindigkeit niedrig zu halten
und um eine übermäßige Verweilzeit des Polymers in der Düse zu
verhindern. Die Polymer-Fließgeschwindigkeit betrug 260
g/Stunde (2, 6 g/Minute/Öffnung). Die Düsentemperatur betrug
186ºC, und wobei die Öffnungen jeweils eine Öffnungsgröße von
0,005 Inch (0,013 cm) aufwiesen. Der Primärluftdruck betrug 10
psi (70 kPa), wobei die Luftspaltweite bei 0,005 Inch (0,013
cm) lag. Die sekundäre Orientierungsluft wies bei einer
Luftspaltweite von 0,03 Inch (0,0076 cm) einen Druck von 20 psi
(140 kPa) auf. Durch die porösen Glaswände wurde Kühlluft mit
einem Druck von 10 psi (70 kPa) eingeführt. Die
Sammeleinrichtung war 22 Inch (56 cm) von der Düse entfernt
angeordnet. Bei der mikroskopischen Betrachtung der Fasern
wiesen diese einen mittleren Durchmesser von 1 Mikrometer auf.
Beispiele 3 - 15
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In den Beispielen wurden die gleiche Einrichtung und das
gleiche Polymer wie in dem vorstehenden Beispiel 1 verwendet.
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Die Verfahrensbedingungen sind in der nachstehenden Tabelle 1
aufgeführt.
Tabelle 1
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T&sub1; - Extruder-Austrittstemperatur (ºC)
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T&sub2; - Ablaßblocktemperatur (ºC)
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T&sub3; - Düsentemperatur (ºC)
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Ta1-Ta2 - Temperatur der Luftströme (ºC), der Primärluft bzw.
der ersten Orientierungsluft
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Pa1-Pa2 - Druckwerte obiger Luftströme (psi)
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F&sub1; - Polymer-Fließgeschwindigkeit der Beispiele 31-33
betrug etwa 2,5 g/Stunde/Öffnung
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R - U/Min. des Extruders
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Tm - Temperatur der Schmelze (ºC)
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Die Größenverteilung der Fasern (in Mikrometern) wurde danach
ermittelt, wobei die Ergebnisse in der nachstehenden Tabelle II
aufgeführt sind.
Tabelle II
Median
90%+ Bereich
Anzahl
-
In Tabelle II handelt es sich bei dem 90%-Bereich um den
Größenbereich, in dem 90% oder mehr der Fasern vorgefunden
werden. Anzahl steht für die Anzahl der gemessenen Fasern, und
St.Abw. bezeichnet die Standardabweichung. Allgemein gilt, daß
bei niedrigeren Polymer-Fließgeschwindigkeiten schmalere
Größenverteilungen beobachtet wurden. Die Beispiele 4 und 5
weisen höhere Extrudergeschwindigkeiten auf und einen deutlich
umfassenderen Bereich von Faserdurchmessern im Vergleich zu den
Beispielen 3 und 6.
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Die letzten drei Beispiele aus Tabelle II (13-15) weisen
geringere mittlere Durchmesser auf als die anderen Beispiele.
Es wird davon ausgegangen, daß sich dies aus der Kombination
des verhältnismäßig niedrigen Primärdrucks und des
verhältnismäßig hohen Luftdrucks von den
Ausrichtungskammeröffnungen ergab.
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In Beispiel 15 ergab sich ein außerordentlich kleiner mittlerer
Durchmesser der Fasern eines sehr schmalen Bereichs von
Faserdurchmessern. Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme
der Fasern aus Beispiel 15, die in Figur 4 dargestellt ist,
zeigt diese Gleichmäßigkeit der Faserdurchmesser (die kleine
Linie unter "5.0 kx" stellt 1 Mikrometer dar)
Beispiel 16
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In diesem Beispiel wurden die gleiche Anordnung und das gleiche
Polymer wie in Beispiel 2 verwendet, mit der Ausnahme, daß eine
Sekundärkammer 38 eingesetzt wurde. Der Extruder und ein
Verhältnis der Dosierpumpen wurden zur Regelung des Ablaßblocks
verwendet. Die Extruder-Austrittstemperatur betrug 240ºC, wobei
die Temperaturen des Ablaßblocks und der Düse 250ºC betrugen.
Der Extruder wurde mit 2 U/Min. betrieben.
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Die Funktionsweise des Ablaßblocks wurde durch drei
Präzisionspumpen geregelt (Pumpe 1, "Zenith" Pumpe, Modell Nr.
HPB-4647-0,297, Pumpen 2 und 3, "Zenith" Pumpen, Modell Nr.
HPB-4647-0,160, die von der Powell Equipment Company,
Minneapolis, Minnesota, bezogen wurden). Die Pumpen 1 und 2
wurden von einem verstellbaren Präzisionsmotor mit konstanter
Geschwindigkeit angetrieben (Modellnummer 5BP56KAA62, Boston
Gear Company, Boston, Massachusetts). Diese Pumpen wurden durch
einen Vollzeit-Zahnradantrieb angetrieben, der die Pumpe 1 mit
der fünffachen Geschwindigkeit der Pumpe 2 antrieb. Die Pumpe
wurde durch einen weiteren Präzisionsgeschwindigkeitsmotor vom
gleichen Typ angetrieben. Diese Pumpen teilten den
heranfließenden Harzstrom in zwei Ströme. Der größere
Polymerstrom von Pumpe 3 wurde aus dem System entfernt
("abgelassen"). Der kleinere Strom von Pumpe 2 wurde erhalten.
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Der kleinere Strom wurde durch ein Filterbett kleiner
Glaskügelchen mit einer Maschenzahl von 240 Öffnungen/Inch²
gefiltert, wobei der Filter alle Fremdstoffe entfernen konnte,
die größer waren als 1 Mikron (1 Mikrometer). Danach wurde der
Strom in die Düse geleitet und durch die Öffnungen (Durchmesser
0,012 Inch, 0,03 cm) extrudiert.
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Primärluft ("Luft 1") wurde der Düse bei geregelter Temperatur
(210ºC), Druck (5 psi bei einem Luftspalt von 0,01 Inch) und
Volumen je Zeiteinheit, zugeführt.
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Vor dem Beginn der tatsächlichen Gestaltung und Vereinigung der
erfindungsgemäßen Fasern wurde die Polymer-Fließgeschwindigkeit
durch die Düse gemessen, und zwar durch Probenentnahme aus dem
austretenden Harzstrom an einem Punkt kurz nach der Düse, wobei
an diesem Punkt ein Stück eines gewogenen Maschensieb
positioniert wurde. Das Sieb wurde nach fünf Minuten erneut
gewogen, wobei das Gewicht des sich angesammelten Harzes und
die Extrusionsgeschwindigkeit in Gramm/Öffnung/Minute berechnet
wurden.
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Nach diesen Messungen wurde der Harzstrom durch zwei getrennte
Kammern geführt.
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Der erste Ausrichtungsluftstrom wurde dazu verwendet, den Strom
des geschmolzenen und abkühlenden Harzes weiter durch die erste
Kammer zu leiten. Der Druck der Orientierungsluft betrug bei
einem Luftspalt von 0,03 Inch (0,0076 cm) 10 psi (70 kPa). Luft
wurde ferner mit 5 psi (35 kPa) durch die porösen Seitenwände
der Kammer eingeführt.
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Die Fasern wurden danach von einer zweiten Ausrichtungskammer
38 abgefangen, als sie im wesentlichen bzw. vollständig gekühlt
waren, wobei diese Ausrichtungskammer einen
Ausrichtungsluftstrom mit einem Druck von 60 psi (412 kPa) bei
einem Luftspalt von 0,03 Inch (0,0076 cm) aufwies, sowie mit
einem verfangenden Luftstrom neben dem Kammerauslaß, wobei
dieser Luftstrom mit 5 psi (35 kPa) durch Öffnungen eingeführt
wurde. Die Pumpe 1 (31 in Figur 2A) wurde mit 1730 U/Min.
betrieben, wobei die Pumpe 2 (32 in Figur 2A) mit einem fünftel
dieser Geschwindigkeit betrieben wurde. Die Pumpe 3 (33 in
Figur 2A) wurde im Dauerzustand mit ungefähr 900 U/Min.
betrieben. Die Polymer-Zufuhrgeschwindigkeit betrug 1
g/Stunde/Öffnung. Die gestalteten Fasern wiesen einen mittleren
Durchmesser von 1,1 Mikrometern auf, wobei alle Fasern (6
gezählte Fasern) im Bereich von 0,07 bis 1,52 Mikrometern
lagen.
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Das gleiche Polymer wurde zum Vergleich ohne diese Kammern (37
oder 38 aus Figur 2A) geblasen. Die Bedingungen des
Schmelzblaseverfahrens waren identisch, mit der Ausnahme, daß
der Primärluftdruck auf 10 psi (70 kPa) erhöht wurde. Die
gesammelten Fasern wiesen bei einer Standardabweichung von 0,37
Mikrometern eine durchschnittliche Fasergröße von 1,41
Mikrometern auf. Alle Fasern lagen im Bereich von 0,5 bis 2,1
Mikrometern.
Beispiel 17
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Bei der Ausführung dieses Beispiels wurden das Verfahren und
die Vorrichtung aus Beispiel 16 verwendet. Bei dem Polymer
handelte es sich um Polyethylen (Dow Aspun 6806, erhältlich
von Dow Chemical Co., Midland, MI). Der Extruder wurde mit 3
U/Min. und mit einer Austrittstemperatur von etwa 200ºC
betrieben. Die Temperatur des Düsenblocks und des Ablaßblocks
betrug ebenfalls etwa 200ºC. Die Zahnradpumpe 1 wurde mit 1616
U/Min. betrieben, während die Zahnradpumpe 3 mit 1017 U/Min.
betrieben wurde. Die Primärlufttemperatur und die
Schmelztemperatur betrugen jeweils 162ºC. Der Luftdruck der
Primärluft betrug 6 psi (32 kPa). Die Ausrichtungsluft bzw.
Orientierungsluft in der Kammer 37 betrug bei einem Luftspalt
von 0,01 Inch (0,025 cm) 50 psi (345 kPa), wobei der Druck der
Kühlluft 10 psi (70 kPa) betrug. Der Druck der
Orientierungsluft in der zweiten Kammer betrug 50 psi (345
kPa), wobei der Druck des verfangenden Luftstroms 10 psi (70
kPa) betrug. Der mittlere Faserdurchmesser betrug bei einer
Standardabweichung von 0,49 Mikrometern (12 Proben) 1,31
Mikrometer. Alle Fasern befanden sich innerhalb des
Größenbereichs von 0,76 bis 2,94 Mikrometern, wobei sich 94
Prozent der Fasern im Bereich von 0,76 bis 2,0 Mikrometern
befanden. Die Düse umfaßte 56 Öffnungen mit einer Größe von
jeweils 0,012 Inch (0,03 cm).
Beispiel 18
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Das Polymer aus Beispiel 17 wurde wie in dem obigen Beispiel 16
mit einer Polymer-Zufuhrgeschwindigkeit von 0,992
g/Stunde/Öffnung zugeführt (Zahnradpumpe 31, Zahnradpumpe 33
und Extruder Umdrehungsgeschwindigkeiten von 1670, 922 bzw. 3
U/Min.). Der Druck der Primärluft (170ºC) betrug bei einer
Luftspaltweite von 0,01 Inch (0,025 cm) 10 psi (70 kPa). Die
Die Temperatur der Schmelze betrug 140º, wobei die Extrusion
aus einer Düse mit 200ºC erfolgte (die Austrittstemperatur aus
dem Extruder und die Blocktemperatur betrugen jeweils etwa
170ºC). Die gestalteten nicht ausgerichteten Fasern weisen
einen mittleren Faserdurchmesser von 4,5 Mikrometern und eine
Standardabweichung von 1,8 Mikrometern auf. 93 Prozent der
Fasern befanden sich in dem Bereich von 2 bis 8 Mikrometern (47
Faserproben).
Beispiele 19 und 20
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Die Ausführung dieser Beispiele entsprach dem Verfahren des
vorstehenden Beispiels. Bei dem verwendeten Polymer handelte es
sich um Nylon (BASF KR-4405), wobei ein Düseneinsatz mit
Öffnungsdurchmessern von 0,005 Inch (0,013 cm) bzw. 0,012 Inch
(0,03 cm) für die ausgerichteten bzw. nicht ausgerichteten
Beispiele verwendet wurde. Der Extruder wurde mit 2 bzw. 20
U/Min. betrieben, wobei die Austrittstemperaturen 310 bzw.
300ºC betrugen. Die Temperaturen der Düse und des Zufuhrblocks
betrugen 280 und 270ºC bzw. 275 und 270ºC. Die Zahnradpumpen 31
und 33 wurden mit 1300 bzw. 1330 U/Min. betrieben. Die
Temperaturen der Schmelze betrugen 231 bzw. 234ºC, und die
Primärlufttemperatur lag bei 242 bzw. 249ºC. Bei Beispiel 19
handelte es sich um ein nicht ausgerichtetes Beispiel, wobei
nur die Primärluft mit 7 Fuß³/Min. (0,2 m³/Min.) bei einem
Luftspalt von 0,01 Inch (0,025 cm) eingesetzt wurde. Die
resultierenden Fasern wiesen einen mittleren Durchmesser von
1,4 Mikrometern mit einer Standardabweichung von 1,0 auf. 95
Prozent der Fasern (eine gezählte Anzahl von 62) befanden sich
im Bereich von 0,0 bis 3,0 Mikrometern.
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Bei Beispiel 20 handelte es sich um ein ausgerichtetes
Beispiel, bei dem Primärluft mit 3,5 Fuß³/Min. (10 psi bzw. 70
kPa mit einem Luftspalt von 0,01 Inch (0,025 cm) verwendet
wurde. Die erste Kammer 37 wies Orientierungsluft mit 20 psi
(140 kPa) und Seitenwandluft mit 5 psi (35 kPa) auf. Die zweite
Ausrichtungskammer wies Luft mit 40 psi (277 kPa) und
verfangende Luft mit 5 psi (35 kPa) auf. Die resultierenden
Fasern wiesen einen mittleren Durchmesser von 1,9 Mikrometern
mit einer Standardabweichung von 0,66 Mikrometern auf. 91,6
Prozent der Fasern (eine gezählte Anzahl von 24) wiesen
Durchmesser im Bereich von 1,0 bis 3,0 Mikrometern auf.
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Die obigen Beispiele dienen ausschließlich
Veranschaulichungszwecken. Für den Fachmann sind verschiedene
mögliche Modifikationen und Abänderungen erkennbar, wobei diese
ausgeführt werden können, ohne dabei vom Umfang der
vorliegenden Erfindung abzuweichen, und wobei die vorliegende
Erfindung nicht auf die hierin Veranschaulichungszwecken
dienenden Ausführungen eingeschränkt werden kann.