EP0325116A2 - Process for the preparation of ultra-fine polymer fibres - Google Patents
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- EP0325116A2 EP0325116A2 EP89100124A EP89100124A EP0325116A2 EP 0325116 A2 EP0325116 A2 EP 0325116A2 EP 89100124 A EP89100124 A EP 89100124A EP 89100124 A EP89100124 A EP 89100124A EP 0325116 A2 EP0325116 A2 EP 0325116A2
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Definitions
- the invention relates to a process for the production of finely long fine polymer fibers with an average fiber diameter of 0.1 to 10 ⁇ m, preferably 0.1 to 4 ⁇ m, from thermoplastic polymers.
- the method is based on the fact that the molten polymer is spun in a rotating nozzle head from a plurality of outlet bores radially with the formation of fibers and the fibers formed are deposited as a fleece on a support.
- EP-0 168 817 describes a centrifugal spinning process in which the melt is apparently introduced under pressure into a nozzle rotating at a relatively low peripheral speed. As a result, relatively coarse threads can be produced continuously. A stretching of the threads beyond a centrifugal delay due to a gas dynamic effect does not take place.
- the object of the invention is to use the centrifugal or centrifugal spinning process to produce very fine polymer fibers from thermoplastic polymers.
- Fine polymer fibers are understood to mean fibers with an average diameter of 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m, preferably 0.1 ⁇ m to 4 ⁇ m, and a finite fiber length.
- the process should be able to be used within a wide viscosity range of 20 Pas to 1000 Pas of the polymer melt and should be suitable for polymers whose melting temperature is in the range from 100 ° C to 500 ° C.
- This task is based on the known centrifugal spinning process, in which the molten polymer is thrown in a rotating nozzle head from a plurality of outlet bores radially with fiber formation is solved, according to the invention, in that the molten polymer is introduced into the nozzle head at a pre-pressure of 1 bar to 200 bar, preferably 1 bar to 50 bar, and the fibers are at a radial distance of 10 mm to 200 mm from the outlet bores a gas stream of high speed is deflected in the axial direction and at the same time stretched and stretched.
- the melt streams emerging from the outlet bores are additionally drawn by predominantly radial components emerging from gas streams emerging in the vicinity of the outlet bores before they are caught by the deflecting gas stream having a predominantly axial component.
- the radial gas flows are advantageously at an angle of 0 ° to 45 °, preferably 5 ° to 20 °, against the direction of the melt outlet bores and at a distance of 2 mm to 20 mm from the melt outlet bores at a flow rate of 100 m / s ejected up to 600 m / s.
- the fibers of the deflecting gas flow at a flow speed of 50 m / s to 500 m / s at an angle of + 60 ° to -60 ° to the axis of rotation and at a radial distance of 10 mm to 200 mm from the Blown out melt outlet openings.
- one or more gas nozzles are provided, each of which is arranged around the melt outlet openings.
- melt streams are expediently thrown out of the outlet bores at an angle of 45 ° to 90 ° to the axis of rotation.
- such a centrifugal acceleration is generated in a chamber upstream of the melt outlet openings that a pressure of 1 bar to 200 bar, preferably 1 bar to 50 bar, is generated in the chamber. prevails.
- the centrifugal acceleration acts as an additional pressure, which leads to an increase in the velocity of the melt flow in the outlet bore.
- the ratio of the radial gas flow to the axial gas flow is set to a value between 0 and 5, preferably between 0.4 and 2.
- the distance on which the fibers are warped can be extended if the temperature of the radially flowing gas is equal to or greater than the temperature of the melt emerging from the outlet openings. This avoids cooling of the melt streams immediately after exiting the holes; i.e. cooling will not start until later.
- the process according to the invention has been found in particular for the production of very fine fibers made of polyurethane, polyols fin, polyamide, polyester, polycarbonate, polyphenylene sulfide and thermotropic LC polymers are proven.
- the process is not limited to a relatively narrow viscosity range, but allows the processing of polymer melts in a viscosity range from 20 Pas to 1000 Pas. Furthermore, the process allows the production of very fine fibers from polymers, the decomposition temperature of which is only slightly above the solidification temperature of the melt. In practice, this means that polymers can also be processed that have only a small temperature range that can be used for thread formation.
- the fibers produced by the process according to the invention also have excellent mechanical properties (high strength) and can be further processed into nonwovens without any problems.
- polymer granules 1 are melted in an extruder 2 and passed under a constantly regulated pressure in the range from 1 to 200 bar via a rotating seal 3 into a central, rotating melt channel 4 in a housing 5 which is also used for storage.
- the melt channel 4 is connected to a rotating nozzle head 6, the speed of which is in the range from 1000 to 11,000 rpm, preferably 3000 to 11,000 rpm.
- the melt emerges radially from the nozzle head 6 through small bores at an angle of 45 ° to 90 ° to the axis of rotation.
- the drive of the rotating nozzle head 6 with the melt channel 4 opening into it is carried out by a motor 17 with an associated V-belt transmission 18.
- the heating of the nozzle head 6 is expediently carried out by electrical induction, while the melt channel 4 in the bearing area 5 is heated by resistance heating wires.
- the deflecting gas 7, 8 is fed to the nozzle head 6 via the connections 19, 20.
- the melt streams emerging from the outlet bores in the nozzle head 6 are additionally drawn by radial gas streams before they are caught by the deflecting gas streams 7, 8.
- the rotating nozzle head 6 has been further developed.
- the polymer melt 21 is here at a temperature above the physical melt temperature required to set the desired viscosity with a pressure of 1 to 200 bar into the central rotating melt channel 4 and from there via radial bores 22 into a melt outlet openings 24 arranged in the nozzle head 6 upstream chamber, directed.
- the centrifugal force causes the pressure in the pre-chamber 23 to be greater than the pressure specified by the extruder, which leads to an increase in the velocity of the melt flow in the outlet bore 24.
- the pressure in the pre-chamber 23 is preferably 1 bar to 150 bar, so that the melt viscosity in the bore 24 is reduced by the flow and higher mass throughputs can be achieved.
- the nozzle head is equipped with an electrical induction heater 25 heated.
- the gas supply for the radial gas streams 26 takes place at the connection 27.
- the pressurized gas is passed from the connection 27 into a compressed gas distribution chamber 28 and flows from there through a plurality of gas bores 29 into a compressed gas nozzle chamber 30.
- the heated air is brought approximately to the speed of sound and flows out via the slot gap 31 in the nozzle head at almost the same speed as a radial gas stream 26. It has proven to be advantageous if the radial gas flow exits at an angle of 0 ° to 45 °, preferably 5 ° to 20 °, to the direction of the melt outlet bores 24.
- the polymer melt streams emerging from the melt outlet openings 24 form primary threads in the centrifugal field, the heated radial gas streams 26 flowing in almost the same direction either preventing cooling or controlling them in a targeted manner and, in addition to the centrifugal distortion of the primary threads, causing gas-dynamic distortion, as a result of which very fine primary threads 9 from a few microns in diameter without demolition.
- the gas streams 26 also prevent the primary threads 32 from sticking together and also ensure that the primary threads are not deflected prematurely in an axial direction.
- the direction of the radial gas flows 26 is expediently chosen so that the geometric intersection of the gas flow direction with the direction of the primary threads 32 falls at a radial distance from the centrifugal axis at which the threads 32 have reached their maximum peripheral speed.
- the primary threads 32 are gripped by a deflecting gas stream 7, 8 flowing in the axial direction and conveyed further in the axial direction.
- the deflecting gas flows 7, 8 have a direction of + 60 ° to -60 °, preferably + 30 ° to -30 °, to the axis of rotation and a speed of 50 to 500 m / sec.
- the deflecting gas streams 7, 8 emerging from the blow ring 33 have a temperature which is below the melt temperature, preferably below the solidification temperature, of the polymer material.
- the primary threads 32 are cooled by the deflecting gas flows and stretched to the desired end fiber diameter. At the same time, it is torn off, so that polymer fine fibers 9 with a finite length are formed which, as described in connection with FIG. 1, are then further processed to form a fleece 15.
- the primary threads are produced using the same method as in the device according to FIG. 2; in contrast to the method described above, the primary threads 32 are not blown on one side but on both sides by flanking radial gas streams 26 and 34.
- two gas bores 29 and 35 emanate from the compressed gas distribution chamber 28 connected to the gas supply 27 and open into separate compressed gas nozzle chambers 30 and 36.
- the pressure in these two chambers is in the range from 1.5 to 3 bar.
- two separate gas outlet bores 37, 38 which are adjacent to the melt outlet opening 24, are now provided, which are connected to the compressed gas nozzle chambers 30, 36.
- the gas flows out of the bores 37, 38 at a speed above the speed of sound radially at an angle ⁇ of 0 ° to 90 °, preferably 30 ° to 90 °, to the axis of rotation on both sides of the melt outlet opening.
- the gas outlet bores 37, 38 each include an angle ⁇ 1 or ⁇ 2 of 0 ° to 45 °, preferably 5 ° to 20 °, with the direction of the melt outlet opening 24.
- the direction of the radial gas jets 26, 34 flanking the primary filaments 24 is expediently chosen such that the gas jets strike the primary filament 32 at a point R where the primary filaments have not yet reached their maximum possible peripheral speed. This ensures that the primary threads 32 are distorted both by centrifugal forces and almost simultaneously by gas dynamic forces.
- warpage is meant that the melt streams are stretched and stretched.
- the temperature of the radial gas jets 26, 34 is in turn set so high that practically no cooling takes place on this delay line.
- the primary threads 32 are deflected in the axial direction by axial deflecting gas flows 7, 8 emerging from the blowing ring 33.
- the angle of the deflecting gas flows is again + 60 ° to -60 °, preferably + 30 ° to -30 °, (measured against the axis of rotation of the nozzle head).
- the distance x of the exit point of the deflecting gas jets 7, 8 from the melt outlet opening 24 is 10 mm to 200 mm, preferably 20 mm to 100 mm.
- the deflecting gas jets 7, 8 cause cooling, further expansion and finally the tearing of the polymer threads 9.
- the polymer melt 21 is in turn fed through the central, rotating melt channel 4 and passed through the radial melt distribution bores 22 into the antechambers 23, which are connected to the melt outlet openings 24.
- the nozzle head 6 is equipped with a heating winding 39 which is electrically connected via the line 40.
- Isotactic polypropylene with an MFI 190/5 of 60 g / min was melted at a temperature of 210 ° C in the extruder.
- the spinning or centrifugal head temperature was 260 ° C.
- the melt pressure in the centrifugal head was 10 bar, a melt throughput of 0.9 g / min. and hole reached.
- the centrifugal head rotated at 9700 min ⁇ 1.
- the primary melt threads emerging from the holes were drawn with a radial hot air flow of 380 Nm3 / h and 280 ° C.
- the fine fibers spun in this way had an average fiber diameter of 1.1 ⁇ m, a standard deviation of 0.4 ⁇ m and a fiber length of more than 50 mm. With an elongation of less than 60%, the individual fiber strength was 300 to 800 MPa.
- Nonwovens with basis weights of 2 to 60 g / m2 were produced, which were distinguished by high uniformity, no autogenous nonwoven formation and high nonwoven strength.
- Radial was stretched with 300 Nm3 / h and 295 ° C hot air.
- Axial deflection was carried out with 500 Nm3 / h and 20 ° C cold air.
- Very fine fibers with a thickness of 2 ⁇ m, a standard deviation of 0.8 ⁇ m and a long fiber were obtained.
- the strength at an elongation of less than 40% was 400 to 900 MPa.
- the process according to the invention is particularly suitable for the production of fine, very fine and ultra-fine fibers made of thermoplastic materials, such as polyurethane, polyolefin, polyamide, polyester or thermotropic LC polymers.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von endlich-langen Feinstpolymerfasern mit einem mittleren Faserdurchmesser von 0,1 bis 10 µm, vorzugsweise 0,1 bis 4 µm, aus thermoplastischen Polymeren. Das Verfahren beruht darauf, daß das geschmolzene Polymer in einem rotierenden Düsenkopf aus einer Vielzahl von Austrittsbohrungen radial unter Faserbildung geschleudert wird und die gebildeten Fasern als Vlies auf einer Ablage abgeschieden werden.The invention relates to a process for the production of finely long fine polymer fibers with an average fiber diameter of 0.1 to 10 μm, preferably 0.1 to 4 μm, from thermoplastic polymers. The method is based on the fact that the molten polymer is spun in a rotating nozzle head from a plurality of outlet bores radially with the formation of fibers and the fibers formed are deposited as a fleece on a support.
Derartige Schleuder- oder Zentrifugalspinnverfahren sind bekannt und z.B. in US 4 277 436, US 4 237 081, FR 1 298 508 und DE 31 05 784 beschrieben. Insbesondere wird gemäß DE 31 05 784 bei einem Zentrifugalspinnverfahren von einem axial strömenden Kühlmedium Gebrauch gemacht, wodurch die gebildeten Fasern und das Spinnorgan abgekühlt werden. Damit ist dieses Verfahren naturgemäß nur für niedrigschmelzende, niedrigviskose Polymere geeignet. Zur Vermeidung eines zu großen Unterdruckes im Zentrum des Zentrifugalfeldes und dadurch bedingtes Ansaugen der gebildeten Fasern muß mit verhältnismäßig geringen Kühlluftgeschwindigkeiten gearbeitet werden. Das Kühlmedium kann daher nicht auch gleichzeitig zur Dehnung und Streckung der Fasern (Verzugswirkung) ausgenutzt werden.Spin or centrifugal spinning processes of this type are known and are described, for example, in US Pat. No. 4,277,436, US Pat. No. 4,237,081, FR 1,298,508 and DE 31 05 784. In particular, according to
Ferner wird in EP-0 168 817 ein Zentrifugalspinnverfahren beschrieben, bei dem die Schmelze offenbar unter Druck in eine mit relativ niedriger Umfangsgeschwindigkeit rotierende Düse eingebracht wird. Dadurch können kontinuierlich relativ grobe Fäden erzeugt werden. Eine über den Zentrifugalverzug hinausgehende Verstreckung der Fäden durch einen gasdynamischen Effekt findet nicht statt.Furthermore, EP-0 168 817 describes a centrifugal spinning process in which the melt is apparently introduced under pressure into a nozzle rotating at a relatively low peripheral speed. As a result, relatively coarse threads can be produced continuously. A stretching of the threads beyond a centrifugal delay due to a gas dynamic effect does not take place.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe des Schleuder- oder Zentrifugalspinnverfahrens Feinstpolymerfasern aus thermoplastischen Polymeren herzustellen. Unter Feinstpolymerfasern werden dabei Fasern mit einem mittleren Durchmesser von 0,1 µm bis 10 µm, vorzugsweise 0,1 µm bis 4 µm, und einer endlichen Faserlänge verstanden. Dabei soll das Verfahren innerhalb eines weiten Viskositätsbereichs von 20 Pas bis 1000 Pas der Polymerschmelze angewendet werden können und für Polymere geeignet sein, deren Schmelztemperatur im Bereich von 100°C bis 500°C liegt.The object of the invention is to use the centrifugal or centrifugal spinning process to produce very fine polymer fibers from thermoplastic polymers. Fine polymer fibers are understood to mean fibers with an average diameter of 0.1 μm to 10 μm, preferably 0.1 μm to 4 μm, and a finite fiber length. The process should be able to be used within a wide viscosity range of 20 Pas to 1000 Pas of the polymer melt and should be suitable for polymers whose melting temperature is in the range from 100 ° C to 500 ° C.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem bekannten Zentrifugalspinnverfahren, bei dem das geschmolzene Polymer in einem rotierenden Düsenkopf aus einer Vielzahl von Austrittsbohrungen radial unter Faserbildung geschleu dert wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das geschmolzene Polymer unter einem Vordruck von 1 bar bis 200 bar, vorzugsweise 1 bar bis 50 bar, in den Düsenkopf eingebracht wird und die Fasern in einem radialen Abstand von 10 mm bis 200 mm von den Austrittsbohrungen durch einen Gasstrom hoher Geschwindigkeit in axiale Richtung umgelenkt und dabei gleichzeitig verstreckt und gedehnt werden.This task is based on the known centrifugal spinning process, in which the molten polymer is thrown in a rotating nozzle head from a plurality of outlet bores radially with fiber formation is solved, according to the invention, in that the molten polymer is introduced into the nozzle head at a pre-pressure of 1 bar to 200 bar, preferably 1 bar to 50 bar, and the fibers are at a radial distance of 10 mm to 200 mm from the outlet bores a gas stream of high speed is deflected in the axial direction and at the same time stretched and stretched.
Vorzugsweise werden die aus den Austrittsbohrungen austretenden Schmelzeströme zusätzlich durch in der Nähe der Austrittsbohrungen am Düsenkopf austretende Gasströme mit überwiegend radialer Komponete verstreckt, bevor sie von dem Umlenkgasstrom mit überwiegend axialer Komponente erfaßt werden. Dabei werden die radialen Gasströme vorteilhaft jeweils unter einem Winkel von 0° bis 45°, vorzugsweise 5° bis 20°, gegen die Richtung der Schmelzeaustrittsbohrungen und in einem Abstand von 2 mm bis 20 mm von den Schmelzeaustrittsbohrungen mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 100 m/s bis 600 m/s ausgestoßen.Preferably, the melt streams emerging from the outlet bores are additionally drawn by predominantly radial components emerging from gas streams emerging in the vicinity of the outlet bores before they are caught by the deflecting gas stream having a predominantly axial component. The radial gas flows are advantageously at an angle of 0 ° to 45 °, preferably 5 ° to 20 °, against the direction of the melt outlet bores and at a distance of 2 mm to 20 mm from the melt outlet bores at a flow rate of 100 m / s ejected up to 600 m / s.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden die Fasern von dem Umlenkgasstrom mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 50 m/s bis 500 m/s unter einem Winkel von +60° bis -60° zur Drehachse und in einem radialen Abstand von 10 mm bis 200 mm von den Schmelzeaustrittsöffnungen angeblasen. Zu diesem Zweck sind eine oder mehrere Gasdüsen vorgesehen, die jeweils um die Schmelzeaustrittsöffnungen herum angeordnet sind.According to a development of the invention, the fibers of the deflecting gas flow at a flow speed of 50 m / s to 500 m / s at an angle of + 60 ° to -60 ° to the axis of rotation and at a radial distance of 10 mm to 200 mm from the Blown out melt outlet openings. For this purpose, one or more gas nozzles are provided, each of which is arranged around the melt outlet openings.
Zweckmäßig werden die Schmelzeströme aus den Austrittsbohrungen unter einem Winkel von 45° bis 90° zur Drehachse ausgeschleudert.The melt streams are expediently thrown out of the outlet bores at an angle of 45 ° to 90 ° to the axis of rotation.
Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung wird zusätzlich zu der durch den Vordruck der Polymerschmelze im Düsenkopf hervorgerufenen Beschleunigung in einer den Schmelzeaustrittsöffnungen vorgeschalteten Kammer eine so hohe Zentrifugalbeschleunigung erzeugt, daß in der Kammer ein Druck von 1 bar bis 200 bar, vorzugsweise 1 bar bis 50 bar, herrscht. Die Zentrifugalbeschleunigung wirkt sich dabei als zusätzlicher Druck aus, der zu einem Geschwindigkeitszuwachs der Schmelzeströmung in der Austrittsbohrung führt.According to a further development of the invention, in addition to the acceleration caused by the pre-pressure of the polymer melt in the nozzle head, such a centrifugal acceleration is generated in a chamber upstream of the melt outlet openings that a pressure of 1 bar to 200 bar, preferably 1 bar to 50 bar, is generated in the chamber. prevails. The centrifugal acceleration acts as an additional pressure, which leads to an increase in the velocity of the melt flow in the outlet bore.
Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, wenn das Verhältnis des radialen Gasmengenstroms zum axialen Gasmengenstrom auf einen Wert zwischen 0 und 5, vorzugsweise zwischen 0,4 und 2, eingestellt wird.Furthermore, it has proven to be advantageous if the ratio of the radial gas flow to the axial gas flow is set to a value between 0 and 5, preferably between 0.4 and 2.
Außerdem wurde gefunden, daß man die Wegstrecke, auf der der Verzug der Fasern erfolgt, verlängern kann, wenn die Temperatur des radial strömenden Gases gleich oder größer ist als die Temperatur der aus den Austrittsöffnungen austretenden Schmelze. Damit wird eine Abkühlung der Schmelzeströme unmittelbar nach dem Austritt aus den Bohrungen vermieden; d.h. die Kühlung setzt erst zu einem späteren Zeitpunkt ein.It has also been found that the distance on which the fibers are warped can be extended if the temperature of the radially flowing gas is equal to or greater than the temperature of the melt emerging from the outlet openings. This avoids cooling of the melt streams immediately after exiting the holes; i.e. cooling will not start until later.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich insbesondere zur Herstellung von Feinstfasern aus Polyurethan, Polyole fin, Polyamid, Polyester, Polycarbonat, Polyphenylensulfid und thermotropen LC-Polymeren bewährt.The process according to the invention has been found in particular for the production of very fine fibers made of polyurethane, polyols fin, polyamide, polyester, polycarbonate, polyphenylene sulfide and thermotropic LC polymers are proven.
Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt.The following advantages are achieved with the invention.
Das Verfahren ist nicht auf einen relativ engen Viskositätsbereich festgelegt, sondern erlaubt die Verarbeitung von Polymerschmelzen in einem Viskositätsbereich von 20 Pas bis 1000 Pas. Ferner erlaubt das Verfahren die Herstellung von Feinstfasern aus Polymeren, deren Zersetzungstemperatur nur wenig über der Erstarrungstemperatur der Schmelze liegt. Dies bedeutet in der Praxis, daß auch Polymere verarbeitet werden können, die nur einen kleinen, für die Fadenbildung nutzbaren Temperaturbereich besitzen.The process is not limited to a relatively narrow viscosity range, but allows the processing of polymer melts in a viscosity range from 20 Pas to 1000 Pas. Furthermore, the process allows the production of very fine fibers from polymers, the decomposition temperature of which is only slightly above the solidification temperature of the melt. In practice, this means that polymers can also be processed that have only a small temperature range that can be used for thread formation.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin, daß man Fasern ohne Verklebungen, Verdrillungen oder Dickstellen erhält. Ferner lassen sich Fasern mit hoher Feinheit und großer Faserlänge herstellen (Länge/Durchmesser = 10³ bis 10⁶). Weiterhin hat sich herausgestellt, daß gegenüber den bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik sehr viel höhere Massendurchsätze im Bereich von 0,001 g/min bis 2 g/min pro Bohrung erreicht werden können. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Fasern weisen auch ausgezeichnete mechanische Eigenschaften (hohe Festigkeit) auf und lassen sich problemlos zu Vliesen weiterverarbeiten.Further advantages of the method according to the invention are that fibers are obtained without sticking, twisting or thick spots. Furthermore, fibers with high fineness and great fiber length can be produced (length / diameter = 10³ to 10⁶). Furthermore, it has been found that, compared to the known methods according to the prior art, much higher mass throughputs in the range from 0.001 g / min to 2 g / min can be achieved per bore. The fibers produced by the process according to the invention also have excellent mechanical properties (high strength) and can be further processed into nonwovens without any problems.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1 ein Verfahrensschema für eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- Fig. 2 einen Düsenkopf mit einseitiger Schlitzanströmung der Schmelzeströme und
- Fig. 3 einen Düsenkopf mit zweiseitiger radialer Anblasung der Schmelzeströme.
- 1 is a process diagram for a plant for performing the method according to the invention,
- Fig. 2 shows a nozzle head with one-sided slot flow of the melt streams and
- Fig. 3 shows a nozzle head with two-sided radial blowing of the melt streams.
Gemäß Figur 1 wird Polymergranulat 1 in einem Extruder 2 aufgeschmolzen und unter einem konstant geregelten Druck im Bereich von 1 bis 200 bar über eine rotierend wirkende Dichtung 3 in einen zentrischen, rotierenden Schmelzekanal 4 in einem gleichzeitig zur Lagerung dienenden Gehäuse 5 geleitet. Der Schmelzekanal 4 steht mit einem rotierenden Düsenkopf 6 in Verbindung, dessen Drehzahl im Bereich von 1000 bis 11 000 min⁻¹, vorzugsweise 3000 bis 11 000 min⁻¹, liegt. Aus dem Düsenkopf 6 tritt die Schmelze durch kleine Bohrungen in einem Winkel von 45° bis 90° zur Drehachse radial aus. Aufgrund des anliegenden Schmelzedruckes von 1 bar bis 150 bar, vorzugsweise 1 bar bis 50 bar, werden kontinuierliche Massenströme pro Bohrung von 0,001 g/min bis 5 g/min, vorzugsweise 0,01 bis 1 g/min, gebildet. Diese Massenströme werden von einem aus dem Düsenkopf 6 austretenden, überwiegend mit axialer Komponente strömenden Umlenkgasstrom 7, 8 erfaßt und dabei zu endlichen Feinstfasern mit einem Durchmesser von 0,1 µm bis 4 µm verzogen und verstreckt. Die Feinstfasern 9 werden dann über einen Sammeldiffusor 11 auf ein Ablageband 12 mit einer Gasabsaugung 13, 14 zu einem Vlies 15 verdichtet und gegebenenfalls zwischen beheizten Walzen 16 weiter verfestigt.According to FIG. 1, polymer granules 1 are melted in an extruder 2 and passed under a constantly regulated pressure in the range from 1 to 200 bar via a rotating
Der Antrieb des rotierenden Düsenkopfes 6 mit dem darin einmündenden Schmelzekanal 4 erfolgt durch einen Motor 17 mit zugeordnetem Keilriemengetriebe 18. Die Beheizung des Düsenkopfes 6 geschieht zweckmäßig durch elektrische Induktion, während der Schmelzekanal 4 im Lagerbereich 5 durch Widerstandsheizdrähte aufgeheizt wird. Das Umlenkgas 7, 8 wird dem Düsenkopf 6 über die Anschlüsse 19, 20 zugeführt.The drive of the rotating
Gemäß Figur 2 werden die aus den Austrittsbohrungen im Düsenkopf 6 austretenden Schmelzeströme zusätzlich durch radiale Gasströme verstreckt, bevor sie von den Umlenkgasströmen 7, 8 erfaßt werden. Zu diesem Zweck wurde der rotierende Düsenkopf 6 weiterentwickelt. Die Polymerschmelze 21 wird hier mit einer zur Einstellung der gewünschten Viskosität erforderlichen Temperatur oberhalb der physikalischen Schmelzetemperatur mit einem Druck von 1 bis 200 bar in den zentrischen rotierenden Schmelzekanal 4 und von dort über radiale Bohrungen 22 in eine, im Düsenkopf 6 angeordnete, den Schmelzeaustrittsöffnungen 24 vorgeschaltete Kammer, geleitet. Die Zentrifugalkraft bewirkt, daß der Druck in der Vorkammer 23 größer ist als der vom Extruder vorgegebene Druck, was zu einem Geschwindigkeitszuwachs der Schmelzeströmung in der Austrittsbohrung 24 führt. Der Druck in der Vorkammer 23 beträgt vorzugsweise 1 bar bis 150 bar, so daß die Schmelzeviskosität in der Bohrung 24 durch die Strömung erniedrigt wird und höhere Massendurchsätze erzielt werden können. Zur Einstellung der gewünschten Schmelzetemperatur am Austritt der Bohrung 24 wird der Düsenkopf mit einer elektrischen Induktionsheizung 25 beheizt. Die Gaszufuhr für die radialen Gasströme 26 erfolgt am Anschluß 27. Das unter Druck stehende Gas wird vom Anschluß 27 in eine Druckgasverteilungskammer 28 geleitet und strömt von dort durch eine Vielzahl von Gasbohrungen 29 in eine Druckgasdüsenkammer 30. Dabei wird die erhitzte Luft näherungsweise auf Schallgeschwindigkeit gebracht und strömt über den Schlitzspalt 31 im Düsenkopf mit nahezu gleich hoher Geschwindigkeit als radialer Gasstrom 26 aus. Dabei hat es sich als günstig herausgestellt, wenn der radiale Gasstrom unter einem Winkel von 0° bis 45°, vorzugsweise 5° bis 20°, zur Richtung der Schmelzeaustrittsbohrungen 24 austritt.According to FIG. 2, the melt streams emerging from the outlet bores in the
Die aus den Schmelzeaustrittsöffnungen 24 austretenden Polymerschmelzeströme bilden Primärfäden im Zentrifugalfeld, wobei die nahezu in gleicher Richtung strömenden, beheizten radialen Gasströme 26 eine Abkühlung entweder verhindern oder gezielt steuern und zusätzlich zu dem zentrifugalen Verzug der Primärfäden einen gasdynamischen Verzug bewirken, wodurch sehr feine Primärfäden 9 von wenigen µm Durchmesser ohne Abriß entstehen. Die Gasströme 26 verhindern zudem ein Verkleben der Primärfäden 32 und sorgen ferner dafür, daß die Primärfäden nicht vorzeitig in eine axiale Richtung umgelenkt werden. Die Richtung der radialen Gasströme 26 wird zweckmäßig so gewählt, daß der geometrische Schnittpunkt der Gasstromrichtung mit der Richtung der Primärfäden 32 in einem radialen Abstand von der Zentrifugalachse fällt, bei dem die Fäden 32 ihre maximale Umfangsgeschwindigkeit erreicht haben.The polymer melt streams emerging from the
In einem radialen Abstand von 10 mm bis 200 mm von den Austrittsbohrungen 24 werden die Primärfäden 32 von einem in axialer Richtung strömenden Umlenkgasstrom 7, 8 erfaßt und in axialer Richtung weitergefördert. Die umlenkgasströme 7, 8 haben eine Richtung von +60° bis -60°, vorzugsweise +30° bis -30°, zur Drehachse und eine Geschwindigkeit von 50 bis 500 m/sec. Die aus dem Blasring 33 austretenden Umlenkgasströme 7, 8 weisen eine Temperatur auf, die unterhalb der Schmelzetemperatur, vorzugsweise unterhalb der Erstarrungstemperatur, des Polymermaterials liegt. Durch die Umlenkgasströme werden die Primärfäden 32 abgekühlt und auf den gewünschten Endfaserdurchmesser verstreckt. Gleichzeitig erfolgt ein Abriß, so daß Polymerfeinfasern 9 mit endlicher Länge gebildet werden, die dann, wie in Verbindung mit Figur 1 beschrieben, zu einem Vlies 15 weiterverarbeitet werden.At a radial distance of 10 mm to 200 mm from the outlet bores 24, the
Eine weitere Variante des Verfahrens wird nachfolgend anhand von Figur 3 erläutert. Die Erzeugung der Primärfäden geschieht im Prinzip nach dem gleichen Verfahren wie bei der Vorrichtung nach Figur 2; im Unterschied zu dem vorbeschriebenen Verfahren werden die Primärfäden 32 jedoch nicht einseitig, sondern beidseitig von flankierenden radialen Gasströmen 26 und 34 angeblasen. Zu diesem Zweck gehen von der, mit der Gaszuführung 27 verbundenen Druckgasverteilungskammer 28 zwei Gasbohrungen 29 und 35 aus, die in getrennte Druckgasdüsenkammern 30 und 36 einmünden. Der Druck in diesen beiden Kammern liegt im Bereich von 1,5 bis 3 bar. Anstelle eines Schlitzspaltes 31 für den Austritt des radialen Gas stromes (Figur 2) sind hier nun zwei getrennte, der Schmelzeaustrittsöffnung 24 benachbarte Gasaustrittsbohrungen 37, 38 vorgesehen, die mit den Druckgasdüsenkammern 30, 36 verbunden sind. Aus den Bohrungen 37, 38 strömt das Gas mit einer Geschwindigkeit oberhalb der Schallgeschwindigkeit radial in einem Winkel β von 0° bis 90°, vorzugsweise 30° bis 90°, zur Drehachse beidseitig der Schmelzeaustrittsöffnung aus. Die Gasaustrittsbohrungen 37, 38 schließen dabei jeweils einen Winkel α₁ bzw. α₂ von 0° bis 45°, vorzugsweise 5° bis 20°, mit der Richtung der Schmelzeaustrittsöffnung 24 ein.Another variant of the method is explained below with reference to FIG. 3. In principle, the primary threads are produced using the same method as in the device according to FIG. 2; in contrast to the method described above, the
Die Richtung der die Primärfäden 24 flankierenden radialen Gasstrahlen 26, 34 wird zweckmäßig so gewählt, daß die Gasstrahlen den Primärfaden 32 an einem Punkt R treffen, wo die Primärfäden noch nicht ihre maximal mögliche Umfangsgeschwindigkeit erreicht haben. Dadurch wird sichergestellt, daß die Primärfäden 32 sowohl durch Zentrifugalkräfte als auch nahezu gleichzeitig durch gasdynamische Kräfte verzogen werden. Unter "Verzug" wird hierbei verstanden, daß die Schmelzeströme verstreckt und gedehnt werden. Die Temperatur der radialen Gasstrahlen 26, 34 ist wiederum so hoch eingestellt, daß auf dieser Verzugsstrecke praktisch keine Abkühlung stattfindet.The direction of the
Anschließend werden die Primärfäden 32 wie bei dem Verfahren nach Figur 2 durch axiale, aus dem Blasring 33 austretende Umlenkgasströme 7, 8 in axiale Richtung umgelenkt. Der Winkel der Umlenkgasströme beträgt dabei wieder +60° bis -60°, vorzugsweise +30° bis -30°, (gemessen gegen die Drehachse des Düsenkopfes). Der Abstand x der Austrittsstelle der Umlenkgasstrahlen 7, 8 von der Schmelzeaustrittsöffnung 24 beträgt 10 mm bis 200 mm, vorzugsweise 20 mm bis 100 mm. Die Umlenkgasstrahlen 7, 8 bewirken neben der Richtungsänderung die Abkühlung, weitere Dehnung und schließlich den Abriß der Polymerfäden 9.Then, as in the method according to FIG. 2, the
Die Polymerschmelze 21 wird wiederum durch den zentralen, rotierenden Schmelzekanal 4 zugeführt und durch die radialen Schmelzeverteilbohrungen 22 in die Vorkammern 23 weitergeleitet, die mit den Schmelzeaustrittsöffnungen 24 verbunden sind. Zur Beheizung ist der Düsenkopf 6 mit einer Heizwicklung 39 ausgerüstet, die über die Leitung 40 elektrisch angeschlossen wird.The
Zusammenfassend werden noch einmal die wichtigen Verfahrenskriterien hervorgehoben.
- 1. Die Polymerschmelze wird unter einem relativ hohen Vordruck in den rotierenden Düsenkopf eingebracht.
- 2. Die Umlenkung und Kühlung der Primärfäden durch Umlenkgasströme erfolgt erst nach Durchlaufen einer radialen Verstreckungszone, in der die Polymerfäden mit Heißluft mit überwiegend radialer Komponente angeblasen werden.
- 3. Die radialen Heißgasströme werden dem rotierenden Düsenkopf zentral zugeführt und innerhalb des Düsenkopfes radial aufgeteilt.
- 4. Durch den radialen Heißgasstrom erfolgt eine ein- oder beidseitige Anblasung der Primärfäden.
- 5. Der Düsenkopf rotiert mit einer
hohen Umfangsgeschwindigkeit von 20 bis 150 m/sec. - 6. Die Anblasung durch den Umlenkgasstrom erfolgt bevorzugt mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit.
- 7. Der rotierende Düsenkopf wird nicht gekühlt, sondern beheizt.
- 1. The polymer melt is introduced into the rotating die head under a relatively high pre-pressure.
- 2. The deflection and cooling of the primary threads by deflecting gas flows takes place only after passing through a radial stretching zone in which the polymer threads are blown with hot air with a predominantly radial component.
- 3. The radial hot gas streams are fed centrally to the rotating nozzle head and divided radially within the nozzle head.
- 4. The radial hot gas flow blows the primary threads on one or both sides.
- 5. The nozzle head rotates at a high peripheral speed of 20 to 150 m / sec.
- 6. The blowing through the deflection gas flow is preferably carried out at sonic or supersonic speed.
- 7. The rotating nozzle head is not cooled, but heated.
Isotaktisches Polypropylen mit einem MFI 190/5 von 60 g/min wurde mit einer Temperatur von 210°C im Extruder erschmolzen.Isotactic polypropylene with an MFI 190/5 of 60 g / min was melted at a temperature of 210 ° C in the extruder.
Die Spinn- bzw. Schleuderkopftemperatur lag bei 260°C. Der Schmelzedruck im Schleuderkopf betrug 10 bar, hierbei wurde ein Schmelzedurchsatz von 0,9 g/min. und Bohrung erreicht. Der Schleuderkopf rotierte mit 9700 min⁻¹. Die aus den Bohrungen austretenden Primärschmelzefäden wurden mit einem radialen Heißluftstrom von 380 Nm³/h und 280°C verstreckt. Anschließend mit 500 Nm³/h und 20°C kalter Luft axial umgelenkt. Die so gesponnenen Feinstfasern hatten einen mittleren Faserdurchmesser von 1,1 µm, eine Standardabweichung von 0,4 µm und eine Faserlänge von mehr als 50 mm. Bei einer Dehnung von weniger als 60 % betrug die Einzelfaserfestigkeit 300 bis 800 MPa. Es wurden Vliese mit Flächengewichten von 2 bis 60 g/m² hergestellt, die sich durch hohe Gleichmäßigkeit, keine autogene Vliesbildung und hohe Vliesfestigkeit auszeichneten.The spinning or centrifugal head temperature was 260 ° C. The melt pressure in the centrifugal head was 10 bar, a melt throughput of 0.9 g / min. and hole reached. The centrifugal head rotated at 9700 min⁻¹. The primary melt threads emerging from the holes were drawn with a radial hot air flow of 380 Nm³ / h and 280 ° C. Then axially deflected with 500 Nm³ / h and 20 ° C cold air. The fine fibers spun in this way had an average fiber diameter of 1.1 µm, a standard deviation of 0.4 µm and a fiber length of more than 50 mm. With an elongation of less than 60%, the individual fiber strength was 300 to 800 MPa. Nonwovens with basis weights of 2 to 60 g / m² were produced, which were distinguished by high uniformity, no autogenous nonwoven formation and high nonwoven strength.
Polyamid 6 mit einer relativen Viskosität von ηR = 3,1 wurde bei 270°C im Extruder erschmolzen und mit einer Spinntemperatur von 300°C und Massendurchsätzen von 0,1 g/min pro Bohrung bei einem Schmelzevordruck von 25 bar nach dem erfindungsgemäßen Verfahren versponnen. Radial wurde mit 300 Nm³/h und 295°C heißer Luft verstreckt. Axial umgelenkt wurde mit 500 Nm³/h und 20°C kalter Luft. Dabei wurden Feinstfasern mit einer Stärke von 2 µm, einer Standardabweichung von 0,8 µm und großer Faserlänge erzielt. Die Festigkeit betrug bei einer Dehnung von weniger als 40 % 400 bis 900 MPa.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Herstellung von Fein-, Feinst- und Ultrafeinfasern aus thermoplastischen Materialien, wie Polyurethan, Polyolefin, Polyamid, Polyester oder thermotropen LC-Polymeren geeignet.The process according to the invention is particularly suitable for the production of fine, very fine and ultra-fine fibers made of thermoplastic materials, such as polyurethane, polyolefin, polyamide, polyester or thermotropic LC polymers.
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