NO173249B - Fremgangsmaate for fremstilling av smeltespunnet fiber eller fiberroer - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av fibre og fiber-rør som er svært porøse, ut fra bikomponent-fibre og -fiber-rør.

Bikomponent-heterofilament-fibre er velkjente. I slike fibre har vanligvis heterofilamentet enten en kjerne/skjede-eller en side-ved-side-innretning.

I europeisk patentskrift nr. 0080274 har vi beskrevet en bikomponent-fiber fremstilt fra en blanding av en fiberdannende polymer og fra 0,1 til 10 vekt% av en annen, ublandbar, polymer,

i hvilken den ublandbare polymer foreligger i fiberen i form av ikke-tilknyttede mikrofibriller som er spredd i den kontinuerlige matrise i den fiberdannende polymer.

I Polymer Engineering and Science, midt-august 1983, vol. 23, nr. 11 er beskrevet et arbeid av Bryce Maxwell og Guillermo L. Jasso fra the Department of Chemical Engineering, Princeton University om "Stability of Blends of Incompatible Thermo-plastics". Mer spesielt er det beskrevet ekstrudering av blandinger av poly(metylmetakrylat) og polyetylen. Det således dannede ekstrudat består av to kontinuerlige, gjensidig gjennomtrengende faser som tilsvarer de to polymerer. De separate faser i ekstrudatet refereres til som tre-dimensjonalt kontinuerlig spindelvev. Det fremgår helt klart fra figurene (hvorav to er fotografier) som følger med artikkelen at fibrillene som danner spindelvevet er gruppert helt vilkårlig uten noen som helst antydning til innretning av fibrillene.

I henhold til foreliggende oppfinnelse fremstilles først en smeltespunnet fiber eller et fiberrør som har to polymere fiber-formede komponenter og inneholder fra 30 til 70 vektdeler av en første komponent og fra 70 til 30 vektdeler av en annen komponent, hvor hver komponent er til stede i fiberen eller veggen i røret, idet de innrettede fibriller er gjensidig tilknyttet hverandre på en vilkårlig måte, hvorved de gjensidige tilknytninger trenger inn gjennom fibrillene i den annen komponent slik at begge komponenter foreligger i fiberen eller rør-veggen som gjensidig gjennomtrengende nettverk.

De spunne fibre kan eventuelt være trukket ved konven-sjonelle teknikker.

Vi har funnet at slike fibre eller rør kan fremstilles fra en blanding av den første komponent og den annen komponent ved en konvensj onell smeltespinneprosess.

Strukturen i blandingen ved spinning ble bestemt ved under-søkelse av ekstrudatet umiddelbart etter at det kom ut fra spinnerimaskinen. Dette ble snittet opp og undersøkt under mikroskop. Vanligvis frembringer smlteblandinger av to ublandbare polymerer et to-fase-system hvor én polymer utgjør den kontinuerlige fase og den annen den diskontinuerlige fase, som fremtrer som kuler i ekstrudatet. Når fiberen eller røret blir spunnet, deformeres kulene, dersom de har en egnet viskositet, til enkeltvise fibriller som ikke blir tilknyttet hverandre.

For visse blandingssammensetninger og spinneforhold har vi funnet at det kan dannes et gjensidig gjennomtrengende nettverk (IPN) av de to komponentene, som vist i ekstrudat-snittet i fig. 1 (se eks. 1 - forsøk 5 nedenfra) hvor begge faser (komponenter) er ko-kontinuerlige. Hver komponent er i form av et tre-dimensjonalt nettverk som griper ionn i nettverket til den annen komponent. I den spunne fiber eller røret opprettholdes denne gjensidige inngriping, idet hver komponent er til stede i fiberen eller rør-veggen som orienterte fibriller som i alt vesentlig er innrettet i overensstemmelse med aksen i fiberen eller røret, idet slike innrettede fibriller er gjensidig tilknyttet hverandre på en vilkårlig måte, hvorved slike gjensidige tilknytninger trenger gjennom fibrillene i den annen komponent.

For å fremstille en slik fiber eller et slikt rør er to betingelser nødvendig:

(1) blandingen må danne et IPN, og

(2) dette IPN må være spinnbart, med hvilket vi mener at fiberen eller røret dannet derfra skal være i stand til å bli spolet opp.

Det er bare et begrenset område for forhold i et to-komponent-system hvor et IPN kan bli dannet, og dessuten vil ikke to-komponent-systemet alltid være spinnbart, selv om det opereres innen dette område for forhold. Når blandingen ikke er spinnbar brytes trådstrengen eller den rørformede smelte kontinuerlig ved uttrekking fra spinnerimaskinen.

Et kritisk forhold for dannelsen av et IPN er en høy skjær-grad, hovedsakelig regulert ved passasjen gjennom spinnerimaskinen og derfor avhengig av dysediameter og -form på spinnerimaskinen. En annen faktor er den relative konsentrasjon av de to polymerer. Disse bør mest fordelaktig være til stede i ganske like andeler.

Spinnbarheten til IPN er også avhengig av "domene-størrelsen"

(domain size), den karakteristiske dimensjon på fasetykkelsen, som vist i fig. 1, og viskositeten for hver polymer. Vanligvis er det slik at jo høyere domene-størrelsen er, desto dårligere er spinnbarheten, men dette kan kompenseres for ved å nedsette viskositeten til én av komponentene, som vist med polypropylen i eks. 1 nedenfor. Dersom imidlertid domene-størrelsen er for stor, vil dette ikke være mulig. En hovedfaktor for regulering av domene-størrelsen er nærværet i blandingen av en "forlikeliggjører som tjener til å redusere den gjensidige grenseflatespenning mellom polymerene, slik at ved samme påførte skjærkraft på blandingen vil det bli dannet mindre domene-størrelse enn dersom det ikke er noen forlikeliggjører til stede. For blandinger av polypropylen og nylon 66 har vi funnet at RILSAN, en nylon 11 polymer fremstilt av Rhone-Poulenc, er en egne forlikeliggjører. For andre polymerer kan det selvsagt være nødvendig med en annen forlikeliggjører, eller ingen.

Ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen blir derfor

en blanding av en første fiberdannende polymer og en annen, ublandbar, fiberdannende polymer som inneholder 3 0-70 vektdeler av den første polymer og 70-30 vektdeler av den annen polymer, spunnet under slike forhold med hensyn til skjærkraft og domene-størrelse at hver polymer blir til stede i fiberen eller rørveggen som fibriller som i alt vesentlig er innrettet i overensstemmelse med aksen i fiberen eller røret, idet slike innrettede fibriller blir gjensidig tilknyttet hverandre på en vilkårlig måte, hvorved slike gjensidige tilknytninger trenger gjennom fibrillene slik at begge polymerer foreligger i fiberen eller rør-veggen som gjensidig gjennomtrengende nettverk, hvoretter ett av de to gjensidig gjennomtrengende nettverk, ved anvendelse av et egnet løsningsmiddel, blir utvasket fra fiberen eller rør-veggen slik at det blir produsert en fiber eller et rør med en vegg som omfatter det andre polymernettverk.

Innvirkningen av de forskjellige faktorer som bidrar til spinningen av de nye fibre ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, er vist i de følgende eksempler.

Eksempel 1

I dette eksempel ble det anvendt nylon 66, polypropylen og nylon 11. Nylon 66 hadde kvaliteten SG (relativ viskositet 40), fremstilt av Imperial Chemical Industries PLC. Polypropylenet var fremstilt av Imperial Chemical Industries PLC. Forskjellige prøver med forskjellig smelteflytindeks (MFI) ble anvendt. Nylon 11, en forlikeliggjører, var RILSAN fremstilt av Rhone-Poulenc.

MFI er et mål for smelteviskositeten (for polypropylen), idet jo lavere MFI er, desto høyere er viskositeten. Den ble målt ved 230°C under en belastning på 2,16 kg. Nylon 66 ble tørket ved 80°C i 16 timer før spinning.

En sponblanding av polymerene ble spunnet på en konven-sjonell ekstruder-mate-smelte-spinner ved en gjennomgang på 54 gram pr. hull pr. time uten noen tilsiktet bråkjøling. Oppvindingshastigheten var 500 mpm.

De oppnådde resultater er angitt i tabell 1. Forsøkene 1 og 2 viser at endog ved anvendelse av en forlikeliggjører blir det, dersom dysen i spinnerimaskinen ikke er tilstrekkelig liten til å gi en høy skjærverdi, ikke dannet noe IPN og blandingen kan ikke spinnes.

Forsøkene 3 og 4 viser at når diameteren i spinnerimaskinen ble redusert, ble skjærverdien ved veggen i denne, som er høyere enn hvilket som helst sted tvers over tverrsnittet av ekstrudatet, nå tilstrekkelig høy til at det dannes et IPN på utsiden av ekstrudatet, men ikke midt i ekstrudatet, som vist i fig. 2. Under disse forhold var blandingen fremdeles ikke spinnbar.

Endelig, i forsøk 5, gav ytterligere reduksjon i dysedia-meteren på spinnerimaskinen et IPN (se fig. 1) som var spinnbart.

Forsøkene 5, 6 og 7 viser virkningen av forlikeliggjøreren. Når mengden reduseres blir domene-størrelsen større, og selv om det eventuelt dannes et IPN blir trådstrengen uspinnbar.

Virkningen av polypropylen-viskositeten på skjaerverdien er vist i forsøk 8. Selv om diameteren i dysen i spinnerimaskinen er relativt stor, blir det dannet et IPN med en liten domene-størrelse. Den var imidlertid uspinnbar på grunn av at viskositeten til polypropylenet var for høy. Den samme geometri av IPN i forsøk 9, ved anvendelse av et polypropylen med lavere viskositet, var også uspinnbar av samme grunn. Ytterligere nedsettelse av polypropylen-viskositeten i forsøkene 10 og 11 førte endelig igjen til spinnbarhet, selv om domene-størrelsen nå var større.

Ved for store domene-størrelser oppnådd uten anvendelse av forlikeliggjører, som i forsøk 12, eller ved meget lav polypropylen-viskositet, som i forsøk 13, var spinnbarhet imidlertid ikke mulig.

Forsøkene 14 og 15 viser at det kan dannes et spinnbart IPN med 33,6 vekt% polypropylen, men ikke med 9,8 vekt% polypropylen.

Et trekk ved bikomponent-fibrene og bikomponent-fiber-rørene som fremstilles i henhold til oppfinnelsen er at hvilken som helst av komponentene kan vaskes ut ved anvendelse av et egnet løsningsmiddel og således danne en fiber eller et rør med lav densitet av den annen komponent. Den gjenværende komponent beholder overraskende sin fibrøse integritet.

I henhold til oppfinnelsen kan det fremstilles en smeltespunnet fiber av en fiberdannende polymer som omfatter med mellomrom fordelte fibriller av polymeren som i alt vesentlig er innrettet i overensstemmelse med den langsgående akse i fiberen, idet slike innrettede, med mellomrom fordelte fibriller er gjensidig tilknyttet hverandre på en vilkårlig måte.

I henhold til oppfinnelsen kan det videre fremstilles et smeltespunnet rør av en fiberdannende polymer, hvor veggen har en struktur som omfatter med mellomrom fordelte fibriller av polymeren som i alt vesentlig er innrettet i overensstemmelse med aksen til røret, idet slike innrettede med mellomrom fordelte fibriller er gjensidig tilknyttet hverandre på en vilkårlig måte.

Om ønsket kan to-komponent-fibre som fremstilles i henhold til oppfinnelsen veves eller strikkes til tekstiler, og så kan én av komponent-fibrene fjernes ved nedsenking av tekstilene i et løsningsmiddel for denne komponentfiber.

For å vise at én av de to komponenter i en IPN-fiber kan fjernes og at det likevel blir igjen en koherent fiber, ble det følgende forsøk utført som eksempel 2.

Eksempel 2

I dette eksempel var blandingssammensetningen 39,2 vekt% polypropylen (MFI 20), 58,8 vekt% nylon 66 (kvalitet SG) og 2 vekt% nylon 11 (RILSAN). Det ble dannet et spinnbart IPN. Gjennomføringen pr. hull var 60 g/min. og oppvindingshastigheten var 500 mpm.

En prøve av den spunne fiber ble nedsenket i 90%ig maursyre ved romtemperatur for å oppløse nylon 66, den ble vasket i vann og tørket i 16 timer ved romtemperatur. Mengden av fjernet nylon 66 var 45,2%.

En ytterligere prøve av den spunne fiber ble trukket, med

et trekkeforhold på 2,5, ved anvendelse av en varm tapp ved 80°C og en trekkehastighet på 30 mpm. Vekttapet etter ytterligere behandling med maursyre for denne trukne fiber var nå

56,4 vekt%.

De følgende strekk-egenskaper ble oppnådd på et Instron-instrument.

Dette viser at etter fjerning av nylon 66 danner polypropylen-fibrillene fremdeles en kontinuerlig fiber. Begge de utvaskede prøver hadde en høyere forlengelse enn de to opprinne-lige komponentfibre på grunn av at forlengelsen for de sistnevnte ble begrenset ved nærvar av nylon 66. Et avsøknings-elektron-mikroskop-fotografi av den spunne fiber etter ekstrahering med maursyre er vist på fig. 3.

Eksempel 3

I dette eksempel var blandingssammensetningen 43 vekt% polypropylen (smelteviskositet 580 poise ved 284°C), 53 vekt% nylon 66 (smelteviskositet 800 poise ved 284°C) og 4% nylon 11 (RILSAN-smelteviskositet 500 poise ved 284°C) som forlikelig-gjører. Før blandingen ble dannet ble både nylon 66 og nylon 11 tørket i 16 timer under vakuum ved 80°C.

Blandingen ble spunnet ved en temperatur på 282°C med en gjennomføring på 4,4 g/min., gjennom en spinneri-maskin med en dyse i form av en dobbelt C (én C er omvendt i forhold til den annen - og dysen hadde en bredde på 100 im og benene til C<»>ene hadde en avstand på 250 nm). I spinne-røkkanalen (ved anvendelse av luft-bråkjøling) ble de to C-formede smelter koalescert sammen for å danne et rør med en indre diameter på tilnærmet 1 mm. Røret ble spunnet opp med 17,5 meter/minutt.

Langsgående og tverrgående snitt gjennom veggen i røret vist at komponentene av nylon 66 og polypropylen var til stede i veggen som fibriller som i alt vesentlig var innrettet i overensstemmelse med aksen til røret, hvor de innrettede fibriller var gjensidig tilknyttet hverandre på en vilkårlig måte, hvorved de gjensidige tilknytninger trengte gjennom fibrillene i den annen komponent slik at begge komponenter forelå i rørveggen som gjensidig gjennomtrengende nettverk.

Prøver av røret ble nedsenket, under agitering, i 98%ig maursyre i 2,5 timer. Dette tjente til å fjerne tilnærmet 95%

av nylon (66 og 11) fra veggen i røret som nå omfattet med mellomrom fordelte fibriller av polypropylen som i alt vesentlig var innrettet i overensstemmelse med aksen til røret, idet slike innrettede, med mellomrom fordelte fibriller var gjensidig tilknyttet hverandre på en vilkårlig måte.

I de ovennevnte eksempler er de anvendte hovedkomponenter polypropylen og nylon 66. Det skal imidlertid forstås at det like godt kan anvendes andre fiberdannende polymerkombinasjoner valgt fra slike fiberdannende polymerer som polyetylentereftalat, nylon 66, polyetylen, polypropylen eller polyetylenglykol.

Videre skal det forstås at selv om oppfinnelsen for å forenkle er beskrevet med anvendelse av to komponenter kan det dannes fibre og rør ved hjelp av oppfinnelsen ut fra mer enn to komponenter uten å avvike fra oppfinnelsens ånde. Også når det anvendes en tredje eller flere komponenter, kan slik(e) komponent(er) være fibrillære eller ikke-fibrillære.

På grunn av at de har en sterkt porøs struktur kan fibrene og rørene som fremstilles i henhold til oppfinnelsen anvendes ved dannelse av separasjonsmedier.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av høyporøs smeltespunnet fiber eller fiberrør for anvendelse som separasjonsmedium, karakterisert ved å smeltespinne en fiber eller et rør fra en blanding som inneholder 30-70 vektdeler av en første polymerkomponent og 70-30 vektdeler av en annen, ublandbar polymerkomponent under slike forhold med hensyn til skjærkraft og domene-størrelse som resulterer i at hver polymer blir tilstede i fiberen eller rørveggen som fibriller som i alt vesentlig er innrettet i overensstemmelse med aksen i fiberen eller røret, idet disse innrettede fibriller blir gjensidig tilknyttet hverandre på vilkårlig måte, hvorved disse gjensidige tilknytninger trenger gjennom fibrillene i den andre komponent slik at begge polymerer vil foreligge i rørveggen som gjensidig gjennomtrengende nettverk og, ved anvendelse av et egnet løsningsmiddel, utvaske fra fiberen eller rørveggen ett av de to gjensidig gjennomtrengende polymernettverk slik at det produseres en fiber, eller et rør med en vegg som omfatter det andre polymernettverk.