NL8303899A - Verbeterd spuitblaasmondstuk en werkwijze. - Google Patents

Description

* Λ* f ί m- * Verbeterd spuitb laasmondstuk en werkwijze.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op het vormen van non-woven vliezen uit thermoplastische polymeren. Meer in het bijzonder heeft hij betrekking op vliezen die door in de smelt blazen zijn gevormd. Deze werkwijze wordt in de eer-5 ste plaats gebruikt voor het vormen van thermoplastische micro- vezels en bestaat uit het spinnen van een gesmolten polymeer en het in aanraking brengen daarvan terwijl hij gesmolten is met een fluidum, gewoonlijk lucht, dat is gericht voor het vormen van filamenten of vezels en deze verdunt. Na het koelen worden de 10 vezels verzameld en gehecht teneinde een geintegreerd vlies te vormen. Dergelijke vliezen van microvezels zijn bijzonder bruikbaar gebleken als filtermaterialen, absorberende materialen, vochtweringen en isolators. Bij het bereiken van een hoge pro-duktiesnelheid van dergelijke materialen is het belangrijk, dat 15 de polymeerviskositeit laag genoeg kan worden gehouden om te stromen en het verstoppen te voorkomen van de mondstuktop die gewoonlijk zal vereisen dat de polymeer wordt verwarmd. Verder vereisen produkten en vliezen van hoge kwaliteit dat eigenschappen op het gebied van gelijkmatigheid en sterkte op gewen-20 ste niveaus kunnen worden gehandhaafd.

Oude werkzaamheden bij het vormen van in de smelt geblazen microvezels zijn beschreven in verschillende rege-ringspublikaties die betrekking hebben op werkzaamheden die zijn uitgevoerd door het Naval Research Laboratory in Washington DC.

25 Voorbeelden omvatten NHL Report 4364 "Manufacture of Super-Fine

Organic Fibers" door V.A. Wendt, E.L. Boon en C.D. Fluharty; ën NRL Report 5265 "An Improved Device for the Formation of Super-Fine Thermoplastic Fibers" door K.D. Lawrence, R.T. Lukas en J.A. Young. De beschreven werkwijze maakt gebruik van een in-30 stelbare extrudor voor het vormen van een hete thermoplastische smelt door een reeks van fijne openingen tot dubbele stromen op hoge snelheid van verwarmd gas, gewoonlijk lucht. Het mond-stukontwerp levert onmiddellijke aanname van verdunning volgende 8303899 * » 2 op breuken die optraden bij sub-micronafmetingen. Door de besturing van lucht en mondstuktemperaturen, luchtdruk, en polymeer-toevoersnelheid, kunnen vezelafmetingen worden geregeld. Het voorbereiden van stoffen uit deze fijne vezels is ook bekend.

5 Verbeteringen voor deze werkwijze zijn beschreven in vele octrooi- publikaties, inbegrepen bijvoorbeeld de Amerikaanse octrooi-schriften 3.676.242, 3.755.527, 3.825.379, 3.849.241 en 3.825.380. In al die publikaties wordt gesteld, dat het gesmolten polymeer wordt verdund door een stroom van heet, inert fluïdum, 10 gewoonlijk lucht. Het vormen van vliezen vereist in zulke gevallen gewoonlijk het vormen van afstanden van tenminste ongeveer 12 inch voor het waarborgen van het vormen van de vezel, het koelen en verdunnen. Dergelijke afstanden leiden vaak tot ongewenste ongelijkmatigheden in het vlies en zijn eigen-15 schappen. Bij kortere vormende afstanden wordt vaak een broos, stijf vlies vervaardigd met een overheersing van 'fechot" of vaste polymeerbolletjes.

Het is ook bekend om isolatie aan te brengen op het buitenoppervlak van spinmondstukken om warmteverlies in 20 de omringende omgeving te verminderen. Bijvoorbeeld beschrijft

Amerikaans octrooischrift 2.571.457 zo’n geïsoleerd mondstuk.

Het is bovendien voorgesteld dat in bepaalde gevallen gesponnen vezels in aanraking kunnen worden gebracht met koud gas om het koelen en stollen te versnellen. Het Amerikaanse octrooischrift 25 4.112.159 bevat een dergelijke benadering. Het blijft echter een gewenst doel om de vorming te verbeteren van in de smelt geblazen non-woven stoffen en verdere besparingen te bereiken in werkwijzen en apparaten die voor het vormen van zulke stoffen worden gebruikt.

30 De uitvinding is het gevolg van de ontdekking dat, in tegenstelling tot hetgeen in de stand der techniek wordt aanbevolen, het niet noodzakelijk is om een verdunningsfluidum van hoge temperatuur te gebruiken in de smeltblaaswerkwijze.

In tegenstelling daarmee is gebleken, dat het toepassen van zo'n 35 fluidum, gewoonlijk lucht met een temperatuur van tenminste 8303899 « * y* 3 100°P kouder dan de gesmolten polymeer, niet alleen doelmatiger is, doch tevens kleinere vormingsafstanden toestaat die een zeer verbeterde vliesvorming en gelijkmatigheid leveren alsmede bijbehorende aantrekkelijke eigenschappen. Volgens de uitvinding 5 wordt in de smeltplaatswerkwijze die bestaat uit het toevoeren van een gesmolten polymeer op lage snelheid en het extruderen van de polymeer nadat deze in aanraking is gebracht met verdunnende fluidumstromen op een snelheid en in een zodanige richting dat vezels worden gevormd en gestrekt tot fijne diameters, een 10 verdunningsvloeistof, gewoonlijk lucht toegepast op een tempera tuur die veel lager is dan die van de gesponnen polymeer. Het resultaat is, dat de polymeer veel sneller wordt gekoeld en op kleinere afstanden van het blaasmondstukeinde kan worden verzameld, hetgeen de vorming vermijdt van grovere onregelmatigheden 15 en in belangrijke mate verbeterde vlieseigenschappen levert.

De uitvinding vermijdt dus de behoefte aan grote volumina van heet verdunningsfluidum en is daardoor doelmatig. Verder is in een de voorkeur verdienende uitvoeringsvorm het mondstuk voorzien van isoleringsmiddelen tussen de gesmolten polymeer en de koel-20 fluidumstroom die de neiging vermindert van de polymeer om bin nen het mondstuk te stollen. Op alternatieve wijze kan het mondstuk zelf uit een isolerend materiaal zijn opgebouwd hetgeen hetzelfde resultaat oplevert. De werkwijze en het mondstuk volgens de uitvinding zijn bruikbaar met een grote verscheidenheid 25 van thermoplastische polymeren, inbegrepen polyolefinen, poly esters, polyamiden en dergelijke. In een bijzonder de voorkeur verdienende uitvoeringsvorm kan een uitgespaard mondstukeinde worden gebruikt voor het verder verbeteren van het vormen, zoals beschreven in de Japanse octrooiaanvrage 30 928/78.

30 De uitvinding zal hieronder nader worden toege licht aan de hand van de tekening, waarin bij wijze van voorbeeld een aantal uitvoeringsvormen van een inrichting voor het toepassen van de werkwijze volgens de uitvinding is weergegeven. In de tekening toont: 35 figuur 1 een schema van de werkwijze vanaf de 8 3 v 3 8 9 9 » 4 r - 4 - * extruder tot aan het vormen van het vlies, figuur 2 op grotere schaal een doorsnede van de blaasmondstukkop die kan worden gebruikt bij de uitgevonden werkwij ze, 5 figuur 3 hetzelfde als in figuur 2, waarbij de kop is geïsoleerd volgens één aspect van de uitvinding, figuur 4 hetzelfde als in figuur 3 doch van een alternatief luchtruimte-isoleringsmiddel, figuur 5 een dwarsdoorsnede van een mondstuk-10 kop die strookverwarmers toestaat om de hogere polymeertempera- tuur te handhaven, en figuur 6 een de voorkeur verdienende mondstuk-kopconstructie die gebruik maakt van een uitgespaard stelsel zoals beschreven in de werkwijze van de Japanse octrooiaanvrage 15 30928/78.

Non-woven vliezen die worden vervaardigd door het in de smelt blazen van thermoplastische polymeren hebben een aanzienlijke mate van commercieel succes, bereikt. Zulke materialen worden alleen of in combinatie toegepast in droog-20 doeken, absorberende materialen zoals voor catameniale inrich tingen, isolerende materialen, batterijscheiders, en in de gezondheidszorg en als vrijetijdsstof. In vele van deze toepassingen alsmede in andere, heeft het uiterlijk van het vlies een in toenemende mate belangrijke factor. Bij toepassingen waar water-25 tegenhoudeigenschappen belangrijk zijn, zoals in vrijetijdsstof- fen, is het verder van belang, dat een gelijkmatig vlies wordt vervaardigd. Vele toepassingen zijn ook het gevolg van sterkere vliezen ten opzichte van een bepaald basislicht. Verder is het altijd gewenst om het rendement van de werkwijze voor het vervaar-30 digen van het vlies te verbeteren.

Bekende smeltblaaswerkwijzen vertrouwen op het contract van gesmolten polymeer met een gas, gewoonlijk lucht op hoge temperatuur, voor het vormen van vezels en het strekken daarvan tot zeer kleine diameters. Omdat de luchtstroom met het 35 spuitmondstukstelsel in aanraking komt, is het gebruik van fluidum ': ' ; -3 0 :·) - 5 -Λ» op hoge temperatuur essentieel geacht voor het handhaven van een lage polymeerviskositeit waardoor hoge produktiesnelheden worden mogelijk gemaakt en het stollen van de polymeer binnen het mondstuk of het op andere wijze verstoppen van de spuitmond-5 stukkop wordt voorkomen en onderbrekingen in het vervaardigen van het vlies teweeg worden gebracht. Om niet volledig duidelijke redenen hebben zulke hoge temperaturen echter vaak geleid tot een bovenmatige hoeveelheid "schot" in de vliezen indien zij werden gevormd op korte afstanden. Verder is het gebleken, dat ver-10 warmd fluidum noodzakelijk was om ongewenste belasting te voor komen op het metaal waaruit de kop was opgebouwd.

Aan de hand van figuur i zal nu de werkwijze voor het vormen van een vlies in hoofdzaak worden beschreven.

Een voorraadbak 10 levert polymeer aan een extruder 12 die wordt 15 aangedreven door een motor 11 en wordt verwarmd voor het brengen van de polymeer op de gewenste temperatuur en viskositeit. De gesmolten polymeer wordt toegevoerd aan het mondstuk 14 dat ook wordt verwarmd met behulp van een verhitter 16 en door leidingen • 13 is gekoppeld aan een bron van verdunningsfluidum. Aan de uit-20 · gang 19 van het mondstuk 14 worden vezels 18 gevormd en verzameld met behulp van een afzuigdoos 15 op een geperforeerde band 20 tot vlies 22 dat kan worden samengedrukt of op andere wijze worden gehecht met behulp van rollen 24 en 26. Band 20 kan worden geroteerd door middel van een aangedreven rol, die hetzij de rol 25 21 of 23 kan zijn.

In figuur 2 zal een bestaande mondstukkop in meer detail worden beschreven. Zoals is weergegeven treedt polymeer bij 28 binnen en verlaat via openingen 30. Aan de uitgang komt het in aanraking met twee zijden door stromen van fluidum 30 door kanalen 32 in steun 33 hetgeen de polymeerstroom verdunt en breekt tot gestrekte vezels 18. Terwijl deze vezels worden gestrekt zullen zij in de meeste gevallen de neiging hebben om te breken teneinde fijne vezels te vormen van een gemiddelde van minder dan ongeveer 10 micron diameter en in lengte in zeer brede 35 grenzen variërend in het gebied dat in hoofdzaak tenminste 5 mm ^ A’ P « δ 'V V V V v V w a » - 6 - beslaat. De afstand "h" vertegenwoordigt de vormingsafstand van de uitgang van het mondstuk tot de vezelverzamelband 20 of andere vormende inrichting. Zoals hierboven is besproken, wordt aangenomen dat in de meeste gevallen deze afstand van de orde van 5 minder dan ongeveer 8 tot 12 inch moet zijn om een voldoende af- schrikken of koelen van de vezels toe te staan. Volgens de uitvinding wordt het verdunningsfluidum echter geleverd op een temperatuur van tenminste ongeveer 100 °P minder dan die van het gesmolten polymeer en bij voorkeur op de laagste temperatuur van 10 het beschikbare fluidum zonder kunstmatige koeling. De vezels worden snel afgeschrikt hetgeen een vormingsafstand "h" mogelijk maakt van minder dan 8 inch en bij voorkeur minder dan 6 inch.

In deze uitvoeringsvorm is het mondstukontwerp overigens in hoofdzaak gelijk aan het hierboven beschreven Amerikaanse octrooi-15 schrift 3.825.380.

In figuur 3 is een soortgelijke matrijskopinrich-ting weergegeven, behalve dat een isolerende laag 34 is aangebracht op de mondstukkopoppervlak tussen de warme matrijskop en het koelere verdunningsfluidum. Dit isolerende materiaal kan 20 een willekeurige zijn van een aantal samenstellingen die bestand zijn tegen hoge polymeersmelttemperaturen en andere behandelings-omstandigheden, inbegrepen contact met het koelere verdunningsfluidum. Voorbeelden omvatten op silicium gebaseerde keramische stoffen, zoals versmolten poreus siliciumdioxydeborosilicaat.

25 Andere zijn beschreven in Amerikaans octrooischrift 4.093.771.

Dergelijke samenstellingen kunnen zijn bekleed of op andere wijze aan het oppervlak gehecht met hoge temperatuurhechtmiddel, zoals CERAMABOND, dat verkrijgbaar is bij Aramco Products, Ine.

In figuur 4 is een alternatief mondstukkopstelsel 30 weergegeven, waarbij de isolatie een luchtruimtelaag 36 tussen oppervlakken 40 en 42 is. Deze constructie heeft het voordeel, dat de lucht een buitengewoon goede 'isolator is. Anderzijds kan het een duurdere machinale bewerking en constructie vereisen.

In figuur 5 is een derde alternatieve construc-35 tie weergegeven, waarin verwarmingsstrippen 50 worden gebruikt Ά1 0 ** a Q 9

V ^ V \,y * *#-· V

4i - 7 - om de polymeer heet te houden terwijl het buitenoppervlak 44 is geisoleerd door laag 34. Het is ook mogelijk om de verwarmings-strippen 50a binnen het mondstuklichaam aan te brengen.

Figuur 6 toont in dwarsdoorsnede een bekende 5 mondstukkop die is uitgespaard teneinde niet te steken door de steunopening en die kan worden gebruikt in overeenstemming met de werkwijze van de uitvinding.

Een ander (niet weergegeven) alternatief is het bouwen van het gehele mondstuk zoals in figuur 2, doch uit 10 isolerend materiaal.

De keuze van een bepaald verdunningsfluidum zal afhangen van het polymeer dat wordt geextrudeerd en van andere factoren, zoals de kosten. In de meeste gevallen wordt beweerd, dat beschikbare lucht uit een compressor als het verdunningsflui-15 dum kan worden gebruikt. In bepaalde gevallen kan het nodig zijn om de lucht te koelen teneinde het gewenste temperatuurdifferen-tieel te handhaven. In alle gevallen is het echter essentieel dat het gewenste minimum temperatuurverschil kan worden gehandhaafd om de verminderde vormingsafstand toe te staan en de hierbo-20 ven beschreven voordelen te verkrijgen. Andere beschikbare inerte gassen kunnen in buitengewone gevallen als verdunningsfluidum worden gebruikt.

Het mondstuk zelf kan worden vervaardigd uit materialen die gewoonlijk worden toegepast voor het vervaardigen 25 van mondstukken, zoals roestvrij staal. Bij alternatieve uit voeringsvormen is het mondstuk vervaardigd uit isolerende materialen zoals hierboven is beschreven. Het mondstuk kan zijn vervaardigd uit één stuk of kan uit meerdere stukken bestaan, en de mondstukopeningen kunnen zijn geboord of op andere wijze zijn 30 gevormd. Voor bijzonderheden ten opzichte van de mondstukkopcon- structie kan worden verwezen naar het Amerikaanse octrooischrift 3.825.380.

Het isolerende materiaal dat wordt gébruikt om het gesmolten polymeer te beschermen tegen het koude verdunnings-35 fluïdum volgens de uitvinding, kan worden gekozen uit die ma- 33D3399 ·# *' - 8 - terialen die kunnen worden toegevoerd of bevestigd aan de ma-trijskop op de gewenste wijze en toch de extrusie-omstandighe-den kunnen weerstaan. Bijvoorbeeld kunnen materialen, zoals poreus siliciumoxydeborosilicaat worden gebruikt. De dikte van de 5 isolerende laag zal afhangen van de eigenschappen van het isole rende materiaal alsmede van de ruimte die beschikbaar is, doch zal over het algemeen minder zijn dan ongeveer 0,5 mm en bij voorkeur tenminste 1 mm. Indien zulke isolerende materialen worden toegepast, kunnen lagere polymeertemperaturen worden gebruikt 10 zonder het gevaar te vergroten van het stollen van de polymeer in het mondstuk. Omgekeerd, indien geen isolerend materiaal wordt gebruikt, zal toename van de temperatuur van het polymeer of op andere wijze verlagen van de polymeer viskositeit het optreden van polymeerstolling binnen het mondstuk verminderen.

15 De polymeer kan zelf, zoals door de deskundige zal worden onderkend, worden gekozen uit een grote verscheidenheid van thermoplastische materialen. Zulke materialen kunnen een enkelvoudige polymeer of mengsels van polymeren zijn en kunnen toevoegingen bevatten, zoals vertragers, kleuren, vulmidde-20 len of dergelijke. Voorbeelden van polymeren omvatten polyolefi- nen, zoals polypropyleen en polyethyleen, polyamiden, polyesters en acrylpolymeren.

: Voorbeelden

Voorbeeld 1 25 Een inrichting zoals schematisch weergegeven in figuur 2 werd samengesteld. Polypropyleenhars werd tot een smelttemperatuur van 511 °F gébracht en geextrudeerd met een snelheid van 3 g/minuut per gat voor het vormen van microvezels.

Dit is equivalent aan een doorvoerhoeveelheid van 12 lb per inch 30 per uur in een conventioneelmondstuk van 30 gaten per inch. De mondstukkop had een gat met een diameter van 0,0145 inch. In dit geval werd lucht gebruikt als het verdunningsfluidum en verwarmd tot een temperatuur van 600°F. De vulluchtdruk van 15 psi. De vezels werden verzameld op een afstand van 12 inch. De vezels 35 hadden een gemiddeld oppervlakte van 0,7257 ma/g hetgeen de mate 330339? * $ ' - 9 - aanduidt van vezelfijnheid die is verkregen. Pogingen om de vor-mingsafstand te verminderen, leidden tot een bovenmatige hoeveelheid "schot".

Voorbeeld 2 5 Voorbeeld 1 werd herhaald behalve dat de lucht temperatuur werd verminderd tot 150 °F en de polymeer werd verwarmd voor het bereiken van dezelfde viskositeit. De vormings-afstand werd verminderd tot 6 inch. De vliesvormig werd aanzienlijk verbeterd en het vlies van vrij van schot. De vezels hadden 10 een gemiddelde oppervlakte van 0,9538 m2/g hetgeen een kleinere gemiddelde denier van de vezels suggereert.

Voorbeeld 3

Voorbeeld 2 werd herhaald behalve dat de vormings-afstand werd verkleind tot 4 inch. Een zeer gelijkmatig vlies 15 werd bereikt met minimaal optreden van schot.

Het is dus duidelijk, dat volgens de uitvinding een verbeterde smeltblaasmondstukkop en werkwijze zijn geleverd die voldoen aan de oogmerken, bedoelingen en voordelen die hierboven zijn genoemd. Binnen het kader van de conclusies vallen 20 ook andere uitvoeringsvormen dan in de tekening zijn weergegeven en/of besproken.

3303399 <

Claims (17)

1. Werkwijze voor het vormen van een non-woven vlies, bestaande uit de stappen van: a) het leveren van een gesmolten thermoplasti- 5 sche polymeer, b) het extruderen van de gesmolten polymeer door één of meer mondstukopeningen, c) het in aanraking brengen van de gesponnen polymeer terwijl deze heet is met een fluidumstrooa voor het 10 vormen van filamenten en het strekken van de filamenten tot micro- vezels met een gemiddelde diameter in het gebied tot ongeveer 10 micron, d) het verzamelen van de gestrekte filamenten, en e) het hechten van de filamenten voor het vormen 15 van een geïntegreerd vlies, met het kenmerk, dat de fluidumstroom op een temperatuur is van tenminste ongeveer 100°F kouder dan het polymeer indien het met het polymeer in aanraking komt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de thermoplastische polymeer polypropyleen is.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de koelende fluidumstroom is geïsoleerd van de gesmolten thermoplastische polymeer.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de isolatie in de vorm is van een luchtrui-mte.

5. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de isolatie een materiaal is dat gehecht is aan het mondstuk tussen de koelende fluidumstroom en de gesmolten thermoplastische polymeer.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, 30 dat het isolerende materiaal een poreus siliciumoxydeborosilicaat is.

- 7. Werkwijze volgens conclusie 3, inbegrepen de aanvullende stap van het verwarmen van de polymeer binnen de ma-trij skop.

8. Inrichting voor het vormen van filamenten a ” n 3 0 9 g Κφ V>· v V .j/ v w - 11 - bestaande uit: a) middelen voor het ontvangen van een gesmolten polymeer, b) een mondstuk dat met de ontvangende midde- 5 len in verbinding staat via een kamer tot één of meer mondstuk- openingen waardoor de gesmolten polymeer kan worden geextrudeerd, c) fluidumtoevoermiddelen grenzend aan de opening voor het richten van een fluidum van tenminste ongeveer 100 °F kouder dan de gesmolten polymeer tegen de geextrudeerde 10 polymeer voor het vormen van filamenten en het strekken van de filamenten tot microvezels met een gemiddelde diameter in het gebied tot ongeveer 10 micron, en d) isolatie tussen de kamer en de fluidumtoevoer- middelen.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de isolatie bestaat uit een luchtruimte.

10. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de isolatie een op siliciumoxyde gebaseerd keramisch materiaal is met een dikte van tenminste ongeveer 0,5 mm en gehecht 20 aan de mondstukkop tussen de opening en de fluidumtoevoer.

11. Inrichting volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat het isolatiemateriaal een poreus silicium-oxydeborosilicaat is dat door middel van een warmtebestendig hechtmiddel is vastgehecht.

12. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de isolatie het materiaal bevat waaruit het mondstuk is gevormd.

13. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat middelen zijn aangebracht voor het verwar-30 men van de polymeer binnen de mondstukkop.

14. Inrichting volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de verwarmingsmiddelen zich binnen de mondstukkop bevinden.

15. Inrichting volgens conclusie 8, 35 met het kenmerk, dat de mondstukkop uitgespaard is. ? 3 C 3 3 3 β t >> - 12 -

16. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat middelen zijn aangebracht voor het verzamelen van de filamenten op een afstand van 6 inch of minder van de mondstukkop.

17. Werkwijze en inrichting zoals weergegeven in de tekening en/of besproken aan de hand daarvan. ï § τ π ? s ^ o