NO864927L - Ny vanndispergerbar syntetisk fiber. - Google Patents

Description

Det tekniske område

Denne oppfinnelse angår ny vanndispergerbar, syntetisk polymerfiber, spesielt av poly(ethylenterefthalat), oa fremstillinq derav.

Oppfinnelsens bakgrunn

Det har vært øket interesse i de senere år for vanndispergerbar, syntetisk fiber, spesielt av polyester;'

En slik vanndispergerbar fiber anvendes for forskjellige "non-woven" formål, innbefattende papirfremstilling og våtlagte uvevede stoffer, av og til som del av en blanding, ofte med store mengder av tremasse, eller fiberglass, men også for formål som bare krever polyesterfiber, dvs. ublandet med annen fiber. Denne anvendelse og kravene til denne er fullstendig forskjellig fra tidligere mer vanlig anvendelse som tau eller stapelfiber for omvandling til tekstilgarn for sluttanvendelse i vevede eller strikkede stoffer, på grunn av nødvendigheten av å dispergere denne fiber i vann isteden-for å omvandle fiberen til garn, f.eks. ved slike prosesser som karding, f.eks. innen bomullssystemet. Det er dette krav til vanndispergerbarhet som adskiller oppfinnelsens område

fra tidligere mer vanlig polyesterstapelfiber.

De fleste slike vanndispergerbare polyesterfibre er av poly(ethylenterefthalat) og fremstilles i det vesentlige på samme generelle måte som vanlige tekstilpolyesterstapel-fibre, bortsett fra at de fleste vanndispergerbare polyesterfibre ikke kruses, mens enhver polyesterstapelfiber for anvendelse i tekstilgarn i alminnelighet kruses mens den befinner seg i form av et tau, før omvandling til stapelfiber. Vanndispergerbare polyesterfibre er således i alminnelighet blitt fremstilt ved smeltespinning av polyesteren til filamenter, kombinering av filamentene under dannelse av et tau, trekking, påføring av et egnet belegg for å gi vanndispergerbare egenskaper, generelt på samme måte som en finish påføres på et tau av vanlige tekstilfilamenter,

og derefter, i alminnelighet uten noen krusning (eller med bibringelse bare av enkelte svake bølger i enkelte til-feller for å gi ekstra bulk og en tredimensjonal grunnmasse),

omvandling av tauet til stapel. Enkelte tidligere polyesterstapelfibre er blitt fremstilt i ukruset tilstand, f.eks.

for anvendelse som lo i lostoff, men for en slik anvendelse har vanndispergerbarhet ikke vært nødvendig.

Polyesterfibre er naturlig hydrofobe slik at det er nødvendig på polyesteren å påføre et egnet belegg, som beskrevet av Ring et al. i US patent nr. 4007083, Hawkins i US patent nr. 4137181, 4179543 og 4294883, og Viscose

Suisse i britisk patent nr. 958350, for å overvinne polyester fiberens iboende hydrofobe karakter uten å danne skum eller bringe fibrene til å flokkulere. Det er dette belegg som har adskilt vanndispergerbare polyesterfibre fra mer vanlige polyesterstapelfibre snarere enn noe iboende karakteristisk særtrekk ved selve polyesteren eller ved dens form, som tverrsnittet. Så vidt vites har tverrsnittet for alle kommersielle vanndispergerbare polyesterfibre hittil vært rundt. Tverrsnittet for de fleste kommersielle polyesterstapelfibre har i virkeligheten generelt vært rundt fordi dette har vært foretrukket.

Selv om de fleste syntetiske, polymere vanndispergerbare fibre hittil er blitt laget av polyestere som er rimelig og tilgjengelig i store mengder, begynner økende mengder av polyolefiner og polyamider å bli anvendt for vanndispergerbare fibre, og oppfinnelsen er således ikke be-grenset bare til polyestere, men dekker andre syntetiske polymerer.

Oppsummering av oppfinnelsen

I henhold til den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes nye syntetiske, polymere, vanndispergerbare fibre, spesielt polyesterfibre,karakterisert vedat fibrene har korsformet tverrsnitt.

Et korsformet tverrsnitt er hittil blitt anvendt for andre polyesterfibre, som her beskrevet. Bortsett fra tverrsnittet kan de vanndispergerbare fibre ifølge oppfinnelsen være i det vesentlige like med tidligere vanndispergerbare polyesterfibre eller andre syntetiske polymer-fibre selv om de senere beskrevne fordeler kan gi mulighet for ytterligere modifikasjoner. Oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet med spesiell henvisning til polyesterfibre selv om det vil forstås at andre syntetiske polymerer, som polyamider og polyolefiner, også kan anvendes.

Fibrene ifølge oppfinnelsen kan bekvemt fremstilles ved smeltespinning og trekking av polyesterfilamenter med egnet denier pr. filament (dpf) og på disse å påføre et egnet belegg for å gi vanndispergerbare egenskaper. Filamentene blir derefter i alminnelighet klippet til stapel med hvilken som helst ønsket lengde for den påtenkte sluttanvendelse.

Anvendelsen av et .korsformet tverrsnitt for

den vanndispergerbare fiber ifølge oppfinnelsen har overraskende vist seg å befordre dispergerbarhet sammenlignet med et rundt tverrsnitt, og dette bibringer de erholdte våtlagte fibre bedre jevnhet, sterkere opasitet, god gjennom-trengelighet og et tiltalende flannellignende grep, hvilket vil fremgå av eksemplet.

Kortfattet beskrivelse av tegningene

Figur 1 viser et korsformet tverrsnitt for en stilisert fiber ifølge oppfinnelsen. Figur 2 viser en typisk spinndyseåpning for spinning av filamenter ifølge oppfinnelsen.

Beskrivelse av oppfinnelsen

Som antydet ovenfor er et korsformet tverrsnitt allerede blitt anvendt for mer vanlige polyesterstapelfibre som er blitt spunnet til filamenter og trukket, klippet, om-vandlet til spunnet garn og anvendt i vevede eller strikkede

-stoffer. Slike fibre har ikke hatt de vanndispergerbare

egenskaper som er nødvendige i henhold til denne oppfinnelse. På lignende måte er polyesterfilamenter med korsformet tverrsnitt allerede kjent fra Lehmicke US patent nr. 2945739 som beskriver en fremgangsmåte for smeltespinning av polyamid-

og polyesterfilamenter med blant annet korsformet tverrsnitt, og vevede og strikkede stoffer fra stapelfibre, og fra Jamieson US patent nr. 3249669 som beskriver en fremgangsmåte for fremstilling av et multifilamentgarn av polyesterfilamenter med forskjellige tverrsnitt, innbefattende et

korsformet tverrsnitt. Orienterte polyesterfilamenter med ikke-rundt tverrsnitt er også blitt beskrevet av Frankfort et al. i US patenter nr. 4134882 og 4195051, ved at de er blitt fremstilt ved spinning med en meget høy hastighet (5486 m/min) idet disse høye hastigheter også vil kunne anvendes for å fremstille orienterte polyesterfilamenter med korsformet tverrsnitt som et substrat for på dette å påføre et egnet belegg for å gi vanndispergerbare egenskaper og derved oppnå vanndispergerbare fibre ifølge oppfinnelsen. Intet innen denne teknikkens stand angår den foreliggende oppfinnelses område. Imidlertid kan filamentaktige poly-estersubstrater for fremstiling av den vanndispergerbare fiber ifølge oppfinnelsen fremstilles ved hjelp av de der beskrevne metoder eller ved egnede modifikasjoner av disse eller ved hjelp av andre kjente metoder for fremstilling av polyesterfilamenter med ikke-rundt tverrsnitt.

I referansene til teknikkens stand beskrives parametre for et korsformet tverrsnitt, og Figur 1 er i det vesentlige som vist deri.

Fremstillingen av polyesterstapelfiberen er ellers konvensjonell og innbefatter trinnene med smeltespinning av polymeren til filamenter, oppsamling av filamentene i form av et tau, strekking av tauet og påføring av et egnet vanndispergerende belegg for å bibringe karakteristika. Dersom lav krympning er ønsket, blir de trukkede filamenter i alminnelighet varmeavspent.

Valg av et egnet belegg for å befordre vanndispergerbarhet er viktig, og mer av et slikt belegg er i alminnelighet nødvendig enn for sammenlignbare vekter av fibre med rundt tverrsnitt med lignende dpf på grunn av det større overflateareal til det korsformede tverrsnitts periferi. Det er spesielt viktig å gi gode grensesmørings-egenskaper. Av denne grunn foretrekkes et ethoxylert belegg.

Egnede belegg er beskrevet i Hawkins, US patenter

nr. 4137181, 4179543 og 4294883, og også i den svevende US patentsøknad 721344, innlevert samtidig hermed og i navn av van Issum og Schluter, hvori er beskrevet anvendelse av en

syntetisk kopolyester av poly(ethylenterefthalat)-enheter og poly(oxyalkylen) av grupper avledet fra en poly(oxyalkylen)-glycol med en gjennomsnittlig molekylvekt innen området fra 300 til 6000, som beskrevet f.eks. i Mclntyre et al., US patenter nr. 3416952, 3557039 og 3619269, her vist til. Andre anvendbare segmenterte kopolyestere er beskrevet i Raynolds, US patent nr. 3981807. Alle disse beskrivelser er her inkorporert ved henvisning.

Slike polyesterfibre blir i alminnelighet først fremstilt i form av et kontinuerlig, filamentaktig, ukruset tau eller filamentene, dersom ekstra bulk er nødvendig og en mer tredimensjonal grunnmasse, kan tilveiebringes med svake bølgelignende unduleringer ved hjelp av en forsiktig prosess av krusningstypen, og de ukrusede eller svakt bølge-lignende filamenter blir klippet til den ønskede klippede lengde, dvs. for å danne den vanndispergerbare fiber, som i alminnelighet selges i form av baller, eller andre pakker av klippet fiber. Egnede klippede lengder er i alminnelighet fra ca. 5 til ca. 90 mm, i alminnelighet opp til 60 mm, og med et forhold lengde/diameter (L/D) fra ca. 100:1 til ca. 2000:1, fortrinnsvis fra ca. 150:1 til ca. 2000:1, idet det er en fordel ved oppfinnelsen at god oppførsel har vært oppnåelig med foretrukne vanndispergerbare fibre ifølge oppfinnelsen med et forhold L/D som er høyere enn hva vi har betraktet som tilfredsstillende for kjente vanndispergerbare polyesterfibre. For eksempel har maskinprodusenter i alminnelighet anbefalt at forholdet L/D ikke skal overskride 500:1, og en rekke operatører har betraktet endog dette tall som urealistisk høyt. En egnet denier pr. filament er i alminnelighet fra ca. 0,5 til ca. 20. Belegget er i alminnelighet tilstede i en mengde fra ca. 0,04 til ca. 1,0% av fiberens vekt (OWF%), og det er en fordel at mindre mengder i alminnelighet kan anvendes enn hva vi har betraktet som tilfredsstillende i henhold til teknikkens stand.

Det tilveiebringes også en fremgangsmåte for fremstilling av slike vanndispergerbare polyester fibre, omfattende de trinn at polyesteren smeltespinnes til filamenter med korsformet tverrsnitt, et tau av slike filamenter dannes, trekking og derefter belegning av filamentene i tauet med en slik syntetisk kopolyester og, til riktig tid, omvandling av slike belagte filamenter til stapelfibre.

Belegget blir fortrinnsvis herdet på filamentene ved å oppvarme de belagte filamenter eller, om ønsket, den erholdte stapelfiber til en temperatur av fra ca. 100°C til ca. 190°C for å forbedre varigheten.

Oppfinnelsen er ytterligere illustrert i det neden-stående eksempel i hvilket samtlige deler og prosenter er basert på vekt dersom intet annet er angitt og hvori OWF

er (faststoffer) "av fiberens vekt". Henvisning er gjort til flere målinger av garnegenskaper, som strekkegenskaper (tenasitet og bruddforlengelse) som blir målt i overens-stemmelse med de metoder som er beskrevet i Frankfort et al. US patent nr. 4134882. Det vil forstås at andre betingelser kan anvendes, f.eks. andre åpningskonstruksjoner, som slike som er vist i"teknikkens stand.

Eksempel

De følgende fibre, Fiber A, en sammenligning med rundt tverrsnitt, og Fiber N, en fiber ifølge oppfinnelsen med korsformet tverrsnitt, ble begge spunnet fra poly(ethylenterefthalat) med grenseviskositet 0,64 og inne-holdende 0,3% Ti02som et avglansingsmiddel.

Fiber.A ble spunnet ved 1463 m/min til filamenter med vanlig radial luftbråkjøling under anvendelse av en 900 hulls spinndyse med runde hull med en diameter av

i 0,381 og en kapillærlengde av 0,762 mm, en 270°C blokk og polymergjennomgang på 30,9 kg/time. Denier pr. filament var 3,67. Fiberen A ble derefter orientert ved at den ble ført over et sett med matevalser ved 26,8 m/min, efterfulgt av et. sett med strekkevalser ved 7 3,1 m/min og avlevert til en transportør ved hjelp av trekkvalser ved 73,2 m/min. Mellom matevalseseksjonene ble filamentene behandlet i et 45°C vannbad. Mellom mate- og strekkevalsene ble repet dusjet med vann ved 98°C. Mellom strekke- og trekkvalsene ble et kommersielt vanndispergerbart belegningsmiddel (50/50 blanding av kaliumsalt av mono- og disyrefosfat-

kasse ytterligere utspedd til 0,0143% konsistens og omdannet til en 0,5 meter bred, våtlagt, uvevet bane ved 20 m/min.

En dusj av et acrylbindemiddel, Acronyl 240 D, ble pådusjet ved enden av Fourdrinier-viren. Banen ble derefter herdet i en tørker med gjennomstrømmende luft ved 150°C. Den ferdige bane veide gjennomsnittlig 40 g/m 2.

Dispersjonskvaliteten kan bedømmes ut fra jevnheten for den fremstilte bane fra en gitt prøve. Efterhvert som den klippede lengde øker, kan banens jevnhet i alminnelighet forventes å lide betraktelig. Imidlertid kan større fordeler oppnås ved anvendelse av en lengre fiber fordi for eksempel banens slitestyrke øker. I praksis vil derfor en tekstilprodusent i alminnelighet ønske å anvende den lengste fiber som vil tilfredsstille hans jevnhetsstandarder. En lengre fiber med forbedret eller ekvivalent jevnhet vil således være foretrukket.

Dispersjonskvaliteten for stoffer fra Fibre A og N ble bedømt slik de ble fremstilt på maskinen, ved å iaktta stoffene efterhvert som vannet drenerte fra disse på Fourdrinier-virene. Resultatene av denne sammenligning er gjengitt i Tabell 2 og indikerer god dispersjon for det korsformede til tross for dets 57% større overflateareal.

Standard fysikalske egenskaper ble målt for settet av stoffer på Herty Foundation, Savannah, GA. Hver gang sammenlignet med Fiber A som 100% hadde Fiber N de følgende gjennomsnittlige egenskaper: estere av laurylalkohol/talgalkohol ethoxylert med 25 mol ethylenoxyd) påført. Filamentene ble derefter relaksert fritt i en ovn ved 150°C i 6 minutter.

Fiberen N ble fremstilt på lignende måte som

Fiberen A bortsett fra at 625 filamenter med 3,22 dpf og korsformet tverrsnitt ble spunnet gjennom kapillærer som vist på Figur 2 med en blokktemperatur av 273°C og en gjen-nomgang av 19,5 kg/time. Valsehastigheter for orienteringen var matevalser 29,4 m/min, strekkevalser 73,3 m/min og trekkvalser 72,4 m/min, og en noe høyere konsentrasjon av vanndispergerbart belegg ble anvendt for å motvirke det tilnærmet 57% høyere overflateareal for det korsformede tverrsnitt .

Egenskapene for de strukkede, belagte filamenter er sammenlignet i Tabell 1.

Begge typer ble klippet under dannelse av vanndispergerbare fibre med klippede lengder på 6,35, 9,53, 12,7 og 19,05 mm og ble prøvet på en Fourdrinier-maskin med hellende vire. Fibre ble dispergert i tre minutter i en liten opp-løser ved 0,75% konsistens (kg fiber pr. 100 kg oppslemning eller sats). Den sylindriske oppløser hadde en diameter av ca. 0,9 m og en dybde av ca. 1,8 m. Fibre ble derefter blandet med uraffinert sulfittmasse under dannelse av en 50% polyesterblanding og utspedd til 0,1% konsistens i en forrådstank på 10 m 3. Dette forråd ble i maskinens innløps-

Balansert oppviste gjenstanden N fordeler innen de viktige områder som gjelder høyere permeabilitet, opasitet, bulk og rivstyrke sammenlignet med kontrollen ved ekvivalent slitestyrke med en liten reduksjon i strekk. Dekningsfor-delen er viktig fordi mindre fiber kan anvendes for et uvevet stoff med lignende oppførselsegenskaper, hvorved materialomkostninger spares. Stoffene av gjenstanden N

har også et tiltalende flannellignende grep.

Når de anvendes sammen med det egnede vanndispergerbare belegg i korrekt mengde, har fibrene ifølge oppfinnelsen med korsformet tverrsnitt gitt et stoff med overraskende god dispersjonsjevnhet, og med de angitte egenskaper.

Ut fra teoretiske betraktninger var det å forvente at vanndispergerbare fibre med vanlig rundt tverrsnitt ville gi jevnere dispersjoner og derfor jevnere våtlagte stoffer. Dette skyldes at den overflateenergi som er nødvendig for

å dispergere en fiber (eller andre gjenstander) er gitt ved: Energi = (Overflatespenning) X (Dispergert overflateareal -

Udispergert overfl.ateareal) .

Den udispergerte fiber forekommer i stokker eller klumper på flere hundre. fibre hvorav de fleste befinner seg på innsiden av stokkene. Det udispergerte overflateareal er derfor neglisjerbart sammenlignet med det disper-gerte areal, og energiuttrykket kan uttrykkes tilnærmet som: Energi = (Overflatespenning) X (Fiberantall) X (Overflate areal av en fiber).

Dette energiuttrykk beskriver både den energi som er nødvendig for å dispergere fiberen, og den frie energi-drivkraft for reagglomerering. For ethvert gitt belegg og fiber dpf var det derfor å forvente at fibre med lavere areal vil gi en jevnere dispersjon og dermed et jevnere stoff. Minimumsoverflatearealet pr. vektenhet for en gitt fiber forekommer når tverrsnittet er rundt, hvilket derfor ville forventes å være foretrukket.

Imidlertid ga disse korsformede fibre, til tross for et ca. 60% større overflateareal, overraskende nok jevnere stoffer. Uten å begrense oppfinnelsen til noen teori kan dette skyldes fiberens hydrodynamiske form som mer effektivt-vil kunne utnytte den energi som er tilgjengelig i blan-derens skjærfelt.

Claims (20)

1. Vanndispergerbar, syntetisk polymerfiber, karakterisert ved at fibrene har korsformet tverrsnitt.

2. Fiber som krevet i krav 1 med klippet lengde fra ca.

5 til ca. 90 mm, og hvori forholdet lengde/diameter er fra ca. 100:1 til ca. 2000:1.

3. Polymerfilamenter i det vesentlige som krevet i krav 1, bortsett fra at de er i form av"et kontinuerlig, filamentaktig, ukruset tau.

4. Vanndispergerbar polyesterfiber, karakterisert ved at fibrene har korsformet tverrsnitt.

5. Fiber som krevet i krav 4, hvori denieren er fra ca.

0,5 til ca. 20.

6. Fiber som krevet i krav 4 med klippet lengde fra ca.

5 til ca. 90 mm.

7. Fiber som krevet i krav 6, hvori forholdet lengde/ diameter er fra ca. 100:1 til ca. 2000:1.

8. Vanndispergerbar fiber som krevet i krav 7, i form av en pakke av klippet fiber.

9. Vanndispergerbar fiber som krevet i krav 1, i form av en pakke av klippet fiber.

10. Polyesterfiber ifølge krav 4, i det vesentlige bestående av poly(ethylenterephthalat).

11. Vanndispergerbar poly(ethylenterephthalat)-fiber som krevet i krav 4, hvori fiberen er i det vesentlige ukruset med klippet lengde fra ca. 5 til ca. 90 mm, et forhold lengde/diameter fra ca. 100:1 til ca. 2000:1 og en denier fra ca. 0,5 til ca. 20, og et ethoxylert vanndispergerende belegg er tilstede i en mengde fra ca. 0,04 til ca. 1,0% av fiberens samlede vekt.

12. Vanndispergerbar fiber som krevet i krav 11, i form av en pakke av klippet fiber.

13. Polyesterfilamenter i det vesentlige som krevet i krav 11, bortsett fra at de er i form av et kontinuerlig, filamentaktig, ukruset tau.

14. Polyesterfiber ifølge krav 4, belagt med et vanndispergerende belegg bestående i det vesentlige av en segmentert kopolyester av gjentatte poly(ethylenterephthalat)-enheter og poly(oxyalkylen)-grupper avledet fra en poly(oxy-alkylen) -glycol med en gjennomsnittlig molekylvekt innen området fra 300 til 6000.

15. Polyesterfilamenter i det vesentlige som krevet i krav 14, bortsett fra at de er i form av et kontinuerlig, filamentaktig tau.

16. Vanndispergerbar fiber ifølge krav 1, hvori det korsformede tverrsnitt har forhold i det vesentlige som vist på Figur 1.

17. Fremgangsmåte for fremstilling av vanndispergerbar polyesterfiber, omfattende de trinn at polyesteren smeltespinnes til filamenter med korsformet tverrsnitt, et tau dannes av slike filamenter, tauet strekkes, filamentene i tauet belegges med en segmentert syntetisk kopolyester av gjentatte poly(ethylenterephthalat)-enheter og poly(oxy-alkylen) -grupper avledet fra en poly(oxyalkylen)-glycol med en gjennomsnittlig molekylvekt innen området fra 300 til 6000, og omvandling av de belagte filamenter til fiber med klippet lengde fra ca. 5 til ca. 90 mm.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 17, hvori filamentene er belagt med kopolyesteren i en mengde fra ca. 0,04 til ca.

1,0% av deres vekt.

19. Fremgangsmåte som krevet i krav 17, hvori belegget herdes på filamentene ved oppvarming av de belagte filamenter til en temperatur av fra ca. 100°C til ca. 190°C.

20. Fremgangsmåte som krevet i krav 19, hvori filamentene belegges med kopolyesteren i en mengde fra ca. 0,04 til ca. 1,0% av deres vekt.