DE19524356C1 - Kunststoff-Fibride aus Polyurethan - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Kunststoff-Fibride nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Kunststoff-Fibride sind nicht spinnfähige hoch ober­ flächenreiche Fasern mit unregelmäßiger Fasermorpholo­ gie. Sie setzen sich aus den kristallinen und auch amorphen Faserteilen zusammen und stellen sehr kleine Fasereinheiten dar. Die Einsatzmöglichkeiten dieser Fasern sind in den letzten Jahren stark gestiegen. Neben den herkömmlichen Einsatzgebieten, wie bei der Papierherstellung, können durch die immer mehr an Bedeutung gewinnende Wiederverwertbarkeit der Produkte weitere Absatzmärkte erschlossen werden.

Bisher bekannt sind Kunststoff-Fibride aus Polyäthylen (HDPE, LLDPE) und Polypropylen (PP). Hergestellt werden die Kunststoff-Fibride im Flash-Spinning-Verfahren. Dabei werden die Kunststoffe in einem Wasser-Lösungs­ mittelgemisch unter Druck und Temperatur emulgiert und die Emulsion in ein Vakuum ausgedüst. Dabei verdampft das Lösungsmittel, die Temperatur sinkt stark ab und der Kunststoff wird unter Kristallisation in Fibride verwandelt.

Voraussetzung hierfür sind ein bestimmter minimaler Kristallisationsgrad sowie bestimmte minimale Kristal­ lisationsgeschwindigkeiten des Kunststoffes. Für den Spinnprozeß eignen sich nur Kunststoffe, welche wirt­ schaftlich und technisch in normal verfügbaren Lösungs­ mitteln, wie z. B. aliphatischen Kohlenwasserstoffen, lösbar sind. Als Ergebnis erhält man Produkte, die einer Nachbehandlung unterzogen werden müssen.

Kunststoff-Fibride aus Polyacrylnitril (PAN) oder Polyaromaten werden aus vorgefertigten spleissfähigen Fasern erzeugt. Der Weg zur Herstellung der Fibride führt über Folien oder Spinnfasern. Die Folie wird extrudiert, geschnitten, versteckt und mechanisch fibrilliert. Unter Einwirkung von Wärme wird die Folie um ein vielfaches der Länge verstreckt. Die Orientie­ rung der Moleküle muß bei einer Temperatur unterhalb des Kristallitschmelzpunktes vorgenommen werden. Es tritt eine wesentliche Zunahme der Reißfestigkeit und Abnahme der Reißdehnung in Reckrichtung ein. Spinn­ fasern werden speziell hoch verstreckt (high modul), um die Spleissneigung zu erhöhen.

Weiterhin ist es aus der US 4,189,455 bekannt, Fibride aus einem Lösungsmittel-Polymer-Gemisch mittels eines inerten Gases herzustellen.

Der Einsatz der Fibride orientiert sich im wesentlichen an den Rohstoffeigenschaften der Ausgangskunststoffe.

In vielen Fällen ist verfahrensbedingt eine bestimmte Hydrophilie Voraussetzung für die Einsatzmöglichkeiten. Um neue Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen bzw. bestehende Anwendungen mit neuen produktwertsteigernden Eigenschaften zu versehen, wären Fibride von anderen Kunststoffen, insbesondere Polyurethan, wünschenswert. Versuche, Fibride auf Polyurethanbasis nach den vor­ stehend beschriebenen Verfahren herzustellen, führten wegen der relativ niedrigen Erweichungstemperatur von 45-70°C nicht zu einem Ergebnis, da dies sofort zum Verkleben gebildeter Fibride führte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue Kunststoff-Fibride zu schaffen.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 berücksichtigten Stand der Technik, ist diese Aufgabe gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Überraschenderweise wurde ein einfaches Verfahren gefunden, mit dem Fibride auf Polyurethanbasis, vorzugsweise aus einem Hydroxylpolyurethan, erstmals hergestellt werden können. Die Fibride zeichnen sich durch die gewünschte Fibrillenfeinheiten und Kürze von 0,1 bis 5 mm bei der Herstellung aus.

Die erfindungsgemäßen Fibride sind dadurch gekennzeich­ net, daß sie aus einem Polyurethan (PUR) bestehen, das als niedrigviskoser Strahl in ein durch Flüssigkeits­ strahlen gebildetes Scherfeld gespritzt, von den Flüs­ sigkeitsstrahlen zerrissen und durch Abkühlen, Kristal­ lisation und Orientierung zu Fibriden ausgebildet ist. Die auf Polyurethanbasis hergestellten Fibride weisen eine spezifische Oberfläche von 1 bis 10 m²/g auf und sind ohne Vorbehandlung und Zusätze im Wasser disper­ gierbar. Der Schopper-Riegler Wert liegt bei ca. 10°. Die Erweichungstemperatur liegt zwischen 45-70°C bei guter Temperaturstabilität bis über 200°C.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen von Fi­ briden auf der Basis thermoplastischen Polyurethans geht von dem Gedanken aus, daß Polyurethan bei Tempe­ raturen unterhalb seiner Zersetzungstemperaturen zwi­ schen 50°C und 350°C, insbesondere 200°C und 300°C, zu einer viskosen Masse zu erwärmen und zu zerreißen. Der Polyurethanstrahl weist nach seiner Erwärmung eine Viskosität unter 200 Pscal·Sekunde, vorzugsweise unter 100 (Pa·s), auf. Das niedrigviskose Polyurethan wird unter einem Druck zwischen 100 und 1000 bar mit hoher Geschwindigkeit im Strahl frei in ein energiereiches Scherfeld gespritzt. Das Scherfeld bildet flüssige Verdüsungsstrahlen die auf ein Zentrum ausgerichtet sind und mit hoher kinetischer Energie bei Drücken zwischen 100 und 1000 bar auf den Polyurethanstrahl treffen. Vorzugsweise bestehen die Verdüsungs­ strahlen aus tiefkalt verflüssigten Gasen, zum Beispiel aus den tiefkalt verflüssigten Inertgasen Stickstoff und Argon. Auch Wasser kann bei Drücken oberhalb 100 bar eingesetzt werden. Das in dem Scherfeld mit Flüssig­ stickstoffstrahlen zerrissene Polyurethan bildet bei Abkühlung, Kristallisation und Orientierung Fibride.

Das in einem Extruder aufgeschmolzene Polyurethan wird durch eine Düse, welche die Polyurethanstrahlgeometrie bestimmt, mit einer Temperatur von 50°C bis 350°C frei in die Verdüsungskammer ausgespritzt. Der Spritz­ druck beträgt mindestens 100 bar und wird bezüglich seines Maximaldruckes von beispielsweise 1000 bar, nur durch technische und wirtschaftliche Grenzen beschränkt. In der Verdüsungs-Kammer erreicht der Polyurethanstrahl sofort das Zentrum des durch ein Düsensystem erzeug­ ten Scherfeldes. Das Düsensystem besteht aus Flach­ strahl- oder Vollstrahldüsen, die unter einem Winkel von 30 bis 150° zum Polyurethanstrahl angeordnet sind. Hier wird der Polyurethanstrahl durch die Energie des Scherfeldes zerrissen und gleichzeitig extrem abgekühlt. Die kinetische Energie des Verdüsungsmediums, vorzugs­ weise eines verflüssigten Inertgases, insbesondere Stickstoffes und der große Temperaturunterschied von bis zu 650 K bewirken eine derart starke Belastung des Polyurethans, daß es zu Fibriden zerrissen wird. Die anfallenden Fibride sammeln sich am Boden des Reaktions­ raumes an. Sie können durch eine Öffnung des Reaktions­ raumes entnommen werden. Das entstehende Stickstoffgas wird durch einen Filter und einen Zyklon über einen Rückgewinnungskreislauf befördert. Der vom Düsensystem des Scherfeldes benötigte Stickstoff gelangt von einem isolierten Tank über eine Hochdruckpumpe im flüssigen Zustand und unter hohem Druck ins Düsensystem.

Die hergestellten Fibride zeigen deutliche Variationen in Dichte und Länge der Einzelfibride und liegen in ihrer freien Oberfläche unter den über Emulsion oder Anlösen der Oberflächen hergestellten Produkten, diese besitzen mehr verdeckte Oberflächen. Die Steuerbarkeit der Fibrillengrößen ist über das erfindungsgemäße Verfahren deutlich ausgeweitet, so daß ein sehr feiner Pulp erreicht werden kann.

Beispiel

Bei dem untersuchten Produkt Desmocoll KA 8634 handelt es sich um ein Polyurethan der Bayer AG. Desmocoll KA 8634 ist ein äußerst stark kristallisierendes, ela­ stisches Hydroxylpolyurethan mit sehr geringer Thermo­ plastizität.

Der extrem leichtfließende PUR-Typ der Firma Bayer AG wurde im Scherfeld mit tiefkalt verflüssigtem Stick­ stoff in Fibride zerteilt.

Die physikalischen Eigenschaften von Desmocoll sind nachstehend aufgeführt:

Handelsname:
Desmocoll
Typ:	KA 8634
Hersteller:	Bayer AG
Erweichungstemperatur:	45-70°C
Dichte:	ca. 1,2 g/cm bei 20°C

Desmocoll wurde unter den in der Tabelle angegebenen Versuchsbedingungen zerteilt.

Parameter
Probewerkstoff
Desmocoll KA 8634
Temperatur @	Düse	300°C
Zone 1	310°C
Zone 2	280°C
Zone 3	160°C
Stickstoffdüse	Flachstrahl 1,02 mm; 15°
Kunststoffdüse	Vollstrahl 0,47 mm
Stickstoffdruck	250 bar, flüssig
Kunststoffdruck	210 bar
Spritzdauer	5-6 sec

Aus der Siebstrahlanalyse ergaben sich folgende Siebdurchgänge:

Maschenweite in µm
Desmocoll
800|93,6%
630	73,0%
400	53,6%
250	24,4%

Die Fibride aus thermoplastischem Polyurethan zeichnen sich durch hohe Feinheit, wenig Schmelzpartikel und gute Zusammenhaftung aus.

Claims (6)

1. Kunststoff-Fibride aus Polyurethan dadurch gekennzeichnet, daß das Polyurethan als niedrigviskoser Strahl in ein durch Flüssigkeitsstrahlen gebildetes Scherfeld gespritzt, von den Flüssigkeitsstrahlen zerrissen und durch Abkühlung, Kristallisation und Orientierung zu Fibriden ausgebildet wird, die eine Fibrillenlänge von 0,1 bis 5 mm aufweisen.

2. Kunststoff-Fibride nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyurethan eine Viskosität unter 200 (Pa·s), vorzugsweise unter 100 (Pa·s), aufweist.

3. Kunststoff-Fibride nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fibride aus einem weitestgehend unvernetzten Hydroxylpolyurethan bestehen.

4. Kunststoff-Fibride nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fibride mit einer Temperatur unterhalb ihrer Zersetzungstemperatur zwischen 50°C und 350°C und einem Druck zwischen 100 und 1000 bar in das aus Flüssigkeitsstrahlen gebildete Scherfeld gespritzt und mit Flüssigkeitsstrahlen zerrissen werden.

5. Kunststoff-Fibride nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsstrahlen aus einem der tief­ kalten verflüssigten Gase Stickstoff oder Argon gebildet werden.

6. Kunststoff-Fibride nach Anspruch 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsstrahlen mit einem Druck zwi­ schen 10 und 600 bar auf den Polyurethanstrahl ge­ spritzt werden.