Thermisch gebundener Vliesstoff

Beschreibung Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen thermisch gebundenen Vliesstoff mit einer verbesserten thermischen und chemischen Stabilität. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verwendungen dieses Vliesstoffes.

Stand der Technik

Aus dem Dokument EP 0340 982 B1 sind schmelzbindungsfähige Fasern und daraus hergestellte Vliesstoffe bekannt. Bei den schmelzbindungsfähigen Fasern handelt es sich um Bikomponentenfasern, die aus einer ersten zumindest teilweise kristallinen Polymerkomponenten bestehen und einer an der Oberfläche der ersten Komponente haftenden zweiten Komponente, die ein kompatibles Blend von Polymeren aufweist, welches mindestens aus einem amorphen Polymer und mindestens aus einem zumindest teilweise kristallinen Polymer besteht. Die Schmelztemperatur der zweiten Komponente soll mindestens 30 °C unterhalb der ersten Komponente liegen, jedoch mindestens gleich oder größer als 13O ⁰ C sein. Weiterhin soll das Gewichtsverhältnis des amorphen Polymer der zweiten Komponente zu dem zumindest teilweise

kristallinen Polymer der zweiten Komponente im Bereich von 15 : 85 bis 90 : 10 liegen und so bemessen sein, dass das Verbinden der Bikomponentenfasern mit einer ähnlichen Bikomponentenfaser verhindert wird und dass die erste Komponente den Kern und die zweite Komponente den Mantel einer in Form einer Mantel-Kern-Konfiguration versponnenen Bikomponentenfaser bildet. Diese Bikomponentenfaser wird mit konventionellen Polyesterfasern gemischt und thermisch zu einem Vliesstoff gebunden, der durch Aufbringung von Schleifmittelteilchen zu einem Schlerfvlies verarbeitet wird.

Aus dem Dokument JP 07-034326 sind wärmebindungsfähige Konjugatfasern bekannt, die eine Mantel-Kern-Konfiguration besitzen und deren Kern aus einem Polyester besteht, der Polyethylenterephthalat (PET) als Hauptkomponente enthält und dessen Mantel aus einem copolymerisierten Polyester oder einer side-by-side Konjugatfaser hergestellt ist, die aus einem Polyethylenterephthalat und einem copolymerisierten Polyester besteht. Der copolymerisierte Polyester stellt die niedriger schmelzende Komponente dar und enthält Butylenterephthalat-Einheiten und Butylenisophthalat-Einheiten als wiederkehrende Struktureinheiten. Ein aus diesen Bikomponentenfasern hergestellter Vliesstoff soll eine exzellente thermische Beständigkeit und eine ermüdungssichere Natur gegenüber Druckbelastungen aufweisen, sodass er als alternatives Material zu Polyurethan-Sitzpolsterungen, vor allem im Automobilbereich, eingesetzt werden kann.

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit thermisch gebundene Vliesstoffe aus einem Gemisch aus unverstreckten und verstreckten PET-Fasern herzustellen. Für diese Vliesstoffe ist allerdings die Bindung unter Hitze und Druck in einem Kalander notwendig. Die Bindefähigkeit der unverstreckten, amorphen PET- Fasern beruht nicht auf einem Schmelzvorgang, sondern auf dem Kristallisationsprozess von PET, der oberhalb von 90 ⁰ C einsetzt, sofern noch kristallisationsfähige Anteile vorliegen. Derartige Vliesstoffe besitzen eine hohe

erfüllen chemische und thermische Stabilität. Der Herstellprozess erlaubt jedoch eine geringe Flexibilität. So ist es bei unverstreckten PET-Fasem z.B. nicht möglich deren Bindefähigkeit mehrmals zu aktivieren, da diese auf einem unterhalb der Schmelztemperatur irreversiblen Vorgang besteht. Auch stellt die Durchbindung bei Vliesstoffen mit Flächengewichten >150g/m ² mit unverstreckten PET-Fasern sich als schwierig dar, da im Kalanderprozess die Wärme von außen nicht weit genug ins Innere der Vliesbahn eindringen kann. Es wird immer ein mehr oder weniger ausgeprägter Gradient auftreten.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen thermisch gebundenen Vliesstoff anzugeben, der verbesserte Eigenschaften hinsichtlich seiner thermischen Stabilität, insbesondere der Schrumpfungsneigung der erhaltenen Vliesstoffe zeigt. Darüber hinaus wird durch die chemische Stabilität im

Vergleich zu Fasern, die Copolymerisate aus Monomerengemischen wie z.B. Isophthalsäure/Terephthalsäure enthalten, gesteigert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen thermoplastisch gebundenen Vliesstoff gelöst, der eine schrumpfarme Kern-Mantel-Bikomponentenfaser enthält. Die schrumpfarme Kern-Mantel-Bikomponentenfaser besteht aus einem kristallinen Polyesterkem und einem mindestens 10 ⁰ C tiefer schmelzenden, kristallinen Polyestermantel und weist einen Heißluftschrumpf bei 170 ⁰ C von kleiner 10%, vorzugsweise von kleiner 5% auf. Ein entsprechender Vliesstoff weist bei Temperaturbelastungen von 150 ⁰ C (1 h) eine thermische Maßäπderung (Schrumpf und Bausch) von kleiner als 2% auf. Unter kristallin wird im Sinne dieser Erfindung ein Polyesterpolymer verstanden, welches eine Schmelzenthalpie (DSC) von > 40 Joule/g aufweist und dessen Breite des Schmelzpeaks (DSC) bei 10°C/min vorzugweise <40°C ausfällt.

Vorzugsweise besteht der Mantel der schrumpfarmen Bikomponentenfaser aus einem homogenen, aus einem Monomerpaar hergestellten Polyesterpolymer, welches zu größer 95% nur aus einem Polymerpaar gebildet wird. Im Falle der in den Ansprüchen beschriebenen Polyester bedeutet dies, dass das Polymer zu >95% aus einer einzigen Dicarbonsäure und einem einzigen Dialkohol besteht.

Das Massenverhältniss von Kern- und Mantelkomponente ist üblicherweise 50:50, kann bei speziellen Anwendungsbereichen aber zwischen 90:10 und 10:90 variieren.

Besonders bevorzugt ist ein Vliesstoff, bei dem der Mantel der schrumpfarmen Kem-Mantel-Bikomponentenfaser aus Polybutylenterephthalat (PBT), PoIy- trimethylenterephthälat (PTT) oder Polyethylenterephthalat (PET) besteht.

Weiterhin bevorzugt ist ein Vliesstoff, bei dem der Kern der schrumpfarmen Kem-Mantel-Bikomponentenfaser aus Polyethylenterephthalat oder Polyethylennaphthalat (PEN) besteht.

Der erfindungsgemäße Vliesstoff kann abhängig von der jeweiligen

Verwendung außer der schrumpfarmen Kem-Mantel-Bikomponentenfaser weitere Fasern enthalten. Bevorzugt ist die Verwendung von 0 bis 90% Gew. von z.B. monofilen Standard-Polyesterfasern zusammen mit der schrumpfarmen Bikomponentenfaser.

Vorzugsweise besteht der erfindungsgemäße Vliesstoff aus schrumpfarmen Kem-Mantel-Bikomponentenfasem mit einem Titer im Bereich zwischen 0,1 und 15 dtex. Der erfindungsgemäße Vliesstoff besitzt ein Flächengewicht zwischen 20 und 500 g/m ² . Der erfindungsgemäße Vliesstoff erreicht bei einem

Flächengewicht von z.B. 150-190g/m ² eine Biegesteifigkeit bestimmt nach ISO 2493 quer zur Maschinenlaufrichtung von größer 1 Nmm.

Das Verfahren zur Herstellung des thermisch gebundenen Vliesstoffes besteht darin, dass die Fasern zu einem Vliesstoff gelegt, thermisch gebunden und falls erforderlich unmittelbar anschließend verdichtet werden. Bei dem Verfahren verweilen die Fasern des erfindungsgemäßen Vliesstoffes in einem Thermofusionsofen, der eine gleichmäßige Temperierung der Bindefasern ermöglicht. Vorzugsweise werden die schrumpfarmen Kern-Mantel- Bikomponentenfasem in einem Papierlege-verfahren nass gelegt und getrocknet oder nach einem Kardier- oder Airlaid-verfahren tocken gelegt, und anschließend bei Temperaturen von 200 bis 270 ⁰ C gebunden und optional durch einen Kalander oder ein Presswerk mit Walzentemperaturen, die unter dem Schmelzpunkt des Mantelpolymeren, vorzugsweise <170°C, liegen verdichtet. Diese Verdichtung erfolgt vorzugsweise unmittelbar nach dem Bindeprozess im Trockner bei noch heißen Fasern. Die Struktur der Fasern erlaubt aber auch nachträgliche thermische Behandlungen, da der Bindeprozess mehrfach aktivierbar ist.

Die erhaltenen thermisch gebundenen Vliesstoffe weisen Schrumpf- und Bauschwerte im Bereich von <2% , vorzugsweise <1% auf.

Die erfindungsgemäßen Vliesstoffe sind als Flüssigkeitsfiltermedium, Membranstützvlies, Gasfiltermedium, Batterieseparator oder Vliesstoff für die Oberfläche von Verbundwerkstoffen aufgrund ihrer hohen thermischen Stabilität, ihrer geringen Schrumpfneigung und ihrer chemischen Alterungsstabilität geeignet. Dies trifft ganz besonders für die Verwendung als Ölfiltermedium zur Verwendung in KfZ-Motoren zu.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils:

Fig. 1 ein Diagramm bei dem die Höchstzugkräfte der Vliesstoffe A und B als Index nach Lagerung in Luft und Öl auf den jeweiligen Neuzustand bezogen sind (DIN 53508 und DIN 53521);

Fig. 2 ein Diagramm bei dem die Höchstzugkraftdehnung der Vliesstoffe A und B nach Lagerung bei 150 ⁰ C in Luft und Öl auf den jeweiligen Neuzustand bezogen sind (DIN 53508 und DIN 53521); Fig. 3 ein Diagramm bei dem die Höchstzugkräfte der Vliesstoffe A und B bei verschiedenen Temperaturen als Index auf den jeweiligen Neuzustand bezogen sind (DIN EN 29073-03).

Fig. 4 eine Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Membranstützvlies- stoffes, welcher mit unverstreckten Polyesterfasern gebunden wurde (Vliesstoff E; Vergleichsbeispiel);

Fig. 5 Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Membraπstützvlies-stoffes, welcher erfindungsgemäß zu 100% aus schrumpfarmen PET/PBT- Bikomponentenfaser besteht (Vliesstoff F);

Fig. 6 DSC-Kurve einer Bikomponentenfaser A mit kristallinem Mantelpolymer (hier PET/PBT; erfindungsgemäß);

Fig. 7 DSC-Kurve einer Bikomponentenfaser B mit amorphem Mantelpolymer (hier PET/CoPET; Stand der Technik).

Prüfmethoden

Biegesteifigkeit

Die Biegesteifigkeit wird nach ISO 2493 in Nmm bestimmt.

Thermische Maßänderung (Schrumpf)

Die Probe (DIN A4-großes Muster) wird mit Markierungen in Längs- und Querrichtung versehen, die einen Abstand von 200 mm aufweisen. Nach dem Lagern der Probe für 1 Stunde bei 150 ⁰ C in einem Umluftofen und anschließendem 20minütigem Erkalten bei Raumtemperatur wird die Maßänderung bestimmt. Diese wird, jeweils für die Längs- und Querrichtung in Prozent bezogen auf den Ausgangswert angegeben. Die Vorzeichen vor dem Prozent-Wert geben an, ob die Maßänderung positiv (+) oder negativ (-) sind. Es wird der Mittelwert aus mindestens sechs Einzelwerten (-Messungen) gebildet.

Thermische Maßänderung (Bausch)

Die Probe (DIN A4-großes Muster) wird mit Markierungen versehen, an denen die Dicke nach ISO 9073/2 bestimmt wird. Nach dem Lagern der Probe für 1 Stunde bei 150 ⁰ C in einem Umluftofen und anschließendem 20minütigem Erkalten bei Raumtemperatur wird an den Markierungen die Dicke (ISO 9073/2) erneut bestimmt. Der Bausch (B) wird in Prozent angegeben und wie folgt berechnet:

B [%] = (Dicke nach Lagerung x 100 / Dicke vor Lagerung ) - 100

Es wird der Mittelwert aus mindestens sechs Einzelwerten (-Messungen) gebildet.

Prüfung des Heißluftschrumpfes

Es werden 20 Einzelfasern geprüft. Die Faser wird mit einem Vorspanngewicht, wie nachstehend beschrieben, versehen. Das freie Faserende wird in eine

Klemme eines Klemmenbleches eingespannt. Die Länge der eingespannten Faser wird bestimmt (Lt). Anschließend wird die Faser ohne Gewicht frei hängend 10 Minuten bei 170 ⁰ C im Umluft-Trockenschrank temperiert. Nach mindestens 20 Minuten Abkühlen bei Raumtemperatur wird das gleiche Gewichtsstück aus der Ermittlung von Li wieder an die Faser gehängt und die neue Länge nach dem Schrumpfprozess (L ₂ ) ermittelt. Der prozentuale Heißluftschrumpf errechnet sich aus:

HS[%] = ( Σ L ₁ - Σ L ₂ ) *1 OO / Σ Li

Größe des Vorspanngewichtes

im freihängenden Zustand sollte die Faser entkräuselt erscheinen. Sollte die Kräuselung zu stark sein, so ist das nächsthöhere Gewicht zu wählen.

Schmelzenthalpie (DSC)

In einem DSC-Gerät der Firma Mettler Toledo wird die Probe eingewogen und mit einem Temperaturprogram von 10°C/min von O ⁰ C bis 300 ⁰ C erwärmt. Die Fläche unter den erhaltenen endothermen Schmelzpeaks stellt in Verbindung

mit der Einwaage an Faser und den damit verbundenen Massen der Manteloder Kernkomponente die Schmelzenthalpie der jeweiligen Komponenten in J/g dar.

Beispiel 1

Vliesstoff A stellt einen trockengelegten, kardierten und thermisch gebundenen Vliesstoff mit einem Flächengewicht von 190g/m ² dar. Dieser Vliesstoff besteht zu 75% aus einer schrumpfarmen PET/PBT-Bikomponentenfaser mit einem Mantelschmelzpunkt von 225°C und einem Kern-Mantelverhältniss von 50:50 und zu 25% aus herkömmlichen PET-Fasern. Die Dicke beträgt 0,9mm und die Luftdurchlässigkeit 850 l/m ² s bei 200Pa. 14OgZm ² der Fasern werden über Krempeln mit Querleger, die restlichen 50g/m ² werden längsgelegt kardiert. Der Vliesstoff wird in einem Thermofusionsofen bei ca. 240 ⁰ C gebunden und mit einem Ausgangspresswerk auf die Zieldicke kalibriert.

Vergleichsbeispiel

Vliesstoff B wurde analog zu Vliesstoff A hergestellt. Der Unterschied besteht in der Verwendung von herkömmlichen PET/Co-PET-Bikomponentenfasern mit einem Mantelschmelzpunkt von ca. 200 ⁰ C und der Reduzierung der Ofentemperatur auf 230 ⁰ C. Das resultierende Flächengewicht, die Dicke und die Luftdurchlässigkeit sind vergleichbar.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Vliesstoff A gegenüber dem Vergleichsvliesstoff B sind im folgenden dargestellt:

^• Die Vliesbreite nach dem Trockner nimmt bei Vliesstoff A nur um ca. 9% ab, wogegen bei Vliesstoff B ca. 21% Breitenverlust auftreten.

• Die Biegesteifigkeit quer von Vliesstoff A liegt um 15% höher

• Die Dickenzunahme nach Lagerung bei 150 ⁰ C (S&Brmischθ Maßänderung) liegt bei Vliesstoff A bei 1 ,5%, bei Vliesstoff B bei 4,7%.

• Die thermische und chemische Stabilität bei Lagerung bei 150 ⁰ C in Luft und Öl ist beim Vliesstoff A deutlich verbessert (Figur 1 und 2). Die Diagramme zeigen deutlich eine stärkere Zerstörung von Vliesstoff B bei Lagerung in Motorenöl. Speziell die Versprödung in Figur 3 weist auf ein chemisches Stabilitätsproblem von Vliesstoff B in Öl hin.

• Die Höchstzugkräfte bei verschiedenen Temperaturen zeigen für Vliesstoff A einen deutlich günstigeren Verlauf (Figur 3).

Beispiel 2

Die Vliesstoffe C und D stellen nassgelegte, getrocknete und thermisch gebundene Vliesstoffe mit einem Flächengewicht von 198g/m ² und 182g/m ² dar. Diese Vliesstoffe bestehen zu 72% aus einer schrumpfarmen PET/PBT- Bikomponentenfaser mit einem Mantelschmelzpunkt von 225°C und einem Kern-Mantelverhältπiss von 50:50 und zu 28% aus herkömmlichen PET- Fasern. Die Fasern liegen als dispergierbare Kurzschnittfasern vor. Die Fasern werden im Papierlegeverfahren auf einem Siebband abgelegt, getrocknet und in einem zweiten Trockner thermisch gebunden. Die herausragenden Eigenschaften dieser Vliesstoffe liegen in den sehr guten mechanischen Prüfwerten, sowie deren ausgezeichnetem Schrumpfverhalten (Tabelle 2). Ein Vergleich mit Vliesstoffen aus herkömmlichen Bikomponentenfasem mit CoPET-Mantel ist in diesem Falle nicht möglich, da derartige Fasern aufgrund der hohen Schrumpfwerte auf dieser Vliesstoffanlage bisher nicht verwendbar

waren bzw. Breitenverluste von mindestens 20% aufwiesen, Die erfindungsgemäßen Nassvliesstoffe zeigen Breitenverluste von ca. 3%.

Tabelle 2: Prüfwerte der Vliesstoffe C und D

Speziell bei Verwendung im Nasslegeprozess mit getrennten Trocknern für den Wasserentzug und für die Thermofusion bieten die erfindungsgemäßen schrumpfarmen Bikomponentenfasem Vorteile, da diese Fasern im Vergleich zu um/erstreckten Bindefasern mehrfach aktivierbar sind bzw. beim ersten

Trocknungsprozess nicht bereits vollständig abreagieren.

Die erfindungsgemäßen Vliesstoffe A.C.D sind besonders geeignet zur Verwendung als Motorölfiltermedium in Kraftfahrzeugen.

Beispiel 3

Für die Verwendung als Membranstützvliesstoffe sind kalandrierte PET- Vliesstoffe (Vergleichsbeispiel; Vliesstoff E) aus einem Gemisch aus

verstreckten und unverstreckten monofilen PET-Fasern Stand der Technik. Aufgrund des Kalandrierprozesses besteht speziell bei schweren Vliesstoffen mit Flächengewichten > 150g/m ² die Gefahr der Oberflächenversiegelung, da für eine gute Durchbindung des Vliesstoffes hohe Walzentemperaturen oder langsame Produktionsgeschwindigkeiten notwendig sind, um die notwendige Wärme ins Innere des Vliesstoffes zu bringen. Versiegelte Oberflächen bergen die Gefahr der Filmbildung, die wiederum zu schlechter Membranhaftung und geringeren Durchflussraten führt (Vergleichsvliesstoff E). Die Figuren 4 und 5 demonstrieren die unterschiedlichen Oberflächen eines herkömmlichen Vliesstoffes (Vergleichsbeispiel; Vliesstoff E; Figur 4) und die Oberfläche eines erfindungsgemäßen Vliesstoffes (Vliesstoff F; Figur 5).

Die völlige Abwesenheit von Oberflächenversiegelungen bei Vliesstoff F (Figur 5) zeigt sich auch im Vergleich der Prüfwerte der beiden Vliesstoffe. So ist die Luftdurchlässigkeit von Vliesstoff F um eine Größenordnung gesteigert, bei vergleichbaren sonstigen Prüfwerten (Tabelle 3).

Tabelle 3: Prüfwerte von Vliesstoff E und F

Die Verwendung von herkömmlichen Bikomponentenfasern mit Copolymeren im Mantel hat sich in diesem Bereich wegen der hohen Schrumpfwerte - und

den damit verbundenen Gewichtsschwankungen - sowie der oft nicht gegebenen Lebensmittelzulassung der Mantelpolymere nicht durchgesetzt. Die erfindungsgemäßen Vliesstoffe aus den entsprechenden Bikomponentenfasern überwinden beide Hindernisse, da sie schrumpfarm sind und durch den Aufbau aus Homopolymeren Lebensmittelzulassungen problemlos erlauben.

Beispiel 4

Um die Unterschiede der erfindungsgemäßen Vliesstoffe gegenüber herkömmlichen Vliesstoffen mit Bikomponentenfasern mit Mänteln basierend auf Copolymeren weiter aufzuzeigen, werden in den Figuren 6 und 7 DSC- Kurven (differential scanning calorimetry) von Fasern mit kristallinem Mantelpolymer (Faser A; hier PBT) mit DSC-Kurven von herkömmlichen Bikomponentenfasern (Faser B; hier CoPET) verglichen. Bei der Auswertung der Schmelzenthalpien der tieferschmelzenden Komponente zeigt sich, dass der Mantel der Faser B eine deutlich geringere Schmelzenthalpie in J/g aufweist als Faser A.

Die Schmelzenthalpie ist ein direktes Maß für die kristallinen Anteile im Polymer. Die Kern-Mantelverhältnisse der beiden Fasern liegen bei 1:1, wodurch sich folgende Schmelzenthalpien der Fasermäntel ergeben:

Faser A 63 J/g Faser B 29 J/g

Als Messreferenz kann hier auch der Kern beider Fasern dienen, welcher bei beiden aus PET besteht. Die erhaltenen Werte der Schmelzenthalpie sind vergleichbar (59 J/g gegenüber 54 J/g).

Unabhängig der gemessenen Werte ist bei einem Vergleich der DSC-Kurven die niedrige Peakhöhe und die breitere Peakbasis charakteristisch für Fasermäntel basierend auf Copolymeren (hier CoPET). Durch den Einbau von Comonomeren wie z.B. Isophtalsäure in Polyethylenterephthalat wird sowohl der Schmelzpunkt als auch die Kristallinität bzw. die Bereitschaft zu kristallisieren des Polymeren herabgesetzt. Die erfindungsgemäßen Vliesstoffe basieren somit auf Fasern vom Typ der Faser A.