Hochfester leichter Vliesstoff aus Spinnvlies, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung

Die Erfindung betrifft einen hochfesten leichten Vliesstoff aus Spinnvlies, welcher wenigstens eine Lage aus schmelzgesponnenen synthetischen Filamenten, die mittels energiereicher Wasserstrahlen verfestigt sind, umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Vliesstoffs und seine Verwendung.

Aufgabe der Erfindung ist, einen hochfesten, leichten Vliesstoff aus Spinnvlies bereitzustellen, der sich nicht nur durch eine hohe Festigkeit, sondern auch noch durch einen hohen Anfangmodul auszeichnet. Ein hoher Anfangmodul reduziert die Anfälligkeit zum anfänglichen Verzug und dem dadurch verursachten Breitensprung bei den üblichen industriellen Verarbeitungsschritten.

Diese Aufgabe wird mit einem Vliesstoff aus Spinnvlies mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Vliesstoffs aus Spinnvlies beschreibt Patentanspruch 12, eine bevorzugte Verwendung der Erfindung ist in Patentanspruch 16 beschrieben. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

BESTäTBGUNGSKOPIE

Gemäß der Erfindung ist bei einem hochfesten leichten Vliesstoff aus Spinnvlies, welcher wenigstens eine Lage aus schmelzgesponnenen synthetischen Filamenten umfasst, die mittels energiereicher Wasserstrahlen verfestigt sind, vorgesehen, dass er ein thermisch aktivierbares Bindemittel enthält, welches in Form von wenigstens einer dünnen Schicht auf die Lage aus schmelzgesponnenen Filamenten aufgebracht ist.

Bei der Verflechtung der Fäden durch die energiereichen Wasserstrahlen entstehen über den Querschnitt des Vliesstoffes eine Vielzahl von sehr schwachen kohäsiven Bindungen. Jede dieser nur auf interfacialer Kohäsion beruhenden Bindung ist per se sehr schwach, auf jeden Fall schwächer als die Festigkeit der so verbundenen Fäden. Wirkt eine hinreichend hohe Kraft verursacht durch einen industriellen Verarbeitungsschritt auf einen derart verfestigten Spinnvliesstoff ein, so werden die durch die Wasserstrahlverfestigung hergestellten schwachen kohäsiven Bindungen ohne eine Beschädigung der konstituierenden Fäden einzeln überlastet und aufgelockert. Erst wenn die Belastung auf eine hinreichend breite Umgebung verteilt wird und alle unbeschädigten tragenden Fäden in die Belastungsrichtung gerichtet werden, kommt die Summe der einzelnen schwachen Bindungsfestigkeiten zum Tragen und der Vliesstoff weist doch eine hohe Festigkeit auf.

Die anfängliche Nachgiebigkeit manifestiert sich an einem Kraft-Dehnung Diagramm als ein niedriger Anfangmodul. In der praktischen Verwendung entsteht unter einer entsprechender Belastung ein Längsverzug verbunden mit einem entsprechenden Breiteneinsprung. Dies erschwert oder manchmal gar verhindert die Anwendung solcher Wasserstrahl verfestigter Spinnvliesstoff e.

Eine Erhöhung des Anfangmoduls erscheint folglich als eine vorrangige technische Aufgabe.

Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, dass sich durch das Auftragen wenigstens einer dünnen Schicht aus einem Bindemittel auf die Lage aus schmelzgesponnenen synthetischen Filamenten in Kombination mit der daran anschließenden Wasserstrahlverfestigung, Trocknung und Aktivierung des Bindemittels - zusätzlich zu den Wasserstrahlbindungen - weitere Bindungen (oder Bindepunkte) zwischen den Spinnvliesfilamenten einstellen. Es entsteht also eine eigenartige Kombination von einer sehr hohen Zahl von schwachen kohäsiven Bindungen mit einer viel geringeren Zahl von weitaus stärkeren adhäsiven Bindungen.

Diese hohe Anzahl der feinen miteinander durch die oben genannten zusätzlichen Bindepunkte gebundenen Spinnvliesfilamente tragen dazu bei, dass der Vliesstoff hohe Modulwerte und eine zur Weiterverarbeitung ausreichende Dimensionsstabilität aufweist. Bei dem erfindungsgemäßen Vliesstoff sind bei der Weiterverarbeitung keine zusätzlichen Maßnahmen zur Dimensionsstabilisierung, wie zum Beispiel eine Spannungskontrolle, nötig. Es wird vermutet, dass dieser Effekt u. a. auch darauf zurückzuführen ist, dass das ein Teil des Bindemittels durch die energiereichen Wasserstrahlen auch noch bis in die tieferen Schichten der Vliesstofflage hinein getragen wird und dort Bindepunkte bildet.

Ein erfindungsgemäßer Vliesstoff kann aus einer, oder aber auch mehreren Lagen aus Spinnvlies und Bindemittel aufgebaut sein. Es können auch sonstige Zusatzschichten vorgesehen sein, soweit diese für die jeweilige Anwendung sinnvoll sind.

Als Bindemittel sind insbesondere niedrig schmelzende thermoplastische Polymere geeignet, wobei solche thermoplastischen Polymere bevorzugt sind, deren Schmelztemperatur hinreichend niedriger als die der Spinnvliesfilamente

ist. Vorzugsweise sollte die Schmelztemperatur wenigstens 10 ⁰ C, besonders bevorzugt wenigstens 20 ⁰ C unterhalb der Schmelztemperatur der Spinnvliesfilamente liegen, damit diese beim thermischen Aktivieren nicht geschädigt werden.

Bevorzugt weisen die niedrig schmelzenden thermoplastischen Polymere auch noch einen breiten Erweichungsbereich auf. Dies hat den Vorteil, dass das als Bindemittel verwendete thermoplastische Polymer schon bei niedrigeren Temperaturen als bei seinem effektiven Schmelzpunkt aktiviert werden kann. Aus dem technologischen Gesichtspunkt heraus betrachtet braucht das

Bindemittel nicht zwingend voll verschmolzen zu sein, sondern es genügt, dass es ausreichend aufgeweicht wird und so an den zu bindenden Filamenten anhaftet. Auf diese Weise kann man in der Aktivierungsphase den Bindegrad zwischen den Spinnvliesfilamenten und dem Bindemittel einstellen.

Das niedrig schmelzende thermoplastische Polymer besteht vorzugsweise im Wesentlichen aus einem Polyolefin, insbesondere Polyethylen, einem Copolymer mit einem wesentlichen Anteil an Polyethylen, Polypropylen, einem Copolymer mit einem wesentlichen Anteil an Polypropylen, einem Copolyester, insbesondere Polypropylenterephtalat und/oder Polybutylenterephtalat, aus einem Polyamid und/oder einem Copolyamid. Bei der Wahl des geeigneten niedrig schmelzenden Polymeren sollten die Anforderungen der späteren spezifischen Anwendung berücksichtigt werden.

Der Gewichtsanteil des niedrig schmelzenden Polymers bezogen auf das Gesamtgewicht des Vliesstoffes ist vorzugsweise größer oder gleich 7 %. Wenn der Anteil des Schmelzklebers zu niedrig ist, so wird die Verstärkung des Anfangmoduls zu niedrig sein und eventuell nicht ausreichen für die künftige Verwendung.

Bevorzugt liegt der Gewichtsanteil zwischen 9 und 15 Gew.-%. Bei überschreiten von 15 Gew.-% kann eventuell der negative Einfluss der zu hohen Zahl von starken adhäsiven Bindungen auf die Weiterreißfestigkeit Oberhand nehmen.

Allerdings ist selbst die Verwendung von kleineren Anteilen an Schmelzkleber unterhalb von 7 % besonders für bestimmte Anwendungen von Vorteil und soll daher von dieser Erfindung mit umfasst werden.

Das niedrig schmelzende Polymer kann beispielsweise in Form von Fasern oder Fibrillen vorliegen. Als Fasern können insbesondere Biko-Fasern verwendet werden, wobei die niedrig schmelzende Komponente das thermisch aktivierbare Bindemittel darstellt.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Verwendung von Filamenten mit geringem Titer der Spinnvliesfilamente. Schon mit geringen Flächengewichten wird hierbei eine gute Festigkeit und ausreichende Abdeckung erzielt. Vorzugweise liegt der Faser-Titer zwischen 0,7 und 6 dtex. Fasern mit einem Titer zwischen 1 bis 4 dtex haben den besonderen Vorteil, dass sie sowohl eine gute Flächendeckung bei mittleren Flächengewichten gewährleisten als auch über ausreichende Gesamtfestigkeiten verfügen.

Ein erfindungsgemäßer Vliesstoff umfasst vorzugsweise Filamente aus Polyester, insbesondere Polyethylenterephthalat, und/oder aus einem Polyolefin, insbesondere Polypropylen. Diese Materialien sind besonders geeignet, da sie aus Massenrohstoffen hergestellt werden, die überall in ausreichender Menge und ausreichender Qualität verfügbar sind. Sowohl Polyester als auch Polypropylen sind in der Faser- und Vliesstoffherstellung durch ihre Gebrauchstüchtigkeit sehr bekannt.

Um spezifische Anforderungen technischer Vliesstoffe, wie zum Beispiel hoher Anfangmodul und/oder Steifigkeit und/oder UV-Beständigkeit und/oder Alkalibeständigkeit, zu erfüllen, kann man als Matrixfaserpolymer neben dem PET (Polyethyleneterephthalat) auch PEN (Polyethylennaphthalat) und/oder Copolymere und/oder Mischungen v. PET und PEN einsetzen.

Im Vergleich zu PET zeichnet sich PEN durch einen höheren Schmelzpunkt (ca. + 18°C) und eine höhere Glastemperatur (ca. +45°C) aus.

Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Vliesstoffs umfasst die Verfahrensschritte:

a) Ablegen von wenigstens einer Lage aus synthetischen Filamenten mittels eines Spinnvliesprozesses; b) Aufbringen wenigstens einer dünnen Schicht aus einem thermisch aktivierbaren Bindemittel; c) Verteilen des Bindemittels und Verfestigen der Spinnvliesfilamente mittels energiereicher Hochdruckwasserstrahlen; d) Trocknen e) Thermische Behandlung zum Aktivieren des Bindemittels;

Das Herstellen von Spinnvliesen, d. h. das Spinnen von synthetischen Filamenten aus verschiedenen Polymeren, darunter auch aus Polypropylen oder Polyester, ist ebenso wie deren Ablage zu einem Wirrvlies auf einen Träger Stand der Technik. Großtechnische Anlagen mit in Breiten von 5 m und mehr kann man von mehreren Firmen erwerben. Sie können über einen oder mehrere Spinnsysteme (Spinnbalken) verfügen und auf die erwünschte Leistung eingestellt werden. Hydroentangling Systeme für die Wasserstrahlverfestigung stellen ebenfalls Stand der Technik dar. Auch solche Anlagen können in großen Breiten von mehreren Herstellern beigestellt werden. Gleiches gilt für Trockner und Wickler.

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Das thermisch aktivierbare Bindemittel kann mit Hilfe verschiedener Verfahren aufgebracht werden, z. B. durch Pulverauftrag, auch in Form einer Dispersion. Vorzugsweise wird das Bindemittel jedoch in Form von Fasern oder Fibrillen mit Hilfe eines Meltblown- oder eines Airlaying-Verfahrens aufgebracht. Auch diese Verfahren sind bekannt und in der Literatur vielfach beschrieben.

Meltblown- und Airlaying-Verfahren haben den besonderen Vorteil, dass sie beliebig mit Spinnsystemen für die Spinnvliesfilamente kombiniert werden können.

Die Wasserstrahlverfestigung sollte, wie aus der DE 198 21 848 C2 bekannt, so durchgeführt werden, dass eine spezifische Längsfestigkeit von vorzugsweise 4,3 N/5cm pro g/m ² der Flächenmasse sowie ein Anfangmodul in Längsrichtung gemessen als Spannung bei 5 % Dehnung von mindestens 0,45 N/5cm pro g/m ² Flächenmasse erreicht werden. Damit sind eine ausreichende Festigkeit des Spinnvliesstoffes sowie eine ausreichend gute Verteilung des Bindemittels in der Spinnvlieslage gewährleistet.

Unter Aktivierung ist im Sinne der Erfindung das Erzeugen von Bindepunkten mittels des Bindemittels zu verstehen, beispielsweise durch Auf- oder Anschmelzen eines als Bindemittel eingesetzten niedrig schmelzenden Polymers. Sowohl das Trocknen als auch die thermische Behandlung zur Aktivierung sind bei Temperaturen durchzuführen, die so niedrig sind, dass eine Schädigung der Spinnvliesfilamente, beispielsweise durch Auf- oder Anschmelzen sicher vermieden wird. Aus verfahrensökonomischen Gründen finden das Trocknen und die thermische Aktivierung des Bindemittels vorzugsweise in einem Verfahrensschritt statt.

Zur Trocknung und Aktivierung des niedrig schmelzenden Polymers kann man verschiedene Trocknerarten verwenden, wie Spannrahmen, Bandtrockner, oder

Oberflächentrockner, vorzugsweise geeignet ist jedoch ein Trommeltrockner. Die Trocknungstemperatur sollte in der Endphase etwa auf die Schmelztemperatur des niedrig schmelzenden Polymeren eingestellt und in Abhängigkeit von den Ergebnissen optimiert werden. Hier ist besonders das ganze Schmelzverhalten des Bindemittels zu berücksichtigen. Bei einem solchen, das über einen ausgeprägt breiten Erweichungsbereich verfügt, ist es nicht notwendig, den physikalischen Schmelzpunkt anzusteuern. Vielmehr genügt es, die Optimierung des Bindeeffektes schon im Erweichungsbereich zu suchen. Dadurch können unangenehme Randerscheinungen, wie die Haftung der Bindekomponente an Maschinenteilen und überverfestigung, vermieden werden.

Der erfindungsgemäße Vliesstoff ist aufgrund seiner sehr guten Festigkeit und seinem hohen Anfangmodul für Anwendungen im technischen Bereich geeignet, insbesondere als Beschichtungsträger, Verstärkungs- oder Armierungsmaterial.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele näher erläutert:

Ausführungsbeispiel 1 :

Die Versuchsanlage zur Herstellung von Spinnvliesen hatte eine Breite von 1200 mm. Sie bestand aus einer Spinndüse, die sich über die gesamte Breite der Anlage hinweg erstreckte, zwei gegenüber liegenden und parallel zur

Spinndüse angeordneten Blaswänden, einem anschließenden Abzugsspalt, der sich im unteren Bereich zu einem Diffuser erweiterte und eine Vliesbildungskammer bildete. Die versponnenen Filamente bildeten auf einem im Vliesbildungsbereich von unten abgesaugten Auffangband ein gleichmäßiges Flächengebilde, ein Spinnvlies. Dieses wurde zwischen zwei Walzen zusammengepresst und aufgerollt.

Das vorverfestigte Spinnvlies wurde an einer Versuchsanlage zur Wasserstrahlverfestigung abgerollt. Mit Hilfe eines Systems zum Airlaying wurde auf seine Oberfläche eine dünne Schicht von kurzen Bindefasem aufgetragen und das zweischichtige Flächengebilde wurde anschließend mit einer Vielzahl von energiereichen Wasserstrahlen behandelt, dadurch verflochten (hydroentangled) und verfestigt. Gleichzeitig wurde das Bindemittel in dem Flächengebilde verteilt. Anschließend wurde das verfestigte Verbundvlies in einem Trommeltrockner getrocknet, wobei in der Endzone des Trockners die Temperatur so eingestellt war, dass die Bindefasem aktiviert wurden und zusätzliche Bindung bewirkten.

In diesem Versuch wurde ein Spinnvlies aus Polypropylen hergestellt. Zur Anwendung kam eine Spinndüse, die über die oben genannte Breite 5479 Spinnlöcher hatte. Als Rohstoff wurde Polypropylengranulat der Firma Exxon Mobile (Achieve PP3155) mit einem MFI von 36 verwendet. Die Spinntemperatur betrug 272°C. Der Abzugsspalt wies eine Breite von 25 mm auf. Der Filamenttiter betrug, gemessen nach dem Durchmesser im Spinnvlies,

2,1 dtex. Die Produktionsgeschwindigkeit wurde auf 46 m/min eingestellt. Das resultierende Spinnvlies hatte ein Flächengewicht von 70 g/m ² . An der Anlage zur Wasserverfestigung wurde zunächst mit Hilfe einer Vorrichtung zur Vliesbildung im Luftstrom eine Schicht von 16 g/m ² von sehr kurzen Bikomponentenfasem in Mantel/Kern-Konfiguration aufgetragen, bei der der Kern aus Polypropylen und der Mantel aus Polyethylen bestand. Das Gewichtsverhältnis der Komponenten betrug 50/50 %. Danach wurde das Spinnvlies der Wasserstrahlverfestigung unterzogen. Die Verfestigung wurde mit Hilfe von 6 Balken durchgeführt, die alternierend von beiden Seiten eingewirkt hatten. Der jeweils verwendete Wasserdruck wurde folgendermaßen eingestellt:

Bei der Wasserstrahlverfestigung wurden die Kurzfasern weitgehend in das Spinnvlies eingezogen, so dass sie keine reine Oberflächenschicht bildeten.

Anschließend wurde das mit Wasserstrahlen behandelte Spinnvlies in einem Trommeltrockner getrocknet. In der letzten Zone wurde dabei die Lufttemperatur auf 123 ⁰ C eingestellt, so dass das Polyethylen leicht verschmolzen wurde und thermische Bindungen bildete. Der so verfestigte Spinnvliesstoff wies bei einem Flächengewicht von 86 g/m2 folgende mechanischen Werte auf:

Die spezifische Festigkeit in Längsrichtung betrug 5,95 N/5cm pro g/m2 und der spezifische Sekantenmodul bei 5% Dehnung 0,65 N/5cm pro g/m2.

Ausführungsbeispiel 2:

An gleicher Versuchsanlage wie im Beispiel 1 beschrieben wurde Polyestergranulat verwendet. Dieses hatte eine Intrinsicviskosität IV = 0,67. Es wurde sorgfältig getrocknet, so dass der Restgehalt an Wasser unterhalb von 0,01% lag und bei einer Temperatur von 285°C versponnen. Dabei wurde, wie auch im Beispiel 1 , eine Spinndüse mit 5479 Löchern über einer Breite von 1200 mm verwendet. Der Polymerdurchsatz betrug 320 kg/h. Die Filamente hatten im Spinnvlies einen optisch festgestellten Titer von 2 dtex und einen sehr niedrigen Schrumpf. Die Anlagengeschwindigkeit wurde auf 61 m/min eingestellt, so dass das vorverfestigte Spinnvlies ein Flächengewicht von 72 g/m ² aufwies.

Dieses wurde der gleichen Anlage zur Wasserstrahlverfestigung vorgelegt. Auf die Oberfläche des vorverfestigten Spinnvlieses wurde eine Schicht von 16 g/m ² derselben bikomponenten Kurzfasern (PP/PE 50/50) gelegt. Danach lief der Verbundstoff durch die Wasserstrahlverfestigung mit 6 Balken, die folgendermaßen eingestellt wurden:

Bei der Wasserstrahlverfestigung wurden die kurzen Bindefasern weitgehend in das Spinnvlies einbezogen, so dass sie keine reine Oberflächenschicht bildeten.

Anschließend wurde das mit Wasserstrahlen behandelte Spinnvlies in einem Trommeltrockner getrocknet. In der letzten Zone wurde dabei die Lufttemperatur auf 123°C eingestellt, so dass das Polyethylen leicht verschmolzen wurde und thermische Bindungen bildete. Der so verfestigte Spinnvliesstoff wies bei einem Flächengewicht von 87 g/m2 folgende mechanischen Werte auf:

Die spezifische Festigkeit in Längsrichtung betrug 6,09 N/5cm pro g/m2 und der spezifische Sekantenmodul bei 5% Dehnung 0,68 N/5cm pro g/m2.