EP0677601A1 - Polyester fibres with improved bulk and process for their production - Google Patents
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- EP0677601A1 EP0677601A1 EP95105498A EP95105498A EP0677601A1 EP 0677601 A1 EP0677601 A1 EP 0677601A1 EP 95105498 A EP95105498 A EP 95105498A EP 95105498 A EP95105498 A EP 95105498A EP 0677601 A1 EP0677601 A1 EP 0677601A1
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- D01F6/00—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
- D01F6/58—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolycondensation products
- D01F6/62—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolycondensation products from polyesters
Definitions
- Polyethylene terephthalate fibers are widely used for all types of textiles because of their excellent physical and good physiological properties.
- polyethylene terephthalate can also be adapted to special requirement profiles.
- Such fibers with defined performance characteristics e.g. used as filling fibers for sleeping bags, quilts, padding and similar applications.
- Filling fibers are e.g. through special types of crimp, such as the so-called helix shapes, through optimized crimp formation, through special fiber stiffness, which e.g. by high crystallization, by alloying with other polymers or with selected fiber cross sections. They are mostly surface treated, e.g. siliconized to prevent the fibers from sticking together smoothly and to achieve a soft feel.
- polyester filler fibers which in their usage properties come close to natural down, the structural elasticity and the repetitiveness of such fibers are still insufficient and continue to decrease over the period of use.
- the most important variables when assessing a filling fiber are the bulk and the resilience of the fiber.
- the bulk is the volume, based on the fiber weight, of a filling fleece made from it under a defined area load. The higher the bulk, the less fibers are required and the lighter the finished article becomes, while at the same time providing better thermal insulation through a larger amount of air enclosed in the fleece.
- a high (bending) stiffness of the individual fibers is a prerequisite for optimal building behavior, which gives them a high elastic resilience.
- the number, angle and shape of the fibers must be optimized so that they are supported against one another as bulky as possible.
- the fibers on the surface are also siliconized, which allows the necessary smoothness and a soft grip to be adjusted.
- DE 31 03 192 describes an alkali metal salt of an aromatic sulfonic acid as a crystallization accelerator for injection molding PES types, the advantages of which can be used for PES fiber with very small proportions only if it is stretched immediately after spinning, i.e. the so-called spin-stretch process is used. It is also known that alkali metal sulfate groups increase moisture retention in the polyester. This property is undesirable for fill and wadding fibers.
- Plasticizers can increase the chain mobility of the polyester to such an extent that more easily crystallizable order states can form during solidification. During the cooling process, extensive orientation is not only made possible, but also completed.
- plasticizers usually worsen the mechanical properties, especially the impact resistance, and they also tend to migrate.
- EP 194 808 describes various polyester resins with improved demolding properties due to increased crystallization speed. They contain up to 10% by weight of inorganic nucleating agents, metal salts of carboxylic acids, up to 150% by weight of reinforcing fiber and 0.3 to 10% by weight of plasticizer based on esters, and 1 to 30% by weight of impact modifier.
- the upper limit for the nucleating agent and the ester compound is preferably 2.0% by weight, if possible.
- Such use-related additives are known in the art, inter alia. Matting agents, pigments, stabilizers, UV brighteners, dirt-repellent and flame-retardant additives. Of the latter, phosphorus compounds are preferably used. Phosphorine compounds have proven particularly useful.
- glycols preferably mono-, di- and triethylene glycol to adjust the viscosity
- ethylene glycol being particularly preferred.
- ester compounds which according to the invention must preferably be present in amounts of only 0.1 to 0.3% by weight and particularly preferably only 0.15 to 0.25% by weight, are per se as plasticizers for PET injection molding -Recipes known. However, you need to do this in a significantly higher Concentration range, namely 0.3 to 10.0 wt .-%, are used (EP 194 808).
- nucleating agents that are suitable for PET, also called nucleating agents, are described, for example, in the "Taschenbuch der Kunststoff-Additive", Carl Hanser Verlag, 3rd edition 1990, page 899.
- the nucleating agents used according to the invention are either inert, inorganic substances with an average particle size of less than 10 ⁇ m, preferably less than 1 ⁇ m, for example talc, kaolin, chalk, carbon black, graphite, quartz powder (SiO2) and inorganic pigments, for example TiO2, BaSO4, ZnS, or suitable monomeric organic compounds such as salts of carboxylic acids, benzophenone or alkali metal alkyl sulfonates, or finally selected organic polymers such as polyethylene, polypropylene, copolymers of ethylene and unsaturated carboxylic acids or copolymers of styrene derivatives with dienes. (R. Vieweg, L.
- the organic compounds or the polymers can be used alone or together with inorganic nucleating agents become.
- the nucleating agents preferred according to the invention are the types of matting agents used for the production of PET spin granules, in particular titanium dioxide. They are used in amounts of 0.01 to 2.0, preferably 0.1 to 1.5% by weight.
- the invention also relates to a method for producing a PET staple fiber according to claim 11, which is characterized in that a polyethylene terephthalate with a relative viscosity (RV) between 1.45 and 1.68 (measured 1% in m-cresol) 20 ° C) with all additives and additives, mixed, then spun and then stretched.
- RV relative viscosity
- the additives and additives are metered into the extruder or into the PET melt using suitable devices, if they have not been previously, e.g. were added to the granules.
- the invention further relates to PET staple fibers with improved bulk behavior and improved resilience, which can be produced by this process, and to the use of ester compounds of the formula I for the production of PET staple fibers with improved bulk behavior and improved resilience.
- Figure 1 summarizes the results of the bulk test of the PET fibers produced according to Examples 1 to 7. It is shown that not only does the additive concentration have to be in an optimal range for maximum bulk, but that the molecular weight and the relative viscosity of the polyester are also decisive for the bulk recovery force, which is correlated with the crystallinity. As a result of nonlinear relationships with the additives according to the invention, curved effective surfaces with burr formation are evident. In the area under investigation, the initial height of the bulge and the spring-back force behave in opposite directions. Only in a defined area around point G can you get both high values for the initial construction as well as for the return force. These complex relationships in the field according to the invention are new and unexpected compared to the previous state of knowledge.
- Ethoxylated bisphenol A, lauric acid and butyltinic acid are placed at 22 ° C and heated to 160 ° C with nitrogen flushing and stirring.
- the pressure is reduced to approx. 7500 Pa (approx. 56 mm Hg).
- the water of reaction which forms is removed from the mixture for about 6 hours until the acid number has dropped below 5 mg KOH / g.
- the product is a slightly yellowish, clear liquid with a viscosity of approx. 410 mPas and a density of approx. 1000 kg / m3 (both at 25 ° C).
- the spinning material was then stretched about 3.5 times on a fiber line, then crimped, siliconized, heat-set and cut into staple fibers which had a final titer of 6.5 dtex and a tensile strength of 3.5 cN / dtex at 55% elongation at break.
- a filler fleece made from it showed bulk values that were significantly higher than those of a commercially available hollow fiber. Table 1 Building return and crystallinity of the finished fiber Examples 1 2nd 3rd 4th 5 6 7 **) Experimental A B / E C.
- the glass transition point fluctuated in all variants by a maximum of only 0.5 ° C.
- An additional test with 2% by weight of bidieol resulted in a lowering of the glass transition temperature by approx. 3.5 ° C, combined with a significant deterioration in the bulk.
- the PET fiber according to the invention according to Example 8 advantageously meets the requirements for flame retardancy with a high bulk and resilience at the same time and also for a fiber melting point of at least 250 ° C according to the DSC measurement conditions mentioned above.
- a fleece with a defined basis weight is produced by means of a card or card and the resulting fleece height is measured under a defined load of 0.9 to 10 p / cm2.
- the fleece height is a measure of the bulk of the fiber.
- the initial bulk (Ab) means the initial fleece height under 0.9 p / cm2 load.
- the return force (R) is also measured after the maximum load on the fleece and a defined waiting time below 0.9 p / cm2 and expressed in% of the initial bulk.
Abstract
Description
Polyethylenterephthalatfasern werden wegen ihrer ausgezeichneten physikalischen und guten physiologischen Eigenschaften für alle Arten von Textilien in großem Umfang eingesetzt.Polyethylene terephthalate fibers are widely used for all types of textiles because of their excellent physical and good physiological properties.
Mit Hilfe von besonderen Additiven oder polymeren Beimischungen und Herstellungsbedingungen kann Polyethylenterephthalat auch speziellen Anforderungsprofilen angepaßt werden. So werden solche Fasern mit definierten Leistungsmerkmalen, z.B. als Füllfasern für Schlafsäcke, Steppdecken, Wattierungen und ähnlichen Anwendungen verwendet.With the help of special additives or polymeric admixtures and production conditions, polyethylene terephthalate can also be adapted to special requirement profiles. Such fibers with defined performance characteristics, e.g. used as filling fibers for sleeping bags, quilts, padding and similar applications.
Füllfasern zeichnen sich z.B. durch spezielle Kräuselarten, wie die sogenannten Helixformen, durch optimierte Kräuselausbildung, durch besondere Fasersteifheit, die z.B. durch hohe Kristallisation, durch Zulegieren von anderen Polymeren oder mit ausgesuchten Faserquerschnitten angestrebt wird, aus. Sie sind meist oberflächenbehandelt, z.B. silikonisiert, um durch Glätte das unerwünschte Aneinanderhaften der Fasern zu vermeiden und einen weichen Griff zu erzielen.Filling fibers are e.g. through special types of crimp, such as the so-called helix shapes, through optimized crimp formation, through special fiber stiffness, which e.g. by high crystallization, by alloying with other polymers or with selected fiber cross sections. They are mostly surface treated, e.g. siliconized to prevent the fibers from sticking together smoothly and to achieve a soft feel.
Trotz umfangreicher Entwicklungsarbeiten, insbesondere um auch Polyesterfüllfasern zu entwickeln, die in ihren Gebrauchseigenschaften den natürlichen Daunen nahekommen, sind die Bauschelastizität und das Wiedererholungsvermögen solcher Fasern noch immer ungenügend und nehmen über die Gebrauchsdauer laufend weiter ab.Despite extensive development work, in particular to develop polyester filler fibers, which in their usage properties come close to natural down, the structural elasticity and the repetitiveness of such fibers are still insufficient and continue to decrease over the period of use.
Die wichtigsten Größen bei der Beurteilung einer Füllfaser, z.B. einer PET-Spinnfaser zum Füllen von Kissen, Decken, Schlafsäcken, Polstern etc., sind der Bausch und die Rücksprungkraft der Faser. Der Bausch ist das auf das Fasergewicht bezogene Volumen eines daraus hergestellten Füllvlieses unter definierter Flächenbelastung. Je höher der Bausch, umso weniger Fasern werden benötigt und umso leichter wird der fertige Artikel, bei zugleich besserer Wärmeisolation durch eine größere, im Vlies eingeschlossene Luftmenge.The most important variables when assessing a filling fiber, e.g. a PET staple fiber for filling pillows, blankets, sleeping bags, cushions etc., are the bulk and the resilience of the fiber. The bulk is the volume, based on the fiber weight, of a filling fleece made from it under a defined area load. The higher the bulk, the less fibers are required and the lighter the finished article becomes, while at the same time providing better thermal insulation through a larger amount of air enclosed in the fleece.
Für ein optimales Bauschverhalten ist eine hohe (Biege-)Steifheit der Einzelfasern Voraussetzung, was ihnen eine große elastische Rücksprungkraft verleiht. Damit diese im Vliesverband zum Tragen kommt, müssen die Fasern in Bogenzahl, -winkel und -form so optimiert sein, daß sie sich möglichst sperrig aneinander abstützen. Um die Wiedererholung nach einer Belastung nicht durch Reibung zu behindern, werden zudem die Fasern an der Oberfläche silikonisiert, wodurch sich die nötige Glätte und ein weicher Griff einstellen lassen.A high (bending) stiffness of the individual fibers is a prerequisite for optimal building behavior, which gives them a high elastic resilience. In order for this to be effective in the nonwoven dressing, the number, angle and shape of the fibers must be optimized so that they are supported against one another as bulky as possible. In order not to hinder the recovery after a load due to friction, the fibers on the surface are also siliconized, which allows the necessary smoothness and a soft grip to be adjusted.
Zur Erhöhung der Steifheit einer Einzelfaser gibt es drei Möglichkeiten. Physikalisch ist die sogenannte Biege-Steifheit definiert als mathematisches Produkt aus Elastizitätsmodul und Materialquerschnittsflächenträgheitsmoment. Letzteres setzt sich wiederum zusammen aus der Querschnittsfläche und dem Quadrat des Radius bezüglich der Achse. Somit erhöhen folgende Maßnahmen die Steifheit:
- 1. Vergrößerung der Materialquerschnittsfläche (d.h. des Einzelfasertiters bzw. -durchmessers). Dadurch nimmt aber die Weichheit ab.
- 2. Vergrößerung des mittleren Materialabstandes von der Faserachse (ohne Erhöhung des Titers). Diese Möglichkeit wird bei einer Hohlfaser optimal ausgenützt.
- 3. Erhöhung des Elastizitätsmoduls des Fasermaterials durch entsprechende Wahl oder Modifikation des Polyesters. Der Elastizitätsmodul hängt direkt zusammen mit der Orientierung bzw. dem Kristallinitätsgrad der Makromoleküle der teilkristallinen, thermoplastischen Polymeren.
- 1. Enlargement of the material cross-sectional area (ie the single fiber titer or diameter). However, this reduces the softness.
- 2. Increasing the average material distance from the fiber axis (without increasing the titer). This possibility is optimally used for a hollow fiber.
- 3. Increase the modulus of elasticity of the fiber material by appropriate choice or modification of the polyester. The modulus of elasticity is directly related to the orientation or the degree of crystallinity of the macromolecules of the semi-crystalline, thermoplastic polymers.
In bevorzugter Weise werden diese Maßnahmen kombiniert angewendet, um eine maximale Wirkung zu erzielen.These measures are preferably used in combination in order to achieve a maximum effect.
Der Hauptanteil der Kristallisation von PET-Fasern wird spannungsinduziert beim Verstrecken der ursprünglich nahezu amorphen Spinnkabel erzielt. Mit einer darauffolgenden Thermofixierung kann nur noch eine geringe weitere Kristallinitätserhöhung erzielt werden. Da bei diesem molekülorientierenden Prozess die Temperatur relativ niedrig ist, d.h. ca. 100 °C unter dem Kristallitschmelzpunkt, und die Verweilzeiten nur im Bereich von Sekunden liegen, erreicht man normalerweise wegen der hohen Relaxationszeiten, innerhalb derer eine Polymerkette einen Platzwechsel im Gefüge vornehmen kann, nur mittelmäßige Kristallisationsgrade.The majority of the crystallization of PET fibers is stress-induced achieved when stretching the originally almost amorphous spinning cable. With a subsequent heat setting, only a small further increase in crystallinity can be achieved. Since the temperature in this molecule-oriented process is relatively low, ie approx. 100 ° C below the crystallite melting point, and the dwell times are only in the range of seconds, this is normally achieved due to the high relaxation times within which a polymer chain can change places in the structure. only moderate degrees of crystallization.
Über kristallinitätserhöhende Zusätze zu spinnbaren Polymeren ist ein sehr unterschiedlicher Wissensstand bekannt. Einerseits zeigen Warner und Holt in "Text. Res. Journal" 1983, 486-89, daß die durch Pigmentzusatz verbesserte Kristallinität in PET-Granulat nicht im Spinngut wirksam wird, andererseits ist bekannt, daß kristallisationsfördernde Zusätze das Verspinnen von Polymeren außerordentlich erschweren oder unmöglich machen.A very different level of knowledge is known about crystallinity-increasing additives to spinnable polymers. On the one hand, Warner and Holt in "Text. Res. Journal" 1983, 486-89 show that the crystallinity in PET granules, which is improved by the addition of pigments, is not effective in the spun material, on the other hand it is known that additives which promote crystallization make the spinning of polymers extremely difficult or impossible do.
Deshalb sind hochkristalline Polymer-Formulierungen, wie sie für Spritzgußanwendungen üblich sind, nicht zu Fasern oder Fäden verarbeitbar.Therefore, highly crystalline polymer formulations, as are common for injection molding applications, cannot be processed into fibers or threads.
So beschreibt zum Beispiel die DE 31 03 192 ein Alkalimetallsalz einer aromatischen Sulfonsäure als Kristallisationsbeschleunigerfür Spritzguß-PES-Typen, dessen Vorteile mit sehr geringen Mengenanteilen für PES-Faser nur genutzt werden können, wenn unmittelbar nach dem Spinnen verstreckt wird, d.h. mit dem sogenannten Spinn-Streck-Verfahren gearbeitet wird. Außerdem ist es bekannt, daß Alkalimetallsulfat-Gruppen den Feuchtigkeitsrückhalt im Polyester erhöhen. Diese Eigenschaft ist für Füll- und Wattierungsfasern unerwünscht.For example, DE 31 03 192 describes an alkali metal salt of an aromatic sulfonic acid as a crystallization accelerator for injection molding PES types, the advantages of which can be used for PES fiber with very small proportions only if it is stretched immediately after spinning, i.e. the so-called spin-stretch process is used. It is also known that alkali metal sulfate groups increase moisture retention in the polyester. This property is undesirable for fill and wadding fibers.
Durch Weichmacher kann die Kettenbeweglichkeit des Polyesters so weit erhöht werden, daß sich beim Erstarren leichter kristallisierfähige Ordnungszustände ausbilden können. Dabei wird während des Abkühlvorgangs eine weitgehende Orientierung nicht nur ermöglicht, sondern auch abgeschlossen.Plasticizers can increase the chain mobility of the polyester to such an extent that more easily crystallizable order states can form during solidification. During the cooling process, extensive orientation is not only made possible, but also completed.
Weichmacher verschlechtern aber meist die mechanischen Eigenschaften, vor allem die Schlagzähigkeit, sie neigen außerdem zur Migration.However, plasticizers usually worsen the mechanical properties, especially the impact resistance, and they also tend to migrate.
Der Einfluß von Copolyester-Komponenten auf die Kristallisation, speziell die Kristallisationsgeschwindigkeit, wird von Lasarova und Dimov in "Faserf. und Textiltechnik" 1976, 27, 237-40, untersucht und ein weichmacherartiger Effekt für solche Copolymere gezeigt. Für derartige Modifikationen resultiert jedoch gleichzeitig ein Rückgang der Festigkeiten, des E-Moduls und des Schmelzpunktes, d.h. der wichtigsten Fasereigenschaften.The influence of copolyester components on the crystallization, especially the rate of crystallization, is examined by Lasarova and Dimov in "Faserf. Und Textiltechnik" 1976, 27, 237-40, and a plasticizer-like effect for such copolymers is shown. For such modifications, however, the strength, the elastic modulus and the melting point decrease at the same time, i.e. the most important fiber properties.
Zudem nimmt in der Regel die Kristallisationsneigung durch den Einbau anderer Co-Monomere sogar ab, weil die Regelmäßigkeit im Aufbau der Hauptvalenzkette gestört wird.In addition, the tendency to crystallize even decreases as a result of the incorporation of other co-monomers because the regularity in the structure of the main valence chain is disturbed.
Die EP 194 808 beschreibt verschiedene Polyesterharze mit verbesserten Entformungseigenschaften infolge erhöhter Kristallisationsgeschwindigkeit. Sie enthalten bis zu 10 Gew.-% anorganische Nukleierungsmittel, Metallsalze von Carbonsäuren, bis zu 150 Gew.-% Verstärkungsfaser und 0,3 bis 10 Gew.-% Weichmacher auf Esterbasis, sowie 1 bis 30 Gew.-% Schlagzähmodifikator.EP 194 808 describes various polyester resins with improved demolding properties due to increased crystallization speed. They contain up to 10% by weight of inorganic nucleating agents, metal salts of carboxylic acids, up to 150% by weight of reinforcing fiber and 0.3 to 10% by weight of plasticizer based on esters, and 1 to 30% by weight of impact modifier.
Neben der Tatsache, daß Polymere mit derartigen Additivmengen nicht zum Verspinnen geeignet sind, wird in dieser EP festgestellt, daß die Wirkung des erfindungsgemäßen Weichmachers außerhalb der angegebenen Grenzen versagt.In addition to the fact that polymers with such amounts of additives are not suitable for spinning, this EP states that the action of the plasticizer according to the invention fails outside the stated limits.
Die erfindungsgemäße Aufgabe, eine durch Strecken orientierte Polyethylenterephthalatspinnfaser mit verbessertem Bauschverhalten und verbesserter Rücksprungkraft zu entwickeln, wurde überraschenderweise durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst. Dabei enthält das Polyethylenterephthalat Zusätze von 0,01 bis 2 Gew.-% mindestens eines Nukleierungsmittels und 0,05 bis 2 Gew.-% einer Esterverbindung der Formel I
[CH₃(CH₂)aCO(O-CH₂-CH₂)b-O-B]₂-A I
mit
- a =
- 6 - 20
- b =
- 1 - 5
- A =
- geradkettiger oder verzweigter Alkylenrest mit 1 bis 10 C-Atomen
- B =
- Phenylrest
[CH₃ (CH₂) a CO (O-CH₂-CH₂) b -OB] ₂-A I
With
- a =
- 6 - 20
- b =
- 1 - 5
- A =
- straight-chain or branched alkylene radical with 1 to 10 carbon atoms
- B =
- Phenyl radical
Vorzugsweise ist die obere Grenze für das Nukleierungsmittel und die Esterverbindung möglichst 2,0 Gew.-%.The upper limit for the nucleating agent and the ester compound is preferably 2.0% by weight, if possible.
Solche verwendungsbedingten Additive sind nach dem Stand der Technik u.a. Mattierungsmittel, Pigmente, Stabilisatoren, UV-Aufheller, schmutzabweisende und flammhemmende Additive. Von den letzteren werden bevorzugt Phosphorverbindungen eingesetzt. Dabei haben sich in besonderer Weise Phosphorinanverbindungen bewährt.Such use-related additives are known in the art, inter alia. Matting agents, pigments, stabilizers, UV brighteners, dirt-repellent and flame-retardant additives. Of the latter, phosphorus compounds are preferably used. Phosphorine compounds have proven particularly useful.
Besonders vorteilhaft ist ein Anteil der Phosphorinanverbindung SANDOFLAM® 5085 zwischen 3,0 und 10,0 Gew.-%, bevorzugt zwischen 4,0 und 7,0 Gew.-%.A proportion of the phosphorinane compound SANDOFLAM® 5085 between 3.0 and 10.0% by weight, preferably between 4.0 and 7.0% by weight, is particularly advantageous.
Unter den üblichen, bekannten verarbeitungsbedingten Additiven sind insbesondere Glykole, bevorzugt Mono-, Di- und Triethylenglykol zur Einstellung der Viskosität zu nennen, wobei Ethylenglykol besonders bevorzugt ist.Among the customary, known processing-related additives, in particular glycols, preferably mono-, di- and triethylene glycol to adjust the viscosity are to be mentioned, ethylene glycol being particularly preferred.
Die Esterverbindungen, die erfindungsgemäß bevorzugt in Mengen von nur 0,1 bis 0,3 Gew.-% und besonders bevorzugt von nur 0,15 bis 0,25 Gew.-% vorhanden sein müssen, sind an sich als Weichmacher für PET-Spritzguß-Rezepturen bekannt. Sie müssen jedoch dafür in einem deutlich höheren Konzentrationsbereich, nämlich 0,3 bis 10,0 Gew.-%, eingesetzt werden (EP 194 808).The ester compounds, which according to the invention must preferably be present in amounts of only 0.1 to 0.3% by weight and particularly preferably only 0.15 to 0.25% by weight, are per se as plasticizers for PET injection molding -Recipes known. However, you need to do this in a significantly higher Concentration range, namely 0.3 to 10.0 wt .-%, are used (EP 194 808).
Durch umfangreiche Spinnversuche konnte jedoch gezeigt werden, daß es einen definierten engen Bereich mit einer relativ geringen Konzentration der Esterverbindung gibt, in dem sich ihr Einfluß und die Wirkung des Nukleierungsmittels so ergänzen, daß unerwarteterweise Bauschanfangswert, Wiedererholung und Kristallinität signifikant höher liegen. Die Beispiele sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Außerdem wurde nachgewiesen, daß die erfindungsgemäße Esterverbindung (abgekürzt mit der allgemeinen Bezeichnung Bidieol) nur dann die Kristallisation beeinflusst, wenn gleichzeitig Nukleierungsmittel im Polyester dispergiert ist. Als Nukleierungsmittel kann z.B. das in mattiertem Polyester bereits vorhandene Mattierungsmittel Titandioxid dienen.Extensive spinning tests, however, have shown that there is a defined narrow range with a relatively low concentration of the ester compound, in which their influence and the action of the nucleating agent complement one another in such a way that unexpectedly the initial bulking value, recovery and crystallinity are significantly higher. The examples are summarized in Table 1. It was also demonstrated that the ester compound according to the invention (abbreviated to the general name Bidieol) only influences the crystallization if nucleating agent is dispersed in the polyester at the same time. As a nucleating agent e.g. the matting agent titanium dioxide already present in matted polyester is used.
Die für PET in Frage kommenden Nukleierungsmittel, auch Keimbildner genannt, sind beispielsweise im "Taschenbuch der Kunststoff-Additive", Carl Hanser Verlag, 3. Ausgabe 1990, Seite 899 beschrieben.The nucleating agents that are suitable for PET, also called nucleating agents, are described, for example, in the "Taschenbuch der Kunststoff-Additive", Carl Hanser Verlag, 3rd edition 1990, page 899.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Nukleierungsmittel sind entweder inerte, anorganische Stoffe mit einer mittleren Teilchengröße unter 10 µm, vorzugsweise unter 1 µm, z.B. Talkum, Kaolin, Kreide, Ruß, Graphit, Quarzmehl (SiO₂) sowie anorganische Pigmente, wie z.B. TiO₂, BaSO₄, ZnS, oder geeignete monomere organische Verbindungen wie z.B. Salze von Carbonsäuren, Benzophenon oder Alkaliaralkylsulfonate, oder schließlich ausgesuchte organische Polymere wie z.B. Polyethylen, Polypropylen, Copolymerisate aus Ethylen und ungesättigten Carbonsäuren oder Copolymerisate aus Styrolderivaten mit Dienen. (R. Vieweg, L. Goerden (Hrsg.): Kunststoffe Handbuch Bd. VIII, Polyester, Hanser Verlag 1973, Seite 701). Die organischen Verbindungen bzw. die Polymere können allein oder zusammen mit anorganischen Keimbildnern eingesetzt werden. Die erfindungsgemäß bevorzugten Nukleierungsmittel sind die für die Produktion von PET-Spinngranulat verwendeten Typen von Mattierungsmitteln, insbesondere Titandioxid. Sie werden in Mengen von 0,01 bis 2,0, bevorzugt von 0,1 bis 1,5 Gew.-%, eingesetzt.The nucleating agents used according to the invention are either inert, inorganic substances with an average particle size of less than 10 μm, preferably less than 1 μm, for example talc, kaolin, chalk, carbon black, graphite, quartz powder (SiO₂) and inorganic pigments, for example TiO₂, BaSO₄, ZnS, or suitable monomeric organic compounds such as salts of carboxylic acids, benzophenone or alkali metal alkyl sulfonates, or finally selected organic polymers such as polyethylene, polypropylene, copolymers of ethylene and unsaturated carboxylic acids or copolymers of styrene derivatives with dienes. (R. Vieweg, L. Goerden (ed.): Kunststoffe Handbuch Vol. VIII, Polyester, Hanser Verlag 1973, page 701). The organic compounds or the polymers can be used alone or together with inorganic nucleating agents become. The nucleating agents preferred according to the invention are the types of matting agents used for the production of PET spin granules, in particular titanium dioxide. They are used in amounts of 0.01 to 2.0, preferably 0.1 to 1.5% by weight.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer PET-Spinnfaser gemäß Anspruch 11, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Polyethylenterephthalat mit einer relativen Viskosität (RV) zwischen 1,45 und 1,68 (gemes sen 1%ig in m-Kresol bei 20°C) mit allen Zusätzen und Additiven versetzt, ge mischt, anschließend versponnen und nachfolgend verstreckt wird.The invention also relates to a method for producing a PET staple fiber according to claim 11, which is characterized in that a polyethylene terephthalate with a relative viscosity (RV) between 1.45 and 1.68 (measured 1% in m-cresol) 20 ° C) with all additives and additives, mixed, then spun and then stretched.
Dabei werden in vorteilhaften Varianten die Zusätze und Additive mit geeigneten Vorrichtungen in den Extruder oder in die PET-Schmelze dosiert, falls sie nicht schon vorher, z.B. dem Granulat zugefügt wurden.In advantageous variants, the additives and additives are metered into the extruder or into the PET melt using suitable devices, if they have not been previously, e.g. were added to the granules.
Weiterhin betrifft die Erfindung PET-Spinnfasern mit verbessertem Bauschverhalten und verbesserter Rücksprungkraft, welche durch dieses Verfahren herstellbar sind, sowie die Verwendung von Esterverbindungen der Formel I zur Herstellung von PET-Spinnfasern mit verbessertem Bauschverhalten und verbesserter Rücksprungkraft.The invention further relates to PET staple fibers with improved bulk behavior and improved resilience, which can be produced by this process, and to the use of ester compounds of the formula I for the production of PET staple fibers with improved bulk behavior and improved resilience.
Figur 1 faßt die Ergebnisse der Bauschprüfung der nach Beispiel 1 bis 7 hergestellten PET-Fasern zusammen. Es wird gezeigt, daß für einen maximalen Bausch nicht nur die Additiv-Konzentration in einem optimalen Bereich liegen muss, sondern daß für die Bauschrücksprungkraft, welche mit der Kristallinität korreliert ist, auch das Molekulargewicht bzw. die relative Viskosität des Polyesters maßgebend ist. Infolge nichtlinearer Zusammenhänge mit den erfindungsgemäßen Additiven zeigen sich gekrümmte Wirkungsflächen mit Gratausbildung. Im untersuchten Bereich verhalten sich Bausch-Anfangshöhe und Rücksprungkraft zum Teil gegenläufig. Nur in einem definierten Bereich um Punkt G erhält man sowohl hohe Werte für den Anfangsbausch als auch für die Rücksprungkraft. Diese komplexen Zusammenhänge im erfindungsgemäßen Bereich sind gegenüber dem bisherigen Stand des Wissens neu und unerwartet.Figure 1 summarizes the results of the bulk test of the PET fibers produced according to Examples 1 to 7. It is shown that not only does the additive concentration have to be in an optimal range for maximum bulk, but that the molecular weight and the relative viscosity of the polyester are also decisive for the bulk recovery force, which is correlated with the crystallinity. As a result of nonlinear relationships with the additives according to the invention, curved effective surfaces with burr formation are evident. In the area under investigation, the initial height of the bulge and the spring-back force behave in opposite directions. Only in a defined area around point G can you get both high values for the initial construction as well as for the return force. These complex relationships in the field according to the invention are new and unexpected compared to the previous state of knowledge.
Zur optimalen, niedrigen Relativviskosität (RV) der erfindungsgemäßen PET-Faser im Bereich von 1,45 bis 1,55 ist folgendes anzumerken:The following should be noted regarding the optimal, low relative viscosity (RV) of the PET fiber according to the invention in the range from 1.45 to 1.55:
Es ist bekannt, daß das Verspinnen von Polyesterschmelze mit der für das erfindungsgemäße Verfahren optimalen niedrigen Viskosität zu Störungen führt, deshalb wird mit Vorteil von höhermolekularem Polyester, z.B. mit RV = 1,60, ausgegangen, dem beim Einsatz von Granulat in die Extruder-Einzugszone oder beim Direktspinnen in die Schmelzeleitung eine entsprechende Menge Mono-, Di- oder Tri-Ethylenglykol, vorzugsweise Mono-Ethylenglykol (EG), für den Abbau auf RV = ca. 1,50 zudosiert wird.It is known that spinning polyester melt with the low viscosity optimal for the process according to the invention leads to disturbances, therefore it is advantageous to use higher molecular weight polyester, e.g. with RV = 1.60, assuming a corresponding amount of mono-, di- or tri-ethylene glycol, preferably mono-ethylene glycol (EG), for degradation when using granulate in the extruder feed zone or when spinning directly into the melt line RV = approx. 1.50 is added.
Die Korrelation zwischen EG-Zugabe und relativer Viskosität ist aus der Figur 1 ersichtlich.The correlation between EG addition and relative viscosity can be seen in FIG. 1.
Für die Esterverbindung wurde praktisch kein Einfluß auf die Viskosität beobachtet. Bei Viskositätsabbau durch andere dem Polyester zugegebene Additive oder durch Feuchtigkeitsspuren im Ausgangsgranulat oder in den Additiven ist die zudosierte Glykolmenge so zu reduzieren, daß die resultierende Endviskosität immer noch im bevorzugten Bereich von RV = 1,45 bis 1,55 liegt. Ein solcher Fall trat im Beispiel 8 auf, wo durch den weiteren Zusatz eines flammhemmenden Mittels die Viskosität so stark abgebaut wurde, daß auf die Zudosierung von Glykol verzichtet werden konnte.Virtually no influence on the viscosity was observed for the ester compound. If the viscosity is reduced by other additives added to the polyester or by traces of moisture in the starting granulate or in the additives, the amount of glycol added must be reduced so that the resulting final viscosity is still in the preferred range of RV = 1.45 to 1.55. Such a case occurred in Example 8, where the viscosity was reduced so much by the further addition of a flame retardant that it was possible to dispense with the addition of glycol.
in Abhängigkeit von Bidieol-Zusatz und relativer Viskosität
Interpolierte Kurven mit: konstantem Anfangsbausch -----
konstanter Rückstellkraft ―
Optimaler Bereich = Überschneidungsbereich der hohen Wertedepending on the addition of bidieol and relative viscosity
Interpolated curves with: constant initial lump -----
constant restoring force -
Optimal range = overlap range of the high values
Eingesetzte Substanzen:
- Standard-Polyethylenterephthalat der Firma EMS-CHEMIE AG mit rel. Viskosität 1,60 (gemessen 1%-ig in m-Kresol bei 20 °C) und 0,4 Gew.-% TiO₂ (Titandioxid) < 1 µm
- Bidieol: Bisphenol-A-diethoxylaurat
Herstellung des Bidieol
Verwendete Chemikalien:
- Ethoxyliertes Bisphenol A (Fa. AKZO)
- Laurinsäure, (Fa. FLUKA, purum 98 %)
- Butylzinnsäure, Mono-n-Butylzinnoxid (Fa. ACIMA).
Ansatz:
272 g Ethoxyliertes Bisphenol A (0,8 mol)
304 g Laurinsäure (1,52 mol)
4 g Butylzinnsäure (als Katalysator)Substances used:
- Standard polyethylene terephthalate from EMS-CHEMIE AG with rel. Viscosity 1.60 (measured 1% in m-cresol at 20 ° C) and 0.4 wt .-% TiO₂ (titanium dioxide) <1 µm
Bidieol: bisphenol A diethoxy laurate
Production of the bidieol
Chemicals used:
- Ethoxylated bisphenol A (from AKZO)
- Lauric acid, (from FLUKA, purum 98%)
- Butyltin acid, mono-n-butyltin oxide (from ACIMA).
Approach:
272 g ethoxylated bisphenol A (0.8 mol)
304 g lauric acid (1.52 mol)
4 g butyltinic acid (as a catalyst)
Ethoxyliertes Bisphenol A, Laurinsäure und Butylzinnsäure werden bei 22 °C vorgelegt und unter Stickstoff-Spülung und Rühren auf 160 °C erhitzt. Dabei wird der Druck auf ca. 7500 Pa (ca. 56 mm Hg) erniedrigt. Das sich bildende Reaktionswasser wird ca. 6 Stunden lang aus der Mischung entfernt, bis die Säurezahl unter 5 mg KOH/g gesunken ist. Das Produkt ist eine leicht gelbliche, klare Flüssigkeit mit einer Viskosität von ca. 410 mPas und einer Dichte von ca. 1000 kg/m³ (beides bei 25 °C).Ethoxylated bisphenol A, lauric acid and butyltinic acid are placed at 22 ° C and heated to 160 ° C with nitrogen flushing and stirring. The pressure is reduced to approx. 7500 Pa (approx. 56 mm Hg). The water of reaction which forms is removed from the mixture for about 6 hours until the acid number has dropped below 5 mg KOH / g. The product is a slightly yellowish, clear liquid with a viscosity of approx. 410 mPas and a density of approx. 1000 kg / m³ (both at 25 ° C).
Auf einer Schmelzspinnmaschine wurde mit 0,4 % TiO₂ mattiertes Standard-PET-Granulat (relative Viskosität 1,60/1%ige Lösung in m-Kresol bei 20 °C) aufgeschmolzen und gemäß Tabelle 1 getrennt Ethylenglykol (EG) und Bidieol in den Granulateinlauf des Extruders zudosiert (EG und Bidieol sind nicht mischbar). Aus einer speziellen Düsenplatte mit 380 Bohrungen wurden bei einer Temperatur von 262 °C Hohlfäden ausgepreßt, mit Blasluft abgekühlt, mit 1000 m/min abgezogen und in eine Kanne abgelegt. Der Hohlraumanteil der unverstreckten Fäden betrug ca. 25 % (d.h. der Innendurchmesser betrug 50 % des Außendurchmessers), die relative Viskosität 1,50. Anschließend wurde das Spinnmaterial auf einer Faserstraße etwa 3,5-fach verstreckt, danach gekräuselt, silikonisiert, thermofixiert und zu Stapelfasern geschnitten, die einen Endtiter von 6,5 dtex und eine Reißfestigkeit von 3,5 cN/dtex bei 55 % Bruchdehnung zeigten. Ein daraus hergestelltes Füllfaservlies zeigte dabei Bauschwerte, die deutlich über denjenigen einer handelsüblichen Hohlfaser lagen.
Lineare Regression des Rückstellvermögens (für den linearen Bereich ohne Ethylenglykol-Zudosierung):
Der Glasübergangspunkt schwankte bei allen Varianten maximal um nur 0,5 °C. Ein Zusatzversuch mit 2 Gew.-% Bidieol ergab eine Absenkung der Glasübergangstemperatur um ca. 3,5 °C, verbunden mit einer deutlichen Bauschverschlechterung.The glass transition point fluctuated in all variants by a maximum of only 0.5 ° C. An additional test with 2% by weight of bidieol resulted in a lowering of the glass transition temperature by approx. 3.5 ° C, combined with a significant deterioration in the bulk.
Ausgehend vom gleichen Standard-PET-Granulat und unter den gleichen Spinn- und Streckbedingungen wie in den Beispielen 1 bis 7 wurden ebenfalls Hohlfasern, aber mit einem flammhemmenden Zusatz, hergestellt. Es wurden 0,2 Gew.-% Bidieol (zudosiert in den Einlauf des Aufschmelzextruders) und 5,6 Gew.-% (bezogen auf das Fasergewicht) des Flammschutzmittels SANDOFLAM® 5085 der Firma SANDOZ AG, ein Phoshorinan mit einer Schmelztemperatur von ca. 188 °C, zugegeben. Das Flammschutzmittel wurde als reines Pulver mit einer Vorrichtung, wie sie in DE 40 39 857 beschrieben ist, direkt in die PET-Schmelze eingetragen. Vorteilhafte weitere Varianten des Verfahrens sind die Zugabe in Form eines Masterbatch-Granulates in den Extruder oder aufgeschmolzen mit einer geeigneten Pumpe in die PET-Schmelze. Da die Viskosität schon durch das Flammschutzmittel und darin enthaltene Feuchtigkeitsspuren in den optimalen Bereich reduziert wurde, mußte kein Ethylenglykol zudosiert werden.Starting from the same standard PET granulate and under the same spinning and stretching conditions as in Examples 1 to 7, hollow fibers were also produced, but with a flame-retardant additive. 0.2% by weight of bidieol (metered into the inlet of the melt extruder) and 5.6% by weight (based on the fiber weight) of the flame retardant SANDOFLAM® 5085 from SANDOZ AG, a phosphorus with a melting temperature of approx. 188 ° C, added. The flame retardant was introduced directly into the PET melt as a pure powder using a device as described in DE 40 39 857. Advantageous further variants of the method are the addition in the form of a masterbatch granulate into the extruder or melted into the PET melt using a suitable pump. Since the viscosity was reduced to the optimum range by the flame retardant and the traces of moisture contained therein, no ethylene glycol had to be added.
Die Eigenschaften der so hergestellten Fasern wurden als Vergleich zur Versuchsvariante G (Beispiel 6) in der Tabelle 2 zusammengefaßt.The properties of the fibers produced in this way were summarized in Table 2 as a comparison to test variant G (example 6).
Für den LOI-Flammtest (Limiting Oxygen Index gemäß ASTM D 2863) wurden aus den Stapelfasern vernadelte Vliese mit einem Flächengewicht von ca. 200 g/m² und einer Dicke von ca. 6 mm hergestellt.
Es zeigte sich, daß sich auf diese Art flammhemmende Füllfasern mit einem etwa 35 % höheren LOI-Wert als die Vergleichsfaser ohne flammhemmendes Additiv herstellen lassen, wobei der erfindungsgemäße hohe Bausch erhalten bleibt. Letzteres ist nicht selbstverständlich, da von den bisher auf dem Markt erhältlichen, flammhemmenden Polyesterfasern bekannt ist, daß deren Bauschrückstellvermögen durch phosphorhaltige Flammschutzmittel beeinträchtigt wird. Dies liegt daran, daß die Phosphorverbindungen in die Fasermolekülketten eingebaut sind und somit ein Copolyester mit reduziertem Schmelzpunkt und verringerter Kristallisationsfähigkeit vorliegt. Dabei werden korrelierende schlechtere Bauscheigenschaften gemessen. An einer solchen PES-Faser wurde z.B. ein Schmelzpunkt von 247 °C (DSC, mit 20 °C/min Aufheizgeschwindigkeit) und eine Kristallinität von ca. 43 % gemessen.It was found that in this way flame-retardant filler fibers with an approximately 35% higher LOI value than the comparison fiber can be produced without a flame-retardant additive, the high bulk according to the invention being retained. The latter is not a matter of course, because of those previously on the market available flame-retardant polyester fibers is known that their structural resilience is impaired by phosphorus-containing flame retardants. This is because the phosphorus compounds are built into the fiber molecule chains and thus there is a copolyester with a reduced melting point and reduced crystallization capacity. Correlating poorer construction properties are measured. For example, a melting point of 247 ° C. (DSC, with 20 ° C./min heating rate) and a crystallinity of approx. 43% were measured on such a PES fiber.
Die erfindungsgemäße PET-Faser gemäß Beispiel 8 erfüllt in vorteilhafter Weise die Anforderungen nach Flammhemmung bei gleichzeitig hohem Bausch und Rückstellvermögen und zusätzlich nach einem Faserschmelzpunkt von mindestens 250 °C gemäß oben erwähnten DSC-Meßbedingungen.The PET fiber according to the invention according to Example 8 advantageously meets the requirements for flame retardancy with a high bulk and resilience at the same time and also for a fiber melting point of at least 250 ° C according to the DSC measurement conditions mentioned above.
Über Karde oder Krempel wird ein Vlies mit definiertem Flächengewicht hergestellt und die resultierende Vlieshöhe unter definierter Belastung von 0,9 bis 10 p/cm² gemessen. Die Vlieshöhe ist ein Maß für die Bauschigkeit der Faser. Dabei versteht man unter Anfangsbausch (Ab) die anfängliche Vlieshöhe unter 0,9 p/cm² Belastung. Die Rücksprungkraft (R) wird nach der maximalen Belastung des Vlieses und definierter Wartezeit ebenfalls unter 0,9 p/cm² gemessen und in % des Anfangsbausches ausgedrückt.A fleece with a defined basis weight is produced by means of a card or card and the resulting fleece height is measured under a defined load of 0.9 to 10 p / cm². The fleece height is a measure of the bulk of the fiber. The initial bulk (Ab) means the initial fleece height under 0.9 p / cm² load. The return force (R) is also measured after the maximum load on the fleece and a defined waiting time below 0.9 p / cm² and expressed in% of the initial bulk.
Über eine Testkarde werden 150 g bei 20 °C und 60 % rel. Feuchte konditionierte Füllfasern zu einem Vlies mit der Grundfläche von 35 x 72 cm verarbeitet. Dieser Vlieskörper wird zur Bauschmessung folgender Belastung ausgesetzt: Der Prüfstempel, eine runde Platte mit 150 mm Durchmesser, wird mit zunehmendem Gewicht gegen das Vlies gedrückt und so der Widerstand des Vlieses gegen Belastung festgestellt.150 g at 20 ° C and 60% rel. Moist conditioned filler fibers processed into a fleece with the base area of 35 x 72 cm. This nonwoven body is subjected to the following load for the bulk measurement: The test stamp, a round plate with a diameter of 150 mm, is pressed against the fleece with increasing weight and the resistance of the fleece to load is determined.
Eine Minute nach der maximalen Belastung mit 10 p/cm² wird die Vlieshöhe noch einmal mit der anfänglichen Belastung von 0,9 p/cm² ermittelt. Dieser Bausch ergibt die sogenannte Rücksprungkraft (R).One minute after the maximum load of 10 p / cm², the fleece height is determined again with the initial load of 0.9 p / cm². This bulge gives the so-called spring force (R).
Claims (16)
0,01 bis 2 Gew.-% mindestens eines üblichen bekannten Nukleierungsmittels aus der Gruppe
[CH₃(CH₂)aCO(O-CH₂-CH₂)b-O-B]₂-A (I)
mit
0.01 to 2% by weight of at least one customary known nucleating agent from the group
[CH₃ (CH₂) a CO (O-CH₂-CH₂) b -OB] ₂-A (I)
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