DE60318203T2

DE60318203T2 - Verklebbare, orientierte, vliesstoffe und ihre herstellungsmethode

Info

Publication number: DE60318203T2
Application number: DE2003618203
Authority: DE
Inventors: Michael R. Saint Paul BERRIGAN; Anne N. Saint Paul DE ROVERE; William T. Saint Paul FAY; Jill R. Saint Paul MUNRO; Pamela A. Saint Paul PERCHA
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2002-05-20
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2023-04-17
Also published as: TW200404931A; CN1656260B; US7695660B2; WO2003100141A1; CA2486414A1; JP2005526919A; KR20050007410A; JP4594082B2; MXPA04011370A; ATE381631T1; AU2003223614A1; IL164917A0; US20050161156A1; US6916752B2; AU2003223614B2; KR100980535B1; ZA200410158B; US20030216096A1; DE60318203D1; CN1656260A

Description

Das Verbinden von Vliesfaserstoffen aus orientierten Fasern erfordert oft einen unerwünschten Kompromiss bei Verarbeitungsschritten oder Produkteigenschaften. Wenn zum Beispiel gesammelte Stoffe aus orientierten Fasern, wie z. B. schmelzgesponnenen oder spinngebundenen Fasern, verbunden werden (z. B. um den Stoff zu verfestigen, seine Festigkeit zu erhöhen oder die Stoffeigenschaften auf andere Weise zu modifizieren), ist typischerweise eine Bindefaser oder ein anderes Bindematerial zusätzlich zu den schmelzgesponnenen oder spinngebundenen Fasern in den Stoffen enthalten. Als Alternative oder zusätzlich wird der Stoff in einem Punktbinde- oder Flächenkalandrierungsvorgang Wärme und Druck ausgesetzt. Solche Schritte sind erforderlich, weil die schmelzgesponnenen oder spinngebundenen Fasern selbst im Allgemeinen stark dazu neigen, die Faserfestigkeit zu erhöhen, wobei die Fasern mit begrenzter Kapazität zur Teilnahme an der Faserverbindung bleiben.
Die Zugabe von Bindefasern oder anderen Bindematerialien erhöht aber die Kosten des Stoffes, macht den Herstellungsvorgang komplizierter und bringt fremde Inhaltsstoffe in die Stoffe. Und Wärme und Druck verändern die Eigenschaften des Stoffes, sie machen z. B. den Stoff papierartiger, steif oder spröde.
Die Verbindung zwischen spinngebundenen Fasern, auch wenn sie mit der Wärme und dem Druck von Punktbindung oder Kalandrierung erreicht wird, neigt auch dazu, eine geringere Festigkeit als erwünscht aufzuweisen: die Verbindungsfestigkeit zwischen spinngebundenen Fasern ist typischerweise kleiner als die Verbindungsfestigkeit zwischen Fasern, die eine weniger geordnete Morphologie als die spinngebundenen Fasern aufweisen; siehe die aktuelle Publikation Structure and properties of polypropylene fibers during thermal bonding, Subhash Chand et al, (Thermochimica Acta 367–368 (2001) 155–160).
Obwohl die Mängel im Zusammenhang mit der Verbindung von Stoffen aus orientierten Fasern auf dem Fachgebiet bekannt sind, ist nicht bekannt, dass es eine zufriedenstellende Lösung gibt. US-Patentschrift 3,322,607 beschreibt einen Verbesserungsversuch, wobei unter anderen Verbindungstechniken vorgeschlagen wird, dass Fasern so hergestellt werden, dass sie Fasern mit gemischter Orientierung aufweisen, in denen manche Segmente der Fasern eine geringere Orientierung und daher eine geringere Erweichungstemperatur aufweisen, so dass sie als Bindefilamente dienen. Wie in Beispiel XII dieser Patentschrift dargestellt (siehe auch Spalte 8, Zeile 9–52), werden solche Fasern mit gemischter Orientierung hergestellt, indem extrudierte Filamente zu einer erhitzten Zufuhrwalze geführt werden und die Filamente für einige Zeit auf der Walze eingespannt werden, während die Walze sich dreht. Segmente mit geringer Orientierung sollen von derartigem Kontakt stammen und Verbindbarkeit in den Stoffen bereitstellen. (Siehe auch US-Patentschrift 4,086,381 , zum Beispiel bei Spalte 5, Zeile 59 ff., für eine ähnliche Lehre.)
Allerdings haben die wenig orientierten Verbindungssegmente der Fasern in US-Patentschrift 3,322,607 auch einen größeren Durchmesser als andere Segmente von größerer Orientierung (Sp. 17, Z. 21–25). Das Ergebnis ist, dass mehr Wärme erforderlich ist, um die wenig orientierten Segmente zu erweichen, um den Stoff zu verbinden. Außerdem wird der gesamte Faserbildungsvorgang mit einer ziemlich geringen Geschwindigkeit durchgeführt, wodurch die Effizienz verringert wird. Und gemäß der Patentschrift (Sp. 8, Z. 22–25 und 60–63) ist die Verbindung der wenig orientierten Segmente offensichtlich nicht ausreichend für eine angemessene Verbindung, mit dem Ergebnis, dass die Verbindungsbedingungen so ausgewählt sind, dass ein wenig Verbindung der stark orientierten Segmente oder Fasern zusätzlich zu den wenig orientierten Segmenten bereitgestellt wird.
Verbesserte Verbindungsverfahren werden gebraucht, und es wäre wünschenswert, wenn diese Verfahren autogene Verbindung bereitstellen könnten (hier definiert als Verbindung zwischen Fasern bei erhöhter Temperatur, wie sie in einem Ofen oder mit einer Durchluft-Verbindungsvorrichtung – auch bekannt als Heißluftmesser – erreicht werden, ohne Anwendung von festem Kontaktdruck wie z. B. beim Punktverbinden oder Kalandrieren) und vorzugsweise ohne beigefügte Bindefasern oder anderes Bindematerial. Der hohe Grad an Zug bei schmelzgesponnenen oder spinngebundenen Fasern begrenzt ihre Kapazität für autogene Verbindung. An Stelle von autogener Verbindung werden die meisten schmelzgesponnenen oder spinngebundenen Einkomponentenfaserstoffe durch Anwendung von Wärme und Druck verbunden, z. B. durch Punktbindung oder eine großflächigere Anwendung von Wärme und Kalandrierungsdruck; und sogar die Wärme-und-Druck-Verfahren sind typischerweise durch Verwendung von Bindefasern oder anderen Bindematerialien im Stoff begleitet.
Die vorliegende Erfindung stellt neue Vliesfaserstoffe bereit, die viele gewünschte physikalische Eigenschaften von orientierten Faserstoffen, wie z. B. spinngebundenen Bahnen aufweisen, aber eine verbesserte und bequemere Verbindbarkeit aufweisen. Kurz zusammengefasst weist ein neuer Stoff der Erfindung Fasern von gleichmäßigem Durchmesser auf, die in ihrer Morphologie über ihre Länge variieren, um longitudinale Segmente bereitzustellen, die sich in ihren Erweichungseigenschaften während eines ausgewählten Verbindevorganges voneinander unterscheiden. Manche dieser longitudinalen Segmente erweichen sich unter den Bedingungen des Verbindevorganges, d. h. sind während des ausgewählten Verbindevorganges aktiv und werden mit den anderen Fasern des Stoffes verbunden; und andere Segmente sind während des Verbindevorganges passiv. Mit "gleichmäßi gem Durchmesser" ist gemeint, dass die Fasern im Wesentlichen denselben Durchmesser (der um 10 Prozent oder weniger variiert) über eine bestimmte Länge (d. h. 5 Zentimeter oder mehr) aufweisen, innerhalb derer eine Variation in der Morphologie sein kann und typischerweise ist. Vorzugsweise erweichen sich die aktiven longitudinalen Segmente ausreichend unter nützlichen Verbindungsbedingungen, z. B. bei einer Temperatur, die niedrig genug ist, damit der Stoff autogen verbunden werden kann.
Die Fasern sind vorzugsweise orientiert; d. h. die Fasern weisen vorzugsweise Moleküle auf, die der Länge der Fasern nach ausgerichtet und in dieser Ausrichtung fixiert (d. h. thermisch eingeschlossen) sind. In bevorzugten Ausführungsformen sind die passiven longitudinalen Segmente der Fasern in einem Ausmaß orientiert, wie typische spinngebundene Faserstoffe es aufweisen. In kristallinen oder halbkristallinen Polymeren weisen solche Segmente vorzugsweise spannungsinduzierte oder kettenverlängerte Kristallisation auf (d. h. molekulare Ketten innerhalb der Fasern weisen eine kristalline Ordnung auf, die im Allgemeinen entlang der Faserachse ausgerichtet ist). Im Ganzen kann der Stoff Festigkeitseigenschaften aufweisen wie jene, die in spinngebundenen Bahnen erreicht werden, während er stark verbindbar ist durch Methoden, mit denen ein typischer spinngebundener Stoff nicht verbunden werden kann. Und autogen verbundene Stoffe der Erfindung können eine Bauschigkeit und eine Gleichmäßigkeit über den gesamten Stoff aufweisen, wie sie mit dem Punktverbinden oder Kalandrieren, wie es allgemein bei spinngebundenen Stoffen angewendet wird, nicht erreichbar sind.
Der Ausdruck "Faser" wird hier so verwendet, dass er eine Einkomponentenfaser; eine Zweikomponenten- oder konjugierte Faser (der Einfachheit halber wird der Ausdruck "Zweikomponentenfaser" oft so verwendet, dass er Fasern bezeichnet, die aus zwei Komponenten beste hen, sowie Fasern, die aus mehr als zwei Komponenten bestehen); und einen Faserabschnitt einer Zweikomponentenfaser, d. h. einen Abschnitt, der einen Teil des Querschnittes der Zweikomponentenfaser einnimmt und sich über deren Länge erstreckt, bedeutet. Einkomponentenfaserstoffe sind oft bevorzugt und die Kombination aus Orientierung und Verbindbarkeit, wie sie durch die Erfindung angeboten wird, macht verbindbare Stoffe von hoher Festigkeit unter Verwendung von Einkomponentenfasern möglich. Andere Stoffe der Erfindung weisen Zweikomponentenfasern auf, bei denen die beschriebenen Fasern von variierender Morphologie eine Komponente (oder ein Faserabschnitt) einer Mehrkomponentenfaser ist, d. h. nur einen Teil des Querschnittes der Faser einnimmt und entlang der Länge der Faser durchgehend ist. Eine Faser (d. h. Faserabschnitt) wie beschrieben kann Verbindungsfunktionen als Teil einer Mehrkomponentenfaser übernehmen, sowie hohe Festigkeitseigenschaften bereitstellen.
Vliesfaserstoffe der Erfindung können durch Faserbildungsverfahren hergestellt werden, bei denen Filamente aus faserbildendem Material extrudiert, Orientierungskräften ausgesetzt und durch ein turbulentes Feld von Gasströmen geführt werden, während mindestens manche der extrudierten Filamente in einem erweichten Zustand sind und ihre Gefriertemperatur (z. B. die Temperatur, bei der das faserbildende Material der Filamente sich verfestigt) erreichen, während sie im turbulenten Feld sind. Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung von Faserstoffen der Erfindung weist a) das Extrudieren von Filamenten aus faserbildendem Material; b) Leiten der Filamente durch eine Verarbeitungskammer, in der Gasströme den Filamenten eine longitudinale oder orientierende Spannung verleihen; c) Führen der Filamente durch ein turbulentes Feld, nachdem sie die Verarbeitungskammer verlassen haben; und d) Sammeln der verarbeiteten Filamente; wobei die Temperatur der Filamente derart gesteuert wird, dass mindestens manche der Filamente sich verfestigen, nachdem sie die Verarbeitungskammer verlassen haben, aber bevor sie gesammelt werden. Vorzugsweise ist die Verarbeitungskammer durch zwei parallele Wände definiert, wobei mindestens eine der Wände sofort zu und weg von der anderen Wand bewegt werden kann und Bewegungsmitteln unterworfen ist, die eine sofortige Bewegung während des Durchtretens der Filamente bereitstellen.
Zusätzlich zur Variation in der Morphologie entlang der Länge einer Faser kann es eine Variation in der Morphologie zwischen Fasern eines Faserstoffes der Erfindung geben. Zum Beispiel können manche Fasern einen größeren Durchmesser aufweisen als andere in Folge dessen, dass sie weniger Orientierung im turbulenten Feld erfahren haben. Fasern mit größerem Durchmesser weisen oft eine weniger geordnete Morphologie auf und können an Verbindevorgängen in einem anderen Ausmaß teilnehmen (d. h. aktiv sein) als Fasern mit kleinerem Durchmesser, die oft eine höher entwickelte Morphologie aufweisen. Der Großteil der Verbindungen in einem Faserstoff der Erfindung kann solche Fasern mit größerem Durchmesser einbeziehen, die oft, aber nicht unbedingt, selbst in ihrer Morphologie variieren. Aber longitudinale Segmente von weniger geordneter Morphologie (und daher niedrigerer Erweichungstemperatur), die innerhalb einer Faser mit kleinerem Durchmesser und variierender Morphologie auftreten, nehmen vorzugsweise auch beim Verbinden des Stoffes teil.
In den Zeichnungen ist:
1 eine schematische Gesamtdarstellung einer Vorrichtung, die für die Bildung eines Vliesfaserstoffes der Erfindung verwendbar ist.
2 eine vergrößerte Seitenansicht einer Verarbeitungskammer, die für die Bildung eines Vliesfaserstoffes der Erfindung verwendbar ist, wobei Befestigungs mittel für die Kammer nicht gezeigt sind.
3 eine Draufsicht, teilweise schematisch, der Verarbeitungskammer, die in 2 gezeigt ist, zusammen mit Befestigung und einer anderen assoziierten Vorrichtung.
4a, 4b und 4c sind schematische Schnittdarstellungen durch beispielhafte Faserverbindungen in Stoffen der Erfindung.
5 ist eine schematische Darstellung eines Abschnittes eines Stoffes der Erfindung und zeigt Fasern, die einander überkreuzen und miteinander verbunden sind.
6, 8 und 11 sind Rasterelektronenmikroskop-Darstellungen von beispielhaften Stoffen von zwei Arbeitsbeispielen der Erfindung, die unten beschrieben sind.
8, 9 und 10 sind Diagramme von Doppelbrechungswerten, die an beispielhaften Stoffen von Arbeitsbeispielen der Erfindung, die unten beschrieben sind, gemessen wurden.
12 ist ein Diagramm von Differentialscanningkalorimetrie-Aufzeichnungen für Stoffe eines Arbeitsbeispieles, das unten beschrieben ist.
1 zeigt ein Beispiel für eine Vorrichtung, die verwendet werden kann, um Vliesfaserstoffe der Erfindung herzustellen. Faserbildendes Material wird zu einem Extrusionskopf 10 gebracht – in dieser speziellen beispielhaften Vorrichtung durch Einführen eines faserbildenden Materials in Kastenspeiser 11, Schmelzen des Materials in einem Extruder 12 und Pumpen des geschmolzenen Materials in den Extrusionskopf 10 durch eine Pumpe 13. Obwohl festes Polymermaterial in Pelletsform oder anderer Teilchenform am häufigsten verwendet und zu einem flüssigen, pumpbaren Zustand geschmolzen wird, können auch andere faserbildende Flüssigkeiten, wie z. B. Polymerlösungen, verwendet werden.
Der Extrusionskopf 10 kann eine herkömmliche Spinndüse oder ein Spinnpack sein, der im Allgemeinen mehrere Öffnungen in einem regelmäßigen Muster angeordnet aufweist, z. B. in geraden Reihen. Filamente 15 aus faserbildender Flüssigkeit werden aus dem Extrusionskopf extrudiert und zu einer Verarbeitungskammer oder einer Verfeinerungsvorrichtung 16 befördert. Als Teil einer gewünschten Steuerung des Prozesses kann die Strecke 17, welche die extrudierten Filamente 15 zurücklegen, bevor sie die Verfeinerungsvorrichtung 16 erreichen, eingestellt werden, wie auch die Bedingungen, denen sie ausgesetzt werden. Typischerweise werden einige Quenchströme von Luft oder einem anderen Gas 18 durch herkömmliche Verfahren und Vorrichtungen auf die extrudierten Filamente gerichtet, um die Temperatur der extrudierten Filamente 15 zu verringern. Manchmal können die Quenchströme erhitzt sein, um eine gewünschte Temperatur der extrudierten Filamente zu erreichen und/oder das Ziehen der Filamente zu erleichtern. Es kann einen oder mehrere Ströme von Luft (oder einem anderen Fluid) geben – z. B. einen ersten Strom 18a, der quer zum Filamentstrom geblasen wird und der unerwünschte gasförmige Materialien oder Dämpfe entfernen kann, die während der Extrusion freigesetzt werden; und einen zweiten Quenchstrom 18b, der eine hauptsächliche gewünschte Temperaturverringerung erreicht. In Abhängigkeit von dem Verfahren, das angewendet wird, oder der gewünschten Form des fertigen Produktes, kann der Quenchstrom ausreichend sein, um manche der extrudierten Filamente 15 zu verfestigen, bevor sie die Verfeinerungsvorrichtung 16 erreichen. Aber im Allgemeinen sind bei einem Verfahren der Erfindung die extrudierten Filamentkomponenten noch in einem erweichten oder geschmolzenen Zustand, wenn sie in die Verfeinerungsvorrichtung eintreten. Als Alternative werden keine Quenchströme verwendet; in einem solchen Fall kann Umgebungsluft oder ein anderes Fluid zwischen dem Extrusionskopf 10 und der Verfeinerungsvorrichtung 16 ein Medium für jegliche Temperaturänderung in den extrudierten Filamentkomponenten sein, bevor sie in die Verfeinerungsvorrichtung eintreten.
Die Filamente 15 treten durch die Verfeinerungsvorrichtung 16, wie später genauer besprochen wird, und treten dann aus. Meist treten sie, wie in 1 dargestellt, auf eine Sammelvorrichtung 19 aus, wo sie als Fasermasse 20 gesammelt werden, die zusammenhängend sein kann und die Form eines handhabbaren Stoffes annehmen kann oder nicht. Die Sammelvorrichtung 19 ist im Allgemeinen porös und eine Gasabzugsvorrichtung 14 kann unterhalb der Sammelvorrichtung angeordnet sein, um die Ablage der Fasern auf die Sammelvorrichtung zu unterstützen.
Zwischen der Verfeinerungsvorrichtung 16 und der Sammelvorrichtung 19 liegt ein Feld 21 von turbulenten Strömen von Luft oder einem anderen Fluid. Turbulenz entsteht, wenn die Ströme, die durch die Verfeinerungsvorrichtung treten, den unbegrenzten Raum am Ende der Verfeinerungsvorrichtung erreichen, wo der Druck, der innerhalb der Verfeinerungsvorrichtung geherrscht hat, nachlässt. Der Strom verbreitert sich, wenn er die Verfeinerungsvorrichtung verlässt, und es entwickeln sich Wirbel in dem verbreiterten Strom. Diese Wirbel – Strudel von Strömen, die in unterschiedlichen Richtungen vom Hauptstrom weg laufen – unterwerfen die in ihnen enthaltenen Filamente Kräften, die unterschiedlich von den geraden Kräften sind, denen die Filamente im Allgemeinen innerhalb und oberhalb der Verfeinerungsvorrichtung ausgesetzt sind. Zum Beispiel können Filamente innerhalb der Wirbel ein Hin-und-her-Klappen erfahren und Kräften ausgesetzt werden, die eine Vektorkomponente quer zur Länge der Faser aufweisen.
Die verarbeiteten Filamente sind lange und wandern einen gewundenen und unregelmäßigen Weg durch das turbulente Feld. Verschiedene Abschnitte der Filamente erfahren unterschiedliche Kräfte innerhalb des turbulenten Feldes. In einem gewissen Ausmaß werden die längsgerichteten Spannungen auf Abschnitte von mindestens manchen Filamenten entspannt und jene Abschnitte werden nachfolgend weniger orientiert als jene Abschnitte, die eine längere Einwirkung der längsgerichteten Spannung erfahren.
Zugleich kühlen die Filamente ab. Die Temperatur der Filamente innerhalb des turbulenten Feldes kann gesteuert werden, zum Beispiel indem die Temperatur der Filamente gesteuert wird, wenn sie in die Verfeinerungsvorrichtung eintreten (z. B. durch Steuern der Temperatur des extrudierten faserbildenden Materials, des Abstandes zwischen dem Extrusionskopf und der Verfeinerungsvorrichtung und der Menge und Natur der Quenchströme), der Länge der Verfeinerungsvorrichtung, der Geschwindigkeit und Temperatur der Filamente, wenn sie sich durch die Verfeinerungsvorrichtung bewegen, und des Abstandes der Verfeinerungsvorrichtung von der Sammelvorrichtung 19. Indem herbeigeführt wird, dass manche oder alle Filamente und Segmente davon innerhalb des turbulenten Feldes auf die Temperatur abkühlen, mit der die Filamente oder Segmente sich verfestigen, werden die Unterschiede in der Orientierung, die von den unterschiedlichen Abschnitten der Filamente erfahren werden, und die daraus folgende Morphologie der Fasern eingefroren; d. h. die Molekühle sind thermisch in ihrer ausgerichteten Position eingefangen. Die unterschiedlichen Orientierungen, die verschiedene Fasern und verschiedene Segmente erfahren haben, als sie durch das turbulente Feld gelaufen sind, werden mindestens in einem gewissen Maß in den Fasern beibehalten, wenn sie auf der Sammelvorrichtung 19 gesammelt werden.
In Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der Filamente können verschiedene Arten von Morphologie in einer Faser erreicht werden. Wie unten besprochen, umfassen die möglichen morphologischen Formen innerhalb einer Faser amorph, geordnet oder starr amorph, orientiert amorph, kristallin, orientiert oder geformt kristallin und kettenverlängerte Kristallisation (manchmal als dehnungsinduzierte Kristallisation bezeichnet). Verschiedene dieser unterschiedlichen Arten von Morphologie können entlang der Länge einer einzelnen Faser vorkommen oder können in verschiedenen Mengen oder in verschiedenen Graden von Anordnung oder Orientierung vorkommen. Und diese Unterschiede können in dem Ausmaß vorkommen, in dem longitudinale Segmente entlang der Länge der Faser sich in ihren Erweichungseigenschaften während eines Verbindevorganges unterscheiden.
Nachdem sie durch eine Verarbeitungskammer und ein turbulentes Feld gelaufen sind, wie beschrieben, aber bevor sie gesammelt werden, können extrudierte Filamente oder Fasern mehreren zusätzlichen Verarbeitungsschritten unterzogen werden, die nicht in 1 dargestellt sind, z. B. weiterem Ziehen, Sprühen usw. Beim Sammeln kann die gesamte Masse 20 der gesammelten Fasern zu einer anderen Vorrichtung geführt werden, wie z. B. einem Verbindeofen, einer Durchluft-Verbindevorrichtung, Kalandern, Prägestationen, Laminierungsvorrichtungen, Schneidevorrichtungen und ähnlichem; oder sie kann durch Antriebswalzen 22 geführt werden und zu einer Lagerrolle 23 gewickelt werden. Ziemlich oft wird die Masse zu einem Ofen oder einer Durchluft-Verbindevorrichtung geführt, wo die Masse erhitzt wird, um autogene Verbindungen zu entwickeln, welche die Masse als handhabbaren Stoff stabilisieren oder weiter stabilisieren. Die Erfindung ist besonders nützlich als direktes Stoffbildungsverfahren, bei dem ein faserbildendes Polymermaterial in einem im Wesentlichen direkten Vorgang zu einem Stoff verwandelt wird (umfassend Extrusion von Filamenten, Verarbeitung der Filamente, Verfestigen der Filamente in einem turbulenten Feld, Sammeln der verarbeiteten Filamente und wenn erforderlich weitere Verarbeitung zum Umwandeln der gesammelten Masse in einen Stoff). Vliesfaserstoffe der Erfindung weisen vorzugsweise direkt gesammelte Fasern oder direkt gesammelte Massen von Fasern auf, was bedeutet, dass die Fasern als stoffartige Masse gesammelt werden, wenn sie die Faserbildungsvorrichtung verlassen (andere Komponenten wie z. B. Stapelfasern oder Partikel können zusammen mit der Masse aus direkt gebildeten Fasern gesammelt werden, wie hier später beschrieben wird).
Als Alternative können Fasern, welche die Verfeinerungsvorrichtung verlassen, die Form von Filamenten, Werg oder Garn annehmen, welche auf eine Lagerspule gewickelt oder weiter verarbeitet werden können. Fasern von gleichmäßigem Durchmesser, welche in ihrer Morphologie entlang ihrer Länge variieren, wie hier beschrieben, werden als neuartig und nützlich verstanden. Das heißt, dass Fasern mit mindestens fünf Zentimeter langen Abschnitten, die eine Veränderung des Durchmessers von 10 Prozent oder weniger aufweisen aber in ihrer Morphologie entlang dieser Länge variieren, wie es zum Beispiel durch die Anwesenheit von aktiven und passiven Segmenten während eines ausgewählten Verbindevorganges oder durch verschiedene Grade von Anordnung oder Orientierung entlang der Länge oder durch Tests, die hier später beschrieben werden und die Abstufungen von Dichte oder Doppelbrechung entlang der Länge der Faser oder des Faserabschnittes messen, angezeigt ist, als neuartig und nützlich verstanden werden. Solche Fasern oder Sammlungen von Fasern können zu Stoffen geformt werden, oft nachdem sie auf Kardierlängen geschnitten und wahlweise mit anderen Fasern gemischt worden sind, und zu einer Vliesstoffform kombiniert werden.
Die Vorrichtung, die in 1 dargestellt ist, ist bei der Anwendung der Erfindung von Vorteil, da sie eine Steuerung der Temperatur von Filamenten erlaubt, die durch die Verfeinerungsvorrichtung laufen, Filamenten erlaubt, mit hohen Geschwindigkeiten durch die Kammer zu laufen, und hohe Spannungen auf die Filamente anwenden kann, die gewünschte hohe Grade von Orientierung auf die Filamente einleiten. (Die Vorrichtung, wie sie in den Zeichnungen gezeigt ist, ist auch in US-Patentanmeldung Seriennr. 09/835,904, eingereicht am 16. April 2001, und der entsprechenden PCT-Anmeldung Nr. PCT/US01/46545, eingereicht am 8. November 2001 und veröffentlicht als WO 02/055782 am 18. Juli 2002, beschrieben worden.) Manche vorteilhafte Eigenschaften der Vorrichtung sind weiter in 2, welche eine vergrößerte Seitenansicht einer repräsentativen Verarbeitungsvorrichtung oder Verfeinerungsvorrichtung ist, und in 3 gezeigt, welche eine Draufsicht, teilweise schematisch, der Verarbeitungsvorrichtung, die in 2 gezeigt ist, zusammen mit einer Befestigungs- und einer anderen assoziierten Vorrichtung ist. Die dargestellte Verfeinerungsvorrichtung 16 umfasst zwei bewegliche Hälften oder Seiten 16a und 16b, die so getrennt sind, dass sie zwischen ihnen die Verarbeitungskammer 24 definieren; die gegenüberliegenden Flächen der Seiten 16a und R bilden die Wände der Kammer. Wie in der Draufsicht in 3 zu sehen ist, ist die Verarbeitungs- oder Verfeinerungskammer 24 allgemein ein verlängerter Schlitz der eine Querlänge 25 (quer zur Laufrichtung von Filamenten durch die Verfeinerungsvorrichtung) aufweist, welche in Abhängigkeit von der Anzahl der verarbeiteten Filamente variieren kann.
Obwohl sie als zwei Hälften oder Seiten vorliegt, funktioniert die Verfeinerungsvorrichtung als eine unitäre Vorrichtung und wird zuerst in ihrer kombinierten Form besprochen. (Die Struktur, die in 2 und 3 gezeigt ist, ist nur ein Beispiel und es kann eine Vielzahl verschiedener Konstruktionen verwendet wer den.) Die beispielhafte Verfeinerungsvorrichtung 16 weist abgeschrägte Eintrittswände 27 auf, welche einen Eingangsraum oder eine Beschickungsöffnung 24a der Verfeinerungskammer 24 definieren. Die Eintrittswände 27 sind an der Eintrittskante oder -fläche 27a vorzugsweise gebogen, um das Eintreten von Luftströmen, welche die extrudierten Filamente 15 tragen, zu glätten. Die Wände 27 sind an einem Hauptkörperabschnitt 28 befestigt und können mit einem ausgesparten Bereich 29 versehen sein, um einen Spalt 30 zwischen dem Körperabschnitt 28 und der Wand 27 zu erzeugen. Luft kann durch Leitungen 31 in die Spalten 30 eingeleitet werden, wodurch Luftmesser (dargestellt durch die Pfeile 32) erzeugt werden, welche die Geschwindigkeit der Filamente, die durch die Verfeinerungsvorrichtung laufen, erhöhen und auch eine weitere Quenchwirkung auf die Filamente haben. Der Körper 28 der Verfeinerungsvorrichtung ist vorzugsweise bei 28a gebogen, um das Durchströmen von Luft vom Luftmesser 32 in den Durchgang 24 zu glätten. Der Winkel (α) der Fläche 28b des Körpers der Verfeinerungsvorrichtung kann so ausgewählt werden, dass er den gewünschten Winkel festlegt, mit der das Luftmesser einen Strom von Filamenten trifft, der durch die Verfeinerungsvorrichtung läuft. Anstatt nahe des Einganges zur Kammer zu sein, können die Luftmesser auch weiter innerhalb der Kammer angeordnet sein.
Die Verfeinerungskammer 24 kann eine gleichmäßige Spaltbreite (der horizontale Abstand 33 auf der Seite von 2 zwischen den zwei Seiten der Verfeinerungsvorrichtung wird hier als Spaltbreite bezeichnet) über ihre longitudinale Länge durch die Verfeinerungsvorrichtung aufweisen (die Ausdehnung entlang einer longitudinalen Achse 26 durch die Verfeinerungskammer wird als axiale Länge bezeichnet). Als Alternative, wie in 2 dargestellt, kann die Spaltbreite entlang der Länge der Verfeinerungskammer variieren. Vorzugsweise ist die Verfeinerungskammer innen innerhalb der Verfei nerungsvorrichtung enger; z. B. wie in 2 gezeigt, ist die Spaltbreite 33 an der Stelle der Luftmesser die engste Breite und die Verfeinerungskammer dehnt sich in ihrer Breite entlang ihrer Länge in Richtung der Ausgangsöffnung 34 aus, z. B. in einem Winkel β. Eine solche innere Verengung innerhalb der Verfeinerungskammer 24, gefolgt von einer Ausweitung, schafft einen Venturi-Effekt, der die Luftmasse, die in die Kammer geleitet wird, erhöht und die Geschwindigkeit der Filamente, die durch die Kammer laufen, steigert. In einer anderen Ausführungsform ist die Verfeinerungskammer durch gerade oder flache Wände definiert; in solchen Ausführungsformen kann der Abstand zwischen den Wänden über ihre Länge konstant sein oder als Alternative können die Wände über die axiale Länge der Verfeinerungskammer leicht auseinanderlaufen oder zusammenlaufen. In all diesen Fällen werden die Wände, welche die Verfeinerungskammer definieren, hier als parallel bezeichnet, da die Abweichung von einer genauen Parallelität verhältnismäßig leicht ist. Wie in 2 dargestellt, können die Wände, die den Hauptabschnitt der longitudinalen Länge des Durchganges 24 definieren, die Form von Platten 36 annehmen, die getrennt vom Hauptkörperabschnitt 28 sind und an diesem befestigt sind.
Die Länge der Verfeinerungskammer 24 kann variiert werden, um verschiedene Effekte zu erzielen; Variation ist besonders nützlich bei dem Abschnitt zwischen den Luftmessern 32 und der Ausgangsöffnung 34, welcher hier manchmal als Rutschenlänge 35 bezeichnet wird. Der Winkel zwischen den Kammerwänden und der Achse 26 kann in der Nähe des Ausgangs 34 größer sein, um die Verteilung von Fasern auf der Sammelvorrichtung zu verändern und die Turbulenz und Muster des Stromfeldes am Ausgang der Verfeinerungsvorrichtung zu verändern. Strukturen wie Ablenkflächen, Coanda-gebogene Flächen und ungleiche Wandlängen können ebenfalls beim Ausgang verwendet werden, um ein gewünschtes Stromkraftfeld sowie eine Ausbreitung oder andere Verteilung von Fasern zu erreichen. Im Allgemeinen werden die Spaltbreite, Rutschenlänge, die Form der Verfeinerungskammer usw. in Verbindung mit dem zu verarbeitenden Material und der Art der Behandlung ausgewählt, die gewünscht ist, um gewünschte Effekte zu erreichen. Zum Beispiel können längere Rutschenlängen nützlich sein, um die Kristallinität von hergestellten Fasern zu erhöhen. Die Bedingungen werden ausgewählt und können weitgehend variiert werden, um die extrudierten Filamente zu einer gewünschten Faserform zu verarbeiten.
Wie in 3 dargestellt, sind die zwei Seiten 16a und 16b der dargestellten Verfeinerungsvorrichtung 16 jeweils durch Befestigungsblöcke 37 unterstützt, die an linearen Auflagern 38 befestigt sind, welche auf Stangen 39 gleiten. Das Auflager 38 weist einen Betätigungsweg mit wenig Reibung auf der Stange auf durch Mittel, wie z. B. sich axial erstreckende Reihen von Kugellagern, die radial um die Stange angeordnet sind, wobei die Seiten 16a und 16b sich leicht zueinander und auseinander bewegen können. Die Befestigungsblöcke 37 sind am Körper der Verfeinerungsvorrichtung 28 und einem Gehäuse 40 befestigt, durch welches Luft aus einem Anschlussrohr 41 zu den Leitungen 31 und den Luftmessern 32 verteilt wird.
In dieser beispielhaften Ausführungsform sind die Luftzylinder 43a und 43b jeweils mit den Seiten 16a und 16b der Verfeinerungsvorrichtung durch Verbindungsstangen 44 verbunden und üben eine Schließkraft aus, wodurch die Seiten 16a und 16b der Verfeinerungsvorrichtung zueinander gedrückt werden. Die Schließkraft wird in Verbindung mit den anderen Betriebsparametern ausgewählt, um den Druck, der innerhalb der Verfeinerungskammer 24 herrscht, auszugleichen. Mit anderen Worten ist unter bevorzugten Betriebsbedingungen die Schließkraft in Balance oder im Gleichgewicht mit der Kraft, die innen innerhalb der Verfeinerungskammer wirkt, um die Seiten der Verfeinerungsvorrichtung auseinander zu drücken, z. B. die Kraft, die durch den Gasdruck innerhalb der Verfeinerungsvorrichtung geschaffen wird. Filamentmaterial kann extrudiert, durch die Verfeinerungsvorrichtung geführt und als fertige Fasern gesammelt werden, während die Teile der Verfeinerungsvorrichtung in ihrem eingestellten Gleichgewicht oder ihrer Beharrungsposition bleiben und die Verfeinerungskammer oder der Durchgang 24 in seinem eingestellten Gleichgewicht oder seiner Beharrungs-Spaltbreite bleibt.
Während des Betriebes der beispielhaften Vorrichtung, die in 1–3 dargestellt ist, findet eine Bewegung der Seiten der Verfeinerungsvorrichtung oder der Kammerwände im Allgemeinen nur statt, wenn es eine Störung des Systems gibt. Eine solche Störung kann auftreten, wenn ein Filament, das verarbeitet wird, bricht oder sich mit einem anderen Filament oder einer anderen Faser verschlingt. Solche Brüche oder Verschlingungen werden oft von einem Anstieg des Drucks innerhalb der Verfeinerungskammer 24 begleitet, z. B. da das vordere Ende des Filamentes, das vom Extrusionskopf kommt, oder die Verschlingung vergrößert wird und eine lokale Blockade der Kammer 24 erzeugt. Der erhöhte Druck kann ausreichend sein, um die Seiten der Verfeinerungsvorrichtung oder Kammerwände 16a und 16b dazu zwingen, sich weg voneinander zu bewegen. Bei dieser Bewegung der Kammerwände kann das Ende des hereinkommenden Filamentes oder die Verschlingung durch die Verfeinerungsvorrichtung treten, wobei der Druck in der Verfeinerungskammer 24 zu seinem Beharrungswert vor der Störung zurückkehren kann und der Schließdruck, der von den Luftzylindern 43 ausgeübt wird, die Seiten der Verfeinerungsvorrichtung in ihre Beharrungsposition zurückbringt. Andere Störungen, die einen Druckanstieg in der Verfeinerungskammer hervorrufen können, umfassen "Tropfen", d. h. kugelförmige flüssige Stücke von faserbildendem Material, die bei Unterbrechung eines extru dierten Filamentes vom Ausgang des Extrusionskopfes fallen, oder Ansammlungen von extrudiertem Filamentmaterial, das sich verhängen und an den Wänden der Verfeinerungskammer anhängen kann oder an vorher abgelegtes, faserbildendes Material.
In der Folge "schwebt" eine der Seiten 16a und 16b der Verfeinerungsvorrichtung oder beide, d. h. sie werden nicht durch irgendeine Struktur an der Stelle gehalten, sondern sind für eine freie und leichte Bewegung lateral in Richtung der Pfeile 50 in 1 angebracht. In einer bevorzugten Anordnung sind die einzigen Kräfte, die außer Reibung und Schwerkraft auf die Seiten der Verfeinerungsvorrichtung wirken, die Vorspannungskraft, die durch die Luftzylinder ausgeübt wird, und der innere Druck, der innerhalb der Verfeinerungskammer 24 erzeugt wird. Andere Spannmittel als der Luftzylinder können verwendet werden, wie z. B. Feder(n), Verformung eines elastischen Materials oder Nocken; aber der Luftzylinder bietet eine gewünschte Steuerung oder Variabilität.
Viele Alternativen sind erhältlich, um eine gewünschte Bewegung der Verarbeitungskammerwand(-wände) zu verursachen oder zu erlauben. Zum Beispiel kann, anstatt sich auf den Fluiddruck zu verlassen, um die Wand (Wände) der Verarbeitungskammer auseinander zu drücken, ein Sensor innerhalb der Kammer (z. B. ein Laser oder Wärmesensor, der einen Stau an den Wänden oder ein Verstopfen der Kammer feststellt) verwendet werden, um einen servomechanischen Mechanismus zu aktivieren, der die Wand (Wände) trennt und sie dann in ihre Beharrungsposition zurückbringt. In einer anderen nützlichen Vorrichtung der Erfindung werden eine oder beide Seiten der Verfeinerungsvorrichtung oder Kammerwände in einem oszillierenden Muster angetrieben, z. B. durch ein servomechanisches, vibrierendes oder Ultraschallantriebsgerät. Die Oszillationsrate kann über weite Bereiche variieren, zum Beispiel von mindestens 5000 Perioden pro Minute bis 60000 Perioden pro Sekunde.
In einer noch anderen Variation nimmt das Bewegungsmittel sowohl zum Trennen der Wände als auch zum Zurückbringen in ihre Beharrungsposition einfach die Form eines Unterschiedes zwischen dem Fluiddruck innerhalb der Verarbeitungskammer und dem Umgebungsdruck, der auf die Außenseite der Kammerwände wirkt, an. Genauer gesagt ist während des Beharrungsbetriebes der Druck innerhalb der Verarbeitungskammer (eine Summierung der verschiedenen Kräfte, die innerhalb der Verarbeitungskammer wirken und zum Beispiel durch die innere Form der Verarbeitungskammer, das Vorhandensein, die Anordnung und Ausführung von Luftmessern, die Geschwindigkeit eines Fluidstroms, der in die Kammer eintritt, usw. entstehen) in Balance mit dem Umgebungsdruck, der auf die Außenseite der Kammerwände wirkt. Wenn der Druck innerhalb der Kammer auf Grund einer Störung des Faserbildungsprozesses ansteigt, bewegen sich eine oder beide Kammerwände weg von der anderen Wand, bis die Störung beendet ist, wobei der Druck innerhalb der Verarbeitungskammer auf ein Maß verringert wird, das kleiner als der Beharrungsdruck ist (weil die Spaltbreite zwischen den Kammerwänden größer ist als beim Beharrungsbetrieb). Dabei drückt der Umgebungsdruck, der auf die Außenseite der Kammerwände wirkt, die Kammerwand (-wände) zurück, bis der Druck innerhalb der Kammer in Balance mit dem Umgebungsdruck ist, und es tritt Beharrungsbetrieb ein. Fehlende Steuerung über die Vorrichtung und die Verarbeitungsparameter kann die bloße Abhängigkeit von Druckunterschieden zu einer weniger wünschenswerten Option machen.
In Summe ist die Wand (sind die Wände) der Verarbeitungskammer, außer dass sie sofort beweglich sind und in manchen Fällen "schweben", auch im Allgemeinen Mitteln unterworfen, die sie dazu bringen, sich auf eine gewünschte Art zu bewegen. Die Wände können als allgemein, z. B. physisch oder betrieblich, mit Mitteln verbunden angesehen werden, die eine gewünschte Bewegung der Wände verursachen. Das Bewegungsmittel kann irgendein Merkmal der Verarbeitungskammer oder einer assoziierten Vorrichtung oder eine Betriebsbedingung oder eine Kombination daraus sein, welche die beabsichtigte Bewegung der beweglichen Kammerwände hervorruft – die Bewegung auseinander, z. B. um eine Störung im Faserbildungsprozess zu verhindern oder zu erleichtern, und die Bewegung zusammen, z. B. um den Beharrungszustand der Kammer herzustellen oder wiederherzustellen.
In der Ausführungsform, die in 1–3 dargestellt ist, ist die Spaltbreite 33 der Verfeinerungskammer 24 verknüpft mit dem Druck, der innerhalb der Kammer herrscht, oder mit der Fluiddurchflussrate durch die Kammer und der Fluidtemperatur. Die Spannkraft entspricht dem Druck innerhalb der Verfeinerungskammer und variiert in Abhängigkeit von der Spaltbreite der Verfeinerungskammer: Je enger die Spaltbreite für eine gegebene Fluiddurchflussrate ist, desto höher ist der Druck innerhalb der Verfeinerungskammer und desto höher muss die Spannkraft sein. Niedrigere Spannkräfte erlauben eine breitere Spaltbreite. Mechanische Sperren, z. B. Stoßstrukturen an einer oder beiden Seiten 16a und 16b der Verfeinerungsvorrichtung, können verwendet werden, um sicherzustellen, dass minimale oder maximale Spaltbreiten eingehalten werden.
In einer nützlichen Anordnung übt der Luftzylinder 43a eine größere Spannkraft aus als der Zylinder 43b, indem z. B. in Zylinder 43a ein Kolben mit größerem Durchmesser als bei Zylinder 43b verwendet wird. Dieser Kraftunterschied macht die Seite 16b der Verfeinerungsvorrichtung zu der Seite, die dazu neigt, sich am leichtesten zu bewegen, wenn eine Störung während des Betriebes auftritt. Der Kraftunterschied ist etwa gleich wie und kompensiert die Reibungskräfte, die einer Bewegung der Auflager 38 auf den Stangen 39 widerstehen. Begrenzungsmittel können am größeren Luftzylinder 43a angebracht werden, um die Bewegung der Seite 16a der Verfeinerungsvorrichtung zur Seite 16b der Verfeinerungsvorrichtung zu beschränken. Ein beispielhaftes Begrenzungsmittel, wie in 3 gezeigt, verwendet als Luftzylinder 43a einen Doppelstangen-Luftzylinder, in dem die zweite Stange 46 ein Gewinde aufweist, sich durch eine Befestigungsplatte 47 erstreckt und eine Mutter 48 trägt, die so eingestellt werden kann, dass sie die Position des Luftzylinders festlegt. Die Einstellung der Begrenzungsmittel, z. B. durch Drehen der Mutter 48, ordnet die Verfeinerungskammer 24 in Übereinstimmung mit dem Extrusionskopf 10 an.
Auf Grund der beschriebenen sofortigen Trennung und Schließung der Seiten 16a und 16b der Verfeinerungsvorrichtung werden die Betriebsparameter für einen Faserbildungsvorgang ausgedehnt. Manche Bedingungen, die früher den Prozess undurchführbar gemacht hätten – z. B. weil sie zum Brechen von Filamenten geführt hätten, was ein Stoppen zum Wiedereinfädeln erfordert hätte, – werden akzeptabel; beim Brechen von Filamenten findet das Wiedereinfädeln des hereinkommenden Filamentendes im Allgemeinen automatisch statt. Zum Beispiel können höhere Geschwindigkeiten, die zum häufigen Brechen von Filamenten führen, verwendet werden. Ähnlich dazu können enge Spaltbreiten, die dazu führen, dass die Luftmesser genauer eingerichtet sind und mehr Kraft und größere Geschwindigkeit auf die Filamente ausüben, die durch die Verfeinerungsvorrichtung laufen, verwendet werden. Oder Filamente können in einem mehr geschmolzenen Zustand in die Verfeinerungskammer eingeführt werden, wodurch eine größere Steuerung der Fasereigenschaften ermöglicht wird, da die Gefahr des Verstopfens der Verfeinerungskammer verringert wird. Die Verfeinerungsvorrichtung kann näher zu oder weiter weg vom Extrusionskopf bewegt werden, um unter anderem die Temperatur der Filamente zu steuern, wenn sie in die Verfeinerungskammer eintreten.
Obwohl die Kammerwände der Verfeinerungsvorrichtung 16 als allgemein monolithische Strukturen gezeigt werden, können sie auch die Form einer Anordnung von einzelnen Teilen annehmen, von denen jeder für die beschriebene sofortige oder schwebende Bewegung montiert wird. Die einzelnen Teile, die eine Wand ausmachen, greifen durch Abdichtungsmittel ineinander, um den inneren Druck innerhalb der Verarbeitungskammer 24 aufrecht zu erhalten. In einer anderen Anordnung bilden flexible Blätter eines Materials, wie z. B. Gummi oder Plastik, die Wände der Verarbeitungskammer 24, wodurch die Kammer sich lokal bei einem lokalisierten Druckanstieg (z. B. auf Grund einer Verstopfung, die durch Brechen eines einzelnen Filamentes oder einer Gruppe von Filamenten hervorgerufen wird) verformen. Eine Reihe oder ein Gitter von Lenkmitteln kann in die segmentierte oder flexible Wand eingreifen; es werden genügend Lenkmittel verwendet, um auf lokalisierte Verformungen zu reagieren und einen verformten Abschnitt der Wand zurück in seine unverformte Position zu lenken. Als Alternative kann eine Reihe oder ein Gitter von Oszilliermitteln in die flexible Wand eingreifen und lokale Bereiche der Wand oszillieren. Oder es kann, wie oben besprochen, ein Unterschied zwischen dem Fluiddruck innerhalb der Verarbeitungskammer und dem Umgebungsdruck, der auf die Wand oder einen lokalisierten Abschnitt der Wand wirkt, verwendet werden, um das Öffnen eines Abschnittes der Wand (Wände), z. B. während einer Störung im Prozess, zu verursachen und die Wand (Wände) in ihre unverformte oder Beharrungsposition zurück zu bringen, z. B. wenn die Störung beendet ist. Der Fluiddruck kann auch gesteuert werden, um einen andauernden Zustand der Oszillation einer flexiblen oder segmentierten Wand hervorzurufen.
Wie in der bevorzugten Ausführungsform einer Verarbeitungskammer, wie sie in 2 und 3 dargestellt ist, zu sehen ist, gibt es an den Enden der Querlängen der Kammer keine Seitenwände. Die Folge ist, dass Fasern, die durch die Kammer laufen, sich nach außen außerhalb der Kammer verteilen können, wenn sie sich dem Ausgang der Kammer nähern. Eine solche Verteilung kann erwünscht sein, um die Masse an Fasern, die auf der Sammelvorrichtung gesammelt wird, zu verbreitern. In anderen Ausführungsformen umfasst die Verarbeitungskammer Seitenwände, obwohl eine einzelne Seitenwand an einem Querende der Kammer nicht an beiden Kammerseiten 16a und 16b befestigt ist, da ein Befestigen an beiden Kammerseiten die Trennung der Seiten verhindern würde, wie oben besprochen. Stattdessen kann eine Seitenwand (können Seitenwände) an einer Kammerseite befestigt sein und sich mit jener Seite bewegen, wenn und falls sie sich in Folge von Veränderungen des Drucks innerhalb des Durchganges bewegt. In anderen Ausführungsformen sind die Seitenwände geteilt, wobei ein Abschnitt an einer Kammerseite befestigt ist und der andere Abschnitt an der anderen Kammerseite befestigt ist, wobei die Seitenwandabschnitte vorzugsweise überlappen, wenn es gewünscht ist, um den Strom der verarbeiteten Fasern innerhalb der Verarbeitungskammer zu begrenzen.
Obwohl Vorrichtungen wie gezeigt, bei denen die Wände sofort beweglich sind, stark bevorzugt sind, kann die Erfindung – im Allgemeinen weniger bequem und weniger effizient – auch mit Vorrichtungen umgesetzt werden, bei denen Verarbeitungskammern verwendet werden, wie sie nach dem Stand der Technik gelehrt werden, bei denen die Wände, welche die Verarbeitungskammer definieren, in einer fixen Position sind.
Eine große Zahl verschiedener faserbildender Materialien kann verwendet werden, um Faserstoffe der Erfindung herzustellen. Es können entweder organische Polymermaterialien oder anorganische Materialien, wie z. B. Glas- oder Keramikmaterialien, verwendet werden. Obwohl die Erfindung besonders nützlich mit faserbildenden Materialien in geschmolzener Form ist, können andere faserbildende Flüssigkeiten, wie z. B. Lösungen oder Suspensionen, ebenfalls verwendet werden. Sämtliche faserbildenden organischen Polymermaterialien können verwendet werden, umfassend die Polymere, die allgemein bei der Faserbildung verwendet werden, wie z. B. Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Nylon und Urethane. Manche Polymere oder Materialien, die schwieriger durch Spinnbinde- oder Schmelzblastechniken zu Fasern zu formen sind, können verwendet werden, umfassend amorphe Polymere, wie z. B. zyklische Olefine (die eine hohe Schmelzviskosität aufweisen, welche ihre Verwendbarkeit in herkömmlichen Direktextrusionstechniken begrenzt), Blockcopolymere, Polymere auf Styrenbasis, Polycarbonate, Akryle, Polyakrylnitrile und Klebstoffe (umfassend Kontaktvarianten und Heißschmelzvarianten). (In Bezug auf Blockcopolymere kann angemerkt werden, dass die einzelnen Blöcke der Copolymere in ihrer Morphologie variieren können, wie z. B. wenn ein Block kristallin oder halbkristallin ist und der andere Block amorph ist; die Variation in der Morphologie, die Fasern der Erfindung aufweisen, ist keine solche Variation, sondern ist eher eine Makroeigenschaft, bei der einige Moleküle an der Bildung eines im Allgemeinen physikalisch erkennbaren Abschnittes einer Faser teilnehmen.) Die speziellen Polymere, die hier aufgelistet sind, sind nur Beispiele und eine große Zahl verschiedener anderer polymerer und faserbildender Materialien ist verwendbar. Interessanterweise können Faserbildungsprozesse der Erfindung, bei denen geschmolzene Polymere verwendet werden, oft bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt werden als traditionelle Direktextrusionstechniken, was viele Vorteile bietet.
Fasern können auch aus Materialmischungen gebildet werden, umfassend Materialien, in die bestimmte Zusatzstoffe, wie z. B. Pigmente oder Farbstoffe, gemischt worden sind. Wie oben angemerkt, können Zweikomponentenfasern, wie z. B. Hülle-Kern- oder Seite-an-Seite-Zweikomponentenfasern, hergestellt werden ("Zweikomponenten-" umfasst hier Fasern mit mehr als zwei Kompo nenten). Außerdem können verschiedene faserbildende Materialien durch verschiedene Öffnungen des Extrusionskopfes extrudiert werden, um Stoffe herzustellen, die eine Mischung aus Fasern umfassen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung werden andere Materialien in einen Strom von Fasern, die gemäß der Erfindung hergestellt werden, eingeführt, bevor oder während die Fasern gesammelt werden, um einen gemischten Stoff herzustellen. Zum Beispiel können andere Stapelfasern auf die Art zugemischt werden, wie in US-Patentschrift 4,118,531 gelehrt; oder partikuläres Material kann eingeführt und innerhalb des Stoffes gefangen werden auf die Art, wie in US-Patentschrift 3,971,373 gelehrt; oder Mikrobahnen, wie in US-Patentschrift 4,813,948 gelehrt, können in die Stoffe gemischt werden. Als Alternative können Fasern, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, in einen Strom von anderen Fasern eingeführt werden, um eine Fasermischung herzustellen.
Neben der Variation in der Orientierung zwischen Fasern und Segmenten, wie oben besprochen, können Stoffe und Fasern der Erfindung andere einzigartige Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel sind in manchen gesammelten Stoffen Fasern zu finden, die unterbrochen, d. h. gebrochen oder mit sich selbst oder mit anderen Fasern verschlungen, sind oder auf andere Weise verformt, wie durch Eingreifen in eine Wand der Verarbeitungskammer. Die Fasersegmente an der Stelle der Unterbrechung – d. h. die Fasersegmente am Punkt eines Faserbruchs, und die Fasersegmente, in denen eine Verschlingung oder Verformung auftritt – werden hier alle als unterbrechendes Fasersegment bezeichnet, oder werden allgemeiner aus Gründen der Kürze oft einfach als "Faserenden" bezeichnet: diese unterbrechenden Fasersegmente bilden den Abschluss oder das Ende einer unbetroffenen Faserlänge, obwohl es im Falle von Verschlingungen oft keinen tatsächlichen Bruch oder keine Abtrennung der Faser gibt.
Die Faserenden weisen eine Faserform auf (im Gegensatz zu einer runden Form, wie sie manchmal beim Schmelzblasen oder anderen bisherigen Verfahren erzielt wird), weisen aber üblicherweise einen vergrößerten Durchmesser über die mittleren oder Zwischenabschnitte der Faser auf; üblicherweise ist ihr Durchmesser kleiner als 300 Mikrometer. Oft haben die Faserenden, besonders gebrochene Enden, eine gekräuselte oder spiralige Gestalt, was dazu führt, dass sich die Enden mit sich selbst oder mit anderen Fasern verschlingen. Und die Faserenden können Seite-an-Seite mit anderen Fasern verbunden werden, z. B. durch autogenes Vereinigen von Material des Faserendes mit Material einer benachbarten Faser.
Faserenden, wie beschrieben, entstehen auf Grund des einzigartigen Charakters des Faserbildungsprozesses, wie in 1–3 dargestellt, der (wie später genauer besprochen wird) trotz Brüchen und Unterbrechungen bei der Bildung einzelner Fasern fortgesetzt werden kann. Solche Faserenden kommen vielleicht nicht in allen gesammelten Stoffen der Erfindung vor, können aber mindestens an manchen nützlichen Betriebsprozessparametern auftreten. Einzelne Fasern können einer Unterbrechung unterworfen werden, z. B. können sie brechen, während sie in die Verarbeitungskammer gezogen werden, oder können sich mit sich selbst oder anderen Fasern verschlingen, weil sie von der Wand der Verarbeitungskammer abgeleitet worden sind oder als Folge von Turbulenzen innerhalb der Verarbeitungskammer; aber trotz einer derartigen Unterbrechung geht der Faserbildungsprozess der Erfindung weiter. Das Ergebnis ist, dass der gesammelte Stoff eine signifikante und feststellbare Zahl der Faserenden oder unterbrechenden Fasersegmente aufweisen kann, wo es eine Unregelmäßigkeit in der Faser gibt. Da die Unterbrechung typischerweise in oder nach der Verarbeitungskammer stattfindet, wo die Fasern typischerweise Zugkräften unterworfen werden, stehen die Fasern unter Spannung, wenn sie brechen, sich verschlingen oder verformen. Der Bruch oder die Verschlingung führt im Allgemeinen zu einer Unterbrechung oder einem Nachlassen von Spannung, was den Faserenden erlaubt, sich zurückzuziehen und ihren Durchmesser zu vergrößern. Außerdem sind gebrochene Enden frei, sich innerhalb der Fluidströme in der Verarbeitungskammer zu bewegen, was mindestens in manchen Fällen zu einem Verdrehen der Enden zu einer Spiralform und Verschlingen mit anderen Fasern führt. Stoffe, die Fasern mit vergrößerten Faserenden aufweisen, können den Vorteil haben, dass die Faserenden ein leichter erweichtes Material aufweisen, das angepasst ist, die Verbindung eines Stoffes zu erhöhen; und die Spiralform kann die Kohärenz des Stoffes erhöhen. Obwohl sie in Faserform sind, weisen die Faserenden einen größeren Durchmesser auf als Zwischenabschnitte oder mittlere Abschnitte. Die unterbrechenden Fasersegmente, oder Faserenden, treten im Allgemeinen in einer geringen Menge auf. Der dazwischen liegende Hauptabschnitt der Fasern ("Mitten" umfassend "mittlere Segmente") weisen die oben angeführten Eigenschaften auf. Die Unterbrechungen sind isoliert und unregelmäßig, d. h. sie treten nicht in einer regelmäßigen, sich wiederholenden oder vorbestimmten Weise auf.
Die in der Mitte gelegenen longitudinalen Segmente, die oben besprochen wurden (hier oft einfach als longitudinale Segmente oder mittlere Segmente bezeichnet) unterscheiden sich von den eben besprochenen Faserenden unter anderem darin, dass die longitudinalen Segmente im Allgemeinen denselben oder ähnlichen Durchmesser wie benachbarte longitudinale Segmente aufweisen. Obwohl die Kräfte, die auf benachbarte longitudinale Segmente wirken, stark unterschiedlich voneinander sein können, um die angeführten Unterschiede in der Morphologie zwischen den Segmenten hervorzurufen, sind die Kräfte nicht so unterschiedlich, dass sie den Durchmesser oder das Zugverhältnis der benachbarten longitudinalen Segmente innerhalb der Fasern wesentlich ändern könnten. Vorzugsweise unterscheiden sich benachbarte longitudinale Segmente im Durchmesser um nicht mehr als etwa 10 Prozent. Allgemeiner gesprochen, variieren bestimmte Längen – wie z. B. fünf Zentimeter oder mehr – von Fasern in Stoffen der Erfindung im Durchmesser um nicht mehr als etwa 10 Prozent. Eine solche Gleichmäßigkeit im Durchmesser ist vorteilhaft, zum Beispiel weil sie zu einer Gleichmäßigkeit von Eigenschaften innerhalb des Stoffes beiträgt und einen bauschigen Stoff geringer Dichte ermöglicht. Eine solche Gleichmäßigkeit der Eigenschaften und der Bauschigkeit wird weiter verbessert, wenn Stoffe der Erfindung ohne eine wesentliche Verformung von Fasern verbunden werden, wie es beim Punktverbinden oder Kalandrieren eines Stoffes vorkommen kann. Über die gesamte Länge der Faser kann der Durchmesser (tut dies aber vorzugsweise nicht) im Wesentlichen um mehr als 10 Prozent variieren; aber die Veränderung ist allmählich, so dass benachbarte longitudinale Segmente denselben oder ähnlichen Durchmesser aufweisen. Die longitudinalen Segmente können in ihrer Länge stark variieren, von sehr kurzen Längen, so lange wie ein Faserdurchmesser (z. B. etwa 10 Mikrometer), bis zu längeren Längen, wie z. B. 30 Zentimeter oder mehr. Oft sind die longitudinalen Segmente weniger als etwa zwei Millimeter lang.
Obwohl benachbarte longitudinale Segmente sich in Stoffen der Erfindung möglicherweise nicht stark im Durchmesser unterscheiden, kann es von Faser zu Faser eine deutliche Variation im Durchmesser geben. Insgesamt kann eine bestimmte Faser starke Unterschiede zu einer anderen Faser im Aggregat von Kräften, die auf die Faser wirken, erfahren, und diese Unterschiede können dazu führen, dass der Durchmesser und das Zugverhältnis der bestimmten Faser sich von jenen von anderen Fasern unterscheiden. Fasern mit größerem Durchmesser neigen dazu, ein kleineres Zugverhältnis und eine weniger entwickelte Morphologie aufzuweisen als Fasern mit kleinerem Durchmesser. Fasern mit größerem Durchmesser können in Verbindevorgängen aktiver sein als Fasern mit kleinerem Durchmesser, insbesondere in autogenen Verbindevorgängen. Innerhalb eines Stoffes kann die überwiegende Verbindung durch Fasern mit größeren Durchmessern erreicht werden. Allerdings haben wir auch Stoffe beobachtet, in denen das Verbinden eher zwischen Fasern mit kleinem Durchmesser stattzufinden scheint. Der Bereich von Faserdurchmessern innerhalb einer Bahn kann üblicherweise durch Steuerung der verschiedenen Parameter des Faserbildungsvorganges gesteuert werden. Enge Bereiche von Durchmessern sind oft bevorzugt, zum Beispiel um Eigenschaften des Stoffes gleichmäßiger zu machen und die Wärme zu minimieren, die auf den Stoff angewendet wird, um eine Verbindung zu erreichen.
Obwohl Unterschiede in der Morphologie innerhalb eines Stoffes in ausreichendem Maß für eine verbesserte Verbindung vorkommen, können die Fasern auch ausreichend in ihrer Morphologie entwickelt sein, um gewünschte Festigkeitseigenschaften, Dauerhaftigkeit und Dimensionsstabilität bereitzustellen. Die Fasern selbst können fest sein und die verbesserten Verbindungen, die auf Grund der aktiveren Verbindungssegmente und Fasern erreicht werden, verbessern die Stofffestigkeit weiter. Die Kombination aus guter Stofffestigkeit mit verbesserter Bequemlichkeit und Leistung von Verbindungen erzielt eine gute Nutzbarkeit für Stoffe der Erfindung. Im Falle von kristallinen und halbkristallinen Polymermaterialien stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung Vliesfaserstoffe bereit, welche kettenverlängerte kristalline Strukturen (auch dehnungsinduzierte Kristallisation genannt) in den Fasern aufweisen, wodurch Festigkeit und Stabilität des Stoffes erhöht werden (kettenverlängerte Kristallisation sowie andere Arten von Kristallisation können durch Röntgenanalyse festgestellt werden). Die Kombination jener Struktur mit autogenen Verbindungen, manchmal den Umfang durch tretenden Verbindungen, ist ein weiterer Vorteil. Die Fasern des Stoffes können eher gleichmäßig im Durchmesser über den größten Teil ihrer Länge und unabhängig von anderen Fasern sein, um Stoffe mit gewünschten Bauschigkeitseigenschaften zu erreichen. Bauschigkeiten von 90 Prozent (das Gegenteil von Dichtigkeit und umfassend das Verhältnis des Volumens der Luft in einem Stoff zum Gesamtvolumen des Stoffes, multipliziert mit 100) oder mehr können erreicht werden und sind für viele Zwecke nützlich, wie z. B. Filtration und Isolierung. Sogar die weniger orientierten Fasersegmente haben vorzugsweise eine gewisse Orientierung erfahren, welche die Faserfestigkeit entlang der gesamten Länge der Faser verbessert.
In Summe umfassen Faserstoffe der Erfindung im Allgemeinen Fasern, welche longitudinale Segmente aufweisen, die sich voneinander in ihrer Morphologie und den daraus folgenden Verbindungseigenschaften unterscheiden und die auch Faserenden umfassen können, die eine Morphologie und Verbindungseigenschaften aufweisen, die sich von jenen von mindestens einigen anderen Segmenten in den Fasern unterscheiden; und die Faserstoffe können auch Fasern umfassen, die sich voneinander im Durchmesser unterscheiden und Unterschiede in Morphologie und Verbindungseigenschaften zu anderen Fasern innerhalb des Stoffes aufweisen.
Andere faserbildende Materialien, die nicht kristallin sind, können dennoch von hohen Graden an Orientierung profitieren. Zum Beispiel bieten nicht kristalline Formen von Polykarbonat, Polymethylmethakrylat und Polystyren, wenn sie stark orientiert sind, verbesserte mechanische Eigenschaften. Die Morphologie von Fasern aus solchen Polymeren kann entlang der Länge der Faser variieren, zum Beispiel von amorph zu geordnet amorph zu orientiert amorph und zu verschiedenen Graden von Ordnung oder Orientierung. (Anmeldung Seriennr. 10/151,780, eingereicht am 20. Mai 2002 (Attorney's Docket Nr. 57738US002) betrifft insbesondere amorphe Vliesfaserstoffe und Verfahren für deren Herstellung.)
Die endgültige Morphologie der Polymerketten in den Filamenten kann sowohl durch das turbulente Feld als auch durch die Auswahl von anderen Betriebsparametern beeinflusst werden, wie z. B. Grad der Verdichtung von Filamenten, die in die Verfeinerungsvorrichtung eintreten, Geschwindigkeit und Temperatur des Luftstroms, der durch die Luftmesser in die Verfeinerungsvorrichtung eingeführt wird, und axiale Länge, Spaltbreite und Form (weil die Form zum Beispiel den Venturi-Effekt beeinflusst) des Durchganges der Verfeinerungsvorrichtung.
Die besten Verbindungen werden erreicht, wenn das Verbindungssegment ausreichend fließt, um eine den Umfang durchtretende Art von Verbindung zu bilden, wie in den schematischen Zeichnungen 4a und 4b dargestellt. Solche Verbindungen entwickeln einen extensiveren Kontakt zwischen verbundenen Fasern, und die vergrößerte Kontaktfläche erhöht die Festigkeit der Verbindung. 4a stellt eine Verbindung dar, in der eine Faser oder ein Segment 52 sich verformt, während eine andere Faser oder ein anderes Segment 53 im Wesentlichen ihre/seine Querschnittsform beibehält. 4b stellt eine Verbindung dar, in der zwei Fasern 55 und 56 verbunden sind und jede sich in ihrer Querschnittsform verformt. Sowohl in 4a als auch in 4b sind den Umfang durchtretende Verbindungen gezeigt: die gestrichelte Linie 54 in 4a zeigt die Form, welche die Faser 52 ohne die Verformung hätte, die durch das Durchtreten der Faser 53 hervorgerufen wird; und die gestrichelten Linien 57 und 58 in 4b zeigen die Formen, welche jeweils die Fasern 56 und 55 ohne die Verbindung hätten. 4c stellt schematisch zwei Fasern dar, die in einer Verbindung miteinander verbunden sind, die anders als eine den Umfang durchtretende Verbindung sein kann, in der Material von äußeren Teilen (z. B. einem konzentrischen Abschnitt oder Abschnitten) von einer oder mehreren der Fasern sich vereinigt hat, um die zwei Fasern miteinander zu verbinden, ohne tatsächlich den Umfang von einer der Fasern zu durchtreten.
Die Verbindungen, die in 4a bis 4c dargestellt sind, können autogene Verbindungen sein, z. B. erzielt durch Erhitzen eines Stoffes der Verbindung ohne Anwendung von Kalandrierdruck. Solche Verbindungen ermöglichen einen weicheren Griff für den Stoff und eine größere Aufrechterhaltung der Bauschigkeit unter Druck. Allerdings sind Druckverbindungen wie beim Punktverbinden oder Flächenkalandrieren auch nützlich. Verbindungen können auch durch Anwendung von Infrarot-, Laser-, Ultraschall- oder anderen Energieformen gebildet werden, die thermisch oder auf andere Weise Verbindungen zwischen Fasern aktivieren. Die Anwendung von Lösemitteln kann ebenfalls verwendet werden. Stoffe können sowohl autogene Verbindungen als auch durch Druck gebildete Verbindungen aufweisen, wie z. B. wenn der Stoff nur beschränktem Druck unterworfen wird, der nur an manchen der Verbindungen beteiligt ist. Stoffe mit autogenen Verbindungen werden hier als autogen verbunden bezeichnet, auch wenn andere Arten von durch Druck gebildeten Verbindungen auch in beschränktem Ausmaß vorliegen. Im Allgemeinen wird bei der Anwendung der Erfindung erwünschterweise ein Verbindevorgang ausgewählt, der erlaubt, dass sich manche longitudinalen Segmente erweichen und bei der Verbindung mit einer benachbarten Faser oder einem Abschnitt einer Faser aktiv sind, während andere longitudinale Segmente passiv oder inaktiv beim Erreichen von Verbindungen bleiben.
5 stellt die aktive/passive Segmenteigenschaft der Fasern dar, die in Vliesfaserstoffen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die Sammlung von Fasern, die in 5 dargestellt ist, umfasst longitudinale Segmente, die innerhalb der Grenzen von 5 entlang ihrer gesamten Länge aktiv sind, longitudinale Segmente, die entlang ihrer gesamten Länge passiv sind, und Fasern, die sowohl aktive als auch passive longitudinale Segmente umfassen. Die Abschnitte der Fasern, die schraffiert dargestellt sind, sind aktiv und die Abschnitte ohne Schraffierung sind passiv. Obwohl die Grenzen zwischen aktiven und passiven longitudinalen Segmenten für Darstellungszwecke scharf dargestellt sind, versteht es sich, dass die Grenzen in tatsächlichen Fasern sanfter sein können.
Genauer betrachtet ist Faser 62 als vollständig passiv innerhalb der Grenzen von 5 dargestellt. Faser 63 und 64 sind sowohl mit aktiven als auch mit passiven Segmenten innerhalb der Grenzen von 5 dargestellt. Faser 65 ist als vollständig aktiv innerhalb der Grenzen von 5 dargestellt. Faser 66 ist sowohl mit aktiven als auch mit passiven Segmenten innerhalb der Grenzen von 5 dargestellt. Faser 67 ist als aktiv entlang ihrer gesamten Länge dargestellt, wie in 5 zu sehen ist.
Die Schnittstelle 70 zwischen Faser 63, 64 und 65 führt typischerweise zu einer Verbindung, da alle Fasersegmente an dieser Schnittstelle aktiv sind ("Schnittstelle" bedeutet hier eine Stelle, wo Fasern einander berühren; dreidimensionale Betrachtung eines Probestoffs ist typischerweise erforderlich, um zu untersuchen, ob es eine Berührung und/oder Verbindung gibt). Die Schnittstelle 71 zwischen Faser 63, 64 und 66 führt ebenfalls typischerweise zu einer Verbindung, da Faser 63 und 64 an dieser Schnittstelle aktiv sind (obwohl Faser 66 an der Schnittstelle passiv ist). Die Schnittstelle 71 veranschaulicht das Prinzip, dass, wo ein aktives Segment und ein passives Segment einander berühren, typischerweise eine Verbindung an dieser Schnittstelle gebildet wird. Dieses Prinzip ist auch an der Schnittstelle 72 zu sehen, wo Faser 62 und 67 sich kreuzen, wobei eine Verbindung zwischen dem aktiven Segment von Faser 67 und dem passiven Segment von Faser 62 gebildet wird. Schnittstelle 73 und 74 stellen Verbindungen zwischen den aktiven Segmenten von Faser 65 und 67 (Schnittstelle 73) und den aktiven Segmenten von Faser 66 und 67 (Schnittstelle 74) dar. An der Schnittstelle 75 wird typischerweise eine Verbindung zwischen dem passiven Segment von Faser 62 und dem aktiven Segment von Faser 65 gebildet. Allerdings wird typischerweise keine Verbindung zwischen dem passiven Segment von Faser 62 und dem passiven Segment von Faser 66, die sich ebenfalls an der Schnittstelle 75 überschneiden, gebildet. Folglich veranschaulicht die Schnittstelle 75 das Prinzip, dass zwei passive Segmente in Kontakt miteinander nicht typischerweise zu einer Verbindung führen. Die Schnittstelle 76 umfasst typischerweise Verbindungen zwischen dem passiven Segment von Faser 62 und den aktiven Segmenten von Faser 63 und 64, die einander an dieser Schnittstelle treffen.
Faser 63 und 64 veranschaulichen, dass, wo zwei Fasern 63 und 64 entlang von Abschnitten ihrer Längen nebeneinander liegen, die Fasern 63 und 64 sich typischerweise verbinden, vorausgesetzt, dass eine oder beide Fasern aktiv sind (eine solche Verbindung kann während der Herstellung der Fasern stattfinden, was hier als autogene Verbindung bezeichnet wird). Folglich sind Faser 63 und 64 als zwischen den Schnittstellen 71 und 76 miteinander verbunden dargestellt, da beide Fasern über jene Distanz aktiv sind. Außerdem sind Faser 63 und 64 am oberen Ende von 5 ebenfalls verbunden, wo nur Faser 64 aktiv ist. Im Gegensatz dazu laufen am unteren Ende von 5 Faser 63 und 64 auseinander, wo beide Fasern zu passiven Segmenten übergehen.
Analytische Vergleiche können an verschiedenen Segmenten (sowohl innere Segmente als auch Faserenden) von Fasern der Erfindung durchgeführt werden, um die verschiedenen Eigenschaften und das Verhalten zu zeigen.
Eine Variation in der Dichte begleitet oft die Variation in der Morphologie von Fasern der Erfindung und die Variation in der Dichte kann typischerweise durch einen Test für Dichteabstufung entlang der Faserlänge (Test for Density Gradation Along Fiber Length)(manchmal kürzer als Graded Density Test bezeichnet) festgestellt werden, der hier definiert ist. Dieser Test basiert auf einer Dichte-Gradient-Technik, die in ASTM D1505-85 beschrieben ist. Die Technik verwendet eine Dichtegradientenröhre, d. h. einen graduierten Zylinder oder Röhre, gefüllt mit einer Lösung aus mindestens zwei Flüssigkeiten verschiedener Dichte, welche sich vermischen, um eine Dichteabstufung über die Höhe der Röhre bereitzustellen. In einem Standardtest füllt die Flüssigkeitsmischung die Röhre bis zu einer Höhe von mindestens 60 Zentimetern, um eine gewünschte allmähliche Veränderung in der Dichte der Flüssigkeitsmischung bereitzustellen. Die Dichte der Flüssigkeit sollte sich über die Höhe der Säule in einer Geschwindigkeit zwischen etwa 0,0030 und 0,0015 Gramm/Kubikzentimeter/Zentimeter Säulenhöhe verändern. Faserstücke von der Probe von Fasern oder Stoff, die getestet werden, werden in Längen von 1,0 Millimeter geschnitten und in die Röhre geworfen. Stoffe werden an mindestens drei Stellen mindestens drei Inch (7,62 Zentimeter) auseinander getestet. Die Fasern werden ohne Spannung auf einer Glasplatte ausgebreitet und mit einem Rasiermesser geschnitten. Eine Glasplatte mit 40 mm Länge, 22 mm Breite und 0,15 mm Dicke wird verwendet, um die geschnittenen Faserstücke von der Glasplatte zu kratzen, auf der sie geschnitten wurden. Die Fasern werden mit einer Betastrahlungsquelle für 30 Sekunden entionisiert, bevor sie in die Säule gegeben werden.
Die Fasern dürfen sich für 48 Stunden absetzen, bevor Messungen für Dichte und Faserposition gemacht werden. Die Stücke setzen sich in der Säule auf ihr Dichteniveau ab und sie nehmen eine Position ein, die von horizontal bis vertikal variiert, abhängig davon, ob sie in ihrer Dichte über ihre Länge variieren: Stücke mit konstanter Dichte nehmen eine horizontale Position ein, während Stücke, deren Dichte variiert, von der Horizontalen abweichen und eine eher vertikale Position einnehmen. In einem Standardtest werden zwanzig Faserstücke von einer Probe, die getestet wird, in die Dichtegradientenröhre gegeben. Manche Faserstücke können sich an der Wand der Röhre anlegen und andere Faserstücke können mit anderen Faserstücken gebündelt sein. Solche angelegten oder gebündelten Fasern werden vernachlässigt und nur freie Stücke – nicht angelegt und nicht gebündelt – werden berücksichtigt. Der Test muss wiederholt werden, wenn weniger als die Hälfte der zwanzig Stücke, die in die Säule gegeben wurden, als freie Stücke bleiben.
Winkelmessungen werden visuell auf die nächste 5-Grad-Stufe erzielt. Die Winkelanordnung von gebogenen Fasern basiert auf der Tangente am Mittelpunkt der gebogenen Fasern. Im Standardtest von Fasern oder Stoffen der Erfindung nehmen mindestens fünf der freien Stücke im Allgemeinen eine Position von mindestens dreißig Grad von der Horizontalen im Test ein. Vorzugsweise nimmt mindestens die Hälfte der freien Stücke eine solche Position ein. Noch mehr bevorzugt nehmen die Stücke (mindestens fünf und vorzugsweise mindestens die Hälfte der freien Stücke) eine Position von 45 Grad oder mehr von der Horizontalen oder sogar 60 oder 85 Grad oder mehr von der Horizontalen ein. Je größer der Winkel von der Horizontalen, desto größer sind die Unterschiede in der Dichte, was eher größeren Unterschieden in der Morphologie entspricht, wodurch ein Verbindevorgang, bei dem aktive von passiven Segmenten unterschieden werden, wahrscheinlicher und leichter durchführbar wird. Je höher auch die Anzahl von Faserstücken ist, die in einem Winkel von der Horizontalen angeordnet werden, desto stärker neigt die Variation in der Morphologie zu sein, was weiter hilft, eine gewünschte Verbindung zu erreichen.
Fasern der Erfindung, die aus kristallinen Polymeren hergestellt sind, zeigen häufig einen Unterschied in der Doppelbrechung von Segment zu Segment. Wird eine einzelne Faser durch ein Polarisationsmikroskop betrachtet und unter Anwendung des Michel-Levy-Diagramms (siehe On-Line Determination of Density and Crystallinity During Melt Spinning, Vishal Bansal et al., Polymer Engineering and Science, November 1996, Vol. 36, Nr. 2, S. 2785–2798) die Retardationszahl geschätzt, erhält man die Doppelbrechung mit der folgenden Formel: Doppelbrechung = Retardation (nm)/1000D, wobei D der Faserdurchmesser in Mikrometern ist. Wir haben herausgefunden, dass Fasern der Erfindung, die für Doppelbrechungsmessungen zugänglich sind, im Allgemeinen Segmente aufweisen, deren Doppelbrechungszahl sich um mindestens 5% und vorzugsweise mindestens 10% unterscheidet. Größere Unterschiede treten oft auf, wie durch die Arbeitsbeispiele unten gezeigt, manche Fasern der Erfindung weisen Segmente auf, deren Doppelbrechungszahl sich um 20 oder sogar 50 Prozent unterscheidet.
Verschiedene Fasern oder Abschnitte einer Faser können auch Unterschiede in den Eigenschaften aufweisen, wie durch Differentialscanningkalorimetrie (DSK) gemessen. Zum Beispiel können DSK-Tests an Stoffen der Erfindung, die kristalline oder halbkristalline Fasern aufweisen, das Auftreten von kettenverlängerter Kristallisation durch das Vorkommen einer doppelten Schmelzspitze zeigen. Eine höhere Temperaturspitze kann für den Schmelzpunkt für einen kettenverlängerten oder spannungsinduzierten, kristallinen Abschnitt erzielt werden; und eine andere, im Allgemeinen niedrigere Temperaturspitze kann beim Schmelzpunkt für einen nichtkettenverlängerten oder weniger geordneten kristallinen Abschnitt auftreten. (Der Ausdruck "Spitze" bedeutet hier jenen Abschnitt einer Erwärmungskurve, der auf einen einzelnen Prozess anwendbar ist, z. B. Schmelzen eines bestimmten molekularen Abschnittes einer Faser, wie z. B. eines kettenverlängerten Abschnittes; manchmal sind Spitzen ausreichend nahe beieinander, dass eine Spitze das Aussehen einer Schulter der Kurve, welche die andere Spitze definiert, aufweist, aber sie werden dennoch als getrennte Spitzen betrachtet, weil sie Schmelzpunkte von verschiedenen molekularen Fraktionen repräsentieren.)
In einem anderen Beispiel wurden Daten unter Verwendung von unverarbeiteten amorphen Polymeren (d. h. Pellets der Polymere, die verwendet werden, um die Fasern der vorliegenden Erfindung zu bilden), amorphen Polymerfasern, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, und den amorphen Polymerfasern der Erfindung nach einer simulierten Verbindung (Erwärmung um z. B. einen autogenen Verbindevorgang zu simulieren) gesammelt.
Ein Unterschied in den Wärmeeigenschaften zwischen den amorphen Polymerfasern, wie gebildet, und den amorphen Polymerfasern nach simulierter Verbindung lässt vermuten, dass das Verarbeiten, um die Fasern zu bilden, das amorphe Polymermaterial stark auf eine Weise beeinflusst, welche sein Verbindungsverhalten verbessert. Alle MDSK (modulierte Differentialscanningkalorimetrie) Scandarstellungen der Fasern, wie gebildet, und der Fasern nach simulierter Verbindung zeigen eine deutliche thermische Entspannung, was ein Beweis für signifikante Grade an Orientierung sowohl in den Fasern, wie gebildet, als auch in den Fasern nach simulierter Verbindung sein kann. Diese Entspannung kann zum Beispiel durch eine Verbreiterung des Glasübergangsbereiches bewiesen werden, wenn die amorphen Polymerfasern, wie gebildet, mit den amorphen Polymerfasern nach simulierter Verbindung verglichen werden. Obwohl man sich nicht an eine bestimmte Theorie binden will, kann beschrieben werden, dass Abschnitte der amorphen Poly merfasern der vorliegenden Erfindung geordnetes lokales Zusammenpacken der molekularen Strukturen aufweisen, was manchmal als starre oder geordnete amorphe Fraktion bezeichnet wird, als Folge der Kombination aus Wärmebehandlung und Orientierung der Filamente während der Faserbildung (siehe, z. B. P. P. Chiu et al., Macromolecules, 33, 9360–9366).
Das Wärmeverhalten des amorphen Polymers, das verwendet wird, um die Fasern herzustellen, war deutlich anders als das Wärmeverhalten der amorphen Polymerfasern vor oder nach einer simulierten Verbindung. Dieses Wärmeverhalten kann vorzugsweise z. B. Veränderungen im Glasübergangsbereich umfassen. Als solches kann es vorteilhaft sein, die Polymerfasern der vorliegenden Erfindung so zu charakterisieren, dass sie einen verbreiterten Glasübergangsbereich aufweisen, in dem, im Vergleich zu dem Polymer vor der Verarbeitung, sowohl die Beginntemperatur (d. h. die Temperatur, bei der das Einsetzen der Erweichung stattfindet) als auch die Endtemperatur (d. h. die Temperatur, bei der im Wesentlichen das gesamte Polymer die gummiartige Phase erreicht) des Glasübergangsbereiches für die Polymerfasern sich auf eine Weise bewegen, welche den gesamten Glasübergangsbereich erhöht. Mit anderen Worten sinkt die Beginntemperatur und die Endtemperatur steigt. In manchen Fällen kann es ausreichend sein, dass nur die Endtemperatur des Glasübergangsbereiches ansteigt.
Der verbreiterte Glasübergangsbereich kann ein breiteres Prozessfenster bereitstellen, in dem autogene Verbindung durchgeführt werden kann, während die Polymerfasern ihre Faserform beibehalten (da sich nicht das gesamte Polymer in den Fasern innerhalb des engeren Glasübergangsbereiches von bekannten Fasern erweicht). Es sollte angemerkt werden, dass der verbreiterte Glasübergangsbereich vorzugsweise gegenüber dem Glasübergangsbereich des Ausgangspolymers gemessen wird, nachdem es erhitzt und gekühlt worden ist, um Restspan nungen zu entfernen, die als Folge z. B. der Verarbeitung des Polymers zu Pellets für den Vertrieb vorhanden sein können.
Obwohl man wiederum nicht an eine Theorie gebunden sein will, kann in Betracht gezogen werden, dass Orientierung des amorphen Polymers in den Fasern zu einer Verringerung der Beginntemperatur des Glasübergangsbereiches führen kann. Am anderen Ende des Glasübergangsbereiches können jene Abschnitte der amorphen Polymerfasern, welche die starre oder geordnete amorphe Phase als Folge der Verarbeitung, wie oben beschrieben, erreichen, die erhöhte Endtemperatur des Glasübergangsbereiches bereitstellen. In der Folge können Veränderungen im Zug oder der Orientierung der Fasern während der Herstellung nützlich sein, um die Verbreiterung des Glasübergangsbereiches zu modifizieren, z. B. die Verbreiterung zu verbessern oder die Verbreiterung zu verringern.
Beim Verbinden eines Stoffes der Erfindung durch Erhitzen in einem Ofen kann die Morphologie der Fasersegmente modifiziert werden. Das Erhitzen des Ofens hat einen Tempereffekt. Während daher orientierte Fasern eine Tendenz aufweisen können, beim Erhitzen zu schrumpfen (was durch die Anwesenheit von kettenverlängerten oder anderer Arten von Kristallisation minimiert werden kann), kann der Tempereffekt des Verbindevorganges zusammen mit dem stabilisierenden Effekt der Verbindungen selbst das Schrumpfen verringern.
Der durchschnittliche Durchmesser von Fasern, die gemäß der Erfindung hergestellt werden, kann stark unterschiedlich sein. Mikrofasergrößen (etwa 10 Mikrometer oder weniger im Durchmesser) können erzielt werden und bieten einige Vorteile; aber Fasern mit größerem Durchmesser können ebenfalls hergestellt werden und sind nützlich für bestimmte Anwendungen; oft sind die Fasern 20 Mikrometer oder kleiner im Durchmesser. Fasern mit rundem Querschnitt werden am öftesten hergestellt, aber andere Querschnittsformen können auch verwendet werden. In Abhängigkeit von den gewählten Betriebsparametern, z. B. Grad der Verfestigung vom geschmolzenen Zustand vor dem Eintreten in die Verfeinerungsvorrichtung, können die gesammelten Fasern eher fortlaufend oder im Wesentlichen unterbrochen sein.
Faserbildung unter Verwendung der Vorrichtung, wie in 1–3 dargestellt, hat den Vorteil, dass Filamente mit sehr großer Geschwindigkeit verarbeitet werden können, wie es nicht bekannt ist, dass dies bisher bei direkten Stoffbildungsverfahren möglich wäre, bei denen eine Verarbeitungskammer verwendet wird, um primäre Verfeinerung von extrudiertem Filamentmaterial bereitzustellen. Zum Beispiel ist es nicht bekannt, dass Polypropylen mit scheinbaren Filamentgeschwindigkeiten von 8.000 Metern pro Minute in Verfahren verarbeitet worden ist, bei denen eine solche Verarbeitungskammer verwendet wird, aber solche scheinbaren Filamentgeschwindigkeiten sind mit einer solchen Vorrichtung möglich (der Ausdruck scheinbare Filamentgeschwindigkeit wird verwendet, weil die Geschwindigkeiten z. B. aus der Polymerfließrate, Polymerdichte und dem durchschnittlichen Faserdurchmesser berechnet werden). Es sind sogar noch höhere scheinbare Filamentgeschwindigkeiten, z. B. 10.000 Meter pro Minute oder sogar 14.000 oder 18.000 Meter pro Minute erreicht worden, und diese Geschwindigkeiten können mit vielen verschiedenen Polymeren erzielt werden. Außerdem können große Mengen an Polymer pro Öffnung im Extrusionskopf verarbeitet werden und diese großen Mengen können verarbeitet werden, während gleichzeitig extrudierte Filamente mit hoher Geschwindigkeit bewegt werden. Diese Kombination ermöglicht einen hohen Produktivitätsindex-Polymerdurchsatzrate (z. B. in Gramm pro Öffnung pro Minute) multipliziert mit der scheinbaren Geschwindigkeit der extrudierten Filamente (z. B. in Meter pro Minute). Das Verfahren der Erfindung kann leicht mit einem Produktivitätsindex von 9.000 oder mehr angewendet werden, sogar während Filamente mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 20 Mikrometern oder weniger hergestellt werden.
Verschiedene Verfahren, die herkömmlicherweise als Anhängsel für Faserbildungsverfahren verwendet werden, können in Verbindung mit Filamenten verwendet werden, wenn sie in die Verfeinerungsvorrichtung eintreten oder aus dieser austreten, wie z. B. Aufsprühen von Appreturen oder anderen Materialien auf die Filamente, Anlegen einer elektrostatischen Ladung an die Filamente, Aufbringen von Wassernebeln usw. Außerdem können verschiedene Materialien zu einem gesammelten Stoff hinzugefügt werden, umfassend Bindemittel, Klebstoffe, Appreturen und andere Stoffe oder Filme.
Obwohl es typischerweise keinen Grund gibt, das zu tun, können Filamente durch einen primären Gasstrom in der Art dessen, der bei herkömmlichen Schmelzblasvorrichtungen verwendet wird, vom Extrusionskopf geblasen werden. Solche primären Gasströme verursachen eine anfängliche Verfeinerung und ein Ziehen der Filamente.
BEISPIEL 1–4
Eine Vorrichtung, wie in 1–3 gezeigt, wurde verwendet, um vier verschiedene Faserstoffe aus Polyethylenterephthalat mit einer Eigenviskosität von 0,60 (3M PET Harz 651000) herzustellen. In jedem der vier Beispiele wurde PET auf 270°C im Extruder erhitzt (Temperatur wird im Extruder 12 in der Nähe des Ausgangs zur Pumpe 13 gemessen) und die Düse wurde auf eine Temperatur erhitzt, wie in Tabelle 1 unten aufgelistet. Der Extrusionskopf oder die Düse hatte vier Reihen mit Öffnungen und jede Reihe hatte 21 Öffnungen, was insgesamt 84 Öffnungen ergibt. Die Düse wies eine Querlänge von 4 Inch (101,6 Millimeter) auf. Der Lochdurchmesser betrug 0,035 Inch (0,889 mm) und das Länge/Durchmesser-Verhältnis betrug 6,25. Die Polymer fließrate betrug 1,6 g/Loch/Minute.
Der Abstand zwischen der Düse und der Verfeinerungsvorrichtung (Abmessung 17 in 1) betrug 15 Inch (etwa 38 Zentimeter) und der Abstand von der Verfeinerungsvorrichtung zur Sammelvorrichtung (Abmessung 21 in 1) betrug 25 Inch (etwas weniger als 64 Zentimeter). Der Luftmesserspalt (die Abmessung 30 in 2) betrug 0,030 Inch (0,762 Millimeter); der Verfeinerungskörperwinkel (α in 2) betrug 30°; Luft mit Raumtemperatur wurde durch die Verfeinerungsvorrichtung geleitet; und die Länge der Rutsche der Verfeinerungsvorrichtung (Abmessung 35 in 2) betrug 6,6 Inch (167,64 Millimeter). Das Luftmesser wies eine Querlänge (die Richtung der Länge 25 des Schlitzes in 3) von etwa 120 Millimetern auf; und der Körper 28 der Verfeinerungsvorrichtung, in dem die Aussparung für das Luftmesser gebildet war, wies eine Querlänge von etwa 152 Millimetern auf. Die Querlänge der Wand 36, die am Körper der Verfeinerungsvorrichtung befestigt war, betrug 5 Inch (127 Millimeter).

Andere Parameter der Verfeinerungsvorrichtung wurden auch variiert, wie in Tabelle 1 unten beschrieben, umfassend die Spalten oben und unten an der Verfeinerungsvorrichtung (die Abmessungen 33 und 34 in 2); und das Gesamtvolumen an Luft, das durch die Verfeinerungsvorrichtung geleitet wurde (angegeben in tatsächlichen Kubikmetern pro Minute oder ACMM (actual cubic meters per minute); etwa die Hälfte des angeführten Volumens wurde durch jedes Luftmesser 32 geleitet). TABELLE 1

Beispiel Nr.	Düsentemperatur (°C)	Oberer Spalt d. Verfeinerungsvorrichtung (mm)	Unterer Spalt d. Verfeinerungsvorrichtung (mm)	Luftstrom in der Verfeinerungsvorrichtung (ACMM)
1	270	5,74	4,52	2,35
2	270	6,15	4,44	3,31
3	270	4,62	3,68	3,93
4	290	4,52	3,68	4,81

Faserstoffe wurden auf einer herkömmlichen Sammelvorrichtung zur Bildung von porösen Stoffen in einem ungebundenen Zustand auf einem spinngebundenen Nylongitterstoff gesammelt. Die Stoffe wurden dann durch einen Ofen bei 120°C für 10 Minuten geführt, während sie auf einer Stiftplatte gehalten wurden, die verhinderte, dass der Stoff schrumpfte. Der letztere Schritt verursachte autogenes Verbinden innerhalb der Stoffe, wie in 6 dargestellt, die eine Rasterelektronenmikroskopdarstellung (150X) eines Abschnittes des Stoffes von Beispiel 1 ist.
Doppelbrechungsstudien unter Verwendung eines Polarisationsmikroskops wurden an den hergestellten Stoffen durchgeführt, um den Grad der Orientierung innerhalb des Stoffes und innerhalb der Fasern zu untersuchen. Verschiedene Farben waren routinemäßig auf verschiedenen longitudinalen Segmenten der Fasern zu sehen. Retardation wurde unter Verwendung des Michel-Levy-Diagramms geschätzt und die Doppelbrechungszahl bestimmt. Der Bereich und die durchschnittliche Doppelbrechung in Untersuchungen der Stoffe jedes Beispiels sind grafisch in 7 dargestellt. Auf der Ordinate sind Doppelbrechungseinheiten aufgetragen und auf der Abszisse sind die verschiedenen Proportionen aufgetragen, in denen Fasersegmente, die eine bestimmte Doppelbrechungszahl aufweisen, für jedes der vier Beispiele auftreten.

Jedes Beispiel wurde auch analysiert, um die Variation in der Doppelbrechung in Fasern bei konstantem Durchmesser zu erkennen. Fasern von konstantem Durchmesser wurden untersucht, obwohl die untersuchten Faserabschnitte nicht unbedingt von derselben Faser waren. Die Ergebnisse, die für Beispiel 4 gefunden wurden, sind in der folgenden Tabelle 2 gezeigt. Wie zu sehen ist, wurden auch verschiedene Farben festgestellt. Eine ähnliche Variation in der Doppelbrechung bei konstantem Durchmesser wurde für die anderen Beispiele herausgefunden. TABELLE 2

Faserdurchmesser (μm)	Retardation (nm)	Doppelbrechung	Farbe d. Faser durch das Polarisationsmikroskop
13,0	400	0,0307	gelb
13,0	580	0,0445	Purpur
13,0	710	0,0544	blau
13,0	810	0,0621	grün

Eine Variation in der Doppelbrechung wurde auch innerhalb einer einzelnen Faser gefunden, wie in Tabelle 3 unten gezeigt, die aus einer Untersuchung von zwei Fasern des Stoffes von Beispiel 4 kommt. TABELLE 3

Faser	Position	Doppel-brechung (Levy)	Doppelbrechungsunterschied (a)%	Doppelbrechung (Berek)	Doppelbrechungsunterschied (b)%
Faser 1	1	0,037	48	0,0468	63
Faser 1	2	0,019	48	0,0173	63
Faser 2	1	0,066	56	0,0725	62
Faser 2	2	0,029	56	0,0271	62

BEISPIEL 5–8

Faserstoffe wurden auf der Vorrichtung, wie in 1–3 gezeigt, aus Polybutylterephthalat (PBT-1 von Ticona; Dichte 1,31 g/cm³, Schmelzpunkt 227°C und Glasübergangstemperatur 66°C) hergestellt. Die Extrudertemperatur wurde mit 245°C eingestellt und die Düsentemperatur betrug 240°C. Die Polymerfließrate betrug 1 Gramm pro Loch pro Minute. Der Abstand zwischen der Düse und der Verfeinerungsvorrichtung betrug 14 Inch (etwa 36 Zentimeter) und der Abstand zwischen Verfeinerungsvorrichtung und Sammelvorrichtung betrug 16 (etwa 41 Zentimeter). Weitere Bedingungen sind in Tabelle 4 angegeben und die anderen Parameter waren im Allgemeinen wie für Beispiel 1–4 angegeben. TABELLE 4

Beispiel Nr.	Oberer Spalt d. Verfeinerungsvorrichtung (mm)	Unterer Spalt d. Verfeinerungsvorrichtung (mm)	Luftstrom in der Verfeinerungsvorrichtung (ACMM)
5	6,83	4,34	2,83
6	4,57	4,37	4,59
7	4,57	3,91	4,05
8	7,75	5,54	2,86

Die Stoffe wurden in einem unverbundenen Zustand gesammelt und dann durch einen Ofen bei 220°C für eine Minute geführt. 8 ist eine Rasterelektronenmikroskopdarstellung bei 500X und zeigt Verbindungen in einem Stoff von Beispiel 5.
Doppelbrechung wurde untersucht mit einem Bereich und einer durchschnittlichen Doppelbrechung für die verschiedenen Beispiele, wie in 9 gezeigt. Durch diese Untersuchungen wurde eine Variation in der Morphologie zwischen Fasern und innerhalb von Fasern festgestellt.
BEISPIEL 9–14

Stoffe aus Polytrimethylenterephthalat (PTT)-Fasern wurden auf der Vorrichtung, wie in 1–3 gezeigt, hergestellt, unter Verwendung (in Beispiel 9–11) einer reinen Version des PTT (CP509201 von Shell Chemicals) und (in Beispiel 12–14) einer Version, die 0,4% TiO₂ enthielt (CP509211). Die Extrusionsdüse war wie in Beispiel 1–4 beschrieben und wurde auf eine Temperatur, wie unten in Tabelle 5 aufgelistet, erhitzt. Die Polymerfließrate betrug 1,0 g/Loch/Minute. TABELLE 5

Beispiel Nr.	Düsen/Extrudertemperatur (°C)	Oberer Spalt der Verfeinerungsvorrichtung (mm)	Unterer Spalt der Verfeinerungsvorrichtung (mm)	Luftstrom in der Verfeinerungsvorrichtung (ACMM)
9	260	3,86	3,20	1,73
10	265	3,86	3,20	2,49
11	265	3,68	3,02	4,81
12	265	3,28	2,82	3,82
13	265	3,28	2,82	4,50
14	260	4,50	3,78	1,95

Der Abstand zwischen der Düse und der Verfeinerungsvorrichtung (Abmessung 17 in 2) betrug 15 Inch (etwa 38 Zentimeter) und der Abstand von der Verfeinerungsvorrichtung zur Sammelvorrichtung (Abmessung 21 in 2) betrug 26 Inch (etwa 66 Zentimeter). Andere Parameter waren wie in Beispiel 1–4 angegeben oder wie in Tabelle 5 beschrieben. Stoffe wurden in einem unverbundenen Zustand auf einem spinngebundenen (Cerex) Nylongitterstoff gesammelt und dann hintereinander geschaltet auf der Sammelvorrichtung durch ein Heißluftmesser zum Verbinden geführt.
Doppelbrechungsuntersuchungen für Beispiel 9–11 brachten Ergebnisse, wie in 10 gezeigt. Eine zufalls mäßig ausgewählte Faser mit 14 Mikrometern Durchmesser zeigte einen Unterschied in der Doppelbrechung von 0,0517 bis 0,041 (bestimmt durch ein Farbdiagramm) nur wenige Millimeter voneinander entfernt.
BEISPIEL 15
Fasern aus Polymilchsäure (Grade 625OD von Cargill-Dow) wurden auf einer Vorrichtung, wie in 1–3 gezeigt, und auf einer Düse und Verfeinerungsvorrichtung wie in Beispiel 1–4 hergestellt, mit folgenden Ausnahmen. Die Temperatur des Extruders und der Düse wurde bei 240°C eingestellt. Der Abstand zwischen der Düse und der Verfeinerungsvorrichtung betrug 12 Inch (etwa 30,5 Zentimeter) und zwischen der Verfeinerungsvorrichtung und der Sammelvorrichtung waren 25 Inch (63,5 Zentimeter). Der obere Spalt in der Verfeinerungsvorrichtung betrug 0,168 Inch (4,267 mm) und der untere Spalt betrug 0,119 Inch (3,023 mm). Der gesammelte Stoff wurde in einem Ofen bei 55°C für 10 Minuten verbunden. Die Fasern im Stoff wiesen eine variierende Morphologie auf und waren autogen verbunden.
BEISPIEL 16
Die Vorrichtung, wie in 1–3 abgebildet, wurde verwendet, um Faserstoffe aus Polypropylen (Fina 3860) mit einem Schmelzfließindex von 70 herzustellen. Die Parameter waren im Allgemeinen wie für Beispiel 1–4 beschrieben, mit der Ausnahme, dass die Polymerfließrate 0,5 g/Loch/Minute betrug, die Düse 168 Öffnungen mit einem Durchmesser von 0,343 mm mit einem Längen/Durchmesser-Verhältnis von 3,5 aufwies, der Spalt der Verfeinerungsvorrichtung 7,67 mm oben und unten betrug, und der Abstand zwischen Düse und Verfeinerungsvorrichtung 108 mm betrug, und der Abstand zwischen Verfeinerungsvorrichtung und Sammelvorrichtung 991 mm betrug.
Der Stoff wurde unter Verwendung eines Heißluftmessers verbunden, in dem die Luft auf 166°C erhitzt wurde, und wies eine Stirngeschwindigkeit von mehr als 100 Metern/Minute auf.

Um die Variation in der Morphologie darzustellen, die entlang der Länge der Fasern auftrat, wurde eine gravimetrische Analyse unter Verwendung des Tests für Dichteabstufung entlang der Faserlänge (Test for Density Gradation Along Fiber Length), der oben beschrieben wurde, durchgeführt. Die Säule enthielt eine Mischung aus Methanol und Wasser. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 für die freien Faserstücke in der Röhre angegeben, wobei die Lage eines bestimmten Faserstückes (Mittelpunkt der Faser) entlang der Höhe der Röhre in Zentimetern, der Winkel des Faserstückes und die berechnete durchschnittliche oder gesamte Dichte für das Faserstück angegeben sind. TABELLE 6

Höhe d. Fasermittelpunkts	Winkel in der Säule (Grad von d. Horizontalen)	Dichte des Faserstücks (g/cm³)
53,15	90	0,902515
53,24	90	0,902344
52,06	65	0,904586
51,65	90	0,905365
52,13	85	0,904453
53,30	90	0,90223
53,66	90	0,901546
52,47	80	0,903807
51,88	85	0,904928
52,94	85	0,902914
51,70	90	0,90527

Der Durchschnitt der Winkel, in denen die Faserstücke angeordnet waren, betrug 85,5 Grad und der Medianwert dieser Winkel war 90°.
BEISPIEL 17
Faserstoffe wurden aus einem Nylonharz 6 (Ultramid B3 von BASF) hergestellt unter Verwendung der Vorrichtung, wie in 1–3 gezeigt, und einer Düse, wie in Beispiel 1–4 beschrieben. Die Temperatur des Extruders und der Düse wurde bei 270 Grad C eingestellt. Die Polymerfließrate betrug 1,0 g/Loch/Minute. Der Abstand zwischen der Düse und der Verfeinerungsvorrichtung betrug 13 Inch (etwa 33 Zentimeter) und zwischen der Verfeinerungsvorrichtung und der Sammelvorrichtung 25 Inch (63,5 Zentimeter). Der obere Spalt in der Verfeinerungsvorrichtung betrug 0,135 Inch (3,429 mm) und der untere Spalt betrug 0,112 Inch (2,845 mm). Die Rutschenlänge betrug 167,4 Millimeter. Der Luftstrom durch die Verfeinerungsvorrichtung betrug 142 SCFM (4,021 ACMM). Der gesammelte Stoff wurde hintereinander geschaltet auf der Sammelvorrichtung mit einem Heißluftmesser gebunden, wobei Luft mit einer Temperatur von 220°C und einer Stirngeschwindigkeit von mehr als 100 Metern/Minute verwendet wurden.

Unter einem Polarisationsmikroskop zeigten die Stoffe verschiedene Grade an Orientierung entlang der Fasern und zwischen den Fasern. Abschnitte von Fasern, die eine Variation der Doppelbrechung entlang ihrer Länge aufwiesen, wurden erkannt, und die Doppelbrechung an zwei Stellen wurde unter Verwendung des Michel-Levy-Diagramms und der Berek-Compensator-Technik gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 angegeben. TABELLE 7

Faser	Position	Doppelbrechung (Levy)	Doppelbrechungsunterschied (a) %	Doppelbrechung (Berek)	Doppelbrechungsunterschied (b)
Faser	1	0,037	10,8	0,042	33,3
1	2	0,033		0,028
Faser	1	0,040	10,0	0,041	19,5
2	2	0,036		0,033

BEISPIEL 18
Vliesfaserstoffe wurden aus Polyurethan (Morton PS-440-200, MFI von 37) unter Verwendung der Vorrichtung von 1–3 hergestellt mit einer Extrusionsdüse, wie für Beispiel 1–4 beschrieben. Der Polymerdurchsatz betrug 1,98 g/Loch/Minute. Die Verfeinerungsvorrichtung, grundsätzlich wie für Beispiel 1–4 beschrieben, wies einen Spalt mit 0,196 Inch (4,978 mm) an der Oberseite und einen Spalt mit 0,179 Inch (4,547 mm) an der Unterseite auf. Das Luftvolumen, das durch die Verfeinerungsvorrichtung geleitet wurde, war größer als 3 ACMM. Die Verfeinerungsvorrichtung war 12,5 Inch (31,75 cm) unter der Düse und 24 Inch (etwa 61 cm) über der Sammelvorrichtung. Die Stoffe, welche Fasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 14,77 Mikrometern aufwiesen, wurden beim Sammeln selbst verbunden und es wurde kein weiterer Verbindungsschritt gebraucht oder durchgeführt.

Unter Verwendung eines Polarisationsmikroskops war die Variation in der Morphologie/Orientierung zwischen den Fasern derselben Probe und entlang derselben Fasern zu sehen. Abschnitte von Fasern, welche eine Variation in der Doppelbrechung entlang der Faser aufwiesen, wurden erkannt und die Doppelbrechung an zwei Stellen wurde unter Verwendung des Michel-Levy-Diagramms und der Berek-Compensator-Technik gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 8 gezeigt. TABELLE 8

Faser	Position	Doppelbrechung (Levy)	Doppelbrechungsunterschied (a)%	Doppelbrechung (Berek)	Doppelbrechungsunterschied (b)%
Faser 1	1	0,040	22,5	0,042	33,3
Faser 1	2	0,031	22,5	0,028	33,3
Faser ²	1	0,036	11,1	0,0375	28,8
Faser ²	2	0,032	11,1	0,0267	28,8

Variationen in der Morphologie wurden auch unter Verwendung des Tests für Dichteabstufung entlang der Faserlänge untersucht, wobei eine Mischung aus Methanol und Wasser verwendet wurde, mit Ergebnissen, wie in Tabelle 9 gezeigt. TABELLE 9

Winkel in der Säule (Grad von der Horizontalen)

65

90

75

80

70

85

90

90

85

85

45

90

90

60

75

80

90

90

70

80
Der durchschnittliche Winkel betrug 79,25° und der Medianwinkel war 82,5°.
BEISPIEL 19
Polyethylen-Vliesfaserstoffe wurden aus Polyethylen mit MFI von 30 und einer Dichte von 0,95 (Dow 6806) unter Verwendung einer Vorrichtung, wie in 1–3 gezeigt, und einer Extrusionsdüse, wie für Beispiel 1–4 beschrieben, hergestellt. Die Extruder- und Düsentemperatur wurden bei 180°C eingestellt. Der Durchsatz betrug 1,0 g/Loch/Minute. Die Verfeinerungsvorrichtung, grundsätzlich wie in Beispiel 1–4 beschrieben, wurde 15 Inch (etwa 38 Zentimeter) unterhalb der Düse und 20 Inch (etwa 51 Zentimeter) über der Sammelvorrichtung angeordnet. Der Spalt der Verfeinerungsvorrichtung betrug 0,123 Inch (3,124 mm) an der Oberseite und 0,11 Inch (2,794 mm) an der Unterseite. Der Luftstrom durch die Verfeinerungsvorrichtung betrug 113 SCFM (3,2 ACMM). Die gesammelten Stoffe wurden mit einem Heißluftmesser unter Verwendung von Luft mit einer Temperatur von 135 Grad C und einer Stirngeschwindigkeit von mehr als 100 Metern/Minute verbunden.

Abschnitte von Fasern, die eine Variation in der Doppelbrechung entlang der Faser aufwiesen, wurden erkannt und die Doppelbrechung an zwei Stellen auf der Faser wurde gemessen unter Verwendung des Michel-Levy-Diagramms und der Berek-Compensator-Technik. Die Ergebnisse sind in Tabelle 10 angegeben. TABELLE 10

Faser	Position	Doppelbrechung (Levy)	Doppelbrechungsunterschied (a)%	Doppelbrechung (Berek)	Doppelbrechungsunterschied (b)%
Faser 1	1	0,0274	15,7	0,0240	33,3
Faser 1	2	0,0325	15,7	0,0328	33,3
Faser ²	1	0,036	8,3	Na	Na
Faser ²	2	0,033	8,3	Na	Na

BEISPIEL 20
Beispiel 19 wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass die Düse 168 Öffnungen hatte, der Durchmesser der Öffnungen 0,508 Millimeter betrug, der Spalt der Verfeinerungsvorrichtung 3,20 Millimeter an der Oberseite und 2,49 Millimeter an der Unterseite betrug, die Rutschenlänge 228,6 Millimeter betrug, der Luftstrom durch die Verfeinerungsvorrichtung 2,62 ACMM betrug und der Abstand zwischen Verfeinerungsvorrichtung und Sammelvorrichtung etwa 61 Zentimeter betrug.

Der Test für Dichteabstufung entlang der Faserlänge wurde unter Verwendung einer Mischung aus Methanol und Wasser durchgeführt mit Ergebnissen, wie in Tabelle 11 gezeigt. TABELLE 11

Höhe d. Fasermittelpunkts	Winkel in der Säule (Grad von d. Horizontalen)	Dichte des Faserstücks (g/cm³)
41,5	80	0,92465
40,6	85	0,92636
42,5	30	0,92275
37,5	90	0,93225
40,3	90	0,92693
40,2	70	0,92712
40,7	80	0,92617
42,1	70	0,92351
42,4	80	0,92294
40,9	90	0,92579

Der durchschnittliche Winkel im Test betrug 76,5° und der Medianwinkel war 80°.
BEISPIEL 21
Eine Vorrichtung, wie in 1–3 gezeigt, wurde verwendet, um amorphe Polymerfasern unter Verwendung von zyklischem Olefinpolymer (TOPAS 6017 von Ticona) herzustellen. Das Polymer wurde auf 320°C im Extruder erhitzt (die Temperatur im Extruder 12 wurde in der Nähe des Ausgangs zur Pumpe 13 gemessen) und die Düse wurde auf eine Temperatur von 320°C erhitzt. Der Extrusionskopf oder die Düse hatte vier Reihen und jede Reihe hatte 42 Öffnungen, was insgesamt 168 Öffnungen ergibt. Die Düse wies eine Querlänge von 4 Inch (102 Millimeter (mm)) auf. Der Öffnungsdurchmesser betrug 0,020 Inch (0,51 mm) und das Länge/Durchmesser-Verhältnis betrug 6,25. Die Polymerfließrate war 1,0 g/Öffnung/Minute.
Der Abstand zwischen der Düse und der Verfeinerungsvorrichtung (Abmessung 17 in 1) betrug 33 Inch (etwa 84 Zentimeter) und der Abstand von der Verfeinerungsvorrichtung zur Sammelvorrichtung (Abmessung 21 in 1) betrug 24 Inch (etwa 61 Zentimeter). Der Luftmesserspalt (Abmessung 30 in 2) betrug 0,030 Inch (0,762 Millimeter); der Winkel des Körpers der Verfeinerungsvorrichtung (α in 2) betrug 30°; Luft mit Raumtemperatur wurde durch die Verfeinerungsvorrichtung geführt; und die Länge der Rutsche in der Verfeinerungsvorrichtung (Abmessung 35 in 2) betrug 6,6 Inch (168 Millimeter). Das Luftmesser wies eine Querlänge (die Richtung der Länge 25 des Schlitzes in 3) von etwa 120 Millimetern auf; und der Körper 28 der Verfeinerungsvorrichtung, in dem die Aussparung für das Luftmesser gebildet war, wies eine Querlänge von etwa 152 Millimetern auf. Die Querlänge der Wand 36, die am Körper der Verfeinerungsvorrichtung befestigt war, betrug 5 Inch (127 Millimeter).
Der Spalt der Verfeinerungsvorrichtung an der Oberseite betrug 1,6 mm (Abmessung 33 in 2). Der Spalt der Verfeinerungsvorrichtung an der Unterseite betrug 1,7 mm (Abmessung 34 in 2). Das Gesamtvolumen an Luft, das durch die Verfeinerungsvorrichtung geleitet wurde, betrug 3,62 tatsächliche Kubikmeter pro Minute (Actual Cubic Meters per Minute (ACMM)); wobei etwa die Hälfte des Volumens durch jedes Luftmesser 32 lief.
Die Faserstoffe wurden auf einer herkömmlichen Sammelvorrichtung zur Bildung von porösen Stoffen in einem unverbundenen Zustand gesammelt. Die Stoffe wurden dann in einem Ofen bei 300°C für eine Minute erhitzt. Der letztere Schritt rief eine autogene Verbindung innerhalb der Stoffe hervor, wie in 11 (einer mikroskopischen Aufnahme bei einer Vergrößerung von 200X unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops) dargestellt. Wie zu sehen ist, behalten die autogen verbundenen amorphen Polymerfasern ihre Faserform nach dem Verbinden.
Um die Variation in der Morphologie zu veranschaulichen, die entlang der Länge der Fasern auftrat, wurde eine gravimetrische Analyse unter Verwendung des Graded Density Tests, der oben beschrieben ist, durchgeführt. Die Säule enthielt eine Mischung aus Wasser und Kalziumnitratlösung gemäß ASTM D1505-85. Die Ergebnisse von zwanzig Stücken, die sich innerhalb der Säule von oben nach unten bewegt haben, sind in Tabelle 12 angegeben. Tabelle 12

Winkel in der Säule (Grad von der Horizontalen)

80

90

85

85

90

80

85

80

90

85

85

90

80

90

85

85

85

90

90

80
Der durchschnittliche Winkel der Fasern betrug 85,5 Grad, der Medianwinkel war 85 Grad.
BEISPIEL 22
Eine Vorrichtung, wie in 1–3 gezeigt, wurde verwendet, um amorphe Polymerfasern unter Verwendung von Polystyren (Crystal PS 3510 von Nova Chemicals) herzustellen, das einen Schmelzfließindex (Melt Flow Index) von 15,5 und eine Dichte von 1,04 aufwies. Das Polymer wurde auf 268°C im Extruder erhitzt (die Temperatur wurde im Extruder 12 in der Nähe des Ausgangs zur Pumpe 13) gemessen, und die Düse wurde auf eine Temperatur von 268°C erhitzt. Der Extrusionskopf oder die Düse hatte vier Reihen und jede Reihe hatte 42 Öffnungen, was insgesamt 168 Öffnungen ergab. Die Düse wies eine Querlänge von 4 Inch (102 Millimetern) auf. Der Öffnungsdurchmesser betrug 0,343 mm und das Länge/Durchmesser-Verhältnis betrug 9,26. Die Polymerfließrate betrug 1,00 g/Öffnung/Minute.
Der Abstand zwischen der Düse und der Verfeinerungsvorrichtung (Abmessung 17 in 1) betrug etwa 318 Millimeter und der Abstand von der Verfeinerungsvorrichtung zur Sammelvorrichtung (Abmessung 21 in 1) betrug 610 Millimeter. Der Luftmesserspalt (die Abmessung 30 in 2) betrug 0,76 Millimeter; der Winkel des Körpers der Verfeinerungsvorrichtung (α in 2) betrug 30°; Luft mit einer Temperatur von 25 Grad Celsius wurde durch die Verfeinerungsvorrichtung geführt; und die Länge der Rutsche in der Verfeinerungsvorrichtung (Abmessung 35 in 2) betrug 152 Millimeter. Das Luftmesser wies eine Querlänge (die Richtung der Länge 25 des Schlitzes in 3) von etwa 120 Millimetern auf; und der Körper 28 der Verfeinerungsvorrichtung, in dem die Aussparung für das Luftmesser gebildet war, wies eine Querlänge von 152 Millimetern auf. Die Querlänge der Wand 36, die an dem Körper der Verfeinerungsvorrichtung befestigt war, betrug 5 Inch (127 Millimeter).
Der Spalt der Verfeinerungsvorrichtung an der Oberseite betrug 4,4 mm (Abmessung 33 in 2). Der Spalt der Verfeinerungsvorrichtung an der Unterseite betrug 3,1 mm (Abmessung 34 in 2). Das Gesamtvolumen an Luft, das durch die Verfeinerungsvorrichtung geführt wurde, betrug 2,19 ACMM (Actual Cubic Meters per Minute – tatsächliche Kubikmeter pro Minute); dabei lief etwa die Hälfte des Volumens durch jedes Luftmesser 32.
Faserstoffe wurden auf einer herkömmlichen Sammelvorrichtung zur Bildung von porösen Stoffen in einem unverbundenen Zustand gesammelt. Die Stoffe wurden dann in einem Ofen bei 200°C für 1 Minute erhitzt. Der letztere Schritt rief autogene Verbindung innerhalb der Stoffe hervor, wobei die autogen verbundenen amorphen Polymerfasern ihre Faserform nach dem Verbinden beibehalten haben.
Um die Variation in der Morphologie zu veranschaulichen, die entlang der Länge der Fasern auftrat, wurde eine gravimetrische Analyse unter Verwendung des Graded Density Tests, der oben beschrieben ist, durchgeführt. Die Säule enthielt eine Mischung aus Wasser und einer Kalziumnitratlösung. Die Ergebnisse für zwanzig Stücke, die sich von oben nach unten innerhalb der Säule bewegt haben, sind in Tabelle 13 angegeben. TABELLE 13

Winkel in der Säule (Grad von der Horizontalen)

85

75

90

70

75

90

80

90

75

85

80

90

90

75

90

85

75

80

90

90
Der durchschnittliche Winkel der Fasern betrug 83 Grad, der Medianwinkel war 85 Grad.
BEISPIEL 23
Eine Vorrichtung, wie in 1–3 gezeigt, wurde verwendet, um amorphe Polymerfasern unter Verwendung eines Blockcopolymers mit 13 Prozent Styren und 87 Prozent Ethylenbutylen-Copolymer (KRAYON G1657 von Shell) mit einem Schmelzfließindex (Melt Flow Index) von 8 und einer Dichte von 0,9, herzustellen. Das Polymer wurde im Extruder auf 275°C erhitzt (die Temperatur wurde im Extruder 12 in der Nähe des Aufgangs zur Pumpe 13 gemessen) und die Düse wurde auf eine Temperatur von 275°C erhitzt. Der Extrusionskopf oder die Düse hatte vier Reihen und jede Reihe wies 42 Öffnungen auf, was insgesamt 168 Öffnungen ergab. Die Düse wies eine Querlänge von 4 Inch (101,6 Millimeter) auf. Der Öffnungsdurchmesser betrug 0,508 mm und das Länge/Durchmesser-Verhältnis betrug 6,25. Die Polymerfließrate betrug 0,64 g/Öffnung/Minute.
Der Abstand zwischen der Düse und der Verfeinerungsvorrichtung (Abmessung 17 in 1) betrug 667 Millimeter und der Abstand von der Verfeinerungsvorrichtung zur Sammelvorrichtung (Abmessung 21 in 1) betrug 330 Millimeter. Der Luftmesserspalt (die Abmessung 30 in 2) betrug 0,76 Millimeter; der Winkel des Körpers der Verfeinerungsvorrichtung (α in 2) betrug 30°; Luft mit einer Temperatur von 25 Grad Celsius wurde durch die Verfeinerungsvorrichtung geleitet; und die Länge der Rutsche der Verfeinerungsvorrichtung (Abmessung 35 in 2) betrug 76 Millimeter. Das Luftmesser wies eine Querlänge (die Richtung der Länge 25 des Schlitzes in 3) von etwa 120 Millimetern auf; und der Körper 28 der Verfeinerungsvorrichtung, in dem die Aussparung für das Luftmesser gebildet war, hatte eine Querlänge von etwa 152 Milli metern. Die Querlänge der Wand 36, die an dem Körper der Verfeinerungsvorrichtung befestigt war, betrug 5 Inch (127 Millimeter).
Der Spalt der Verfeinerungsvorrichtung an der Oberseite betrug 7,6 mm (Abmessung 33 in 2). Der Spalt der Verfeinerungsvorrichtung an der Unterseite betrug 7,2 mm (Abmessung 34 in 2). Das Gesamtvolumen an Luft, das durch die Verfeinerungsvorrichtung geleitet wurde, betrug 0,41 ACMM (Actual Cubic Meters per Minute – tatsächliche Kubikmeter pro Minute); dabei lief etwa die Hälfte des Volumens durch jedes Luftmesser 32.
Die Faserstoffe wurden auf einer herkömmlichen Sammelvorrichtung zur Bildung von porösen Stoffen gesammelt, wobei die Fasern sich autogen verbunden haben, als die Fasern gesammelt wurden. Die autogen verbundenen, amorphen Polymerfasern behielten ihre Faserform nach dem Verbinden bei.
Um die Variation in der Morphologie zu veranschaulichen, die entlang der Länge der Fasern auftrat, wurde eine gravimetrische Analyse unter Verwendung des Graded Density Tests, der oben beschrieben wurde, durchgeführt. Die Säule enthielt eine Mischung aus Methanol und Wasser. Die Ergebnisse für zwanzig Stücke, die sich von oben nach unten innerhalb der Säule bewegten, sind in Tabelle 14 angegeben. TABELLE 14

Winkel in der Säule (Grad von der Horizontalen)

55

45

50

30

45

45

50

35

40

55

55

40

45

55

40

35

35

40

50

55
Der durchschnittliche Winkel der Fasern betrug 45 Grad, der Medianwinkel war 45 Grad.
BEISPIEL 24
Eine Vorrichtung, wie in 1–3 gezeigt, wurde verwendet, um amorphe Polymerfasern unter Verwendung von Polycarbonat (General Electric SLCC HF 1110P Harz) herzustellen. Das Polymer wurde im Extruder auf 300°C erhitzt (die Temperatur wurde im Extruder 12 in der Nähe des Aufgangs zur Pumpe 13 gemessen) und die Düse wurde auf eine Temperatur von 300°C erhitzt. Der Extrusionskopf oder die Düse hatte vier Reihen und jede Reihe wies 21 Öffnungen auf, was insgesamt 84 Öffnungen ergab. Die Düse wies eine Querlänge von 4 Inch (102 Millimeter) auf. Der Öffnungsdurchmesser betrug 0,035 Inch (0,889 mm) und das Länge/Durchmesser-Verhältnis betrug 3,5. Die Polymerfließrate betrug 2,7 g/Öffnung/Minute.
Der Abstand zwischen der Düse und der Verfeinerungsvorrichtung (Abmessung 17 in 1) betrug 15 Inch (etwa 38 Zentimeter) und der Abstand von der Verfeinerungsvorrichtung zur Sammelvorrichtung (Abmessung 21 in 1) betrug 28 Inch (71,1 Zentimeter). Der Luftmesserspalt (die Abmessung 30 in 2) betrug 0,030 Inch (0,76 Millimeter); der Winkel des Körpers der Verfeinerungsvorrichtung (α in 2) betrug 30°; Luft mit Raumtemperatur wurde durch die Verfeinerungsvorrichtung geleitet; und die Länge der Rutsche der Verfeinerungsvorrichtung (Abmessung 35 in 2) betrug 6,6 Inch (168 Millimeter). Das Luftmesser wies eine Querlänge (die Richtung der Länge 25 des Schlitzes in 3) von etwa 120 Millimetern auf; und der Körper 28 der Verfeinerungsvorrichtung, in dem die Aussparung für das Luftmesser gebildet war, hatte eine Querlänge von etwa 152 Millimetern. Die Querlänge der Wand 36, die an dem Körper der Verfeinerungsvorrichtung befestigt war, betrug 5 Inch (127 Millimeter).
Der Spalt der Verfeinerungsvorrichtung an der Oberseite betrug 0,07 Inch (1,8 mm)(Abmessung 33 in 2). Der Spalt der Verfeinerungsvorrichtung an der Unterseite betrug 0,07 Inch (1,8 mm)(Abmessung 34 in 2). Das Gesamtvolumen an Luft, das durch die Verfeinerungsvorrichtung geleitet wurde, (angegeben in tatsächlichen Kubikmetern pro Minute oder ACMM) betrug 3,11; dabei lief etwa die Hälfte des Volumens durch jedes Luftmesser 32.
Die Faserstoffe wurden auf einer herkömmlichen Sammelvorrichtung zur Bildung von porösen Stoffen in einem unverbundenen Zustand gesammelt. Die Stoffe wurden dann in einem Ofen bei 200°C für 1 Minute erhitzt. Der letztere Schritt rief eine autogene Verbindung innerhalb der Stoffe hervor, wobei die autogen verbundenen, amorphen Polymerfasern ihre Faserform nach dem Verbinden beibehielten.
Um die Variation in der Morphologie zu veranschaulichen, die entlang der Länge der Fasern auftrat, wurde eine gravimetrische Analyse unter Verwendung des Graded Density Tests, der oben beschrieben wurde, durchgeführt. Die Säule enthielt eine Mischung aus Wasser und einer Kalziumnitratlösung. Die Ergebnisse für zwanzig Stücke, die sich von oben nach unten innerhalb der Säule bewegten, sind in Tabelle 15 angegeben. TABELLE 15

Winkel in der Säule (Grad von der Horizontalen)

90

90

90

85

90

90

90

90

85

90

90

85

90

90

90

90

90

85

90

90
Der durchschnittliche Winkel der Fasern betrug 89 Grad, der Medianwinkel war 90 Grad.
BEISPIEL 25
Eine Vorrichtung, wie in 1–3 gezeigt, wurde verwendet, um amorphe Polymerfasern unter Verwendung von Polystyrol (BASF Polystyrene 145D Harz) herzustellen. Das Polymer wurde im Extruder auf 245°C erhitzt (die Temperatur wurde im Extruder 12 in der Nähe des Ausgangs zur Pumpe 13 gemessen) und die Düse wurde auf eine Temperatur von 245°C erhitzt. Der Extrusionskopf oder die Düse hatte vier Reihen und jede Reihe wies 21 Öffnungen auf, was insgesamt 84 Öffnungen ergab. Die Düse wies eine Querlänge von 4 Inch (101,6 Millimeter) auf. Der Öffnungsdurchmesser betrug 0,035 Inch (0,889 mm) und das Länge/Durchmesser-Verhältnis betrug 3,5. Die Polymerfließrate betrug 0,5 g/öffnung/Minute.
Der Abstand zwischen der Düse und der Verfeinerungsvorrichtung (Abmessung 17 in 1) betrug 15 Inch (etwa 38 Zentimeter) und der Abstand von der Verfeinerungsvorrichtung zur Sammelvorrichtung (Abmessung 21 in 1) betrug 25 Inch (63,5 Zentimeter). Der Luftmesserspalt (die Abmessung 30 in 2) betrug 0,030 Inch (0,762 Millimeter); der Winkel des Körpers der Verfeinerungsvorrichtung (α in 2) betrug 30°; Luft mit Raumtemperatur wurde durch die Verfeinerungsvorrichtung geleitet; und die Länge der Rutsche der Verfeinerungsvorrichtung (Abmessung 35 in 2) betrug 6,6 Inch (167,64 Millimeter). Das Luftmesser wies eine Querlänge (die Richtung der Länge 25 des Schlitzes in 3) von etwa 120 Millimetern auf; und der Körper 28 der Verfeinerungsvorrichtung, in dem die Aussparung für das Luftmesser gebildet war, hatte eine Querlänge von etwa 152 Millimetern. Die Querlänge der Wand 36, die an dem Körper der Verfeinerungsvorrichtung befestigt war, betrug 5 Inch (127 Millimeter).
Der Spalt der Verfeinerungsvorrichtung an der Oberseite betrug 0,147 Inch (3,73 mm)(Abmessung 33 in 2). Der Spalt der Verfeinerungsvorrichtung an der Unterseite betrug 0,161 Inch (4,10 mm)(Abmessung 34 in 2). Das Gesamtvolumen an Luft, das durch die Verfeinerungsvorrichtung geleitet wurde, (angegeben in tatsächlichen Kubikmetern pro Minute oder ACMM) betrug 3,11, wobei etwa die Hälfte des Volumens durch jedes Luftmesser 32 lief.
Die Faserstoffe wurden auf einer herkömmlichen Sammelvorrichtung zur Bildung von porösen Stoffen in einem unverbundenen Zustand gesammelt. Die Stoffe wurden dann in einer Durchluft-Verbindevorrichtung bei 100°C für 1 Minute erhitzt. Der letztere Schritt rief eine autogene Verbindung innerhalb der Stoffe hervor, wobei die autogen verbundenen, amorphen Polymerfasern ihre Faserform nach dem Verbinden beibehielten.
Tests unter Verwendung eines TA Instruments Q1000 Differential Scanning Calorimeter wurden durchgeführt, um den Effekt der Verarbeitung auf den Glasübergangsbereich des Polymers zu bestimmen. Eine lineare Erhitzungsrate von 5°C pro Minute wurde auf jede Probe angewendet mit einer Störungsamplitude von ±1°C alle 60 Sekunden. Die Proben wurden einem Wärme-Kälte-Wärme-Profil im Bereich von 0°C bis etwa 150°C unterzogen.
Die Ergebnisse der Tests an der Polymermasse, d. h. dem Polymer, das nicht zu Fasern geformt ist, und den Polymeren, die zu Fasern geformt sind (vor und nach dem simulierten Verbinden) sind in 12 dargestellt. Es ist zu sehen, dass innerhalb des Glasübergangsbereiches die Beginntemperatur der Fasern vor einem simulierten Verbinden niedriger ist als die Beginntemperatur der Polymermasse. Auch ist die Endtemperatur des Glasübergangsbereiches für die Fasern vor einem simulierten Verbinden höher als die Endtemperatur der Polymermasse. Folglich ist der Glasübergangsbereich der amorphen Polymerfasern größer als der Glasübergangsbereich der Polymermasse.
Schlüssel zu den Figuren:
7: Birefringence = Doppelbrechung
9: Birefringence = Doppelbrechung
10: Birefringence = Doppelbrechung
12: Heatflow = Wärmestrom (W/g)
Temperature = Temperatur (°C)

PS Fiber DS121301-3 unbonded =

PS-Pellet PS-Faser DS121301-3 ungebunden

PS Fiber DS121301-3 annealed =

PS-Faser DS121301-3 getempert

Claims

Verbundener Vliesfaserstoff, aufweisend eine direkt gesammelte Masse von Fasern, welche einzelne Fasern enthält, welche einen Durchmesser aufweisen, der über eine Länge von 5 Zentimetern oder mehr um 10 Prozent oder weniger variiert, welche aber in ihrer Morphologie entlang ihrer Länge variieren, um longitudinale Segmente mit unterschiedlichen Erweichungseigenschaften während eines ausgewählten Verbindevorganges bereitzustellen, wobei sich manche Segmente unter den Bedingungen des Verbindevorganges erweichen und mit anderen Fasern des Stoffes verbinden und andere Segmente während des Verbindevorganges passiv sind.
Faserstoff nach Anspruch 1, wobei die Fasern, welche in ihrer Morphologie variieren, Segmente aufweisen, welche kettenverlängerte Kristallisation zeigen.
Stoff nach Anspruch 1 oder 2, welcher durch autogenes Verbinden verbunden ist.
Faserstoff nach Anspruch 3, wobei die Verbindungen den Umfang durchtretende Verbindungen mit anderen Fasern aufweisen.
Stoff nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die Fasern, welche in ihrer Morphologie variieren, longitudinale Segmente enthalten, die sich in ihrer Doppelbrechung gemäß dem Levy-Verfahren um mindestens 5% unterscheiden.
Stoff nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Fasern, welche in ihrer Morphologie variieren, longitudinale Segmente enthalten, die sich in ihrer Doppelbrechung gemäß dem Levy-Verfahren um mindestens 10% unterscheiden.
Stoff nach einem der Ansprüche 1–6, wobei im hierin beschriebenen Graded Density Test mindestens fünf Faserstücke der Fasern in einem Winkel von mindestens 30 Grad von der Horizontalen angeordnet werden.
Stoff nach einem der Ansprüche 1–6, wobei im hierin beschriebenen Graded Density Test mindestens fünf Faserstücke der Fasern in einem Winkel von mindestens 60 Grad von der Horizontalen angeordnet werden.
Stoff nach einem der Ansprüche 1–6, wobei im hierin beschriebenen Graded Density Test mindestens die Hälfte der Faserstücke der Fasern in einem Winkel von mindestens 30 Grad von der Horizontalen angeordnet werden.
Stoff nach einem der Ansprüche 1–6, wobei im hierin beschriebenen Graded Density Test mindestens die Hälfte der Faserstücke der Fasern, welche in ihrer Morphologie variieren, in einem Winkel von mindestens 60 Grad von der Horizontalen angeordnet werden.
Stoff nach einem der Ansprüche 1–10, wobei die Fasern, welche in ihrer Morphologie variieren, einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 10 Mikrometern oder weniger aufweisen.
Stoff nach einem der Ansprüche 1–11 mit einer Bauschigkeit von mindestens 90 Prozent, wobei Bauschigkeit das Verhältnis des Volumens der Luft in dem Stoff zum Gesamtvolumen des Stoffes ist.
Stoff nach einem der Ansprüche 1–12, welcher andere Fasern zusätzlich zu jenen, welche in ihrer Morphologie variieren, enthält.
Verfahren zur Faserbildung, aufweisend a) Extrudieren von Filamenten aus faserbildendem Material; b) Leiten der Filamente durch eine Verarbeitungskammer, in welcher Gasströme den Filamenten eine longitudinale Spannung verleihen; c) Aussetzen der Filamente turbulenten Strömungsbedingungen, nachdem sie die Verarbeitungskammer verlassen; und d) Sammeln der verarbeiteten Filamente; wobei die Temperatur der Filamente derart gesteuert wird, dass mindestens manche der Filamente sich verfestigen, während sie im turbulenten Feld sind.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Fasern als Vliesfaserstoff gesammelt und einem Verbindevorgang unterworfen werden, bei dem manche longitudinale Segmente der Fasern sich erweichen und mit anderen Fasern verbinden, während andere longitudinale Segmente während des Verbindevorganges passiv bleiben.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Fasern als Vliesfaserstoff gesammelt und einem autogenen Verbindevorgang unterworfen werden, bei dem manche longitudinale Segmente der Fasern sich erweichen und mit anderen Fasern verbinden, während andere longitudinale Segmente während des Verbindevorganges passiv bleiben.