Способ улучшения когезионной способности филаментов рубленого арамидного волокна
Настоящее изобретение относится к термопластичным материалам и касается способа улучшения когезионной способности филаментов рубленого арамидного волокна. Способ включает стадии пропитки волокна пленкообразующим связующим, сушки волокна, необязательного нанесения отделки на волокно и рубки волокна на куски длиной 1-16 мм. Волокно перед нанесением связующего подвергают процессу кручения с получением волокна, имеющего уровень кручения 10-150 кручений на метр. Рубка волокна осуществляется на роторной рубильной машине. Изобретение позволяет увеличить объемную плотность волокнистого материала, тем самым способствуя более легкой подачи материала в экструдер. 7 з.п. ф-лы, 3 табл.
Настоящее изобретение относится к способу улучшения когезионной способности филаментов рубленого арамидного волокна.
Термопластичные предварительные смеси, наполненные арамидными волокнами (обычно до 20%), и в форме гранул часто используются в качестве исходного материала для изготовления, например, способом литья под давлением композитных изделий (например, шестеренок, подшипников) с улучшенной стойкостью к износу. Указанные предварительные смеси получаются смешением термопластичного матричного материала в виде крошки с рублеными арамидными волокнами способом экструзии расплава. С этой целью термопластичная крошка и рубленые арамидные волокна отдельно дозируются в горловину экструдера. Серьезной проблемой подачи волокон в экструдер является мостообразование и образование комков волокна, препятствующих плавному и быстрому введению в экструдер. Замечено, что отдельные филаменты, которые больше не соединяются в рубленые куски волокна, агломерируются в распушенные шары, что ведет к комкам, мостообразованию и закупориванию транспортных систем.
Поэтому задачей настоящего изобретения является создание способа получения рубленых волокон, который не имеет указанных недостатков. Так, по настоящему способу получают рубленые волокна, подобные гранулам, т.е. волокна, в которых когезионная способность филаментов одного волокна улучшается, что дает характеристику, как если бы волокно являлось одним большим монофиламентом. Однако невозможно уменьшить вышеуказанные недостатки применением улучшенных связующих или подобного, поскольку это не дает значительного улучшения когезии пучка филаментов.
С этой целью настоящее изобретение предусматривает способ улучшения когезионной способности филаментов рубленого арамидного волокна, включающий стадии пропитки волокна пленкообразующим связующим, сушки волокна, необязательного нанесения отделки на волокно и рубки волокна на куски длиной 1-16 мм, отличающийся тем, что волокно перед нанесением связующего подвергают процессу кручения с получением волокна, имеющего уровень кручения 10-150 кручений на метр, и тем, что рубку волокна осуществляют в роторной рубильной машине.
Неожиданно было установлено, что указанная стадия кручения перед роторной рубкой для получения рубленых волокон значительно увеличивает когезионную способность филаментов, что делает возможным предотвратить полное или почти полное появление свободных филаментов, агломерирующих в распушенные шары. Поэтому техническим результатом данного способа является значительное увеличение объемной плотности волокнистого материала. Увеличенная объемная плотность соответствует увеличенной легкости подачи материала в экструдер.
Способ в соответствии с изобретением является неизвестным для арамидных волокон. Согласно US 5227238 углеродные волокна рубятся и наиболее предпочтительно обеспечиваются от 10 до 20 кручений на метр с получением углеродного волокна, имеющего улучшенную степень соединения в пучок. Однако не рассматривается использование роторной рубильной машины для увеличения объемной плотности.
Арамидные волокна согласно настоящему изобретению подвергаются кручению (этот способ кручения является общеизвестным способом в технологии волокна, который не требует дополнительного пояснения для специалистов в данной области техники), с уровнем кручения по меньшей мере 10 кручений на метр и не более 150 кручений на метр. Лучшие результаты получаются, когда уровень кручения составляет 20-100 кручений на метр и наиболее предпочтительно 30-80 кручений на метр. Указанные крученые волокна являются более или менее круглыми, данная геометрия фиксируется шлихтовкой на волокнах, что после резки дает рубленые волокна круглой или эллиптической формы (в поперечном сечении) по сравнению с плоскими волокнами, которые получают известным способом. Предполагается, что указанные рубленые волокна круглой или эллиптической формы дополнительно вносят вклад в облегчение их обработки.
После стадии кручения, которая является существенной стадией получения готовых улучшенных рубленых волокон, волокно обрабатывается пленкообразующим связующим и, необязательно, поверхностной отделкой. Связующее дополнительно улучшает межфиламентную когезию и должно быть пленкообразующим полимером, который расплавляется в экструдере. Предпочтительно связующее является водорастворимым или вододиспергируемым, таким как полиуретановаая и/или сульфонированная сложнополиэфирная смола.
Примерами подходящих сложных полиэфиров являются полимеры, получаемые из сульфонированной дикарбоновой кислоты, дикарбоновой кислоты и диола. Предпочтительным является сложный полиэфир, получаемый из диметилнатрийсульфоизофталевой кислоты, изофталевой кислоты и этиленгликоля. Такой продукт поставляется под торговой маркой Eastman® LB-100. Примерами подходящих полиуретанов являются дисперсии простого полиэфира-полиуретана или сложного полиэфира-полиуретана, поставляемые под торговыми марками Alberdingk® U400N и Impranil® DLF, соответственно. Подходящие количества связующего находятся в интервале от 1,5 до 12 мас.%, предпочтительно, 2,0-9 мас.%, даже более предпочтительно 2,5-6 мас.%. Когда связующее наносится как водный раствор или дисперсия, после нанесения связующего волокно должно быть высушено, например, в барабанных сушилках, воздушных сушилках и т.п.
Поверхностная отделка, когда используется, представляет собой масло низкой характеристической вязкости, которое снижает трение между обработанной пряжей и рубленым волокном и направляющими валками рубильной установки и металлическими частями транспортной системы экструдера, соответственно. Предпочтительно поверхностная отделка представляет собой сложноэфирное масло, используемое в количестве 0,05-3 мас.%, более предпочтительно от 0,1 до 1 мас.%. Примерами подходящих масел являются 2-этилгексилстеарат, 2-этилгексилпальмитат, н-бутил-лаурат, н-октилкаприлат, бутилстеарат или их смеси. Предпочтительным сложноэфирным маслом является смесь 2-этилгексилстеарата и 2-этилгексилпальмитата, которая поставляется под торговой маркой LW® 245.
Волокна, обработанные связующим, высушенные и, необязательно, дополнительно обеспеченные отделкой, рубятся на куски 1-16 мм, предпочтительно 2-12 мм, более предпочтительно на куски 3-10 мм. Рубка осуществляется роторной рубильной машиной. Роторная рубильная машина имеет дополнительное преимущество в том, что она является более эффективной, делая способ более экономичным, и дает меньше или не дает отходов. Любая другая обычная рубильная машина, которая является подходящей для рубки арамидных волокон, такая как рубильная машина гильотинного типа, хотя также дает увеличение объемной плотности, не приводит к чрезвычайно высоким объемным плотностям способа данного изобретения.
Кроме того, было установлено, что эффект кручения и роторной рубки может быть дополнительно увеличен при использовании волокна низкой линейной плотности. Такой дополнительный эффект является особенно значительным при рубке волокна на короткие куски, предпочтительно 4 мм или менее. Таким образом, предпочтительно использовать волокно, имеющее линейную плотность менее 2000 дтекс, и волокно, предпочтительно рубленое длиной менее 4 мм.
Волокна, которые могут обрабатываться в соответствии с настоящим способом, включают любое арамидное волокно, в частности непрерывно спряденное волокно и растянутую ломаную пряжу. Весовые номера пряжи не являются важными для изобретения, но обычно находятся в интервале от 800 до 8050 дтекс, более предпочтительно в интервале от 1200 до 4830 дтекс. Подходящие арамидные волокна включают мета- и пара-амидные волокна, такие как волокна торговой марки Teijinconex® (поли(мета-фениленизофталамид); MPIA), волокна торговой марки Twaron® (поли(пара-фенилентерефталамид); РРТА) и волокна торговой марки Technora® (сополи(пара-фенилен/3,4'-оксидифенилентерефталамид). Наиболее часто используются волокна Twaron®.
Волокна, которые обрабатываются в соответствии со способом настоящего изобретения, показывают свойства сильной межфиламентной когезии, т.е. волокна, которые разрезаны на небольшие куски, имеют низкую тенденцию к расщеплению на отдельные филаменты. Рубленые волокна данного изобретения поэтому имеют высокую объемную плотность и легко дозируются и диспергируются в экструдере для получения смесей с термопластичными материалами, такими как полиамид, полиоксиметилен, поликарбонат, полибутилентерефталат и т.п.
Настоящее изобретение дополнительно поясняется, и его преимущества показаны в следующих неограничивающих иллюстративных примерах.
Пример 1
Арамидное волокно Twaron® (РРТА) 3360 дтекс пропитывают связующим Eastman LB-100 (Eastman Chemical Company, Кингспорт, США), сушат и обрабатывают поверхностной отделкой LW 245 (Cognis, Дюссельдорф, Германия). Волокна затем рубят в роторной рубильной машине Neumag при скорости 100 м/мин на куски длиной 6 мм и определяют объемную плотность (рубленое волокно А является почти плоским; согласно прототипу).
Объемная плотность определяется следующим образом.
Требуемое оборудование
Круглый алюминиевый химический стакан, имеющий емкость 1000 мл (внутренний диаметр 10 см, высота 12,7 см).
Весы (точность 0,01 г).
Линейка.
Взвешивают алюминиевый химический стакан (а, г) и помещают его на стол. Заполняют алюминиевый химический стакан короткими волокнами до высоты около 10 см. Добавляют так много волокон, пока не образуется горка волокон. Удаляют горку линейкой, соскребая сверху химического стакана. Снова взвешивают заполненный алюминиевый химический стакан (b, г).
В процессе определения не следует встряхивать химический стакан или сдавливать короткие волокна. Объемная плотность коротких волокон составляет (b-a) г. Испытание выполняют дважды, и среднее значение представляет собой объемную плотность образца волокна.
В примерах используется «соотношение объемной плотности». В примере 1 оно представляет собой соотношение (объемная плотность образца короткого волокна × 100)/(объемная плотность коротких волокон, полученных из некрученой пряжи). В примере 2 оно представляет собой соотношение (объемная плотность образца короткого волокна × 100)/(объемная плотность коротких волокон, полученных из пряжи, которая была разрезана гильотиной). Как следствие, отношение объемной плотности коротких волокон, полученных из некрученой пряжи (пример 1), и отношение объемной плотности коротких волокон, полученных из пряжи, которая была разрезана гильотиной (пример 2), устанавливаются при «100».
Операцию повторяют, но перед пропиткой волокно подвергают кручению (рубленые волокна I являются эллиптическими или почти круглыми; согласно настоящему изобретению).
Результаты приводятся в таблице 1.
| Таблица 1 | ||
| A | I | |
| Уровень кручения (число кручений на метр) | 0 | 50 |
| Связующее (%) | 4,5 | 4,5 |
| Способ сушки | Воздушная печь | Воздушная печь |
| Отделка (%) | 0,7 | 0,7 |
| Рубка (число нитей) | 2 | 2 |
| Отношение объемной плотности | 100 | 117 |
Объемная плотность рубленого волокна, которое является крученым, является выше, чем у некрученого волокна. Крученые материалы поэтому могут легко, быстро и без риска закупоривания использоваться для питания экструдеров.
Пример 2
Крученое арамидное волокно Twaron® (РРТА) 3360 дтекс пропитывают связующим Eastman LB-100, сушат и обрабатывают поверхностной отделкой LW 245. Волокна рубят на 6 мм короткие волокна. Одна часть волокон была разрезана с использованием рубильной машины гильотинного типа Pierret при 1,2 м/мин (рубленое волокно В; сравнительное), а другая часть волокон была разрезана с использованием роторной рубильной машины Neumag при 120 м/мин (рубленое волокно II; изобретение). Рубленые волокна В и II являются эллиптическими или почти круглыми. Результаты представлены в таблице 2 и показывают, что, когда используется роторная рубильная машина, могут быть получены короткие волокна с высокой объемной плотностью и высоким выходом.
| Таблица 2 | ||
| B | II | |
| Уровень кручения (число кручений на метр) | 60 | 60 |
| Связующее (%) | 4,0 | 4,0 |
| Способ сушки | Воздушная печь | Воздушная печь |
| Отделка (%) | 0,6 | 0,6 |
| Рубка (жгут волокна, ктекс) | 806 | 17 |
| Выход (кг/ч) | 58 | 122 |
| Отношение объемной плотности | 100 | 116 |
Пример 3
Крученые арамидные волокна Twaron® (РРТА) 3360 дтекс (III) и 1680 дтекс (IV) пропитывают связующим Eastman LB-100, сушат и обрабатывают поверхностной отделкой LW 245. Волокна рубят на короткие волокна. Короткие волокна длиной 1,5 мм и 3,3 мм получают с использованием роторной рубильной машины Neumag NMC 290H. Короткие волокна длиной 6 мм получают с использованием роторной рубильной машины Fleissner. Результаты показывают, что короткие волокна с высокой объемной плотностью могут быть получены, когда используется подача крученого волокна с низкой линейной плотностью.
| Таблица 3 | ||||||
| IIIa | IIIb | IIIc | IVa | IVb | IVc | |
| Линейная плотность подаваемой пряжи | 3360 дтекс | 1680 дтекс | ||||
| Уровень кручения (число кручений на метр) | 50 | 50 | ||||
| Связующее (%) | 4,3 | 6,0 | ||||
| Способ сушки | Воздушная печь | Воздушная печь | ||||
| Отделка (%) | 0,8 | 2,5 | ||||
| Роторная рубильная машина | Neumag | Neumag | Fleissner | Neumag | Neumag | Fleissner |
| Длина волокна | 1,5 мм | 3,3 мм | 6 мм | 1,5 мм | 3,3 мм | 6 мм |
| Скорость рубки (м/мин) | 100 | 200 | 150 | 200 | 200 | 150 |
| Объемная плотность (г) | 92 | 114 | 245 | 118 | 166 | 233 |
1. Способ улучшения когезионной способности филаментов рубленого арамидного волокна, включающий стадии пропитки волокна пленкообразующим связующим, сушки волокна, необязательного нанесения отделки на волокно и рубки волокна на куски длиной 1-16 мм, отличающийся тем, что волокно перед нанесением связующего подвергают процессу кручения с получением волокна, имеющего уровень кручения 10-150 кручений на метр, и тем, что рубку волокна осуществляют на роторной рубильной машине.
2. Способ по п.1, в котором уровень кручения составляет 20-100 кручений на метр.
3. Способ по п.1, в котором уровень кручения составляет 30-80 кручений на метр.
4. Способ по любому из пп.1-3, в котором пленкообразующим связующим является водорастворимое или вододиспергируемое пленкообразующее связующее.
5. Способ по п.4, в котором пленкообразующим связующим является полиуретан или сложный полиэфир, или их смесь.
6. Способ по п.1, в котором волокном является поли(пара-фенилентерефталамидное) волокно.
7. Способ по п.1, в котором волокном является сополи(пара-фенилен/3,4'-оксидифенилентерефталамид).
8. Способ по п.1, в котором волокно имеет линейную плотность менее 2000 дтекс, и волокно, предпочтительно, рубится на длину менее 4 мм.
