專利名稱：制造聚合物成型體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造聚合物成型體的方法，其中將一種包含聚合物的可成型物質(zhì)通過一個成型工具擠出，并通過一種公知的方法，例如沉淀或冷卻，從該擠出的成型物質(zhì)得到所述聚合物成型體，所述成型工具具有一承載材料和至少一個設(shè)置在該承載材料中的擠出孔。
本發(fā)明特別涉及聚合物纖維的制造方法，其中成型工具為一個噴絲嘴，該噴絲嘴上帶有形式為噴絲孔的擠出孔。
為制造聚合物成型體，通常用到的成型工具的擠出孔是通過機(jī)械方法擠出材料而制成的。
對于噴絲嘴來說，則要用沖孔模具沖出噴絲孔。這個過程通常包括多個步驟。原因之一是，由于噴絲壓力很高，通常所用的材料必須有某一最小厚度。從材料某一厚度開始，則該孔不能在一個穿孔過程中沖出來。而且，由于在穿孔過程中材料的擠壓，還會出現(xiàn)在被擠壓的材料上的堆積，這是不希望出現(xiàn)的。因此，需要部分耗費(fèi)的精加工工序。噴絲嘴的厚度在大約300μm至幾個毫米之間。
作為噴嘴材料，例如可以使用金/鉑合金、軟鋼或陶瓷。通常必須選出具有充分的延展性和柔軟性的材料，從而能夠在機(jī)械成孔時承受材料擠壓過程。因此，所使用的材料的強(qiáng)度是有限的。因?yàn)樵趪娊z過程中會如上所述出現(xiàn)很高的噴絲壓力，所以，噴絲嘴的尺寸是有限的，從而其生產(chǎn)能力也是有限的。
上述考慮還特別適用于按照粘膠法或lyocell法制造纖維素成型體，尤其是纖維素纖維領(lǐng)域。
用機(jī)械的方法加工噴絲孔，在孔型的可重復(fù)性的情況下可有高度精確。此外，還可以通過加工工具的形狀確定噴嘴的孔型。這涉及到例如噴嘴半徑在噴嘴長度上的分布，或者通常涉及噴嘴孔的橫截面形狀。這種制造方法的嚴(yán)重的缺點(diǎn)是與此相關(guān)聯(lián)的高昂的制造成本。
在lyocell方法中用到的噴嘴材料例如在PCT-WO94/28211或EP0430926中作了描述。
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種制造聚合物成型體的方法，在該方法中使用一種成型工具，該成型工具的擠出孔可以以低成本制成，盡管如此，卻適合于制造高質(zhì)量的成型體。
按照本發(fā)明的一個方面，這一任務(wù)通過一種用于制造聚合物成型體的方法來完成的，其中包括將一種含有聚合物的可成型物質(zhì)通過一個成型工具擠出，并用一種公知的方法，例如沉淀或冷卻，由所述擠出的成型了的材料獲得聚合物成型體，所述成型工具具有承載材料和設(shè)置在承載材料中的至少一個擠出孔，這種方法的特征在于所述可成型物質(zhì)由一成型工具擠出，在該成型工具中至少一個擠出孔通過借助于電子束來施加熱能制造而成。
所述成型工具優(yōu)選為一個帶有擠出孔的噴絲嘴，其中的擠出孔為一個或多個噴絲孔。
因此，提出采用借助于電子束來加工孔，以替代機(jī)械加工擠出孔，特別是噴絲嘴孔。
利用電子束來制造篩子等物品是公知的。但是，在該使用目的中對孔的形狀和可再現(xiàn)程度要求不高。因此，該技術(shù)一直沒有用于制造用于聚合物的成型工具。
一個關(guān)于噴絲嘴孔制造精度的度量是在例如圓形的噴絲孔中噴嘴孔出口直徑的偏差。因此這是一個重要的數(shù)值，因?yàn)榭讖酱_定單位時間里通過該孔輸送的噴絲溶液的量，因而確定所獲得的長絲的細(xì)度。噴絲嘴內(nèi)的孔徑(尤其是出口直徑)的偏差越大，纖維細(xì)度的偏差就越大，噴絲性能也就越不可靠(例如在氣隙中出現(xiàn)長絲斷裂)。
現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，用電子束加工噴絲孔的噴絲嘴的噴嘴孔出口直徑偏差大于通常的噴絲嘴。用機(jī)械法制造噴絲嘴，通常的噴嘴孔出口直徑的偏差值位于明顯小于5％的區(qū)域內(nèi)，而該值在用電子束制造孔時則明顯地大于5％，直至15％。
然而，料想不到的是，這一事實(shí)并沒有在噴絲紗的細(xì)度(纖度)上表現(xiàn)出來。比較測量得到了同樣良好的，甚至部分更好的纖度分布值。同樣意想不到的是，噴嘴孔出口直徑(其通過孔的面積表現(xiàn)出來)的較大的偏差也沒有對紡絲的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。
迄今公知的、用于聚合物紡絲的，特別是用lyocell法紡制纖維素纖維的噴嘴孔的形狀都可有很復(fù)雜序列的圓柱段和圓錐段。因此，尋求重新調(diào)整一種漏斗形狀，以便獲得噴嘴孔內(nèi)的盡可能有利的流動性，并獲得最佳噴絲性能。
借助于電子束成型出的孔基本上為漏斗形的(不必用單獨(dú)的步驟來加工出不同的圓柱段或圓錐段)，因此與這種理想非常接近。
這樣，通過噴絲孔擠出的可成型物質(zhì)流的橫截面的平均直徑連續(xù)變小。
如對單獨(dú)的孔的研究，借助于電子束制成的噴絲孔還具有極其光滑和均勻的表面，這有利于流過噴絲溶液。
此外，用電子束制成的噴絲孔的孔出口處或孔入口處的棱是圓形的，而用機(jī)械方法制成的噴絲孔的棱是尖的。
因此可以確定，借助于電子束制造出擠出孔的成型工具在同時較為有利的制造的情況下特別適合于制造聚合物成型體。因?yàn)椴槐赜胁牧蠑D出發(fā)生，所以，顯著地擴(kuò)大了可用材料的種類。例如，可以選用高強(qiáng)度鋼，其可以加大成型工具、特別是噴絲嘴的尺寸，從而提高產(chǎn)品單位生產(chǎn)能力。而且由于不必有材料擠出發(fā)生，所以噴絲嘴的孔密度可被相當(dāng)大的提高。
此外，提出，采用電子束制造噴絲孔，在即使比較厚的厚度為4至5mm的板中，也可以加工出小直徑，例如100μm或更小的孔。
噴嘴的長度L與出口孔直徑D之比優(yōu)選為L/D＜50，尤其優(yōu)選L/D＜30，最優(yōu)選為L/D＜20。
在本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施形式中，成型工具為一個帶有擠出孔的噴絲嘴，所述擠出孔的形式為噴絲孔，所述承載材料優(yōu)選為環(huán)形。一種噴絲嘴的環(huán)行構(gòu)造例如在PCT-WO95/04173中予以公開。
對此的一種替換形式是，承載材料為四邊形，尤其是矩形。形狀為矩形的噴絲嘴例如PCT-WO94/28218中予以公開。
承載材料可以是小板的形式，在該小板上加工出噴絲孔，并且其中小板裝在一個支撐板的孔中，特別是階梯狀孔中，正如EP0430926A2所公開的。
承載材料可以構(gòu)成為深沖壓的噴絲嵌入件的形式。
承載材料也可以與噴嘴體齊平并且焊接在其內(nèi)，正如在已經(jīng)引用的PCT-WO94/28218中所公開的。
在噴絲嘴中設(shè)有優(yōu)選多于1000個噴絲孔，特別優(yōu)選地多于10000個。噴絲孔出口的直徑優(yōu)選在50μm至1000μm的區(qū)域中，特別優(yōu)選100μm至500μm的區(qū)域中。
所述包含聚合物的可成型物質(zhì)在90℃時的零切粘度(Nullviskositat)優(yōu)選為至少100Pas。這樣的可成型物質(zhì)可以非常好地通過由電子束加工而成的擠出孔擠出。
本發(fā)明的方法的一個特別優(yōu)選的實(shí)施形式的特征在于，所述可成型物質(zhì)為一種在含水氧化叔氨中的纖維素溶液。其中，優(yōu)選在擠出之后將這種纖維素溶液經(jīng)一空氣隙導(dǎo)送到一沉淀浴槽內(nèi)。這一方法公知為“氧化胺法”或“Lyocell法”。用這種方法制造的纖維素纖維的類名為“Lyocell”。
本發(fā)明的另一方面是提供一種用本發(fā)明的方法可獲得的成型體，特別是一種用本發(fā)明的方法在氧化胺法中可獲得的纖維素成型體。
另一方面，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種用于制造聚合物成型體的成型工具，該成型工具包括承載材料和至少一個設(shè)置在該承載材料中的擠出孔，其特征在于，至少一個擠出孔通過借助于電子束施加熱能制成。
本發(fā)明的成型工具優(yōu)選為帶有擠出孔的噴絲嘴，該擠出孔為噴絲孔的形式。
該借助于電子束成孔的噴絲孔優(yōu)選具有漏斗形的形狀。
對于專業(yè)人員來說，借助于電子束在材料，例如板材上加工出孔的方法是公知的。例如Pro-Beam KgaA公司和Acceleron Inc.公司采用相應(yīng)的方法。


圖1示出了按照本發(fā)明的借助于電子束制造的噴絲孔的縱剖面的顯微照片。
圖2示出了以通常的機(jī)械方法制造的噴絲孔的縱剖面的顯微照片。
為了拍攝這些照片，在噴絲孔中各填充一種填充材料，接著將這種填充材料從孔中抽出。然后再將按照孔的內(nèi)部輪廓成型的填充材料放到顯微鏡下拍攝。
比較兩張圖注意到，借助于電子束成孔的噴絲孔(圖1)在整個長度上基本上為漏斗形曲線，而在圖2中明顯地可以看出兩個不同的區(qū)域，即，一個錐體形的第一區(qū)域和一個基本上圓柱形的第二區(qū)域。
在圖1中還可以清楚地看出孔壁的與圖2相比不規(guī)則的縱向形狀。
實(shí)施例
例1以兩個噴絲嘴作比較，每個噴絲嘴具有大約47500個噴絲孔，孔的直徑各具體為100μm，其中一個噴絲嘴的噴絲孔借助于電子束制成，另一個噴絲嘴的噴絲孔以通常的機(jī)械穿孔的方法制成。
如同在PCT-WO95/04173中描述的，噴絲嘴為環(huán)形噴嘴。環(huán)形的承載材料由不銹鋼制成。
在下面的表格1中詳細(xì)地給出了所用的噴絲嘴的數(shù)據(jù)表1

下面首先比較兩個所用噴絲嘴的噴絲孔的特性。借助于公知的圖象處理法測出多個噴絲孔的出口孔的面積F和各最大直徑Dmax，并由此求出平均值。根據(jù)面積算出出口孔的理論直徑Dtheor(假定出口孔為圓形的)。測量到的最大直徑與根據(jù)面積計算出來的理論直徑之比給出了出口孔與理想的圓形孔直徑的偏差量。此外還確定了測出的面積F的偏差、Dmax及Dtheor，并分別將各所測出的或所求出的最小值與各所測出的或所求出的最大值進(jìn)行比較。
在下面的表2中列出了這些測量或計算的結(jié)果
表2

從表2中可以看出，借助于電子束制成的噴絲孔不僅在圓度方面，而且在其面積方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如用通常的機(jī)械方法制成的孔均勻。尤其可以確定借助于電子束制成的噴絲孔的出口面積F(5942μm2至8331μm2)的明顯較大的偏差。
現(xiàn)在分別用上述兩種噴絲嘴將根據(jù)EP 0 356 419中描述的方法制備的纖維素在氧化叔胺(tertiaren Aminoxide)中的溶液擠出。按照PCT-WO93/19230中描述的方法，將擠出的長絲通過一空氣隙引導(dǎo)到一沉淀浴槽內(nèi)，并以公知的方法進(jìn)一步加工成纖維素纖維。
在此首先可以觀察到的是，在通過具有借助于電子束制成的噴絲孔的噴嘴擠出的情況下，噴絲性能(即，長絲斷裂或其它故障的出現(xiàn))與用按照背景技術(shù)制成的噴絲嘴的噴絲性能同樣好。
在所制成的纖維的一個有代表性的橫截面測量纖度，由此求出平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv，并記錄下所發(fā)現(xiàn)的最大和最小纖度。
在下面的表3中列出了結(jié)果
表3

從表3中可以看出，兩種所測試的噴絲嘴實(shí)際上得到了同樣良好的纖度分布結(jié)果。雖然用電子束制成的噴絲孔的尺寸不如用機(jī)械方法穿孔制成的噴絲孔那樣均勻。
例2將兩個噴絲嘴進(jìn)行比較，每個噴絲嘴具有大約25000個噴絲孔，每個噴絲孔的直徑各具體為160μm，其中一個噴絲嘴的噴絲孔借助于電子束制成，另一個噴嘴的噴絲孔用通常的機(jī)械法制成。
噴絲嘴還是如PCT-WO05/04173所描述的那樣為環(huán)形的。環(huán)形的承載材料由不銹鋼制成。
在下面的表4中詳細(xì)地給出了所用的噴絲嘴的數(shù)據(jù)。
表4

下面如例1那樣，對噴絲孔的出口孔尺寸進(jìn)行比較。
在下面的表5中列出了此測量和計算的結(jié)果。
表5

從表5中再次看出，借助于電子束制成的噴絲孔不僅在圓度方面，而且在面積方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如采用通常的機(jī)械方法制成的孔均勻。
現(xiàn)在如例1那樣，用這種噴絲嘴時制備用溶劑噴制的纖維素纖維并測量纖度分布。
在此再次可以觀察到的是，用帶有借助于電子束制成的噴絲孔的噴嘴擠出時的噴絲性能與用背景技術(shù)的噴絲嘴擠出時同樣好。
在下面的表6中列出了纖度分布的結(jié)果。
表6

從表6中清楚地看出，在這種情況下，采用按照本發(fā)明的噴絲嘴可以獲得明顯好的纖度分布(標(biāo)準(zhǔn)偏差小)。
在例1和例2中的按照本發(fā)明的噴絲嘴與用于比較的帶有用機(jī)械方法制成的噴絲孔的噴絲嘴相比，制造成本更低。此外，如表1和4所示，按照本發(fā)明的噴絲嘴的強(qiáng)度明顯地高，并且因此可以承受較高的制造壓力(Produktionsdrücken)。因此可以顯著地提高用按照本發(fā)明的噴絲嘴的方法的生產(chǎn)能力。
權(quán)利要求
1.制造聚合物成型體的方法，其中將一種包含聚合物的可成型物質(zhì)通過成型工具擠出，并以公知的方式，例如沉淀或冷卻，由擠出的已成型物質(zhì)獲得聚合物成型體，所述成型工具具有承載材料和至少一個設(shè)置在該承載材料中的擠出孔，其特征在于所述可成型物質(zhì)經(jīng)成型工具擠出，在該成型工具中至少一個擠出孔通過借助于電子束施加熱能而制成。
2.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于采用帶有擠出孔的噴絲嘴作為成型工具，該擠出孔的形式為一個或多個噴絲孔。
3.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于通過噴絲孔擠出的可成型物質(zhì)流的橫截面的平均直徑連續(xù)地減小。
4.如權(quán)利要求2或3的方法，其特征在于，采用一種環(huán)形的承載材料。
5.如權(quán)利要求2或3的方法，其特征在于，采用一種四邊形的，特別是矩形的承載材料。
6.如權(quán)利要求2至5之一的方法，其特征在于，采用形式為小板的承載材料，在該小板中形成噴絲孔，并且其中該小板裝在支撐板的孔中，特別是階梯狀孔中。
7.如權(quán)利要求2至5之一的方法，其特征在于，采用一種深沖壓的噴絲嵌入件形式的承載材料。
8.如權(quán)利要求2至5中任一項的方法，其特征在于使用承載材料，所述承載材料與噴嘴體齊平并且焊接在其中。
9.如權(quán)利要求2至8中任一項的方法，其特征在于使用噴絲嘴，所述噴絲嘴中帶有多于1000，優(yōu)選多于10000個噴絲孔。
10.如權(quán)利要求2至9中任一項的方法，其特征在于使用噴絲孔，在所述噴絲孔中孔出口直徑位于50μm至1000μm，優(yōu)選100μm至500μm的區(qū)域中。
11.如前述任一權(quán)利要求的方法，其特征在于所述可成型物質(zhì)在90℃時的零切粘度至少為100Pas。
12.如前述任一權(quán)利要求的方法，其特征在于所述可成型物質(zhì)為在含水氧化叔氨中的纖維素溶液。
13.如權(quán)利要求12的方法，其特征在于所述纖維素溶液在擠出之后經(jīng)一空氣隙導(dǎo)送到沉淀浴槽內(nèi)。
14.通過如權(quán)利要求1至13之一的方法可獲得的成型體。
15.通過如權(quán)利要求12或13之一的方法可獲得的纖維素成型體。
16.用于制造聚合物成型體的成型工具，其包括承載材料和至少一個設(shè)置在該承載材料中的擠出孔，其特征在于至少一個擠出孔通過借助于電子束施加熱能來制造。
17.如權(quán)利要求16的成型工具，其特征在于其為帶有擠出孔的噴絲嘴，所述擠出孔的形式為噴絲孔。
18.如權(quán)利要求17的成型工具，其特征在于所述借助于電子束制成的噴絲孔在整個長度上具有基本為漏斗形的形狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造聚合物成型體的方法，其中將一種含有可成型物質(zhì)的聚合物通過一個成型工具擠出，并以一種公知的方法，例如沉淀或冷卻，由該擠出的已成型物質(zhì)獲得所述聚合物成型體。本發(fā)明的方法的特征在于可成型物質(zhì)通過成型工具擠出，在該成型工具中所述的成型工具具有載體和至少一個設(shè)置在該載體中的擠出孔至少一個擠出孔通過借助于電子束施加熱能而制成。
文檔編號H01J37/00GK1836063SQ200480020108
公開日2006年9月20日 申請日期2004年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月14日
發(fā)明者W·費(fèi)爾邁爾, C·施勒姆普夫, K·M·哈因布赫, H·福赫斯 申請人:連津格股份公司