Spezialmärkte – Bikomponentenfasern

Seitdem haben sich Mantel/Kern-Bindefasern weithin durchgesetzt und den Grundstein für die Einführung von Bikomponenten-Stapelfasern, Kabeln und Filamentgarnen mit einem breiten Spektrum verbesserter Leistungsmerkmale gelegt, die durch fortschrittlichere Bikomponenten-Technologien geboten werden. Ein wichtiger Schritt vorwärts bei der Kommerzialisierung einiger der fortschrittlicheren Möglichkeiten war die Erfindung eines Verfahrens zur Herstellung von Spin-Pack-Teilen durch fotochemisches Ätzen durch Hills Inc. mit Sitz in Melbourne, Florida. Dieser Fortschritt erhöhte die Feinheit und Präzision der Steuerung der Polymerfließwege und senkte gleichzeitig die Kosten der Teile. Anschließend wurde 1996 in Johnson City, Tennessee, Fiber Innovation Technology, Inc. (FIT) als Spezialfaserhersteller gegründet, der nicht von einem Polymerhersteller kontrolliert wird und sich auf Einzelpolymere und Rohstoffe konzentriert. Durch den Zugriff auf alle verfügbaren thermoplastischen Materialien und den Einsatz der Hills-Technologie war FIT in der Lage, in relativ kurzer Zeit eine große Anzahl verschiedener Bikomponentenfasertypen für eine Vielzahl von Anwendungen zu entwickeln. Dadurch haben Faserverbraucher nun Zugang zu einer kommerziellen Versorgung mit einer nahezu endlosen Vielfalt an Bikomponentenfasern, mit einem exponentiell größeren Spektrum an Leistungsmerkmalen als bei der Einführung der einfachsten Bikomponentenfasern.

Maßgeschneiderte Fasereigenschaften Heutzutage ist die Auswahl an Polymeren, die in einer Bikomponentenfaser verwendet werden, nicht auf eine Handvoll Standardpolymere wie Polyethylenterephthalat (PET), Nylon und Polypropylen (PP) beschränkt. Stattdessen wird die gesamte Palette an Polyestern – darunter Polycyclohexandimethanolterephthalat, Polytrimethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, PET-Glykol und eine große Auswahl an Copolyestern – durch aliphatische Polyester wie Polymilchsäure und Polyhydroxyalkanoate ergänzt, die den neuen Umweltvorteil ihrer Herstellung mit sich bringen erneuerbare Ressourcen. Eine ähnliche Sortimentserweiterung ist jetzt mit Polyamiden und Polyolefinen verfügbar, einschließlich Nylon 6, 6,6, 11 und 12; Copolyamide; Polyethylen hoher Dichte (PE); lineares PE niedriger Dichte; syndiotaktisches PP; und Polymethylpenten. Aber die vielleicht faszinierendste neue Möglichkeit ist die Einbindung technischer Polymere, deren Eigenschaften normalerweise außergewöhnlich sind, deren Kosten jedoch traditionell jede Untersuchung der Verwendung in Massenfaseranwendungen verhindert haben. Die Liste dieser Polymere ist lang und umfasst unter anderem Polyphenylensulfid, Acetal, Ionomere, Polyvinylalkohol, Polyetherimid und thermoplastische Polyurethane.

Zu den neu erweiterten Polymeroptionen kommt eine viel größere Vielfalt an Bikomponenten-Querschnitten hinzu, die durch die Hills-Technologie und einige Packungsteilinnovationen von FIT ermöglicht werden. Jetzt ist es möglich, die Polymere nahezu überall im Faserquerschnitt anzubringen (siehe Abbildung 2).

Und es ist nicht länger notwendig, die Auswahl auf runde Fasern zu beschränken. Fasern mit geformtem Querschnitt können auch mit zwei Polymeren coextrudiert werden (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3: Bikomponentenfasern können auch in verschiedenen Querschnittsformen extrudiert werden, einschließlich der oben gezeigten.

Schließlich kann die gesamte Palette an Polymeradditiven, die in Einzelpolymerfasern verwendet werden können, auch in einem oder beiden Polymeren einer Bikomponentenfaser verwendet werden, um gezielte Leistungsmerkmale zu erreichen. Zu diesen Zusatzstoffen gehören unter anderem Farbstoffe, Flammschutzmittel, antimikrobielle Mittel, leitfähige Materialien und Kohlenstoffnanoröhren.

Angesichts dieser sehr umfangreichen Matrix an Materialeigenschaften und Möglichkeiten, sie in jeder Faser zu kombinieren, wird deutlich, dass Bikomponentenfasern kein One-Trick-Pony mehr sind. Während in der Vergangenheit beim Stoffdesign versucht wurde, die festen Eigenschaften einer Standardfaser für jede unterschiedliche Anwendung zu optimieren, bieten Bikomponentenfasern heute eine Möglichkeit, eine fein abgestimmte Leistung in die Faser zu integrieren. Jede Anwendung kann nun nach einer Faser suchen, die genau auf die spezifischen Anforderungen dieser Anwendung zugeschnitten ist.

Beispielhafte Verwendungen von BikomponentenfasernEs gibt viel zu viele verschiedene Endanwendungen für Bikomponentenfasern, als dass sie in einem kurzen Artikel behandelt werden könnten, aber einige anschauliche Beispiele werden im Folgenden besprochen.

Sogar die grundlegende Mantel/Kern-Bindefaser wurde seit den Anfängen aktualisiert. Heutzutage steht eine Reihe von Copolymeren aus Polyestern, Polyamiden und Polyolefinen zur Verfügung, mit denen das gewünschte thermische Bindungsverhalten gezielt eingestellt werden kann. Die Klebetemperatur kann von einem Tiefstwert von etwa 110 °C bis zu einem Höchstwert von etwa 180 °C eingestellt werden. Es ist sogar möglich, Bindungspolymere außerhalb dieses Bereichs auszuwählen, diese Optionen können jedoch erhebliche Einschränkungen mit sich bringen. Über die Klebetemperatur hinaus lässt sich der Klebecharakter des Klebepolymers so einstellen, dass es besser auf polaren oder unpolaren Oberflächen haftet. Und die kristalline Beschaffenheit des Polymers kann so angepasst werden, dass ein breiterer oder engerer Schmelztemperaturbereich entsteht. Bindefasern für High-Loft-Vliesstoffe, die anstelle von Polyurethanschaum als Sitzkissen verwendet werden, verwenden ein Mantelpolymer mit elastischer Rückstellung, sodass eine wiederholte Belastung der Verbindungspunkte die Verbindung nicht bricht.

Der grundlegende Mantel-/Kernquerschnitt ist auch in vielen Anwendungen nützlich, die technische Polymere erfordern. Typischerweise hängt eine solche Anwendung vollständig von den Oberflächeneigenschaften des exotischeren und teureren Polymers ab. In diesen Fällen kann der Kern der Faser aus einem geeigneten, kostengünstigeren Polymer hergestellt werden, um alle Vorteile des teureren Polymers zu nutzen, wobei die Materialkosten weit unter denen einer Faser liegen, die nur aus dem Oberflächenpolymer besteht.

Side-by-Side-Bikomponentenfasern beruhen typischerweise auf der unterschiedlichen Schrumpfung zwischen den beiden Polymeren. Wenn die Fasern nicht physisch eingeschränkt werden, kann es zu jedem Zeitpunkt des Stoffbildungsprozesses durch die Anwendung von Wärme zu einer Schrumpfung kommen. Da die beiden Polymere unterschiedlich schnell schrumpfen, löst die Faser die entstehende Spannung auf, indem sie sich zu einer Helix kräuselt. Dieses Verhalten ermöglicht es, einen Stoff flach zu machen und dann zu bauschen, wann und wo es für die Anwendung geeignet ist.

Die Tortenkeilquerschnitte werden typischerweise zur Herstellung von Mikrofasern verwendet. Das Direktspinnen von Mikrofasern ist schwierig – und unter etwa 0,3 bis 0,5 Denier pro Filament (dpf) praktisch unmöglich – und teuer, da die Durchsätze gering sind. Eine Pie-Wedge-Faser mit 2 bis 3 dpf unterliegt jedoch keinen Durchsatzbeschränkungen und ist robust gegenüber Faser- und Stoffproduktionsprozessen. Sobald aus diesen Fasern ein Vliesstoff gebildet ist, kann dieser einer mechanischen Bewegung – typischerweise einem Wasserstrahlverfahren – unterzogen werden, wodurch die Segmente in Mikrofasern aufgespalten werden – typischerweise etwa 16 Segmente pro Bikomponentenfaser. Das Ergebnis ist ein Mikrofaserstoff mit deutlich geringeren Kosten im Vergleich zu einem Stoff, der aus direkt gesponnenen Mikrofasern hergestellt wird. Die hohlen und teilweise umwickelten Versionen dieses Querschnitts sind Verfeinerungen, die eine Anpassung der relativen Spaltbarkeit der Faser ermöglichen.

Auch der Meer/Insel-Querschnitt erzeugt Mikrofasern. In diesem Fall lässt sich das Meerespolymer leicht durch Auflösen in einem geeigneten Lösungsmittel – typischerweise einem leichten, heißen Laugenbad oder warmem Wasser – entfernen. Ein Stoff aus Meeres-/Inselfasern wird durch das Lösungsmittel geführt, und das Ergebnis ist ein Mikrofaserstoff. Dieser Ansatz ist mit Kosteneinbußen verbunden, da ein Teil der Fasern in den Abfluss gespült wird. Allerdings sind die kleinsten Mikrofasern aus der Meer-/Insel-Technologie viel kleiner als die, die mit der mechanischen Spalttechnik erreichbar sind.

Der Taggant-Querschnitt wurde ursprünglich von FIT entwickelt, um seine Fähigkeiten zu demonstrieren. Seitdem hat das Unternehmen jedoch herausgefunden, dass die Einbeziehung eines Logos oder einer anderen komplexen Form in den Faserquerschnitt bei Taggant-Fasern für Anwendungen, bei denen Haftungsschutz gewünscht wird, von Nutzen sein kann. Das Logo kann sogar ein zweidimensionaler Barcode sein, der von einem Bildverarbeitungssystem gelesen werden kann und so heimlich große Mengen an Informationen in ein Produkt einbaut. Das gekennzeichnete Produkt muss kein faseriges Produkt sein, sondern kann Elektronik, Pharmazeutika, Edelsteine, Sprengstoffe oder praktisch alles enthalten, was in einer Anwendung verwendet wird, bei der eine forensische Identifizierung von Wert sein könnte.

Zukünftige Richtungen Natürlich ist dies nicht das Ende der Geschichte. Die Innovation wird weitergehen und auf den Fortschritten aufbauen, die die Technologie bis zu diesem Stand gebracht haben. Es werden bereits Dreikomponenten-Spinnsysteme entwickelt, um drei verschiedene Polymere statt nur zwei in jede Faser zu koextrudieren. Und einige der einfacheren Bikomponenten-Querschnitte tauchen in Spinnvliesen auf, bei denen Filamente direkt in eine Vliesbahn extrudiert werden, ohne dass Fasern als Zwischenprodukt entstehen. Auch die Präzision der Polymersteuerung zur Formung des Querschnitts schreitet weiter voran. Als FIT gegründet wurde, bestand der Stand der Technik aus 37 Inseln in einer See-/Inselfaser, wodurch Mikrofasern mit einer Feinheit von bis zu 0,02 dpf hergestellt werden konnten. In den letzten Jahren hat Hills Spinnpakete hergestellt, die in der Lage sind, Hunderte von Inseln in jeden Faserquerschnitt zu stopfen, was die Produktion von Mikrofasern im Submikronbereich ermöglicht. Es gibt sogar einen Meer/Insel-Querschnitt mit fast 10.000 Inseln. Und bevor die Elektrospinning-Technologie überhaupt die Wiege erreicht, beginnen Forscher mit elektrogesponnenen Bikomponenten-Filamenten zu experimentieren, wobei sie Polymerlösungen anstelle von Polymerschmelzen verwenden.

Es wird notwendig sein, abzuwarten, bis einige dieser Fortschritte allgemein verfügbar sind, aber mit dem Stand der Bikomponententechnologie, der heute für die kommerzielle Produktion verfügbar ist, besteht möglicherweise keine Notwendigkeit mehr, auf eine Stapelfaser oder ein Filamentgarn zu warten, das genau die Leistung bietet eine bestimmte Anwendung erfordert.

Anmerkung des Herausgebers: Jeffrey S. Dugan ist Vizepräsident für Forschung bei Fiber Innovation Technology Inc.

Juli/August 2010