Polimero politrimetilentereftalato per fibre

Houston S. Brown

Paul K. Casey

J. Mike Donahue

Shell Chemical Company Westhollow Technology Center Houston, Texas (USA)

In breve

Il politrimetilentereftalato (PTT) è un poliestere aromatico ottenuto per policondensazione di 1,3-propandiolo (PDO) e acido tereftalico. PTT è stato filato con una linea Ason Technologies a Hills Inc.(1) e con una linea Reifenhauser (Tandec) (2). Un lavoro preliminare mostra che l'estrusione è relativamente semplice. Le fibre PTT offrono molte delle migliori qualità del nylon e del poliestere in molte applicazioni di fibre tessili e per tappeti; inoltre hanno caratteristiche uniche per lo spunbonded.

Introduzione

Il politrimetilentereftalato è stato sintetizzato per la prima volta da Whinfield e Dickson di Caligo Printing Ink. (3, 4). La successiva commercializzazione fu rallentata per la indisponibilità a costi ragionevoli del 1,3-propandiolo, una delle materie prime per la sintesi del PTT. Shell Chemicals ha di recente commercializzato una strada basata sulla idroformilazione dell'ossido di etilene, come mostrato in Figura 1.

Figura 1. Sintesi del PDO

Il PDO è poi polimerizzato in una reazione di condensazione con acido tereftalico per dare PTT, la cui struttura è riportata in Figura 2.

Figura 2. Struttura del PTT.

Il polipropilene è il polimero da scegliere per lo spunbond. Infatti è relativamente poco costoso e facile da filare. In molti casi è l'ideale. Comunque è difficile da sterilizzare e manca ancora di morbidezza. Questo articolo tratta dell'impiego del PTT per realizzare nontessuti spunbond.

Parte sperimentale

Polimero: Corterra(tm) polimero PTT con viscosità intrinseca di 0.9 dl/g (misurata in una miscela 50/50 con cloruro di metilene e acido trifluoroacetico a 30°C) viene trattato come già riportato (5,6,7).

Spunbond: lo spunbond è stato realizzato a Hills, Inc., Melbourne, Florida (USA) (5, 6). Sfortunatamente la linea Hills non disponeva di un sistema di calandratura o di coesionamento. Lo spunbond è stato anche realizzato a Tandec su una linea Reifenhauser. Per lo spunbond di confronto si è utilizzata la resina polipropilenica Exxon 3445.

Risultati e discussione

La fibra POY di PTT, che poi viene testurizzata, viene estrusa facilmente a velocità che vanno da 600 a 5000 m/minuto. Queste fibre possono poi essere avviate ad una unità di stiro-testurizzazione a 450-1100 m/minuto.
Le Figure 3 e 4 mostrano la velocità di filatura del POY PTT in funzione rispettivamente della tenacità e dell'allungamento percentuale.

La relazione che lega la velocità di filatura del PTT alle caratteristiche del filato POY ha un andamento simile a quello del POY PET. Comunque un filato POY PTT filato a 3000 m/minuto ha un allungamento percentuale ed una tenacità inferiori rispetto al POY PET. Il POY PTT è più flessibile e ha una mano più morbida sia come filo che come tessuto. Il POY PTT filato a 2000 m/minuto risulta più amorfo. Comunque quando è filato a 5000 m/minuto il PTT mostra una marcata cristallinità (8). Inoltre, mentre il POY PET aumenta il modulo all'aumentare della cristallinità, il modulo del POY PTT rimanbe praticamente costante. Questo significa che le fibre filate nel processo Hills daranno uno spunbond composto principalmente di fibre altamente cristalline, mentre le fibre frodotte con la linea Reifenhauser (a più bassa velocità) sono decisamente più amorfe e produrranno uno spunbond ugualmente più amorfo. Le figure 3 e 4 mostrano anche che ci sarà una drastica differenza per il POY PTT filato sulle due linee, dovuta unicamente alle previste proprietà delle fibre: una minor tenacità ed un maggior allungamento per quelle prodotte col processo Reifenhauser.

La Tavola 1 confronta uno spunbond in polipropilene ed uno in PTT realizzato con la linea Reifenhauser. Si è usato sia PTT vergine che PTT additivato con 0.4% di TiO2. Si sono utilizzate differenti settaggi della macchina per controllare la grammatura dello spunbond, mentre non è stato possibile variare di molto la velocità della pompa di fusione poiché anche piccole variazioni portano a condizioni di instabilità di filatura. La filiera usata in questa prova ha fori da 0.4 mm, mentre in prove precedenti si sono usate filiere da 0.6 mm e verranno effettuate prove con capillari ancora più sottili.

La Tavola 2 mostra più chiaramente le differenze di titolo o di dimensioni della fibra PTT in relazione alle differenti condizioni di filatura.

La Tavola 1 mostra anche che il PTT produce nella linea Reifenhauser uno spunbond dimensionalmente molto stabile. Da notare il basso allungamento percentuale. La grammatura non giustifica da sola questa differenza nell'allungamento.

La Figura 5 mostra un confronto fra il TMA (thermal mechanical analysis, cioè analisi termo meccanica) del polipropilene e del PTT. Il PP ha un'area di retrazione prima di fondere, mentre il PTT mostra un più graduale aumento dell'allungamento all'aumentare della temperatura. La resistenza in direzione macchina (MD) e trasversale (CD) per il PTTè simile e questo può essere spiegato con il peso elevato, ma la Figura 6 mostra che in effetti il tessuto è stabile in entrambe le direzioni. La Figura 6 confronta il TMA in direzione macchina, in direzione trasversale e su un bordo (con la maggior parte delle fibre allineate nella direzione dell del test).

Figura 3. Tenacità in funzione della velocità di filatura (metri al minuto) per il POY PTT.

Figura 4. Allungamento percentuale in funzione della velocità di filatura (metri al minuto) per il PTT.


Tavola 1. Confronto fra spunbond PP e PTT prodotti con la linea Reifenhauser SB.
Campione
Peso
Base
(g/m2)
Diametro
della fibra
Sigma
Tensione
in direzione
macchiana
(kg)
Allungamento
a rottura
in direzione
macchina (%)
Tensione in
direzione
trasversale
(kg)
Allungamento
a rottura
in direzione
trasversale (%)
1.1 PP
18
27.48
1.85
1.28
54.4
.41
46.9
1.2 PP
27
27.42
2.28
1.78
43.8
.69
49.0
1.3 PP
18
26.72
2.36
1.65
112.7
.57
74.6
2.1 PTT
58
25.31
2.74
1.62
6.0
1.60
6.82
2.2 PTT
44
20.19
3.25
1.57
5.8
1.51
7.04
3.1 PTT, .4% TiO2
83
24.39
3.87
3.42
7.0
3.10
6.76
3.2 PTT, .4% TiO2
62
26.74
2.88
2.70
13.8
2.54
12.6


Lo spunbond PTT mostra proprietà decisamente diverse rispetto ad un filato completamente stirato (FDY, fully drawn yarn). La Figura 7 confronta il TMA di un FDY PTT e di un spunbond PTT. Da notare che il FDY PTT mostra una leggera estensione prima di 50°C, ma poi ha una retrazione di oltre il 10% fra 50°C e il punto di fusione del PTT. In confronto lo spunbond mostra una estensione inferiore.

Tavola 2. Confronto delle dimensioni delle fibre spunbond di PP e PTT.
Sample
Peso base
(g/m2)
Diametro della fibra
(microns)
Denari per
filamento
1.1 PP
18
27.48
4.9
1.2 PP
27
27.42
4.8
1.3 PP
18
26.72
4.6
2.1 PTT
58
25.31
6.1
2.2 PTT
44
20.19
3.9
3.1 PTT, .4% TiO2
83
24.39
4.2
3.2 PTT, .4% TiO2
62
26.74
6.8


La linea Hills-Ason ha una velocità di filatura superiore rispetto ai 1500 - 2000 metri al minuto della linea Reifenhauser. La Figura 8 mostra l'andamento della velocità lineare della fibra in funzione della portata, mentre la Figura 9 mostra il titolo (dpf, ovvero denari per filamento) in funzione della portata. Tutti i valori uguali o maggiori di 0.6 grammi al minuto per foro sono stati ottenuti con una pressione dell'aria fissa, a causa della indisponibilità di aria compressa aggiuntiva. Da notare che si possono ottenere anche titoli estremamente fini.

Figura 5. TMA di spunbond PTT e PP

Figura 6. TMA di spunbond PTT.

Figure 7. TMA di spunbond PTT.

Le fibre PTT spunbond mostrano la stessa morbidezza delle fibbre filate meccanicamente. Data la morbidezza delle fibre PTT e le limitazioni imposte dalla portata delle filiere (grammi al minuto per foro) e dalla velocità della fibra a molte lavorazioni col polipropilene, è interessante analizzare la possibilità di rimpiazzarlo nello spunbond col PTT. Questo, insieme alla maggior densità del PTT (1.33 g/cm3 contro gli 0.91 del polipropilene), alla possibilità di ottenere titoli inferiori ad 1 dpf e alla moderata pressione dell'aria (78-80 psi), fanno presagire tessuti spunbond eccezionali con buona formazione ed un aumento di produzione del 50-100%, pur mantenendo una buona mano e un buon drappeggio. Campioni di PTT sono stati irraggiati a 2.5 e 5.0 MRad per cconfermare la prevista buona resistenza ai raggi gamma, che invece rimane un problema per lo spunbond di polipropilene.

Sulla linea Hills si sono lavorate anche fibre bicomponenti PTT-PET e si è riscontrato il previsto arricciamento dovuto al differenziale di retrazione. La formazione dello spunbond è eccellente sia per le fibre omofile che bicomponenti.

Conclusioni

Il PTT forma rapidamente fibre di titolo fine alle alte velocità. Le proprietà fisiche dello spunbond di PTT sono decisamente diverse rispetto agli altri spunbond. Differenti processi producono spunbond fra loro moldi diversi. La mano e la voluminosità dei filati PTT sono buonissime. Il tessuto in PTT si tinge facilmente con coloranti dispersie anche la stampa è facile.

Figura 8. Velocità della fibra in funzione della portata (grammi al minuto per foro)

Figura 9. Dimensione della fibra in funzione della portata (grammi al minuto per foro). Processo Hills-Ason.

Rigraziamenti

Desideriamo ringraziare molti nostri colleghi che hanno lavorato a questo progetto: Case Baas, Mary Bowers, Phil Dalton, Ernest Evans, Imrich Greschler, John Ivey, Linda Oliveri, Jose Orantes, Adriano Pangelinan, Frank Smith, Russ Vinson, Pat Welch e Frank Werny. Ed inoltre Jerry Taylor e Arthur Tulley di Hills, Inc. e Larry Wadsworth, Sanjiv Malkan, Natalia Castillo e Jack Wyrick di Tandec.

Speciali ringraziamenti a Janusz Grebowicz per le analisi termiche e dinamiche.

Riferimenti

  1. Contatto: Arnold Wilkie, Hills, Inc., 7785 Ellis Road, West Melbourne, FL 32904.
  2. Contatto: Dr. Larry C. Wadsworth, University of Tennessee - Tandec, 1321 White Avenue, Knoxville, TN 37996-1950.
  3. "Improvements Relating to the Manufacture of Highly Polymeric Substances," Brevetto Br. 578,079 (1941).
  4. "Polymeric Linear Terephthalic Esters," Brevetto U.S. 2,465,319 (1949).
  5. H.S. Brown, H.H. Chuah, "Poly(trimethylene terephthalate) - A New (Old) Fiber." Presentato al Congresso Internazionale delle Fibre Chimiche, Dornbirn, Austria, settembre 25-27, 1996.
  6. H.S. Brown, H.H. Chuah, "Texturing of Textile Filament Yarns Based on Poly(trimethylene terephthalate)", Chemical Fibers International, 47:1, 1997. pp 72-74.
  7. H.H. Chuah, H.S. Brown, and P.A. Dalton, "Corterra(tm) Poly(Trimethylene Terephthalate) - A New Performance Carpet Fiber," International Fiber Journal, ottobre, 1995.
  8. W. Oppermann, H.L. Traub, P. Hirt, H. Herlinger, "Fibres made of Poly(trimethylene terephthalate)." Presentato al Congresso Internazionale delle Fibre Chimiche, Dornbirn, Austria, settembre 20-22, 1995.


Questo articolo è pubblicato sulla rivista NF Nuove Fibre, consulta il sommario.