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Dokumentenidentifikation DE3586699T2 25.03.1993
EP-Veröffentlichungsnummer 0168817
Titel Verfahren und Apparat zum mit Extrusion kombinierten Zentrifugalspinnen.
Anmelder Keuchel, Herbert W., Tallmadge, Ohio, US;
Benoit, John E., Annandale, Va., US
Erfinder Keuchel, Herbert W., Tallmadge Ohio 44278, US
Vertreter ter Meer, N., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Müller, F., Dipl.-Ing., 8000 München; Steinmeister, H., Dipl.-Ing.; Wiebusch, M., 4800 Bielefeld; Urner, P., Dipl.-Phys. Ing.(grad.), Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Aktenzeichen 3586699
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, FR, GB, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 16.07.1985
EP-Aktenzeichen 851089045
EP-Offenlegungsdatum 22.01.1986
EP date of grant 30.09.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.03.1993
IPC-Hauptklasse D01D 5/18

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft das Gebiet des Zentrifugal-Faserspinnens zum Herstellen von Fasern aus einem flüssigen faserbildenden Material.

Im Stand der Technik sind Systeme bekannt, bei denen flüssiges faserbildendes Material unter Druck durch Öffnungen in einem feststehenden Düsenkopf gedrückt wird. Der Wirkungsgrad solcher Systeme ist relativ niedrig. Daher wurden Systeme entwickelt, bei denen das flüssige Fasermaterial über eine Lochanordnung durch Zentrifugalkräfte in einem schnell rotierenden Düsenkopf ausgestoßen werden. Solche Systeme sind z. B. in den Druckschriften EP-A1 87 014 und US-A-3,596,312 beschrieben. In beiden bekannten Systemen wird die Extrusionsrate durch die Drehzahl des Düsenkopfs bestimmt. Die volumetrische Pumprate des flüssigen Fasermaterials wird so gewählt, daß gerade diejenige Menge an Material in den Düsenkopf gepumpt wird, die erforderlich ist, um das Material zu ersetzen, das durch die Zentrifugalkräfte über den Düsenkopf ausgestoßen wird. Der Wirkungsgrad solcher Systeme ist bei vergleichsweise schlechter Produktqualität immer noch verhältnismäßig niedrig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Fasern mit hohem Wirkungsgrad und hoher Produktivität anzugeben.

Die Vorrichtung weist gemäß der Erfindung folgende Merkmale auf: - eine Quelle flüssigen, faserbildenden Materials; - eine rotierende Spinndüse mit einer Lochanordnung in ihrer Oberfläche; - mindestens eine Fördereinrichtung, die die Quelle und den rotierenden Düsenkopf miteinander verbindet; und - eine Steuereinrichtung, welche die volumetrische Pumprate der Fördereinrichtung derart steuert, daß die Extrusionsrate über den Düsenkopf ausschließlich durch die volumetrische Pumprate unabhängig von der Drehzahl des Düsenkopfs bestimmt ist.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Fluid des faserbildenden Materials mit vorgegebener volumetrischer Pumprate derart in den rotierenden Düsenkopf gepumpt, daß die Extrusionsrate durch den Düsenkopf ausschließlich durch die volumetrische Pumprate unabhängig von der Drehzahl des Düsenkopfs bestimmt ist.

Es ist offensichtlich, daß beim Gerät und dem Verfahren gemäß der Erfindung die Extrusionsrate nicht mehr durch die Zentrifugalkraft und damit durch die Drehzahl des Düsenkopfs bestimmt ist, sondern durch die volumetrische Pumprate. Daher ist es möglich, Fasern konstanter Qualität mit hoher Produktivität zu erhalten. Die Drehzahl kann auch durch andere Gesichtspunkte als im Hinblick auf eine höhere Extrusionsrate gewählt werden.

Vorzugsweise wird das faserbildende Material gekühlt, wenn es während des Ziehvorgangs die Lochanordnung verläßt. Die Fasern sind gut für Fasergewebe, Faserseile und Garne bei Verwendung geeigneter Sammel- und Aufnahmesysteme geeignet.

Die Erfindung wird anhand vorteilhafter Ausführungsformen in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Faserherstellsystems;

Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. ;

Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der Linie 3-3 von Fig. 2;

Fig. 4 ist ein Querschnitt entlang der Linie 4-4 von Fig. 2;

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Beziehung der Extrusionsrate, der Düsenkopfdrehung, des Durchmessers der Filamentumlaufbahn und der Filamentgeschwindigkeit.

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung von Denierwerten als Funktion der Düsenkopfrotation;

Fig. 7 veranschaulicht eine Modifikation von Fig. 2; 8 ist eine schematische Darstellung eines Systems zum Herstellen eines Fasergewebes;

Fig. 9 ist eine schematische Darstellung eines Systems zum Erzeugen eines gestreckten Gewebes gemäß Fig. 8;

Fig. 10 ist eine Seitenansicht des Systems von Fig. 9; und

Fig. 11 ist eine schematische Darstellung eines Systems zum Erzeugen von Garn.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Apparat, bei der eine Quelle für flüssiges, faserbildendes Material vorhanden ist, wobei das flüssige, faserbildende Material in einen Düsenkopf gepumpt wird, der mehrere Spinndüsen entlang seinem Umfang aufweist. Der Düsenkopf wird mit einer vorgegebenen einstellbaren Drehzahl gedreht, wodurch die Flüssigkeit vom Düsenkopf ausgestoßen wird, um Fasern zu bilden. Vorzugsweise wird das faserbildende Material gekühlt, wenn es die Löcher der Spinndüsen während des Ziehvorgangs verläßt. Die Fasern können zum Herstellen von Fasergeweben, Faserseilen und Garn mit Hilfe geeigneter Sammel- und Aufnahmesysteme verwendet werden. Das Pumpsystem sorgt für einen Pumpvorgang, bei dem eine volumetrische Menge an Flüssigkeit unabhängig von der Viskosität oder dem durch die Spinndüsen und das Verteilsystem des Spinnkopfes erzeugten Rückdrucks in das rotierende System gedrückt wird, wodurch Zwangsverschiebungsförderung erzeugt wird. Zwangsverschiebungsförderung kann mit Hilfe des Extruders alleine oder mit Hilfe einer zusätzlichen Pumpe vom Typ, wie sie allgemein für diesen Zweck verwendet wird, bewirkt werden. Eine Drehkupplung ist für Zwecke formschlüssiger Dichtung während der Druckförderung des faserbildenden Materials in den rotierenden Drehkopf vorhanden.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Gemäß den Zeichnungen ist in Fig. 1 schematisch ein System gemäß der vorliegenden Erfindung zum Herstellen von Fasern dargestellt. Das System beinhaltet einen Extruder 11, der faserbildendes Material, wie einen flüssigen polymeren Stoff, durch ein Förderrohr 13 zu einer Drehkupplung 21 extrudiert. Eine Pumpe 14 kann in der Förderleitung angeordnet sein, falls die vom Extruder gelieferte Pumpwirkung nicht ausreichend genau für besondere Betriebsbedingungen ist. Eine elektrische Steuerung 12 ist zum Auswählen der Pumprate für die Extrusion und zum Verschieben des Extrudats durch die Förderleitung 13 vorhanden. Die Drehkupplung 12 ist an einer Spindel 19 befestigt. Eine Drehantriebswelle 15 wird durch einen Motor 16 mit einer Drehzahl angetrieben, die mit Hilfe einer Steuerung 18 ausgewählt wird; sie geht durch die Spindel 19 und die Drehkupplung 21 hindurch und ist mit dem Düsenkopf 23 verbunden. Der Düsenkopf 23 weist mehrere Spinndüsen entlang seines Umfangs auf, damit, wenn er durch die vom Motor 16 angetriebene Antriebswelle 15 rotiert wird und wenn das flüssige Polymerextrudat durch Schmelzflußkanäle in der Welle 15 durch Zwangsverschiebung in den Düsenkopf 23 transportiert wird, das Polymer von den Spinndüsen ausgestoßen wird und Fasern 25 erzeugt, die eine Umlaufbahn bilden, wie dargestellt. Im Gebrauch verzerren Luftströme um den Düsenkopf das kreisförmige Muster der Fasern.

Die Fig. 2 bis 4 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Spindel 19, die Drehkupplung 21, den Düsenkopf 23 und die Antriebswelle 15 von Fig. 1. Die Fig. 3 und 4 sind Querschnittsansichten entlang Linien 3-3 bzw. 4-4 von Fig. 2. Lager 31 und 33 werden innerhalb der Spindel durch einen Lagerhalter 34, eine Verriegelungsnut 35 und einen Zylinder 36 gehalten. Diese Lager halten die Drehwelle 15. Die Drehwelle 15 weist zwei Schmelzflußkanäle 41 und 43 auf. Um die Welle herum liegt benachbart zu den Schmelzflußkanälen ein stationärer Teil der Drehkupplung 21. Ein Extrudatzuführkanal 47 ist mit der Förderleitung 13 (Fig. 1) verbunden und geht durch die Drehkupplung 21 hindurch und endet in einer inneren Umfangsnut 29. Die Nut 29 paßt zu einzelnen Förderkanälen 50 und 52, Fig. 3, die die Nut 49 mit den Schmelzflußkanälen 41 und 43 verbinden.

Die Drehkupplung kann durch eine Einrichtung, wie z. B. Karbondichtungen 51 und 53, abgedichtet sein, die mit Hilfe von Karbondichtungshaltern 54, 56 an ihrem Ort gehalten werden. Neben der unteren Karbondichtung 53 ist eine druckeinstellbare Nut 55 vorhanden, die bei Rotation die zwei Karbondichtungsanordnungen aufwärts oder abwärts bewegen kann. Diese Bewegung verursacht eine entgegengesetzte Reaktion von Belleville-Dichtungsringen 59 und 60 in solcher Weise, daß jede verschiebbare Karbondichtungsanordnung mit Federkraft individuell gegen die Drehkupplung gedrückt wird.

Der untere Dichtring 60 liegt auf einem Abstandshalter 61, der wiederum auf dem Düsenkopf 23 liegt. Der Düsenkopf 23 weist mehrere austauschbare Spindüsen 67 auf, die mit Flußkanälen, wie dem Flußkanal 41, über den Förderkanal 69 und eine Wellenöffnung 71 verbunden sind, die sich durch die Welle 15 zwischen dem Kanal 41 und der Umfangsnut 70, Fig. 4, erstreckt, um eine konstante Quelle für Extrudat zu bilden. Der Apparat wird mit Hilfe einer Einrichtung, wie einer Platte 73, die an der Welle 15 befestigt ist, in Position gehalten.

Falls gewünscht, kann eine Einrichtung zum Kühlen des Extrudats, wenn es die Spinndüsen verläßt, vorhanden sein, wie Gin stationärer Ring 77 mit Auslaßöffnungen, die Luft unter Druck in Richtung von Pfeilen A durchlassen. Der Ring 77 wird durch eine nicht dargestellte Trägerstruktur in der dargestellten Position gehalten.

Darüber hinaus sind elektrische Heizer 20 und 22, Fig. 3, vorzugsweise im stationären Segment 20 der Drehkupplung 21 vorhanden, um die Extrudattemperatur aufrechtzuerhalten.

Wie ersichtlich, liefert das beschriebene Gerät ein System, das zwischen dem Extruder und dem Düsenkopf geschlossen ist, wobei das flüssige Extrudat durch eine Drehkupplung extrudiert wird, die die Drehwelle umgibt. Dementsprechend wird, wenn die Welle gedreht wird, das flüssige Extrudat durch die Schmelzflußkanäle nach unten in die Drehwelle und in die Mitte des kreisförmigen Düsenkopf s gepumpt. Der Düsenkopf, der mehrere Spinndüsen 67, Fig. 4, entlang seines Umfangs aufweist, sorgt für einen Ziehvorgang des ausgegebenen Extrudats, wenn bei seinem Rotieren das Extrudat von den Spinndüsen ausgestoßen wird, um Fasern 25 zu bilden, wie dies schematisch in Fig. 1 dargestellt ist. Die Rotation ist daher wesentlich für den Ziehvorgang und die Faserbildung, jedoch steuert sie nicht die Extrusionsrate durch den Düsenkopf. Die Extrusionsrate durch den Düsenkopf wird durch die Pumpwirkung des Extruders 11 und/oder der Pumpe 14 gesteuert.

Um eine langlebige Hochdruckdichtung zwischen der Drehkupplung 21 und dem Düsenkopf 23 zu bewerkstelligen, verfügt die Welle 15 über schraubenförmige Nuten 101 und 103 um ihren Umfang an entgegengesetzten Seiten der Zuführkanäle 50 und 52. Die schraubenförmigen Nuten 101 und 103 weisen gegenläufige Steigung auf, so daß dann, wenn die Welle in Richtung der durch einen Pfeil angezeigten Richtung gedreht wird, alles Extrudat, das zwischen den zueinander passenden Oberflachen der Welle 15 und der Drehkupplung 21 durchleckt, in die Nut 29 und die zugeordneten Kanäle 50 und 52 zurückbefördert wird. Dementsprechend wird durch Benutzen dieser dynamischen Dichtung ein Lecken im wesentlichen selbst unter Hochdruck ausgeschlossen.

Die Hauptvariablen in diesem System sind neben der Wahl des Polymers die Pumprate des flüssigen Polymers durch den Extruder und/oder die Pumpe, die Temperatur des Polymers und die Drehzahl des Düsenkopfs. Natürlich können Spinndüsen unterschiedlicher Größe als austauschbare Spinndüsen verwendet werden, um die Faserbildung zu steuern, ohne daß dies Einfluß auf die Extrusionsrate hat. Die Extrusionsrate aus dem Düsenkopf, wie z. B. in Gramm pro Minute pro Loch, wird ausschließlich durch die Menge an Extrudat bestimmt, die durch den Extruder und/oder die Pumpe in das System gepumpt wird.

Wenn das System betrieben wird, werden Fasern vom Umfang des Düsenkopfs ausgestoßen und nehmen eine schraubenförmige Umlaufbahn ein, wenn sie anfangen, unter den rotierenden Düsenkopf zu fallen. Während sich die Fasern mit einer Geschwindigkeit bewegen, die von der Drehzahl des Düsenkopfs abhängt, während sie gezogen werden, bewegen sie sich nicht in Umfangsrichtung, wenn sie den äußeren Durchmesser der Umlaufbahn erreichen, sondern sie werden lediglich im wesentlichen eine auf die andere in dieser besonderen Umlaufbahn abgelegt. Die Umlaufbahn kann sich abhängig von Änderungen der Drehzahl, der eingegebenen Extrudatmenge, der Temperatur usw. ändern. Äußere Kräfte, wie elektrostatische oder Luftdruck, können verwendet werden, um die Umlaufbahn zu deformieren und dadurch die Fasern in verschiedene Muster abzulenken.

Die Fig. 5 und 6 sind aus den folgenden Daten abgeleitet.

Tabelle 1 DENIERWERTE IN ABHÄNGIGKEIT VON PROZESSBEDINGUNGEN
Extrusionsrate (g/min/Loch) Düsenkopfdrehzahl (U/min) Durchmesser der Filamentumlaufbahn cm ((Zoll)) Filamentgeschwindigkeit Filamentdenier *Die Extrusionsrate wurde aus der Zahl der Umdrehungen der Förderschraube pro Minute extrapoliert.

Hinweis: Bahngeschwindigkeit = Bahnumfang · Düsenkopfdrehzahl.

Der Denierwert gilt auf Grundlage der Bahngeschwindigkeit und der Extrusionsrate.

Fig. 5 illustriert die Beziehung verschiedener Parameter des Systems für ein besonderes Polymer (Beispiel I unten), wozu die Steuerparameter, die Pumprate und die Düsenkopfdrehzahl sowie ihr Einfluß auf die Filamentspinngeschwindigkeit und den Durchmesser der Filamentumlaufbahn zählen. Im Diagramm von Fig. 5 sind drei verschiedene Pumpraten für das Extrudat in Gramm pro Minute pro Loch dargestellt, was die Extrusionsrate aus dem Düsenkopf bestimmt. Bei der Darstellung zeigt die Zahl innerhalb der Symbole die mittlere Pumprate, für die das Diagramm erstellt wurde. In Fig. 6 veranschaulicht das Diagramm den Denierwert als Funktion der Düsenkopfdrehzahl. Wie aus den Diagrammen ersichtlich, erhöhen sich die Filamentgeschwindigkeit und die Ziehmenge, wenn die Düsenkopfdrehzahl erhöht wird.

Es ist zu beachten, daß die folgenden Beispiele nur der Veranschaulichung dienen und den Schutzumfang der Erfindung nicht begrenzen.

BEISPIEL - I

Polypropylenharz, Hercules Typ PC-973, wurde mit konstanter vorgegebener Extrusionsrate in und durch eine Drehkupplung, Durchgänge in der Drehwelle, das Verteilsystem des Düsenkopf es und die Spinndüsen extrudiert. Mit Ausnahme des Extruders stimmt der Apparat mit dem im Querschnitt von Fig. 2 dargestellten überein.

Nach der Extrusion sorgt die auf das geschmolzene Extrudat wirkende Zentrifugalkraft dafür, daß es nach unten in Fasern gezogen wird. Die Fasern bilden kreisförmige Umlaufbahnen, die größer sind als der Durchmesser des Düsenkopfes. Ein stationärer kreisförmiger Lufteinschnürring, der oberhalb des Düsenkopfes angeordnet ist, wie in Fig. 2 dargestellt, der Düsen aufweist, die so angeordnet sind, daß sie die Luft nach unten und außen relativ zum Umfang des Düsenkopfs lenken, lenkt die Fasern unter einem Winkel von im wesentlichen 45º unter die Ebene des Düsenkopfs ab. Bei diesem Beispiel werden die Prozeßparameter verändert, und die sich ergebenden Fasern werden für Testzwecke gesammelt.

1. Ausrüstung

a. Extrusionsanordnung: wie in Fig. 1 dargestellt

b. Extruder: Durchmesser, cm (Zoll): 2,54 (1,0)

Temperaturzonen: 3, 0

Länge/Durchmesser, cm (Zoll): 61/1 (24/1)

Leistung, kWh (PS): 0,75 (1,0)

c. Extrusionskopf: siehe Fig. 2

d. Düsenkopf:

Durchmesser, cm (Zoll): 15,2 (6,0)

Anzahl der Spinndüsen: 16,0

Spinndüsenlochdurchmesser mm, (Zoll): 0,051 (0,020)

e. Einschnüren und Entfernen der Fasern: kreisförmiger Ring

Ringdurchmesser, cm (Zoll): 20,3 (8,0)

Düsenabstand, cm (Zoll): 2,54 (1,0) mit einem Winkel von 450 nach unten und außen bezogen auf den Umfang des Düsenkopfs.

2. Prozeßbedingungen a. Extrusionsbedingungen

Extrudertemperatur ºC (ºF) Zone 1 177 (350)

Zone 2 204 (400)

Zone 3 232 (450)

Adapter 232 (450)

Drehkupplung 232 (450)

Düsenkopf 288 - 316 (550 - 600)

Schraubendrehzahl, U/min: für eine vorgegebene Extrusionsrate eingestellt

Extrusionsdruck, kg/m² (lb/Zoll) 14 · 10&sup4; - 28 · 10&sup4; (200 - 400)

b. Düsenkopfdrehzahl, U/min: 500 - 3000 (siehe untenstehende Tabelle)

c. Lufteinschnürdruck, kg/m², (lb/Zoll): 10 - 30 (siehe untenstehende Tabelle)

3. Daten und Ergebnisse
Extrusionsrate (g/min/Loch) Düsenkopfdrehzahl (U/min) Durchmesser der Faserumlaufbahn cm ((Zoll)) Faserspinngeschwindigk. (Meter/min) Faserdenier

4. Extrusionsbedingungen

Hinweis: (a) Der Durchmesser der Faserumlaufbahn wurde visuell mit einem Zollineal gemessen.

(b) Die Faserspinngeschwindigkeit wurde berechnet (Geschwindigkeit = Umfang der Umlaufbahn · Drehzahl).

(c) Der Denierwert wurde auf Grundlage der Extrusionsrate und der Faserspinngeschwindigkeit in wohlbekannter Weise berechnet.

Gemäß den Ergebnissen dieses Experiments werden die Fasern mit zunehmender Düsenkopfdrehzahl kleiner. Darüber hinaus erhöht die Extrusionsrate bei einer vorgegebenen Düsenkopfdrehzahl die Filamentumlaufbahn und erniedrigt daher die Zuwachsrate des Filamentdeniers.

BEISPIEL II

In dem in Beispiel I beschriebenen Apparat wurde ein Polyäthylenmethacryl-Copolymer (ionomerer Harztyp Surlyn - 1601 von DuPont) extrudiert. Fasern verschiedener Denierwerte wurden bei verschiedenen Düsenkopfdrehzahlen hergestellt.

Prozeßbedingungen a. Extrusionsbedingungen

Temperatur ºC (ºF) Zone 1 149 (300)

Zone 2 177 (350)

Zone 3 204 (400)

Adapter 204 (400)

Drehkupplung 204 (400)

Düsenkopf 260 - 288 (500 - 550)

Schraubendrehzahl, U/min. 10

Schraubendruck, kg/m² (lb/Zoll) 7 · 10&sup4; - 14 · 10&sup4; (100 - 200)

b. Düsenkopfdrehzahl U/min 1000, 2000, 3000

c. Lufteinschnürdruck, kg/m² 7 · 10³ - 21 · 10³ (lb/Zoll) 10 - 30)

Bei einer anderen Variation dieses Beispiels wurden Fasern auf der Oberfläche eines bewegten Schirms gesammelt. Der Schirm wurde horizontal vier Zoll unterhalb der Ebene des Düsenkopfs bewegt. Bei Kontakt der Fasern miteinander verbanden sich diese im Berührungspunkt. Das sich ergebende Produkt ist nichtgewobenes Gewebe. Das Gewebe wurde dann zwischen ein Blatt Polyurethanschaum und und Polyestergewebe gelegt. Wärme und Druck wurden dann durch das Polyestergewebe ausgeübt. Dies führte zum Schmelzen des tiefer schmelzenden ionomeren Gewebes und zum Verbinden der zwei Substrate in ein zusammengesetztes Gewebe.

Beispiel III

Im Apparat von Beispiel I wurden die folgenden, in der unten stehenden Liste aufgelisteten Polymeren in Fasern und Gewebe umgewandelt.

Polymere, die in Fasern und Gewebe umgewandelt wurden
Polymer Extrusionstemperatur Düsenkopftemperatur Polypropylen Amoco Polyioner Surlyn Nylon-Terpolymer Henkel Polyurethan Estane Polypropylen-Ethylen Copolymer

Beim Spinnen verbundene Gewebe werden dadurch erzeugt, daß zugelassen wird, daß die frischgebildeten Fasern in Kontakt miteinander kommen, während sie auf einer harten Oberfläche abgelagert werden. Die Fasern haften an ihren Kontaktpunkten aneinander und bilden so ein kontinuierliches Gewebe. Das Gewebe nimmt die Form der sammelnden Oberfläche ein. Bei diesem Beispiel wurden Fasern auf der Oberfläche eines festen Dorns mit einem invertierten Eimer abgeschieden. Die Abmessungen dieses Dorns sind die folgenden:

Unterer Durchmesser, Zoll: 7,0

Oberer Durchmesser, cm, (Zoll): 20,95 (8,25)

Höhe das Dorns, cm (Zoll): 17,8 (7,0)

Beispiel IV

Nylon-6-Polymer mit einer relativen Viskosität von 2,6 (gemessen in Schwefelsäure) wurde in Textilfasern niedrigem Denierwert umgewandelt und kontinuierlich durch Spinnverbinden in ein nichtgewobenes Gewebe umgewandelt. Das Gewebe wurde gemäß dem Apparat von Fig. 8 gebildet. Der verwendete Extrusionskopf ist im Querschnitt von Fig. 7 dargestellt. Das in diesem System hergestellte Gewebe ist sehr gleichmäßig und einheitlich, mit gutem Ausgleich der physikalischen Eigenschaften.

Ausrüstung und Aufbau

Aufbau Fig. 8

a. Extruder Durchmesser 1 Zoll,

Leistung 1 PS

b. Extrusionskopf Fig. 7 Stationäre Welle, Düsen am rotierenden Düsenkopf befinden sich am äußeren Teil der Drehkupplung

c. Düsenkopfdurchmesser, cm (Zoll) 30,5 (12.0)

Anzahl der Spinndüsen 16

Spinnlöcher der Spinndüsen 1 (0,051 mm Durchmesser) (0,020 Zoll Durchm.)

d. Einschnürringdurchmesser

cm (Zoll): 35,6 (14,0)

Ausblasdüsen: 0,15 mm (0,06 Zoll) Durchmesser bei 1'' gegenseitigem Abstand, angewinkelt unter 450 nach unten und außen.

Prozeßbedingungen

Extrusionstemperatur, ºC(ºF) Z-1: 249 (480)

Z-2: 354 (670)

Z-3: 327 (620)

Adapter 306 (550)

Schmelzrohr 333 (600)

Düsenkopfheizer 13 A

Extruderschraubendrehzahl, U/min 33,0

Düsenkopfdrehzahl, U/min 2530

Lufteinschnürdruck kg/m² (lb/Zoll) 21 · 10³ (30)

Aufwickelgeschwindigkeit, m/min 3,05 (Fuß/min) (10)

Produkt doppelt gefaltetes, flachgelegtes Gewebe

Breite, cm (Zoll) 89 (35)

Grundgewicht (Unze/Yard²), kg/m² 2,5 · 10&supmin;² (0,75)

Der Lochdurchmesser der Spinndüsen liegt vorzugsweise zwischen 0,02 und 0,076 cm (.008 und .030 Zoll), wobei das Längen/Durchmesser-Verhältnis zwischen 1 : 1 und 7 : 1 liegt. Dieses Verhältnis hängt mit einem gewünschten Druckabfall in der Spinndüse zusammen.

Geformte röhrenförmige Artikel wurden dadurch hergestellt, daß Fasern an der Außenoberfläche eines Dorns gesammelt wurde. Der bei diesem Versuch verwendete Dorn hatte konische Form in Form eines umgekehrten Eimers. Der Dorn wurde konzentrisch unterhalb eines sich drehenden Düsenkopfes von 6 Zoll Durchmesser angeordnet. Die Zentrifugalwirkung des Düsenkopfs und die fördernde Wirkung des Lufteinschnürsystems sorgten dafür, daß sich Fasern auf der Oberfläche des Dorns (Eimers) ablagerten, wodurch sie einen geformten textilen Artikel bildeten. Das sich ergebende Produkt ähnelt einem röhrenförmigen Filterelement und einer textilen Kappe.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wurde eine flache Platte unter dem rotierenden Düsenkopf angeordnet. Die flache Platte wurde mit kontinuierlicher Bewegung langsam weggezogen, wodurch sich kontinuierliches flaches Gewebe bildete.

Die Lufteinströmung mit ihren einzelnen Luftströmen verursacht Faserablenkung und Faserverfilzung, wodurch ein verwobenes Gewebe mit erhöhter Integrität gebildet wird.

Copolymer und Polymermischungen

Praktisch jedes Polymer, Copolymer und jede Polymermischung, die durch herkömmliche Verarbeitung in Fasern umgewandelt werden kann, kann auch durch Zentrifugalspinnen in Fasern umgewandelt werden. Beispiele für polymere Systeme werden nachstehend gegeben:

Polyolefinpolymere und -copolymere;

Thermoplastische Polyurethanpolymere und -copolymere;

Polyester, wie Polyethylen- und Polybutylen-Terephthalat;

Nylone;

Polyionomere;

Polyacrylate;

Polybutadiene und -copolymere;

hochschmelzende klebende Polymersysteme;

reaktive Polymere.

Beispiel V

Im Gerät von Beispiel IV wurde ein thermoplastisches Polyurethanpolymer, Estane 58409, in Fasern extrudiert, auf einer ringförmigen Platte gesammelt und kontinuierlich als verklebtes, nichtgewobenes Gewebe abgezogen. Sehr feine textile Fasern wurden bei hoher Düsenkopfdrehzahl erzeugt, ohne daß eine Polymerverschlechterung erkennbar wurde.

Prozeßbedingungen

Extrusionstemperatur, ºC (ºF) Z-1: 127 (260)

Z-2: 166 (330)

Z3: 177 (350)

Adapter 177 (350)

Schmelzrohr 125 (250)

Düsenkopf (7 A) 232 - 260 (450 - 500)

Einschnürluftdruck kg/m² (lb/inch) 14 · 10³ (20)

Düsenkopfdrehzahl, U/min 2,000,00

Extruderschraubendrehzahl, U/min 12, 0

Prozeßparameter, die die Faserherstellung steuern

Wie es aus der oben stehenden Veranschaulichung ersichtlich ist, beherrschen drei Hauptkriterien die Faserbildung aus thermoplastischen Polymeren beim vorliegenden System:

1. Spindüsenlochdesign und/oder Abmessung beeinflußt den Prozeß und die Fasereigenschaften wie folgt:

a. Steuerung des Ziehens für einen vorgegebenen Denierwert

b. Beherrschen der Extrudatqualität (Schmelzbruch)

c. Beeinflussen des Druckabfalls für die Spinndüsen

d. Faserqualität und -stärke und Faserverarbeitbarkeit (Neigung zum In-line-Strecken und nachträglichen Strecken)

e. Prozeßstabilität (Potential der Arbeitsgeschwindigkeit der Linie, Produktivität, Dehnung usw.)

2. Extrusionsrate, die von der Pumprate des Extruders und/ oder einer zusätzlichen Pumpeinrichtung beherrscht wird, beeinflußt:

a. Faserdenier

b. Produktivität

c. Prozeßstabilität

3. Die Düsenkopfrotation, die die Filamentspinngeschwindigkeit steuert, beeinflußt und steuert

a. den Ziehvorgang

b. die Stabilität der Spinnlinie

c. Denier

d. die Produktivität für einen vorgegebenen Denierwert.

Es ist zu beachten, daß die Temperatur die Prozeßstabilität für das besondere verwendete Polymer steuert. Die Temperatur muß ausreichend hoch sein, daß sie ein Ziehen erlaubt, jedoch nicht so hoch, daß sie übermäßige thermische Degradation des Polymeren erlaubt.

Bei einem herkömmlichen Faserextrusionsprozeß ohne Zentrifugalkraft und beim erfindungsgemäßen Zentrifugalprozeß sind alle drei Variablen unabhängig steuerbar. Jedoch sind beim oben diskutierten bekannten Zentrifugalprozeß diese Variablen miteinander verknüpft. Einige dieser gegenseitigen Abhängigkeiten sind nachstehend veranschaulicht.

1. Das Design der Spinndüsenlöcher beeinflußt die Extrusionsrate, da sie einen Teil des Rückdrucks des Systems bestimmt.

2. Die Extrusionsrate wird durch die Düsenkopfdrehzahl, den Druckabfall über das Verteilsystem, die Spinndüsengröße, das Molekulargewicht des Polymere, die Extrusionstemperatur usw. beeinflußt.

3. Die Filamentgeschwindigkeit hängt vom gewünschten Denier und allen vorgenannten Bedingungen, insbesondere der Düsenkopfdrehzahl und -geschwindigkeit ab.

So ist erkennbar, daß das erfindungsgemäße System eine Steuerung liefert, bei der verschiedene Denierwerte einfach dadurch erhalten werden können, daß die Düsenkopfdrehzahl und/ oder die Pumprate geändert werden.

Aus der obigen Offenbarung ist ersichtlich, daß, da das Extrudat mit gesteuerter Rate in das System gepumpt wird, das Gesamtgewicht der extrudierten Fasern dadurch erhöht werden kann, daß die Menge an Extrudat erhöht wird, die in das System gepumpt wird. Zusätzlich ist die Konsistenz und die Steuerung der Faserproduktion erheblich gegenüber Fasern erhöht, die ausschließlich abhängig von der Zentrifugalkraft extrudiert werden, die das Extrudat durch die Löcher in der Wand einer Schale treibt, wie in den oben zitierten Patenten beschrieben.

Die Fasern können für sich selbst verwendet werden, oder sie für verschiedene Zwecke gesammelt werden, wie dies nachfolgend diskutiert wird.

Fig. 7 offenbart ein modifiziertes System, das dem von Fig. 1 ähnlich ist, wobei die mittlere Welle stationär bleibt und der Düsenkopf durch eine externe Einrichtung so angetrieben wird, daß er um die Welle rotiert. Der tatsächlich antreibende Motor ist dargestellt, jedoch ist der Antriebsmechanismus klar veranschaulicht.

Eine nichtdrehbare Achse 101 wird von einem Flußkanal 105 für Extrudatschmelze durchsetzt, die mit dem Förderrohr 13 von Fig. 1 in Verbindung steht. Es sind auch Nutzkanäle 102 und 104 vorhanden, die verwendet werden können, um (nicht dargestellte) elektrische Heizelemente zu halten. Die Achse 101 wird an ihrem oberen Ende durch eine Halteplatte 107 gehalten und ausgerichtet, und sie ist mit dieser durch eine Schraube 106 verbunden und erstreckt sich von ihr nach unten.

Ein zylindrisches Innenteil 111 ist in der Platte 107 durch eine Einrichtung, wie eine Schraube 112, verbunden. Am unteren Ende ist am inneren Teil 111 eine flache ringförmige Rückhalteplatte 114 mit Hilfe einer weiteren Schraube befestigt. Die Platte 114 trägt ein äußeres Teil 115 der Spindelanordnung und weist dieser zugeordnete Lager 121 und 123 auf. An das untere Ende des äußeren Teils 115 ist eine ringförmige Platte 150 mit Schrauben, wie 151, geschraubt. Ein dünnwandiges Rohr 152 ist an die Innenwand des Teils 150 geschweißt. Die drei miteinander verbundenen Teile 152, 150 und 115 bilden ein ringförmiges Gefäß, das die Lager 121 und 123 und Öl für die Schmierung enthält. Das gesamte Gefäß wird durch einen Treibriemen 116 gedreht, der von einem Riemen 116 angetrieben wird, und ist am äußeren Teil 115 durch eine Einrichtung, wie eine Schraube 118, befestigt. Die rotierende Anordnung ist mit dem Düsenkopf 141 über einen Adapter 120 verbunden und rotiert mit diesem.

Eine Büchse 125 umgibt die Achse 101 und trägt Graphitdichtungen 129a und 129b und Federn 130 und 131 zu deren beiden Seiten. Muffen 126 und 128 sind am Düsenkopf durch Schrauben 153 und 154 verbunden und rotieren mit dem Düsenkopf 141. Die Innenflächen der Muffen beinhalten integrierte Nuten 137 und 139, die sich über und unter den Schmelzflußkanal 143 erstrecken, um alles flüssige Extrudat, was entlang der Muffen durchleckt, in derselben Weise, wie dies in Verbindung mit den Nuten an der Drehwelle von Fig. 2 beschrieben wurde, in den Kanal 143 zu treiben.

Der Düsenkopf 141 ist über Schrauben, wie die Schraube 155, mit dem Adapter 120 verschraubt. Jeder Schmelzflußkanal, wie 143, weist eine austauschbare Düse 145 mit einem Schmelzspinnloch 156 auf. Die Schmelzflußkanäle 143 enden an ihren inneren Enden im Schmelzflußkanal 105. Der Düsenkopf wird mit zwei Ringheizern 157 und 158 beheizt, die elektrisch mit einem Paar Schleifringe 159 und 160 über nicht dargestellte Einrichtungen verbunden sind. Leistung wird über Bürsten 161 und 162 zugeführt und über eine (nicht dargestellte) einstellbare Spannungssteuerung reguliert.

Fig. 8 ist eine schematische Veranschaulichung einer Anordnung, die die Erfindung zum Herstellen von Fasern nutzt.

Geradgestreckte Beine 201 tragen einen Grundrahmen 203, der seinerseits einen Extruder 205 trägt. Der Extruder 205 fördert in den Adapter 207 und erstreckt sich nach unten zu einem Düsenkopf 215. Ein Motor 209 treibt einen Riemen 211 an, der seinerseits die in Fig. 7 beschriebene Anordnung antreibt. Ein stationärer Einschnürring 213 des in Fig. 2 dargestellten Typs umgibt den Düsenkopf, wie er vorstehend beschrieben wurde, um eine Lufteinschnürung für die Fasern zu bilden, wenn diese extrudiert werden. Eine Gewebebildeplatte 219 wird unterhalb des Grundtragrahmens gehalten; sie weist eine mittlere Öffnung 221 auf, deren Durchmesser größer ist als der Außendurchmesser des rotierenden Düsenkopfs.

Wenn der Düsenkopf sich dreht und die Fiberfasern extrudiert werden, laufen sie zwischen der Öffnung 221 durch und treffen auf die Platte 219. Fasern werden während des Kontakts miteinander und der Platte 219 miteinander verbunden, wodurch ein nichtgewobenes Gewebe 225 gebildet wird, das dann durch die Öffnung 221 als rohrförmiges Gewebe 225 zurückgezogen wird. Ein stationärer Ausbreiter 220, der unterhalb des Düsenkopf s gehalten wird, breitet das Gewebe in einen flachen doppelt gefalteten Verbundstoff, der durch eine Zugwalze und einen Aufwickler 227 gesammelt wird. So kann die Faser, die als Ergebnis des beschriebenen Betriebs gebildet wird, in kontinuierlicher Weise gesammelt werden.

Die Fig. 9 und 10 sind schematische Darstellungen einer Drauf- und einer Seitenansicht eines Gewebebildesystems, das die Erfindung nutzt.

Die Rahmenstruktur, der Extruder und der Motorantrieb sind dieselben, wie in Verbindung mit Fig. 8 beschrieben. Der Düsenkopf ist im wesentlichen derselbe wie in Fig. 8 und beinhaltet den Einschnürring 217.

Im Gewebebildesystem ist ein Dorn 235 unterhalb und im wesentlichen direkt anschließend an den Düsenkopf 215 angeordnet. Wie ersichtlich, weist der Dorn 235 im wesentlichen eine gewölbte Form auf, mit einem ausgeschnittenen Bereich, um kontinuierliche Riemen 237 und 239 aufzunehmen, die einen Ausbreiter bilden. Wenn die Fasern den Düsenkopf 215 auf einer Umlaufbahn verlassen, fallen sie nach unten auf den Dorn und werden durch die kontinuierlichen Riemen 237 und 239 aufgenommen und ausgebreitet.

Eine Klemmwalze 243 ist unterhalb der Riemen 237 und 239 angeordnet und zieht das Gewebe 241 nach unten, wenn es über den Ausbreiter läuft, wodurch ein geschichtetes Gewebe gebildet wird.

Das geschichtete Gewebe 249 läuft dann über Zugwalzen 245 und 247 und kann auf Standardart auf einer (nicht dargestellten) Rolle gelagert werden.

Fig. 11 ist eine schematische Darstellung eines Systems zum Bilden von Garnen und Seilen unter Nutzung der Erfindung.

Ein Rahmen 300 trägt einen Extruder 301, einen Antriebsmotor 302 und einen Extrusionskopf 303 in ähnlicher Weise, wie dies in Verbindung mit Fig. 8 beschrieben wurde. Ein Radialluft-Sauggebläse 304 ist um den Düsenkopf 305 herum angeordnet und ist mit einem Lüftergebläse 306 verbunden. Beide sind am Rahmen 300 befestigt. Im Betrieb werden Fasern vom Düsenkopf durch Zentrifugalwirkung in den durch den Sauglüfter 304 gebildeten Kanal ausgestoßen. Der von der mit hoher Geschwindigkeit strömenden Luft gebildete Luftzug sorgt dafür, daß die Fasern aus dem rotierenden Düsenkopf gezogen und auch gestreckt werden. Die Fasern werden dann in einen perforierten Trichter 308 dadurch eingegeben, daß sie aus dem Sauglüfter 304 ausgeblasen werden. Dann wird dafür gesorgt, daß die Fasern in einem Seil 304 konvergieren, während sie mit Klemmwalzen 310 durch den Trichter gezogen werden. Das Seil 309 kann dann durch Klemmwalzen 311 in eine Preßeinrichtung 312 gestopft werden und innerhalb eines Stopfraums 313 gepreßt werden, wodurch ein gepreßte Seil 314 erzeugt wird. Diese gepreßte Tau wird dann über Walzen 315 gefördert und kontinuierlich auf einen Wickel 316 gepackt.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zum Herstellen von Fasern mit: - einer Quelle (11) für flüssiges, faserbildendes Material; - einem rotierenden Düsenkopf (23, 141, 215, 305) mit einer Lochanordnung (67, 145) in seiner Oberfläche; - mindestens einer Fördereinrichtung (11, 13, 14, 47, 41, 69, 105, 143), die die Quelle und den rotierenden Düsenkopf miteinander verbindet; und - einer Steuereinrichtung (12, 18) zum Steuern der Pumprate der Fördereinrichtung und der Drehzahl des Düsenkopfs;

dadurch gekennzeichnet, daß - die Steuereinrichtung (12, 18) die volumetrische Pumprate der Fördereinrichtung derart steuert, daß die Extrusionsrate durch den Düsenkopf durch die Pumprate bestimmt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (12) zum Steuern der Pumprate das flüssige Fasermaterial in einen Kanal (13, 47, 41, 63; 105, 143) drückt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung ein Extruder (11) ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung eine Pumpe (14) ist, die zwischen dem Extruder (11) und dem Kanal angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Steuern der Temperatur des flüssigen Fasermaterials innerhalb des Kanals.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung (67, 304) zum Kühlen der Fasern, nachdem sie aus der Lochanordnung (67) ausgestoßen wurden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung ein stationärer perforierter Ring (77) ist, der den Düsenkopf (34) im wesentlichen umgibt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung ein Radial-Sauglüfter (304) ist, der um die Düse (305) angeordnet ist, um einen Luftzug hoher Luftgeschwindigkeit zum Kühlen und Strecken der von der Lochanordnung (67, 145) ausgestoßenen Fasern zu erzeugen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochanordnung mindestens eine Spinndüse (67, 145) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Bilden eines Fasergewebes aus den Fasern (Fig. 9 und 10).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Bilden eines Garns aus den Fasern (Fig. 11).

12. Verfahren zum Herstellen von Fasern, bei dem ein flüssiges, faserbildendes Material in einen rotierenden Düsenkopf gefördert wird und Fasern über eine Lochanordnung im Kopf ausgestoßen werden, dadurch gekennzeichnet, daß das faserbildende Material mit einer vorgegebenen volumetrischen Pumprate in den rotierenden Düsenkopf gepreßt wird, derart, daß die Extrusionsrate am Düsenkopf durch die Pumprate bestimmt ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Fasermaterial mit einer gesteuerten Pumprate eingedrückt wird.







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