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Dokumentenidentifikation DE10065859B4 24.08.2006
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von im Wesentlichen endlosen feinen Fäden
Anmelder Gerking, Lüder, Dr.-Ing., 13509 Berlin, DE
Erfinder Gerking, Lüder, Dr.-Ing., 13509 Berlin, DE
Vertreter PFENNING MEINIG & PARTNER GbR, 10719 Berlin
DE-Anmeldedatum 22.12.2000
DE-Aktenzeichen 10065859
Offenlegungstag 11.07.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.08.2006
IPC-Hauptklasse D01D 5/14(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse D04H 3/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   D01F 2/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von feinen Fäden aus löslichen Polymeren natürlichen Ursprungs, wie cellulose, und Vorrichtungen zu ihrer Herstellung.

Mikrofäden, meistens allerdings Mikrofasern endlicher Länge, werden nach einem Heißluft-Blasspinnverfahren, sog. Meltblown-Verfahren, seit vielen Jahren hergestellt, und es gibt heute unterschiedliche Vorrichtungen hierfür. Gleich ist allen, daß neben einer Reihe von Schmelzebohrungen – auch mehrere Reihen parallel zueinander sind bekannt geworden – Heißluft austritt, die die Fäden verzieht. Durch Vermischung mit der kälteren Umgebungsluft kommt es zur Abkühlung und Erstarrung dieser Fäden bzw. endlich langen Fasern, denn oft, meistens zwar unerwünscht, reißen die Fäden. Der Nachteil dieser Meltblown-Verfahren ist der hohe Energieaufwand zur Erwärmung der mit hoher Geschwindigkeit strömenden Heißluft, ein begrenzter Durchsatz durch die einzelnen Spinnbohrungen (auch wenn diese im Laufe der Zeit zunehmend dichter gesetzt wurden bis zu einem Abstand von unter 0,6 mm bei 0,25 mm im Lochdurchmesser), daß es bei Fadendurchmessern unter 3&mgr;m zu Abrissen kommt, was zu Perlen und abstehenden Fasern im späteren textilen Verbund führt, und daß die Polymere durch die zur Erzeugung feiner Fäden notwendige hohe Lufttemperatur deutlich über der Schmelzetemperatur thermisch geschädigt werden. Die Spinndüsen, von denen eine große Anzahl vorgeschlagen und auch geschützt worden sind, sind aufwendige Spritzwerkzeuge, die in hoher Präzision gefertigt werden müssen. Sie sind teuer, betrieblich anfällig und in der Reinigung aufwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von im Wesentlichen endlosen Fäden zu schaffen, die einen geringeren Energieaufwand benötigen, keine Fadenschädigungen aufgrund zu hoher Temperatur hervorrufen und ein Spinnwerkzeug mit einfachem Aufbau verwenden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Die vorliegende Erfindung vermeidet die Nachteile des Standes der Technik, indem die Spinnmasse, d.h. eine Polymerlösung aus Spinnbohrungen, die in einer oder mehreren parallelen Reihen oder Ringen angeordnet werden, in eine mit Gas, in der Regel mit Luft gefüllte, von der Umgebung getrennte Kammer bestimmten Druckes ausgepreßt wird, wobei die Fäden im lösungsflüssigen Zustand in ein Gebiet rascher Beschleunigung dieses Gases am Austritt aus der Kammer gelangen. Die auf dem Wege dorthin auf den jeweiligen Faden durch Schubspannung übertragenen Kräfte nehmen zu, sein Durchmesser verringert sich stark und der Druck in seinem noch flüssigen Inneren steigt umgekehrt proportional zu seinem Radius durch die Wirkung der Oberflächenspannung entsprechend stark an. Durch die Beschleunigung des Gases sinkt in strömungsmechanischer Gesetzmäßigkeit dessen Druck. Dabei sind die Bedingungen der Temperatur der Spinnmasse, der Gasströmung und seiner raschen Beschleunigung so aufeinander abgestimmt, daß der Faden vor seiner Erstarrung einen hydrostatischen Druck in seinem Inneren erreicht, der größer ist als der umgebende Gasdruck, so daß der Faden platzt und sich in eine Vielzahl feiner Fäden aufteilt. Durch einen Spalt unten in der Kammer verlassen Fäden und Luft diese. Das Aufplatzen geschieht im oder nach dem Spalt und unter sonst unveränderten Bedingungen überraschend stabil ortsfest an einem bestimmten Punkt. Im Bereich der starken Beschleunigung verlaufen Gas- und Fadenströmung parallel, wobei die Strömungsgrenzschicht um die Fäden laminar ist. Es gelingt eine fortgesetzte Aufspleißung des ursprünglichen Fadenmonofils ohne Perlenbildung und Abrisse. Aus einem Monofil entsteht ein Multifil sehr viel feinerer Fäden unter Verwendung einer Gasströmung von Umgebungstemperatur oder etwas darüber liegender Temperatur.

Die aus dem Aufspleißen entstandenen neuen Fäden sind erheblich feiner als das ursprüngliche Monofil. Sie können sogar noch etwas nach dem Aufspleißpunkt verzogen werden bis sie erstarrt sind. Dieses geschieht wegen der plötzlich geschaffenen größeren Fadenfläche sehr rasch. Die Fäden sind endlos. Es kann aber durch Abweichungen im Polymer, einzelne Geschwindigkeits- oder Temperaturstörungen, Staub im Gas und dergl. mehr Störungen bei realen technischen Prozessen in untergeordnetem Maße zu endlich langen Fäden kommen. Der Vorgang des Aufspleißens fadenbildender Polymere kann so eingestellt werden, daß die aus dem Monofil erzeugten zahlreichen sehr viel feineren Einzelfilamente endlos sind. Die Fäden haben einen Durchmesser von deutlich unter 10&mgr;m, vornehmlich zwischen 1,5 und 8 &mgr;m, was bei Polymeren einem Titer zwischen etwa 0,02 und 0,5 dtex entspricht und werden als Mikrofäden bezeichnet.

Die verwendeten Spinnmassen beruhen auf löslichen Polymeren natürlichen Ursprungs. Unter den auf natürlichen Rohstoffen basierenden Fasern sind besonders die des nachwachsenden Rohstoffes Cellulose von Interesse. Es hat sich gezeigt, daß man dem Verfahren der Spleißfäden auch Lyocell-Spinnmassen unterwerfen kann. Hier wird Cellulose in N-Methylmorpholin-N-oxid und Wasser gelöst und durch Spinnbohrungen zu Fäden ausgepreßt. Auch andere Lösungsmittel können benutzt werden, wobei aber NMMO sich als das bisher geeignetste erwiesen hat. Die als Lösung vorliegende Spinnmasse wird, wie oben beschrieben, ausgesponnen und die Fäden durchlaufen den durch die Lavaldüse vorgegebenen Luftspalt, in dem sie zu dünneren Durchmessern verzogen werden, und gelangen anschließend in ein Wasserbad, in dem die Cellulose zum Faden koaguliert und das Lösungsmittel in das Wasserbad gelangt, welches wegen der ständigen Anreicherung erneuert und das Lösungsmitel zurückgenommen wird. Lyocellfäden haben eine höhere Naßfestigkeit als die nach dem älteren Viskoseverfahren hergestellten cellulosichen Fäden. Sie haben die besondere Eigenschaft zum Fibrilleren zu neigen, was bei bestimmten, allerdings im geringen Umfang vorkommenden Anwendungen von Vorteil, meistens jedoch von Nachteil ist. Werden Lyocellfäden im Spleißspinnverfahren hergestellt, so haben sie eine andere Struktur. Sie sind nicht nur feiner, sondern neigen auch weniger zum Fibrilieren. Das hatte sich schon beim Verspinnen nach dem Melt-blown-Verfahren, wie in den Patentschriften WO99/47733 A1 und WO98/07911 A1 gezeigt.

Ein anderes zu Fäden verspinnbares Polymer auf natürlicher Basis ist Polylactid PLA (Polymilchsäure), welches auf der Basis von Stärke, z.B. Getreide- oder Maisstärke, aber auch aus Molke oder Zucker gewonnen wird. Werkstoffe aus PLA haben die besondere Eigenschaft, daß sie biologisch abbaubar sind, wobei das Abbauen, d.h. das Zerfallen in CO2 und H2O auch für bestimmte zeitliche Dauer eingestellt werden kann, und daß sie körperfreundlich sind. Auch hier gelingt es mit dem Spleißspinnverfahren sehr feine Fäden herzustellen, wie sie sonst nur mit den Nachteilen des Melt-blown-Verfahrens – große Luftmengen müssen auf mindestens Schmelzetemperatur erhöht werden, wobei die Polymere meistens geschädigt werden – gewonnen werden können.

Ein weiteres Ziel ist die Steigerung der Wirtschaftlichkeit in der Herstellung der Fäden durch höheren Durchsatz und geringeren spezifischen Luftund damit Energieverbrauch. Es hat sich gezeigt, daß fadenbildende Kunststoff lösungen natürlichen Ursprungs sehr unterschiedlicher Art nicht nur zu Fäden verformt werden können, indem sie aus runden oder profilierten Einzelöffnungen ausgepreßt und anschließend Gas- bzw. Luftströmungen verzogen werden, sondern daß man Spleißfäden in ganz ähnlicher Weise wie die aus Einzelöffnungen erzeugten Monofile aus Schmelzefilmen herstellen kann. Dazu wird die Spinnmasse aus einer langgestreckten schlitzförmigen Düse, wie oben erwähnt, in eine von der Umgebung getrennte Kammer bestimmten Drucks, der Gas, z.B. Luft, zugeführt wird, ausgepreßt, wobei der Film in ein Gebiet rascher Beschleunigung des Gases am Austritt aus der Kammer in einen Längsspalt gelangt. Unterhalb der Beschleunigungszone, d.h. in der Entspannungszone spleißt der Film auf und es ergeben sich dann Haufwerke von im Wesentlichen endlosen Fäden, allerdings im Gegensatz zu den aus Monofilen gespleißten, solche von sehr unterschiedlichem Durchmesser und knötchenförmigen Verdickungen. Diese entstehen im noch flüssigen Zustand der Spinnstoffe und können in gewissen Grenzen durch die Hauptverfahrensparameter Temperatur, Durchsatz und ausziehende Gase – meistens Luftströme – in gewissen Grenzen eingestellt werden. Einzelfäden, die sich dann auch aufwickeln lassen, können so durch das Spleißen von Filmen nicht hergestellt werden, wohl aber Vliese. Diese Spinnvliese aus regellos abgelegten Einzelfäden unterschiedlichen Fadendurchmessern können Vorteile haben und gleichen eher Naturstoffen, bei denen auch ein größeres Spektrum unterschiedlicher, sie zusammensetzender einzelner Elemente, hier also Fasern und Fäden, vorkommt wie bei Leder und Holz, deren unterschiedliche Einzelfasern ihre besonderen und meist vorteilhaften Eigenschaften ausmachen.

Bei beiden Vorgängen, Aufspleißen eines Monofils oder eines Filmes, ist die Temperatur der Spinnmasse von größtem Einfluß, weil sie Viskosität und damit Fadenbildungsvermögen und Oberflächenspannung und damit Druckbildung im Monofil und im Film bestimmen. Eine zu frühe Abkühlung des Fadens ist deshalb nicht erwünscht, im Gegenteil kann eine Erhöhung der Temperatur kurz nach dem Austritt aus der Spinnöffnung von Vorteil sein. Der Mechanismus des Aufspleißens ist beim Monofil und beim Film ähnlich, aber nicht gleich. Bei Monofilen kommt es zum Aufplatzen, wenn der Druck im Inneren größer ist als der in der umgebenden Gasströmung. Das geschieht beim Spleißspinnverfahren dadurch, daß der Fadendurchmesser neben dem im Allgemeinen geringen Einfluß der Schwerkraft durch eine begleitende Gasströmung abnimmt, wobei diese sich ständig beschleunigt und nach den strömungstechnischen Gesetzen der Druck im Gas abnimmt. Durch die Oberflächenspannung wird der Druck im flüssigen Monofil größer, sei es eine Schmelze oder eine Lösung. Es kommt zum Aufspleißen in Einzelfäden durch Zerplatzen des Monofils, wenn die Flüssigkeitshaut den Faden nicht mehr zusammenhalten kann. Beim Ausspinnen von Filmen entstehen über die Filmbreite hinweg unterschiedliche Drücke, und zwar sind sie an den Rändern durch die Oberflächenspannung wegen der Krümmung dort höher. Solche Filme sind grundsätzlich instabil, selbst wenn die Gasströmung erfindungsgemäß möglichst lange laminar gehalten wird. Es kommt zu Einfurchungen, Riefenbildungen über die Filmbreite hinweg und zu Durchbrüchen mit Bildung von faden- oder bandförmigen Einzelteilen, auch Ligamente genannt.

Das Gebiet der starken Beschleunigung und Druckabsenkung in der Gasströmung wird nach der Erfindung in Form einer rotationssymmetrischen oder langgestreckten Lavaldüse mit konvergenter Kontur zu einem engsten Querschnitt hin und dann rascher Erweiterung realisiert, letzteres schon damit die nebeneinander laufenden neu gebildeten Einzelfäden nicht an den Wänden anhaften können. Im engsten Querschnitt kann bei entsprechender Wahl des Druckes in der Kammer (bei Luft etwa doppelt so, hoch wie der Umgebungsdruck dahinter) Schallgeschwindigkeit und im erweiterten Teil der Lavaldüse Überschallgeschwindigkeit herrschen.

Für die Herstellung von Fadenvliesen (Spinnvliesen) werden Spinndüsen mit in Zeilen angeordneten Spinnbohrungen und in Rechteck- bzw. mit Schlitzform und Lavaldüsen mit Rechteckquerschnitt eingesetzt. Für die Herstellung von Garnen und für besondere Arten der Vliesstoffherstellung können auch Runddüsen mit einer oder mehreren Spinnbohrungen und rotationssymmetrische Lavaldüsen eingesetzt werden.

Ein Zerfasern durch Aufplatzen ist bei der Hrstellung von Mineralfasern bekannt geworden, so in dir Offenlegungsschrift DE 33 05 810 A1.Durch Störung der Gasströmung in einem unterhalb der Spinndüse angeordneten Rechteckkanal mittels Einbauten, die Querströmungen erzeugen, kommt es nach dortiger Aussage zum Zerfasern des einzelnen Schmelzemonofils. In nicht ganz klarer Darstellung wird von einem Zerfasern durch statisches Druckgefälle in der Luftströmung gesprochen, und zwar in EP 0 038 989 A1 vom Ausziehen aus einer 'Schlaufen- oder Zickzackbewegung nach Art eines mehrfachen Peitschenknalleffekts'. Daß das eigentliche 'Zerfasern' durch Zunahme des Druckes im Inneren des Fadens und Abnahme in der umgebenden Gasströmung seine Ursache hat, wurde nicht erkannt, auch keine Steuerungsmechanismen in diese Richtung.

Für Polymere hat man sich bei der gleichen anmeldenden Firma diese Erkenntnis von der Mineralfaserherstellung offenbar zunutze gemacht. In der Offenlegungsschrift DE 38 10 596 A1 wird in einer Vorrichtung nach 3 und Beschreibung in Beispiel 4 der Schmelzestrom aus Polyphenylensulfid (PPS) 'durch ein hohes statisches Druckgefälle zerfasert'. Die Gasströme sind heiß, sogar über den Schmelzpunkt des PPS hinaus erhitzt. Ein statisches Druckgefälle in der Gasströmung, abnehmend in Fadenlaufrichtung, kann alleine den Faden nicht zerfasern. Es wurde nicht erkannt, dass dazu der Schmelzestrom zumindest in einem hinreichenden Teil in seinem Inneren flüssig bleiben muss. Durch die Anwendung von heißer Luft im Bereich der Polymerschmelzetemperatur ist das aber von selbst gegeben. Nicht ein 'im Anschluss an die Austrittsbohrungen einwirkendes Druckgefälle' Spalte 1, Zeilen 54/55 zieht die Schmelzeströme zu feinen Fasern aus, sondern ein statisches Druckgefälle zwischen Schmelzestrom und umgebender Gasströmung bringt ihn zum Aufspleißen oder Zerfasern. Die erzeugten Fäden dort sind endlich lang und amorph. Aus der DE 31 45 011 A1 ist gleichfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Mineralfasern bekannt, bei denen Primärfäden beim Durchtritt durch eine Ziehdüse durch parallele Ausziehgasströme zerfasert werden, wobei die Ausziehgasströme in Strömungsrichtung von parallelen Begrenzungsgasströmen umgeben werden.

Die Fäden des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dagegen endlos oder im Wesentlichen endlos. Sie werden durch gezielt gesteuertes Aufplatzen eines noch flüssigen Monofils oder eines Films in einer sie umgebenden laminaren Gasströmung erzeugt, also ohne Turbulenz erzeugende Querströmungen. Es kommen grundsätzlich alle natürlichen fadenbildenden Polymere, wie Cellulose, Lyocell und PLA in Frage. Das Verhältnis von Oberflächenspannung zu Zähigkeit läßt sich durch die Erhöhung der Temperatur der Lösung bei den meisten Polymeren erhöhen. Dies geschieht auf einfache Weise in der Lösungs herstellung und kann durch Heizen der Spinndüsen kurz vor dem Austritt der Fäden verstärkt werden. Eine Aufwärmung der Fäden danach durch heiße Gasströme findet nach der vorliegenden Erfindung jedoch nicht statt, wohl aber kann eine Erwärmung durch Strahlung geschehen.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß auf einfache und sparsame Weise Feinstfäden im Bereich unter 10 &mgr;m, beispielsweise zwischen 2 und 5 &mgr;m, erzeugt werden können, was beim reinen Verziehen etwa durch das Meltblown-Verfahren nur mit heißen, über den Schmelzpunkt erhitzten Gas(Luft)-strahlen zu Wege gebracht wird und damit erheblich mehr Energie bedarf. Außerdem werden die Fäden in ihrer molekularen Struktur nicht durch Übertemperaturen geschädigt, was zu verringerter Festigkeit führen würde, wodurch sie sich aus einem textilen Verband dann oft herausreiben lassen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Fäden endlos oder quasi endlos sind und aus einem textilen Verband wie einem Vlies nicht herausstehen und sich als Fusseln herauslösen lassen. Die Vorrichtung zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist einfach. Die Spinnbohrungen der Spinndüse ebenso wie die Schlitzdüse können größer und damit weniger störanfällig sein, der Lavaldüsenquerschnitt benötigt in seiner Genauigkeit nicht die engen Toleranzen der seitlichen Luftschlitze des Meltblown-Verfahrens. Bei einem bestimmten Polymer braucht man nur die Lösungstemperatur und den Druck in der Kammer aufeinander abzustimmen und bei gegebenem Durchsatz pro Spinnbohrung und der geometrischen Lage der Spinndüse zur Lavaldüse kommt es zum Aufspleißen.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist es, den Lösungskegel, rund als Monofil oder keilförmig als Film, vor dem Aufspleißen möglichst wenig abzukühlen und darüber hinaus ihn auf höhere Temperatur zu erwärmen. Dazu sind gegenüber der Gasströmung abgeschirmte Heizungen zu beiden Seiten der Austrittsöffnungen – Bohrungsreihe oder Schlitz – angebracht. Diese Heizungen führen Wärme zum einen im Bereich der Austrittsöffnung an die Spinnmasse von außen heran und geben ihr dort, wo sie eine höhere Geschwindigkeit und damit höheren Wärmeübergang gestattet, eine Temperaturerhöhung, zum anderen sind die Heizungen von der Art, daß sie durch Strahlung Wärme an den kegel- oder keilförmigen Teil der sich verformenden Spinnmasse übertragen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils einer Vorrichtung zur Herstellung von Fäden durch Aufplatzen eines Lösungsstroms in eine Vielzahl von Einzelfäden nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel mit Zeilendüse und Spinnbohrungen zur Herstellung von Lyocell-Vliesen aus Mikrofäden,

In 1 ist ein Schnitt durch den unteren Teil einer Spinndüse 1 und eine zugeordnete Lavaldüse dargestellt, wobei dieser Schnitt sowohl für eine rotatinssymmetrische Spinndüse, die einen Faden oder ein Monofil ausspinnt, und eine rotationssymmetrische Lavaldüse, als auch für eine schlitz- oder rechteckförmige Spinndüse, die einen Film ausspinnt, und entsprechend rechteckförmiger Lavaldüse gilt. Es kann auch eine Spinndüse mit mehreren in Reihe angeordneten Spinnbohrungen mit entsprechender langgestreckter Lavaldüse vorgesehen sein. Unterhalb der Spinndüse 1 befindet sich eine Platte 11, 11' mit einem Spalt 12', der von der Spinndüse aus gesehen konvergent und dann leicht divergent ausgebildet ist und sich am unteren Rand der Platte 11, 11' stark erweitert, wodurch die Lavaldüse gebildet wird. Die Spinndüse bzw. die Spinnbohrungen der Spinndüsen enden kurz über der Lavaldüse oder in der oberen Ebene der Platte 11, 11', gegebenenfalls kann die Spinndüse 1 auch leicht in die Öffnung 12' hineinragen.

Zwischen Spinndüse 1 und Platte 11, 11' liegt ein abgeschlossener Raum, dem entsprechend den Pfeilen 6, 6' beispielsweise von einem Kompressor Gas zugeführt wird. Das Gas, das Luft sein kann, hat üblicherweise Umgebungstemperatur, kann aber auch aufgrund der Kompressionswärme von dem Kompressor eine etwas höhere Temperatur, beispielsweise 70° bis 80° aufweisen. Die Spinndüse 1 ist von einer Isolieranordnung 8, 8' umgeben, die zur Abschirmung der auf Spinntemperatur geheizten Spinndüse gegen Wärmeverluste dient, wobei vorteilhaft auch ein Luftspalte 9 zwischen Spinndüse 1 und Isolieranordnung 8, 8' vorgesehen ist. Die Spinndüse 1 weist eine Austrittsöffnung 4 auf, in deren Bereich eine Heizung 10, 10' angebracht ist, die im Ausführungsbeispiel als Flachheizband ausgebildet ist und die in vorteilhafter Weise gegen die Isolieranordnung 8; 8' zur Vermeidung von Wärmeverlusten durch Teile 13 und 13' isoliert ist. Der Raum unterhalb der Platte 11, 11' weist üblicherweise Umgebungsdruck, d.h. Atmosphärendruck auf, während das Gas im Raum zwischen Spinndüse 1 und Platte 11, 11' unter einem erhöhten Druck steht. Bei direkt anschließender Weiterverarbeitung zu Vlies oder anderen Fadenstrukturen kann der Raum unterhalb der Platte 11, 11' einen gegenüber Umgebungsdruck etwas erhöhten Druck haben, beispielsweise um einige Millibar, der für die Weiterverarbeitung, wie Vlieslegung oder anderen Fadensammelvorrichtungen benötigt wird.

Eine Spinnmasse 2, die eine Polymerlösung, wie z.B. Lyocell sein kann, strömt längs des eingezeichneten Pfeils 3 der Ausströmöffnung 4 der Düse 1 entgegen. Es bildet sich ein Faden 5 oder ein Film, der sich in seinem weiteren Verlauf aufgrund der Gasströmung, die längs der eingezeichneten Pfeile 6, 6' seitlich von oben her kommend zwischen der Kontur der Flächen der Platte 11, 11' und der Außenflächen 7, 7' der Isolieranordnung 8, 8' verläuft, im Durchmesser bzw. in der Breite verringert. Die Heizung 10, 10' beheizt von außen die Kapillare der Austrittsöffnung 4 und kann mit ihrem unteren Teil durch entsprechende Verlängerung im Wesentlichen durch Strahlung die an ihr vorbeifließende Spinnmasse aufheizen. Der Faden 5 bzw. der Film gelangt in die durch die Teile 11, 11' der Platte gebildete Einschnürung 12' des Strömungsquerschnittes für die Gasströmung 6, 6' nach Art der Lavaldüse mit dem engsten Querschnitt bei 12. Bis dahin nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Gases ständig zu und in dem engsten Querschnitt 12 kann Schallgeschwindigkeit herrschen, wenn das kritische Druckverhältnis etwa im Ruhezustand des Gases p1 in der Kammer oberhalb der Platte 11, 11' zum Druck in der engsten Stelle pe überschritten wird. Durch die Erweiterung der Lavaldüse zum Raum mit dem Druck p2 unterhalb der Platte 11, 11' hin können bei überkritischen Druckverhältnissen auch Überschallgeschwindigkeiten entstehen. Im Allgemeinen erweitert sich die Lavaldüse sehr stark gleich nach dem engsten Querschnitt 12 oder kurz danach, um ein Anhaften der Fäden durch die in diesem Bereich beginnende Aufspleißung kurz unterhalb der Lavaldüse an der Platte 11, 11' zu vermeiden.

Der Faden 5 platzt oder spleißt auf, wenn der Fadenmantel den Lösungsfaden gegen den mit der Fadeneinschnürung gewachsenen Innendruck nicht mehr zusammenhalten kann. Das Monofil teilt sich in einzelne Fäden auf, die sich aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen Lösung und kaltem Gas bzw. Luft und der plötzlich stark angewachsenen Oberfläche der Einzelfäden, bezogen auf die Fadenmasse, rasch abkühlen. Es ist somit eine bestimmte Anzahl von sehr feinen, im Wesentlichen endlosen Einzelfäden entstanden. Auch der Lösungsfilm platzt kurz unterhalb der Lavaldüse auf, wobei die Druckverhältnisse im Film vor dem Aufspleißen unterschiedlich sind und der Film instabil wird. Kurz vor dem Aufspleißen kommt es zu Einfurchungen und Riefen über die Filmbreite und dann zu Durchbrüchen von Fäden mit kleinen, aber größeren Durchmessern.

Aus der Natur derartiger Aufplatzvorgänge folgt, daß die Zahl der entstehenden Fäden nach dem Aufspleißpunkt, der noch in der Lavaldüse oder beispielsweise 5 bis 25 mm unter der engsten Stelle der Lavaldüse liegen kann, nicht gleichbleibend sein kann. Wegen der kurzen Wegstrecke, die Faden bzw. Film und Gas miteinander bis zum Aufspleißpunkt zurücklegen, ist die Strömungsgrenzschicht um den Faden laminar. Auch wird die Luft von den Zuleitungen her möglichst laminar an das Gebiet der Aufspleißung herangeführt. Das hat den Vorteil der geringeren Strömungsverluste, aber auch einen zeitlichen gleichmäßigeren Verlauf des Aufspleißens. Die beschleunigte Strömung, wie sie in dem Querschnitt der Lavaldüse vorliegt, bleibt laminar und kann sich sogar laminarisieren, wenn vorher eine gewisse Turbulenz vorherrschte.

2 zeigt die perspektivische Ansicht einer Anlage zur Herstellung von Spleißfäden, bei der eine Lyocellmasse 130 einer Vorrichtung 30 zugeführt wird und daraus ein Vlies 20 gewonnen wird. Die Vorrichtung 30 zur Herstellung von Spleißfäden entspricht der Anordnung nach 1, wobei mehrere Spinndüsen bzw. Spinnbohrungen entsprechend 1 in Reihe angeordnet sind und die Lavaldüse langgestreckt bzw. in Rechteckform ausgebildet ist. Aus den einzelnen Spinnbohrungen treten Fadenmonofile aus und spleißen im unteren Teil des Spaltes der nicht dargestellten Lavaldüse oder etwas darunter zu mehreren Fäden 40 auf. Die sie begleitende Luftströmung führt sie einem Auffangband 50 entgegen. Hier kann eine Absaugung, dargestellt durch den Kasten 60, die Fäden auf dem Band festhalten, wobei die Fäden auf ein Wasserbad 70, welches sich in einem Trog 80 befindet, auftreffen. Der Wasserspiegel ist durch die Linien 90 gekennzeichnet. Es ist auch möglich, daß die Fäden zunächst auf einen im Trockenen verlaufenden Teil des Auffangbandes 50 auftreffen, dann in das Wasserbad abtauchen und später, wie hier gezeigt, etwa bei 100 aus dem Bad wieder auftauchen und der weiteren Verarbeitung durch Kalandrieren, Trocknen und Weiterem zugeführt werden. Um nicht zuviel störende Luft von oben auf das Wasserbad zu erhalten, können Kästen mit Absaugstutzen zwischen der Vorrichtung 30 und dem Auffangband 50 angeordnet sein, über die Luft längs der Pfeile 120, 120' abgeführt wird. Dabei weisen die Kästen 110, 110' den Fäden zugekehrte, nicht gezeigte luftdurchlässige Flächen auf.

Während in den bekannten Verfahren zur Herstellung von Lyocellfäden ein Luftspalt zwischen Spinnbohrung und Koagulationsbad nur wenige Zentimeter, in manchen Fällen auch nur wenige Millimeter beträgt, können bei Anwendung des erfindungsgemäßen Spleißspinnverfahrens durch die charakteristische, die Fäden begleitenden Luftströme diese eine größere Wegstrecke gefördert werden und dann erst in ein Wasserbad zur Koagulation gebracht werden. Dies ist eine besondere Eigenart des Spleißspinnverfahrens, indem nämlich auf die Fäden nach ihrem Austritt aus den Spinnbohrungen und nach dem Spleißen Schubspannungen durch die im Wesentlichen parallel zu ihnen verlaufenden Gas-, im Allgemeinen Luftströmung ausgeübt werden. Das unterscheidet sich von den sonst zum Spinnen aufgebrachten Kräfte durch eine Wickel- oder eine sonstwie geartete Abzugsvorrichtung. Die Spinnlösung aus den Spinnbohrungen hält nur geringe Zugkräfte aus und es ist mit Verfahren nach dem Stand der Technik deshalb nicht möglich, sehr feine Fäden zu erzeugen, denn nur im Luftspalt zwischen Düsenaustritt und Koagulationsbad läßt sich die Spinnmasse zu einem Faden geringeren Durchmessers ausziehen. Beim Spleißspinnverfahren sind die zur Verformung nötigen Kräfte Schubspannungskräfte. Diese beanspruchen den Faden also nicht als Zugkräfte über den Fadenquerschnitt, wodurch ein Abreißen kaum vorkommt. Nach dem Spleißen ist ein weiteres Ausziehen nicht mehr nötig. Sie können zu einem Vlies unterhalb der Spinndüse mit Lavaldüsenspalt aufgefangen und ihrer Koagulation zugeführt werden. Die Fäden festigen sich durch Abkühlung durch die Luftströmung.

Es versteht sich, daß sich nach dem in 2 gezeigten Trog noch weitere Stufen der Koagulation bzw. Auswaschung des Lösungsmittels anschließen können. Hierzu können auch Siebtrommelwaschmaschinen eingesetzt werden, wie sie in der Textilindustrie genutzt werden, wobei das Vlies die Siebtrommel in einem bestimmten Umfangssegment umschlingt und das Wasser durch das Vlies und den perforierten Trommelmantel axial entzogen und dem Bad bzw. der Trennung von Wasser und Lössungsmittel, beispielsweise NMMO, wieder zugeführt werden. Anschließend muß das Vlies getrocknet werden, wozu Siebtrommeltrockner benutzt werden können. Da hier im Allgemeinen ein starkes Schrumpfen der Lyocellfäden auftritt, kann das Vlies zwischen einer von Warmluft durchströmten Saugtrommel und einem diese umschlingendes mit gleicher Geschwindigkeit bewegten Siebband geführt werden.

Beispiel 1

Über eine Schneckenpresse (Extruder) wurde eine Lösung von 13% Cellulose in einer wässrigen NMMO-Lösung von 50% einer Spinnvorrichtung zugeführt, wobei die einzelne Spinnbohrung einen Durchmesser von 0,5 mm hatte. Die Temperatur der Spinnmasse am Extruderaustritt betrug 94°C. Am unteren Teil der konischen Düsenspitze war eine elektrische Widerstandsheizung angebracht, zu deren Beheizung mit einer Leistung zwischen 50 und 300 W. Die Fadenausziehung geschah durch Luft mit Raumtemperatur von etwa 22°C, der Druck, gemessen vor der Beschleunigung in der Lavaldüse, wurde zwischen 0,05 und 3 bar über Atmosphärendruck eingestellt. Der Austritt der Lyocellmasse aus der Düsenspitze wurde nur etwas variiert und lag 1 bis 2 mm oberhalb der Ebene, wo die Lavaldüse sich einschnürt, bei weiteren Einstellungen genau in dieser Ebene oder auch 1 bis 2 mm darunter, also weiter stromab. Die Lavaldüse hatte eine Weite im engsten Querschnitt von 4 mm und eine Gesamtlänge, gemessen von der Ebene, wo ihre Einschnürung beginnt, bis zur starken Erweiterung kurz nach dem engsten Querschnitt, von 10 mm.

Tabelle 1 zeigt die Einstellungen 111. Man erkennt den besonderen Einfluß der Heizung 10 der Düsenspitze, wodurch die austretende Spinnmasse unterschiedliche Temperaturen erhält, und zwar deutlich über ihre ursprüngliche Temperatur von 94°C hinaus. Die Fäden waren überwiegend gespleißt, bei einzelnen Einstellungen, insbesondere der mit geringerem Luftdruck und niedrigerer Temperatur, gab es auch nicht gespleißte. Selbst bei großen Durchsätzen pro Spinnbohrung über 4 g/min konnten Fäden um und unter 10 &mgr;m erzeugt werden. Ein höherer Luftdruck p1 führt in gewissen Grenzen zu feineren Fäden bis die Düsenspitze durch verstärkte Wärmeabgabe an den Luftstrom sich stärker abkühlt und das Spleißen schwieriger vonstatten geht. Man kann den Einfluß der erhöhten Luftgeschwindigkeit durch erhöhten Luftdruck vor der Lavaldüse teilweise ausgleichen durch erhöhte Temperatur an der Düsenspitze. Hinzu kommt eine Einflußnahme durch die Stellung der Düsenspitze zur Lavaldüse. Auch hierbei sind die beiden Haupteinflußgrößen Temperatur der Spinnmasse und Scherwirkung der Luftströmung für das Spleißen maßgebend.

Tabelle 1

Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung von im Wesentlichen endlosen feinen Fäden aus einer Spinnmasse aus löslichen Polymeren natürlichen Ursprungs, insbesondere Celluloselösung, bei dem die Spinnmasse aus mindestens einer Spinnbohrung ausgesponnen wird und der ausgesponnene Faden durch mittels einer Lavaldüse auf hohe Geschwindigkeit beschleunigte Gasströme verzogen wird, wobei bei gegebener Geometrie der Spinnbohrung und ihrer Lage zur Lavaldüse die Temperatur der Spinnmasse oder des aus der Spinnbohrung austretenden Fadens und die die Geschwindigkeit der Gasströme bestimmenden Drücke vor und hinter der Lavaldüse so gesteuert werden, dass der Faden vor seinem Erstarren einen hydrostatischen Druck in seinem Inneren erreicht, der größer ist, als der ihn umgebende Gasdruck, derart, dass der Faden platzt und sich in eine Vielzahl feiner Fäden aufspleißt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasströmung um den mindestens einen Faden laminar ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum hinter der Lavaldüse Umgebungsdruck aufweist oder bei Weiterverarbeitung der Fäden auf einem für die Weiterverarbeitung notwendigen Druck etwas über Umgebungsdruck liegt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die den Faden verziehende Gasströme Umgebungstemperatur oder eine aus ihrer Erzeugung und Zufuhr bedingten Temperatur aufweisen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Drücke in dem Raum über und unter der Lavaldüse bei der Verwendung von Luft abhängig von dem Polymer, dessen Durchsatz und Temperatur zwischen 1,02 und 3 gewählt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnmasse im Bereich der Austrittsstelle und/oder der aus der Spinnbohrung austretende Faden beheizt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Fäden ausgesponnen und aufgespleißt werden, die zu einem Vlies abgelegt oder zu Garnen weiterverarbeitet werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckverhältnisse vor und hinter der Lavaldüse so eingestellt werden, dass die Gasströmung in der Lavaldüse Geschwindigkeiten bis zur Schallgeschwindigkeit und darüber erreicht.
  9. Verfahren zur Herstellung von im Wesentlichen endlosen feinen Fäden aus einer Spinnmasse aus einer Celluloselösung, bei dem die Spinnmasse in Form eines Films aus einer langgestreckten schlitzartigen Spinndüse ausgesponnen wird und der ausgesponnene Film durch mittels einer langgestreckten Lavaldüse auf hohe Geschwindigkeit beschleunigte Gasströme verzogen wird, wobei der Film am Austritt aus der Lavaldüse oder kurz danach in eine Vielzahl von Fäden aufspleißt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasströmung um den Film laminar ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum hinter der Lavaldüse Umgebungsdruck aufweist oder bei Weiterverarbeitung der Fäden auf einem für die Weiterverarbeitung notwendigen Druck etwas über Umgebungsdruck liegt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die den Film verziehende Gasströme Umgebungstemperatur oder eine aus ihrer Zufuhr bedingte Temperatur aufweisen.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Drücke in dem Raum über und unter der Lavaldüse bei der Verwendung von Luft abhängig von dem Polymer, dessen Durchsatz und Temperatur zwischen 1,02 und 3 gewählt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnmasse im Bereich der Austrittsstelle und/oder der aus der schlitzartigen Spinndüse austretende Film beheizt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckverhältnisse vor und hinter der Lavaldüse so eingestellt werden, dass die Gasströmung in der Lavaldüse Geschwindigkeiten bis zur Schallgeschwindigkeit und darüber erreicht.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die auf gespleißten Fäden zu einem Vlies abgelegt werden oder zu Garnen weiterverarbeitet werden.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgespleißten oder abgelegten Fäden in ein Wasserbad geleitet oder mit Wasser besprüht werden.
  18. Vorrichtung zur Herstellung von im Wesentlichen endlosen feinen Fäden aus einer Celluloselösung mit einem mit einer Zuführvorrichtung für die Spinnmasse (2, 130) verbundenen Spinnkopf, einer in dem Spinnkopf aufgenommenen Spinndüsenanordnung, die mindestens eine langgestreckte schlitzartige Spinndüse (1) aufweist, die einen Lösungsfilm ausspinnt, einer unterhalb des Spinnkopfes liegenden Platte, (11, 11') die eine in fester geometrischer Zuordnung zu der Spinndüse (1) angeordnete langgestreckte Lavaldüse aufweist, wobei zwischen Platte (11, 11') und Spinnkopf ein mit einer Zuführung von Gas versehener geschlossener erster Raum gebildet ist und unterhalb der Platte (11, 11') ein zweiter Raum vorgesehen ist, in dem ein Ablegeband (50) zur Ablage der Fäden und Bildung eines Vlieses vorgesehen ist, wobei das Ablegeband (50) zumindest teilweise in ein Wasserbad (70) hineinragt oder mit Wasser besprüht wird.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnanordnung gegen den ersten Raum im Bereich der schlitzartigen Spinndüse (1) durch eine Isolieranordnung (8, 9') isoliert ist und/oder im Bereich der Spinndüse (1) beheizt ist.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung der mindestens einen Spinndüse (1) im Bereich der Lavaldüse in der Höhe der Oberkante der Platte, (11, 11') um einige mm über der Oberkante der Platte (11, 11') liegt oder einige mm in die Lavaldüse hineinragt.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Raum offen zur Umgebung ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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