DE10042769C1

DE10042769C1 - Verfahren zur Herstellung von Rovings aus endlichen Fasern

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Publication number: DE10042769C1
Application number: DE2000142769
Authority: DE
Inventors: Herbert Costard
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2020-09-01

Abstract

Verfahren zur Erzeugung eines Faserbandes als sog. Roving aus endlichen Fasern, dessen Faserband-Festigkeit durch Krumpfen der Fasern erzielt wird. DOLLAR A Das so erzeugte Faserband besteht aus unidirektional ausgerichteten leicht gedrehten Fasern u. a. für den Einsatz in Verbundwerkstoffen zur Erzielung hoher Festigkeiten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines sog. Roving-Garnes, Roving-Gewebes bzw. textilen Roving-Konstrukts aus endlichen Fasern. Herkömmliche Rovings bestehen aus endlosen Filamenten. Wobei sich Rovings im Gegensatz zu kon ventionellen Garnen dadurch auszeichnen, daß die Garne kaum oder gar nicht gedreht sind. Das Verfahren ist dazu bestimmt, für Faserverbundwerkstoffe Faserrohlinge herzu stellen, die besonders für den Einsatz bei der Herstellung von Naturfaserverbundwerk stoffen geeignet sind, wobei unter Naturfasern im weiterem Sinne auch sog. Cellulose regenerat-Stapelfasern, wie Viskose, Modal, Rayon oder Lyocell zu verstehen sind.

Die bekanntesten Roving-Produkte sind Rovings aus Endlosfilamenten der Glasfaser und Kohlenstoff-Faser, aber auch u. a. Fasern aus Bor, Metall, Keramik und Kunststoff. Da die Fasern bereits endlos als Filament vorliegen, stößt die Herstellung eines nicht oder kaum gedrehten Garnes auf keine Schwierigkeiten.

Roving-Produkte zeigen im Verbundwerkstoff die höchsten Festigkeiten, zum Beispiel gegenüber Vliesen aus endlichen Fasern (z. B. Glasfasern). Siehe dazu:
Erhard Hornbogen, Werkstoffe, Springer-Verlag, Berlin, 1994, bes. Seite 329. Dies hat seinen Grund in der Tatsache, daß die Fasern ausgerichtet, parallel, meist unidirektional gestreckt in den Werkstoff eingelagert werden. Dadurch kann die Steifigkeit und Festig keit des Fasermaterials voll ausgenutzt werden, zum anderen ist die Kraftübertragung be dingt durch das Endlosfilament als ideal anzusehen.

Bei Faserverbundwerkstoffen aus Naturfasern hat man nach dem Stand der Technik diese idealen Bedingungen nicht, da es sich um endliche Fasern handelt, bei denen die Kraft übertragung von Faser zu Faser durch das als Bindemittel dienende Polymer erfolgen muß oder durch ein hoch gedrehtes Garn, das mit einem der üblichen Spinnmethoden (beispielsweise Open-end- oder Ringspinnverfahren) hergestellt wird. Die notwendige hohe Drehung wirkt sich negativ auf die Festigkeiten aus, weil die Faser spiralförmig im Garn vorliegt und dadurch die Kraftübertragung quer zur Längsrichtung der Faser erfolgt und damit Scherkräfte in der Form auf die Faser wirken, in deren Richtung sie die ge ringsten Festigkeiten hat, so daß sich mit diesen Garnen keine höheren Festigkeiten als bei Vliesen (Matten) erzielen lassen.

Die Festigkeiten eines Verbundwerkstoffs aus Faser und Matrix werden im wesentlichen durch die Fasern bestimmt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Faserband mit weitgehend parallel liegenden gestreckten endlichen Fasern zu erzeugen, das einerseits für die Weiterverar beitung genügend mechanische Festigkeit aufweisen muß, andererseits die Kraftübertra gung von einer Faser zur anderen im Verbundwerkstoff gewährleistet und weiterhin die Durchdringung mit dem Polymer in seiner niedrigviskosen Phase gestattet.

Diese Aufgabe wird durch ein Naßverfahren gelöst, das die Aufgabe hat, aus einem trocken hergestellten leicht gedrehten Faserband (beispielsweise über eine Krempel oder Vorspinnmaschine) im nassen Zustand ein verstrecktes oder unverstrecktes Faserband herzustellen mit hohen Reißfestigkeiten und dadurch gekennzeichnet ist, daß durch Durchtränkung des vorgefertigten trockenen Faserbandes oder Vorgarnes mit Wasser, durch Abquetschen oder Abdrücken des Oberflächenwassers ein verdichtetes Faserband mit hoher Faser/Faser-Haftung entsteht und weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß das Faserband im unverstreckten oder verstreckten Zustand getrocknet wird, und weiter da durch gekennzeichnet, daß sich das durchtränkte Faserband über Walzenstreckwerke um ein Vielfaches seines Ursprungsgewichts verfeinern (verziehen) läßt und anschlie ßend getrocknet wird, und weiter dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Trocknen das Faserband bzw. das Vorgarn durch Wasserstoffbrückenbildung eine weitere Verdich tung und Festigkeit erhalten kann.

Das in dem beanspruchten Verfahren verwendete pflanzliche Substrat sind vorzugsweise Sklerenchymfasern aus Pflanzen der Familie der Linaceae, Urticacae oder Moraceae aus gewählt, und diese Gruppen umfassen insbesondere Ölleinen, Faserleinen (Flachs), Nes sel wie Brennessel, Ramie, Hanf oder Hopfen, besonders bevorzugt ist Flachs, oder aus Celluloseregenerat-Stapelfasern, besonders bevorzugt Lyocell.

Bei dem erfindungsmäßigen Verfahren werden die mechanisch vorentholzten Skleren chymfaserbündel aus feldgetrocknetem Stroh (z. B. Grünflachs) oder als vorgeröstete Sklerenchymfasern mitttels Feldröste oder Wasserröste (z. B. Schwung- oder Hechel werg), gleich welcher Aufmachung, oder gewaschen, entpektinisiert oder gebleicht, bei spielsweise nach dem in DE 44 20 221 C1 Verfahren zur Gewinnung von Cellulosefa sermaterial. . ." beschriebenen Verfahren, mittels Krempeln oder Karden zu einem Faser band mit in Laufrichtung ausgerichteten Fasern geformt, wobei durch sog. Strecken eine weitere Vergleichmäßigung des Bandes erfolgen kann. Das Gewicht des so gewonnenen Faserbandes liegt zwischen 4 und 40 g/m, wobei aus technischen Gründen die Gewichte vorzugsweise zwischen 5 . . . 7 oder 25 . . . 30 g/m je nach verwendeter Faserfeinheit lie gen. Das so gewonnene Faserband wird mit einer Drehung versehen, wobei die Drehun gen sehr gering sind und max. 5 . . . 100 Drehungen/m betragen.

Bei Verwendung eines Vorgarnes, sog. Flyergarn, wird erfindungsgemäß ein leicht ge drehtes Garn verwendet, mit 30 . . . 100 Drehungen/m im Bereich von Nm 0,5 . . . 3, be vorzugt Nm 1.

Bei dem Einsatz von Lyocell-Stapelfasern verwendet man erfindungsgemäß Fasern mit einer Stapellänge von 35 bis 80 mm, bevorzugt 80 mm Stapellänge mit einer Feinheit von beispielsweise 15 dtex. Das verwendete Faserband ist ein Krempel- oder Strecken band, bevorzugt mit einem Gewicht von 25 g/m bzw. 7 g/m. Bei Verwendung eines Vor garns aus Lyocellfasern gelten die gleichen Parameter in bezug auf die Faserspezifika tion. Das Vorgarn hat 30 . . . 100 Drehungen/m und liegt im Garnstärkenbereich von Nm 0,5 . . . 3, bevorzugt Nm 1.

Erfindungsgemäß erhalten diese Vorprodukte bei der weiteren Naß-Verarbeitung keine zusätzliche Drehung, im Gegensatz zu konventionellen Garnen mit Drehung zur Erzielung der Garnfestigkeit. Die Naßverarbeitung bewirkt beim Verstrecken eine Naß haftung, die höher ist als die Trockenhaftung und dadurch ein gleichmäßiges Verziehen der Fasern parallel zueinander erlaubt. Es können Faserbänder mit 15 . . . 20% der Faser anzahl im Querschnitt hergestellt werden gegenüber Faserbändern, die trocken verzogen werden.

Durch das gezielte Abquetschen, Abdrücken oder Abschleudern des Oberflächenwassers läßt sich die Naßhaftung variieren. Durch die Naßbehandlung krumpfen die Fasern und legen sich aneinander und werden in sich gestreckt, so daß eine fast ideale Faserparalleli tät entsteht und die Umschlingungen mit der Trocknung fixiert werden. Dies hat seine Ursache darin, daß die Fasern bei Wasseraufnahme eine starke Quellung in Querrichtung erfahren und damit eine Zugkraft in Längsrichtung ausüben, was zu einer Verdichtung des gedrehten Bandes bzw. Rovings führt. Bei den leicht vorgedrehten Vorprodukten er zielt man somit eine flachwinklige Umschlingung der Fasern, die für die Kraftübertra gung im Verbundwerkstoff von ausschlaggebender Bedeutung ist. Der angestrebte Faser winkel zur Faserbandachse liegt zwischen 10 und 45°.

Das Anfeuchten oder die Tränkung mit Wasser wird erfindungsgemäß vorzugsweise im Durchzugsverfahren in einem Wasserbecken vorgenommen mit anschließendem Durch laufen einer geeigneten Abquetschapparatur, beispielsweise durch Walzen. Dadurch wird die notwendige Zugfestigkeit erzielt, um einem sonst zu lockeren Verbund im Faserband entgegenzuwirken. Diese Festigkeit ist erforderlich für den späteren Streckvorgang/Ver zugvorgang oder um einen Wickel oder eine Spule herzustellen.

Die Dauer der Feuchtigkeitseinwirkung beeinflußt ebenfalls die Verzugfähigkeit, vor al lem bei Bastfasern, die im Streckvorgang zu Elementarfasern verzogen werden sollen. Die Dauer der Durchfeuchtung richtet sich nach dem angewendeten Verfahren. Im Durchzugverfahren beträgt die Verweildauer im wässrigen Medium zwischen 4 und 60 sec. bei einer Wassertemperatur zwischen 15 und 55°C, bevorzugt zwischen 25 und 50°C, idealerweise bei 37°C. Die Verweildauer ist abhängig von der Stärke des Fa serbandes.

Bei der Durchtränkung des Faserbandes oder Vorgarnes im Batch-Verfahren als Wickel oder Spule, also beispielweise in textilen Färbeapparaten, wird die Durchtränkungsdauer bestimmt durch die Geschwindigkeit des Wasserzu- und ablaufs. Man rechnet dabei mit einer Zykluszeit zwischen 10 und 30 min. Bei dieser Methode kann anschließend direkt die Trocknung als Wickel oder Spule (beispielsweise in einem Drucktrockner) erfolgen, so daß damit die dabei entstehende Verdichtung und Verfestigung des Faserbandes direkt auf dem Wickel oder der Spule erfolgt.

Bei einer erfindungsgemäßen Methode erfolgt nach dem Wässern und Abquetschen durch Walzen oder beispielsweise durch eine Ösenöffnung (kreis- oder ovalförmig), die dem Faserbandquerschnitt entspricht, das eigentliche Verziehen über einen Walzenstuhl oder ein Streckwerk. Das Verziehen des Faserbandes erfolgt stufenweise entweder über Walzen mit in der Folge erweitertem Umfang oder über Walzen mit in der Folge erhöhter Umfanggeschwindigkeit und bis zum 50ten Teil seiner ursprünglichen Stärke. Beim Naßverziehen legen sich die Fasern parallel eng aneinander und werden in sich gestreckt.

Durch den auf das Faserband ausgeübten Druck durch die Verzugwalzen erhält das ver zogene Faserband das gewünschte Flachprofil im Gegensatz zu einem gedrehten Garn, das einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Geschwindigkeit wird bestimmt durch den Grad des Verziehens und ist von diesem abhängig, so daß die Endgeschwindigkeit nach dem Verzug maßgebend ist. Das Verziehen wird bei einer Geschwindigkeit zwi schen 10 und 250 m/min. vorgenommen, vorzugsweise zwischen 80 und 150 m/min.

Bei dieser erfindungsmäßigen Art der Weiterverarbeitung des verzogenen und gestreck ten Bandes erfolgt die Trocknung beispielsweise über erhitzte Walzen oder Bleche oder einen Muldentrockner zwischen 60 und 120°C, bevorzugt 90°C, auf eine Restfeuchte zwischen 6 und 10%. Das so erzeugte Faserband erhält seine Festigkeit durch den oben beschriebenen Krumpfvorgang. Nach dem Trocknen erfolgt das Aufspulen auf handels übliche Garnspulen parallel oder als Kreuzspule oder andere Garnträger wie z. B. Kett baumträger.

Bei einer anderen erfindungsmäßigen Art erfolgt die Aufspulung des verzogenen und verstreckten Faserbandes (Rovings) im feuchten Zustand auf sog. Färbespulen. Die Trocknung erfolgt dann auf Trockenapparaten üblicher Bauart (z. B. Drucktrockner) wie sie in der Textilindustrie verwendet werden. Die Trocknung erfolgt zwischen 50 und 120°C, vorzugsweise bei 85°C, auf eine Restfeuchtigkeit zwischen 6 und 10%.

Wenn ein Bleichen oder Beuchen oder Waschen der Faserbänder vorgesehen ist, erfolgt dies erfindungsgemäß als Flocke vor der Bandbildung, vorzugsweise jedoch direkt nach dem Anfeuchten oder nach dem Verziehen und feuchtem Aufwickeln der Faserbänder auf Spulen oder Wickeln in sog. Färbeapparaten. Der technische Vorgang entspricht der üblichen Garnbehandlung in der Textilindustrie.

Die Reißfestigkeit der so erzeugten Faserbänder bzw. Rovings ist außerdem abhängig vom Grad der Entpektinisierung. Bei vollkommener Entpektinisierung liegt wegen guter Wasserstoffbrückenbildung die Reißfestigkeit am höchsten und zwar zwischen 16 und 20 Rkm.

Das erfindungsgemäß hergestellte Faserband (Roving aus endlichen Fasern) findet seinen Einsatz für Rovinggewebe, in der Pultrusions- und Wickeltechnik zur Herstellung von Verbundwerkstoffen und zeichnet sich durch Parallellage der gestreckten Fasern und durch hohe Verarbeitungs- bzw. Zugfestigkeit aus.

Beispiel 1 Rohstoff

Leinenfaserhechelwerg-Krempelband in Bumpsform 30 kg, vorgebleicht als Flocke
Gewicht von 30 g/m
Stapelfaserlänge 150 mm
30 Drehungen/m

Verfahrensschritte

Eintauchen des Bumps in Wasserbehälter ca. 20 cm unter Wasseroberfläche; das Band wird nach oben abgezogen und dadurch mit Wasser komplett durchfeuchtet und durch eine runde Durchlauföse (∅ 15 mm) vom ersten Walzenpaar des Streckwerkes zum Streckvorgang gezogen. Es handelt sich um ein vierstufiges Doppelwalzen-Streckwerk mit einem variierbaren Abstand und einzeln angetriebenen Streckwerkwalzenpaaren.

Der Abstand von Klemmpunkt zu Klemmpunkt betrug 160 mm. Das erreichte Endge wicht betrug 7,5 g/m. Die Liefergeschwindigkeit betrug 50 m/min. Das verstreckte und gepreßte Faserband wurde parallel auf einen sog. Kettbaumträger aufgespult, in einem Thies-Färbeapparat eco-bloc Type 1200, der Fa. Thies GmbH, Coesfeld, in Durchströ mungstechnik mit Wasser durchspült und anschließend auf einem Drucktrockner der gleichen Firma, RIII Type 1800 KB, getrocknet auf eine Restfeuchte von 8%. Das hergestellte Band zeigte eine gute Reißfestigkeit von 16 Rkm und ließ sich ohne Schwierigkeiten unter Spannung in ein Pultrusionswerkzeug einziehen. Das Band hatte im Fertigzustand 10 Drehungen/m.

Beispiel 2 Rohstoff

Leinenfaserhechelwerg-Krempelband in Bumpsform 30 kg, feldgeröstet
Gewicht von 30 g/m
Stapelfaserlänge 150 mm
30 Drehungen/m

Verfahrensschritte

Eintauchen des Bumps in Wasserbehälter ca. 20 cm unter Wasseroberfläche; das Band wird nach oben abgezogen und dadurch mit Wasser komplett durchfeuchtet und durch ei ne runde Durchlauföse (∅ 15 mm) vom ersten Walzenpaar des Streckwerkes zum Streck vorgang gezogen. Es handelt sich um ein siebenstufiges Doppelwalzen-Streckwerk mit Einzelantrieb der Walzenpaare und einem variierbaren Abstand. Der Abstand von Klemmpunkt zu Klemmpunkt betrug 160 mm, wobei die beiden letzten Stufen einen Klemmabstand von 43 mm hatten. In dem letzten Bereich werden die Bastfasern zu Ele mentarfasern verzogen.

Das erreichte Endgewicht betrug 1,0 g/m. Die Liefergeschwindigkeit betrug 90 m/min. Das verstreckte und gepreßte Faserband wurde parallel auf einen sog. Kettbaumträger aufgespult, in einem Thies-Färbeapparat eco-bloc Type 1200, der Fa. Thies GmbH, Coesfeld, in Durchströmungstechnik gewaschen und anschließend auf einem Drucktrockner der gleichen Firma, RIII Type 1800 KB, getrocknet auf eine Restfeuchte von 8%.

Das hergestellte Band zeigte eine Reißlänge von 18 Rkm und ließ sich ohne Schwierig keiten unter Spannung in ein Pultrusionswerkzeug einziehen. Das Band hatte im Fertig zustand 10 Drehungen/m.

Beispiel 3 Rohstoff

Verfahrensschritte

Das erreichte Endgewicht betrug 1,0 g/m. Die Liefergeschwindigkeit betrug 90 m/min. Das verstreckte und gepreßte Faserband wurde parallel auf einen sog. Kettbaumträger aufgespult, in einem Thies-Färbeapparat eco-bloc Type 1200, der Fa. Thies GmbH, Coesfeld, in Durchströmungstechnik gebeucht und gebleicht und anschließend auf einem Drucktrockner der gleichen Firma, RIII Type 1800 KB, getrocknet auf eine Restfeuchte von 8%.

Das hergestellte Band zeigte eine Reißlänge von 20 Rkm und ließ sich ohne Schwierig keiten unter Spannung in ein Pultrusionswerkzeug einziehen und auf einem Greiferweb stuhl in Kette und Schuß zu einem Rovinggewebe verarbeiten. Das Band hatte im Fertig zustand 10 Drehungen/m.

Der Weißgrad betrug 70 (ISO)

Beispiel 4 Rohstoff

Lyocellfaser-Streckenband in Bumpsform 10 kg
Gewicht 20 g/m
Stapelfaserlänge 80 mm
15 dtex
30 Drehungen/m

Verfahrensschritte

Eintauchen des Bumps in Wasserbehälter ca. 20 cm unter Wasseroberfläche; das Band wird nach oben abgezogen und dadurch mit Wasser komplett durchfeuchtet und durch ei ne runde Durchlauföse (∅ 5 mm) vom ersten Walzenpaar des Streckwerkes zum Streck vorgang gezogen. Es handelt sich um ein siebenstufiges Doppelwalzen-Streckwerk mit Einzelantrieb der Walzenpaare und einem variierbaren Abstand. Der Abstand von Klemmpunkt zu Klemmpunkt betrug 90 mm. Das erreichte Endgewicht betrug 0,7 g/m. Die Liefergeschwindigkeit betrug 90 m/min. Das verstreckte und gepresste Faserband wurde parallel auf Kreuzspulfärbehülsen aufgespult, in einem Thies-Färbeapparat eco bloc Type 1200, der Fa. Thies GmbH, Coesfeld, in Durchströmungstechnik mit Wasser 40°C unter Zusatz von Waschmitteln nachgewaschen zur Beseitigung der Avivage und anschließend auf einem Drucktrockner der gleichen Firma, RIII Type 1800 KB, getrock net auf eine Restfeuchte von 8%.

Beispiel 5 Rohstoff

Leinen Hechelwerg-Vorgarn
Gewicht 0,9 g/m
Stapelfaserlänge 150 mm
39 Drehungen/m
Spulengewicht netto 1600 g

Die Vorgarnspulen wurden in einen textilen Färbeapparat eingesetzt und mit Wasser von außen nach innen durchströmt bei einer Temperatur von 50°C und 48 Std. zum bakte riell/enzymatischen Abbau der Pektine gemäß PCT/DE99/02848 stehen gelassen. Nach Beendigung des Prozesses wurde 3mal mit Wasser gespült, die Spulen geschleudert und 12 Std. in einen Warmlufttrockner der Fa. Mohr + Caidik GmbH + Co, Ansbach, bei 80°C auf eine Restfeuchte von 9,5% getrocknet. Die Faserbänder zeigten eine gute Faser/Faser-Haftung und waren geeignet für das Weben von Roving-Gelegen.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines Faserbandes (Roving) aus endlichen im wesentli chen parallel zueinander liegenden Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Fa serband-Festigkeit durch Quellen der Fasern und anschließendes Trocknen erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbänder nach dem Wässern und Trocknen zusätzlich durch Wasserstoffbrücken verfestigt wer den.

3. Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Faser material aus den Familien der Linaceae, Urticaceae, Moraceae oder aus Celluloseregeneratfasern ausgewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbänder ge wässert, naß verzogen und anschließend getrocknet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbänder ge wässert, naß verzogen, gepreßt und getrocknet werden und innerhalb der Prozeß schritte oder vor der Bandbildung als Fasern gebeucht und/oder gebleicht werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbänder gedreht sind.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Faserband-Festigkeit zusätzlich durch Haftungsmittel erhöht wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Wässerung bei einer Wassertemperatur zwischen 10 und 100°C erfolgt, vorzugsweise zwischen 35 und 37°C.