DE10065859A1

DE10065859A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von im Wesentlichen endlosen feinen Fäden

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Publication number: DE10065859A1
Application number: DE10065859A
Authority: DE
Inventors: Lueder Gerking
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2020-12-23
Also published as: EP1358369B1; AU2002234596A1; WO2002052070A2; US7922943B2; DE50103362D1; DE10065859B4; WO2002052070A3; EP1358369A2; ES2227307T3; US20040099981A1; CA2432790A1; CA2432790C; RU2265089C2; CN1492952A; ATE274075T1; CN1322181C

Abstract

Es werden Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von im Wesentlichen endlosen feinen Fäden aus einer Spinnmasse aus schmelzbaren oder löslichen Polymeren natürlichen und synthetischen Ursprungs vorgeschlagen, bei denen die Spinnmasse aus mindestens einer Spinnbohrung oder einem Spinnschlitz ausgesponnen wird und der ausgesponnene Faden oder Film durch mittels einer Lavaldüse auf hohe Geschwindigkeit beschleunigte Gasströme verzogen wird. Am Austritt aus der Lavaldüse oder kurz danach platzt der Faden oder der Film und spleißt sich in eine Vielzahl feiner Fäden auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von feinen Fäden aus schmelzspinnbaren oder löslichen Polymeren natürlichen oder synthetischen Ursprungs und Vorrichtungen zu ihrer Herstellung.

Mikrofäden, meistens allerdings Mikrofasern endlicher Länge, werden nach einem Heißluft-Blasspinnverfahren, sog. Meltblown-Verfahren, seit vielen Jahren herge stellt, und es gibt heute unterschiedliche Vorrich tungen 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 Fa sern, 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 ge setzt wurden bis zu einem Abstand von unter 0,6 mm bei 0,25 mm im Lochdurchmesser), daß es bei Faden durchmessern unter 3 µm zu Abrissen kommt, was zu Per len und abstehenden Fasern im späteren textilen Ver bund führt, und daß die Polymere durch die zur Erzeu gung feiner Fäden notwendige hohe Lufttemperatur deutlich über der Schmelzetemperatur thermisch ge schädigt werden. Die Spinndüsen, von denen eine große Anzahl vorgeschlagen und auch geschützt worden sind, sind aufwendige Spritzwerkzeuge, die in hoher Präzi sion gefertigt werden müssen. Sie sind teuer, be trieblich 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 benöti gen, keine Fadenschädigungen aufgrund zu hoher Tempe ratur 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 Polymerschmelze oder Polymerlösung aus Spinnbohrun gen, die in einer oder mehreren parallelen Reihen oder Ringen angeordnet werden, in eine mit Gas, in der Regel mit Luft gefüllte, von der Umgebung ge trennte Kammer bestimmten Druckes ausgepreßt wird, wobei die Fäden im schmelz- oder lösungsflüssigen Zustand in ein Gebiet rascher Beschleunigung dieses Ga ses am Austritt aus der Kammer gelangen. Die auf dem Wege dorthin auf den jeweiligen Faden durch Schub spannung übertragenen Kräfte nehmen zu, sein Durch messer verringert sich stark und der Druck in seinem noch flüssigen Inneren steigt umgekehrt proportional zu seinem Radius durch die Wirkung der Oberflächen spannung entsprechend stark an. Durch die Beschleuni gung des Gases sinkt in strömungsmechanischer Gesetz mäßigkeit dessen Druck. Dabei sind die Bedingungen der Temperatur der Spinnmasse, der Gasströmung und seiner raschen Beschleunigung so aufeinander abge stimmt, daß der Faden vor seiner Erstarrung einen hy drostatischen Druck in seinem Inneren erreicht, der größer ist als der umgebende Gasdruck, so daß der Fa den platzt und sich in eine Vielzahl feiner Fäden aufteilt. Durch einen Spalt unten in der Kammer ver lassen Fäden und Luft diese. Das Aufplatzen geschieht im oder nach dem Spalt und unter sonst unveränderten Bedingungen überraschend stabil ortsfest an einem be stimmten 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 ursprüng lichen 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 Tem peratur.

Die aus dem Aufspleißen entstandenen neuen Fäden sind erheblich feiner als das ursprühgliche Monofil. Sie können sogar noch etwas nach dem Aufspleißpunkt ver zogen 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 Einzelfila mente endlos sind. Die Fäden haben einen Durchmesser von deutlich unter 10 µm, vornehmlich zwischen 1,5 und 8 µm, was bei Polymeren einem Titer zwischen etwa 0,02 und 0,5 dtex entspricht und werden als Mikrofä den bezeichnet.

Die verwendeten Spinnmassen beruhen auf schmelzbaren oder löslichen Polymeren synthetischen oder natürli chen Ursprungs. Unter den auf natürlichen Rohstoffen basierenden Fasern sind besonders die des nachwach senden 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 ge löst und durch Spinnbohrungen zu Fäden ausgepreßt. Auch andere Lösungsmittel können benutzt werden, wo bei aber NMMO sich als das bisher geeignetste erwie sen 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 verzo gen werden, und gelangen anschließend in ein Wasser bad, in dem die Cellulose zum Faden koaguliert und das Lösungsmittel in das Wasserbad gelangt, welches wegen der ständigen Anreicherung erneuert und das Lö sungsmitel zurückgenommen wird. Lyocellfäden haben eine höhere Naßfestigkeit als die nach dem älteren Viskoseverfahren hergestellten cellulosichen Fäden. Sie haben die besondere Eigenschaft zum Fibrilieren 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 und WO98/07911, gezeigt.

Ein anderes zu Fäden verspinnbares Polymer auf natür licher 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 Eigen schaft, 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 her zustellen, 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 Wirtschaft lichkeit in der Herstellung der Fäden durch höheren Schmelzedurchsatz und geringeren spezifischen Luft- und damit Energieverbrauch. Es hat sich gezeigt, daß fadenbildende Kunststoffschmelzen oder -lösungen na türlichen oder synthetischen Ursprungs sehr unter schiedlicher Art nicht nur zu Fäden verformt werden können, indem sie aus runden oder profilierten Einze löffnungen ausgepreßt und anschließend Gas- bzw. Luftströmungen verzogen werden, sondern daß man Spleißfäden in ganz ähnlicher Weise wie die aus Ein zelöffnungen erzeugten Monofile aus Schmelzefilmen herstellen kann. Dazu wird die Spinnmasse aus einer langgestreckten schlitzförmigen Düse, wie oben er wähnt, in eine von der Umgebung getrennte Kammer be stimmten Drucks, der Gas, z. B. Luft, zugeführt wird, ausgepreßt, wobei der Film in ein Gebiet rascher Be schleunigung des Gases am Austritt aus der Kammer in einen Längsspalt gelangt. Unterhalb der Beschleuni gungszone, 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 un terschiedlichem Durchmesser und knötchenförmigen Ver dickungen. Diese entstehen im noch schmelzflüssigen Zustand der Spinnstoffe und können in gewissen Gren zen durch die Hauptverfahrensparameter Schmelzetempe ratur, Schmelzedurchsatz und ausziehende Gase - mei stens 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 un terschiedlichen Fadendurchmessern können Vorteile ha ben und gleichen eher Naturstoffen, bei denen auch ein größeres Spektrum unterschiedlicher, sie zusam mensetzender einzelner Elemente, hier also Fasern und Fäden, vorkommt wie bei Leder und Holz, deren unter schiedliche 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 Faden bildungsvermögen und Oberflächenspannung und damit Druckbildung im Monofil und im Film bestimmen. Eine zu frühe Abkühlung des Fadens ist deshalb nicht er wünscht, im Gegenteil kann eine Erhöhung der Tempera tur 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 umge benden Gasströmung. Das geschieht beim Spleißspinn verfahren 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 strömungstech nischen Gesetzen der Druck im Gas abnimmt. Durch die Oberflächenspannung wird der Druck im flüssigen Mono fil 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 unter schiedliche 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 Einfurchun gen, Riefenbildungen über die Filmbreite hinweg und zu Durchbrüchen mit Bildung von faden- oder bandför migen Einzelteilen, auch Ligamente genannt.

Das Gebiet der starken Beschleunigung und Druckabsen kung in der Gasströmung wird nach der Erfindung in Form einer rotationssymmetrischen oder langgestreck ten Lavaldüse mit konvergenter Kontur zu einem eng sten 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 herr schen.

Für die Herstellung von Fadenvliesen (Spinnvliesen) werden Spinndüsen mit in Zeilen angeordneten Spinn bohrungen 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 rotationssym metrische Lavaldüsen eingesetzt werden.

Ein Zerfasern durch Aufplatzen ist bei der Herstel lung von Mineralfasern bekannt geworden, so in der Offenlegungsschrift DE 33 05 810. Durch Störung der Gasströmung in einem unterhalb der Spinndüse angeord neten Rechteckkanal mittels Einbauten, die Querströ mungen 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 ge sprochen, und zwar in EP 0 038 989 vom Ausziehen aus einer "Schlaufen- oder Zickzackbewegung nach Art ei nes mehrfachen Peitschenknalleffekts". Daß das ei gentliche "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 anmelden den Firma diese Erkenntnis von der Mineralfaserher stellung offenbar zunutze gemacht. In der Offenle gungsschrift DE 38 10 596 wird in einer Vorrichtung nach Fig. 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 er kannt, 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 Austrittsboh rungen einwirkendes Druckgefälle" Spalte 1, Zeilen 54/55 zieht die Schmelzeströme zu feinen Fasern aus, sondern ein statisches Druckgefälle zwischen Schmel zestrom und umgebender Gasströmung bringt ihn zum Aufspleißen oder Zerfasern. Die erzeugten Fäden dort sind endlich lang und amorph.

Die Fäden des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dage gen endlos oder im Wesentlichen endlos. Sie werden durch gezielt gesteuertes Aufplatzen eines noch schmelzflüssigen Monofils oder eines Films in einer sie umgebenden laminaren Gasströmung erzeugt, also ohne Turbulenz erzeugende Querströmungen. Es kommen grundsätzlich alle synthetischen und natürlichen fa denbildenden Polymere, wie Polyolefine PP, PE, Poly ester PET, PBT, Polyamide PA 6 und PA 66, andere wie Polystyrol und Cellulose, Lyocell und PLA in Frage. Dabei sind solche wie Polypropylen (PP) und Polyethy len (PE) als günstig anzusehen, weil Oberflächenspan nung und Viskosität in einem Verhältnis stehen, das den Aufbau eines Fadeninnendruckes gegen die Oberflä chenspannungskraft der Fadenhaut leicht gestattet, während die Viskosität nicht so hoch ist, daß das Zerplatzen verhindert wird. Das Verhältnis von Oberflächenspannung zu Zähigkeit läßt sich durch die Er höhung der Temperatur der Schmelze oder Lösung bei den meisten Polymeren erhöhen. Dies geschieht auf einfache Weise in der Schmelzeherstellung und kann durch Heizen der Spinndüsen kurz vor dem Austritt der Fäden verstärkt werden. Eine Aufwärmung der Fäden da nach durch heiße Gasströme findet nach der vorliegen den 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 µm, beispielsweise zwischen 2 und 5 µm, 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 molekula ren Struktur nicht durch Übertemperaturen geschädigt, was zu verringerter Festigkeit führen würde, wodurch sie sich aus einem textilen Verband dann oft heraus reiben 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 Vorrich tung zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfah rens 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 Tole ranzen der seitlichen Luftschlitze des Meltblown- Verfahrens. Bei einem bestimmten Polymer braucht man nur die Schmelze- bzw. Lösungstemperätur und den Druck in der Kammer aufeinander abzustimmen und bei gegebenem Durchsatz pro Spinnbohrung und der geome trischen Lage der Spinndüse zur Lavaldüse kommt es zum Aufspleißen.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist es, den Schmel ze- oder Lösungskegel, rund als Monofil oder keilför mig als Film, vor dem Aufspleißen möglichst wenig ab zukühlen und darüber hinaus ihn auf höhere Temperatur zu erwärmen. Dazu sind gegenüber der Gasströmung ab geschirmte Heizungen zu beiden Seiten der Aus trittsöffnungen - Bohrüngsreihe oder Schlitz - ange bracht. Diese Heizungen führen Wärme zum einen im Be reich der Austrittsöffnung an die Spinnmasse von au ßen heran und geben ihr dort, wo sie eine höhere Ge schwindigkeit und damit höheren Wärmeübergang gestat tet, eine Temperaturerhöhung, zum anderen sind die Heizungen von der Art, daß sie durch Strahlung Wärme an den kegel- oder keilförmigen Teil der sich verfor menden Spinnmasse übertragen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be schreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils einer Vorrichtung zur Herstellung von Fäden durch Aufplatzen eines Schmelze- oder Lösungsstroms in eine Vielzahl von Einzelfä den nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung nach einem Ausfüh rungsbeispiel mit Zeilendüse und Spinnbohrun gen zur Herstellung von Lyocell-Vliesen aus Mikrofäden,

Fig. 3 ein Foto einer mikroskopischen Aufnahme von PP-Spleißfäden, hergestellt nach Beispiel 2 durch Aufplatzen eines Schmelzefilms, und

Fig. 4 ein Foto von PP-Spleißfäden unter Bedingungen entsprechend Fig. 3, hergestellt durch Auf spleißen von Monofilen.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch den unteren Teil ei ner, Spinndüse 1 und eine zugeordnete Lavaldüse darge stellt, wobei dieser Schnitt sowohl für eine rota tinssymmetrische Spinndüse, die einen Faden oder ein Monofil ausspinnt, und eine rotationssymmetrische La valdüse, als auch für eine schlitz- oder rechteckför mige Spinndüse, die einen Film ausspinnt, und ent sprechend rechteckförmiger Lavaldüse gilt. Es kann auch eine Spinndüse mit mehreren in Reihe angeordne ten 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 un teren Rand der Platte 11, 11' stark erweitert, wo durch 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 ab geschlossener 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 Kom pressionswärme 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 de ren Bereich eine Heizung 10, 10' angebracht ist, die im Ausführungsbeispiel als Flachheizband ausgebildet ist und die in vorteilhafter Weise gegen die Isolier anordnung 8, 8' zur Vermeidung von Wärmeverlusten durch Teile 13 und 13' isoliert ist. Der Raum unter halb der Platte 11, 11' weist üblicherweise Umge bungsdruck, d. h. Atmosphärendruck auf, während das Gas im Raum zwischen Spinndüse 1 und Platte 11, 11' unter einem erhöhten Druck steht. Bei direkt an schließender 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 an deren Fadensammelvorrichtungen benötigt wird.

Eine Spinnmasse 2, die ein schmelzbares Polymer syn thetischen oder natürlichen Ursprungs oder eine Poly merlösung, 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 auf grund 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 Au ßenflächen 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 Ein schnürung 12' des Strömungsquerschnittes für die Gasströmung 6, 6' nach Art der Lavaldüse mit dem eng sten Querschnitt bei 12. Bis dahin nimmt die Strö mungsgeschwindigkeit 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 p_e überschritten wird. Durch die Erweiterung der Laval düse zum Raum mit dem Druck p₂ unterhalb der Platte 11, 11' hin können bei überkritischen Druckverhält nissen auch Überschallgeschwindigkeiten entstehen. Im Allgemeinen erweitert sich die Lavaldüse sehr stark gleich nach dem engsten Querschnitt 12 oder kurz da nach, 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 Faden mantel den Schmelze- oder Lösungsfaden gegen den mit der Fadeneinschnürung gewachsenen Innendruck nicht mehr zusammenhalten kann. Das Monofil teilt sich in einzelne Fäden auf, die sich aufgrund der Temperatur differenz zwischen Schmelze bzw. Lösung und kaltem Gas bzw. Luft und der plötzlich stark angewachsenen Oberfläche der Einzelfäden, bezogen auf die Fadenmas se, raschabkühlen. Es ist somit eine bestimmte An zahl von sehr feinen, im Wesentlichen endlosen Ein zelfäden entstanden. Auch der Schmelze- bzw. Lösungs film platzt kurz unterhalb der Lavaldüse auf, wobei die Druckverhältnisse im Film vor dem Aufspleißen un terschiedlich 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 Aufspleiß punkt, 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 la minar 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 la minar und kann sich sogar laminarisieten, wenn vorher eine gewisse Turbulenz vorherrschte.

Fig. 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 Vorrich tung 30 zur Herstellung von Spleißfäden entspricht der Anordnung nach Fig. 1, wobei mehrere Spinndüsen bzw. Spinnbohrungen entsprechend Figur. 1 in Reihe an geordnet 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 ge kennzeichnet. Es ist auch möglich, daß die Fäden zu nächst 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 Verar beitung durch Kalandrieren, Trocknen und Weiterem zu geführt 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 Wesentli chen parallel zu ihnen verlaufenden Gas-, im Allge meinen Luftströmung ausgeübt werden. Das unterschei det sich von den sonst zum Spinnen aufgebrachten Kräfte durch eine Wickel- oder eine sonstwie geartete Abzugsvorrichtung. Die Spinnlösung aus den Spinnboh rungen 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 Schubspan nungskräfte. 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 Lavaldüsen spalt aufgefangen und ihrer Koagulation zugeführt werden. Die Fäden festigen sich durch Abkühlung durch die Luftströmung.

Es versteht sich, daß sich nach dem in Fig. 2 gezeig ten Trog noch weitere Stufen der Koagulation bzw. Auswaschung des Lösungsmittels anschließen können. Hierzu können auch Siebtrommelwaschmaschinen einge setzt werden, wie sie in der Textilindustrie genutzt werden, wobei das Vlies die Siebtrommel in einem be stimmten Umfangssegment umschlingt und das Wasser durch das Vlies und den perforierten Trommelmantel axial entzogen und dem Bad bzw. der Trennung von Was ser und Lössungsmittel, beispielsweise NMMO, wieder zugeführt werden. Anschließend muß das Vlies getrock net 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 ei nem diese umschlingendes mit gleicher Geschwindigkeit bewegten Siebband geführt werden.

Beispiel 1

Über eine Schneckenpresse (Extruder) wurde eine Lö sung 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 Extruderaus tritt betrug 94°C. Am unteren Teil der konischen Dü senspitze war eine elektrische Widerstandsheizung an gebracht, zu deren Beheizung mit einer Leistung zwi schen 50 und 300 W. Die Fadenausziehung geschah durch Luft mit Raumtemperatur von etwa 22°C, der Druck, ge messen vor der Beschleunigung in der Lavaldüse, wurde zwischen 0,05 und 3 bar über Atmosphärendruck einge stellt. Der Austritt der Lyocellmasse aus der Düsen spitze 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 Erweite rung kurz nach dem engsten Querschnitt, von 10 mm.

Tabelle 1 zeigt die Einstellungen 1-11. Man erkennt den besonderen Einfluß der Heizung 10 der Düsenspit ze, wodurch die austretende Spinnmasse unterschiedli che Temperaturen erhält, und zwar deutlich über ihre ursprüngliche Temperatur von 94°C hinaus. Die Fäden waren überwiegend gespleißt, bei einzelnen Einstel lungen, 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 µm erzeugt wer den. Ein höherer Luftdruck p₁ führt in gewissen Gren zen zu feineren Fäden bis die Düsenspitze durch ver stärkte Wärmeabgabe an den Luftstrom sich stärker ab kühlt 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 Düsen spitze. Hinzu kommt eine Einflußnahme durch die Stellung der Düsenspitze zur Lavaldüse. Auch hierbei sind die beiden Haupteinflußgrößen Temperatur der Spinn masse und Scherwirkung der Luftströmung für das Spleißen maßgebend.

Tabelle 1

Beispiel 2

In einer Spinnvorrichtung, ähnlich der in Fig. 1 ge zeigten, wurde eine Polypropylenschmelze mit einer Temperatur von 355°C aus einem Schlitz von 0,9 mm Breite und 20 mm Länge aus einer unten als Steg en denden Spinndüse als Film ausgesponnen. Als Verstreckungsgas für den Film diente Luft. Bei einem Durch satz von 11,5 g/min und einem Druck der Luft von Raumtemperatur von 20°C und 250 mbar ergaben sich Fä den mit mittlerem Durchmesser von 5,2 µm mit einer Streuung von s = 1,9 µm, entsprechend einem Variati onskoeffizient von 37%. Dabei wurden die dicken Ver knotungsstellen im Vlies nicht mitgemessen. Das er zeugte Vlies ist in Fig. 3 dargestellt, das das Foto einer mikroskopischen Aufnahme der PP-Spleißfäden nach Beispiel 2 zeigt. In Fig. 4 sind zum Vergleich Polypropylen-Spleißfäden dargestellt, die unter sonst gleichen Bedingungen aus einer runden Spinnbohrung mit einem Durchmesser von 1 mm bei einem Durchsatz pro Bohrung von 3,6 g/min ausgesponnen wurden. Die Fäden in Fig. 4 hatten einen mittleren Durchmesser von 8,6 mm, ihr Variationskoeffizient betrug 48%.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von im Wesentlichen endlosen feinen Fäden aus einer Spinnmasse aus schmelzbaren oder löslichen Polymeren natürli chen Ursprungs, bei dem die Spinnmasse aus min destens einer Spinnbohrung ausgesponnen wird und der ausgesponnene Faden durch mittels einer La valdüse 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 er reicht, 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 gekennzeich net, daß die Gasströmung um den mindestens einen Faden laminar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß der Raum hinter der Lavaldüse Umgebungsdruck aufweist oder bei Wei terverarbeitung der Fäden auf einem für die Wei terverarbeitung notwendigen Druck etwas über Um gebungsdruck liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die den Faden verzie hende Gasströme Umgebungstemperatur oder eine aus ihrer Erzeugung und Zufuhr bedingten Tempe ratur aufweisen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Drücke in dem Raum über und unter der Lavaldüse bei der Verwendung von Luft abhängig von dem Po lymer, dessen Durchsatz und Temperatur zwischen 1,02 und 3 gewählt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Spinnmasse im Be reich der Austrittsstelle und/oder der aus der Spinnbohrung austretende Faden beheizt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Fä den ausgesponnen und aufgespleißt werden, die zu einem Vlies abgelegt oder zu Garnen weiterverar beitet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Spinnmasse aus löslichem Polymer natürlichen Ursprungs eine Celluloselösung ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß das Polymer natürli chen Ursprungs ein biologisch abbaubares Poly lactid ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß die Druckverhältnisse vor und hinter der Lavaldüse so eingestellt wer den, daß die Gasströmung in der Lavaldüse Ge schwindigkeiten bis zur Schallgeschwindigkeit und darüber erreicht.

11. Verfahren zur Herstellung von im Wesentlichen endlosen feinen Fäden aus einer Spinnmasse aus schmelzbaren oder löslichen Polymeren syntheti schen oder natürlichen Ursprungs, bei dem die Spinnmasse in Form eines Films aus einer langge streckten schlitzartigen Spinndüse ausgesponnen wird und der ausgesponnene Film durch mittels einer langgestreckten Lavaldüse auf hohe Ge schwindigkeit beschleunigte Gasströme verzogen wird, wobei der Film am Austritt aus der Laval düse oder kurz danch in eine Vielzahl von Fäden aufspleißt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß die Gasströmung um den mindestens einen Faden laminar ist.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, da durch gekennzeichnet, daß der Raum hinter der Lavaldüse Umgebungsdruck aufweist oder bei Wei terverarbeitung der Fäden auf einem für die Wei terverarbeitung notwendigen Druck etwas über Um gebungsdruck liegt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die den Faden ver ziehende Gasströme Umgebungstemperatur oder eine aus ihrer Zufuhr bedingte Temperatur aufweisen.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Drücke in dem Raum über und unter der Lavaldüse bei der Verwendung von Luft abhängig von dem Po lymer, dessen Durchsatz und Temperatur zwischen 1,02 und 3 gewählt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Spinnmasse im Bereich der Austrittsstelle und/oder der aus der Spinnbohrung austretende Faden beheizt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Fäden ausgesponnen und aufgespleißt werden, die zu einem Vlies abgelegt oder zu Garnen weiter verarbeitet werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckverhältnis se vor und hinter der Lavaldüse so eingestellt werden, daß die Gasströmung in der Lavaldüse Ge schwindigkeiten bis zur Schallgeschwindigkeit und darüber erreicht.

19. Vorrichtung zur Herstellung von im Wesentlichen endlosen feinen Fäden aus schmelz- oder lösungs spinnbaren Polymeren natürlichen oder syntheti schen Ursprungs mit einem mit einer Zuführvor richtung für die Spinnmasse verbundenen Spinn kopf, einer in dem Spinnkopf aufgenommenen Spinndüsenanordnung, die mindestens eine langge streckte schlitzartige Spinndüse aufweist, die einen Schmelze- oder Lösungsfilm ausspinnt, ei ner unterhalb des Spinnkopfes liegenden Platte, die eine in fester geometrischer Zuordnung zu der Spinndüse angeordnete langgestreckte Laval düse aufweist, wobei zwischen Platte und Spinn kopf ein mit einer Zuführung von Gas versehener geschlossener erster Raum gebildet ist und un terhalb der Platte ein zweiter Raum vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekenn zeichnet, daß die Spinnanordnung gegen den er sten Raum im Bereich der mindestens einen Spinnbohrung durch eine Isolieranordnung isoliert ist und/oder im Bereich der mindestens einen Spinnbohrung beheizt ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung der mindestens einen Spinndüse im Bereich der Lavaldüse in der Höhe der Oberkante der Platte, um einige mm über der Oberkante der Platte liegt oder einige mm in die Lavaldüse hineinragt.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ablegeband zur Ablage der Fäden und Bildung eines Vlieses vor gesehen ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekenn zeichnet, daß das Ablegeband zumindest teilweise in ein Wasserbad hineinragt oder mit Wasser be sprüht wird.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Raum of fen zur Umgebung ist.