DE10136255B4

DE10136255B4 - Vorrichtung zum Herstellen von Fasern mit verbesserter Anordnung der Absprühelektroden

Info

Publication number: DE10136255B4
Application number: DE2001136255
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Czado
Original assignee: Helsa Werke Helmut Sandler GmbH and Co KG
Current assignee: Mann+hummel Innenraumfilter & Co Kg 954 De GmbH; Mann+hummel Innenraumfilter & Co Kg De GmbH
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2021-07-26
Also published as: DE10136255A1

Abstract

Vorrichtung zum Herstellen von Fasern durch Verspinnen von Polymeren aus einer Lösung oder einer Schmelze mit wenigstens zwei Absprühelektrodenanordnungen (1), wobei jede Absprühelektrodenanordnung (1) durch eine Mehrzahl von Absprühdrähten (2) gebildet ist, die auf einer Transporteinrichtung zum Transport durch ein Vorratsgefäß für eine Polymerlösung oder eine Polymerschmelze beabstandet parallel zueinander angeordnet sind und wobei die wenigstens zwei Absprühelektrodenanordnungen (1) bei einem zwischen diesen als Gegenelektrode (5) angeordneten oder verlaufenden Vlies einander gegenüber angeordnet sind, zur gleichzeitigen Beschichtung von Ober- und Unterseite des Vlieses.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von Fasern durch Verspinnen von Polymeren aus einer Lösung oder einer Schmelze durch ein elektrostatisches Spinnverfahren.

Derartige Vorrichtungen sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Bei diesen Vorrichtungen wird ein Polymer in Form einer Polymerschmelze oder in Form einer Lösung in ein elektrisches Feld eingebracht und durch die Einwirkung des elektrischen Feldes zu Fasern versponnen. Eine Elektrode bildet dabei gewöhnlich eine Aufnahmeeinrichtung für die versponnenen Fasern, während die Gegenelektrode als Absprühelektrode oder Spritzdüse ausgelegt ist.

Häufig werden die unter Verwendung einer derartigen Vorrichtung hergestellten Nano- und Mikrofasern nicht isoliert, sondern gleich als Vlies abgelegt. In diesem Zusammenhang ist bspw. die Herstellung von Filtermaterialien zu erwähnen. Die Herstellung eines Vlieses durch ein elektrostatisches Spinnverfahren ist z.B. aus der US 4,144,553 bekannt. Es handelt sich hier um eine Vorrichtung mit einem endlos zirkulierenden Band, die ein elektrisches Feld erzeugt, um ein elektrodynamisches Absprühen von Lösungen, Dispersionen oder Feststoffmischungen zu bewirken. Weitere Vorrichtungen und elektrostatische Spinnverfahren sind Gegenstand der DE 20 32 072 A , EP 1 059 106 A2 , US 3,994,258 , US 4,323,525 und der US 4,287,139 . Die US 4,287,139 offenbart eine Vorrichtung mit einer Absprühelektrode in Form mehrerer beweglich angeordneter Drähte und eine Aufnahmeelektrode in Form eines Endlosbandes.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum elektrostatischen Verspinnen von geschmolzenen oder in Lösung befindlichen Polymeren sind jedoch hinsichtlich der Zuführung von Lösung oder Schmelze in der, Vorrichtung verbesserungswürdig. Insbesondere ist im Stand der Technik nachteilig, dass die Zufuhr der Polymerlösung oder -schmelze häufig nicht gleichmäßig über die gesamte Breite der Vorrichtung erfolgt, was zu einem ungleichmäßigen Arbeitsergebnis führt, d.h. im allgemeinen zu einem ungleichmäßig dichten und/oder dicken Vlies. Ferner ist auch eine Zufuhr des Polymers in gleichbleibender Konzentration oder bei gleichbleibender Zufuhrrate häufig systembedingt unvermeidlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Herstellung eines wirkungsvollen Filtermaterials mit höherer Ladungsdichte, bei der sowohl die positive als auch negative Ladung fest in den Fasern fixiert ist, bereitzustellen.

Die vorliegende Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des beigefügten Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7.

Dadurch, dass die Absprühelektrodenanordnung erfindungsgemäß durch eine Mehrzahl von Absprühdrähten gebildet wird, die auf einer Transporteinrichtung zum Transport durch ein Vorratsgefäß für eine Polymerlösung oder eine Polymerschmelze beabstandet parallel zueinander angeordnet sind, wird eine gleichmäßige Benetzung der Absprühdrähte mit Polymerlösung oder Polymerschmelze sichergestellt. Sobald die Absprühdrähte ausreichend nah an die Gegenelektrode herankommen, sprühen sie die Polymerlösung oder Polymerschmelze aufgrund der anliegenden Hochspannung ab.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Transporteinrichtung, auf der die Absprühdrähte angeordnet sind, von zwei parallel zueinander und über Umlenkwalzen oder Umlenkräder geführten Endlosbändern gebildet. Auf diese Weise lassen sich je nach Anzahl und Anordnung der eingesetzten Umlenkwalzen oder Umlenkräder praktisch beliebige Geometrien für den Transportweg der Absprühdrähte realisieren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich dadurch besonders leicht an besondere Gegebenheiten oder Voraussetzungen anpassen. Auch ermöglicht diese konstruktiv einfache Ausgestaltung sehr leicht spätere Veränderungen an der Vorrichtung.

In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Transporteinrichtung von zwei parallel geführten, drehbar gelagerten Scheiben oder Rädern gebildet, an denen die Absprühdrähte befestigt sind. Bei einer solchen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, d.h. mit praktisch starrer Anordnung der Absprühdrähte an der Transporteinrichtung ist eine noch einfachere Konstruktion realisiert, die jedoch gegenüber der erstgenannten Ausführungsform von eingeschränkter Variabilität ist.

Unabhängig von der gewählten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es besonders vorteilhaft, wenn die einzelnen Absprühdrähte in einem Abstand im Bereich von 4 bis 10 cm auf der Transporteinrichtung angeordnet sind, weil hierdurch eine besonders gleichmäßige Faserqualität erzielbar ist. Liegt der Abstand der Absprühdrähte unter dem angegebenen Bereich, so werden oftmals Faserklumpen erzeugt, die sich z.B. störend bei einem direkt hergestellten Vlies, das womöglich als Filtermaterial eingesetzt werden soll, auswirkt. Liegt der Abstand der Absprühdrähte über dem angegebenen Bereich, so kann es leicht zu ungleichmäßigen Faserabsprühungen kommen, wodurch z.B. ein erzeugtes Vlies in seiner Dicke und/oder Faserdichte variieren kann. Auch dies ist grundsätzlich nicht erwünscht.

Im allgemeinen ist die Absprühelektrodenanordnung bzw. sind die Absprühelektroden so mit einem Hochspannungsgenerator verbunden, daß die gesamte Absprühelektrodenanordnung in Betrieb eine entsprechende Potentialdifferenz im Bereich zwischen 5 kv bis 1000 kV gegenüber der Gegenelektrode aufweist, bevorzugt eine Potentialdifferenz im Bereich von 10 kV bis 100 kV und am stärksten bevorzugt von 10 kV bis 50 kV.

In einer alternativen Ausführungsform ist die Absprühelektrodenanordnung mit der Hochspannungsquelle oder dem Hochspannungsgenerator insbesondere über einen Gleitkontakt so verbunden, daß die Hochspannung nur an einem Teil der Absprühdrähte anliegt, bevorzugt an einem bis drei Absprühdrähten. Da auf diese Weise sichergestellt ist, daß das elektrostatische Feld zwischen der Gegenelektrode und den Absprühdrähten nur in einem begrenzten Bereich ausgebildet ist, wird auf diese Weise die Gleichmäßigkeit der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Fasern bzw. eines direkt hergestellten Vlieses weiter stark verbessert.

Es ist erfindungsgemäß weiter vorgesehen das Vorratsgefäß für die Polymerlösung oder die Polymerschmelze zur Vermeidung von Lösungsmittel- oder Wärmeverlusten mit einem Deckel zu versehen bzw. so einzukapseln, daß die auf der Transporteinrichtung angeordneten Absprühdrähte durch eine entsprechende Öffnung in dem Deckel oder der Verkapselung in das Vorratsgefäß ein- bzw. austreten. Konstruktiv am einfachsten ist dies bei der Ausführungsform zu realisieren, bei der die Transporteinrichtung von zwei parallel zueinander und über Umlenkwalzen oder Umlenkrädern geführten Endlosbändern gebildet ist, an denen die Absprühdrähte befestigt sind. Es ist jedoch auch bei der anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung problemlos möglich.

Erfindungsgemäß wird als Gegenelektrode ein Vlies eingesetzt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist allgemein bevorzugt, wenn die gesamte Absprühelektrodenanordnung mit dem Hochspannungsgenerator verbunden ist, da nur so die Herstellung eines ausreichend großen Werkstücks möglich ist. Der Fachmann wird dabei die Vorrichtung für den Betrieb so einstellen, daß die gewählte Potentialdifferenz einerseits und die Umlaufgeschwindigkeit der Transporteinrichtung andererseits für die jeweilig verwendete Polymerlösung oder Polymerschmelze ein optimales und gleichmäßiges Absprühen der Fasern über den gesamten Arbeitsbereich sicherstellt.

Am stärksten bevorzugt ist es, wenn die Gegenelektrode von elektrogesponnenen Fasern entgegengesetzter Polarität gebildet wird. Dieses Trägermaterial wird dann besonders bevorzugt gleichzeitig auf der Ober- und Unterseite von zwei Absprühvorrichtungen mit Fasern entgegengesetzter Polarität beschichtet. Hierdurch entsteht ein viel wirkungsvolleres Filtermaterial da eine höhere Ladungsdichte erzielt werden kann und sowohl die positive als auch die negative Ladung fest in den Fasern fixiert ist.

Es ist insbesondere auch möglich, mehrere, d.h. wenigstens zwei Absprühelektrodenanordnungen zur sequentiellen Beschichtung eines Trägermaterials in einem Durchgang hintereinander anzuordnen. Hierdurch lassen sich gleichzeitig verschiedene Polymere oder Polymere bei unterschiedlichen Potentialdifferenzen verspinnen, wodurch eine besondere Variabilität beim erzeugten Produkt möglich ist.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich Polymere wie z.B. Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidin, Polyethylenoxid und dessen Copolymere, Cellulosederivate, Stärke sowie Mischungen der aufgeführten Polymere aus wässriger Lösung zu verspinnen. Aus Lösungen in organischen Lösungsmittel lassen sich insbesondere Polystyrol, Polycarbonat, Polyvinylchlorid, Poylacrylat, Polymethacrylat, Polyvinylacetat, Polyvinylacetal, Polyvinylether, Polyurethan, Polyamid, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyacrylnitril, Cellulosederivate sowie Mischungen der aufgeführten Polymere gut verspinnen. Aus der Schmelze werden bevorzugt Thermoplaste versponnen, wie z.B. Polyester, Polyoxymethylen, Polychlortrifluorethylen, Polyvinylensulfid, Polyaryletherketon, Polyvinylidenfluorid sowie Mischungen dieser Polymere. Auch können den Polymeren bzw. der Umgebungsluft der Apparatur weitere Zusätze zugeführt werden, die sich vorteilhaft auf die Faserherstellung bzw. auf die Produkteigenschaften wie z.B. Ladungskonservierung auswirken. In diesem Zusammenhang sind z.B. Substanzen zu nennen, die eine Ladung aufnehmen bzw. stabilisieren können. Insbesondere sind dies Metall-, Kohle-, Graphitpulver, Farbstoffe, insbesondere mit Aminogruppen, die mit delokalisierten Elektronensystemen in Resonanz treten können, Metallocene, Amine und Phosphine. Auch Pulver anderer, elektrisch leitender Materialien wie elektrisch leitfähige Polymere, Keramiken sind geeignet.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte, nicht-erfindungsgemäße 1 und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
In der in 1 dargestellten nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform ist eine Absprühelektrodenanordnung 1 mit einer Mehrzahl von Absprühdrähten 2 dargestellt, wobei die Transporteinrichtung zum Transport der Absprühdrähte 2 durch ein Vorratsgefäß für eine Polymerlösung oder eine Polymerschmelze (nicht dargestellt) von zwei parallel zueinander und über Umlenkwalzen 3 geführten Endlosbändern 4 gebildet ist. In der dargestellten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Gegenelektrode 5 durch ein elektrisch leitendes, umlaufendes Band gebildet. Gegenelektrode 5 und Absprühelektrodenanordnung 1 sind mit einem Hochspannungsgenerator 6 zur Erzeugung des zum elektrostatischen Spinnen erforderlichen Potentials verbunden. Ebenfalls dargestellt ist, wie Fasern 7 von einem Absprühdraht 2 abgelöst werden und auf ein mit der Gegenelektrode 5 transportiertes Trägermaterial 8 auftreffen.
In den nachfolgenden Beispielen 1 und 2 ist der Betrieb der nichterfindungsgemäßen Vorrichtung nochmals näher erläutert.
Beispiel 1
Eine 7 % Polyvinylalkohollösung (Moviol 56/98 von Clariant) wird mit 0,1 g/l Tensid (Bayowet) versetzt und bei 10 Umdrehungen des Bandes pro Minute versponnen. Das Band hat insgesamt eine Länge von 1 m, die Absprühdrähte haben untereinander jeweils einen Abstand von 10 cm. Die Absprühelektroden stehen sich mit einem Abstand von 25 cm direkt gegenüber, das Trägervlies (Micro-Spunbond Polypropylenvlies mit 60 g/m²) wird in der Mitte mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m/Min. hindurchgeführt. An den Absprühdrähten liegt eine Hochspannung von + bzw. –20 kV an. Das so beschichtete Trägervlies weist eine Abscheidungsrate von 40 % der 0,3–0,5 μm Fraktion von NaCl auf. Gemessen bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 50 l/Min. und einer Anströmfläche von 100 cm². Der Luftwiderstand des Trägervlieses wurde unter diesen Bedingungen durch die Beschichtung von 8 auf 16 Pa erhöht.
Beispiel 2
Eine 10 % Polystyrollösung in Ethylmethylketon wird mit 0,5 g/l Kristallviolett versetzt und bei 10 Umdrehungen des Bandes pro Minute versponnen. Das Band hat insgesamt eine Länge von 1 m, die Absprühdrähte haben untereinander jeweils einen Abstand von 10 cm. Die Absprühelektroden stehen sich mit einem Abstand von 25 cm direkt gegenüber, das Trägervlies (Micro-Spunbond Polypropylenvlies mit 60 g/m²) wird in der Mitte mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m/Min. hindurchgeführt. An den Absprühdrähten liegt eine Hochspannung von + bzw. –15 kV an. Das so beschichtete Trägervlies weist eine Abscheidungsrate von 55 % der 0,3–0,5 μm Fraktion von NaCl auf. Gemessen bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 50 l/Min. und einer Anströmfläche von 100 cm². Der Luftwiderstand des Trägervlieses wurde unter diesen Bedingungen durch die Beschichtung von 8 auf 16 Pa erhöht.

Claims

Vorrichtung zum Herstellen von Fasern durch Verspinnen von Polymeren aus einer Lösung oder einer Schmelze mit wenigstens zwei Absprühelektrodenanordnungen (1), wobei jede Absprühelektrodenanordnung (1) durch eine Mehrzahl von Absprühdrähten (2) gebildet ist, die auf einer Transporteinrichtung zum Transport durch ein Vorratsgefäß für eine Polymerlösung oder eine Polymerschmelze beabstandet parallel zueinander angeordnet sind und wobei die wenigstens zwei Absprühelektrodenanordnungen (1) bei einem zwischen diesen als Gegenelektrode (5) angeordneten oder verlaufenden Vlies einander gegenüber angeordnet sind, zur gleichzeitigen Beschichtung von Ober- und Unterseite des Vlieses.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung von zwei parallel zueinander und über Umlenkwalzen (3) oder Umlenkräder geführten Endlosbändern (4) gebildet ist, an denen die Absprühdrähte befestigt sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung von zwei parallel geführten, drehbar gelagerten Scheiben oder Rädern gebildet ist, an denen die Absprühdrähte befestigt sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Absprühdrähte in einem Abstand im Bereich von 4 bis 10 cm auf der Transporteinrichtung angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absprühelektrodenanordnungen mit einer Hochspannungsquelle oder einem Hochspannungsgenerator (6) insbesondere über einen Gleitkontakt so verbunden sind, dass die Hochspannung nur an einem Teil der Absprühdrähte anliegt, bevorzugt an 1 bis 3 Absprühdrähten.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorratsgefäß zur Vermeidung von Lösungsmittel- oder Wärmeverlusten einen Deckel aufweist bzw. so eingekapselt ist, dass die auf der Transporteinrichtung angeordneten Absprühdrähte durch eine entsprechende Öffnung in dem Deckel oder der Verkapselung in das Vorratsgefäß ein- bzw. austreten.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Absprühelektrodenanordnungen zur sequentiellen Beschichtung eines Trägermaterials in einem Durchgang hintereinander angeordnet sind.