DE102008023064A1

DE102008023064A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Formförpern

Info

Publication number: DE102008023064A1
Application number: DE200810023064
Authority: DE
Inventors: Andreas Diener; Oliver Tretzack; Helmut Schildknecht; Daniel Dr. Witte
Original assignee: List Holding AG
Current assignee: List Holding AG
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2009-11-12

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus einer Grundsubstanz wobei die Grundsubstanz zum Herstellen einer Formlösung mit einem Lösungsmittel vermischt und anschließend dieses Lösungsmittel zumindest teilweise aus der Mischung entfernt und die Formlösung einer Einrichtung zum Formen zugeführt wird, soll die Formlösung vor dem Formen verdünnt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus einer Grundsubstanz, wobei die Grundsubstanz zur Herstellung einer Formlösung mit einem Lösungsmittel vermischt und anschliessend dieses Lösungsmittel zumindest teilweise aus der Mischung entfernt und die Formlösung einer Einrichtung zum Formen zugeführt wird, sowie eine Vorrichtung hierfür.
STAND DER TECHNIK
Im vorliegenden Fall werden unter dem Begriff „Formkörper” alle möglichen Körper subsumiert, die aus einer natürlichen oder künstlichen Grundsubstanz hergestellt werden. Dies geschieht in der Regel mit Hilfe eines Formwerkzeugs, mit dem die Grundsubstanz in eine Form für die Formkörper gebracht wird. Als Beispiel, jedoch keineswegs einschränkend oder abschliessend, soll die Viskosefaser erwähnt werden.
Viskosefasern sind Fasern, die aus dem Grundmaterial Zellulose bestehen und über das Viskoseverfahren industriell hergestellt werden. Die chemische Natur der Viskosefasern gleicht der von Baumwollfasern.
Ein ähnliches Produkt wie Viskosefasern sind Modalfasern. Sie bestehen ebenfalls zu 100% aus Zellulose und werden, so wie Viskosefasern, aus natürlichem Zellstoff hergestellt. Durch einen etwas unterschiedlichen Prozess wird jedoch eine höhere Faserfestigkeit und verbesserte Fasereigenschaften erreicht.
Ebenfalls in die Klasse der zellulosischen Fasern sind die Tencel- und Lyocellfasern einzuordnen. Bei den Lyocellfasern wird der Zellstoff durch das ungiftige Lösungsmittel NMMO (N-Methylmorpholin-N-Oxid) ohne vorherige Reaktion mit Natronlauge und Derivatisierung zum Xanthogenat direkt und unverändert aufgelöst. Das Verspinnen der Lyocellfasern erfolgt in einem verdünnten, wässrigen NMMO-Bad, wobei die Löslichkeitsgrenze der Zellulose unterschritten und dadurch ein Faden gebildet wird. Zu diesem Zweck wird die entsprechende Spinnlösung durch Spinndüsen gedrückt. Dieses Lyocell-Verfahren wird beispielsweise in der DE 1 713 486 , US-A-3 447 939 oder GB 8 216 566 beschrieben. Die Herstellung der geeigneten Spinnlösung erfolgt beispielsweise in einem horizontal arbeitenden Knetreaktor, wie dies in der DE 198 37 210 oder der WO02/20885 A1 aufgezeigt ist.
In diesen Vorrichtungen und nach den bekannten Verfahren wird die Spinnlösung in der für den Spinnprozess notwendigen weiter verarbeitbaren Viskosität und der dazugehörigen Zellulosekonzentration hergestellt. Die entsprechenden Einrichtungen zum Verspinnen können aber nur eine Spinnlösung mit niedriger Viskosität verarbeiten, was aber die Effektivität des Prozesses der Herstellung der Spinnlösung wesentlich reduziert. Für spezielle Anwendungen sind sehr niedrige Viskositäten und damit niedrige Zellulosegehalte notwendig, wobei diese Spinnlösung dann mit der bekannten Technologie nicht mehr effektiv hergestellt werden kann.
AUFGABE
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effektivität der Formlösungsherstellung und der Herstellung der Formkörper wesentlich zu verbessern.
LÖSUNG DER AUFGABE
Zur Lösung der Aufgabe führt, dass die Formlösung vor dem Formvorgang verdünnt wird.
Der Grundsatz der Idee liegt darin, die Herstellung der Formlösung = z. B. Spinnlösung und das Formen = Verspinnen voneinander zu trennen und jeweils mit der optimalen Viskosität bzw. Zellulosekonzentration zu arbeiten. Da die bekannten Knetreaktoren prinzipiell bei hohen Viskositäten deutlich effizienter arbeiten, wird diese Stufe bei höherer Zellulosekonzentration betrieben und erst nach der Spinnlösungsherstellung auf das Niveau der für die Spinnanlage benötigten Viskosität bzw. Zellulosekonzentration mit dem entsprechenden aufkonzentrierten Aminoxid-Monohydrat verdünnt.
Anlagentechnisch ist die Trennung der Herstellung der Formlösung von dem Formen vor allem dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem eigentlichen Knetreaktor und der Einrichtung zum Formen ein Mischer eingeschaltet ist, in welchem die hochviskose Formlösung verdünnt wird. Ferner wird die Trennung dieser beiden Verfahrensstufen durch entsprechende zwischengeschaltete Pufferbehälter deutlich gemacht.
Welcher Formkörper hergestellt wird, ist von untergeordneter Bedeutung. Vorzugsweise werden Filamente, Fliesse bzw. Filamentgarn hergestellt. Es können aber auch Filme, Hohlfasern, Membranen od. dgl. hergestellt werden. Die Formung der Lösung zu einem gewünschten zellulosischen Formkörper kann mit bekannten Spinndüsen zur Herstellung von Fasern, Schlitzdüsen oder Hohlfadenspinndüsen erfolgen. Im Anschluss an die Formung, d. h. vor dem Einbringen der geformten Lösung in das Koagulationsbad, kann diese auch verstreckt werden.
Als Lösungsmittel wird bevorzugt ein tertiäres Aminoxid, insbesondere ein Aminoxid-Monohydrat verwendet. Jedoch soll darauf die Erfindung nicht beschränkt sein. Auch ist die Erfindung nicht auf Zellulose beschränkt, umfasst werden auch Stoffe, wie Proteine, Polylaktide oder Stärke oder ein Gemisch dieser Stoffe.
Der zu lösende Stoff soll bei Beginn des Verfahrens einen signifikanten Wasseranteil von 1% bis 80% aufweisen. Er wird dann mit dem Lösungsmittel aufgelöst. Der Wassergehalt wird im Verfahren auf die Konzentration des Lösefensters reduziert.
Am Ende der ersten Stufe des Verfahrens soll z. B. eine Spinnlösung mit einer Konzentration des zu lösenden Stoffes von 12% bis 28% in Aminoxid-Monohydrat hergestellt werden. Diese Spinnlösung wird nun aber nicht zwingend in einem Pufferbehälter zwischengelagert. Soll sie dann für das Verspinnen bereitgestellt werden, wird sie, bevorzugt wieder mit Aminoxid-Monohydrat, auf eine Lösung verdünnt, die in den Spinnanlagen leicht versponnen werden kann. Hierzu wird nach einem Vorschlag der vorliegenden Erfindung die Spinnlösung mittels einer volumetrischen Pumpe unter Überdruck gefördert, während mittels einer zweiten volumetrischen Pumpe Aminoxid-Monohydrat in den Stoffstrom dosiert wird. Dabei sind die beiden Pumpen so aufeinander abgestimmt, dass die Spinnlösung mit einer gewünschten niedrigen Konzentration von 4% bis 14% des gelösten Stoffes in Aminoxid- Monohydrat entsteht. Dabei wird die verdünnte Spinnlösung in einem Mischer behandelt, der eine beliebige Ausgestaltung haben kann. Dieser Mischer dient ggf. zusätzlich der Pufferung.
Gegebenenfalls wird die homogenisierte Spinnlösung nach dem Mischer mit oder ohne Druckerhöhungspumpe durch einen Spinnlösungsfilter gedrückt und dabei nochmals homogenisiert. Der Filter hat bevorzugt eine Maschenweite von 1 bis 500 mμ.
Zur Kontrolle der Spinnlösung wird der optische Index (Brechungsindex) und die Temperatur der Spinnlösung sowie des Aminoxid-Monohydrats vor dem Mischer und nach dem Mischer kontrolliert. Der optische Index sollte zwischen 1.48 und 1.49 liegen.
Um eine Änderung der Konsistenz der Spinnlösung zu verhindern, sollen alle Rohrleitungen, Pumpen, Mischer, d. h., möglichst alle Anlagenteile, mit denen die Spinnlösung, gleich in welchem Aggregatszustand, in Verbindung kommt und auch die Leitungen des Aminoxid-Monohydrats beheizt werden. Als Temperatur wird ein Bereich von 80°C bis 120°C gewählt.
Des weiteren sollen alle Anlagenteile, die Spinnlösung, Aminoxid-Monohydrat und/oder verdünnte Spinnlösung beinhalten, durch Druck- und Temperatursensoren überwacht werden und gegen einen unzulässigen Überdruck abgesichert sein. Dies kann beispielsweise durch Berstscheiben geschehen.
Bei der Zwischenlagerung in Pufferbehältern ist darauf zu achten, dass auch diese beheizt sind und die Spinnlösung blasenfrei ein- und ausgetragen wird. Das Austragen geschieht bevorzugt unter einem Vordruck, der beispielsweise durch Beaufschlagung mit Stickstoff auf der Produktfläche erzeugt wird. Dieser Stickstoff sollte zusätzlich noch leicht angefeuchtet werden.
FIGURENBESCHREIBUNG
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; Diese zeigt in ihrer einzigen Figur ein blockschaltbildliches Schema für das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus nachwachsenden Rohstoffen.
Die hierfür notwendige Zellulose wird über die Zuleitung 1 einem Knetreaktor 2 zugeführt. Derartige Knetreaktoren sind beispielsweise aus der DE 199 40 521 A1 oder der DE 41 18 884 bekannt. Auf diese Knetreaktoren ist jedoch nicht die Erfindung beschränkt. Von der Erfindung werden alle Behandlungseinrichtungen umfasst, in denen nachwachsende Rohstoffe einer Behandlung zu einem späteren Verspinnen unterzogen werden können.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Behandlung des nachwachsenden Rohstoffs mittels einem Lösungsmittel, bevorzugt Aminoxid-Monohydrat, welches über eine weitere Zuleitung 3 dem Knetreaktor zugeführt wird.
In dem Knetreaktor 2 erfolgt unter Wärmezugabe ein intensives Durchmischen des Rohstoffs mit dem Lösungsmittel und auch ein Verdampfen des Lösungsmittels, so dass eine relativ hochviskose Spinnlösung entsteht. Diese Spinnlösung wird dann über eine Austragseinrichtung 4 einem Pufferbehälter 5 zugeführt. Dort wird sie ggf. unter Wärmezugabe zwischengelagert. Sobald Spinnlösung gebraucht wird, erfolgt eine Entnahme der relativ hochviskosen Spinnlösung aus dem Pufferbehälter 5 durch eine volumetrische Pumpe 6, wobei die Pumpe 6 die Spinnlösung in einen Mischer 7 fördert. Auf dem Weg dorthin oder direkt in den Mischer wird in den Stoffstrom ebenfalls über eine volumetrische Pumpe 8 ein Lösungsmittel, bevorzugt Aminoxid-Monohydrat, zugegeben. Diese geschieht über die Zuleitung 9.
In dem Mischer 7 erfolgt nun durch das zugegebene Aminoxid-Monohydrat eine Verdünnung der Spinnlösung, wobei die Art des Mischens und der Mischer selbst von untergeordneter Bedeutung sind.

Aus dem Mischer 7 wird dann eine verdünnte Spinnlösung ausgetragen und mittels einer Pumpe 13 durch einen Spinnlösungsfilter 10 gedrückt. Hierdurch erfolgt nochmals eine Homogenisierung der Spinnlösung. Danach kann die Spinnlösung in einem weiteren Pufferbehälter 11 zwischengelagert werden, sofern dies notwendig ist. Das eigentliche Verspinnen erfolgt dann in einer Einrichtung 12. Bezugszeichenliste

1	Zuleitung
2	Knetreaktor
3	Zuleitung
4	Austragseinrichtung
5	Pufferbehälter
6	Pumpe
7	Mischer
8	Pumpe
9	Zuleitung
10	Spinnlösungsfilter
11	Pufferbehälter
12	Einrichtung zum Verspinnen
13	Pumpe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 1713486 [0005]
- US 3447939 A [0005]
- GB 8216566 [0005]
- DE 19837210 [0005]
- WO 02/20885 A1 [0005]
- DE 19940521 A1 [0021]
- DE 4118884 [0021]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus einer Grundsubstanz wobei die Grundsubstanz zum Herstellen einer Formlösung mit einem Lösungsmittel vermischt und anschliessend dieses Lösungsmittel zumindest teilweise aus der Mischung entfernt und die Formlösung einer Einrichtung zum Formen zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Formlösung vor dem Formen verdünnt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel ein tertiäres Aminoxid verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel Aminoxid-Monohydrat verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu lösenden Stoffe aus Cellulose, Proteine, Polylactide oder Stärke oder einem Gemisch dieser Stoffe bestehen.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zu lösende Stoff bei Beginn des Verfahrens einen signifikanten Wasseranteil von 1 bis 80% hat und mit dem Lösungsmittel aufgelöst wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Formlösung als Spinnlösung 12 bis 28% des Rohstoffes in Aminoxid-Monohydrat enthält.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Formlösung als Spinnlösung vor dem Verspinnen wieder mit Aminoxid-Monohydrat verdünnt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Formlösung nach der Lösungsherstellung mittels einer volumetrischen Pumpe (6) unter Überdruck gefördert wird und mit einer zweiten volumetrischen Pumpe (8) Aminoxid-Monohydrat in den Stoffstrom dosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden volumetrisch fördernden Pumpen (6, 8) so aufeinander abgestimmt sind, dass eine Formlösung mit der gewünschten niedrigen Konzentrationen von 4 bis 14% zu lösender Stoff in Aminoxid-Monohydrat entsteht.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die verdünnte Formlösung in einem statischen oder dynamischen gerührten Mischer (7) behandelt wird, der entweder direkt online in eine nachfolgende Verteilungsleitung eingebaut oder davon getrennt angeordnet wird, wobei dieser Mischer (7) gegebenenfalls zusätzlich der Pufferung dient.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die homogenisierte Formlösung nach dem Mischer (7) mit oder ohne Druckerhöhungspumpe durch einen Formlösungsfilter (10) gedrückt wird und dabei nochmals homogenisiert wird, wobei der Filter (10) einer Maschenweite von 1 bis 500 μm hat.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Index (Brechungsindex) und die Temperatur der Formlösung sowie des Aminoxid-Monohydrats vor dem Mischer (7) und nach dem Mischer online kontrolliert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Index zwischen 1.48 und 1.49 liegt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Rohrleitungen, Pumpen, Mischer etc., welche konzentrierte Formlösung, Aminoxid-Monohydrat oder verdünnte Formlösungen beinhalten, auf zirka 80 bis 120°C beheizt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Anlagenteile, welche Formlösung, Aminoxid-Monohydrat oder verdünnte Formlösungen beinhalten, durch Druck- und Temperatursensoren überwacht wird und/oder durch Berstscheiben gegen unzulässigen Überdruck abgesichert werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die konzentrierte Formlösung in einem Pufferbehälter (5) gelagert wird, oder direkt über eine Pumpe (6) dem Mischer zugeführt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die verdünnte Formlösung in einem Pufferbehälter (11) gelagert wird, oder direkt der Einrichtung (12) zum Formen zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Formlösung in dem Pufferbehälter (11) beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die verdünnte Formlösung in den Pufferbehälter (5, 11) blasenfrei von unten, seitlich oder von oben eingetragen wird und nach unten blasenfrei ausgetragen wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstand im Pufferbehälter (5, 11) online, vorzugsweise mit einer Radarsonde gemessen wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Formlösung im Pufferbehälter (5, 11) unter einen Vordruck auf ihre Produktfläche gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Vordruck durch Stickstoff erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff leicht angefeuchtet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Knetreaktor (2) und der Einrichtung (12) zum Formen der Formlösung ein Mischer (7) zur Verringerung der Viskosität der Formlösung eingeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Knetreaktor (2) und/oder Mischer (7) und Einrichtung (12) zum Formen der Formlösung ein Pufferbehälter (6, 8) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass dem Mischer (7) ein Formlösungsfilter (10) nachgeordnet ist.