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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Faserbahn.
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Herstellung einer Faserbahn bekannt. Häufig anzutreffen ist das sogenannte wetlaid-Verfahren, bei dem eine wässrige Fasersuspension zu einer Vliesstoffbahn gelegt wird. Ein Vlies im Sinne der vorliegenden Erfindung wird auch als nonwoven bezeichnet. Hierbei ist es schwierig, eine gute Verteilung der Festigkeitseigenschaften in MD/CD-Richtung und rechts, links und mittig der Warenlaufrichtung zu erhalten. Insbesondere Flockenbildung führt bei wetlaid-Verfahren zu Inhomogenitäten.
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Eine Alternative zum wetlaid-Verfahren ist das Schaumlegeverfahren. Hierbei wird statt einer Fasersuspension ein Faser-Schaum aufgetragen. Ein Faser-Schaum ist ein Faser-Wasser-Luft-Gemisch. Die Faserstoffe lagern sich auf den Oberflächen der Luftbläschen des Faser-Schaumes an. Die Luftbläschen beabstanden dabei die Fasern. Je feiner der Schaum ausgebildet ist, desto besser werden die einzelnen Fasern voneinander getrennt. Der Vorteil des Schaumlegeverfahrens liegt darin, dass durch die Trennung der Fasern mit Hilfe der Luftbläschen eine Flockenbildung verhindert wird.
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Es ist hiermit möglich, sehr viel längere Fasern zu verwenden, als dies mit den bekannten wetlaid-Verfahren der Fall ist. Auch ist es möglich einen sehr viel höheren Faseranteil einzusetzen. Beides erlaubt die Herstellung von hochfesten Produkten.
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Weitere Vorteile des Schaumlegeverfahrens gegenüber wetlaid-Verfahren sind ein deutlich reduzierter Wasserverbrauch, die Möglichkeit der Verwendung unterschiedlicher Kombinationen von Fasertypen und ein wesentlich höherer Trockengehalt der Faserbahn, wodurch Energie bei der Trocknung der Faserbahn eingespart wird.
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Problematisch beim Auftragen des Faser-Schaums ist, dass bei herkömmlichen Stoffaufläufen zum Auftragen des Faser-Schaums, beispielsweise auf einen Schrägsieb- oder einen Langsiebformer, die Dispersion der Bläschen des Faser-Schaumes nicht aufrechterhalten wird. Hierdurch wachsen die Bläschen und es kommt zu einer Schaumseparierung. Die Fasern bilden Flocken, so dass es zu Faseranhäufungen und damit zu Inhomogenitäten kommt.
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Weiterhin ist das Schaumlegeverfahren nach dem Stand der Technik mit stark unterschiedlichen Austrittsgeschwindigkeiten des Faser-Schaums in MD-Richtung entlang der CD-Richtung verbunden, was zu inhomogenen Endprodukten führen kann.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Faserbahn bereitzustellen, durch welche die beschriebenen Nachteile beim Schaumlegeverfahren verhindert und eine gute Schaumdispergierung erreicht werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen einer Faserbahn weist eine Wirbelkammer mit einem Einlass zum Einleiten eines Faser-Schaumes in die Wirbelkammer und eine Auslassseite zum Ausleiten des Faser-Schaumes aus der Wirbelkammer auf. Erfindungsgemäß wird in der gesamten Wirbelkammer eine Scherrate von mindestens 10 1/sec und vorzugsweise mindestens 50 1/sec erzeugt. Hierdurch ist eine optimale Konsistenz des Faser-Schaumes beim Austritt aus der Wirbelkammer sichergestellt. Ferner wird die Verteilung der Austrittsgeschwindigkeit des Faser-Schaums in MD-Richtung entlang der CD-Richtung sehr gleichmäßig und weist Abweichungen von bevorzug weniger als 5 % und besonders bevorzugt weniger als 2,5 % auf. Eine Abweichung der Geschwindigkeit im Sinne der vorliegenden Erfindung berechnet sich durch: (Maximalgeschwindigkeit - Minimalgeschwindigkeit) / Durchschnittsgeschwindigkeit. Ein besonderer Vorteil ist weiterhin eine isotrope Faserorientierung im Austritt aus der Wirbelkammer. Durch die genannten Vorteile ist es auf besonders gut möglich, gezielt unterschiedliche Festigkeiten der Faserbahn in MD- und CD-Richtung einzustellen. Insbesondere wird erreicht, dass es möglich ist, sehr hohe Festigkeiten in CD-Richtung einzustellen.
- MD-Richtung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Richtung in Maschinenrichtung. CD-Richtung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Richtung quer zur Maschinenrichtung.
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Ein weiterer Gegenstand zur Lösung ein eingangsgestellten Aufgabe ist eine Vorrichtung zum Herstellen einer Faserbahn, aufweisend eine Wirbelkammer. Die Wirbelkammer ist ein Teil des Stoffauflaufs und hat an einer Einspeiseseite mindestens einen Einlass zum Einleiten eines Faser-Schaumes in die Wirbelkammer. Der Faser-Schaum wird als Strom in die Wirbelkammer eingeleitet, das heißt, dass der eingeleitete Faser-Schaum in die Wirbelkammer einströmt. Vorzugsweise wird der Faser-Schaum entlang einer Einströmrichtung in die Wirbelkammer eingeleitet. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Einspeiseseite in einem Winkel von 45° bis 135° zur Einströmrichtung angeordnet ist. Der Einspeiseseite gegenüberliegend ist eine Leitseite angeordnet, und zwischen der Einspeiseseite und der Leitseite ist eine Abschlussseite angeordnet. Gegenüber der Abschlussseite ist eine Auslassseite zum Ausleiten des Faser-Schaumes aus der Wirbelkammer angeordnet. Erfindungsgemäß ist die Leitseite und/oder die Abschlussseite zum Umleiten des Faser-Schaumes zumindest teilweise gekrümmt.
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Der Faserschaum tritt auf eine Innenwand der Wirbelkammer, wodurch der Strom in Teilströme aufgeteilt wird. Durch die Krümmung wird eine Bewegung des Faser-Schaumes in alle Richtungen erzwungen. Dies erzeugt hohe Scherraten, wodurch die Konsistenz des Faser-Schaumes optimal bleibt. Gekrümmt bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass die Oberfläche gekrümmt ist. Die Oberfläche ist insbesondere die dem Innenraum der Wirbelkammer zugewandte Oberfläche der Leitseite bzw. der Abschlussseite.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Teilstrom des Stromes entlang der Einspeiseseite zur Auslassseite geleitet wird. Durch das Aufteilen des Stromes des Faser-Schaumes gegenüber der Einspeiseseite und das Umleiten entlang der Einspeiseseite zur Auslassseite hin werden Totbereiche in der Wirbelkammer vermieden. Der Faser-Schaum ist an jedem Ort in der Wirbelkammer stets in Bewegung, so dass ein Zerfall des Faser-Schaumes vermieden und eine exzellente Schaumdispergierung erreicht wird.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Faser-Schaum Fasern aus Viskose und/oder Lyocell und/oder natürliche Fasern und/oder Recycle-Fasern und/oder Kunstfasern und/oder anorganische Fasern wie z.B. Glasfasern und/oder man made fibres und/oder Faser aus pulp, northern (bleached) softwood pulp und/oder southern (bleached) softwood pulp aufweist. Denkbar ist, dass der Faser-Schaum 10 - 100% man made fibres aufweist.
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Der Faser-Schaum hat vorzugsweise einen Luftgehalt von 50 % bis 70 % und eine Bläschengröße von 10 µm bis 20 µm.
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Denkbar ist, dass die Vorrichtung einen Rundverteiler aufweist, welcher den Faser-Schaum der Wirbelkammer zuführt. Hierdurch wird der Separation des Faser-Schaumes zusätzlich entgegengewirkt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Leitseite einen gekrümmten Aufprallbereich zum Umleiten des Stromes aufweist. Mit anderen Worten ist ein Teil der Leitseite gekrümmt.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Strom an einem Übergang von einem nicht-gekrümmten Bereich der Leitseite bzw. Abschlussseite zu einem gekrümmten Bereich der Leitseite bzw. Abschlussseite auf die Leitseite bzw. Abschlussseite trifft. Dies ist besonders effektiv, steigert die Scherraten in der Wirbelkammer und beugt Toträumen vor.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Abschlussseite zumindest teilweise bogenförmig ausgestaltet ist. Hierdurch kann der Teilstrom vorteilhaft zur Einspeiseseite geleitet werden. Ein Sedimentieren an den Seiten bleibt somit aus.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen der Einspeiseseite und der Leitseite zur Auslassseite hin geringer wird oder dass die Einspeiseseite zumindest teilweise so angeordnet ist, dass der Abstand zwischen der Einspeiseseite und der Leitseite zur Auslassseite hin geringer wird. Durch die Verringerung des Abstandes wird der Faser-Schaum zur Auslassseite hin beschleunigt, was ein besonders vorteilhaftes Austreten der Faser-Schaumes aus der Wirbelkammer begünstigt.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Einspeiseseite und die Leitseite einen ersten Kammerwinkel einschließen. Der erste Kammerwinkel beträgt zwischen 10° und 45° und vorzugsweise zwischen 15° und 25°. Hierdurch ergibt sich ein optimales Ausströmen des Faser-Schaumes aus der Wirbelkammer.
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Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Einspeiseseite und die Abschlussseite einen zweiten Kammerwinkel einschließen. Der zweite Kammerwinkel beträgt zwischen 90° und 150° und vorzugsweise zwischen 100° und 120°. Dies sorgt auf vorteilhafte Weise für hohe Scherraten im Bereich der Abschlussseite.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass an der Einspeiseseite mehrere in einer Reihe angeordnete Einlässe vorgesehen sind. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass an der Einspeiseseite mehrere in zwei Reihen angeordnete Einlässe vorgesehen sind. Der Faser-Schaum wird der Wirbelkammer also durch mehrere einzelne Sektionen zugeführt. Denkbar ist, dass die Einlässe an einem Rundverteiler angeschlossen sind.
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Vorzugsweise vorgesehen, dass der Einlass einen Durchmesser von 10 mm bis 100 mm und vorzugsweise von 30 mm bis 60 mm aufweist. Denkbar ist, dass jeder der Einlässe einen Durchmesser von 10 mm bis 100 mm und vorzugsweise von 30 mm bis 60 mm aufweist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in der gesamten Wirbelkammer eine Scherrate von mindestens 10 1/sec und vorzugsweise mindestens 50 1/sec erzeugt wird. Hierdurch ist eine optimale Konsistenz des Faser-Schaumes beim Austritt aus der Wirbelkammer sichergestellt.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Verwendung mit einem Schrägsieb vorgesehen ist, dass der Faser-Schaum also auf ein Schrägsieb abgelegt wird. Denkbar ist aber auch, dass die Vorrichtung zur Verwendung mit einem Langsieb vorgesehen ist.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ist ein Verfahren zur Herstellung einer Faserbahn, wobei ein Faser-Schaum in eine erfindungsgemäße Wirbelkammer eingeleitet wird, der Faser-Schaum in der Wirbelkammer umgeleitet und an der Auslassseite der Wirbelkammer ausgeleitet wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in der gesamten Wirbelkammer eine Scherrate von mindestens 10 1/sec und vorzugsweise mindestens 50 1/sec erzeugt wird. Hierdurch ist eine optimale Konsistenz des Faser-Schaumes beim Austritt aus der Wirbelkammer sichergestellt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Faser-Schaum in einem Strom in die Wirbelkammer eingeleitet wird und dass der Strom an der Leitseite in einen Teilstrom und einen weiteren Teilstrom geteilt und umgeleitet wird. Der weitere Teilstrom fließt entlang der Leitseite in Richtung der Auslassseite und der Teilstrom fließt entlang der Abschlussseite zur Einspeiseseite und entlang der Einspeiseseite in Richtung der Auslassseite. Hierdurch entstehen keine Toträume. In der gesamten Wirbelkammer herrschen hohe Scherraten vor.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der Faser-Schaum nach Verlassen der Wirbelkammer auf einem Schrägsieb oder einem Langsieb abgelegt wird.
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Alle zuvor im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Vorrichtung offenbarten Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beziehen sich gleichfalls auf das erfindungsgemäße Verfahren sowie auf die jeweils andere erfindungsgemäße Vorrichtung und umgekehrt.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie eines Verfahrens Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 2: eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 3: eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 4: eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
- 5: eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1, 2, 3, 4 und 5 zeigen jeweils eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Herstellen einer Faserbahn 2 nach dem Schaumlegeverfahren. Hierzu weist die Vorrichtung 1 eine Wirbelkammer 3 mit einer Einspeiseseite 4 auf. An der Einspeiseseite 4 ist ein Einlass 8 zum Einleiten eines Faser-Schaums in die Wirbelkammer 3 vorgesehen. Der dargestellte Einlass 8 ist einer von mehreren nicht dargestellten Einlässen, welche in einer Reihe orthogonal zur dargestellten Blattebene angeordnet sind. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Vorrichtung 1 zwei Reihen von Einlässen aufweist. Der Einlass 8 und vorzugsweise alle Einlässe weisen einen Durchmesser von 30 mm bis 60 mm auf. In 5 ist zu erkennen, dass der Einlass 8 mit einer Leitung 10 verbunden ist, durch welche der Faser-Schaum in die Wirbelkammer 3 strömt.
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Der Faser-Schaum ist eine Wasser-Luft-Faser-Mischung, bei der die Fasern durch Luftblasen des Faser-Schaumes voneinander beabstandet sind. Hierdurch ergibt sich eine hervorragende Homogenität der Faserverteilung, solange eine gute Schaumdispergierung erhalten bleibt.
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Die Fasern können aus Viskose und/oder Lyocell bestehen. Denkbar ist, dass die Faser natürliche Fasern und/oder Recycle-Fasern und/oder Kunstfasern und/oder anorganische Fasern wie z.B. Glasfasern und/oder man made fibres und/oder Faser aus pulp, northern (bleached) softwood pulp und/oder southern (bleached) softwood pulp sind. Denkbar ist, dass der Faser-Schaum 10 - 100% man made fibres aufweist. Der Faser-Schaum hat vorzugsweise einen Luftgehalt von 50 % bis 70 % und eine Bläschengröße von 10 µm bis 20 µm.
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Damit der Faser-Schaum dispergiert bleibt und das Entstehen von größeren Luftblasen, welche Inhomogenitäten und Flockenbildung nach sich ziehen, vermieden wird, ist bei der Vorrichtung 1 vorgesehen, dass in der gesamten Wirbelkammer 3 eine Scherrate von wenigstens 10 1/sec und vorzugsweise wenigstens 50 1/sec erzeugt wird. Dafür ist es nötig, dass in der Wirbelkammer 3 keine Totstellen entstehen, also keine Stellen mit sehr niedriger Geschwindigkeit des Faser-Schaumes.
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Um dies zu erreichen, trifft der eingehende Strom A des Faser-Schaumes zunächst auf einen Aufprallbereich 5' einer der Einspeiseseite 4 gegenüberliegenden Leitseite 5. Am Aufprallbereich 5' wird der Strom in einen Teilstrom B und einen weiteren Teilstrom C aufgeteilt und umgeleitet. Die Leitseite 5 und die Einspeiseseite 4 verbindet eine Abschlussseite 6. Die Leitseite 5 und/oder die Abschlussseite 6, vorzugsweise die Leitseite 5 und die Abschlussseite 6, weisen eine Krümmung auf. Der Teilstrom B fließt vom Aufprallbereich 5' entlang der Krümmung an der Abschlussseite 6 vorbei. Anschließend wird der Teilstrom B entlang der Einspeiseseite 4 zu einer Auslassseite 7 geleitet. Die Auslassseite 7 ist der Abschlussseite 6 gegenüberliegend angeordnet und weist einen Auslassspalt auf, durch den der Faser-Schaum auf einem Sieb 9, beispielsweise einem Schrägsieb oder einem Langsieb als Faserbahn 2 abgelegt wird.
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Die Abschlussseite 6 ist teilweise bogenförmig ausgebildet und schließt mit fließender Kontur an den gekrümmten Bereich der Leitseite 5 an. In den 1, 2, 3 und 5 sind Ausführungsbeispiele dargestellt, bei denen die Einspeiseseite 4 und die Leitseite 5 nicht parallel zueinander angeordnet. Vielmehr verringert sich der Abstand der Einspeiseseite 4 und der Leitseite 5 zur Auslassseite 7 hin. Die Einspeiseseite 4 und die Leitseite 5 schließen hier einen ersten Kammerwinkel α von 15° bis 25° ein. In der 4 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Einspeiseseite teilweise so angeordnet ist, dass der Abstand zwischen der Einspeiseseite und der Leitseite zur Auslassseite hin geringer wird. Der nicht zur Leitseite parallele Teil der Einspeiseseite 4 und die Leitseite 5 schließen hier einen ersten Kammerwinkel α von 15° bis 25° ein. Die Verringerung des Abstandes der Leitseite 5 und der Einspeiseseite 4 zur Auslassseite 7 hin bewirkt eine Beschleunigung des Faser-Schaumes auf dem Weg zum Auslassspalt. Zur Steigerung der Scherraten schließen die Einspeiseseite 4 und die Abschlussseite 6 einen zweiten Kammerwinkel β von 100° bis 120° ein.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Faserbahn
- 3
- Wirbelkammer
- 4
- Einspeiseseite
- 5
- Leitseite
- 5'
- Aufprallbereich
- 6
- Abschlussseite
- 7
- Auslassseite
- 8
- Einlass
- 9
- Sieb
- 10
- Leitung
