DE10348865A1

DE10348865A1 - Spinndüse mit innerer Heizung für Spinnvliese und Garne

Info

Publication number: DE10348865A1
Application number: DE2003148865
Authority: DE
Inventors: Lueder Gerking
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2005-05-25
Also published as: DE212004000010U1; WO2005040462A1

Abstract

Zum Ausspinnen von Faden bildenden Spinnstoffen aus Schmelzen oder Lösungen dient eine Spinndüse, in deren Innern elektrische Heizungen in der Nähe der Verteilerleitungen den Ausgleich der Wärmeverluste nach außen an die Umgebung vermindern oder ausgleichen und gleichzeitig mit weiteren elektrischen Heizungen die flüssigen Spinnstoffe zusätzlich erwärmt werden, vornehmlich kurz vor ihrem Ausspinnen aus den Spinnöffnungen. DOLLAR A Die Erfindung findet Anwendung unter anderem für ein Verfahren zur Herstellung von gespleißten und ungespleißten Fäden nach DP 19929709 und der PCT/EP01/15135.

Description

Spinndüsen zur Herstellung von Fäden aus Spinnrohstoffen natürlichen oder synthetischen Ursprungs werden in der Regel mit Temperaturen deutlich über der Umgebungstemperatur betrieben. Dabei befinden sich die schmelzgesponnenen Fäden aus Polymeren, d.h. Kunststoffen am oberen Ende des Temperaturbereichs mit 300 bis 400 °C, die in Lösung versponnenen wie solche aus cellulosischen Massen, sog. Lyocellfäden um 100 °C, und dazwischen eine Vielzahl Fäden natürlichen oder synthetischen Ursprungs. Die Spinndüsen als Ausgangswerkzeuge der Fadenbildung müssen demzufolge beheizt werden, damit die zu verarbeitende Spinnstoffschmelze oder -lösung nicht abkühlt unter die gewünschte Spinntemperatur oder gar einfriert. Eine Überhitzung der flüssigen Spinnstoffe um die Verluste zur Hinleitung an die Spinndüsen und dort auszugleichen scheidet im Allgemeinen aus, weil die Spinnstoffe das nicht vertragen und molekular zu stark abbauen würden.

Es ist üblich, diese Spinndüsen ebenso wie die zu ihnen führenden Leitungen von außen her zu beheizen, diese Heizungen dann gegenüber der Umgebung gegen Wärmeverluste zu isolieren, jeweils mit dem Ziel der Konstanthaltung des flüssigen Spinnstoffs bei geringmöglichster Energieaufwendung, aktiv durch begleitende Heizung und passiv durch Wärmeisolierung.

Zusätzlich zu dieser Konstanthaltung der Temperatur des Spinnstoffes besteht auch der Wunsch nach einer Höherheizung kurz vor dem Austritt der Fäden aus der Spinndüse zur Verbesserung der späteren Fadenergebnisse, beispielsweise durch höhere molekulare Orientierung oder zur Erzeugung feinerer Fäden, was aber wegen des unerwünschten molekularen Abbaus nur möglichst kurzzeitig geschehen soll.

Nach dem Stand der Technik werden Spinndüsen zur Erzeugung von Fäden für den Einsatz in textilen, medizinischen und hygienischen sowie technisch-industriellen Anwendungen von außen her beheizt, indem sie in beheizte Kammern eingesetzt werden. Die Beheizung findet statt durch elektrische Widerstandsheizungen, manchmal auch induktiv, vor allem aber über ein Wärmeträgermedium in flüssigem oder dampfförmigem Zustand, letzteres durch die bekannten Diphyl/Dowtherm-Heizungen. Dies sind erprobte Systeme, die ihren Zweck erfüllen, was die Konstanthaltung der Spinntemperatur betrifft, weniger jedoch eine Höherheizung auf kurzen Strecken gestatten. Der Aufwand bei den Wärmeträgerheizungen ist beträchtlich, insbesondere bei den sonst vorteilhaften dampfförmigen Medien, wo das Kondensat aufwendig an die Heizquelle zurückgeführt werden muss. Es besteht auch Brand- und manchmal Explosionsgefahr bei diesen Medien. Zwischen der zu beheizenden Spinndüse und dem Heizkasten, in den sie eingebaut ist, besteht immer ein Luftspalt, der damit technisch durch entsprechend höhere Temperatur des Heizkastens, also Energie aufwendiger, zu überwinden ist, außerdem können dort durch die bekannten Kaminwirkungen besondere Wärmeverluste auftreten. Es gibt auch direkte Beheizungen der Spinndüsen, indem Heizstäbe, sog. Heizpatronen in diese eingebaut werden, meistens senkrecht von oben in gewissen Abständen voneinander. Besonders bei langen Spinndüsen wie sie für Spinnvliesverfahren, hier besonders die Meltblown-Verfahren, benötigt werden, ist die Beheizung in dieser Art über die Spinndüsenlänge hinweg wellenförmig ungleichmäßig, was zwar durch entsprechend höhere Masse der Spinndüse abgemildert werden kann, aber dadurch zu höherem Materialaufwand und längere Vorheizzeit der Spinndüse führt bevor diese mit der Produktion beginnen kann. Auch der Aufwand für die einzelnen senkrecht eingeführten Heizpatronen ist erheblich.

Es besteht die Aufgabe, Heizungen so in die Spinndüse einzubringen, dass die Schmelze oder Lösungen führenden Kanäle (im Folgenden wird einerlei ob Schmelze oder Lösung des Spinnstoffs für beide geltend ,Schmelze' gesagt), die Verteilkammern und auch die einzelnen Spinnkapillaren mit ihren Vorbohrungen gleichmäßig beheizt sind, ohne dass zu viel Verlustwärme an die Umgebung abgegeben wird und auf gesonderte Heizkammern zu verzichten. Zum anderen soll die Möglichkeit bestehen, den Spinnstoff vor Auslass der Spinndüse noch auf höhere Temperatur aufheizen zu können. Bei längeren Wegen der Spinnstoffschmelzen tritt das Problem auf, wenn diese als Bohrungen ausgeführt werden, dass leicht tote Ecken, auf jeden Fall keine strömungstechnisch optimalen Leitungen, vor allem von gleichmäßigem Widerstand und damit gleichmäßiger Schmelzeverteilung in der Spinndüse entstehen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass elektrische Heizungen über die ganze Länge der Schmelzeleitungen in die Spinndüse im Wesentlichen parallel zu ihnen gelegt werden und dass die Spinndüse dort, wo sich die Schmelzeleitungen befinden, geteilt ist, so dass die Schmelzeleitung jeweils aus zwei Halbschalen besteht abgesehen von Zu- und Abfuhrleitungen, die bei der Herstellung voll einsichtig und damit in der Oberflächenbeschaffenheit und hinsichtlich toter Ecken überprüfbar sind. Die hier verwendeten Begleitheizungen sind Rohrheizkörper, die in passend kalibrierten Nuten eingepresst verlegt sind. Sie sind bekannt aus den sog. Heißkanälen, die in der Spritzgusstechnik die Kunststoffschmelze den Spritzwerkzeugen zuführen. Die Schmelzekanäle sind dort bisher immer als Bohrung ausführt, wobei in Einzelfällen wegen der toten Ecken oft Sondermaßnahmen mit bewusster Turbulenzerzeugung getroffen werden.

Bei Spinndüsen zur Herstellung von Synthesefäden nach dem Schmelzspinnverfahren und auch bei Spinndüsen für Lösungsspinnverfahren sind derartige direkte Heizungen bisher nicht verbreitet.

Auch Spinndüsen für Spinnvliese, die sich teilweise über mehrere Meter erstrecken, werden in beheizten Kästen gehalten, sog. Spinnköpfen, und bilden mit diesen und den Einrichtungen zur Schmelzeverteilung den sog. Spinnbalken. Beim Meltblown-Verfahren, wo die Fäden durch heiße Luft ausgezogen werden, sind die oben beschriebenen elektrischen Heizstäbe bei den größeren Breiten als Einzelpatronen parallel in bestimmten Abständen zueinander von oben her in die Spinndüse gesteckt oder in eine beheizte Kammer eingesetzt. Sie selbst sind also direkt beheizt oder mittelbar beheizt über diese Heizkammern.

Eine besondere Anwendung der vorliegenden Erfindung sind Verfahren und Einrichtungen nach der Deutschen Patentschrift DE 199 29 709 und der PCT/EP01/15136, aus deren Notwendigkeit der Beheizung sie geboren wurde. Hier kommt es zum einen auf eine möglichst gleichmäßige Beheizung der Spinndüse über die Breite an, wenn Spinnvliese hergestellt werden sollen, da sich jegliche Temperaturunterschiede durch Viskositätsänderungen der Ausflussmenge aus den einzelnen Spinnbohrungen bemerkbar machen und damit ungleiche Vliesgewichte über die Legebreite ergeben. Um beipielsweise eine Polymerschmelze zu verteilen, sollte die Temperatur nicht zu hoch und damit die Viskosität nicht zu gering sein, zum anderen muss aber den Erfordernissen dieses Verfahrens, bei dem ein Schmelzemonofil durch Spleißen in ein Multifil einzelner feiner Fäden entsteht, die Schmelze eine bestimmte Temperatur überschreiten, damit das Spleißen auch eintritt. Das Spleißen geschieht bei diesem Verfahren dadurch, dass die Schmelze im Innern des Fadens durch die mit dessen durch das Verziehen abnehmendem Durchmesser durch Wirkung der Oberflächenspannung einen zunehmenden hydrostatischen Druck aufbaut und es durch den abnehmenden Druck in der begleitenden, sich stetig beschleunigenden äußeren Gas- meistens Luftströmung zum Aufplatzen kommt: Dies kann auch durch wachsenden Druck im Innern durch gasförmige Zerfallsprodukte oder Restfeuchtigkeiten in den Schmelzen zusätzlich oder vornehmlich erfolgen.

Die genannten Verfahren können aber auch im Wesentlichen ungespleißte Fäden herstellen, je nach Spinnstoff und Verfahrensbedingungen, vornehmlich der Temperatur der Schmelzen am Austritt aus der Spinndüse.

Um die Schmelze so wenig wie möglich thermisch zu schädigen, was sich auf die späteren mechanischen Eigenschaften der Fäden und damit des Vlieses oder Garnes nachteilig auswirken würde, wird diese Höherheizung erst kurz vor dem Austritt der Schmelze oder Lösung aus der Spinnbohrung vorgenommen. Diese Heizung kann mit Nutenheizung oder Heizpatronen wie im Einzelnen oben beschrieben geschehen. Besonderer Augenmerk ist bei diesem Verfahren darauf zu legen, dass der Düsenmund durch die direkt unter ihm angreifende Luftströmung isoliert wird, um eine Abkühlung nach der Höherheizung möglichst gering zu halten.

Eine Ausführung der Erfindung zeigt in
1 einen Längsschnitt durch eine rechteckige Spinndüse, die für die Herstellung gespleißter und nicht gespleißter Fäden nach DE 199 29 709 oder der PCT/EP01/15136 in Betracht kommt
2 die Düse im Querschnitt
3 + 4 die Ansichten der einzelnen, die Spinndüse in 1 zusammensetzenden Platten von oben
5 die Draufsicht einer Spinnvliesdüse für einen breiten Fadenvorhang mit mehreren Anschnitten für die Schmelzezufuhr.
Die in 1 im Längsschnitt gezeigte Spinndüse erhält den Schmelzezufluß 2 über die Bohrung 3 in der oberen Platte 4, wonach die Schmelze nach beiden Seiten in Richtung der Pfeile 5 und 5' in den Schmelzeverteilungsraum 8 einströmt und über eine Lochplatte 9 und ein von ihr getragenes, gestrichelt angedeutetes Schmelzesieb 10, welches zur Schmelzefiltrierung und Erhöhung des Druckwiderstandes zur besseren Verteilung dient, und gelangt in die einzelnen, hier in einer Reihe angeordneten Spinnbohrungen 11 im Düsenunterteil 12. Diese können je nach sich anschließendem Verfahren in mehreren Reihen parallel zueinander angeordnet sein. Die Schmelzeverteilungsleitung 13 befindet sich je zur Hälfte in der oberen Platte 4 und der Zwischenplatte 7. Da beide Hälften voll zugänglich sind in der Herstellung und bei späterem Auseinanderbau, können die besonders kritischen Stellen an ihren Enden vor Eintritt in die Zufuhrleitungen 6, 6' in der Formgebung durch Abrundungen und in ihrer Oberflächenbeschaffenheit in der Fertigung überwacht werden.
Für den Einsatz in den genannten Verfahren nach DP 199 29 709 und der PCT/EP01/15136, insbesondere für Spleißfäden, zeigt 2 den Schnitt quer durch die Spinndüse 1 und hier besonders die Beheizung des Düsensteges 14, der die Spinnbohrungen 11 enthält, im Allgemeinen mit Vorbohrung 15 und Ausflusskapillare 16 am unteren Ende des Steges. Der Steg ist beheizt durch wie hier gezeigt ein Heizungspaar 17 und 17'. Es handelt sich um Heizpatronen, bei denen sich der Heizungsleiter 19 im Inneren befindet, darum eine Isolierung aus Stampfmasse 20 und dann ein äußerer Mantel 21, im Einzelnen ebenfalls gezeigt bei 1. Die Patrone ist eingepasst in einen gut leitenden Körper aus z.B. Kupfer. Längs der Spinndüsenreihe(n) können einzelne Heizpatronen bestimmter Länge gestuft hintereinander eingesetzt werden. Die Stromzu- und -ableitungen zwischen ihnen bei mehr als zwei Patronen, bei denen man diese an den Düsenenden anbringen kann, können zwischendurch herausgeführt werden. Sollte die fehlende Heizleistung zwischen den Patronen die Wärmezufuhr an die Düsebohrungen 11 unzulässig beeinträchtigen, so kann die erzeugte elektrische Heizleistung der Patronen ungleich über die Länge verteilt werden mit Verstärkung an den betreffenden Enden, was auch am Düsenende, sollte die stirnseitige Abkühlung sich bemerkbar machen, erfolgen kann.
Die Beheizung der Düsenplatten 4 und 7 geschieht über Nuten 22 und eingepresste Rohrheizkörper 23. Stromanschlüsse nach außen sind in 3 bei 24 gezeigt. Gleiches gilt für die Beheizung des Düsenunterteils 12 mit der Nut 25 und dem eingepressten Heizkörper 26. Im Allgemeinen trägt eine Platte die umlaufende Heizung und die gegenüber liegende erhält ebenfalls ihre Wärme von dort. Es können aber auch zwei Heizsysteme für zwei Platten, in diesem Fall insgesamt also vier eingesetzt werden. Wesentlich für die Dichtigkeit gegen Leckströme der Schmelze und die Beheizung mit nur einer Heizung für zwei Platten ist die Ausführung der Plattenoberflächen in Endmaßqualität, so dass sich über die Schrauben, von denen hier nur einige für sie vorgesehene Bohrungen 27 in 3 für die Platte 7 gezeigt sind, der notwendige Druck zur Dichtung aufbringen lässt.
Die Schmelzeleitungen 5 und 5' nach der zentralen Zuführung 3 in 1 können auch mehr als nur die zwei Unterzufuhren 6 und 6' in 1 speisen, wenn die Düsenreihe länger ist als etwa 40–50 cm, so dass wie in 5 vier solcher Unterzufuhren da sind, die beispielsweise durch eine Vierfach-Spinnpumpe gespeist werden. Es lassen sich die Schmelzeverteilungsleitungen 13 und 13' so in die Düsenplatten einarbeiten, dass sie jeweils gleich lang sind, besser noch unter Berücksichtigung von Umlenkungen gleichen Widerstand haben. Die äußeren werden direkt auf die äußeren Unterzufuhren zugelenkt, die inneren zwei etwa gleichen Widerstands werden zunächst nach außen und dann wieder nach innen zu den Unterzufuhren geführt. Die Nutenheizungen 23 bzw. 26 befinden sich neben den Schmelzekanälen und beheizen diese von außen her. Zur Aufrechterhaltung konstanter Schmelzetemperatur braucht die Heizung nur die Verluste nach außen hin, wo die Spinndüse zweckmäßig isoliert ist, aufzubringen, bei Wärmezufuhr an die Schmelze wie hier beim Düsensteg wird entsprechend stärker geheizt. Aber auch hier sind nach außen hin die Heizungen 17 und 17' zweckmäßigerweise isoliert, in beiden genannten Fällen in den 1 bis 4 im Einzelnen nicht gezeigt.
Die Ausflussöffnungen 16 für die Schmelzen können natürlich auch statt in Reihen in Kreisen, unregelmäßig oder einzeln in Düsenverschraubungen angeordnet sein, dies insbesondere wenn nicht Vliese, sondern Garne hergestellt werden sollen.

Claims

Vorrichtung zum Spinnen von Faden bildenden Stoffen aus Schmelzen oder Lösungen bei Temperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeverluste nach außen hin durch Heizungen mittels elektrischen Heizleitern im Innern der Vorrichtung ganz oder teilweise ausgeglichen werden können und durch weitere elektrische Heizleiter Wärme zur Temperaturerhöhung an die Spinnstoffe übertragen wird vor ihrem Austritt aus den Spinnbohrungen, vorzugsweise kurz davor.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die Heizungen elektrische Widerstandsleiter isoliert in rohr- oder bandförmigen Umhüllungen in einseitig offenen Nuten eingepresst oder in Bohrungen als Patronen in Passung eingelegt sind.
Verfahren nach DP 199 29 709 oder der PCT/EP01/15136 zur Erzeugung von im Wesentlichen endlosen Fäden aus synthetischen oder natürlichen Spinnstoffen und Weiterverarbeitung zu Vliesstoffen oder Garnen, dadurch gekennzeichnet, dass die geschmolzenen oder gelösten Spinnstoffe in Vorrichtungen nach Anspruch 1 versponnen werden und kurz vor ihrem Austritt nochmals erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnstoffe soweit erwärmt werden, dass die aus ihnen ersponnenen Fäden aufplatzen und eine Vielzahl im Wesentlichen endlosen Fäden entsteht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung nur so weit geschieht, dass im Wesentlichen kein Aufspleißen eintritt.