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Verfahren und Vorrichtungen zum Konzentrieren von viskosen Lösun6en
hochpolymerer Substanzen." Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren und Vorrichtungen
zum Konzentrieren von viskosen Lösungen hochpolymerer Substanzen in flüchtigen Lösungsmitteln,
wie z.b. einer Lösung von Zellulosetriazetat in Methylenchlorid, zum Gegenstand
iEr
die Herstellung von Folien, Fäden und drgl. werden hochpolymere Substanzen z.B.
Celluloseester, Polystyrol, Polyvinyl-oder Polyaorylderivate u. drgl. in einem geeigneten
flüchtigen Lösungsmittel oder in einem entsprenchendan Lösungsmittelgemisch aufgelöst
und diese mehr oder weniger viskosen Lösungen werden dann z. B. mittels einer Spinndüse
oder eines Giessers in Faden., Folien- oder drgl. Form gebracht. Anschliessend wird
das zur Lösung des zu vergiessenden bzw. zu verspinnenden Materials verwendete Lösungsmittel
durch Verdampfen wieder entfernt, Aus technologischen Gründen ist es bei alledem
wtinschenswert, Giesxs- bzw. Spinnlösungen zu verwenden, die eine möglichst hohe
Konzentration an Hochpolymerem besitzen.
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Derartige hochkonzentrierte Lösungen erlauben nämlich eine erhöhte
Produktionsgeschwindigkeit, ausserdem können die unvermeidlichen Lösungsmittelverluste
dabei gering gehalten werden.
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In der Praxis bestehen jedoch erhebliche Schwierigkeiten, solche hochkonzentrierten
Lösungen von Hochpolymeren in technisch brauchbarer Qualität herzustellen. Abgesehen
davon, dass der eigentliche Lösevorgang in sehr hochviskosen Lösungen nur sehr langsam
vor sich geht, müssen die hochviskosen Lösungen nach dem Löseprozess von Staub und
anderen
Verunreinigungen, wie z.B. nicht.gelösten oder nur angequollenen hochpolymeren Teilchen
u.drgl. durch Filtration befreit werden, da diese Verunreinigungen naturgemäss die
Eigenschaften der daraus hergestellten Fäden, Folien und drgl. ungünstig beeinflussen.
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Die Filtration dieser viskosen Lösungen kann dabei in. der Re6el nur
mit überdruck erfolgen. Insbesondere bei sehr viskosen Lösungen jedoch, wo die Anwendung
erhöhter Drucke erforderlich wird, besteht ferner die Gefahr, dass die Filterporen
verstopft werden oder dass die gequollenen Verunreinigungen durch das Filter hindurchgequetscht
werden, so dass der Zweck der Filtration nicht erreicht wird.
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Man kann nun so vorgehen, dass man in einem ersten Arbeitsgang eine
nur mässig viskose, mit den üblichen Mitteln noch gut filtrierbare Lösung herstellt
und diese Lösung dann nach der Filtration durch Ab destillieren der überschiissigen
Lösungsmittel auf die gewünschte Konzentration bringt. Aber aach dieses Verfahren
ist mit einer Reihe von Nachteilen behaftet. Infolge der langsamen Diffusion innerhalb
der Lösungen entstehen nämlich beim Abdestillieren des Lösungsmittels Luftbläschen,
ausserdem neigen die nachbehandelten Lësungen sur Ausbildung inhomogener Zonen bezüglich
Konzentration und Viskosität.
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Die in den Lösungen vorhandenen Luftbläschen müssen natürich vor der
Verarbeitung wieder entfernt werden.Überlässt man die Lösungen sich selbst, damit
die in ihnen enthaltenen Luftbläschen entweichen können, so sind hierau Tage erforderlich;
versucht man, die Entgasung durch Anlegen eines Vakums zu beschleunigen, so treten
wiederum die bekannten Nachteile der Rekondensatien, Enthemegenisierung der Lösungen
und drgl. auf.
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Es wird nun gefungen, dass man die genannten dachteile völlig ausschalten
kann, wenn die viskese bsw. au konzentrierende Lösung in Kontakt mit der einend
Seite einer nur für die Lösungsmitteldämpfe gut durchlässigen porösen Wandung, z.B.
der Innenwandung eines Tenrohres, gebracht wird, deren entgegengesetzte Seite vermindertem
Druckes ausgesetzt ist.
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Die zur Vermeidung von Unterkühlungen gegebenenfalls erforderliche
Wärme kann dabei der zu konzentrierenden Lösung in bekannter Weise zugeführt werden.
Dieo kann beispielsweise durch. direkte oder indirekte Beheizung der porösen Wandung
des Kenzentrierungsbehälters erfelgen.
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In vielen Fällen geneigt Jedoch auch schon eine mechanische Durcharbeitung,
z.B. ein intensives Rührend, was auch zusätzlich erfelgen kann. So këmmen selbstverständlich
auch beheizte Schnecken und dörgl. verwendet werden0
Gemäss der
vorliegenden Erfindung kann auf diese Weise eine viskose Lösung einer hochpolymeren
Substanz in einem flüchtigen Lösungsmittel z.B. dadurch konzentriert werden, dass
man die Lösung beispielsweise in ein poröses Tonrohr füllt und iiährend des gesamten
Konzentrierungspresesses mit einem gut bestUckten, nicht zu schnell laufenden Rührer
durchmischt. Wird nun die Aussenwandung des Ton rohres beheizt und gleichzeitig
ein Vakuum angelegt, so erhält man innerhalb weniger Minuten eine Steigerung der
Konzentration der Lösung auf das 1 1/2 bis 2-fache des Ausgangswertes, nährend die
Viskosität auf das 15 bis 20-fache der Ausgangsviskesität ansteigt. Die konzentrierte
Lösung selbst ist dabei von höchster Homogenität und völlig frei von Luftblasen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsferm der erfindung kann man das
Verfahren auch kontinuierlich durchführen, z.B. in der Weise, dass man den im Inneren
des porösen Konzentrierungsbehälters vorgesehenen Rührer als s Schnecke ausbildet,
die das eingebrachte Gut gleichzeitig durch mischt und fördert. Auf diese Weise
ist es möglich, am Einlauf der Schnecke eine mässig viskose Lösung einzubringen
und am Ausstoß eine homogene hochkonsentrierte völlig blasenfreie Lösung zu erhalten,
die entweder unmittelbar in den Giesser oder die Spinnaggregate gefördert oder aber
in geeigneten Behältern auf Vorrat gehalten werden kann.
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Der Grad der erzielten Konzentrierung hängt ab von der Zeit, in der
sich die viskose Lösung in Kontakt mit der porösen Wandung befindet, d.h. also von
den Auslassen bzw. der Länge des Konzentrierungsbehälters und der angewendeten Födergeschwindigkeit.
Die der zu konzentrierenden Lösung gegebenenfalls zuzuführende Wärme ist so zu wählen,
dass sie unterhalb der Siedetemperatur des verwendeten Lösung mittels liegt. Erfolgt
die Wärmezufuhr durch indirekte Beheizung der Aussenwände des Konsentrierungsbehälters,
so ist natürlich dessen Wandstärke sowie die Wärmeleitfähigkeit des zur Herstellung
des Behälters verwendeten porösen Materials zu berücksichtigen.
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Während des gesamten Konzentrierungsprozesses soll an der Aussenwand
des Kenzentrierungsbehälters eine Zone verminderten Druckes, vorzugsweise zwischen
20 und 100 mm Hg erzeugt werden.
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Die von Fall zu fall optimalen Werte können Jedoch in iblicher Weise
durch einfache Testversuche leicht ermittelt werden. Die während des Konzentrierungzprezesses
abgew saugten Lösungsmitteldämpfe werden vor Erreichen der Vakuumpumpe durch geeignete
Kältefallen oder Adsorptionsmittel wiedergewonnen. Als poröse Materialien für die
Herstellung des Konzentrierungsbehälters sind vor allem keramische Materialien,
wie Ton, Porzellan und Sinterglas
geeignet. 15 können Jedoch auch
andere Konstruktionsmaterialien verwendet werden, zefern die von den infrage kommenden
Lösungsmitteln niobt angegriffen werden und ihre Perösität vell erhalten bleibt.
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Geeignet sind beispielsweise Sintermetalle wie Metallkeramik, Sintereisen
und drgl., ferner gesintertes Teflon, gesintertes Pelyprepylen usw. Die verwendeten
porösen Stoffe sellten verzugsweise ein Perenvelumen von 40 bis 60 % besitsen. Der
durchschnittliche Perendurchmesser hängt von der Ausgangaviskosität der zu konsentrierenden
Lösung ab und kann zwischen 1 u und 60 u betragen. Bei Auswahl der Jeweils geeigneten
Perengrösse in Abhängigkeit von Viskosität und Art des Hochpelymeren tritt keino
Verstoptang der Peren ein.
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Eine geeignete Vorrichtung der erfindungegemässen Art sur Durchführung
des verliegenden Verfahrens ist im wesentlichen gekennzeichnet durch einen, zweckmässig
zylindrisch ausgebildeten, in zeiner Wandung nur für die Lësungsmitteldämpfe gut
durchlässigen porisen Behälter, dessen Aussenwandung unter verminderten Druck gesetzt
und gegebenenfalls beheizt werden kann und in dessen Innenraum zweckmässig ein Rüklhrwerk,
verzugeweize eine Förderzchnecke, angeordnet ist. Die Aussenwände des Behälters
sind mit Mitteln verschen, die es gestatten, eine Zone verminderten Druckes
au
erzeugen und gegebenenfalls die Wände zu beheizen.
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Beispielsweise kann der Konzentrierungsbehälter mit einem Doppelmantel
vergehen werden, in dessen innerem Hohlraum in Vakuum erzeugt wird, während der
äussere Hohlraum ständig von einer Heizflüssigkeit durchströmt wird. Die Aufheizung
der Behälterwand und die Erzeugung des Vakuums kann Jedoch auch mit allen anderen
herkömmlichen, in der Technik für solche Zwecke bekannten Mitteln erfolgen. Innerhalb
des Konsentrierungsbehälters befindet sich ein Rührer oder für den Pall, dass das
Verfahren kontinuierlich durchgeführt werden soll, eine Förderschnecke, die gleichzeitig
die Durchmischung besorgt. Die Vorrichtung ist ferner mit einer geeigneten Einfüllverrichtung,
beispielsweise in rom eines Trichters, einer Dosierpuipe oder dgl. versehen. Die
Aussts#stelle der Vorrichtung kann zweckiassig so ausgebildet sein, dass die konzentrierte
Lösung direkt sur Verformungstelle wie der Gie#stelle oder den Spinnaggregaten gefördert
wird.
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In der Zeichnung ist eine zur kontinuierlichen Durehfuhrung des Verfahrens
besenders geeignete Verrichtung dargestellt t Die zu kenzentrierende Lösung des
Hoohpolymeren in einem flüchtigen Lëzungamittel wird durch den Trichter 4 in den
Komsentrierungsbehälter eingefüllt und von der Förderschnecke 9 weitertransportiert.
Druoh die porösen Wände 3 des Konsentrierungsbehälters wird das
Lösungsmittel
in dampfförmigem Zustand abgesaugt, wobei in dem inneren Hohlraum 12 des Deppelmantels
8 ein Vakuum erzeugt wird.
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Der äussere Hohlraum 13 des Doppelmantele 8 wird von einer Heizflüssigkeit
durchströmt, die die Aussenwände des Konzentrierungsbehälters beheizt. Die konzentrierte
Lösung tritt an der Dilse 6 wieder aus. Konzentrierungsbehälter 3, Doppelmantel
8, Schneckenführung 10 und Dsitanstück 7 werden mittels Flanschen 1 und Bolzen 2
verbunden. Der Antrieb der Fördersohnecke 9, die durch die Lager 11 geführt wird,
erfolgt ueber die Kupplung 5.
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Nach dem vorliegenden Verfahren lassen sich viskose Lösungen von Substanzen
mit hohem Molekulargewicht in flüchtigen Lösungsmitteln mit besten Ergebnissen konzentrieren.
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Hochpolymere, welche gemäss der Erfindung konzentriert werden können,
sind beispielsweise Celluloseester, Polyacrylate, Polymetharrylate, Polystyrol,
Polyvinylaoetat, Polycarbonat usw., die in üblichen Lösungsmitteln, wie Aceton.
Methylenchlorid, Benzol, ahloroform, Tetrehydrofuran, Schwefelkohlenstoff, Kohenwasserstoffe,
Alkoholen und drgl. oder Gemischen aus diesen Lösungsmitteln gelöst sein können.
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Das neue Verfahren zeichnet sich nicht zuletzt vor allem auch dadurch
aus, dass es bei geringem apparativem Aufwand von grosser Wirksamkeit ist.
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Die nachfolgenden Beispiele rollen das Verfahren weiter erläutern
ohne es Jedoch in irgendeinerweise zu beschränken.
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B e i s p i e l 1 In ein poröses Tonrohr mit einem Porenvolumen von
48 % werden 100 g einer Lösung aus 15,2 % Cellulosetriacetat, 2,3 % Triphenylphosphat,
75 % Methylenchlorid und 7,5 % Methanol eingefüllt. Die Ausgangsviskosität beträgt
380 Pse. An die äussere Fläche des Tonrohres ist ein konzentrischer Doppelmantel
angebracht, in dessen innerem Hohlraum ein Vakuum von 30 Torr mittels einer Vakuumpumpe
beständig aufrecht gehalten wird. Der äussere Hohlraum wird von einer beheisten
Flüssigkeit von 3.00 ständig durchflossen. Die abgesaugten Lösungsmitteldämpfe werden
in einer Aktivkohlevorlage festgehalten. Der Inhalt des Tonrohres wird mittels eines
Radialrührers ständig bewegt. Naoh 15 Minuten sind 40 g Lösungsmittel abgesaugt.
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Die eingedickte Lösung hat jetzt einen Feststoffanteil von 28,5 %
und ihre Viskosität ist um das 15,8-fache auf 6000 Pse angestiegen. Die Lösung ist
völlig blasenfrei und frei von Gallerten und lässt sich aus einem Schlitz unter
leichtem Druck leicht zu einem flächigen Gebilde auf einer geeigneten Unterlage
verformen.
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Beispiel 2 Eine von einem Getriebemotor frei angetriebene Förderschnecke
ist von einem Zylinder umgeben, der aus porösem Sintermaterial besteht. Der Zylinder
ist von mehreren Windungen dünnen Rohres umwickelt, welches in einer Glaswollschicht
eingelagert ist. Das ganze ist von einem luftdicht abschliessenden Mantel umgeben.
Am angetriebenen Ende der Schnecke befindet sich in dem Zylinder eine Einspeisöffnung
ftlr die einzudickende Lösung. Der luftdicht abschliessende Mantel wird an eine
Vakuumpumpe angeschlossen, die Rehrschlange wird von einer auf 500C beheizten Flüssigkeit
durchflossen. Am anderen Ende des Zylinders befindet sich eine schlitzförmige Die,
aus welcher die Lösung auf eine geeignete Unterlage in flächiger Form aufgebracht
wird. Der Einfüllstutzen wird mit einer Lösung aus 1700 g Aoetylcellulose (56,5
* Essigsäuregehalt) und 7100 g Aceton beschickt. Die Viskosität beträgt 410 Pse.
beim Verlassen der Schlitzdiese nach Durchlauf der Schneckenförderung hat die Lösund
40 Gew.% in Form von Lösungsmitteln verloren. Der Feststoffgehalt beträgt Jetzt
31,5 ,, die Viskosität ist um das 6,8-fache auf 2780 Pse gestiegen. Die Lösung ist
blasenfrei und frei von Gallerte und lässt sich einwandfrei zu einer Folie vergiessen.