DE19929709C2 - Verfahren zur Herstellung von im Wesentlichen endlosen feinen Fäden und Verwendung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von sehr feinen Fäden aus schmelzspinnbaren Polymeren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Derartige Mikrofäden, meistens allerdings Mikrofasern endlicher Länge, werden nach einem Heißluft- Blasspinnverfahren, sog. Meltblown-Verfahren, seit vielen Jahren hergestellt, und es gibt heute unter­ schiedliche Vorrichtungen hierfür. Gleich ist allen, daß neben einer Reihe von Schmelzebohrungen - auch mehrere Reihen parallel zueinander sind bekannt ge­ worden - Heißluft austritt, die die Fäden verzieht. Durch Vermischung mit der kälteren Umgebungsluft kommt es zur Abkühlung und Erstarrung dieser Fäden bzw. Fasern, denn oft, meistens zwar unerwünscht, reißen die Fäden. Der Nachteil dieser Meltblown- Verfahren ist der hohe Energieaufwand zur Erwärmung der mit hoher Geschwindigkeit strömenden Heißluft, ein begrenzter Durchsatz durch die einzelnen Spinn­ bohrungen (auch wenn diese im Laufe der Zeit zuneh­ mend dichter gesetzt wurden bis zu einem Abstand von unter 0,6 mm bei 0,25 mm im Lochdurchmesser), daß es bei Fadendurchmessern unter 3 µm zu Abrissen kommt, was zu Perlen und abstehenden Fasern im späteren tex­ tilen Verbund führt, und daß die Polymere durch die zur Erzeugung feiner Fäden notwendige hohe Lufttempe­ ratur deutlich über der Schmelzetemperatur thermisch geschädigt werden. Die Spinndüsen, von denen eine große Anzahl vorgeschlagen und auch geschützt worden sind, sind aufwendige Spritzwerkzeuge, die in hoher Präzision gefertigt werden müssen. Sie sind teuer, betrieblich anfällig und in der Reinigung aufwendig.

Aus der Zusammenfassung der JP 06 293 117 der Daten­ bank Derwent AN. 1995 - 003354 ist ein flexibles künstliches Lederelement aus einem ungewebten Stoff aus elastischen Polyurethanfäden, die mit anderen Po­ lyurethanfäden an ihren Kontaktpunkten verklebt sind, bekannt Die Fäden werden aus einer Spinndüse ausgesponnen und durch Ausstoßen von heißem Gas beidseitig der Spinn­ düse aufgesplittet und auf einem Förderband abgelegt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Her­ stellung von im Wesentlichen endlosen Fäden zu schaf­ fen, die einen geringeren Energieaufwand benötigen, keine Fadenschädigungen aufgrund zu hoher Temperatur bewirken und ein Spinnwerkzeug mit einfachem Aufbau verwenden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Die vorliegende Erfindung vermeidet die Nachteile des Standes der Technik, indem Polymerschmelze aus Spinn­ bohrungen, die in einer oder mehreren parallelen Rei­ hen oder Ringen angeordnet werden, in eine mit Gas, in der Regel mit Luft gefüllte, von der Umgebung ge­ trennte Kammer bestimmten Druckes ausgepreßt wird, wobei die Fäden im schmelzflüssigen Zustand in ein Gebiet rascher Beschleunigung dieses Gases am Aus­ tritt aus der Kammer gelangen. Die auf dem Wege dort­ hin auf den jeweiligen Faden durch Schubspannung übertragenen Kräfte nehmen zu, sein Durchmesser ver­ ringert sich stark und der Druck in seinem noch flüs­ sigen Inneren steigt umgekehrt proportional zu seinem Radius durch die Wirkung der Oberflächenspannung ent­ sprechend stark an. Durch die Beschleunigung des Ga­ ses sinkt in strömungsmechanischer Gesetzmäßigkeit dessen Druck. Dabei sind die Bedingungen der Schmel­ zetemperatur, der Gasströmung und seiner raschen Be­ schleunigung so aufeinander abgestimmt, daß der Faden vor seiner Erstarrung einen hydrostatischen Druck in seinem Inneren erreicht, der größer ist als der umge­ bende Gasdruck, so daß der Faden platzt und sich in eine Vielzahl feiner Fäden aufteilt. Durch einen Spalt unten in der Kammer verlassen Fäden und Luft diese. Das Aufplatzen geschieht nach dem Spalt und unter sonst unveränderten Bedingungen überraschend stabil ortsfest an einem bestimmten Punkt. Im Bereich der starken Beschleunigung verlaufen Gas- und Faden­ strömung parallel, wobei die Strömungsgrenzschicht um die Fäden laminar ist. Es gelingt eine fortgesetzte Aufspleißung des ursprünglichen Fadenmonofils ohne Perlenbildung und Abrisse. Aus einem Monofil entsteht ein Multifil sehr viel feinerer Fäden unter Verwen­ dung einer auf Umgebungstemperatur oder etwas darüber liegenden Gasströmung.

Die aus dem Aufspleißen entstandenen neuen Fäden sind erheblich feiner als das ursprüngliche Monofil. Sie können sogar noch etwas nach dem Aufspleißpunkt ver­ zogen werden bis sie erstarrt sind. Dieses geschieht wegen der plötzlich geschaffenen größeren Fadenfläche sehr rasch. Die Fäden sind endlos. Es kann aber durch Abweichungen im Polymer, einzelne Geschwindigkeits- oder Temperaturstörungen, Staub im Gas und dergl. Störungen bei realen techni­ schen Prozessen mehr in untergeordnetem Maße zu end­ lich langen Fäden kommen. Der Vorgang des Aufsplei­ ßens fadenbildender Polymere kann so eingestellt wer­ den, daß die aus dem Monofil erzeugten zahlreichen sehr viel feineren Einzelfilamente endlos sind. Die Fäden haben einen Durchmesser von deutlich unter 10 µm, vornehmlich zwischen 1,5 und 5 µm, was bei Po­ lymeren einem Titer zwischen etwa 0,02 und 0,2 dtex entspricht und werden als Mikrofäden bezeichnet.

Das Gebiet der starken Beschleunigung und Druckabsen­ kung in der Gasströmung wird nach der Erfindung in Form einer Lavaldüse mit konvergenter Kontur zu einem engsten Querschnitt hin und dann rascher Erweiterung realisiert, letzteres schon damit die nebeneinander laufenden neu gebildeten Einzelfäden nicht an den Wänden anhaften können. Im engsten Querschnitt kann bei entsprechender Wahl des Druckes in der Kammer (bei Luft etwa doppelt so hoch wie der Umgebungsdruck dahinter) Schallgeschwindigkeit und im erweiterten Teil der Lavaldüse Überschallgeschwindigkeit herr­ schen.

Für die Herstellung von Fadenvliesen (Spinnvliesen) werden Spinndüsen in Zeilenform und Lavaldüsen mit Rechteckquerschnitt eingesetzt. Für die Herstellung von Garnen und für besondere Arten der Vliesstoffher­ stellung können auch Runddüsen mit einer oder mehre­ ren Spinnbohrungen und rotationssymmetrische Lavaldü­ sen eingesetzt werden.

Das Verfahren nimmt Anleihe an Verfahren zur Herstel­ lung von Metallpulvern aus Schmelzen, aus dem es sich entwickelt hat. Nach DE 33 11 343 A1 zerplatzt das Me­ tallschmelzemonofil im Bereich des engsten Querschnitts einer Lavaldüse in eine große Anzahl von Teilchen, die sich durch die Oberflächenspannung zu Kügelchen verformen und abkühlen. Auch hier kommt es zu einem die umgebende laminare Gasströmung überwie­ genden Flüssigkeitsdruck im Inneren des Schmelzemono­ fils. Wenn die Druckabsenkung so rasch geschieht, daß es noch nicht in die Nähe der Erstarrung kommt, kön­ nen die Druckkräfte die Kräfte des Zusammenhalts der Schmelzemasse, vorwiegend Zähigkeitskräfte, überwie­ gen und es tritt das Aufplatzen in eine Vielzahl von Filamentstücken (Ligamente) ein. Entscheidend ist da­ bei, daß der Faden zumindest im Inneren flüssig blei­ ben muß, damit dieser Mechanismus einsetzen kann. Da­ her wurde auch vorgeschlagen, das Monofil nach seinem Austritt aus der Spinndüse weiter zu beheizen.

Das selbsttätige Aufplatzen eines Metallschmelzefa­ dens wird nach der dieses anwendenden Firma auch als 'NANOVAL-Effekt' benannt.

Ein Zerfasern durch Aufplatzen ist bei der Herstel­ lung von Mineralfasern bekannt geworden, so in der Offenlegungsschrift DE 33 05 810 A1. Durch Störung der Gasströmung in einem unterhalb der Spinndüse angeord­ neten Rechteckkanal mittels Einbauten, die Querströ­ mungen erzeugen, kommt es nach dortiger Aussage zum Zerfasern des einzelnen Schmelzemonofils. In nicht ganz klarer Darstellung wird von einem Zerfasern durch statisches Druckgefälle in der Luftströmung ge­ sprochen, und zwar in EP 0 038 989 A1 vom Ausziehen aus einer 'Schlaufen- oder Zickzackbewegung . . . . . . . . nach Art eines mehrfachen Peitschenknalleffekts'. Das das eigentliche 'Zerfasern' durch Zunahme des Druckes im Inneren des Fadens und Abnahme in der umgebenden Gasströmung seine Ursache hat, wurde nicht erkannt, auch keine Steuerungsmechanismen in diese Richtung.

Für Polymere hat man sich bei dergleichen anmelden­ den Firma diese Erkenntnis von der Mineralfaserher­ stellung offenbar zunutze gemacht. In der Offenle­ gungsschrift DE 38 10 596 A1 wird in einer Vorrichtung nach Fig. 3 und Beschreibung in Beispiel 4 der Schmelzestrom aus Polyphenylensulfid (PPS) 'durch ein hohes statisches Druckgefälle zerfasert'. Die Gasströme sind heiß, sogar über den Schmelzpunkt des PPS hinaus erhitzt. Ein statisches Druckgefälle in der Gasströmung, abnehmend in Fadenlaufrichtung, kann alleine den Faden nicht zerfasern. Es wurde nicht er­ kannt, daß dazu der Schmelzestrom zumindest in einem hinreichenden Teil in seinem Inneren flüssig bleiben muß. Durch die Anwendung von heißer Luft im Bereich der Polymerschmelzetemperatur ist das aber von selbst gegeben. Nicht ein 'im Anschluß an die Austrittsboh­ rungen einwirkendes Druckgefälle' Spalte 1, Zeilen 54/55 zieht die Schmelzeströme zu feinen Fasern aus, sondern ein statisches Druckgefälle zwischen Schmel­ zestrom und umgebender Gasströmung bringt ihn zum Aufspleißen oder Zerfasern. Die erzeugten Fäden sind endlich lang und amorph.

Die Fäden des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dage­ gen endlos oder im Wesentlichen endlos. Sie werden durch gezielt gesteuertes Aufplatzen eines noch schmelzflüssigen Monofils in einer sie umgebenden la­ minaren Gasströmung erzeugt, also ohne Turbulenz er­ zeugende Querströmungen. Es kommen grundsätzlich alle fadenbildenden Polymere, wie Polyolefine PP, PE, Po­ lyester PET, PBT, Polyamide PA 6 und PA 66 und andere wie Polystyrol in Frage. Dabei sind solche wie Poly­ propylen (PP) und Polyethylen (PE) als günstig anzu­ sehen, weil Oberflächenspannung und Viskosität in ei­ nem Verhältnis stehen, das den Aufbau eines Fadeninnendruckes gegen die Oberflächenspannungskraft der Fadenhaut leicht gestattet, während die Viskosität nicht so hoch ist, daß das Zerplatzen verhindert wird. Das Verhältnis von Oberflächenspannung zu Zä­ higkeit läßt sich durch die Erhöhung der Schmelzetem­ peratur bei den meisten Polymeren erhöhen. Dies ge­ schieht auf einfache Weise in der Schmelzeherstellung und kann durch Heizen der Spinndüsen kurz vor dem Austritt der Fäden verstärkt werden. Eine Aufwärmung der Fäden danach durch heiße Gasströme findet nach der vorliegenden Erfindung jedoch nicht statt.

Es kann festgestellt werden, daß der Gegenstand der Erfindung, das gesteuerte Aufspleißen eines mit kal­ ter Luft verzogenen Polymerfadens in eine Vielzahl feinerer Einzelfäden endloser bzw. im Wesentlichen endloser Einzelfäden noch nicht gefunden wurde. Die­ ses geschieht durch den selbsttätigen Effekt des Zer­ platzens des Schmelzefadens durch einen positiven Druckunterschied zwischen dem hydraulischen Druck im Faden, gegeben aus der Oberflächenspannung des Faden­ mantels, und der ihn umgebenden Gasströmung. Wird der Druckunterschied so groß, daß die Festigkeit des Fa­ denmantels nicht mehr ausreicht, das Innere zusammen­ zuhalten, so platzt der Faden. Es kommt zum Aufsplei­ ßen in eine Vielzahl feinerer Fäden. Das Gas, mei­ stens Luft, kann kalt sein, d. h. muß nicht aufgeheizt werden, nur müssen die Verfahrensbedingungen und die Vorrichtung so beschaffen sein, daß das Schmelzemono­ fil sich in seinem von der Schmelzeviskosität und der Oberflächenspannung des betreffenden Polymers abhän­ gigen kritischen Durchmesser nicht so weit abgekühlt ist, daß es durch den sich aufladenden inneren Flüs­ sigkeitsdruck nicht mehr platzen kann. Auch dürfen die Schmelzebohrungen durch das Gas nicht so stark abgekühlt werden, daß die Schmelze zu stark abkühlt, geschweige denn bereits dort erstarrt. Die verfah­ renstechnischen und geometrischen Bedingungen zur Realisierung dieses Aufspleißeffektes sind verhält­ nismäßig einfach zu finden.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß auf einfache und sparsame Weise Feinstfäden im Bereich deutlich unter 10 µm, überwiegend zwischen 2 und 5 µm, erzeugt werden können, was beim reinen Ver­ ziehen beispielsweise durch das Meltblown-Verfahren nur mit heißen, über den Schmelzpunkt erhitzten Gas(Luft)-strahlen zu Wege gebracht wird und damit erheblich mehr Energie bedarf. Außerdem werden die Fäden in ihrer molekularen Struktur nicht durch Ober­ temperaturen geschädigt, was zu verringerter Festig­ keit führen würde, wodurch sie sich aus einem texti­ len Verband dann oft herausreiben lassen. Ein weite­ rer Vorteil liegt darin, daß die Fäden endlos oder quasi endlos sind und aus einem textilen Verband wie einem Vlies nicht herausstehen und sich als Fusseln herauslösen lassen. Die Vorrichtung zur Verwirkli­ chung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist einfach. Die Spinnbohrungen der Spinndüse können größer und damit weniger störanfällig sein, der Lavaldüsenquer­ schnitt benötigt in seiner Genauigkeit nicht die en­ gen Toleranzen der seitlichen Luftschlitze des Melt­ blown-Verfahrens. Bei einem bestimmten Polymer braucht man nur die Schmelzetemperatur und den Druck in der Kammer aufeinander abzustimmen und bei gegebe­ nem Durchsatz pro Spinnbohrung und der geometrischen Lage der Spinnbohrungen zur Lavaldüse kommt es zum Aufspleißen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von, Mikrofäden mittels kühlen Gasstrahlen durch Aufplatzen eines Schmelzestroms in eine Vielzahl von Einzelfäden nach einem ersten Ausführungs­ beispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung nach einem Ausfüh­ rungsbeispiel mit Zeilendüse und Spinnboh­ rungen in Nippelform zur Herstellung von Vliesen aus Mikrofäden, und

Fig. 3 eine Teilansicht im Schnitt der Spinndüse und der Lavaldüse nach einem dritten Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von im Wesentlichen endlosen feinen Fäden aus schmelzspinn­ baren Polymeren dargestellt, die einen nicht näher beschriebenen Spinnkopf oder Spinnbalken 11 aufweist, in dem eine Spinndüse 1 aufgenommen ist. Der Spinn­ kopf 11 und die Spinndüse sind in allgemein bekannter Weise aus verschiedenen Teilen zusammengesetzt, so daß eine Beschreibung darüber weggelassen wird. Dar Spinnkopf oder Spinnbalken 11 ist von einer Heizung 12 umgeben, die als Flüssig- oder Dampfheizung über Kammern oder auch als elektrische Bandheizung ausge­ bildet ist. Der Spinnkopf oder Spinnbalken 11 ist mit nicht dargestellten schmelzedosierenden Geräten, wie Spinnpumpen und Extruder verbunden, bei denen es sich um die üblichen Einrichtungen zur Herstellung von Synthesefasern handelt, so daß auch diese nicht wei­ ter beschrieben sind.

Die Spinndüse weist ein Düsenmundstück 3 auf, das eine, aber üblicherweise mehrere in einer Reihe ange­ ordneten Spinnbohrungen aufweist. Auch mehrere paral­ lele Reihen sind möglich. Unterhalb des Spinnkopfes 11 befindet sich eine Platte 6' mit einem Spalt 6, der konvergent-divergent ausgebildet ist und sich durch einen unter ihm liegenden Raum 7 stark erwei­ tert und eine Lavaldüse darstellt. Je nach Form der Spinndüse 1 ist die Lavaldüse 6 rotationssymmetrisch ähnlich einer Blende im Fall einer einzelnen Düse oder im Fall einer Zeilendüse als Längsspalt ausge­ bildet. Die Spinndüse bzw. die Spinnbohrungen der Spinndüse enden kurz über der Lavaldüse 6 oder in der Ebene der Platte 6', die Spinndüse 1 kann aber auch leicht in die Lavaldüse 6 hineinragen.

Zwischen Spinnkopf und Platte 6' liegt ein abgeschlos­ sener Raum 8, dem entsprechend den Pfeilen 5 bei­ spielsweise von einem Kompressor Gas zugeführt wird. Das Gas hat üblicherweise Umgebungstemperatur, kann aber auch aufgrund der Kompressionswärme von dem Kom­ pressor eine etwas höhere Temperatur, beispielsweise 70 bis 80° aufweisen.

Das Düsenmundstück 3 ist von einer Isolieranordnung 9 umgeben, die das Düsenmundstück 3 vor zu großen Wär­ meverlusten durch die Gasströmung 5 schützt. Zusätz­ lich kann zwischen Isolieranordnung 9 und Mundstück 3 eine elektrische Bandheizung 10 angeordnet sein.

Der Raum 7 weist üblicherweise Umgebungsdruck auf, während das Gas im Raum 8 unter einem erhöhten Druck gegenüber dem Raum 7 steht. Bei direkt anschließender Weiterverarbeitung zu Vlies oder anderen Fadenstruk­ turen kann der Raum 7 einen gegenüber Umgebungsdruck, d. h. Atmosphärendruck, etwas erhöhten Druck haben, beispielsweise um einige mbar, der für die Weiterverarbeitung, wie Vlieslegung oder andere Fadensammel­ vorrichtungen benötigt wird.

Die Polymerschmelze wird entsprechend dem Pfeil 2 aus dem Düsenmundstück 3 aus der Spinnbohrung oder - öffnung 4 als Schmelzemonofil ausgepreßt, wird von den Gasstrahlen 5 erfaßt und durch Schubspannungen an seinem Umfang zu geringeren Durchmessern verjüngt. Da die grundsätzlich kalten Gasströme, die Luftströme sein können, es abkühlen, muß es nach wenigen Milli­ metern in den engsten Bereich der Lavaldüse 6 gelangen und somit in ein Gebiet geringeren Druckes. Sobald die Verjüngung so weit fortgeschritten ist und durch die Wirkung der Oberflächenspannung der Schmelze am Fadenmantel der Druck im Innern so weit angestiegen ist, daß er über dem der Gasströmung liegt, kommt es zum Aufplatzen des Monofils, nämlich dann, wenn der Fadenmantel den Schmelzefaden gegen den mit der Fa­ deneinschnüren gewachsenen Innendruck nicht mehr zu­ sammenhalten kann. Das Schmelzemonofil teilt sich in Einzelfäden auf, die sich aufgrund der Temperaturdif­ ferenz zwischen Schmelze und kaltem Gas bzw. Luft und der plötzlich stark angewachsenen Oberfläche der Ein­ zelfäden bezogen auf die Fadenmasse rasch abkühlen. Es ist somit eine bestimmte Anzahl von sehr feinen im Wesentlichen endlosen Einzelfäden entstanden.

Aus der Natur derartiger Aufplatzvorgänge ähnlich Ex­ plosionen folgt, daß die Zahl der entstehenden Fäden nach dem Aufspleißpunkt, der beispielsweise 5 bis 25 mm unter Lavaldüse 6 liegen kann, nicht gleichblei­ bend sein kann. Wegen der kurzen Wegstrecke, die Fa­ den und Gas miteinander bis zum Aufspleißpunkt zu­ rücklegen, ist die Strömungsgrenzschicht um den Faden laminar. Bevorzugt wird auch die Luft von den Zulei­ tungen her möglichst laminar an das Gebiet der Aufspleißung herangeführt. Das hat den Vorteil der ge­ ringeren Strömungsverluste und damit des geringeren Energiebedarfs, die laminare Strömungen gegenüber turbulenten auszeichnen, aber auch einen gleichmäßi­ geren zeitlichen Verlauf des Aufspleißens, weil Stö­ rungen durch turbulente Änderungen fehlen. Die be­ schleunigte Strömung, wie sie in dem Querschnitt der Lavaldüse 6 vorliegt, bleibt laminar und kann sich sogar laminarisieren, wenn vorher eine gewisse Turbu­ lenz vorherrschte.

Der weitere Vorteil des laminaren Ausziehens des Schmelzemonofils bis an den Aufspleißpunkt und auch über ihn hinweg führt zu einem Aufspleißen in gleich­ mäßigere Einzelfäden, weil größere Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit und damit in der auf das Schmelzemonofil und entstandene Einzelfäden einwir­ kenden Schubspannung und im Druck der Gasströmung nicht vorhanden sind. Die Verteilung der Fadendurch­ messer ist, wie sich überraschend gezeigt hat, sehr eng, z. B. können Propylenfäden hergestellt werden, deren Durchmesser sämtlich zwischen 2 und 4 µm lie­ gen.

Wie schon oben ausgeführt wurde, nimmt die Geschwin­ digkeit der Gasströmung gemäß den Pfeilen 5 zur Spinnbohrung 4 hin und dann in der Lavaldüse 6 stän­ dig zu. In dem engsten Querschnitt der Lavaldüse kann sie bis zur Schallgeschwindigkeit anwachsen, wenn das kritische Druckverhältnis, je nach Gas, erreicht ist, bei Luft liegt das Verhältnis zwischen dem Druck in der Kammer 8 und dem Raum 7 etwa bei 1,9.

Die Fäden bewegen sich entsprechend den Pfeilen 21 nach unten und können beispielsweise auf einem nicht dargestellten Band zu einem Vlies abgelegt werden oder anderweitig weiter behandelt werden.

In Fig. 2 ist ein weiteres Beispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei dem die Spinndüse 1 als Zeilendüse ausgebildet ist. Dabei sind insbesondere die Auslaufstellen der Spinndüse 1 mit Mundstück 3 dargestellt, das Nippel 25 aufweist. Diese Form ge­ stattet einen konzentrischen Zutritt des Gases an das Schmelzemonofil, was sich als vorteilhaft für die Aufspleißung, sowohl hinsichtlich der erzielbaren Feinheit der Fäden als auch hinsichtlich der Schwan­ kungsbreite ihrer Durchmesser erwiesen hat.

Im Gegensatz zur Bandheizung 10 nach Fig. 1 sind hier runde Heizstäbe 26 zur Wärmezufuhr für das Düsenmund­ stück 3 gezeigt, das gegen die Gasströmung 5 durch Isolierstücke 27 abgedeckt ist. Die Fäden verlassen die Lavaldüse 6 im breiten Vorhang gemeinsam mit dem Gas und bewegen sich gemäß den Pfeilen 21 auf ein Auffangband 20 zu und werden an dem Bereich 22 zu ei­ nem Vlies 23 abgelegt. Das Vlies 23 verläßt entspre­ chend Pfeil 24 das Gebiet seiner Herstellung.

Eine weitere Ausführungsform der Spinn- und Auf­ spleißvorrichtung entsprechend der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Hier wird wiederum aus einem iso­ lierten Düsenmundstück 3 mit einer oder mehreren Schmelzebohrungen 4 das Schmelzemonofil ausgestoßen und von der seitlich angreifenden Gasströmung 5 er­ faßt und durch Schubspannungskräfte in die Länge zu dünneren Durchmessern verzogen. In der Platte 6' ist im Bereich der Lavaldüse 6 eine Heizvorrichtung 30 eingearbeitet. Auf dem Weg zum engsten Querschnitt der Lavaldüse 6 erhält somit das Schmelzemonofil durch Strahlung Wärme zugeführt. Dadurch wird die Ab­ kühlung durch die grundsätzlich kalten Luft- /Gasströme verzögert. Das Schmelzemonofil gelangt, auf geringeren Durchmesser verzogen, in das Unter­ druckgebiet der Lavaldüse 6 und kann in noch feinere Einzelfäden aufspleißen.

Die folgenden Beispiele erläutern Verfahren und Vor­ richtungen mit den bei verschiedenen Rohstoffen ange­ wendeten wesentlichen Verfahrensdaten und den Fade­ nergebnissen.

Beispiel 1

Über einen Laborextruder (Schnecke mit einem Durch­ messer von 19 mm und L/D = 25) für die Verarbeitung von Polymeren wurde Polypropylen (PP) mit einem MFI (Meltflow index) von 25 (230°C, 2,16 kg) aufgeschmol­ zen und über eine Zahnradspinnpumpe einem Spinnkopf mit einem Düsenmundstück 3, welches 7 Bohrungen 4 in einer Reihe im gleichen Abstand von jeweils 4,5 mm angeordnet mit einem Durchmesser der Bohrungen 4 von 1 mm aufwies, zugeführt. Die schmelzeführenden Lei­ tungen waren durch elektrische Bandheizungen von au­ ßen beheizt. Das Düsenmundstück 3 war nach Fig. 1 an seinen Flanken durch ein keramisches Isolierstück 9 (Kalziumsilikat) gegenüber der Gasströmung darunter isoliert und mittels elektrischen Heizungen beheizt. Unterhalb der Spinndüse 1 befand sich die Kammer 8 für die Gaszufuhr. Als Gas wurde in diesem und in den anderen Beispielen Luft genommen, welche aus einem Preßluftnetz entnommen und von einem Verdichter in dieses eingespeist wurde. Die Kammer 8 war nach unten begrenzt durch eine Platte, die einen die Lavaldüse 6 bildenden Schlitz von 4 mm Breite an ihrem engsten Querschnitt hatte. Die seitlichen Zuführquerschnitte für die Luft in der Kammer hatten eine Höhe von 32 mm, gemessen von der Oberkante der Lavaldüsenplatte 6'. Die Austrittsöffnungen der Bohrungen 4 waren ge­ nau in Höhe der Oberkante der Lavaldüsenplatte 6' an­ geordnet und hatten einen Abstand von 10 mm von dem engsten Querschnitt der Lavaldüse 6.

Schmelzedruck und -temperatur zwischen Spinnpumpe und Anschlußstück an die Spinndüse 1 wurden mit einem DMS-Druckmeßgerät (Dynisco, Typ MDA 460) bzw. einem Thermoelement gemessen.

Die Charakterisierung der erhaltenen Fäden erfolgt durch den aus 20 Einzelmessungen gemittelten Faden­ durchmesser d₅₀, falls benötigt auch durch die Stan­ dardabweichung s.

Die Aufspleißung wird gekennzeichnet durch die theo­ retische Fadenzahl N. Diese gibt an, wieviele Einzel­ filamente des gemessenen mittleren Fadendurchmessers d₅₀ sich mit der maximal möglichen Geschwindigkeit durch den engsten Querschnitt der Lavaldüse 6 bewegen müssen, um die gemessene Schmelzemasse in Einzelfila­ mente umzusetzen. Die maximal mögliche Geschwindig­ keit ist die Gasgeschwindigkeit im engsten Quer­ schnitt der Lavaldüse 6, welche entweder die aus den Bedingungen in der Kammer 8 berechenbare Schallge­ schwindigkeit ist oder, falls das kritische Druckver­ hältnis, welches zum Erreichen der Schallgeschwindig­ keit benötigt wird, nicht erreicht wird, aus diesen Bedingungen mit der Formel von Saint-Venant und Want­ zell berechnet werden kann. Liegt die theoretische Fadenzahl N über 1, kann der beobachtete Fadendurch­ messer nicht durch bloßes Verziehen entstanden sein, dies würde dem Gesetz von der Erhaltung der Masse wi­ dersprechen. Für die beobachteten deutlich über 1 liegenden theoretischen Fadenzahlen N kommt als Er­ klärung nur noch ein Aufspleißen in Frage. Ein mehrfacher Peitschenknalleffekt kann vielleicht Werte knapp über 1 bis 10 erklären, nicht aber die beobach­ teten Werte bis zu 627. Da die tatsächliche Fadenge­ schwindigkeit unter der maximalen liegen muß, wird die tatsächlich erhaltene Einzelfilamentanzahl über der theoretischen liegen.

Bei einer Schmelzetemperatur von 340°C und einem Schmelzedruck zwischen Spinnpumpe und Anschlußstück an die Spinndüse 1 von etwa 1 bar über dem Druck in der Kammer 8, was etwa auch der Druck vor den Spinn­ kapillaren war, und einer über die Spinnpumpe zudo­ sierten Menge von 43,1 g/min, also 6,2 g/min × Loch, ergaben sich die folgenden Fadenwerte bei den ver­ schiedenen Drücken in der Kammer 8 über dem Atmosphä­ rendruck in Raum 7:

0,25 bar d₅₀ = 7,6 µm, N = 123

0,5 bar d₅₀ = 4,4 µm, N = 276

1,0 bar d₅₀ = 3,9 µm, N = 283

Werden pro Bohrung 4 statt 6,2 g/min nur 4,6 g/min durchgesetzt, wird bei einem Druck in der Kammer 8 von 0,5 bar ein d₅₀ von 3,0 µm anstatt 4,4 µm er­ reicht.

Wie wichtig eine genaue Abstimmung von Schmelzetempe­ ratur, Schmelzemenge und Gasströmung ist, zeigt das folgende Beispiel für eine Abstand der Bohrungen 4 von 15 mm, einen Durchsatz pro Bohrung 4 von 4,6 g/min und einen Druck in der Kammer 8 von 0,5 bar:

Schmelzetemperatur 340°C d₅₀ = 3,0 µm, s = 0,8 µm, N = 187

Schmelzetemperatur 305°C d₅₀ = 8,2 µm, s = 4,7 µm, N = 25.

Offensichtlich ist es so, daß sich um die Monofilamente schon ein kalter Mantel gebildet hat, der ein Aufspleißen stark behindert. Es wird nicht das gesam­ te Monofil aufgespalten, sondern nur ein Teil, was daran zu erkennen ist, daß zwar der minimal beobach­ tete Fadendurchmesser sich nicht verändert hat (eini­ ge spleißen also auf), nun aber auch einige Einzelfi­ lamente mit einem Durchmesser von mehr als 10 µm auf­ treten. Dort ist dann kein Spleißen eingetreten. Bei der höheren Temperatur dagegen liegen alle Einzelfi­ lamente zwischen 1,6 µm und 4,8 µm. Die größere Streuung der Fadendurchmesser findet ihren Nieder­ schlag in der deutlich größeren Standardabweichung.

Eine Ausführung des Mundstückes 3 mit Nippeln 25 ge­ mäß Fig. 2 erlaubt die Herstellung deutlich feinerer Fäden mit kleinerer Schwankungsbreite und/oder eine deutliche Durchsatzsteigerung. So wurden für eine Temperatur von 370°C, einen Abstand der Bohrungen 4 von 15 mm, einen Abstand der Austrittsöffnungen der Bohrungen 4 vom engsten Querschnitt der Lavaldüse von 8,5 mm (die Auslauföffnungen tauchen 1,5 mm in die gedachte Ebene der Lavaldüsenplatte ein) und einen Druck in der Kammer 8 von 0,75 bar die folgenden Fa­ denwerte erhalten:

6,2 g/min × Loch d₅₀ = 2,1 µm, s = 0,30 µm, N = 445

12,3 g/min × Loch d₅₀ = 2,5 µm, s = 0,60 µm, N = 627.

Beispiel 2

Mit der Einrichtung aus Beispiel 1 wurde Polyamid 6 (PA6) mit einer relativen Viskosität η_rel = 2, 4 einem Düsenmundstück 3 mit 58 Bohrungen 4 im Abstand von 1,5 mm und einem Durchmesser von 0,4 mm zugeführt. Der Abstand der Austrittsöffnungen der Bohrungen 4 vom engsten Querschnitt der Lavaldüse war 12,0 mm (die Auslauföffnungen endeten 2,0 mm oberhalb der ge­ dachten Ebene der Lavaldüsenplatte). Mit einem Durch­ satz pro Bohrung 4 von 0,25 g/min und einem Druck in der Kammer 8 von 0,02 bar über der Umgebung wurden Filamente mit einem mittleren Durchmesser d₅₀ von 4,1 µm erzeugt.

Beispiel 3

Mit der Einrichtung aus Beispiel 1 wurde Polypropylen (PP) mit einem MFI von 25 (230°C, 2,16 kg) einem Dü­ senmundstück 3 mit 3 Bohrungen 4 im Abstand von 15 mm und einem Durchmesser von 1,0 mm zugeführt. Koaxial zu den 3 Bohrungen 4 waren in der Lavaldüsenplatte 3 einzelne rotationssymmetrische Lavaldüsen 6 angeord­ net. Die Austrittsöffnungen der Bohrungen 4 waren ge­ nau in Höhe der Oberkante der Lavaldüsenplatte ange­ ordnet und hatten einen Abstand von 4,5 mm von dem engsten Querschnitt der Lavaldüsen 6. Bei einem Druck in der Kammer 8 von 0,75 bar über der Umgebung 7 und einem Durchsatz pro Bohrung 4 von 9,3 g/min wurden Einzelfilamente mit einem mittleren Durchmesser d₅₀ von 4,9 µm hergestellt. Es ergibt sich in diesem Fall eine theoretische Fadenzahl von 123.

Von Interesse ist bei dieser Betriebsweise die Beob­ achtung, daß sich der Aufplatzpunkt im Vergleich zu Beispiel 1 deutlich in Richtung des engsten Quer­ schnittes der Lavaldüsen 6 verschoben hat. Während sich im Fall der schlitzförmigen Lavaldüse 6 dieser Punkt etwa 25 mm unterhalb des engsten Querschnittes befindet, beträgt der Abstand im Fall der rotations­ symmetrischen Lavaldüse 6 nur etwa 5 mm. Die Beobach­ tung wird damit erklärt, daß durch die rotationssym­ metrische Umfassung des Schmelzefadens höhere Schub­ spannungen auf ihn übertragen wurden, er deshalb schneller auf den Aufplatzpunkt ergebenden geringeren Durchmesser verzogen wird. Außerdem fällt der Druck im Freistrahl nach dem Verlassen der Lavaldüse 6 nicht schlagartig auf den Umgebungsdruck ab, sondern erst nach einer gewissen Lauflänge. die Freistrahl­ charakteristiken sind jedoch im ebenen Fall andere als im rotationssymmetrischen.

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung von im Wesentlichen endlosen feinen Fäden aus schmelzbaren Polyme­ ren, bei dem Polymerschmelze aus mindestens ei­ ner Spinnbohrung ausgesponnen wird und der aus­ gesponnene Faden durch mittels einer Lavaldüse auf hohe Geschwindigkeit beschleunigte Gasströme verzogen wird, wobei bei gegebener Geometrie der Schmelzebohrung und ihrer Lage zur Lavaldüse die Temperatur der Polymerschmelze, ihr Durchsatz pro Spinnbohrung und die die Geschwindigkeit der Gasströme bestimmenden Drücke vor und hinter der Lavaldüse so gesteuert werden, daß der Faden vor seinem Erstarren einen hydrostatischen Druck in seinem Inneren erreicht, der größer ist, als der ihn umgebende Gasdruck, derart, daß der Faden platzt und sich in eine Vielzahl feiner Fäden aufspleißt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gasströmung um den mindestens einen Faden laminar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Raum hinter der Lavaldüse Umgebungsdruck aufweist oder bei Wei­ terverarbeitung der Fäden auf einem für die Wei­ terverarbeitung notwendigen Druck etwas über Um­ gebungsdruck liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die den Faden verzie­ hende Gasströme Umgebungstemperatur oder eine aus ihrer Zufuhr bedingte Temperatur aufweisen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Drücke in dem Raum über und unter der Lavaldüse bei der Verwendung von Luft abhängig von dem Po­ lymer, dessen Durchsatz und Schmelztemperatur zwischen 1,02 und 2,5 gewählt wird.

6. Verfahren nach einem der Anspräche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der aus der Spinnboh­ rung austretende Faden im Bereich der Lavaldüse durch Strahlung beheizt wird.

7. Verfahren nach einem der Anspräche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Fä­ den ausgesponnen und aufgespleißt werden, die zu einem Vlies abgelegt oder zur Garnen weiterver­ arbeitet werden.

8. Verwendung der an sich bekannten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 7 mit einem mit einer Zuführvor­ richtung für die Schmelze verbundenen Spinnkopf, einer in dem Spinnkopf aufgenommenen und minde­ stens eine Spinnbohrung aufweisenden Spinndüsen­ anordnung, die ein Schmelzemonofil ausspinnt, einer unterhalb des Spinnkopfes (11) liegenden Platte (6'), die eine in fester geometrischer Zuordnung zu der Spinnbohrung (4) angeordnete Lavaldüse (6) aufweist, wobei zwischen Platte (6') und Spinnkopf (11) ein mit einer Zuführung von Gas (5) versehener geschlossener erster Raum (8) gebildet ist und unterhalb der Platte (6) ein zweiter Raum (7) vorgesehen ist und wobei der Durchsatz der Schmelze pro Spinnbohrung (4), die Temperatur der Schmelze sowie der Druck im ersten und zweiten Raum so eingestellt ist, daß das ausgesponnene und von der Strömung des Gases geförderte Schmelzemonofil nach Verlassen der Lavaldüse (6) von seinem Erstarren einen hy­ drostatischen Druck erreicht der größer ist als der ihn umgebende Gasdruck, derart, daß der Fa­ den platzt und sich in eine Vielzahl feiner Fä­ den aufspleißt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spinnanordnung (3) gegen den ersten Raum (8) im Bereich der mindestens einen Spinnbohrung (4) durch eine Isolieranordnung (9) isoliert ist und/oder im Bereich der mindestens einen Spinnbohrung (4) beheizt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung der mindestens einen Spinnbohrung (4) im Bereich der Lavaldüse (6) in der Höhe der Oberkante der Platte (6'), um einige mm über der Oberkante der Platte liegt oder einige mm in die Lavaldüse (6) hineinragt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spinndüsenanord­ nung eine Mehrzahl von gegebenenfalls mit Nip­ peln versehene Spinnbohrungen (4) aufweist, die eine Zeile oder mehrere parallel liegende Zeilen bilden.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte minde­ stens eine langgestreckte Lavaldüse aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte eine Mehrzahl von rotationssymmetrischen Lavaldüsen aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ablegeband zur Ablage der Fäden und Bildung eines Vlieses vor­ gesehen ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufwickelvor­ richtung zum Aufwickeln der Fäden vorgesehen ist.

16. Vlies hergestellt aus Fäden, die mit dem Verfah­ ren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 erzeugt wurden.

17. Garne hergestellt aus Fäden, die mit dem Verfah­ ren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 erzeugt wurden.