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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von Spinnvliesen
nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Bei
der Herstellung von Flächengebilden
aus faserigen Stoffen ist man im Allgemeinen bestrebt, diese möglichst
gleichmäßig zu einer
Warenbahn abzulegen, ob es sich nun um sehr kurze Faserstücke wie
bei Papier oder Zellstoff oder um Stapelfasern aus synthetischen
Polymeren oder Naturfasern wie Wolle oder Baumwolle handelt. Bei
Spinnvliesen, also Vliesstoffen aus endlosen Fäden direkt aus der Schmelze
oder Lösung, im
Allgemeinen mit Luftströmungen
verzogen und mit Hilfe derselben zu einem Vlies abgelegt, gelingt
dieses schlechter. Der Grund ist, dass nicht einzelne individuelle
Partikel abgelegt werden, sondern der in Ablage befindliche Fadenteil
von dem nachfolgenden be einflusst wird, weil er mit ihm verbunden
ist. Deshalb erhält
man sehr gleichmäßige Vliesstoffe
nach den sog. Air-laid Verfahren aus Zellstoff, dann folgen sehr
kurze Stapelfasern und erst danach mit höherer Ungleichmäßigkeit
Spinnvliese aus endlosen Fäden.
Die Herstellung der Spinnvliese hat aber wirtschaftlich große Vorteile
gegenüber
der separaten Herstellung von Kurz- oder Stapelfasern und anschließender Legung
in einem gesonderten Arbeitsschritt, und die Festigkeit der Spinnvliese
ist aufgrund ihrer endlosen oder im Wesentlichen endlosen Fäden deutlich
höher.
Höhere
Wirtschaftlichkeit und bessere Eigenschaften haben den Spinnvliesen
zunehmend Marktbereiche erobert.
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Kennzeichen
von Spinnvliesen gegenüber
denen aus Kurzfasern ist, dass sie "wolkiger" sind, d.h. dass größere Unterschiede in der Anhäufung von
Fasermaterial und abwechselnd Mangel desselben in der Fläche zu erkennen
sind, was allgemein als Wolkigkeit bezeichnet wird und sich in unterschiedlichster
Weise nachteilig auswirkt: Die Reißfestigkeiten sind unterschiedlich,
die Möglichkeit
des Durchschlags von Feuchtigkeit oder anderen Medien, die gerade
abgeschirmt werden sollen, oder die Abscheidung von Stäuben in
Filtern, nass oder trocken, ist unterschiedlich und erreicht insgesamt
nicht die Grade, die man bei gleichmäßigerer Verteilung erhalten
könnte.
Man muss bei den gewünschten
Einsatzzwecken mehr Rohstoff aufwenden als bei einer gleichmäßigen Verteilung
notwendig wäre
und hat bei der Abscheidung von Teilchen in Filtern mit höherem Energieverbrauch
der Gebläse
bzw. Pumpen für
das zu filternde Medium zu rechnen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die Gleichmäßigkeit der Fadenablage bei
Spinnvliesen zu erhöhen.
Als solche gelten sowohl allgemeine Spinnvliese, wobei der Faserrohstoff,
die Spinnmasse, aus Spinndüsen
zu Fäden
ausgepresst und nach deren Abkühlung
durch einen Abzugskanal einem Auffangband zugeführt werden oder in den sog.
Meltblown-Verfahren durch Heißluft
beiderseits der in Zeilen angeordneten Düsenbohrungen direkt aus diesen
abgezogen werden oder in einem neuen Verfahren nach
DE 199 29 709 C2 ,
EP 1 358 369 B1 (im
Folgenden auch Nanoval-Verfahren genannt) über eine beschleunigte Gasströmung in
einer zunächst
konvergent, sich dann erweiternden Düse, einer sog. Lavaldüse, dem
Auffangband zugefördert
werden. Um dabei die Ablage der Fäden zu einem Fadenverbund,
einem Vliesstoff, nicht allein der stochastischen Ablage aus den
turbulenten Luftbewegungen zu überlassen,
sondern diese Zufälligkeit
von außen her
zu beeinflussen, hat man Methoden der Schwenkung der Fadenscharen
geschaffen oder auch sich diffusorartig erweiternde Kanäle eingesetzt,
in denen die Verzögerung
der zunächst
gradlinig verlaufenden Fäden und
die Einleitung einer 3-dimensionalen Verschlingung vor der Ablage,
d.h. die Einleitung der späteren
Wirrlage, bereits im Kanal beginnt mit allen in der Literatur bekannten
Problemen solcher Diffusorkanäle.
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Eine
weitere Möglichkeit
ist, dass man die begleitenden Luftströme seitlich absaugt und somit
zu einer Verzögerung
der Fadenschar vor ihrer Ablage auf einem Siebband kommt, unter
dem die restliche Luft dann abgesaugt wird wie es
EP 0 598 463 B2 beschreibt.
Studien wie in Chemiefaser/Textilindustrie 37./89. Jahrgang, S.
689–701
zeigen sehr deutlich die Wolkigkeit bzw. Löchrigkeit derartiger Fadenverbände, ob
nun versucht wird, durch Schwenkung eine Überlappung einzelner Spinndüsenbahnen
zu erreichen, aber auch die grundsätzliche Struktur derartiger
Wirrvliese aus Endlosfäden
in Random-Ablage: Charakteristisch sind immer Fadenanhäufungen
und 'Löcher'. Diese gilt es zu
vermindern mit dem Ziel kleinstmöglicher
Gewichtsverteilungsunterschiede des Faserstoffes im späteren Vlies.
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Will
man auf die besonderen Eigenschaften der Spinnvliese aus endlosen
Fäden möglichst
wenig verzichten und dennoch eine höhere Gleichmäßigkeit
erzielen, so löst
die vorliegende Erfindung das Problem dadurch, dass aus einer Spinndüse endlose
oder im Wesentlichen endlose Fäden
ausgesponnen werden und gleichzeitig in derselben Fadenreihe oder
so dicht daneben, dass es zu einer Vermischung immer noch kommen
kann, zusätzlich
endlich lange Fäden
ausgesponnen werden. Während
sich die endlosen Fäden
in der beschriebenen Weise schlaufenförmig zu schwer zu vergleichmäßigenden
Faserstoffanhäufungen
und -mängeln
ablegen, können
sich die Fasern bevorzugt in die weniger dicht belegten Stellen,
also die mit Faserstoffmängeln,
ablegen, denn die Gas-, im allgemeinen Luftströme, treten durch die dünneren Stellen
wegen des geringeren Widerstandes bevorzugt hindurch und tragen
die Fasern mit dahin. Man hat diesen Effekt sich zu Nutze gemacht,
indem man bei Spinnvliesanlagen, insbesondere auch Meltblown-Anlagen,
mehrere Balken hintereinander schaltet, so dass der folgende Spinnbalken
seine Fäden
oder Fasern bevorzugt in die Mangelstellen, also die Täler, ablegt
und weniger auf die bereits vorhandenen Berge oder Wolken.
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Eine
besondere Anwendung ist die Verbesserung der Gleichmäßigkeit
von Spinnvliesen nach dem Nanoval-Verfahren. Bei diesem Verfahren werden
im Wesentlichen endlose Fäden
ausgesponnen, die durch ein Aufspleißen aus einem flüssigen Monofil
erzeugt werden.
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Das
geschieht dadurch, dass sich im Inneren des flüssigen Fadenmaterials, Schmelze
oder Lösung, durch
die Einwirkung hoher Schubspannungen am Fadenmantel mittels in der
Regel kalter Luftströme
ein Druck aufbaut. Überwiegt
dieser den äußeren abgefallenen
Druck in der beschleunigten Strömung
um ein bestimmtes Maß,
so kommt es zum Aufspleißen
des flüssigen,
außen
schon etwas erkalteten Faserstoffes und zu feineren Fäden als
das ursprüngliche
Monofil bzw. Film.
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Gegenstand
der Erfindung ist es nun, dass man insbesondere bei diesen Verfahren
der durch Aufspleißen
erzeugten im Wesentlichen endlosen Fäden mindestens zwei Faserarten
hat, nämlich
endlose Fäden
und endlich lange Fasern. Die Fasern haben in der Anwendung oft
den Nachteil, dass sie sich aus dem Verbund, wie auch immer sie
miteinander verbunden sind um ein Herauslösen zu vermeiden, heraus lösen können durch mechanische
Beanspruchung. Werden nun nach der Erfindung diese mindestens zwei
unterschiedlichen Fadenarten gleichzeitig und dicht nebeneinander
ausgesponnen, so können
die endlosen die endlich langen Faserstücke einbinden, so dass das
Herauslösen
im späteren
Vlies erschwert ist unter dem gleichzeitigen Vorteil, so dass die
Bedeckung der Fläche
gleichmäßiger wird
entsprechend der gestellten Aufgabe.
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Es
hat sich gezeigt, dass man mit den genannten beiden Verfahren mehr
Fasern endlicher Länge
erzeugen kann, wenn man die Temperatur von schmelzspinnbaren Polymeren,
und das gilt auch grundsätzlich für Lösungen,
erhöht
und noch mehr, wenn man gleichzeitig die Gasgeschwindigkeit der
sie ausstreckenden Luftströme
erhöht,
also mit höherem
Luftdruck verzieht. Durch den Aufplatzeffekt gibt es eine größere Anzahl von
feineren Fäden
aus dem ursprünglichen
Monofil und sie reißen
bei höherer
Luftgeschwindigkeit auch ab. Genau das ist bezweckt zur Erzielung
höherer
Vliesgleichmäßigkeit.
Das gilt für
die Nanoval-Verfahren wie auch für
Meltblown-Verfahren, wo man meist übersehen hat, dass sich das
Schmelzemonofil auch aufspleißen kann.
Konzentriert man sich auf die Erzeugung möglichst hoher Anteile von feinen
endlich langen Fasern, so hat man in dieser Weise zu verfahren.
Die folgenden Beispiele zum Nanoval-Verfahren in Tabelle 1 zeigen
es. Dort sind einige Spinneinstellungen für Polypropylen (PP) mit einem
Schmelzindex/Melt-flow index MFI von 25 zusammengestellt für das Verfahren
nach
DE 199 29 709
C2 . Der Durchmesser der Spinnbohrungen betrug 0,6 mm. Sie
waren auf einer Zeile von 20 cm Länge gleichmäßig im Abstand von 10 mm bei
Lauf 1 bis 6 und 2 mm bei Lauf 7 bis 8 verteilt.
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Von
den zu einem Vlies von etwa 20 cm Breite abgeleg ten Fäden bzw.
Fasern wurden die Fadendurchmesser mit je 20 Messungen auf dem Schirm
eines Projektionsmikroskops bestimmt und daraus der als arithmetisches
Mittel mittlere Durchmesser d5 0.
Weiter wurden die Anteile der ausgemessenen Fadenabschnitte X1 unter 2 μm
und X2 unter 1 μm bestimmt. Bei allen Einstellungen
bis auf Lauf 3 entstanden auch Fasern. Das merkte man daran, dass
Faserflusen zwischen Spinndüse
und Auffangband auftraten und sich, weil die Absaugung darunter
nicht sehr stark eingestellt war, im Raum verteilten, u.a. sich
auf der Kleidung des Bedienpersonals niederlegten – ein deutliches
Indiz für
Fasern. Im Allgemeinen haben diese Flusen die feineren Durchmesser,
also unter d50 und in die Bereiche X1 und X2 hinein.
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Der
Befund dieser Messreihen ist folgender: Mehr und feinere Fasern
traten bei höheren
Temperaturen der zu verspinnenden Schmelze auf. Höhere Gasgeschwindigkeit,
erzeugt durch höheren
Luftdruck vor der Lavaldüse,
wirkt in die gleiche Richtung. Dabei kann sich durch Abkühlung der
Spinndüsenspitze – die "Temperatur Spinndüse" in Tabelle 1 wurde
im Verteilerraum über
den Spinndüsenvorbohrungen
gemessen – eine Umkehr
zu wieder dickeren Fäden
und weniger Fasern einstellen, vermutlich war es bei Lauf 3 so.
Höherer Durchsatz
pro Loch vermindert die Bildung feiner Fasern und damit den Anteil
der Fasern an der Gesamtmenge Fasern plus Fäden. Es lässt sich denken, dass man bei
Durchsätzen
deutlich über
2 g/min die Temperatur, aber vor allem die Luftgeschwindigkeit für die Aufbringung
von Schubspannungen am Faden- oder Filmmantel erhöhen muss.
Auch eine möglichst
frühzeitige
Erfassung des Schmelzestroms nach seinem Austritt aus der Spinnbohrung
und dies möglichst
parallel zu ihm durch entsprechende Gestaltung der Düsenspitze
und der Lavaldüsenwandung
bringt weiter zu dem Ziel der Erzeugung von mehr und feineren Fasern.
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Mit
höherem
Anteil der Fasern verbesserte sich das Vliesbild zu geringerer Wolkigkeit.
Wegen der schmalen Vliesbreite wurde dies nur subjektiv durch individuelle
Einschätzungen
festgestellt; eine objektive Auswertung, ohnehin nicht einheitlich
für Vliesstoffe
geregelt, unterblieb. Die Gewichtsverteilungen schwankten weniger,
nämlich
von anfänglich
um CV = 10% mit zunehmendem Faseranteil (in den als Beispiel gegebenen
Läufen
mit PP dabei auch zunehmender Flusenentwicklung) gegen 4% in Einzelfällen. Dabei
muss bedacht werden, dass bei der schmalen Bahn Einflüsse von
den beiden Vliesrändern
her und mögliche
Schwankungen der Schmelzeverteilung in dieser kurzen Düse wenig "gesunde" Vliesbreite übrig ließen.
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Der
subjektive Eindruck vom Vliesbild bestätigte aber dessen Verbesserung
in Richtung höherer Gleichmäßigkeit
mit zunehmendem Faseranteil und auch mit zunehmender Faserfeinheit.
Geht man davon aus, dass besonders die als feinere und feinste festgestellten
endlich lange Fasern sind und weniger endlose Fäden, so entspricht das dem
Ziel der Erfindung.
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Bei
den Nanoval-Verfahren bietet sich an, die Spinndüse in ihrem unteren Teil im
Bereich der Austrittsöffnungen über die
Länge der
Düsenzeile
unterschiedlich zu beheizen, indem man den elektrischen Heizleiter in
Abschnitten unterschiedlich in der Leistung dimensioniert, oder
zwischen ihm und dem umgebenden Material bewusst Spalte herstellt,
damit dort die Wärmezufuhr
an die Spinnbohrungen geringer ist und mehr im Wesentlichen endlose
Fäden erzeugt
werden.
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Neben
der Steuerung des Anteils feinerer endlicher langer Fasern im Vlies
zu deren stärkerer
Ablage in den von den Endlosfäden
geschaffenen Fadenmangelstellen durch die Verfahrensparameter Durchsatz, Temperatur
und Gas- bzw. Luftgeschwindigkeit, kann man auch Unterschiede in
der Geometrie der Spinnbohrungen schaffen, so etwa im Schnitt durch
die Spinndüsenspitze
längs der
Bohrungsreihe in 1, wo auf zwei normale' Bohrungen eine mit
geringerem Durchmesser oder auch längerer Vorbohrung oder Endbohrung
(in 1 nur für
die Endbohrung gezeigt) jeweils folgen.
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Es
können
auch Bohrungsreihen nebeneinander liegen, z.B. mit einem Abstand
ihrer Mitten von 1 bis 3 mm, wobei auf einer Reihe die feineren,
auf der anderen die gröberen
Löcher
liegen wie in 2 gezeigt als Ansicht von unten
gegen die Düsenzeile.
Das bringt bei den Spleißspinnverfahren
von Nanoval die Möglichkeit,
sie seitlich unterschiedlich anzuströmen nach Geschwindigkeit oder
Temperatur, um auch hier wieder deutliche Unterschiede durch mindestens
zwei Faserarten zu haben. Anders als beim Nanoval-Verfahren kann man
die Luftströmung
auch sich verzögern
lassen, etwa indem man ihr die Möglichkeit
zur Vermischung mit Umgebungsluft gibt zum Zweck der Steuerung des
Anteils von Fasern endlicher Länge.
Statt nur runder Bohrungen kann man auch Schlitze oder anders geformte
Spinnöffnungen
einsetzen, um dieses Ziel zu verfolgen. Filme zerspleißen anders
als Monofile, meistens weniger regelmäßig, z.B. in Strukturen aus
Faser- und filmartigen Stücken
mit sie verbindenden Schwimmhäuten.
Die Schlitze können
sich auch mit runden Bohrungen abwechseln.
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In 3 ist
schematisch eine Spinnbohrungs- und La valdüsenanordnung nach dem Nanoval-Verfahren
dargestellt, wobei die Spinnbohrungen in jeweils einem Nippel enden
und im dargestellten Ausführungsbeispiel
für jede
Spinnbohrung unter ihr eine Lavaldüse angeordnet ist. Selbstverständlich können anstelle
der Spinnbohrungen nach 3 auch die Spinnbohrungen nach
den 1 und 2 vorgesehen werden.
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Wie
schon ausgeführt
wurde, kann der jeweilige Anteil an Fasern bzw. Fäden durch
unterschiedliche Durchsätze
und/oder unterschiedliche Gasgeschwindigkeiten, mit denen die Fäden ausgezogen
und/oder aufgespleißt
werden, und unterschiedliche Temperaturen der Schmelze in den Spinnbohrungen
eingestellt werden. Es sei bemerkt, dass unter dem Begriff "Spinnbohrung" jede Form fallen
soll, d.h. z.B. auch ein Spinnschlitz.
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Zum
Vorsehen der unterschiedlichen Durchsätze können, wie schon ausgeführt, die
Spinnbohrungen unterschiedliche Abmessungen, Durchmesser oder Formen
bzw. Geometrien, sowie unterschiedliche Widerstände in den Vorbohrungen der
Spinnöffnungen
durch Erhöhen
des Durchmessers oder der Länge.
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Unterschiedliche
Gasgeschwindigkeiten können
aufgrund unterschiedlicher Druckverhältnisse eingestellt werden,
aber auch, insbesondere bei dem Nanoval-Verfahren, durch Änderung der Düsenspitzen
oder der Lavaldüsenkonfigurationen,
der Form der Nippel, der Abmessungen der Lavaldüse (bei längeren Lavaldüsen wird
mehr gezogen) und durch die geometrischen Anordnungen der Austrittsöffnungen
der Bohrungen zu der bzw. den Lavaldüsen. Je nach gewünschter
Wirkung können
eine Reihe von Spinnbohrungen eine lang gestreckte Lavaldüse, jeder
Spinnbohrung eine Lavaldüse
oder einer Gruppe von Spinnbohrungen eine lang gestreckte Lavaldüse zugeordnet
sein.
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Zur
Erzielung der unterschiedlichen Temperaturen der Spinnmasse in den
Spinnbohrungen bzw. der der daraus austretenden Spinnmasse, indem
die Düsen
unterschiedlich beheizt werden, beispielsweise segmentweise über die
Düsenlänge der
Düse beheizt
wird, so dass höhere
Temperaturen an der Düsenspitze
mit niedrigeren abwechseln. Es kann aber auch eine unterschiedliche
Wärmeisolierung
jeweils an den Düsenspitzen
gegen Wärmeabfuhr
und Gras und Spinnstoff vorgesehen sein.
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Denkbar
ist auch, dass mindestens zwei unterschiedliche Spinnrohstoffe verwendet
werden und der Spinnvorrichtung zugeführt werden. Diese Zuführung kann
derart geschehen, dass der eine Rohstoff bestimmten ersten Spinnbohrungen
und der andere Rohstoff bestimmten zweiten Spinnbohrungen zugeleitet
wird. Dabei sind die ersten und zweiten Spinnbohrungen, wie schon
oben ausgeführt,
alternierend angeordnet.
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Das
herzustellende Vlies kann auch aus Bi- oder Mehrkomponentenfäden hergestellt
werden, die aus einer Spinnvorrichtung der oben beschriebenen Arten
hergestellt werden, wobei die jeweiligen Düsen bzw. Spinnbohrungen als
Mehrkomponenten-Spinnbohrungen ausgebildet sein müssen. Grundsätzlich werden
die im Wesentlichen endlos langen Fäden und die endlich langen
Fäden unter
Beeinflussung der oben angegebenen Parameter in gleicher Weise hergestellt.
