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Verfahren und Vorrichtung zur Avivierung von Fasern, Fäden und Flächengebilden
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum quantitativen Aufbringen
von flüssigen Systemen in dünner Schicht auf gleichförmig bewegte Fasern, Fäden
oder Flächengebilde im Einwegverfahren.
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Das Beschichten von Fasern und Fäden mit flüssigen Systemen, z.B.
mit Spinnpräparationen, dient vor allem dazu, das Gleiten der Fäden bzw. Fasern
zu erleichtern. Daneben dient die Beschichtung vielfach als Antistatikum bei den
folgenden Verarbeitungsprozessen. Als Präparationsflüssigkeit wird oft eine Öl-in-Wasser-Emulsion
verwendet.
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Bei einem bekannten Verfahren zum Aufbringen einer Emulsion werden
die Fäden an einer rotierenden porösen Walze (Galette) tangential vorbeigeführt.
Die Galette taucht in eine mit der Emulsion gefüllte Wanne und überträgt durch ihre
Rotation die Emulsion auf die Fäden. Die übertragene Emulsionsmenge kann durch die
Rotationsgeschwindigkeit der Galette dosiert werden. Die Dosiergenauigkeit ist jedoch
gering. Von ungünstigem Einfluß ist auch die ständige Rückwirkung der Fäden auf
die Emulsion. Dadurch kommt es zu Alterungserscheinungen und die Emulsion verändert
sich in ihren physikalischen Eigenschaften.
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Der Nachteil der Alterung wird bei der sogenannten Einwegpräparation
vermieden. Faserbänder werden im allgemeinen in Bädern aviviert. Diese Art der Avivierung
hat jedoch mehrere Nachteile.
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In Bädern ist eine Dosierung der Avivagemittel nur in sehr engen Grenzen
möglich. Durch die mit dem Faserband in das Avivagebad eingeschleppten Verunreinigungen
wird das Avivagemittel laufend in seiner Zusammensetzung verändert. Dies führt letztlich
zu einem zeitlich veränderlichen Auftrag. Um diesen zu vermeiden, müssen verunreinigte
Avivagemittel in gewissen Zeitabständen ersetzt werden. Dies führt zu einem Abwasserproblem.
Im allgemeinen wird im Anschluß an die Avivierung das Faserband getrocknet. Hierbei
wird ein großer Teil des Avivagemittels abgesaugt. Dies führt einerseits zu einem
Abluftproblem, andererseits zu schlechter Konstanz der Menge des aufgetragenen Avivagemittels.
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Um die drei erstgenannten Nachteile abzumildern, wurden Verfahren
vorgeschlagen und auch angewandt, bei denen das Avivagemittel mittels einer oder
mehrerer Sprühdüsen (Zweistoff-Düsen) auf das Faserband im Einwegverfahren aufgetragen
wird. Hierbei wird ein hoher Zerstäubungsgrad angestrebt, was durch Anwendung von
Druckluft erreicht wird. Derartige Sprühgeräte sind z.B.
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in "Textil-Praxis" 23 (1968) Nr. 11, S. 723 und in den Patentschriften
US-PS 3 160 941, OE-PS 265 938 sowie in dem Gebrauchsmuster 7 033 36c beschrieben.
Ein wesentlicher Nachteil der Sprüh-Avivage besteht in dem hohen Avivagemittel-Verlust.
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Der größte Teil des Avivagemittels gelangt nicht auf das Faserband,
sondern wird vorbeigesprüht. Zum Schutz von Mensch und Maschine muß diese Avivierung
in einem weitgehend geschlossenen Kasten durchgeführt werden0 Die eingeblasene Druckluft
und damit ein großer Teil des am Faserband vorbeigesprühten Aerosols werden an dem
oberen Kastenende abgesaugt. Hierdurch entsteht ein Abluftproblem. Ein anderer Teil
des vorbeigesprühten Aerosols schlägt sich an den Kastenwänden nieder und läuft
als Flüssigkeit verunreinigt mit Faserstückchen und Staubteilchen am unteren Kastenende
ab. Hierdurch entsteht
ein Abwasserproblem0 Die Sprühavivage hat
erhöhte Kosten sowohl für die Lösung der Umweltverschmutzungsprobleme als auch den
Verlust an Avivage zur Folge. Die auf das Faserband aufgebrachte Avivagemenge kann
bei diesem Verfahren nicht unmittelbar aus den Apparateparametern und Betriebsdaten
abgeleitet werden. Sie muß vielmehr auf dem Wege eines Kalibrierprozesses bestimmt
werden, der für jeden Faserbandtyp wiederholt werden muß.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches
und umweltfreundliches Einwegverfahren mit hoher Dosiergenauigkeit zu entwickeln.
Das bereitgestellte Avivagemittel soll möglichst quantitativ auf die Fasern aufgetragen
werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit Hilfe von
rotierenden Düsen mindestens ein zusammenhängender, ortsveränderlicher Flüssigkeitsstrahl
erzeugt wird, der auf die mit der Geschwindigkeitskomponente v senkrecht zum Flüssigkeitsstrahl
vorbeibewegten Fasern, Fäden oder Flächengebilde auftrifft. Dabei wird die Geschwindigkeitskomponente
v und die Frequenz der Düsen so gewählt, daß die senkrecht zur Rotationsachse in
der Zeiteinheit vorübergeführte Fläche der Fäden, Fasern bzw0 Flächengebilde kleiner
oder gleich der von dem Flüssigkeitsstrahl in der Zeiteinheit überstrichenen Fläche
ist. Vorteilhaft wird die Düsenfrequenz kleiner als 200 Hz gewählt. Man mußte zunächst
erwarten, daß der Flüssigkeitsstrahl bei höheren Frequenzen in kleine Tröpfchen
"zerreißen" würde.
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Es gelingt jedoch innerhalb eines überraschend weiten Frequenz bereiches,
einen stabilen zusammenhängenden Flüssigkeitsstrahl zu erzeugen.
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Entsprechend einer Weiterentwicklung der Erfindung werden
Flüssigkeitsstrahlen
erzeugt, die eine Rotationsbewegung mit unterschiedlichen Radien ausführen. Damit
wird ein besonders gleichmäßiger Auftrag erzielt.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde eine spezielle
Apparatur entwickelt. Sie besteht erfindungsgemäß aus einer geschlossenen Kammer,
in die zwei rotierende einander gegenüberstehende Düsensysteme eingebaut sind. Die
geschlossene Kammer ist mit Öffnungen versehen, durch die die Fäden, Fasern oder
Flächengebilde senkrecht zur Rotationsachse in die Symmetrieebene der beiden Düsensysteme
hindurchgeführt sind. Vorteilhaft besteht ein Düsensystem jeweils aus zwei Düsen,
deren Abstände von der Rotationsachse sich etwa wie 1:2 verhalten.
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Gegenüber der bekannten Sprüh-Avivage hat die Erfindung den Vorteil,
daß mit einem Einstoffsystem gearbeitet wird; d.h.
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die bereitgestellte Avivage-Flüssigkeit wird in einem direkten Arbeitsgang
praktisch quantitativ auf die Fasern, Fäden oder Flächengebilde aufgetragen, während
bei dem Versprühen die gesamte umgebende Atmosphäre von dem Aerosol erfüllt ist.
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Damit entfallen von vornherein alle Probleme hinsichtlich des Abtransportes
des Aerosols und der Reinigung der Abluft. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit
umweltfreundlicher und zudem von höherer Wirtschaftlichkeit.
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Wichtig ist ferner, daß eine wesentlich genauere Dosierung möglich
ist. Die Auftragsmenge d.i. z.B. die Belegungsdichte des Faserbandes mit Avivagemittel,
ergibt sich unmittelbar aus dem Emulsionsverbrauch pro Sekunde und der Geschwindigkeit
der senkrecht zum Flüssigkeitsstrahl vorbeigeführten Fasern.
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Eine intensive Vermischung des Avivagemittels mit Luft - wie bei dem
Sprühverfahren - wird vermieden. Dadurch wird eine Schädigung des Avivagemittels
durch Oxydation infolge des Luft-Sauerstoffes ausgeschlossen.
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Es hat sich ferner gezeigt, daß Flächengebilde von Fasern mit dem
neuen Verfahren intensiver und gleichmäßiger präpariert werden können. Diese Verbesserung
ist auf den hohen Impuls zurückzuführen, mit dem der Flüssigkeitsstrahl auf das
Faserband auftrifft. Der hohe Impuls in Strahlrichtung bewirkt eine größere Eindringtiefe
der Flüssigkeit. Im Gegensatz dazu wird beim Sprühverfahren kein zusammenhängender
Flüssigkeitsstrahl benutzt. Das Avivagemittel wird hier in der Sprühdüse zu einem
feinen Nebel zerstäubt. Der Impuls der Tröpfchen nimmt mit zunehmender Entfernung
von der Düse schnell ab.
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In einem gleichmäßigen Aerosol sind die Impulsrichtungen praktisch
statistisch verteilt, während bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der gesamte Impuls
in Vorwärtsrichtung konzentriert ist.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer
Zeit nun näher beschrieben. Es zeigen Figur 1 eine schematische Gesamtansicht der
Rotationsdüsen-Avivagevorrichtung und Figur 2 einen Schnitt durch das Düsensystem.
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Gemäß Figur 1 wird das zu präparierende Faserband 1 über Umlenkrollen
2 in vertikaler Richtung kontinuierlich durch eine Kammer 3 geführt. Die Kammer
3 weist eine Einlauföffnung 4 und eine Austrittsöffnung 5 für das Faserband 1 auf.
Die eigentliche Avivagekammer wird durch den Käfig 6 gebildet, der ebenfalls an
seinem unteren und oberen Ende mit Öffnungen 7 und 8 zum Hindurchführen des Faserbandes
1 versehen ist.
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In den Seitenwänden der Kammer 3 sind einander gegenüberstehende,
rotierende Düsensysteme 9, 9' eingebaut. Die Düsen systeme erzeugen jeweils zwei
zusammenhängende Flüssigkeitsstrahlen 10, 11 und 10 11'. Das Faserband 1 wird senkrecht
zur Rotationsachse 12 durch die Symmetrieebene der Flüssigkeitsstrahlen
1o,
11, 1o', 11' hindurchgeführt. Die Flüssigkeitsstrahlen werden im rechten Düsensystem
9 durch die Düsen 13 und 14 und im linken Düsensystem 9' durch die Düsen 13' und
14' erzeugt.
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Der Aufbau eines Düsensystemes 9 bzw. 9' ist aus Figur 2 ersichtlich.
Die Düsen 13 und 14 sind asymmetrisch zur Rotationsachse 12 angeordnet. Ihre Abstände
von der Achse verhalten sich wie 1:2. Aufgrund der asymmetrischen Anordnung der
Düsen 13 und 14 beschreiben die Flüssigkeitsstrahlen in der Symmetrieebene zwei
konzentrische Kreise. Dadurch wird der Avivageauftrag über die Breite des Faserbandes
vergleichmäßigt.
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Die Düsen 13 und 14 sind an dem Düsenhalter 15 montiert, der über
die Gleitringdichtung 16 irit dem feststehenden Flansch 17 verbunden ist. Die Drehrichtung
wird nur auf den Düsenhalter 15 übertrag« Der Antrieb erfolgt z.B. durch einen Drehstrommotor
mit Keilriemenübersetzung (nicht gezeigt). Das Avivagemittel wird dem Düsensystem
9 durch das feststehende axiale Rohr (siehe Figur 2) zugeführt. Die Abdichtung gegenüber
dem rotierenden Teil wird durch die Gleitringdichtung 16 gewährleistet. Solche Gleitringdichtungen
sind handelsübliche Bauelemente. Im Rahmen dieser Erfindung erübrigt sich daher
eine nähere Beschreibung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich im Prinzip um
ein Rasterverfahren; d.h. das Faserband (Flächengebilde) wird von dem Flüssigkeitsstrahl
abgerastert. Dabei wird die Transportgeschwindigkeit v des Faserbandes 1 und die
Frequenz der Düsen so gewählt, daß die senkrecht zur Rotationsachse in der Zeiteinheit
vorübergeführte Fläche des Faserbandes kleiner oder gleich der von dem Flüssigkeitsstrahl
während der Zeiteinheit überstrichenen Fläche ist. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige
Flächenbelegung erreicht. Die Düsenfrequenz kann innerhalb eines weiten Bereiches
an die erforderlichen Betriebsbedingungen angepaßt werden. Erst bei Frequenzen
über
200 Hz treten deutliche Instabilitäten im Flüssigkeitsstrahl auf. Der Flüssigkeitsstrahl
neigt dann zum Zerstäuben.
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Bei den nachfolgend beschriebenen Präparationsbeispielen wurde ein
Drehstrommotor von 0,55 KW Nennleistung zum Antrieb der Düsensysteme 9, 9' benutzt.
Seine Drehzahl betrug n = 3000 min 1.
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Durch eine Keilriemenübersetzung von 1:2 wurde die notwendige Drehzahl
von n = 6000 min 1 an den Düsensystemen erreicht.
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Der Abstand der Düsensysteme 9, 9' betrug 18 cm, der Durchmesser der
Düsenbohrungen 0,35 mm. Im Düsensystem hatte die Düse 14 einen Abstand von R = 18
mm von der Drehachse und die Düse 13 einen Abstand von R = 9 mm.
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Beispiel 1 Ein Nylon-6-Faserband vom Gesamttiter 1 . 106 dtex (Einzeltiter
1,6 dtex) wird in üblicher Weise in einem Bad gewaschen, in einem Kalander getrocknet,
anschließend gekräuselt und läuft dann mit 200 m/min und einer Breite von 15 cm
durch die -Präparationskammer 3, in der eine 7,5 %ige Öl-in-Wasser-Emulsion mittels
der beiden rotierenden Düsensysteme 9, 9' auf die beiden Seiten des Bandes 2 aufgetragen
wird. Durch jede Düse wurden 660 ml Emulsion pro Minute aufgetragen. Das so präparierte
(avivierte) Kräuselband hatte aufgrund von Analysen vor der Schneidvorrichtung einen
Konzentrat-Gehalt von 0,49 96.
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Zur Uberprüfung der lokalen Gleichmäßigkeit des AuStrages wurde kurzzeitig
mit einer blau gefärbten Emulsion gearbeitet. Das so avivierte Kräuselband hatte
bei visueller Betrachtung an den beiden Bandseiten eine homogene blaue Färbung.
Lediglich das Innere des Bandes war etwas schwächer gefärbt und zeigte einige kleinere
Farb-Inhomogenitäten, die jedoch hinter der Schneidvorrichtung an der Masse der
geschnittenen Fasern nicht mehr visuell zu erkennen waren,
Beispiel
2 Ein Nylon-6-Faserband mit dem Gesamttiter 2 . 106 dtex (Einzeltiter 12 dtex) wurde
in der in Beispiel 1 beschriebenen Anordnung, diesmal jedoch hinter dem Trockner
(Kalander) und vor der Kräusel-Vorrichtung aviviert. Die Bandgeschwindigkeit betrug
200 m/min, die Bandbreite 12 cm. Eine 20 %ige Emulsion wurde verwendet. Durch jedes
Düsensystem wurden 800 ml/min aufgetragen.
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Der Konzentrat-Gehalt auf dem Band vor der Kräusel-Vorrichtung betrug
0,78 , Beispiel 3 Ein Nylon-6-Faserband mit dem Gesamttiter 3 . 106 dtex (Einzeltiter
20 dtex) wurde in der in Beispiel 1 beschriebenen Anordnung, diesmal jedoch hinter
der Wäsche und vor dem Trockner (Kalander) aviviert. Die Bandgeschwindigkeit betrug
200-m/min, die Bandbreite 10 cm. Es wurde 100 Dies Konzentrat, das in seiner Zusammensetzung
spontane Emulgierung mit der Feuchte des Faserbandes sichert, eingesetzt. Durch
jedes Düsensystem wurden 450 ml/min aufgetragen. Der Konzentrat-Gehalt auf dem Band
vor der Kräusel-Vorrichtung betrug 1,48 %.
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Beispiel 4 Ein trocken gesponnenes Polyacrylnitril-Faserband mit
dem Gesamttiter 2 . 106 dtex (Einzeltiter 9,7 dtex) wird in der in Beispiel 1 beschriebenen
Anordnung hinter dem Trockner und vor der Kräusel-Vorrichtung aviviert. Die Bandgeschwindigkeit
betrug 60 m/min, die Bandbreite 16 cm. Eine 30 ziege Emulsion wurde verwendet. Durch
jedes Düsensystem wurden 19,0 ml/min aufgetragen. Der Konzentrat-Gehalt auf dem
Band vor der Kräusel-Vorrichtung betrug 0,29 % (Methanol-Extrakt).