DE4301373C2 - Vorrichtung zum Herstellen von Filamenten aus schmelzbarem Material - Google Patents
Vorrichtung zum Herstellen von Filamenten aus schmelzbarem MaterialInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer Vorrichtung zum
Herstellen von Filamenten aus schmelzbarem Material unter
Ausnutzung der Zentrifugalkraft.
Eine solche Vorrichtung ist aus US 3,596,312 bekannt ge
worden: Sie besteht aus einem mit hoher Geschwindigkeit um die
Hochachse rotierenden, zylindrischen, oben offenen Hohlkörper.
Dieser ist peripher mit einer zylindermantelförmigen Wandung
umgeben, welche eine Vielzahl von Austrittsöffnungen aufweist.
Konzentrisch zu dieser zylinderförmigen Wandung enthält der
rotierende Hohlkörper eine Heizeinrichtung, welche imstande
ist, das in den Hohlkörper in festem Zustand eingeführte,
schmelzbare, synthetische Material bei Berührung zu er
schmelzen. Die Heizeinrichtung rotiert mit gleicher Geschwin
digkeit wie der übrige Hohlkörper um dessen Drehachse.
Die bekannte Vorrichtung enthält weiter eine trichterförmige
Einfüllstation, über welche das feste synthetische Material
kontinuierlich mittels Schwerkraft in den rotierenden Hohl
körper fällt, auf dessen konisch geformten Boden auftrifft und aufgrund der
Zentrifugalkraft zur Heizeinrichtung geschleudert wird. Von
dort wird es, ebenfalls aufgrund der einwirkenden Zentrifugal
kraft, über eine kurze Wegstrecke zum äußeren, mit Öffnungen
versehenen Zylindermantel gefördert, durch diese Öffnungen
ausgeschleudert und in Filamentform abgekühlt. Die Rotation des
Zylinders wird bewirkt durch eine Antriebseinrichtung, z. B.
einen Elektromotor.
Gemäß einer Alternative wird das zu erschmelzende Material in
Granulat-, Flocken- oder Pulverform in den rotierenden,
zylindrischen Hohlraum eingefüllt. Als geeignete synthetische,
schmelzbare Materialien werden Thermoplaste genannt, wie
Polyamid, Polyethylen, Polystyrol und Polypropylen.
Die kugel- oder zylinderförmige Heizeinrichtung im Inneren des
rotierenden Hohlkörpers wird elektrisch betrieben. Der Hohl
körper ist geschlossen; d. h. sein gesamtes inneres Volumen
dient der Aufheizung.
Das den rotierenden Hohlkörper über die peripheren Düsen
öffnungen verlassende Material wird, während es sofort zu
Einzelfasern erkaltet, in einer glockenförmig den rotierenden
Hohlkörper im Abstand umgebenden, statischen Absaugeinrichtung
kontinuierlich nach unten abgezogen und kann so als verzwirn
tes, endloses Fasergarn sofort aufgewickelt werden. Die Länge
der entstehenden Monofilamente kann durch Variation der Tempe
ratur des geschmolzenen Polymermaterials und der Drehzahl des
Hohlkörpers beeinflußt werden.
Die Zentrifugalkraft, welche auf das Polymer jeweils einwirkt,
wird durch die Drehzahl und/oder den inneren Radius des Hohl
körpers bestimmt.
Der Vorteil einer solchen Vorrichtung und des angegebenen
Verfahrens besteht insbesondere in der vollständigen Ausbeute
des eingesetzten, schmelzbaren, faserbildenden Materials. Der
Austrag zu Fasern oder Filamenten erfolgt im wesentlichen durch
die Zentrifugalkraft und kann durch diese sehr genau gesteuert
werden.
Nachteilig an dieser bekannten Vorrichtung ist jedoch, daß das über die Heizein
richtung erschmolzene polymere thermoplastische Material im flüssigen, heißen
Zustand eine gewisse, zur Drehrichtung des Hohlkörpers tangentiale Wegstrecke
zurücklegen muß, um zu den konzentrisch zur Heizung angeordneten Austrittsöff
nungen des rotierenden äußeren Zylindermantels zu gelangen. Die Zeitspanne, in
welcher dieser Weg zurückgelegt werden kann, unterschreitet 3 Sekunden nicht.
Dies hat zur Folge, daß bei leicht zersetzbaren thermoplastischen Polymeren, d. h.
in den Fällen, wo die Zersetzungstemperatur nahe über der Erweichungstem
peratur liegt, in dieser Zeitspanne bereits die Pyrolyse einsetzen und damit, sowie
infolge der Verstopfung der Düsen mit pyrolysiertem Material, die Fadenbildung
gestört oder ganz unmöglich gemacht wird.
Beispiele für solche problematischen, thermoplastischen, faserbildenden Werk
stoffe sind nicht vorgetrocknete, noch über 50 ppm wasserhaltige Polyester, Po
lyamide, z. B. Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat, Poly-epsilon-capro
lacton, sowie die leicht pyrolysierbaren thermoplastischen Materialien Ethylen
vinylacetat, Polyurethan, Polyesterpolyurethane, die Polylactide und Poly
hydroxybutyrat/Polyhydroxyvalerat-Copolymere sowie native Zucker, z. B.
Saccharose.
DE-PS 906 256 geht auf die Problematik ein, die Zersetzung des Werkstoffs oder
die Bildung von übermäßigen Blasen und anderen Fehlern in den hergestellten
Fäden zu vermeiden, wenn solche aus pulverförmigen, schmelzbaren Werkstoffen
hergestellt werden sollen. Zu diesem Zweck wird eine statische Vorrichtung be
schrieben, wo durch intermittierenden Druck das feste Material gegen eine geloch
te, feststehende Bodenplatte gedrückt wird. Diese Platte enthält Spinnöffnungen
und ist elektrisch beheizbar. Eine nach unten gerichtete, die Schwerkraft ausnut
zende, pulsierende Preßvorrichtung erzeugt aus den Öffnungen der Düsenplatte
austretende, starke Fäden, die von einer Zuführungswalze abgezogen und als Garn
aufgespult werden.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs ge
nannten Art so weiterzuentwickeln, daß mit ihr auch nicht sorgfältig vorgetrock
nete oder nahe beim Erweichungspunkt pyrolysierbare, schmelzbare, polymere
Materialien zu Filamenten versponnen werden können, mit welchen eine kontinu
ierliche Vliesbildung möglich ist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß
Patentanspruch 1.
Die Bodenfläche des um seine Hochachse schnell rotierenden
Hohlkörpers ist eben, und die Heizeinrichtung bildet direkt die
zylindermantelförmige Umfangswandung des Hohlkörpers.
Gebildet wird diese Heizeinrichtung aus einer Vielzahl neben
einander liegender, induktiv erhitzbarer Spiralwindungen
(Wendel), welche aus Metallstreifen gebildet sind und in
fortlaufender, nebeneinander angeordneter Folge einen geschlos
senen, 1 bis 3 mm dicken Zylindermantel bilden. Die Einzelwin
dungen und damit der Querschnitt des Zylindermantels sind nicht
rund, sondern viereckig abgeplattet dergestalt, daß jeweils
nebeneinander liegende Wendelelemente die Form eines aufrecht
stehenden Parallelogramms aufweisen. Die Abstände der parallel
zur Hochachse des rotierenden Zylinders verlaufenden, jewei
ligen Wendelelemente betragen 0,1 bis 1,5 mm und bilden die
Austrittsöffnungen für das auf das Innere der Heizeinrichtung
treffende, dort schmelzende und in diesem Zustand herausge
schleuderte Material.
Der Umstand, daß die Heizeinrichtung mit dem Zylindermantel des
Hohlkörpers identisch ist und gleichzeitig die Austrittsöff
nungen für das geschmolzene Material bildet, bedeutet gleichsam
eine extrem kurze Zeit, d. h. unter einer bis zu 3 Sekunden,
innerhalb welcher der jeweilige Werkstoff dem schmelzenden
Kontakt mit der Heizeinrichtung ausgesetzt ist. Deshalb findet
auch bei dicht beieinander liegenden Erweichungs- und Zer
setzungstemperaturen selbst dann keine Pyrolyse oder anders
artige Zersetzung statt, wenn der Thermoplast kurzfristig bei
Heizungskontakt weit oberhalb seiner eigentlichen Zersetzungs
temperatur erhitzt wird.
Somit ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Temperatur
der Heizeinrichtung nach oben hin nicht kritisch, sofern deren
Dicke, d. h. der durch jede Austrittsöffnung zurückzulegende
Weg, von 3 mm nicht überschritten werden.
Die die Qualität der ersponnenen Filamente beeinflussenden
Parameter, wie Rotationsgeschwindigkeit, innerer Durchmesser
des rotierenden Zylindermantels bzw. der Heizeinrichtung,
Geometrie und Querschnitt der Austrittsöffnungen, sind in ihrer
Wirkung aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt,
so daß diese Größen in Vorversuchen durch Variation den
Gegebenheiten und gewünschten Ergebnissen nach bestehendem
Kenntnisstand des Fachmanns angepaßt werden können, ohne daß
eine neue Verfahrensvorschrift für die erfindungsgemäße
Vorrichtung hin zukommt.
Die benötigte elektrische Energie für die induktive Beheizung
der rotierenden Zylinderwand liegt zweckmäßig unter 1 kWh/kg
eingesetzter Polymermasse, d. h. schmelzbaren Materials. Dieser
Energieaufwand ist überraschend gering; vergleichbare Spinnver
fahren mit statischen Düsen erfordern 3 bis 9 kWh/kg.
Es sind alle schmelzbaren Polymeren mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung verspinnbar, deren Zersetzungstemperatur über der
Erweichungstemperatur liegt und welche durch Verstreckung
Filamente bilden.
Es ist, im Gegensatz zum Stand der Technik, für die Durchführ
barkeit der Filamenterzeugung unwesentlich, ob die maximale
Temperatur des schmelzbaren, polymeren Materials beim Spinn
prozeß oberhalb seiner Glastemperatur oder oberhalb seiner
Erweichungstemperatur liegt. Diese Faktoren haben lediglich
Einfluß auf den Titer und den Verstreckungsgrad bzw. die
Kristallinität der versponnenen Filamente.
Es ist mit der Vorrichtung möglich, störungsfrei die auf das
schmelzbare, polymere Material einwirkende Wärmeenergie so zu
erhöhen, daß die Viskosität in einem Maße verringert werden
kann, daß einerseits eine möglichst starke Verjüngung der die
Vorrichtung verlassenden Polymerschmelze und damit deren
Verstreckung erzielt wird, andererseits das Material nicht
vollständig kristallisiert, sondern eine Siegelfähigkeit
behält, um bei der Vliesablage mit den anderen Filamenten
ein isotropes Netzwerk zu bilden.
Empirisch kann die Wärmeenergie während des Betriebs des
erfindungsgemäßen Rotors so gesteigert werden, daß Filamente
mit einer Dicke von nur wenigen µm als Vliese gelegt werden
können, wobei die gegenseitige Filamenthaftung gewährleistet
ist. Es muß nochmals betont werden, daß dieser Effekt nur mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbar ist, da nur bei ihr
das geschmolzene Material keinen nennbaren Weg zwischen dem
Zeitpunkt der Aufheizung und dem Zeitpunkt des Verlassens der
Düsen zurückzulegen braucht.
Das zu verspinnende, schmelzbare Polymermaterial kann in
beliebiger Form, z. B. als Fasern, Granulat, in Pulver- oder in
Flockenform von oben in den rotierenden zylindrischen Hohl
körper kontinuierlich gegeben. Die Korngröße entspricht dabei
zweckmäßig mindestens dem Abstand der einzelnen Spiralwin
dungen. Größere Partikel können eingesetzt werden bis zu
Dimensionen, die durch einen zu großen Impuls die Heizein
richtung beschädigen könnten. Materialgrößen von 2 bis 7 mm
sind jedoch mühelos verarbeitbar.
Als weitere Faustregel kann gelten, daß bei einem Hohlkörper
durchmesser von beispielsweise 20 cm ein Durchsatz an zu
verspinnendem Festmaterial von bis zu 12 kg/h möglich ist. Das
Auffangen der die Spinnöffnungen bzw. die Heizung verlassenden,
in der Umgebung sich formenden Filamente geschieht zweckmäßig
durch einen zylindrischen Schirm, welcher konzentrisch zur
Rotorachse in einem Abstand von 1 bis 20 cm angeordnet ist.
Es ist auch möglich, den Auffangschirm als zylindrisch den
Rotor umlaufendes Band auszugestalten, welches nach einmaligem
Umlauf mit den Filamenten beschichtet ist und der Weiterverar
beitung zugeführt werden kann.
Die folgenden Figuren sollen die Erfindung, ohne den
Erfindungsgehalt einzuschränken, beispielhaft verdeutlichen. Es
zeigen:
Fig. 1 die perspektivische, schematische Darstellung der
Vorrichtung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Heizeinrichtung, von der Dreh
achse des rotierenden Hohlkörpers aus gesehen.
Zunächst sei Fig. 1 betrachtet: Die Heizwendel ist freigelegt.
1 stellt dar die Heizwendelbegrenzung, 2 den nach oben offenen
Hohlkörper, 3 den Einfülltrichter 4 die Heizwendel und 5 die
Bodenplatte. Das Teil 3 ist fest, während die Teile 1, 2
4 und 5 um die Hochachse H der Vorrichtung rotieren. Die
Begrenzung 1 der Heizwendel bildet gleichzeitig die Düsenöff
nungen des Spinnrotors, durch welche das geschmolzene Material
tangential nach außen geschleudert wird.
Die Draufsicht auf die Heizwendel 4 in Fig. 2 macht den hitze
beständigen Isolator 6 sichtbar, welcher z. B. aus Glas oder
Porzellan besteht und gleichzeitig als Wendelhalterung dient.
Mit 7 sind die Stromanschlüsse bezeichnet.
Die Wendel 4 wird in rotierende Bewegung versetzt, wobei
zweckmäßig ihre Aufhängung, eine vertikale Achse 8, als Achse
eines Elektromotors wirkt, die über eine hitzebeständige,
isolierte Stromzuführung 7 angetrieben wird. Mit 9 ist ein
Isolator-Teller bezeichnet, welcher Stromanschlußkontakte und
(nicht sichtbar) Schleifkontakte aufweist.
Es wird eine Vorrichtung gemäß der Erfindung betrieben. Die
Betriebsparameter sind
Rotationsfrequenz der Heizwendel: 2950/min
Temperatur der Heizwendel: 100°C
Durchmesser der Heizwendel: 20 cm
Höhe der Heizwendel: 2 cm
Erschmolzenes Material: Polyurethan mit einem Schmelzbereich um 150°C, hergestellt aus Hexamethylendiisocyanat und einem Poly ester-Polyol Desmophen 2001 (Fa. Bayer, Leverkusen)
Eingesetzte Korngrößen des Granulats: 2 bis 4 mm
Vortrocknung: Keine
Durchsatz: 1,25 g Polymer/s
Die entstehenden Polyurethanfilamente werden auf einem zylinder mantelförmigen, massiven Schirm aus Polyethylen, welcher die Heizwand in einem Abstand von 7 cm konzentrisch umgibt, aufge fangen und legen sich zu einem autogen faserverbundenen Vlies ab. Dieses erreicht innerhalb weniger Sekunden eine solche Festigkeit und Zugelastizität, daß es zerstörungsfrei vom Schirm abgehoben werden kann. Es lassen sich so bis hinab zu einer Dicke von 0,4 mm Vliese herstellen, die zur weiteren Verfestigung beispielsweise einer Prägekalandrierung bei Hitze und Druck unterworfen werden können.
Rotationsfrequenz der Heizwendel: 2950/min
Temperatur der Heizwendel: 100°C
Durchmesser der Heizwendel: 20 cm
Höhe der Heizwendel: 2 cm
Erschmolzenes Material: Polyurethan mit einem Schmelzbereich um 150°C, hergestellt aus Hexamethylendiisocyanat und einem Poly ester-Polyol Desmophen 2001 (Fa. Bayer, Leverkusen)
Eingesetzte Korngrößen des Granulats: 2 bis 4 mm
Vortrocknung: Keine
Durchsatz: 1,25 g Polymer/s
Die entstehenden Polyurethanfilamente werden auf einem zylinder mantelförmigen, massiven Schirm aus Polyethylen, welcher die Heizwand in einem Abstand von 7 cm konzentrisch umgibt, aufge fangen und legen sich zu einem autogen faserverbundenen Vlies ab. Dieses erreicht innerhalb weniger Sekunden eine solche Festigkeit und Zugelastizität, daß es zerstörungsfrei vom Schirm abgehoben werden kann. Es lassen sich so bis hinab zu einer Dicke von 0,4 mm Vliese herstellen, die zur weiteren Verfestigung beispielsweise einer Prägekalandrierung bei Hitze und Druck unterworfen werden können.
Die das Vlies bildenden Filamente haben Durchmesser um 8 µm.
Es wird wie in Beispiel 1 gearbeitet, lediglich die Wendel
temperatur beträgt nunmehr 250°C. Die austretenden Filamente
sind nur etwa 3 µm dick und bilden ein vliesartiges Flächen
gebilde, welches aufgrund der Filamentfeinheit einen fast
folienartigen Charakter besitzt, dabei jedoch porös ist.
Mit einer Vorrichtung der in Beispiel 1 genannten Art wird
Polyamid-6 mit einem Schmelzbereich um 220°C ohne vorherige
Trocknung bei einer Wendeltemperatur von 155°C und ein zweites
Mal bei 250°C zu Filamenten verarbeitet. Die eingesetzten
Partikelgrößen des Polyamids betrugen 2 bis 3 mm.
Bei 155°C entstehen auf dem Schirm Faseragglomerate als loses
Gefüge, bei 250°C ein autogen verschweißtes Flächengebilde aus
feinen (3 µm Durchmesser) bis groben (10 µm und mehr Durch
messer) Filamenten. In beiden Fällen findet die Kristallisation
sofort nach dem Austritt aus den Düsen statt.
Ungetrocknetes Poly-L-Lactid mit einem Schmelzbereich um 180°C
wird bei einer Wendeltemperatur von einmal 165°C und einmal von
250°C versponnen. Die eingesetzten Korngrößen betragen 2 bis
5 mm.
Nach dem Austritt aus der Düse kristallisiert das Lactid sofort
aus. Dabei entsteht bei 165°C ein sehr grobes Vlies, welches
noch Partikel enthalten kann, während bei 250°C Vliese feiner
bis mittlerer Struktur erhalten werden, deren Filamentdurch
messer 3 µm bis 6 µm betragen.
Ungetrocknetes, bisher wegen seiner Neigung zur sofortigen
Pyrolyse als nicht verspinnbar erachtetes Ethylenvinylacetat
mit einem Schmelzbereich von 35 bis 100°C wird in einer Vor
richtung nach Beispiel 1 bei einer Heizwendeltemperatur von
einmal 110°C, das andere Mal von 165°C versponnen. Die einge
setzte Korngröße beträgt 3 bis 5 mm.
Spinntemperaturen von 110°C führen zu einem an der Oberfläche
angeschmolzenen Granulat und zu Agglomeratbildung auf dem
Auffangschirm. Eine Heizwendel-Temperater von 165°C führt zu
einem sich elastisch verhaltenden, über seine Fasern autogen
verbundenen Vlies, welches eine sehr homogene Filamentver
teilung aufweist.
Der ungetrocknete Copolyester Polyhydroxyvalerat/Polyhydroxy
butyrat, welcher aus Bakterien gewonnen wird, mit einem
Schmelzbereich um 186°C, wird in Korngrößen von 2 bis 7 mm in
die Einfüllöffnung gegeben, wobei Betriebsparameter wie in
Beispiel 1 vorherrschen. Die Heizwendeltemperatur beträgt
einmal 137°C, einmal 250°C.
Sowohl eine Variante mit 5 Gew.-% Polyhydroxyvalerat-Anteil als
auch eine solche mit 24 Gew.-% Anteil ist spinnbar. Es muß kein
Kristallisationsbeschleuniger zugesetzt werden.
Der Ansatz von 5 Gew.-% Polyhydroxyvalerat ergibt bei 137°C ein
sofort entformbares, grobes, sprödes Vlies geringer Festigkeit.
Bei 250°C wird eine erheblich feinere Vliesstruktur beobachtet.
Die Variante mit 24 Gew.-% Polyhydroxyvalerat ergibt bei 137°C
Spinntemperatur eine grobe Vliesstruktur. Wird bei 250°C
Heizwendeltemperatur versponnen, zerfließt die den Spinnrotor
verlassende Schmelze auf der Oberfläche des Ablageschirms und
bildete eine folienartige Haut, die fest genug ist, um zer
störungsfrei von der Oberfläche abgezogen werden zu können.
Bei allen Beispielen wurde die Oberflächentemperatur der
Heizwendel pyrometrisch bestimmt.
Die schmelzbaren Materialien der Beispiele 1 bis 4 und 6 wurden
in herkömmliche Spinnrotoren gegeben, wie sie der
US-A-3,596,312 entsprechen. Die von der Polymermasse zurückzu
legenden Wege zwischen der Heizeinrichtung und den Düsenöff
nungen waren nicht kurz genug, um die Werkstoffe nicht wieder
ausfrieren zu lassen; nach kurzer Zeit waren die Düsen ver
stopft, oder es entstanden keine Filamente, wie z. B. bei
Poly-L-lactid.
Oft wurde eine Pyrolyse des zu verspinnenden Materials unter
Rauchentwicklung beobachtet; häufig bildeten sich dabei teer
artige Rückstände.
Ohne vorherige Trocknung ist Polyamid-6 bei 250°C nicht zu
Filamenten verspinnbar.
Claims (1)
- Vorrichtung zum Herstellen von Filamenten aus schmelzbarem Material unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft, bestehend aus:
Einem mit hoher Geschwindigkeit um die Hochachse (H) rotieren den, zylindrischen, oben offenen Hohlkörper (2) mit einer Vielzahl in dessen Umfangswandung (1) vorhandener Austritts öffnungen;
einer innerhalb des rotierenden Hohlkörpers (2) befindlichen, konzentrisch zu dessen Drehachse ringförmig angeordneten Heizeinrichtung zum Erhitzen des in den rotierenden Hohlkörper (2) im festen Zustand eingefüllten, schmelzbaren Materials über dessen Erweichungsbereich;
einer trichterförmigen Einfüllstation (3) für das feste, schmelzbare Material, welche direkt in das Innere des rotieren den Hohlkörpers (2) mündet und das feste Material mittels Schwer kraft kontinuierlich auf den Boden (5) des rotierenden zylin drischen Hohlkörpers (2) befördert;
einer Antriebseinrichtung für den rotierenden Hohlkörper (2),
wobei das in dem Hohlkörper (2) erhitzte Material durch die in der Umfangsrichtung des Hohlkörpers (2) vorhandenen Austrittsöffnungen durch die Zentrifugalkraft ausgeschleudert wird und in Fila mentform abkühlt,
dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Hohlkörper (2) eine ebene, waagerecht angeord nete Bodenfläche (5) besitzt;
die Heizeinrichtung mit der zylindermantelförmigen Umfangs wandung (1) des rotierenden Hohlkörpers identisch ist;
die Heizeinrichtung einen 1 bis 3 mm dicken, induktiv erhitz baren, geschlossenen Zylindermantel darstellt, welcher aus einer Vielzahl von nebeneinanderliegenden, eine Wendel (4) bildenden Metallstreifen besteht,
wobei die Abstände der Metallstreifen 0,1 bis 1,5 mm betragen und gleichsam die Austrittsöffnungen für das geschmolzene Material definieren, und wobei jede Einzelwindung der Wendel (4) durch eine vierkantige Gestaltung gebildet ist derart, daß der Querschnitt der zylindermantelförmigen Heizeinrichtung ein senkrecht stehendes Parallelogramm darstellt.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE (1) | DE4301373C2 (de) |
FR (1) | FR2700556B1 (de) |
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1994
- 1994-01-19 US US08/184,325 patent/US5423665A/en not_active Expired - Lifetime
- 1994-01-20 JP JP6004722A patent/JP2901863B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (2)
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