DE69528060T2

DE69528060T2 - Verfahren und vorrichtung zur erhöhung des durchflusses einer flüssigkeit durch eine düsenöffnung

Info

Publication number: DE69528060T2
Application number: DE69528060T
Authority: DE
Inventors: Bernard Cohen; Heath Gipson; Kirby Jameson
Original assignee: Kimberly Clark Worldwide Inc; Kimberly Clark Corp
Current assignee: Kimberly Clark Worldwide Inc; Kimberly Clark Corp
Priority date: 1994-06-23
Filing date: 1995-06-23
Publication date: 2003-08-07
Anticipated expiration: 2015-06-24
Also published as: EP1116805A3; JP3859230B2; EP1116805A2; EP0766754B1; ZA955180B; SV1995000029A; PE35096A1; ES2182911T3; CN1155301A; FR2722711B1; US6395216B1; WO1996000318A2; JPH10504066A; EP0766754A2; AU3196695A; WO1996000318A3; US6036467A; MX9606695A; CN1187213A; US6010592A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft das Modifizieren der Flußrate einer Flüssigkeit durch eine Öffnung.
Die Schmelzextrudierung von Flüssigkeiten, wie beispielsweise von thermoplastischen Polymeren, um Fasern und Vliesbahnen zu bilden, schließt im allgemeinen ein: das Drücken eines geschmolzenen Polymers durch eine Vielzahl von Öffnungen, um eine Vielzahl von geschmolzenen Fadensträngen zu bilden; Berühren der geschmolzenen Fadenstränge mit einem Fluid, im allgemeinen Luft, das so gerichtet ist, daß Elementarfäden oder Fasern gebildet werden; und deren Verfeinern. Die verfeinerten Elementarfäden oder Fasern werden dann wahllos auf einer Oberfläche abgelegt, um eine Vliesbahn zu bilden.
Die üblicheren und gut bekannten Verfahren, die für die Herstellung von Vliesbahnen genutzt werden, sind das Schmelzblasen, Zusammensetzen und Schmelzspinnen.
Die Hinweise auf das Schmelzblasen umfassen zum Beispiel die U.S. Patente Nr. 3016599 an Perry, Jr., 3704198 an Prentice, 3755527 an Keller und Mitarbeiter, 3849241 an Butin und Mitarbeiter, 3978185 an Butin und Mitarbeiter und 4663220 an Wisneski und Mitarbeiter. Siehe ebenfalls V. A. Wente, "Superfeine thermoplastische Fasern", Industrial and Engineering Chemistry. Band 48, Nr. 8, Seite 1342-1346 (1956); V. A. Wente und Mitarbeiter, "Herstellung von superfeinen organischen Fasern", Navy Research Laboratory, Washington, D. C., NRL-Report 4364 (111437), vom 25. Mai 1954, United States Department of Commerce, Office of Technical Services; und Robert R. Butin und Dwight T. Lohkamp, "Schmelzblasen - ein einstufiges Vliesherstellungsverfahren für neue Vliesstoffprodukte", Journal of the Technical Association of the Pulp and Paper Industry, Band 56, Nr. 4, Seite 74-77 (1973).
Die Hinweise auf das Zusammensetzen (d. h., die Hinweise, die ein Schmelzblasverfahren offenbaren, bei dem Fasern oder Teilchen mit den schmelzgeblasenen Fasern zusammen gemischt werden, während sie gebildet werden) enthalten die U.S. Patente Nr. 4100324 an Anderson und Mitarbeiter und 4118531 an Hauser.
Schließlich enthalten die Hinweise auf das Schmelzspinnen unter anderem die U.S. Patente Nr. 3341394 an Kinney, 3655862 an Dorschner und Mitarbeiter, 3692618 an Dorschner und Mitarbeiter, 3705068 an Dobo und Mitarbeiter, 3802817 an Matsuki und Mitarbeiter, 3853651 an Porte, 4064605 an Akiyama und Mitarbeiter, 4091140 an Harmon, 4100319 an Schwanz, 4340563 an Appel und Morman, 4405297 an Appel und Morman, 4434204 an Hartman und Mitarbeiter, 4627811 an Greiser und Wagner und 4644045 an Fowells.
Das JP 49133613 offenbart eine Vorrichtung für das Extrudieren einer Polymerlösung unter einer Bestrahlung mittels Ultraschallwellen. Entsprechend dem JP 49133613 wird ein Ultraschallhorn in einem Extruder bei 10 mm von der Düsenoberseite angeordnet.
Einige der Schwierigkeiten oder Probleme, denen man routinemäßig bei Schmelzextrudierverfahren begegnet, sind, nur zur Veranschaulichung, der Wärmeabbau des Polymers, das Verstopfen der Extrudierdüsen und die Einschränkungen hinsichtlich der Faserdurchmesser, des Durchsatzes und der Produktionsgeschwindigkeiten oder Anlagegeschwindigkeiten. Die Faserdurchmesser sind im allgemeinen eine Funktion des Durchmessers der Öffnungen, durch die das Polymer extrudiert wird, obgleich die Temperatur und die Geschwindigkeit des Fluids für das Verfeinern einen bedeutenden Einfluß haben können. Für bestimmte Anwendungen werden Faserdurchmesser von weniger als etwa 10 Mikrometer gewünscht. Der Durchsatz ist hauptsächlich eine Funktion der Schmelzflußrate des Polymers, während die Produktionsgeschwindigkeiten in starkem Maß vom Durchsatz abhängig sind. Mit anderen Worten, der Durchsatz und die Produktionsgeschwindigkeiten sind im allgemeinen von der Viskosität des geschmolzenen Polymers abhängig, das extrudiert wird. Die gerade beschriebenen Schwierigkeiten und Probleme resultieren größtenteils aus den Bemühungen heraus, die Schmelzviskosität zu manipulieren, um den gewünschten Durchsatz und/oder Produktionsgeschwindigkeiten zu erreichen. Dementsprechend gibt es Gelegenheiten zur Verbesserung der Schmelzextrudierverfahren auf der Basis einer verbesserten Überwachung der Schmelzviskosität.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wird in den Patentansprüchen aufgezeigt und stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erhöhen der Flußrate einer unter Druck gesetzten Flüssigkeit durch eine Öffnung bei Anwendung von Ultraschallenergie auf einen Teil der unter Druck gesetzten Flüssigkeit bereit.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1 eine grafische Schnittdarstellung einer Ausführung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 und 3 Mikrofotografien von Fasern, die in Übereinstimmung mit einer Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, wobei in den Fasern Gasblasen eingeschlossen sind;
Fig. 4 bis 8 grafische Darstellungen der Polymerflußraten durch eine Öffnung bei verschiedenen Temperaturen ohne die Anwendung von Ultraschallenergie und bei Anwendung von Ultraschallenergie mit zwei verschiedenen Leistungsniveaus.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Wie er hierin verwendet wird, betrifft der Begriff "Flüssigkeit" eine amorphe (nichtkristalline) Form von Materie zwischen Gasen und Festkörpern, in der die Moleküle viel stärker konzentriert sind als in Gasen, aber viel weniger konzentriert sind als in Festkörpern. Eine Flüssigkeit kann eine einzelne Komponente aufweisen oder aus mehreren Komponenten bestehen. Die Komponenten können andere Flüssigkeiten, Festkörper und/oder Gase sein. Beispielsweise ist die Charakteristik von Flüssigkeiten deren Fähigkeit, im Ergebnis einer angewandten Kraft zu fließen. Auf Flüssigkeiten, die sofort bei Anwendung von Kraft fließen, und für die die Flußrate der angewandten Kraft direkt proportional ist, bezieht man sich im allgemeinen als Newtonsche Flüssigkeiten. Bestimmte Flüssigkeiten zeigen ein abnormales Fließverhalten, wenn eine Kraft angewandt wird, und sie zeigen nicht-Newtonsche Fließeigenschaften.
Wie sie hierin verwendet werden, betreffen die Begriffe "thermoplastisches Polymer" und "thermoplastisches Material" ein Hochpolymer, das weich wird, wenn es Wärme ausgesetzt wird, und das in seinen Ausgangszustand zurückkehrt, wenn es auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Es ist beabsichtigt, daß die Begriffe jedes beliebige thermoplastische Polymer einschließen, das schmelzextrudiert werden kann. Es ist ebenfalls beabsichtigt, daß der Begriff Mischungen von zwei oder mehreren Polymeren und alternierende, statistische und Blockcopolymere einschließt. Beispiele für thermoplastische Polymere schließen nur zur Veranschaulichung ein: endverschlossene Polyacetale, wie beispielsweise Poly(oxymethylen) oder Polyformaldehyd, Poly(trichloracetaldehyd), Poly(n-valeraldehyd), Poly(acetaldehyd), Poly(propionaldehyd) und dergleichen; Acrylpolymere, wie beispielsweise Polyacrylamid, Poly(acrylsäure), Poly(methacrylsäure), Poly(ethylacrylat), Poly(methylmethacrylat) und dergleichen; Fluorkohlenwasserstoffpolymere, wie beispielsweise Poly(tetrafluorethylen), perfluorierte Ethylen-Propylen-Copolymere, Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymere, Poly(chlortrifluorethylen), Ethylen- Chlortrifluorethylen-Copolymere, Poly(vinylidenfluorid), Poly(vinylfluorid) und dergleichen; Polyamide, wie beispielsweise Poly(6-aminocapronsäure) oder Poly(&epsi;- caprolactam), Poly(hexamethylenadipinsäureamid), Poly(hexamethylensebacinsäureamid), Poly(11-aminoundecansäure) und dergleichen; Polyaramide, wie beispielsweise Poly(imino-1,3-phenyleniminoisophthaloyl) oder Poly(m-phenylenisophthalamid) und dergleichen; Parylene, wie beispielsweise Poly-p- xylylen, Poly(chlor-p-xylylen) und dergleichen; Polyarylether, wie beispielsweise Poly(oxy-2,6-dimethyl-1,4-phenylen) oder Poly(p-phenylenoxid) und dergleichen; Polyarylsulfone, wie beispielsweise Poly(oxy-1,4-phenylensulfonyl-1,4-phenylenoxy-1,4- phenylenisopropyliden-1,4-phenylen), Poly(sulfonyl-1,4-phenylenoxy-1,4- phenylensulfonyl-4,4'-biphenylen) und dergleichen; Polycarbonate, wie beispielsweise Poly(bisphenol A) oder Poly(carbonyldioxy-1,4-phenylenisopropyliden-1,4-phenylen) und dergleichen; Polyester, wie beispielsweise Poly(ethylenterephthalat), Poly(tetramethylenterephthalat), Poly(cyclohexylen-1,4-dimethylenterephthalat) oder Poly(oxymethylen-1,4-cyclohexylenmethylenoxyterephthaloyl) und dergleichen; Polyarylsulfide, wie beispielsweise Poly(p-phenylensulfid) oder Poly(thio-1,4-phenylen) und dergleichen; Polyimide, wie beispielsweise Poly(pyromellitimido-1,4-phenylen) und dergleichen; Polyolefine, wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Poly(1-buten), Poly(2-buten), Poly(1-penten), Poly(2-penten), Poly(3-methyl-1-penten), Poly(4-methyl- 1-penten), 1,2-Poly-1,3-butadien, 1,4-Poly-1,3-butadien, Polyisopren, Polychlorpren, Polyacrylnitril, Poly(vinylacetat), Poly(vinylidenchlorid), Polystyrol und dergleichen; Copolymere der vorangegangenen, wie beispielsweise Acrylnitril-Butadien-Styrol(ABS)- Copolymere.
Beispielsweise kann das thermoplastische Polymer ein Polyolefin sein, von dem Beispiele vorangehend aufgelistet wurden. Als ein weiteres Beispiel kann das thermoplastische Polymer ein Polyolefin sein, das nur Wasserstoff und Kohlenstoffatome enthält, und das durch Additionspolymerisation von einem oder mehreren ungesättigten Monomeren hergestellt wird. Beispiele für derartige Polyolefine schließen unter anderem ein: Polyethylen, Polypropylen, Poly(1-buten), Poly(2-buten), Poly(1-penten), Poly(2-penten), Poly(3-methyl-1-penten), Poly(4-methyl-1-penten), 1,2-Poly-1,3-butadien, 1,4-Poly-1,3- butadien, Polyisopren, Polystyrol und dergleichen, ebenso wie Mischungen von zwei oder mehreren derartigen Polyolefinen und alternierende, statistische und Blockcopolymere, die aus zwei oder mehreren verschiedenen ungesättigten Monomeren hergestellt wurden.
Wie er hierin verwendet wird, bedeutet der Begriff "Knoten" den Punkt auf der längsverlaufenden Erregungsachse des Ultraschallhorns, bei dem keine Längsbewegung des Horns bei Erregung durch Ultraschallenergie auftritt. Auf den Knoten bezieht man sich im Fachgebiet ebenso wie bei dieser Patentbeschreibung manchmal als Knotenpunkt.
Der Begriff "nächste Nähe" wird hierin nur in einem qualitativen Sinn verwendet. Das heißt, der Begriff wird in der Bedeutung verwendet, daß die Einrichtung für die Anwendung von Ultraschallenergie ausreichend nahe an der Auslaßöffnung (beispielsweise der Extrudieröffnung) ist, um die Ultraschallenergie hauptsächlich auf die Flüssigkeit (beispielsweise das geschmolzene thermoplastische Polymer) anzuwenden, die in die Auslaßöffnung (beispielsweise die Extrudieröffnung) gelangt. Der Begriff wird nicht im Sinn des Definierens spezifischer Abstände von der Extrudieröffnung verwendet.
Wie er hierin verwendet wird, betrifft der Begriff "Schmelzflußrate" die Menge an Material unter einem Druck oder einer Belastung, die durch eine Öffnung mit einer vorgegebenen Temperatur über eine vorgeschriebene Zeitdauer fließt. Die Schmelzflußrate wird in Einheiten der Masse, dividiert durch die Zeit (d. h., Gramm/10 Minuten) ausgedrückt. Die Schmelzflußrate wurde durch Messen der Masse des geschmolzenen thermoplastischen Polymers unter einer Belastung von 2,160 kg ermittelt, die durch einen Öffnungsdurchmesser von 2,0995 ±0,0051 mm während einer vorgeschriebenen Zeitdauer geflossen ist, wie beispielsweise 10 Minuten bei einer vorgeschriebenen Temperatur, wie beispielsweise 180ºC, ermittelt in Übereinstimmung mit dem ASTM Prüfverfahren D1238-82, "Standardprüfverfahren für Flußraten von Thermoplasten mittels des Extrusions-Plastizitätsmessers", indem ein Extrusions- Plastizitätsmesser Modell VE 4-78 (Tinius Olsen Testing Machine Co., Willow Grove, Pennsylvania) verwendet wurde.
Wie er hierin verwendet wird, schließt der Begriff "im wesentlichen bestehend aus" nicht das Vorhandensein von zusätzlichen Materialien aus, die nicht in bedeutendem Maß die gewünschten Eigenschaften einer bestimmten Zusammensetzung oder eines Produktes beeinflussen. Mustermaterialien dieser Art würden ohne Einschränkung Pigmente, Antioxydationsmittel, Stabilisationsmittel, oberflächenaktive Mittel, Wachse, Fließbeschleunigungsmittel, Lösungsmittel, Teilchen und Materialien einschließen, die hinzugegeben werden, um die Verarbeitbarkeit der Zusammensetzung zu verbessern.
Allgemein gesagt, die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung schließt ein Düsengehäuse und eine Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie auf einen Teil einer unter Druck gesetzten Flüssigkeit ein (beispielsweise ein geschmolzenes thermoplastisches Polymer, Kohlenwasserstofföle, Wasser, Aufschlämmungen, Suspensionen oder dergleichen). Das Düsengehäuse definiert: eine Kammer, die für das Aufnehmen von unter Druck gesetzter Flüssigkeit vorgesehen ist; einen Einlaß (beispielsweise Einlaßöffnung), der zum Zuführen einer unter Druck gesetzten Flüssigkeit in die Kammer vorgesehen ist; und eine Auslaßöffnung (beispielsweise Extrudieröffnung), die für das Aufnehmen der unter Druck gesetzten Flüssigkeit von der Kammer und das Führen der Flüssigkeit aus der Auslaßöffnung des Düsengehäuses heraus vorgesehen ist. Die Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie befindet sich teilweise innerhalb der Kammer.
Mit Bezugnahme auf Fig. 1 wird jetzt, nicht zwangsläufig maßstabsgetreu, eine Mustervorrichtung für das Erhöhen der Flußrate von unter Druck gesetzter Flüssigkeit durch eine Öffnung gezeigt. Die Vorrichtung 100 enthält ein Düsengehäuse 102, das eine Kammer 104 definiert, die für das Aufnehmen einer unter Druck gesetzten Flüssigkeit (beispielsweise Öl, Wasser, geschmolzenes thermoplastisches Polymer, Sirup oder dergleichen) vorgesehen ist. Das Düsengehäuse 102 weist ein erstes Ende 106 und ein zweites Ende 108 auf. Das Düsengehäuse 102 weist ebenfalls einen Einlaß 110 (beispielsweise eine Einlaßöffnung) auf, der für das Zuführen der unter Druck gesetzten Flüssigkeit zur Kammer 104 vorgesehen ist. Eine Auslaßöffnung 112 (auf die man sich ebenfalls als eine Extrudieröffnung beziehen kann) ist im ersten Ende 106 des Düsengehäuses 102 angeordnet; sie ist für das Aufnehmen der unter Druck gesetzten Flüssigkeit von der Kammer 104 und das Führen der Flüssigkeit aus dem Düsengehäuse 102 längs einer ersten Achse 114 heraus vorgesehen. Ein Ultraschallhorn 116 ist im zweiten Ende 108 des Düsengehäuses 102 angeordnet. Das Ultraschallhorn weist ein erstes Ende 118 und ein zweites Ende 120 auf. Das Horn 116 befindet sich im zweiten Ende 108 des Düsengehäuses 102 in einer derartigen Weise, daß das erste Ende 118 des Horns 116 außerhalb des Düsengehäuses 102 angeordnet ist, und daß das zweite Ende 120 im Inneren des Düsengehäuses 102 innerhalb der Kammer 104 angeordnet ist und sich in nächster Nähe zur Auslaßöffnung 112 befindet. Das Horn 116 ist so ausgeführt, daß es bei Erregung durch Ultraschallenergie einen Knotenpunkt 122 und eine längsverlaufende mechanische Erregungsachse 124 aufweist. Wünschenswerterweise werden die erste Achse 114 und die mechanische Erregungsachse 124 im wesentlichen parallel sein. Es wird mehr gewünscht, daß die erste Achse 114 und die mechanische Erregungsachse 124 im wesentlichen übereinstimmen werden, wie in Fig. 1 gezeigt wird.
Die Größe und die Form der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung können stark variieren, in Abhängigkeit von wenigstens teilweise der Anzahl und der Anordnung der Auslaßöffnungen (beispielsweise Extrudieröffnungen) und der Betriebsfrequenz der Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie. Beispielsweise kann das Düsengehäuse zylindrisch, rechteckig sein oder irgendeine andere Form aufweisen. Außerdem kann das Düsengehäuse eine einzelne Auslaßöffnung oder eine Vielzahl von Auslaßöffnungen aufweisen. Eine Vielzahl von Auslaßöffnungen kann in einem Muster angeordnet sein, was ein lineares oder ein kreisförmiges Muster einschließt, aber nicht darauf beschränkt ist.
Die Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie befindet sich innerhalb der Kammer, wobei sie typischerweise wenigstens teilweise durch die unter Druck gesetzte Flüssigkeit umgeben wird. Eine derartige Einrichtung ist für das Anwenden von Ultraschallenergie auf die unter Druck gesetzte Flüssigkeit vorgesehen, während sie in die Auslaßöffnung gelangt. Anders dargelegt, eine derartige Einrichtung ist für das Anwenden von Ultraschallenergie auf einen Teil der unter Druck gesetzten Flüssigkeit in der Nähe einer jeden Auslaßöffnung vorgesehen.
Wenn die Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie ein Ultraschallhorn ist, erstreckt sich das Horn zweckmäßigerweise durch das Düsengehäuse, wie beispielsweise durch das erste Ende des Gehäuses, wie es in Fig. 1 erkannt wird. Weder die erste Achse noch die längsverlaufende Erregungsachse des Horns müssen vertikal sein. Wenn es gewünscht wird, kann die längsverlaufende mechanische Erregungsachse des Horns unter einem Winkel zur ersten Achse verlaufen. Dennoch wird die längsverlaufende mechanische Erregungsachse des Ultraschallhorns wünschenswerterweise im wesentlichen parallel zur ersten Achse verlaufen. Es ist wünschenswerter, daß die längsverlaufende mechanische Erregungsachse des Ultraschallhorns wünschenswerterweise und die erste Achse im wesentlichen übereinstimmen werden, wie in Fig. 1 gezeigt wird.
Wenn es gewünscht wird, kann mehr als eine Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie innerhalb der Kammer angeordnet werden, die durch das Düsengehäuse definiert wird. Außerdem kann eine einzelne Einrichtung Ultraschallenergie auf den Teil der unter Druck gesetzten Flüssigkeit anwenden, der sich in der Nähe der einen oder mehreren Auslaßöffnungen befindet.
Die Anwendung von Ultraschallenergie auf eine Vielzahl von Auslaßöffnungen kann mittels einer Vielzahl von Verfahren zustande gebracht werden. Beispielsweise kann, wiederum mit Bezugnahme auf die Verwendung eines Ultraschallhorns, das zweite Ende des Horns eine Querschnittsfläche aufweisen, die ausreichend groß ist, so daß Ultraschallenergie auf den Teil der unter Druck gesetzten Flüssigkeit angewandt wird, der sich in der Nähe aller Auslaßöffnungen im Düsengehäuse befindet. In einem derartigen Fall wird das zweite Ende des Ultraschallhorns wünschenswerterweise eine Querschnittsfläche aufweisen, die annähernd die gleiche ist wie die oder größer ist als eine Mindestfläche, die alle Auslaßöffnungen im Düsengehäuse einschließt (d. h., eine Mindestfläche, die die gleiche ist wie die oder größer ist als die Summe der Flächen der Auslaßöffnungen im Düsengehäuse, die in der gleichen Kammer ihren Ursprung haben). Alternativ kann das zweite Ende des Horns eine Vielzahl von Vorsprängen oder Spitzen aufweisen, die in der Anzahl der Anzahl der Auslaßöffnungen gleich sind. In diesem Fall wird die Querschnittsfläche eines jeden Vorsprunges oder einer jeden Spitze wünschenswerterweise annähernd die gleiche sein wie die oder kleiner sein als die Querschnittsfläche der Auslaßöffnung, bei der sich der Vorsprung oder die Spitze in nächster Nähe befindet.
Wie es bereits bemerkt wird, wird der Begriff "nächste Nähe" hierin in der Bedeutung verwendet, daß die Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie ausreichend nahe an der Auslaßöffnung zu finden ist, damit die Ultraschallenergie hauptsächlich auf die unter Druck gesetzte Flüssigkeit angewandt wird, die in die Auslaßöffnung gelangt. Der tatsächliche Abstand der Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie von der Auslaßöffnung in irgendeiner bestimmten Situation wird von einer Anzahl von Faktoren abhängen, von denen einige die Flußrate der unter Druck gesetzten Flüssigkeit (beispielsweise die Schmelzflußrate eines geschmolzenen thermoplastischen Polymers oder die Viskosität einer Flüssigkeit), die Querschnittsfläche des Endes der Einrichtung für das Anwenden der Ultraschallenergie relativ zur Querschnittsfläche der Auslaßöffnung, die Frequenz der Ultraschallenergie, die Verstärkung der Einrichtung für das Anwenden der Ultraschallenergie (beispielsweise die Größe der längsverlaufenden mechanischen Erregung der Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie), die Temperatur der unter Druck gesetzten Flüssigkeit und die Geschwindigkeit sind, mit der die Flüssigkeit aus der Auslaßöffnung heraus gelangt.
Im allgemeinen kann der Abstand der Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie von der Auslaßöffnung in einer bestimmten Situation leicht durch jemanden ermittelt werden, der eine normale Erfahrung im Fachgebiet besitzt, ohne eine übermäßige Versuchsdurchführung. In der Praxis wird ein derartiger Abstand im Bereich von etwa 0,002 Zoll (etwa 0,05 mm) bis etwa 1,3 Zoll (etwa 33 mm) liegen, obgleich größere Abstände zur Anwendung gebracht werden können. Ein derartiger Abstand ermittelt das Maß, in dem Ultraschallenergie auf die unter Druck gesetzte Flüssigkeit außer der angewandt wird, die gerade in die Auslaßöffnung eintritt; d. h., je größer der Abstand ist, desto größer ist die Menge der unter Druck gesetzten Flüssigkeit, die der Ultraschallenergie ausgesetzt wird. Folglich werden kürzere Abstände im allgemeinen gewünscht, um den Abbau der unter Druck gesetzten Flüssigkeit und weitere nachteilige Einflüsse zu minimieren, die sich daraus ergeben können, daß die Flüssigkeit der Ultraschallenergie ausgesetzt wird.
Ein Vorteil der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist, daß sie sich selbst reinigt. Das heißt, die Kombination von zugeführtem Druck und den Kräften, die durch mittels Ultraschall erfolgte Erregung der Einrichtung für das Zuführen von Ultraschallenergie zur unter Druck gesetzten Flüssigkeit (ohne Anwendung von Ultraschallenergie direkt auf die Öffnung) erzeugt werden, kann Verstopfungen entfernen, die die Auslaßöffnung (beispielsweise die Extrudieröffnung) zu blockieren scheinen. Entsprechend der Erfindung ist die Auslaßöffnung für eine Selbstreinigung vorgesehen, wenn die Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie mit Ultraschallenergie erregt wird (ohne Anwenden von Ultraschallenergie direkt auf die Öffnung), während die Auslaßöffnung die unter Druck gesetzte Flüssigkeit aus der Kammer aufnimmt umd die Flüssigkeit aus dem Düsengehäuse herausführt. Wünschenswerterweise ist die Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie ein eingetauchtes Ultraschallhorn mit einer längsverlaufenden mechanischen Erregungsachse, wobei das Ende des Horns, das im Düsengehäuse der Öffnung am nächsten angeordnet ist, in nächster Nähe zur Auslaßöffnung ist, aber nicht Ultraschallenergie direkt auf die Auslaßöffnung anwendet.
Ein Verfahren zur Selbstreinigung einer Auslaßöffnung einer Düsenbaugruppe schließt die folgenden Schritte ein: Zuführen einer unter Druck gesetzten Flüssigkeit zur vorangehend beschriebenen Düsenbaugruppe; Erregen einer Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie (innerhalb der Düsenbaugruppe angeordnet) mit Ultraschallenergie, während die Auslaßöffnung unter Druck gesetzte Flüssigkeit aus der Kammer aufnimmt, ohne daß Ultraschallenergie direkt auf die Auslaßöffnung angewandt wird; und Führen der unter Druck gesetzten Flüssigkeit aus der Auslaßöffnung im Düsenkopf heraus, um Verstopfungen zu entfernen, die die Auslaßöffnung blockieren würden, so daß die Auslaßöffnung gereinigt wird.
Die Vorrichtung kann für das Emulgieren einer unter Druck gesetzten Mehrkomponentenflüssigkeit verwendet werden. Allgemein gesagt, die Emulgiervorrichtung zeigt die Konfiguration der vorangehend beschriebenen Vorrichtung, und die Auslaßöffnung ist vorgesehen, um eine unter Druck gesetzte Mehrkomponentenflüssigkeit zu emulgieren, wenn die Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie mit Ultraschallenergie erregt wird, während die Auslaßöffnung unter Druck gesetzte Mehrkomponentenflüssigkeit von der Kammer aufnimmt. Die unter Druck gesetzte Mehrkomponentenflüssigkeit kann danach aus der Auslaßöffnung im Düsenkopf herausgeführt werden. Der zusätzliche Schritt kann die Emulgierung verbessern.
Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Emulgieren einer unter Druck gesetzten Mehrkomponentenflüssigkeit. Das Verfahren des Emulgierens einer unter Druck gesetzten Mehrkomponentenflüssigkeit schließt die folgenden Schritte ein: Zuführen einer unter Druck gesetzten Flüssigkeit zur Düsenbaugruppe, wie vorangehend beschrieben wird; Erregen einer Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie (innerhalb der Düsenbaugruppe angeordnet) mit Ultraschallenergie, während die Auslaßöffnung die unter Druck gesetzte Flüssigkeit aus der Kammer ohne Anwenden von Ultraschallenergie direkt auf die Auslaßöffnung aufnimmt; und Führen der Flüssigkeit aus der Auslaßöffnung im Düsenkopf heraus, so daß die Flüssigkeit emulgiert wird.
Eine weitere Ausführung ist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Flüssigkeitssprays. Allgemein gesagt, die Vorrichtung zum Erzeugen eines Sprays zeigt die Konfiguration der vorangehend beschriebenen Vorrichtung, und die Auslaßöffnung ist vorgesehen, um ein Flüssigkeitsspray zu erzeugen, wenn die Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie mit Ultraschallenergie erregt wird, während die Auslaßöffnung die unter Druck gesetzte Flüssigkeit aus der Kammer aufnimmt und die Flüssigkeit aus der Auslaßöffnung im Düsenkopf herausführt. Die Vorrichtung kann vorgesehen werden, um ein atomisiertes Flüssigkeitsspray zu liefern (d. h., ein sehr feines Spray oder ein Spray mit sehr kleinen Tröpfchen). Die Vorrichtung kann vorgesehen werden, um ein gleichförmiges, konisch geformtes Flüssigkeitsspray zu erzeugen. Beispielsweise kann die Vorrichtung vorgesehen werden, um ein konisch geformtes Flüssigkeitsspray mit einer relativ gleichmäßigen Dichte oder Verteilung der Tröpfchen durchgehend im konisch geformten Spray zu erzeugen. Alternativ kann die Vorrichtung vorgesehen werden, um unregelmäßige Muster des Sprays und/oder unregelmäßige Dichten oder Verteilungen der Tröpfchen durchgehend im konisch geformten Spray zu erzeugen. Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen eines Flüssigkeitssprays.
Das Verfahren schließt die folgenden Schritte ein: Zuführen einer unter Druck gesetzten Flüssigkeit zur Düsenbaugruppe, wie vorangehend beschrieben wird; Erregen einer Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie (innerhalb der Düsenbaugruppe angeordnet) mit Ultraschallenergie, während die Auslaßöffnung die unter Druck gesetzte Flüssigkeit aus der Kammer ohne Anwenden von Ultraschallenergie direkt auf die Auslaßöffnung aufnimmt; und Führen der Flüssigkeit aus der Auslaßöffnung im Düsenkopf heraus, um ein Flüssigkeitsspray zu erzeugen. Entsprechend dem Verfahren der Erfindung können die Bedingungen reguliert werden, um ein atomisiertes Flüssigkeitsspray, ein gleichförmiges, konisch geformtes Spray, unregelmäßig gemusterte Sprays und/oder Sprays mit unregelmäßigen Dichten zu erzeugen.
Die Vorrichtung kann für die Kavitation einer unter Druck gesetzten Flüssigkeit verwendet werden. Allgemein gesagt, die Kavitationsvorrichtung zeigt die Konfiguration der vorangehend beschriebenen Vorrichtung und ist vorgesehen, um bei einer unter Druck gesetzten Flüssigkeit eine Kavitation zu bewirken, wenn die Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie mit Ultraschallenergie erregt wird, während die Auslaßöffnung unter Druck gesetzte Flüssigkeit aus der Kammer aufnimmt und die Flüssigkeit aus der Auslaßöffnung im Düsenkopf herausführt.
Das Verfahren schließt die folgenden Schritte ein: Zuführen einer unter Druck gesetzten Flüssigkeit zur Düsenbaugruppe, wie vorangehend beschrieben wird; Erregen einer Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie (innerhalb der Düsenbaugruppe angeordnet) mit Ultraschallenergie, während die Auslaßöffnung die unter Druck gesetzte Flüssigkeit aus der Kammer ohne Anwenden von Ultraschallenergie direkt auf die Auslaßöffnung aufnimmt; und Führen der Flüssigkeit aus der Auslaßöffnung im Düsenkopf heraus, so daß die unter Druck gesetzte Flüssigkeit einer Kavitation unterworfen wird, während sie aus der Kammer aufgenommen und aus der Auslaßöffnung herausgeführt wird.
Es wird in Erwägung gezogen, daß die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine sehr breite Vielzahl von Anwendungen aufweisen, wo unter Druck gesetzte Flüssigkeit aus einer Öffnung herausgeführt wird. Beispielsweise können die Vorrichtung und das Verfahren bei Kraftstoffeinspritzdüsen für mit flüssigem Kraftstoff versorgte Verbrennungskammern eingesetzt werden. Typische Verbrennungskammern schließen Kessel, Brennöfen, industrielle und Haushaltöfen, Müllverbrennungsanlagen ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Viele dieser Verbrennungskammern verwenden schwere flüssige Kraftstoffe, die vorteilhafterweise mittels der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung gehandhabt werden können.
Verbrennungsmotoren verkörpern weitere Anwendungen, wo die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung mit Kraftstoffeinspritzdüsen zur Anwendung gebracht werden können. Beispielsweise können die Vorrichtung und das Verfahren bei Kraftstoffeinspritzdüsen für Benzin- und Dieselkolbenmotoren mit diskontinuierlichem Fluß zur Anwendung gebracht werden. Genauer gesagt, eine Einrichtung zum Liefern von Ultraschallschwingungen ist innerhalb einer Kraftstoffeinspritzdüse eingebaut. Das Schwingungselement wird so angeordnet, daß es mit dem Kraftstoff in Berührung ist, während er in eine Auslaßöffnung gelangt. Das Schwingungselement ist so ausgelichtet, daß die Achse seiner Schwingungen parallel zur Achse der Öffnung verläuft. Unmittelbar bevor der flüssige Kraftstoff in die Auslaßöffnung eintritt, wendet das Schwingungselement in Berührung mit dem flüssigen Kraftstoff Ultraschallenergie auf den Kraftstoff an. Die Schwingungen scheinen die scheinbare Viskosität und die Flußeigenschaften des flüssigen Kraftstoffes zu verändern, was zu einer verbesserten Flußrate und/oder einer verbesserten Atomisierung des Kraftstoffstromes führt, während er in den Zylinder gelangt. Die Schwingungen können ebenfalls einen Abbau und ein Ausspülen von verstopfenden Verunreinigungen in der Auslaßöffnung bewirken. Die Schwingungen können ebenfalls eine Emulgierung des flüssigen Kraftstoffes mit anderen Komponenten (z. B. flüssigen Komponenten) oder Zusatzmitteln hervorrufen, die im Kraftstoffstrom vorhanden sein können.
Die Vorrichtung und das Verfahren können in Kraftstoffeinspritzdüsen für Strömungsmaschinen, wie beispielsweise Sterling Wärmekraftmaschinen und Gasturbinen, zur Anwendung gebracht werden. Derartige Gasturbinen können Drehmomentreaktionstriebwerke, wie beispielsweise Haupt- und Hilfstriebwerke für Flugzeuge, Cogeneratoranlagen und andere Kraftmaschinen einschließen. Weitere Gasturbinen können Schubreaktionstriebwerke einschließen, wie beispielsweise Strahltriebwerke für Flugzeuge.
Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung können zur Anwendung gebracht werden, um mehrkomponentenaufweisende flüssige Kraftstoffe zu emulgieren ebenso wie flüssige Kraftstoffzusatzmittel und Verunreinigungen an der Stelle, wo die flüssigen Kraftstoffe in die Verbrennungskammer (beispielsweise Verbrennungsmotor) eingeführt werden. Beispielsweise kann Wasser, das in bestimmten Kraftstoffen mitgeführt wird, emulgiert werden, so daß eine Kraftstoff/Wasser-Mischung in der Verbrennungskammer eingesetzt werden kann. Gemischte Kraftstoffe und/oder Kraftstoffmischungen, die Komponenten einschließen, wie beispielsweise Methanol, Ethanol, Diesel, flüssiges Propangas, Biodiesel oder gleichen, können ebenfalls emulgiert werden. Die vorliegende Erfindung kann Vorteile bei mit mehreren Kraftstoffen versorgten Motoren derart aufweisen, daß sie angewandt werden kann, um die Flußratecharakteristik (beispielsweise scheinbare Viskositäten) von verschiedenen Kraftstoffen zu kompatibilisieren, die beim mit mehreren Kraftstoffen versorgten Motor eingesetzt werden können.
Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung können ebenfalls zur Anwendung gebracht werden, um eine Durchflußregelung in hydraulischen Systemen mit sowohl offenem als auch geschlossenem Kreislauf zu bewirken. Beispielhafte Anwendungen schließen ein, sind aber nicht darauf beschränkt: Kraftfahrzeuggetriebe, Servolenkung, Stoßdämpfer und Antiblockiersysteme; hydraulische Systeme und Antriebe für Bauausrüstungen und landwirtschaftliche Anlagen; industrielle Prozeßsteuerausrüstung, fluidische Verstärker und Schalter; und hydraulische Robotersysteme, die Systeme einschließen, aber nicht darauf beschränkt sind, die konstruiert sind, um eine genaue Drucksteuerung mittels Ablassen, stufenlose Geschwindigkeitsveränderungen in getriebenen Bauteilen und eine stoßfreie Bewegungsarretierung zu bewirken.
Die Flußverbesserung von viskosen Flüssigkeiten bringt weitere Anwendungen für die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung mit sich. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung zur Anwendung gebracht werden, um den Fluß von geschmolzenem Bitumen, viskosen Farben, Schmelzklebstoffen, Sirup, Schwerölen, Emulsionen, Aufschlämmungen und Suspensionen und dergleichen zu verbessern.
Es wird ebenfalls in Erwägung gezogen, daß die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Anwendung gebracht werden können, um die Phasenänderungsrate von flüssigen Kältemitteln durch Nutzen einer Ausrüstung, wie beispielsweise mit ultraschallgesteuerten Wärmeausdehnungsventilen, zu steuern.
Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung können ebenfalls Vorteile beim Massenumschlag und/oder Behälterfüllvorgängen bei einer Vielzahl von Lebensmittelprodukten bringen, insbesondere Lebensmittelprodukte, die zur Viskosität neigen. Beispielsweise wird in Erwägung gezogen, daß die vorliegende Erfindung bei gleichzeitigen Verfahrens- und Füllvorgängen der Emulsionen der Lebensmittelprodukte zur Anwendung gebracht werden kann, die Mayonnaise, Salatdressing, Aufstriche oder dergleichen einschließen, aber nicht darauf beschränkt sind.
Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung können ebenfalls Vorteile bei Spritzvorgängen bewirken, wie beispielsweise beim landwirtschaftlichen Spritzen, Farbspritzen, bei Spritzmaschinen für die Schneeherstellung, Spritzbefeuchtungsanlagen oder dergleichen. Die vorliegende Erfindung kann einen Grad an Steuerung des Spritzvorganges bewirken, die derartige Eigenschaften wie die Tröpfchengröße, die Gleichmäßigkeit der Tröpfchengröße, die Form des Spritzmusters und/oder die Gleichmäßigkeit der Spritzdichte einschließt, aber nicht darauf beschränkt ist.
Wie es vorangehend diskutiert wird, betrifft die vorliegende Erfindung ebenfalls eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bilden einer Faser aus einem thermoplastischen Polymer. Das Verfahren, wie es durch die vorliegende Erfindung in Betracht gezogen wird, schließt zuerst das Zuführen eines geschmolzenen thermoplastischen Polymers und das Extrudieren dieses durch eine Auslaßöffnung (beispielsweise eine Extrudieröffnung) in einer Düsenbaugruppe ein, um einen Fadenstrang zu bilden. Die Düsenbaugruppe ist die bereits beschriebene Vorrichtung. Die Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie wird wenigstens teilweise durch das geschmolzene thermoplastische Polymer umgeben und ist vorgesehen, damit Ultraschallenergie auf das geschmolzene thermoplastische Polymer angewandt wird, während es in die Extrudieröffnung gelangt. Während das geschmolzene thermoplastische Polymer extrudiert wird, wird die Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie mit Ultraschallenergie erregt. Der extrudierte Fadenstrang wird danach verfeinert, um eine Faser zu bilden.
Im allgemeinen werden die Vorgänge des Zuführens eines geschmolzenen thermoplastischen Polymers, des Extrudierens des Polymers und des Verfeinerns des Fadenstranges, der sich aus dem Extrudieren des Polymers ergibt, alle in Übereinstimmung mit den Verfahren und Praktiken durchgeführt, die jenen gut bekannt sind, die über eine normale Fachkenntnis verfügen. Beispielsweise kann die Verfeinerung des Fadenstranges, um eine Faser zu bilden, mechanisch oder durch Mitreißen der Faser in einem Fluid zustande gebracht werden. Letzteres wird typischerweise zur Anwendung gebracht, wenn die Faser zu einer Vliesbahn geformt werden soll. Das heißt, die Bildung der Faser zu einer Vliesbahn schließt das Berühren des Fadenstranges mit einem Fluidstrom ein, um den Fadenstrang zu verfeinern und ihn zu einer Faser zu formen. Der verfeinerte Fadenstrang oder die Faser wird danach wahllos auf einer Sammelfläche abgelegt.
Vliesbahnen können ebenfalls hergestellt werden durch: Extrudieren des geschmolzenen thermoplastischen Polymers als ein kontinuierlicher Fadenstrang; mechanisches Verfeinern des Fadenstranges; Sammeln einer Vielzahl von verfeinerten Fadensträngen zu einem Spinnkabel; Schneiden des Spinnkabels in Stapelfasern (mit oder ohne eine zusätzliche Bearbeitung, wie beispielsweise Kräuseln, Falschdrahtbehandlung oder dergleichen); und Kardieren der Stapelfasern zu einer Vliesbahn, die anschließend durch bekannte Mittel gebunden wird.
Unter bestimmten Bedingungen kann die Anwendung von Ultraschallenergie auf einen Teil des thermoplastischen Polymers, d. h., den Teil des thermoplastischen Polymers, der in die Extrudieröffnung gelangt, zur Bildung von Gasblasen im extrudierten Fadenstrang führen. Die Blasen bleiben, während sich der Fadenstrang abkühlt, und werden in der Folge eingeschlossen. Beim Verfeinern des Fadenstranges werden die Blasen verlängert oder gestreckt.
Im allgemeinen werden die Gasblasen im extrudierten Fadenstrang unter Bedingungen gebildet, die für eine Aufrechterhaltung der Kavitation ausreichend sind. Die Kavitation ist eine bekannte Erscheinung, die in Flüssigkeiten in einem starken Ultraschallfeld auftritt. In Flüssigkeiten betrifft die Kavitation die Bildung von gasförmigen und Dampfblasen in einer Flüssigkeit, die sich als Reaktion auf einen hochfrequenten abwechselnden Druck des Schallfeldes ausdehnen und zusammenziehen. Die Bildung von Blasen im geschmolzenen thermoplastischen Polymer war jedoch angesichts des sehr hohen Dampfdruckes und der relativ hohen Viskosität des geschmolzenen Polymers überraschend.
Die Kavitation des geschmolzenen thermoplastischen Polymers scheint eine Funktion des Niveaus der Ultraschallerregung und der Flußrate des geschmolzenen thermoplastischen Polymers in die Extrudieröffnung zu sein. Beispielsweise kann bei einer bestimmten Flußrate oder einem bestimmten Durchsatz die Kavitation im allgemeinen durch Erhöhen des Niveaus der Ultraschallerregung hervorgerufen werden, obgleich eine Flußrate im typischen Fall zu verzeichnen ist, oberhalb der die Kavitation nicht hervorgerufen werden kann.
Wegen des Vorhandenseins von Gasblasen in der Faser weist die Faser eine Dichte auf, die kleiner ist als die einer anderweitig identischen Faser, die keine eingeschlossenen Gasblasen aufweist. Beispielsweise kann die Dichte einer derartigen Faser kleiner sein als etwa 90 Prozent der Dichte einer anderweitig identischen Faser, die keine eingeschlossenen Gasblasen aufweist. Als weiteres Beispiel kann die Dichte einer derartigen Faser in einem Bereich von etwa 20 bis etwa 90 Prozent der Dichte einer anderweitig identischen Faser liegen, die keine eingeschlossenen Gasblasen aufweist.
Die vorliegende Erfindung wird außerdem mittels der Beispiele beschrieben, die sich anschließen. Derartige Beispiele sind jedoch nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend aufzufassen. Wie er in den Beispielen verwendet wird, bedeutet der Begriff "Schmelzflußrate", die Schmelzflußrate, die in Übereinstimmung mit dem ASTM-Verfahren D-1238 gemessen wird. Der Begriff "Flußrate" wird verwendet, um die experimentell ermittelte Flußrate der unter Druck gesetzten Flüssigkeit (beispielsweise das geschmolzene thermoplastische Polymer, Öl oder dergleichen) durch eine Auslaßöffnung (beispielsweise Extrudieröffnung) in einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zu bestimmen.

BEISPIEL 1

Das eingesetzte Polymer war ein Polypropylen mit einer Schmelzflußrate von 400 Gramm pro 10 Minuten oder g/10 min. (Himont HH-441, Himont Company, Wilmington, Delaware), das kerne Schmelzbehandlungszusatzmittel aufweist. Das Polymer wurde in einem Chargenextruder mit konstantem Druck geschmolzen, der von der Alex James and Associates, Greenville, South Carolina, hergestellt wird. Das Hauptbauteil des Extruders ist ein Druckzylinder mit einer Lange von annähernd 3 Zoll (etwa 80 mm), mit einer axialen Bohrung mit einem Durchmesser von 1,0 Zoll (etwa 25 mm). Ein Druckkolben mit einem Durchmesser von 1,0 Zoll (etwa 25 mm) und einer Länge von annähernd 4 Zoll (etwa 100 mm) wurde in das Ende des Zylinders eingepaßt und mittels einer Packungsstopfbuchse abgedichtet. Das entgegengesetzte Ende des Zylinders wurde mit einem Flansch ausgestattet, der durch Schrauben gesichert wurde, was einen Filter und eine Dichtung aufnahm und eine Einrichtung für das Verbinden einer Rohrleitung mit dem Austritt der Zylinderbaugruppe lieferte. Beim Betrieb wurde die Zylinderbaugruppe erwärmt, indem sie innerhalb einer Umhüllung von eingebetteten Einsatzheizkörpern festgeklemmt wurde. Die Zylindertemperatur wurde mit einem Thermoelement gemessen, das mit der äußeren Fläche des Zylinders in Berührung war. Die geschmolzene Charge im Zylinder wurde unter Druck gesetzt, indem der Kolben in den Zylinder gedrückt wurde. Diese Kraft wurde durch einen hydraulischen Druckkolben bewirkt. Der Systemdruck wurde mittels eines Manometers in der hydraulischen Leitung zum Druckkolben überwacht.
Während der Kolben in den Behälter unter konstantem Druck gedrückt wurde, trat das geschmolzene Polymer durch einen Austritt im anderen Ende des Behälters aus und in ein Rohr aus nichtrostendem Stahl mit einer Länge von annähernd 4 Zoll (etwa 10 cm) und einem Durchmesser von ¹/&sub4; Zoll (etwa 6,4 mm) ein. Das Rohr wurde mit dem Eintritt (beispielsweise Eintrittsöffnung) einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verbunden, wie in Fig. 1 gezeigt wird.
Wiederum mit Bezugnahme auf Fig. 1 war das Düsengehäuse 102 der Vorrichtung ein Zylinder mit einem Außendurchmesser von 1,375 Zoll (etwa 34,9 mm), einem Innendurchmesser von 0,875 Zoll (etwa 22,2 mm) und einer Länge von 3,086 Zoll (etwa 78,4 mm). Der äußere Abschnitt von 0,312 Zoll (etwa 7,9 mm) des zweiten Endes 108 des Düsengehäuses war mit Gewindegängen mit 16-er Steigung versehen. Die Innenseite des zweiten Endes zeigte einen abgeschrägten Rand 126 oder eine Abfasung, die sich von der Fläche 128 des zweiten Endes in Richtung des ersten Endes 106 über einen Abstand von 0,125 Zoll (etwa 3,2 mm) erstreckt. Die Abfasung verringerte den Innendurchmesser des Düsengehäuses an der Fläche des zweiten Endes auf 0,75 Zoll (etwa 19,0 mm). Ein Eintritt 110 (ebenfalls als eine Eintrittsöffnung bezeichnet) wurde in das Düsengehäuse gebohrt, wobei die Mitte davon 0,688 Zoll (etwa 17,5 mm) vom ersten Ende betrug, und er wurde mit Innengewinde versehen. Die Innenwand des Düsengehäuses bestand aus einem zylindrischen Abschnitt 130 und einem Kegelstumpfabschnitt 132, Der zylindrische Abschnitt erstreckte sich von der Abfasung am zweiten Ende in Richtung des ersten Endes auf innerhalb 0,992 Zoll (etwa 25,2 mm) von der Fläche des ersten Endes aus. Der Kegelstumpfabschnitt erstreckte sich vom zylindrischen Abschnitt über einen Abstand von 0,625 Zoll (etwa 15,9 mm), wobei er in einer mit Gewinde versehenen Öffnung 134 im ersten Ende endet. Der Durchmesser der mit Gewinde versehenen Öffnung betrug 0,375 Zoll (etwa 9,5 mm); eine derartige Öffnung zeigte eine Länge von 0,367 Zoll (etwa 9,3 mm).
Ein Düsenkopf 136 wurde in der mit Gewinde versehenen Öffnung des ersten Endes angeordnet. Der Düsenkopf bestand aus einem mit Gewinde versehenen Zylinder 138, der einen kreisförmigen Vorsprungabschnitt 140 aufweist. Der Vorsprungabschnitt war 0,125 Zoll (etwa 3,2 mm) dick und zeigte zwei parallele Flächen (nicht gezeigt), die 0,5 Zoll (etwa 12,7 mm) auseinander waren. Eine Auslaßöffnung 112 (ebenfalls als eine Extrudieröffnung bezeichnet) wurde in den Vorsprungabschnitt gebohrt und erstreckte sich in Richtung des mit Gewinde versehenen Abschnittes über einen Abstand von 0,087 Zoll (etwa 2,2 mm). Der Durchmesser der Extrudieröffnung betrug 0,0145 Zoll (etwa 0,37 mm). Die Extrudieröffnung endete innerhalb des Düsenkopfes in einem Vorraumabschnitt 142 mit einem Durchmesser von 0,125 Zoll (etwa 3,2 mm) und einem Kegelstumpfabschnitt 144, der den Vorraumabschnitt mit der Extrudieröffnung verbindet. Die Wand des Kegelstumpfabschnittes verlief unter einem Winkel von 30º von der Vertikalen. Der Vorraumabschnitt erstreckte sich von der Extrudieröffnung zum Ende des mit Gewinde versehenen Abschnittes des Düsenkopfes, wodurch die Kammer, die durch das Düsengehäuse definiert wird, mit der Extrudieröffnung verbunden wurde.
Die Einrichtung für das Anwenden von Ultraschallenergie war ein zylindrisches Ultraschallhorn 116. Das Horn war maschinell bearbeitet, um mit einer Frequenz von 20 kHz in Resonanz zu kommen. Das Horn zeigte eine Länge von 5,198 Zoll (etwa 132,0 mm), was gleich einer Hälfte der Resonanzwellenlänge war, und einen Durchmesser von 0,75 Zoll (etwa 19,0 mm). Die Fläche 146 des ersten Endes 118 des Horns wurde für einen 3/8 Zoll (etwa 9,5 mm) Bolzen (nicht gezeigt) gebohrt und mit Innengewinde versehen. Das Horn war mit einem Ring 148 im Knotenpunkt 122 maschinell bearbeitet. Der Ring war 0,094 Zoll (etwa 2,4 mm) breit und erstreckte sich von der zylindrischen Fläche des Horns 0,062 Zoll (etwa 1,6 mm) nach außen. Daher betrug der Durchmesser des Horns am Ring 0,875 Zoll (etwa 22,2 mm). Das zweite Ende 120 des Horns endete in einer kleinen zylindrischen Spitze 150 von 0,125 Zoll (etwa 3,2 mm) Länge und 0,125 Zoll (etwa 3,2 mm) Durchmesser. Eine derartige Spitze war vom zylindrischen Körper des Horns durch einen Parabolstumpfabschnitt 152 von annähernd 0,5 Zoll (etwa 13 mm) Länge getrennt. Das heißt, die Kuve dieses Stumpfabschnittes zeigte, wie im Schnitt zu sehen ist, eine parabolische Form. Die Fläche der kleinen zylindrischen Spitze war senkrecht zur zylindrischen Wand des Horns und etwa 0,4 Zoll (etwa 10 nun) von der Extrudieröffnung angeordnet. Daher wurde die Fläche der Spitze des Horns, d. h., das zweite Ende des Horns, unmittelbar oberhalb der Vorraumöffnung im mit Gewinde versehenen Ende des Düsenkopfes angeordnet.
Das erste Ende 108 des Düsengehäuses wurde durch eine mit Gewinde versehene Kappe 154 abgedichtet, die ebenfalls dazu diente, das Ultraschallhorn an Ort und Stelle zu halten. Die Gewindegänge erstreckten sich nach oben in Richtung der Oberseite der Kappe über einen Abstand von 0,312 Zoll (etwa 7,9 mm). Der Außendurchmesser der Kappe betrug 2,00 Zoll (etwa 50,8 mm), und die Länge oder Dicke der Kappe betrug 0,531 Zoll (etwa 13,5 mm). Die Öffnung in der Kappe war so bemessen, daß sie das Horn aufnimmt; d. h., die Öffnung zeigte einen Durchmesser von 0,75 Zoll (etwa 19,0 mm). Der Rand der Öffnung in der Kappe war eine Abfasung 156, die das Spiegelbild der Abfasung am zweiten Ende des Düsengehäuses war. Die Dicke der Kappe an der Abfasung betrug 0,125 Zoll (etwa 3,2 mm), was einen Zwischenraum zwischen dem Ende der Gewindegänge und dem untersten Teil der Abfasung von 0,094 Zoll (etwa 2,4 mm) hinterließ, wobei der Zwischenraum der gleiche wie die Länge des Ringes am Horn war. Der Durchmesser eines derartigen Zwischenraumes betrug 1,104 Zoll (etwa 28,0 mm). In die Oberseite 158 der Kappe wurden vier tiefe Löcher (nicht gezeigt) von ¹/&sub4; Zoll Durchmesser · ¹/&sub4; Zoll (6,4 mm · 6,4 mm) in Abständen von 900 gebohrt, um einen Zapfenschlüssel aufzunehmen. Auf diese Weise wurde der Ring des Horns zwischen den zwei Abfasungen beim Anziehen der Kappe zusammengedrückt, wodurch die Kammer abgedichtet wurde, die durch das Düsengehäuse definiert wird.
Ein verlängerter Aluminium-Hohlleiter Branson mit einem Eingabe : Ausgabe-Verhältnis der mechanischen Erregung von 1 : 1,5 wurde mit dem Ultraschallhorn mittels eines 3/8 Zoll (etwa 9,5 mm) Bolzens gekoppelt. Mit dem verlängerten Hohlleiter wurde ein piezoelektrischer Umwandler, ein Branson Modell 502 Converter, gekoppelt, der mittels einer Leistungsversorgung Branson Modell 1120 mit Leistung versorgt wurde, die mit 20 kHz arbeitete (Branson Sonic Power Company, Danbury, Connecticut). Der Leistungsverbrauch wurde mit einem Branson Modell A410A Wattmeter überwacht.
Das Rohr aus nichtrostendem Stahl, das vom Behälter zum Düsengehäuse führt, und das Düsengehäuse selbst wurden mit einem elastischen Heizband umwickelt, das ein Thermoelement an jedem von Rohr und Düsengehäuse sicherte. Der Behälter wurde auf einer Temperatur von etwa 177ºC gehalten, und das Rohr und das Düsengehäuse wurden auf Temperaturen von annähernd 190ºC und bzw. 260ºC gehalten. Die Temperatur des Düsenkopfes betrug etwa 190ºC, gemessen mit einem Handpyrometer, einem Digi-Sense Type K Digitalthermometer (Cole-Parmer Instrument Company, Niles, Illinois); die Temperatur des extrudierten Polymers wurde bei etwa 249ºC ermittelt. Ein hydraulischer Druck von 1,03 MPa (150 Pfand pro Quadratzoll, Normalmaß (psig)) wurde danach mittels des hydraulischen Druckkolbens auf den Kolben ausgeübt. Wenn der Fluß des geschmolzenen Polymers aus der Extrudieröffnung startete, wurde eine Zwei-Minuten- Massenprobe in einer austarierten Probenentnahmeschale aus Aluminium gesammelt, die etwa 2 Zoll (etwa 5 cm) unterhalb des Düsenkopfes gehalten wurde. Die Probenentnahmeschale wurde erneut gewogen, und die Flußrate des extrudierten Polymers in Gramm pro Minute (g/min.) wurde berechnet. Die Ultraschalleistung wurde danach mit der Leistungseinstellung von 100 Prozent eingeschaltet, was zu einer Ausgangslast von 80 Watt führte. Eine Probe wurde entnommen, und die Flußrate wurde berechnet, wie vorangehend.
Wenn die Leistung zum Horn abgeschaltet war, betrug die Flußrate 0,05 g/min. Bei Anwendung von 100 Prozent Leistung am Horn betrug die Flußrate 0,345 g/min., selbst wenn der Extrudierdruck während beider Versuche konstant war. Mit dem gleichen Extrudierdruck wurde die Flußrate durch Anwendung von Ultraschallenergie in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung etwa 7-fach erhöht.
Während die Probe bei angewandter Ultraschalleistung entnommen wurde, wurde bemerkt, daß die Ablesung des Wattmessers etwas instabil war, und daß Veränderungen der akustischen Oberschwingungen, die aus dem Horn austreten, zum Muster der Leistungsveränderung zu passen schienen. Diese Beobachtungen zeigten, daß die extrem niedrige Flußrate das Auftreten einer Kavitation an der Horn/Polymer-Grenzfläche gestattetet. Eine anschließende mikroskopische Untersuchung der extrudierten Faser, die in dem Probenentnahmebecher gesammelt wurde, zeigte das Vorhandensein von Blasen innerhalb der Faser, die offensichtlich durch die Kavitationsextraktion des Gases aus der Schmelze gebildet wurden. Eine Mikrofotografie der Faser wird in Fig. 2 gezeigt. Außerdem wurden die Fasern, die unter dem Einfluß des Ultraschalls gebildet und durch die Schwerkraft gestreckt wurden, aus einer Auffangschale gesammelt, die annähernd 4 Fuß (etwa 1,2 Meter) unterhalb des Düsenkopfes angeordnet ist. Eine Mikrofotografie dieser Fasern, die in Fig. 3 gezeigt wird, zeigt, daß die Blasen, die innerhalb dieser Fasern mitgerissen wurden, um das Mehrfache ihrer Durchmesser verlängert wurden.

BEISPIEL 2

Die Verfahrensweie aus Beispiel 1 wurde wiederholt, außer daß das eingesetzte Polymer ein Polypropylen mit einer Schmelzflußrate von 30 g/10 min. (Escorene PP-3445, Exxon Chemical Americas, Houston, Texas 77079) und fehlenden Schmelzverarbeitungszusatzmitteln war, und daß der verlängerte Hohlleiter durch einen mit einem Eingabe : Ausgabe-Verhältnis der mechanischen Erregung von 1 : 1 ersetzt wurde. Außerdem wurden hydraulische und pneumatische Präzisionsmeßgeräte ebenso wie ein Präzisionsluftdruckregler dem Extrudiersystem hinzugefügt. Ebenfalls wurde eine ¹/&sub4; Zoll (etwa 6,4 mm) dicke Schicht der starren mineralischen Isolierungsplatte am Düsenkopf befestigt, um den Wärmeverlust zu minimieren.
Sechs Versuche wurden durchgeführt, wobei die Bedingungen und die Ergebnisse in der Tabelle 1 zusammengefaßt werden. In der Tabelle ist die Spalte "Druck" der hydraulische Druck in MPa, wie im Beispiel 1 beschrieben wird, die Spalte "Temperatur" kennzeichnet die Temperatur eines jeden von Extruder, Rohr und Düsengehäuse in Grad Celsius, wie im Beispiel 1 beschrieben wird, die Spalte "Prozent" unter der Überschrift "Leistung" betrifft den Prozentwert der maximalen Ultraschalleistung, der beim Horn zur Anwendung kommt, die Spalte "Watt" unter der Überschrift "Leistung" betrifft den Leistungsverbrauch bei einer bestimmten Leistungseinstellung, und die Spalte "Rate" betrifft die Flußrate, die für jeden Versuch gemessen wird, ausgedrückt in g/min. TABELLE 1 Zusammenfassung der Versuche mit Escorene PP-3445
a - Kavitation und Stromunterbrechung (Blasenbildung)
Weil jeder Versuch das Ausbauen des Extruders erforderte, um den Behälter mit dem Polymer zu füllen, war es schwierig, den Extruder wieder zusammenzubauen, ohne daß bestimmte Veränderungen hinsichtlich der Dichtheit der Packungsstopfbuchse des Kolbens, der Passung des Kolbens im Zylinder, der Umhüllung des Rohres aus nichtrostendem Stahl und des Düsengehäuses mit dem Heizband und der manuellen Steuerung der Temperatur des Rohres und des Düsengehäuses eingebracht wurden. Derartige Veränderliche ebenso wie andere schließen einen exakten Vergleich des einen Versuches mit einem anderen aus. Die Trends innerhalb eines jeden Versuches ebenso wie die allgemeinen Beobachtungen von Versuch zu Versuch sind jedoch bedeutsam.
Es ist offensichtlich, daß die Anwendung von Ultraschallenergie die Flußrate des geschmolzenen Polymers durch die Extrudieröffnung ungeachtet des Druckes oder der Temperatur der Extrudierung erhöht. Der Umfang der Verbesserung scheint eine Funktion von sowohl dem Druck als auch der Temperatur der Extrudierung zu sein. Mit anderen Worten, das Erhöhen von entweder dem Druck oder der Temperatur erhöht die Flußrate, obgleich der Einfluß des Druckes größer zu sein scheint.

BEISPIEL 3

Bei diesem Beispiel wurde der Chargenextruder mit konstantem Druck, der bei den vorangegangenen zwei Beispielen verwendet wurde, durch einen Grid Melter, Modell GM-25-1, ersetzt, der von der J&M Laboratories Inc. of Dawsonville Georgia, erhalten wird. Die Vorrichtung besitzt die Fähigkeit, bis zu 25 Pfund des Polymers pro Stunde (etwa 11 Kilogramm pro Stunde) zu behandeln und weist eine integrierte regelbare Zahnradpumpe mit einer Fördermenge von 1,752 cm³/Umdrehung auf. Die Temperatur der Schmelze wird in zwei Zonen reguliert, der Vorschmelze und der Hauptschmelze. Der Druck wird durch ein inneres regelbares Umgehungsventil begrenzt und reguliert und durch eine Digitalanzeige angezeigt, die in Stufen von 0,06894 MPa (10 psi) aufgeteilt ist. Die Pumpenantriebsdrehzahl wird durch ein in der Schalttafel montiertes Potentiometer gesteuert.
Der Grid Melter wurde verwendet, um die Polymere zu schmelzen und unter Druck zu setzen. Es wird die Notwendigkeit des Ausbauens der Anlage zwischen den Versuchen eliminiert, wie es bei den vorhergehenden Beispielen erforderlich war. Das erste eingesetzte Polymer war das Escorene PP-3445 (Versuche 1-18 einschließlich), und das zweite war das Himont HH-441 (Versuche 19-42 einschließlich). Die Pumpenantriebsdrehzahl wurde willkürlich auf annähernd 30 Prozent des Potentiometerbereiches eingestellt, und der Druck wurde durch Regulieren des Umgehungsventils eingestellt und gesteuert. Ein Rohr aus nichtrostendem Stahl mit einer Länge von 9 Zoll (etwa 23 cm) und einem Durchmesser von ¹/&sub4; Zoll (etwa 6,4 mm) wurde vom Austritt des Grid Melters bis zum Eintritt des Düsengehäuses angebracht. Das Rohr und der Extrudierbecher wurden mit Wärmeband als zwei Zonen umwickelt, und die zwei Zonen wurden durch automatische Wärmeregler eingestellt und gesteuert. Alle Wärmezonen in sowohl dem Grid Melter als auch der Extrudiervorrichtung wurden auf den gleichen Punkt eingestellt. Außerdem wurde der Druck des Grid Melter erst zu Beginn einer jeden Reihe von Versuchen eingestellt. Die Ergebnisse der Versuche werden in den Tabellen 2 und 3 zusammengefaßt. In den Tabellen ist die Spalte "Druck" der Druck des Grid Melters in MPa (psig), die Spalte "Temperatur" kennzeichnet den Einstellpunkt der Temperatur in Grad Celsius bei allen Heizzonen, die Spalte "Prozent" unter der Überschrift "Leistung" betrifft den Prozentwert der maximalen Ultraschalleistung, die am Horn zur Anwendung kommt, die Spalte "Watt" unter der Überschrift "Leistung" betrifft den Stromverbrauch bei einer bestimmten Stromeinstellung, und die Spalte "Rate" betrifft die Flußrate, gemessen für jeden Versuch, ausgedrückt in g/min. TABELLE 2 Zusammenfassung der Versuche mit Escorene PP-3445
a - Anfangsdruckeinstellung des Grid Melter TABELLE 3 Zusammenfassung der Versuche mit Himont HH-441
a - Anfangsdruckeinstellung des Grid Melter
Die Daten in den Tabellen 2 und 3 verweisen darauf, daß die Anwendung von Ultraschallenergie die Flußrate des Polymers durch die Öffnung ungeachtet der Temperatur der Schmelze erhöht, verglichen mit der Flußrate ohne Anwendung von Ultraschallenergie. Um die Daten jedoch besser zu verstehen, wurden die Daten als prozentuale der Ultraschalleistungseinstellung über der beobachteten Schmelzflußrate in Gramm pro Minute grafisch dargestellt. Die grafische Darstellung für die Versuche 1-9 (Tabelle 2) wird in Fig. 4 gezeigt, und die grafische Darstellung für die Versuche 10-18 (Tabelle 2) wird in Fig. 5 gezeigt. Gleichermaßen werden die grafischen Darstellungen für die Versuche 19-30 und die Versuche 31-42 (Tabelle 3) in Fig. 6 und bzw. 7 gezeigt. Schließlich ist Fig. 8 eine gleiche grafische Darstellung der Daten für die Versuche 1-3 aus Tabelle 2 und die Versuche 19-21 aus Tabelle 3.
Fig. 4-7, insbesondere Fig. 6 und 7, verweisen darauf, daß eine zunehmende Ultraschalleistung zu im wesentlichen linearen Anstiegen bei der beobachteten Schmelzflußrate durch die Öffnung rührt. Außerdem traten derartige Anstiege der Schmelzflußrate bei jeder untersuchten Extrudiertemperatur auf. Fig. 8 zeigt, daß die Anwendung von Ultraschallenergie die Extrudierung eines Polymers mit einer Schmelzflußrate von 30 gestattet, als ob es ein Polymer mit einer Schmelzflußrate von 400 ohne die Anwendung von Ultraschallenergie wäre. Die Folgerung ist natürlich, daß die Vorteile der Polymere mit niedrigerer Schmelzflußrate (d. h., die Polymere mit höherer relativer Molekülmasse) unter Behandlungsbedingungen realisiert werden können, die typischerweise bei Polymeren mit höherer Schmelzflußrate zur Anwendung kommen. Derartige Vorteile schließen nur zur Veranschaulichung die Herstellung von Fasern mit den Eigenschaften höherer Schmelzpunkte und einer höheren Zugfestigkeit ein. Umgekehrt gestattet das Verfahren der vorliegenden Erfindung das Extrudieren eines bestimmten Polymers bei einer niedrigeren Temperatur, ohne daß Abstriche beim Durchsatz gemacht werden.

BEISPIEL 4

Dieses Beispiel veranschaulicht die Fähigkeit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, Verstopfungen zu beseitigen, die die Extrudieröffnung blockieren. Bei diesem Beispiel wurde der Trichter des Grid Melters mit einer Menge eines experimentellen druckempfindlichen Schmelzklebstoffes, HL-1295 ZP, gefüllt, erhalten von der H. B. Füller, Company of St. Paul, Minnesota. Die empfohlene Anwendungstemperatur für das Harz betrug 149ºC. Die Heizzonen in der Schmelzvorrichtung, dem Rohr und dem Düsengehäuse wurden anfangs auf 138ºC eingestellt. Wenn die Wärmeniveaus stabilisiert waren, wurde der Pumpenantrieb mit etwa 15 Prozent der Gesamtdrehzahl gestartet, und es wurde ein Druck von 3,10 MPa (450 psig) entwickelt. An dieser Stelle wurde keine Ultraschalleistung angewandt. Die Temperatur aller Zonen wurde danach auf annähernd 194ºC oder 27ºC über der empfohlenen Anwendungstemperatur des Harzes erhöht. Der Extrudierdruck stabilisierte sich bei etwa 0,90 MPa (130 psig). Das Extrudat roch, brannte und rauchte an dieser Stelle. Innerhalb von fünf Minuten kam der Fluß zum Stillstand, und der Extrudierdruck stieg auf über 2,76 MPa (400 psig) an. An diese Stelle wurde der Regler für die Ultraschalleistung auf 50 Prozent eingestellt, und die Leistung wurde über eine Sekunde eingeschaltet. Der Fluß wurde sofort fortgesetzt, und der Druck fiel auf das frühere Niveau ab. Teilchen der schwarzen, verkohlten Materialien konnten im Extrudat gesehen werden. Innerhalb von drei Minuten kam der Fluß wiederum zum Stillstand und wurde bei Anwendung von Ultraschallenergie erneut aufgenommen, wie vorangehend. Dieser Zyklus wurde achtmal wiederholt. Nach jeder Wiederholung wurde die Leistungssteuerung etwas zurückgedreht; nach dem letzten Zyklus betrug die Einstellung der Leistungssteuerung 30 Prozent Leistung, was zu einer Ablesung von 35 Watt am Wattmeter führte. Die Leistungsversorgung wurde auf dem Niveau von 30 Prozent belassen, und es wurde ein Fluß über eine Stunde beobachtet. Verkohlte Teilchen konnten innerhalb des Extrudates gesehen werden, aber der Fluß wurde im Verlauf des Versuches nicht unterbrochen.

BEISPIEL 5

Dieses Beispiel veranschaulicht die vorliegende Erfindung, da es sich auf relativ frei fließende Flüssigkeiten bezieht, wie beispielsweise Öle auf Kohlenwasserstoffbasis. Die Ultraschallvorrichtung, die bei diesem Beispiel genutzt wird, wird als eingetauchtes Horn bezeichnet. Eine detaillierte Beschreibung eines Beispiels für ein eingetauchtes Horn kann in Fig. 1 und den Abschnitten der Patentbeschreibung vorgefunden werden, die sich auf Fig. 1 beziehen.
Eine Pumpe, ein Antriebsmotor und ein Motorregler wurden von der Dayton Electric Mfg. Company of Chicago, Illinois, erhalten. Die Pumpe war eine Zahnradflüssigkeitspumpe mit einer Fördermenge von 1,34 Kubikzentimeter pro Umdrehung. Die Rohrleitung auf der Hochdruckseite des Systems war ein 6,4 mm (1/4 Zoll) Rohr aus nichtrostendem Stahl.
Die Kapillarspitze zeigte eine Öffnung mit einem Durchmesser von 0,3683 mm (0,0145 Zoll) und eine Kapillarlänge von 2,2098 mm (0,087 Zoll).
Dementsprechend zeigte die Kapillare ein Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis (L/D) von 6. Die Öffnung in der Spitze, die der Kapillare entgegengesetzt ist, zeigte einen Durchmesser von 3,175 mm (0,125 Zoll). Die Wände der Öffnung engten sich unter einem Winkel von 30 Grad ein, bis die Öffnung den geeigneten Kapillardurchmesser aufwies.
Die Ultraschallvorrichtung wurde durch eine Leistungsversorgung Branson Modell 1120 mit Leistung versorgt. Die verbrauchte Leistung wurde durch ein Wattmeter Branson A410A überwacht. Das 20 kHz Ultraschallsignal wurde durch einen Umwandler Branson Modell 502 umgewandelt. Der Ausgang des Umwandlers wurde durch einen 1 : 1 Verstärker aus Aluminium mit dem angeschlossenen Horn gekoppelt. Der Umwandler, der Verstärker und das Horn bildeten das Ultraschallpaket.
Ein Leistungsregler Branson Modell J-4 wurde installiert, um den Ausgang der Leistungsversorgung in Prozent der gesamten Leistungskapazität zu steuern.
Das für die Versuche ausgewählte Öl war ein Öl mit einem Viskositätsstandard auf Erdölbasis, das von der Cannon Instrument Company of State College, Pennsylvania, Standard Nr. N1000, Posten # 92102, erhalten wurde. Das Öl zeigte eine Viskosität von 4216 Centipoise (cP) (SI-Einheiten sind mPa·s) bei 20ºC; eine Viskosität von 2716 cP bei 25ºC; eine Viskosität von 839 cP bei 40ºC; eine Viskosität von 235 cP bei 60ºC; und eine Viskosität von 40 cP bei 100ºC.
Die Flußratenversuche wurden mit dem eingetauchten Horn mit der Spitze mit einem Durchmesser von 0,0145 Zoll ohne Ultraschalleistung oder mit 50-Prozent der verfügbaren Leistung durchgeführt. Die Temperatur des Extrudates wurde überwacht, indem ein Thermoelement mit blanker Vergleichsstelle im Strom innerhalb von 6,4 mm (1/4 Zoll) vom Austritt angeordnet und das Signal vom Thermoelement mit einem Handpyrometer abgelesen wurde. Die Ergebnisse der Versuche werden in Tabelle 4 gezeigt. In Tabelle 4 ist die Spalte "Druck" der Druck in MPa (psig), die Spalte "Pumpe" bezieht sich auf die Pumpendrehzahl in Umdrehungen pro Minute, die Spalte "Masse" betrifft die Masse der Versuchsflüssigkeit (d. h. Öl), die gesammelt und in Gramm ausgedrückt wird, die Spalte "Temperatur" kennzeichnet die Temperatur, die vom Handpyrometer abgelesen wird, die Spalte "Zeit" betrifft die Menge an Zeit, über die Flüssigkeit gesammelt wurde, und wird in Sekunden ausgedrückt, die Spalte "Watt" betrifft den Leistungsverbrauch bei einer bestimmten Leistungseinstellung, und die Spalte "Rate" betrifft die Flußrate, die bei jedem Versuch gemessen wird, ausgedrückt in g/min. TABELLE 4 Flußraten mit 0,0145 Zoll Spitze bei 0 und 50% Leistung

BEISPIEL 6

Dieses Beispiel veranschaulicht die vorliegende Erfindung, da es sich auf die Herstellung eines Flüssigkeitssprays bezieht, bei der die gleiche Ultraschallvorrichtung (eingetauchtes Horn) wie im Beispiel 5 benutzt wird, die in der gleichen Konfiguration mit folgenden Ausnahmen eingerichtet ist:
Zwei unterschiedliche Öffnungen wurden verwendet. Eine zeigte einen Durchmesser von 0,1016 mm (0,004 Zoll) und eine Länge von 0,1016 mm (0,004 Zoll) (L/D-Verhältnis von 1), und die andere zeigte einen Durchmesser von 0,254 mm (0,010 Zoll) und eine Länge von 0,1524 mm (0,006 Zoll) (L/D-Verhältnis von 0,006/0,010 oder 0,6).
Das verwendete Öl war ein Vakuumpumpenöl mit der Kennzeichnung HE-200, Katalog # 98-198-006, erhältlich von der Legbold-Heraeus Vacuum Products, Inc. of Export, Pennsylvania. Die Fachliteratur berichtete, daß das Öl eine kinematische Viskosität von 58,1 Centipoise (cP) bei 40ºC (104º Fahrenheit) und eine kinematische Viskosität von 9,14 cP bei 100ºC (212º Fahrenheit) aufwies.
Die Flußratenversuche wurden mit dem eingetauchten Horn mit verschiedenen Spitzen ohne Ultraschalleistung, mit 80 Watt Leistung und mit 90 Watt Leistung durchgeführt. Die Ergebnisse der Versuche werden in Tabelle 5 gezeigt. In Tabelle 5 ist die Spalte "Druck" der Druck in MPa (psig), die Spalte "SPITZE" betrifft den Durchmesser und die Länge der Kapillarspitze (d. h., die Auslaßöffnung) in Zoll, die Spalte "Leistung" betrifft den Leistungsverbrauch in Watt bei einer bestimmten Leistungseinstellung, und die Spalte "Rate" betrifft die Flußrate, die für jeden Versuch gemessen wird, ausgedrückt in g/min.
Bei jedem Versuch, wenn die Ultraschallvorrichtung mit Leistung versorgt wurde, zerstäubte der Ölstrom sofort in ein gleichförmiges, konisch geformtes Spray aus feinen Tröpfchen. TABELLE 5 Vakuumpumpenöl HE-200

BEISPIEL 7

Dieses Beispiel veranschaulicht die vorliegende Erfindung, wobei die gleiche Ultraschallvorrichtung (eingetauchtes Horn) wie im Beispiel 6 benutzt wird, die in der gleichen Konfiguration mit folgenden Ausnahmen eingerichtet ist:
Zwei unterschiedliche Öffnungen wurden verwendet. Eine zeigte einen Durchmesser von 0,635 mm (0,025 Zoll) und eine Länge von 1,143 mm (0,045 Zoll) (L/D-Verhältnis von 1,8), und die andere zeigte einen Durchmesser von 0,3683 mm (0,0145 Zoll) und eine Länge von 2,2098 mm (0,087 Zoll) (L/D-Verhältnis von 6).
Die verwendete Flüssigkeit war leichter Maissirup mit dem Markennamen Karo, Produktherstellungskode #214A5, erhältlich von der Best Foods Division, CPC International, Englewood Cliffs, New Jersey. Der Maissirup zeigte eine kinematische Viskosität von 3392 cP bei 25º Celsius.
Die Flußratenversuche wurden mit dem eingetauchten Horn mit verschiedenen Spitzen ohne Ultraschalleistung, mit 90 Watt Leistung (20% der verfügbaren Leistung) und mit 100 Watt Leistung (30% der verfügbaren Leistung) durchgeführt. Die Ergebnisse der Versuche werden in Tabelle 6 gezeigt. In Tabelle 6 ist die Spalte "Druck" der Druck in MPa (psig), die Spalte "Prozent" betrifft die Große des Leistungsverbrauchs als Prozentwert der verfügbaren Leistung, die Spalte "Watt" betrifft den Leistungsverbrauch in Watt bei einer bestimmten Leistungseinstellung, und die Spalte "Rate" betrifft die Flußrate, die für jeden Versuch gemessen wird, ausgedrückt in g/min.

TABELLE 6

Maissirup

SPITZE - 0,635 mm (0,025 Zoll) Durchmesser · 1,143 mm (0,045 Zoll) Länge LEISTUNG
SPITZE - 0,3683 mm (0,0145 Zoll) Durchmesser · 2,2098 mm (0,087 Zoll) Länge LEISTUNG

BEISPIEL 8

Dieses Beispiel veranschaulicht die vorliegende Erfindung, da es sich auf die Emulgierung von ungleichen Flüssigkeiten bezieht. Bei diesem Beispiel wurde eine Emulsion aus Wasser und einem Öl auf Kohlenwasserstoffbasis gebildet. Das für die Versuche ausgewählte Öl war ein Öl mit Viskositätsstandard auf Erdölbasis, das von der Cannon Instrument Company of State College, Pa., Standard Nr. N1000 Posten # 92102, erhalten wurde.
Das Öl wurde mittels der Pumpe, des Antriebsmotors und des Motorreglers unter Druck gesetzt und zugeführt, wie es im Beispiel 5 beschrieben wird. In diesem Fall wurde der Ausgang von der Pumpe mit einem Schenkel eines 6,35 mm (1/4 Zoll) T-Fittings verbunden. Der gegenüberliegende parallele Schenkel des T-Fittings wurde mit dem Eingang eines ISG Motionless Mixer mit sechs Elementen mit einem Durchmesser von 12,7 mm (1/2 Zoll) verbunden, der von der Ross Engineering, Inc. of Savannah, Ga., erhalten wird. Der Auslaß des Mischers wurde mit dem Einlaß der Ultraschallvorrichtung in Form des eingetauchten Horns verbunden (siehe Fig. 1). Wasser wurde mittels einer Kolbendosierpumpe in den Ölstrom dosiert. Die Pumpe bestand aus einem hydraulischen Zylinder mit einem Durchmesser von 14,3 mm (9/16 Zoll) und einem Hub von 127 mm (5 Zoll). Die Kolbenstange des Zylinders wurde mittels einer Hubspindel vorgefahren, die mittels eines regelbaren Motors über Untersetzungsgetriebe angetrieben wird. Die Drehzahl des Motors wurde durch Verwenden eines Motorreglers geregelt. Das Wasser wurde vom Zylinder zum dritten Schenkel des T-Stückes mittels eines elastischen Schlauches geführt. Das Auslaßende des elastischen Schlauches wurde mit einer Länge eines subkutanen Rohres aus nichtrostendem Stahl mit einem Innendurchmesser von etwa 0,762 mm (0,030 Zoll) ausgestattet, das mit dem am T-Stück installierten elastischen Schlauch in der etwaigen Mitte des Ölflußstromes (stromaufwärts von der Ultraschallvorrichtung) endete.
Die eingetauchte Hornvorrichtung wurde mit einer Spitze mit einem Durchmesser von 0,3683 mm (0,0145 Zoll) ausgestattet. Das Öl wurde auf etwa 1,72 MPa (250 psig) unter Druck gesetzt, was eine Flußrate von etwa 35 g/min. erzeugte. Die Dosierpumpe wurde auf etwa 3 U/min. eingestellt, was zu einer Wasserflußrate von 0,17 cm³/min. führte. Proben des Extrudates (d. h. der Flüssigkeitsaustritt aus der Ultraschallvorrichtung) wurden bei keiner Ultraschalleistung und bei etwa 100 Watt Ultraschalleistung entnommen. Die Proben wurden mit einem optischen Mikroskop untersucht. Die Probe, die durch die Ultraschallvorrichtung hindurchging, während ihr keine Leistung zugeführt wurde, enthielt umfassend dispergierte Wassertröpfchen mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 50 bis 300 Mikrometer. Die Probe, die durch die Ultraschallvorrichtung hindurchging, während sie 100 Watt Leistung aufnahm (d. h., die mit Ultraschall behandelte Probe), war eine Emulsion, die eine dichte Anzahl von Wassertröpfchen mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 5 bis weniger als 1 Mikrometer enthielt.

Claims

1. Vorrichtung (100) zum Erhöhen der Flussrate von unter Druck gesetzter Flüssigkeit durch wenigstens eine Öffnung, wobei die Vorrichtung umfasst:

ein Düsengehäuse (102), das begrenzt:

eine Kammer (104), die zum Aufnehmen von unter Druck gesetzter Flüssigkeit vorgesehen ist;

einen Einlass (110), der zum Zuführen einer unter. Druck gesetzten Flüssigkeit in die Kammer vorgesehen ist;

wobei das Düsengehäuse (102) ein erstes Ende (106) und ein zweites Ende (108) aufweist und

wobei wenigstens eine Ausgangsöffnung (112), die in dem ersten Ende (106) des Düsengehäuses (102) angeordnet ist, zum Aufnehmen der unter Druck gesetzten Flüssigkeit von der Kammer (104) und zum Weiterleiten der Flüssigkeit aus dem Düsengehäuse hinaus entlang einer ersten Achse (114) vorgesehen ist; und

die Vorrichtung ferner ein Ultraschallhorn (116) umfasst, wobei das Ultraschallhorn (116) ein erstes Ende (118) und ein zweites Ende (120) aufweist und vorgesehen ist, nach Erregung durch Ultraschallenergie, einen Knoten (122) und eine Längsverlaufende-Mechanische-Erregungs-Achse (124) auf zuweisen, wobei das Ultraschallhorn (116) mit dem zweiten Ende (120) in dem ersten Ende (106) des Düsengehäuses (102) auf eine Art und Weise angeordnet ist, dass das erste Ende (118) des Ultraschallhorns (116) außerhalb des Düsengehäuses (102) angeordnet ist,

das Ultraschallhorn (116) an seinem. Knotenpunkt (122) an dem Düsengehäuse (102) an seinem Platz gehalten wird und das Ültraschallhorn (116) nahe an der Auslassöffnung (112) liegt.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Auslassöffnung (112) eine Mehrzahl an Auslassöffnungen ist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Auslassöffnung (112) einen Durchmesser von 0,0025 mm bis 2,54 mm (0,0001 bis 0,1 Zoll) aufweist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Auslassöffnung (112) einen Durchmesser von 0,0254 mm bis 0,254 mm (0,001 bis 0,01 Zoll) aufweist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Auslassöffnung (112) eine Auslasskapillare ist.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Ausgangskapillare ein Länge-Durchmesser-Verhältnis von 0,6 : 1 bis 10 : 1, vorzugsweise von 4 : 1 bis 10 : 1 aufweist.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Ultraschallenergie eine Frequenz von 15 kHz bis 100 kHz aufweist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Ultraschallenergie eine Frequenz von etwa 15 kHz bis etwa 100 kHz aufweist.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Längsverlaufende- Mechanische-Erregungs-Achse (124) im Wesentlichen parallel zu der ersten. Achse (114) verläuft.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei das zweite Ende (120) des Ultraschallhorns (116) eine Querschnittsfläche auf weist, die etwa gleich oder größer ist als eine Minimumfläche, die alle Auslassöffnungen in dem Düsengehäuse (102) einschließt.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Ultraschallhorn (116) ein an sein erstes Ende gekoppeltes Vibrationsmittel als eine Quelle der längsverlaufenden mechanischen Erregung aufweist.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei das Vibrationsmittel ein piezoelektrischer Umwandler ist.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei das Vibrationsmittel ein magnetostriktiver Umwandler ist.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei der piezoelektrische Umwandler durch einen verlängerten Hohlleiter an das Ültraschallhorn gekoppelt ist.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei der verlängerte Hohlleiter ein Eingabe : Ausgabe-Verhältnis der mechanischen Erregung von 1 : 1 bis 1 : 2,5 aufweist.

16. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zum Herstellen eines atomisierten Flüssigkeitssprays vorgesehen ist, vorzugsweise eines gleichförmigen, konisch geformten Flüssigkeitssprays.

17. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei die unter Druck gesetzte Flüssigkeit ein geschmolzenes thermoplastisches Polymer ist, und wobei die Auslassöffnung eine Extrusionsöffnung (112) ist, die zum Aufnehmen des geschmolzenen thermoplastischen Polymers aus der Kammer (104) und zum Extrudieren des Polymers vorgesehen ist.

18. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, die zur Erzeugung von Kavitation in dem unter Druck gesetzten Polymer vorgesehen ist.

19. Vorrichtung gemäß Anspruch 17 oder 18, in welchem die Ultraschallenergie eine Frequenz von 15 kHz bis 100 kHz, vorzugsweise von 18 kHz bis 60 kHz aufweist.

20. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, in welcher das Polymer als Faser extrudiert wird.

21. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, in welcher das zweite Ende (120) des Ultraschallhorns (116) eine Querschnittsfläche auf weist, die ungefähr gleich oder größer ist als eine Minimumfläche, die alle Extrusionsöffnungen in dem Düsengehäuse (102) einschließt.

22. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, in welcher das Ultraschallhorn ein an sein erstes Ende gekoppeltes Vibrationsmittel als eine Quelle der längsverlaufenden mechanischen Erregung auf weist.

23. Vorrichtung gemäß Anspruch 22, in welcher das Vibrationsmittel ein piezoelektrischer Umwandler ist.

24. Vorrichtung gemäß Anspruch 23, wobei der piezoelektrische Umwandler durch einen verlängerten Hohlleiter an das Ultraschallhorn gekoppelt ist.

25. Vorrichtung gemäß Anspruch 24, wobei der verlängerte Hohlleiter ein Eingabe : Ausgabe-Verhältnis der mechanischen Erregung von 1 : 1 bis 1 : 2,5 auf weist.

26. Vorrichtung gemäß. Anspruch 1, wobei die unter Druck gesetzte Flüssigkeit ein unter Druck gesetzter flüssiger Kraftstoff ist.

27. Verwendung der Vorrichtung gemäß Anspruch 26, um den flüssigen Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor einzuspritzen.

28. Verfahren zum Erhöhen der Flussrate einer unter Druck gesetzten Flüssigkeit durch wenigstens eine Öffnung, wobei das Verfahren umfasst:

Zuführen wenigstens einer unter Druck gesetzten Flüssigkeit in eine Kammer (104), die eine Einlass- (110) und wenigstens eine Auslassöffnung (112) aufweist;

Erregen eines Ultraschallhorns (116) mit Ultraschallenergie, dessen Horn ein erstes Ende (118) und ein zweites Ende (120) aufweist und vorgesehen ist, nach Erregung durch Ultraschallenergie, einen Knoten (122) und eine Längsverlaufende-Mechanische-Erregungs-Achse (124) aufzuweisen, wobei das Ultraschallhorn (116) mit seinem zweiten Ende (120) in der Kammer (104) auf eine Art und Weise angeordnet ist, dass das erste Ende (118) des Ultraschallhorns (116) außerhalb der Kammer (104) angeordnet ist,

wobei das Ultraschallhorn (116) an seinem Knotenpunkt (122) an dem Düsengehäuse (102) an seinem Platz gehalten wird und das zweite-Ende (120) des Ultraschallhorns (116) nahe an der Auslassöffnung (112) liegt,

Zuführen von Ultraschallenergie einem Bereich der unter Druck gesetzten Flüssigkeit innerhalb der Kammer (104) durch ein Ultraschallhorn (116) auf solch eine Art und Weise, dass keine Ultraschallenergie den Wände zugeführt wird, die wenigstens eine Auslassöffnung (112) begrenzen, während die Auslassöffnung (112) die unter Druck gesetzte Flüssigkeit von der Kammer (104) aufnimmt; und

Leiten der unter Druck gesetzten Flüssigkeit aus der Auslassöffnung (104) und Leiten der Flüssigkeit aus dem Düsengehäuse (102) hinaus.

29. Verfahren gemäß Anspruch 28, wobei die Auslassöffnung (112) eine Auslasskapillare ist.

30. Verfahren gemäß Anspruch 28, wobei die Ultraschallenergie eine Frequenz von 15 kHz bis 100 kHz, vorzugsweise von 15 kHz bis 60 kHz auf weist.

31. Verfahren gemäß Anspruch 28, wobei eine der Kammer zugeführte Mehrkomponentenflüssigkeit emulgiert wird.

32. Verfahren gemäß Anspruch 28, wobei der Schritt des Leitens der Flüssigkeit aus der Auslassöffnung (112) den Schritt des Erzeugens eines Flüssigkeitssprays umfasst.

33. Verfahren gemäß Anspruch 28 zum Bilden einer Faser aus einem thermoplastischen Polymer, wobei das Verfahren umfasst:

wobei das geschmolzene thermoplastische Polymer extrudiert wird, um einen Fadenstrang zu bilden, umfassend den weiteren Schritt des Ausdünnens des Fadenstranges, um eine Faser zu bilden.

34. Verfahren gemäß Anspruch 33, in welchem das Ausdünnen durch in-Berührung-Bringen des Fadenstranges mit einem Fluid-Strom, sobald er aus die Düse austritt, ausgeführt wird.

35. Verfahren gemäß Anspruch 33, wobei die Faser entlang ihrer Länge Gasbläschen einschließt; und wobei das Ultraschallhorn (116) mit Ultraschallenergie unter Bedingungen erregt wird, die ausreichen, um Kavitation aufrechtzuerhalten, während das geschmolzene thermoplastische Polymer extrudiert wird.

36. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 28 bis 35, ferner umfassend den Schritt des Bildens einer Vliesbahn.