Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verfestigung von Faser- und/oder Filamentvliesen
durch Beaufschlagung des Vlieses mit Strahlen gasförmiger Medien für die Herstellung von
bindemittelfreien, leichten und saugfähigen Vliesstoffen.
Es sind bereits Verfahren zur Verfestigung von Vliesen unter Nutzung von fluiden Medien
(Wasserstrahlen, Luft bzw. Dampf) bekannt. Die Verfestigung mittels Wasserstrahlen wird
industriell angewendet. Die Nutzung von Luft, Dampf bzw. auch Aerosolen ist großtechnisch
noch nicht realisiert worden, da die in Patentschriften angegebenen technischen Parameter
nicht zu ausreichenden Verfestigungseffekten führten. Dies trifft z. B. auf die vorgeschlagene
Behandlung von Vliesen mit Luft bei stoßförmiger Einwirkung oder aus oszillierenden Düsen
gemäß US 3 120 463 und 3 357 074 zu, wobei konkrete Werte von Druck, Geschwindigkeit
und Temperatur des Mediums fehlen. Die Anwendung oszillierender Luftdüsen soll den
Coanda-Effekt vermeiden, erniedrigt jedoch den energetischen Wirkungsgrad und ist zur
ausreichenden Gesamtverfestigung nicht geeignet.
Die Verwendung von Heißluft und Dampf (überhitzt oder Sattdampf) zielt nach US 3 276 944,
3 360 421, 3 510 389, 3 441 468, 3 616 471, 3 669 788, 3 943 613 und 4 011 124 auf die
thermische Verfestigung oder Schrumpfung spezieller Vliesarten aus Faserpolymeren wie
Celluloseester, Polypropylen und Polyester ab, so dass die betreffenden vorgeschlagenen
Verfahren keine universellen Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.
In gleicher Weise trifft das auf Verfahren zu, welche die Behandlung von melt-blown - Fasern
mit Gasströmen und Gasstrahlen zur Verstreckung, Ablage und gegebenenfalls anschließender
Verfestigung beinhalten. US 4 100 324 beschreibt die Einwirkung von zwei vertikal zueinander
gerichteter Gasströme auf diesen Fasertyp, wobei der zur Verwirbelung und Verfestigung der
melt-blown - Schichten verwendete sogenannte Sekundärstrom mit geringem Druck- und
Geschwindigkeitsniveau wirkt. Das EP 0 608 883 beansprucht für die Verstreckung von melt-blown
- Fasern und deren Ablage auf einer Sammeleinrichtung die Verwendung von Heißluft
hoher Geschwindigkeit, und in US 4 078 124 dienen Heißluft-Strahlen zur thermischen
Verfestigung solcher Fasern.
In einigen anderen Patenten wird die Anwendung von Luftströmen und -strahlen für Filament-verteilung
und -ablage bei der Herstellung von Spinnvliesstoffen (US 3 798 100, 4 064 605, EP
0 472 208) oder zur thermischen Verfestigung von Filamentvliesen (US 3 949 130,3 975 224
und 4 093 763) beansprucht. Die Verfahren sind wiederum auf diese Vliesart zugeschnitten
und begrenzt, da sie u. a. bestimmte Fasergeometrien (
endlose" Länge) und Fasereigenschaften
(thermoplastisch) voraussetzen.
Zur Verbesserung der im Vergleich zu Wasserstrahlen viel geringeren Impulswirkung von
Luftstrahlen wird in US 3 751 767 eine Lavaldüse erfindungsgemäß offengelegt, mit der aber
trotz >1,5-facher Schallgeschwindigkeit und tiefgekühlter Luft von < -75 °C nur eine Vliesverdichtung
und keine hinreichende Verfestigung erzielt wird. Darüber hinaus ist die technische
Anwendbarkeit wegen der benötigten großen Leistung der Kühlvorrichtung nicht gegeben.
Das in DE 3 616 196 beanspruchte Verfahren, mit dem aus senkrecht zu einander
angeordneten Düsenpaaren Luftstrahlen auf Faserbänder wirken, reicht unter den angegebenen
Druckbedingungen von 0,5 bis 8 bar nur zur Verflechtung der Randzonen solcher Flächen aus.
Das Verfahren zur Verdichtung und Verfestigung von Fasergelegen und -matten, vorgeschlagen
in DE 3 715 898, erfordert eine technisch aufwendige Vorrichtung aus einem profilierten,
mit Bohrungen für Fluidstrahlen (vorzugsweise Luft) versehenen Walzenpaar. In dessen Kontaktbereich
werden die Strahlen mit der Bewegungsgeschwindigkeit der Faserschicht
mitgeführt und sollen dabei eine verwirbelte Faserstruktur erzeugen. Die dazu erforderlichen
Bedingungen für eine ausreichende Impulskraft der Strahlen (Druck und Geschwindigkeit)
bleiben aber unberücksichtigt.
Wesentliches Element eines Verfahrens, beschrieben in EP 0 400 551, bildet die Kombination
kalter oder heißer Luftstrahlen mit einer Absaugvorrichtung unmittelbar unter der Vliesstelle,
wo die Luftstrahlen auftreffen. Dabei wird die plötzliche Volumenzunahme des gasförmigen
Mediums durch den Druckverlust im Vlies ausgenutzt. Gleichwohl erfolgt auch hier keine
Angabe der für das Verfestigungsprinzip relevanten Druck- und anderen Bedingungen.
Schließlich ist die Patentschrift WO 95/06 769 anzuführen. Eine Anordnung voneinander getrennter
Strahlen, vorzugsweise Dampf (auch im überhitzten Zustand), verwirbelt und/oder
schmilzt Fasern vorgelegter Vliese, die aus wenigstens einer thermoplastischen Komponente
zusammengesetzt sind. Die Anwendung des Verfahrens ist also - wie in anderen Fällen - an das
Vorhandensein solcher Fasern gebunden. Die Geometrie der Strahlen und ihre
Geschwindigkeit beim Düsenaustritt sind an die Wasserstrahltechnologie angelehnt. Damit
werden die kritischen Bedingungen im Zustand des Dampfes, auch hinsichtlich Druck und
Temperatur, jedoch nicht realisiert.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen, bei dem der Einsatz von gasförmigen
Arbeitsmedien zur Verfestigung von Vliesen einem wesentlich höheren Verbindungseffekt und
eine effektivere Herstellung von verfestigten Vliesstoffen gegenüber dem Stand der Technik
ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die
Unteransprüche beinhalten besonders günstige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
Überraschenderweise hat sich bei Prinzipversuchen gezeigt, daß bei Verwendung von
Gasstrahlen zur Vliesverfestigung maximale Impulswirkung dann erreicht wird, wenn die
Dichte in den Gasstrahlen zwischen 2 und 50 kg/m3 und eine Geschwindigkeit eingestellt wird,
die der dem Ruhedruck und der Ruhetemperatur der Gase entsprechenden kritischen
Geschwindigkeit gleichkommt.
Durch den Einsatz von gasförmigen Arbeitsmedien wird im Vergleich zur Wasserstrahlverfestigung
eine Vereinfachung der Prozeßgestaltung durch Wegfall der Vliesstofftrocknung
und der Wasseraufbereitung und somit eine Einsparung an Energieaufwendungen
erreicht. Die spezifischen Festigkeiten der Vliesstoffe bei der Verwendung von Gasen als
Arbeitsmedium sind unter Berücksichtigung des Druckniveaus annähernd vergleichbar mit
denen der Wasserstrahlverfestigung.
Bei der Verwendung von Wasserdampf als Arbeitsmedium werden neben Faserverdichtungen
und -verwirbelungen auch thermische Effekte erzielt. Wegen der hohen Sattdampftemperaturen
sind dabei hohe Arbeitsgeschwindigkeiten möglich.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die
dazugehörigen Zeichnungen zeigen in
- Fig. 1
- das Verfahrensprinzip der Vliesverfestigung mittels Luft oder Wasserdampf in
schematischer Darstellung,
- Fig. 2
- die Oberfläche eines unverfestigten und eines mit Luft verfestigten Vliesstoffes,
- Fig. 3
- die Oberfläche eines mit Wasserdampf verfestigten Vliesstoffes in zwei verschiedenen
Vergrößerungen.
Das Verfahrensprinzip der Vliesverfestigung mittels gasförmiger Medien ist in der Fig. 1
dargestellt. Das zu verfestigende Faser- und/oder Filamentvlies wird auf einer durchlässigen
Transportvorrichtung, die mit einem Drahtgewebe bespannt ist, dem Düsenbalken zugeführt.
Möglich ist auch, das Vlies zwischen zwei Drahtgeweben fixiert zuzuführen. Der Düsenbalken
enthält eine Vielzahl Düsenbohrungen, deren Querschnitt über die gesamte Düsenlänge
konstant ist oder sich zum Düsenaustritt hin reduziert, d.h., der kleinste Düsenquerschnitt
befindet sich am Düsenaustritt. Alternativ kann auch eine Breitschlitzdüse eingesetzt werden.
Als Arbeitsmedium werden Luft- oder Wasserdampf dem Düsenbalken zugeführt, wobei der
Druck und die Temperatur ständig überwacht werden.
Bei der Verwendung von gasförmigen Medien zur Vliesverfestigung strömt der Gasstrahl mit
Schallgeschwindigkeit aus der Düse aus, wenn sich der engste Düsenquerschnitt am
Düsenaustritt befindet. Druck; Dichte und Temperatur im austretenden Gasstrahl nehmen die
sogenannten kritischen Werte an, die sich aus den physikalischen Bedingungen im Ruhezustand
ableiten lassen.
Beim Einsatz von Wasserdampf als weiteres mögliches gasförmiges Arbeitsmedium zur
Vliesverfestigung wird dieser überhitzt, damit trotz der bei der Entspannung des Dampfes
stattfindenden Temperaturabsenkung keine Kondensatbildung im Vliesstoff erfolgt. Bei dieser
Verfahrensführung wird erreicht, daß das Vlies kein Wasser aufnimmt und somit keine
zusätzliche Trocknung erforderlich ist. Bei der Verwendung von Wasserdampf können
außerdem Faser/Filamentverwirbelungen mit thermischen Verfestigungseffekten kombiniert
werden.
Die spezifischen Festigkeiten der Vliesstoffe bei der Verwendung von Wasserdampf als
Arbeitsmedium sind unter Berücksichtigung des Druckniveaus annähernd vergleichbar mit
denen der Wasserstrahlverfestigung.
Beispiel 1:
Ein Polyesterfaservlies mit einer Flächenmasse von 40 g/m2 wird mit aus Düsenbohrungen
austretenden Druckluftstrahlen beaufschlagt. Die Bohrungen haben einen Abstand voneinander
von 1mm und sind so gestaltet, daß sich der engste Düsenquerschnitt am Düsenaustritt
befindet. Der Bohrungsdurchmesser beträgt an der engsten Stelle 0,1 mm. Die aus den Düsen
austretenden Luftstrahlen erreichen eine Geschwindigkeit von 320 m/s. Entsprechend dem
eingestellten Ruhedruck haben die Luftstrahlen eine Dichte von 37 kg/m3 und der kritische
Druck beträgt etwa 27 bar. Bei Arbeitsgeschwindigkeiten von 20 m/min und beidseitiger
Beaufschlagung des Vlieses mit der Druckluft werden mittlere spezifische Festigkeiten von
ca. 2,5 Nm2/g erreicht. Die Vliesstruktur vor und nach der Verfestigung ist in der Fig. 2 dargestellt.
Beispiel 2:
Ein Polypropylenfaservlies mit einer Flächenmasse von 80 g/m2, das auch mit niedrigschmelzenden
Bindefasern gemischt sein kann, wird mit überhitzten Wasserdampf mit einem
Ruhedruck von 10 bar und einer Ruhetemperatur von 495 °K beaufschlagt. Der Dampf erreicht
beim Durchströmen der Düsen eine kritische Geschwindigkeit von 570 m/s. Die Dichte der
komprimierten Gasstrahlen beträgt 2,15 kg/m3. Das Vlies wird verfestigt (Bild 3), die mittlere
spezifische Festigkeit beträgt 2,2- 2,8 Nm2/g. Eine Trocknung des Vliesstoffes ist nicht
erforderlich, da trotz der bei der Expansion des Dampfes beim Durchtritt durch die Düsen
erfolgten Abkühlung die zum kritischen Druck zugehörige Sattdampftemperatur nicht
unterschritten wird.
Parallel zur Verdrängung und Verdichtung der Fasern infolge der kinetischen Energie der
auftreffenden Dampfstrahlen sind Faserverschmelzungen, die erheblich zur Vliesverfestigung
beitragen, feststellbar. Die Vliesstruktur ist in der Fig. 3 dargestellt.