EP1268888B1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von cellulosefasern und cellulosefilamentgarnen - Google Patents

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EP1268888B1
EP1268888B1 EP01957604A EP01957604A EP1268888B1 EP 1268888 B1 EP1268888 B1 EP 1268888B1 EP 01957604 A EP01957604 A EP 01957604A EP 01957604 A EP01957604 A EP 01957604A EP 1268888 B1 EP1268888 B1 EP 1268888B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spinning
capillary
solution
nozzle
cellulose
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP01957604A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1268888A1 (de
Inventor
Christoph Michels
Birgit Kosan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thueringisches Institut fuer Textil und Kunststoff Forschung eV
Original Assignee
Thueringisches Institut fuer Textil und Kunststoff Forschung eV
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Publication date
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Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F2/00—Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/04—Dry spinning methods

Definitions

  • the main application (WO 01/34885) relates to a process for the production of cellulose fibers or filaments from pulp by the dry Najiextrusionsclar with aqueous amine oxides, in particular N-methylmorpholine N-oxide as a solvent, in which a) pulp or a pulp mixture with b) dispersing the dispersion at elevated temperature with dehydration and shearing into a homogeneous solution having a zero shear viscosity in the range of 600 to 6,000 Pa ⁇ s and a relaxation time in the C) the solution at least one spinneret feeds and previously by a nozzle or the (n) common inlet chamber conducts, in which their residence time at least equal to their relaxation time at the spinning temperature d) the solution in each spinneret is deformed into at least one capillary and the capillary (s) of each nozzle are under Deflection by a non-precipitating medium and then leads to precipitation of the cellulose fibers through a precipitation bath, and e
  • the main application further relates to an apparatus for producing cellulosic fibers or filaments of cellulose by the dry-wet extrusion process with aqueous amine oxides as solvent with a spin pack having a spinneret plate, spinnerets and a common upstream chamber arranged above the spinneret plate and the spinnerets arranged in a row, the volume of which satisfies the relation V ⁇ v ⁇ L ⁇ m , where V is the volume of the inflow chamber in cm 3 , v ⁇ L is the volume flow of the cellulose solution in cm 3 / s and ⁇ m is the relaxation time at the frequency maximum of the relaxation spectrum of the spinning solution with a precipitation bath in two containers connected by a precipitation bath pump, a gap between the spinnerets and the precipitation bath surface in the upper of the two containers, and a withdrawal godet.
  • DE 199 54 152 discloses a process for the production of cellulose fibers after Dry-wet-extrusion process with aqueous aminoxides in which the pulp with a Cuoxam-DP is dispersed in the range of 250 to 3000 in aqueous amine oxide, the dispersion obtained at elevated temperature with dehydration and shear in a homogeneous solution having a zero shear viscosity in the range of 600 - 6000 Pa s at 85 ° Celsius is transferred, the dispersion in a solution having a relaxation time in the Range is transferred from 0.3 to 50 s. Subsequently, the solution of a spinneret supplied, wherein the solution is passed through a common inflow chamber, in which their Residence time is at least equal to their Retaxationszeit at the spinning temperature.
  • WO 96/21758 discloses a method for producing extruded articles according to the Lyocell method wherein a cellulose solution is passed through an air gap into a coagulation bath is extruded.
  • the air gap comprises a first region in the region of the nozzle and a second area farther from the nozzle, wherein the moisture content of the air in the first Region is kept at a lower content than the moisture content in the air in the second region.
  • US-A-5,984,655 relates to a spinning apparatus for performing a dry NaB spinning process, comprising a spinneret and a coagulation bath. Furthermore, the Device a blowing device for cooling the extruded filaments within the Air gap between the nozzle and the coagulation bath. Furthermore, the device comprises Means for bundling the extruded filaments within the spinning bath.
  • the main application (WO 01/34885) was based on the object, a method and to provide a device by which at high capillary density, Spinning safety and take-off speed the spinning of fibers and the multiple spinning of filament yarns with good mechanical properties Fiber properties is possible.
  • the uniformity should be and equality of the volume flows through each nozzle over the known ones Procedure be increased.
  • the maximum adjustable gap ie the length at which the "solution thread" is oriented more or less strongly in accordance with the draft ratio.
  • the stretching speed and thus the thread tension decreases. This has a positive effect on the mechanical fiber parameters, in particular the elongation at break and loop tearing force.
  • the spinning reliability decreases with increasing gap width, since the risk of touching the capillaries increases. This is especially true when spinning fibers, where you work anyway with the largest possible capillary density. It is therefore essential to set a maximum gap, which is consistent with the spinning safety, but also gives optimum mechanical fiber parameters.
  • the decrease in yarn tension is also a prerequisite for increasing the take-off speed, especially when spinning filament yarns.
  • Object of the present invention is therefore in the context of the parent application the creation of a method and a device by with high capillary density, spinning safety and take-off speed the spinning of fibers and the multiple spinning of filament yarns with good mechanical fiber properties is possible. Especially if the spinning safety is observed, the mechanical fiber properties, namely the elongation at break and the loop tear strength improved become. In addition, an increase of the take-off speed, especially when spinning filament yarns are made possible.
  • the invention task is also solved by that one in stage d) the capillary flock just before their entry into the precipitation bath flows with a gas, wherein the precipitation bath at the interface to the air gap and the gas flow rectified flow components exhibit.
  • the effect of increasing the maximum gap width is thus also achieved when the gas flow and the Desillbadströmung have rectified horizontal flow components.
  • the object is further in the aforementioned device
  • a at least one Slot die with one at an angle ⁇ to Kapillarenlaufraum in the range 45 ° ⁇ ⁇ 90 ° directed nozzle slot to the flow the capillaries is arranged prior to their entry into the precipitation bath.
  • the Slit width may be, for example, 0.05 to 5 mm, e.g. 1 mm.
  • the Slot length corresponds at least to the length of the row of Kapill to be flown renscharen. These are preferably in a row (not in several one behind the other staggered rows) arranged so that all flocks in be flowed through the gas stream in the same way.
  • the device mentioned above is according to the invention characterized in that the upper bath container on the one hand the capillary shares at least one inlet opening for Klallbadproblemkeit and on the other hand, the capillaries have at least an overflow and the slot die with respect to the row of capillary shares on the same side as the inlet opening (s) is arranged.
  • the slot die with the at least one overflow mechanically connected is therefore independent from the vertical setting of the overflow and thus the size of the Gap width always the same (small) distance from the Desillbadober Design.
  • the apparatus for the production of cellulose fibers or filaments mentioned above is further characterized in that the width of the gap a and the relaxation time of the spinning solution satisfy the following relationship a is the gap width in mm, ⁇ m is the relaxation time at the frequency maximum of the relaxation spectrum of the spinning solution, v a is the draw speed in m / min, N is the capillary density in cm -2 and D is the nozzle hole diameter in mm.
  • a is the gap width in mm
  • ⁇ m is the relaxation time at the frequency maximum of the relaxation spectrum of the spinning solution
  • v a is the draw speed in m / min
  • N is the capillary density in cm -2
  • D is the nozzle hole diameter in mm.
  • the term added to equation II of the parent application 1 / N ⁇ D takes into account the invention achieved enlargement of the gap width by the flow of Kapillarscharen shortly before their contact with the precipitation bath. It can be seen that this gap broadening becomes smaller with increasing capillary density.
  • the dimensions of the spinnerets, the gap width a and the Desillbadumble w satisfy the relationship x ⁇ a + w w ⁇ 3.5D in the x the distance between two adjacent nozzle holes, a the gap width, w the length of the Desillbadumble and D denote the nozzle diameter. From the comparison with relationship III of the parent application shows that the flow of the capillary share (s), the distance between two adjacent nozzle holes of the nozzle can be reduced by 1/8, without the objectives of the invention, namely retention of the spinning safety in improving mechanical Fiber properties are impaired.
  • FIGs 2 and 3 show the upper Desillbad capableer 1 of an inventive Spinning device.
  • the spinnerets 6, of which in Figure 2 only is visible, are provided with Anströmschn, as shown in the Main application is described and illustrated in detail.
  • the exit sides the spinnerets 6 have from the Desillbadober Structure 7 a the air gap a forming distance.
  • the bottom 10 of the Kayllbad mattersers 1 is corresponding the arrangement of the nozzles 6 equipped with a plurality of yarn guide elements 11, through the thread bundles 12 together with Kayllbadproblemkeitsströmen 14 from the Exit container 1.
  • the thread bundles 12 of all yarn guide elements 11 are deflected from the Desillbadströmen 14 at an angle and under suitable Tension wound up.
  • the Desired and others get into the lower Crullbad organizationser (not shown) and are by means of a pump (not shown) via the line 16 pumped back into the upper Desillbad variouser 1.
  • Desillbadgiverange w ranges from the bath surface to the point under the thread guide elements 11, where the filament bundles 12 separate from the Desillbadproblemkeitströmen 14.
  • the line 16 opens into a partially filled with packing (not represented) settling chamber 18, from which the Desillbadproblemkeit through the openings 19 flows into the actual container 1. From FIG. 3 It can be seen that the yarn guide elements 11 in the bottom 10 in a Row are arranged and the thread bundles 12 parallel to each other to Deduction godet (not shown) run.
  • the Desillbad varietyer 1 has two overflows 9, which are vertically adjustable and thus determine the Desillbadmony and the width of the gap a.
  • the nozzle tube 20 is on both sides of the line 24 subjected to a slight flow of air through a needle valve (not shown) can be adjusted.
  • the air flow 25 leaves the Slot 21 (outlet 150 mm x 1 mm) linear over the entire Width and inclined to the bath surface 7, so that the capillary shares directly before entering the precipitation bath with the air flow in contact come.
  • the slot nozzle is located about 10 mm above the precipitation bath surface.
  • the maximum reliable adjustable gap width a increases, and when using nozzles with a diameter of 200 microns, this gap width decreases.
  • the capillary density of 15 cm -2 but otherwise the same conditions, the maximum possible gap width increases again from about 65 to 90 mm and from 95 to 130 mm.
  • the invention is further illustrated by the following example.
  • a moist mixture (dry content 50.2%), consisting of 188 g spruce sulphite pulp (Cuoxam-DP 480), 10 g cotton linters pulp (Cuoxam-DP 1907) and 0.4 g of stabilizer is added in 1850 g of NMMO (Dry content 75%) dispersed, in a kneader with a vertical kneader shaft registered under vacuum and shear at a temperature of 90 ° C. Distilled off 1255 g of water and by further "shear stirring" in a microscopic homogeneous cellulose solution of the composition 11.0% cellulose, 77.1% NMMO and 11.9% water.
  • the relaxation time at a Spinning temperature of 85 ° C was 3.0 s, the zero shear viscosity 3450 Pa ⁇ s.
  • the deformation of the solution into threads takes place in a piston spinning apparatus, their hot water heated spinneret intake either four spiders with 12.5 mm (30 mm pitch center of the nozzle to the center of the nozzle) or 3 spinnerets with 20.0 mm diameter (40 mm pitch) can accommodate.
  • Below the spinning part is the spin box according to Figures 2 and 3.
  • a max was determined without and according to the invention with air inflow. After spinning, the filaments were spooled, washed, cut into 50 mm stacks, cured and dried. They were then subjected to textile testing. The results are shown in Tables 1 and 2. The application of air took place in the manner described above with reference to FIGS. 2 and 3. The nozzle outlet opening was 150 mm x 1 mm. The capillaries were contacted with the air stream immediately before entering the precipitation bath. The air nozzle was directed obliquely downwards with the slot. The slot nozzle was located approx. 10 mm above the precipitation bath surface.

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Description

Die Hauptanmeldung (WO 01/34885) betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Cellulosefasern oder -filamenten aus Zellstoff nach dem Trocken-Naßextrusionsverfahren mit wässrigen Aminoxiden, insbesondere N-Methylmorpholin-N-oxid als Lösungsmittel, bei dem man a) Zellstoff oder eine Zellstoffmischung mit einem Cuoxam-DP in dem Bereich von 250 bis 3000 in wässrigem Aminoxid dispergiert, b) die erhaltene Dispersion bei erhöhter Temperatur unter Wasserentzug und Scherung in eine homogene Lösung mit einer Nullschervoskosität in dem Bereich von 600 bis 6000 Pa·s und einer Relaxationszeit in dem Bereich von 0,3 bis 50 s bei jeweils 85°C überführt, c) die Lösung wenigstens einer Spinndüse zuführt und zuvor durch eine der bzw. den Düse(n) gemeinsame Anströmkammer leitet, in der ihre Verweilzeit wenigstens gleich ihrer Relaxationszeit bei der Spinntemperatur ist, d) die Lösung in jeder Spinndüse zu wenigstens einer Kapillaren verformt und die Kapillare(n) einer jeden Düse unter Verzug durch ein nicht ausfällendes Medium und anschließend unter Ausfällen der Cellulosefäden durch ein Fällbad führt, und e) die Cellulosefäden an dem Ende der Fällbadstrecke durch Ablenkung von den Fällbadströmen trennt und die Fäden abzieht. Ferner betrifft die Hauptanmeldung eine Vorrichtung zur Herstellung von Cellulosefasern oder -filamenten aus Zellstoff nach dem Trocken-Naßextrusionsverfahren mit wässrigen Aminoxiden als Lösungsmittel mit einem Spinnpaket mit einer Spinndüsenplatte, Spinndüsen und einer oberhalb der Spinndüsenplatte und der in einer Reihe angeordneten Spinndüsen angeordneten, gemeinsamen Anströmkammer, deren Volumen der Beziehung V ≥ v ˙L·λm genügt, worin V das Volumen der Anströmkammer in cm3, v ˙L den Volumenstrom der Celluloselösung in cm3/s und λm die Relaxationszeit am Häufigkeitsmaximum des Relaxationssprektrums der Spinnlösung bedeuten, ferner mit einem Fällbad in zwei durch eine Fällbadpumpe verbundenen Behältern, einem Spalt zwischen den Spinndüsen und der Fällbadoberfläche in dem oberen der beiden Behälter, und einer Abzugsgalette.
Die DE 199 54 152 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Cellulosefasern nach dem Trocken-Naß-Extrusions-Verfahren mit wäßrigen Aminoxyden bei dem der Zellstoff mit einem Cuoxam-DP in dem Bereich von 250 bis 3000 in wäßrigem Aminoxyd dispergiert wird, die erhaltene Dispersion bei erhöhter Temperatur unter Wasserentzug und Scherung in eine homogene Lösung mit einer als Nullscherviskosität in dem Bereich von 600 - 6000 Pa s bei 85° Celsius überführt wird, wobei die Dispersion in eine Lösung mit einer Relaxationszeit in dem Bereich von 0,3 bis 50 s überführt wird. Anschließend wird die Lösung einer Spinndüse zugeführt, wobei die Lösung durch eine gemeinsame Anströmkammer geleitet wird, in der ihre Verweilzeit wenigstens gleich ihrer Retaxationszeit bei der Spinntemperatur ist.
WO 96/21758 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von extrudierten Artikeln nach dem Lyocell-Verfahren, worin eine Celluloselösung durch einen Luftspalt in ein Koagulationsbad extrudiert wird. Der Luftspalt umfaßt eine erste Region im Bereich der Düse und einen zweiten Bereich entfernter von der Düse, wobei der Feuchtigkeitsgehalt der Luft in der ersten Region auf einem geringeren Gehalt gehalten wird, als der Feuchtigkeitsgehalt in der Luft in der zweiten Region.
Die US-A-5,984,655 betrifft eine Spinnvorrichtung zur Durchführung eines Trocken-NaB-Spinnverfahrens, umfassend eine Spinndüse sowie ein Koagulationsbad. Weiterhin umfaßt die Vorrichtung eine Blaseinrichtung zur Kühlung der extrudierten Filamente innerhalb des Luftspaltes zwischen der Düse, sowie dem Koagulationsbad. Weiterhin umfaßt die Vorrichtung Einrichtungen zum Bündeln der extrudierten Filamente innerhalb des Spinnbades.
Der Hauptanmeldung (WO 01/34885) lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, durch die bei hoher Kapillardichte, Spinnsicherheit und Abzugsgeschwindigkeit das Erspinnen von Fasern und das Mehrfachspinnen von Filamentgarnen mit guten mechanischen Fasereigenschaften möglich ist. Insbesondere sollte die Gleichmäßigkeit und Gleichheit der Volumenströme durch jede Düse gegenüber den bekannten Verfahren gesteigert werden.
In der Hauptanmeldung (WO 01/34885) ist angegeben, daß die Spaltbreite a einerseits mit der Relaxationszeit λm der Spinnlösung am Häufigkeitsmaximum des Relaxationszeitspektrums bei der Spinntemperatur und der Abzugsgeschwindigkeit va (Gleichung II) und andererseits mit dem Abstand x zwischen zwei benachbarten Düsenlöchern, der Länge der Fällbadstrecke w und dem Düsenlochdurchmesser D (Gleichung III) korreliert. Da sich die Relaxationszeit im Sekunden- und die Verweilzeit der verformten Lösung im Spalt a im Millisekundenbereich bewegen, sollten im praktischen Betrieb wesentlich größere Spaltbreiten als bisher erreichbar sein. Für das Erspinnen von Fasern und Filamenten ist der maximal einstellbare Spalt, d.h. die Srecke, auf der man den "Lösungsfaden" entsprechend dem Verzugsverhältnis mehr oder minder stark orientiert, von besonderer Bedeutung. Mit steigender Spaltbreite nimmt die Dehngeschwindigkeit und damit die Fadenspannung ab. Das wirkt sich positiv auf die mechanischen Faserparameter, insbesondere die Reißdehnung und Schlingenreißkraft aus. Andererseits nimmt die Spinnsicherheit mit zunehmender Spaltbreite ab, da die Gefahr der Berührung der Kapillaren zunimmt. Das gilt insbesondere beim Spinnen von Fasern, bei dem man ohnehin mit möglichst großer Kapillardichte arbeitet. Es ist also wesentlich, einen maximalen Spalt einzustellen, der der Spinnsicherheit gerecht wird, aber auch optimale mechanische Faserparameter ergibt. Die Abnahme der Fadenspannung ist darüber hinaus eine Voraussetzung für eine Erhöhung der Abzugsgeschwindigkeit, insbesondere beim Spinnen von Filamentgarnen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher im Sinne der Hauptanmeldung die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, durch die bei hoher Kapillardichte, Spinnsicherheit und Abzugsgeschwindigkeit das Erspinnen von Fasern und das Mehrfachspinnen von Filamentgarnen mit guten mechanischen Fasereigenschaften möglich ist. Insbesondere sollen bei Einhaltung der Spinnsicherheit die mechanischen Fasereigenschaften, nämlich die Reißdehnung und die Schlingenreißkraft verbessert werden. Darüber hinaus soll auch eine Erhöhung der Abzugsgeschwindigkeit, insbesondere beim Spinnen von Filamentgarnen ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man in der Stufe d) die Kapillarenschar(en) kurz vor ihrem Eintritt in das Fällbad mit einem Gas unter einem Winkel α zur Kapillarenlaufrichtung in dem Bereich 45° <α <90° anströmt. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß hierdurch die Spaltbreite erheblich, nämlich um 50 bis 100 % oder mehr, vergrößert werden kann, ohne daß die Spinnsicherheit hierdurch beeinträchtigt wird. Die durch die größere Spaltbreite verminderte Dehngeschwindigkeit und Fadenspannung im Spalt führt zu der gewünschten Verbesserung der genannten mechanischen Faserparameter und der Möglichkeit, die Abzugsgeschwindigkeit zu steigern.
Insbesondere wird die Erfindungsaufgabe auch dadurch gelöst, daß man in der Stufe d) die Kapillarenschar unmittelbar vor ihrem Eintritt in das Fällbad mit einem Gas anströmt, wobei das Fällbad an der Grenzfläche zum Luftspalt und der Gasstrom gleichgerichtete Strömungskomponenten aufweisen. Der Effekt der Vergrößerung der maximalen Spaltbreite wird somit auch erreicht, wenn die Gasströmung und die Fällbadströmung gleichgerichtete horizontale Strömungskomponenten haben.
Zweckmäßigerweise strömt man die Kapillarenscharen mit einem flachen, ebenen, über die gesamte Breite der Reihe der Kapillarenscharen reichenden Gasstrom an. Dabei ist es wichtig, daß der Gasstrom an den Eintauchstellen der Kapillarenscharen in das Fällbad wirksam wird. Die die Spinnsicherheit beeinträchtigenden Spinnstörungen, die nahezu ausschließlich durch eine Berührung der Kapillaren beim Eintritt in das Spinnbad verursacht werden, werden wesentlich verringert. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß trotz der Anströmung der Kapillarenscharen mit dem Gasstrom die Bewegung der Spinnbadoberfläche beim Eintauchen der Kapillarenscharen beruhigt wird. Generell läßt sich sagen, daß die Anströmung der Kapillarenscharen einen mechanischen Effekt an der Eintauchstelle verursacht; insbesondere spielt die Kühlung der Kapillarenscharen keine Rolle.
Die Aufgabe wird ferner bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Spalt a wenigstens eine Breitschlitzdüse mit einem unter einem Winkel α zur Kapillarenlaufrichtung in dem Bereich 45° <α < 90° gerichteten Düsenschlitz zur Anströmung der Kapillaren vor ihrem Eintritt in das Fällbad angeordnet ist. Die Schlitzbreite kann beispielsweise 0,05 bis 5 mm, z.B. 1 mm betragen. Die Schlitzlänge entspricht mindestens der Länge der Reihe der anzuströmenden Kapill renscharen. Diese sind vorzugsweise in einer Reihe (nicht in mehreren hintereinander gestaffelten Reihen) angeordnet, so daß alle Scharen in gleicher Weise durch den Gasstrom angeströmt werden.
Vorzugsweise ist die eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der obere Badbehälter einerseits der Kapillarenscharen wenigstens eine Zulauföffnung für Fällbadflüssigkeit und andererseits der Kapillarenscharen weigstens einen Überlauf aufweist und die Breitschlitzdüse in bezug auf die Reihe der Kapillarenscharen auf der gleichen Seite wie die Zulauföffnung(en) angeordnet ist. Dadurch haben die Fällbadflüssigkeit und der Gasstrom im Spalt gleichgerichtere horizontale Strömungskomponenten, was für die Vergrößerung der maximalen Spaltbreite förderlich ist.
Vorzugsweise ist die Breitschlitzdüse mit dem wenigstens einen Überlauf mechanisch verbunden. Die Breitschlitzgasdüse hat daher unabhängig von der vertikalen Einstellung des Überlaufs und damit der Größe der Spaltbreite immer den gleichen (geringen) Abstand von der Fällbadoberfläche.
Die eingangs genannte Vorrichtung zur Herstellung von Cellulosefasern oder -filamenten ist erfindungsgemäß ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Spaltes a und die Relaxationszeit der Spinnlösung die folgende Beziehung erfüllen
Figure 00060001
in der a die Spaltbreite in mm, λm die Relaxationszeit am Häufigkeitsmaximum des Relaxationsspektrums der Spinnlösung, va die Abzugsgeschwindigkeit in m/min, N die Kapillardichte in cm-2 und D den Düsenlochdurchmesser in mm bedeuten. Der gegenüber der Gleichung II der Hauptanmeldung addierte Term 1/ N·D berücksichtigt die erfindungsgemäß erreichte Vergrößerung der Spaltbreite durch die Anströmung der Kapillarscharen kurz vor ihrem Kontakt mit dem Fällbad. Es ist ersichtlich, daß diese Spaltverbreiterung mit zunehmender Kapillardichte geringer wird.
Vorzugsweise genügen die Dimensionierungen der Spinndüsen, der Spaltbreite a und der Fällbadstrecke w der Beziehung x ≥ a+ww · 3,5D in der x den Abstand zwischen zwei benachbarten Düsenlöchern, a die Spaltbreite, w die Länge der Fällbadstrecke und D den Düsendurchmesser bedeuten. Aus dem Vergleich mit Beziehung III der Hauptanmeldung ergibt sich, daß durch die Anströmung der Kapillarenschar(en) der Abstand zwischen zwei benachbarten Düsenlöchern der Düse um 1/8 verringert werden kann, ohne daß die Ziele der Erfindung, nämlich Beibehaltung der Spinnsicherheit bei Verbesserung mechanischer Fasereigenschaften beeinträchtigt werden.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung und des Beispiels näher erläutert. Es zeigen
  • Figur 1 das Relaxationszeitspektrum einer Spinnlösung mit 12 Masse-% Cellulose (Cuoxam-DP 480) bei der Spinntemperatur von 85°C;
  • Figur 2 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von Cellulosefasern und -filamenten; und
  • Figur 3 die schematische Aufsicht der in Figur 2 gezeigten Vorrichtung.
    • Die Figuren 2 und 3 zeigen den oberen Fällbadbehälter 1 einer erfindungsgemäßen Spinnvorrichtung. Die Spinndüsen 6, von denen in Figur 2 nur eine sichtbar ist, sind mit Anströmkammern versehen, wie dies in der Hauptanmeldung näher beschrieben und dargestellt ist. Die Austrittsseiten der Spinndüsen 6 haben von der Fällbadoberfläche 7 einen den Luftspalt a bildenden Abstand. Der Boden 10 des Fällbadbehälters 1 ist entsprechend der Anordnung der Düsen 6 mit mehreren Fadenleitelementen 11 bestückt, durch die die Fadenbündel 12 zusammen mit Fällbadflüssigkeitsströmen 14 aus dem Behälter 1 austreten. Die Fadenbündel 12 aller Fadenleitelemente 11 werden von den Fällbadströmen 14 unter einem Winkel abgelenkt und unter geeigneter Zugspannung aufgewickelt. Die Fällbadströme 14 gelangen in den unteren Fällbadbehälter (nicht dargestellt) und werden mittels einer Pumpe (nicht dargestellt) über die Leitung 16 in den oberen Fällbadbehälter 1 zurückgepumpt. Die von den Fadenbündeln 12 passierte Fällbadstrecke w reicht von der Badoberfläche bis an die Stelle unter den Fadenleitelementen 11, wo sich die Fadenbündel 12 von den Fällbadflüssigkeitströmen 14 trennen. Die Leitung 16 mündet in eine teilweise mit Füllkörpern gefüllte (nicht dargestellt) Beruhigungskammer 18, aus der die Fällbadflüssigkeit durch die Öffnungen 19 in den eigentlichen Behälter 1 einströmt. Aus Figur 3 ist ersichtlich, daß die Fadenleitelemente 11 in dem Boden 10 in einer Reihe angeordnet sind und die Fadenbündel 12 parallel nebeneinander zur Abzugsgalette (nicht dargestellt) laufen.
    Der Fällbadbehälter 1 hat zwei Überläufe 9, die vertikal verstellbar sind und damit das Fällbadniveau und die Breite des Spaltes a bestimmen. An den Überläufen 9 ist mittels der Halter 23 ein Düsenrohr 20 mit einem über die Reihe der Düsen 6 bzw. der Reihe der Kapillarenscharen 26 reichenden Schlitz 21 angebracht. Das Düsenrohr 20 wird über die Leitung 24 beidseitig mit einem schwachen Luftstrom beaufschlagt, der über ein Nadelventil (nicht dargestellt) eingestellt werden kann. Der Luftstrom 25 verläßt den Schlitz 21 (Auslaßöffnung 150 mm x 1 mm) linienförmig über die gesamte Breite und geneigt zur Badoberfläche 7, so daß die Kapillarenscharen unmittelbar vor ihrem Eintritt in das Fällbad mit dem Luftstrom in Berührung kommen. Die Schlitzdüse befindet sich etwa 10 mm oberhalb der Fällbadoberfläche.
    Es wurde festgestellt, daß unter Benutzung der Vorrichtung nach den Figuren 2 und 3, jedoch zunächst ohne Luftanblasung der Kapillarenscharen mittels Einrichtung 20,21 in Richtung der Eintauchstelle der Kapillaren in das Spinnbad, und unter Verwendung von vier Monofildüsen, d.h. vier Hütchendüsen (0 = 12,5 mm) mit jeweils nur einer Bohrung von 200 µm Durchmesser die Breite des Spaltes a beim Spinnen zwischen 10 und 300 mm kontinuierlich verändert werden kann, ohne daß irgendwelche Spinnstörungen zu beobachten sind. Eine Spaltbreite a>300 mm ließ die Spinnapparatur nicht zu. Die Versuche wurden mit einer 12 Masse-%igen Celluloselösung in wässrigem N-Methylmorpholin-N-oxid (NMMO) durchgeführt, deren Relaxationszeitspektrum in Figur 1 dargestellt ist und deren λm bei 3,0 s lag. Zur Bestimmung der Relaxationszeit aus den rheologischen Daten der Cellulose-lösung wird auf Ch. Michels, Das Papier, (1998)1, S. 3-8, verwiesen. Die Abzugsgeschwindigkeit betrug 100 m/min. Eine Erhöhung der Abzugsgeschwindigkeit auf 300 m/min führte zum gleichen Ergebnis. Ersetzt man die Hürchendüsen durch solche mit jeweils 30 Bohrungen von 140 µm Durchmesser, so geht der maximale störungsfreie Spalt a auf ca. 40 bzw. 60 mm zurück.
    Bei gleicher Anordnung, aber mit linearem, flächenförmigem Anblasen der Kapillarenscharen kurz vor dem Eintritt in das Fällbad ist eine deutliche Zunahme der maximal möglichen Spaltbreite a von ca. 40 auf 65 mm bzw. von ca. 60 auf 100 mm feststellbar. Neben der Zunahme des maximal möglichen Luftspaltes ist eine signifikante Beruhigung des Kapillarlaufes beim Eintritt in das Fällbad zu beobachten. Die Häufigkeit der Kapillarberührung wird deutlich geringer und damit auch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Spinnstörungen.
    Bei Einsatz von Düsen mit einem Düsenlochdurchmesser von 90 µm nimmt die maximal betriebssicher einstellbare Spaltbreite a zu, und bei Einsatz von Düsen mit einem Durchmesser von 200 µm nimmt diese Spaltbreite ab. Beim Übergang zu Hütchendüsen ( = 20 mm) mit gleicher Bohrungszahl, d.h. abnehmender Kapillardichte, ist eine Zunahme des maximal einstellbaren Spaltes zu beobachten. Bei 30 Bohrungen pro Düse beträgt die Kapillardichte der kleinen Hütchendüse N = 47 cm-2 und die der großen Hütchendüse 15 cm-2. Mit der Kapillardichte von 15 cm-2, aber sonst gleichen Bedingungen, erhöht sich die maximal mögliche Spaltbreite nochmals von ca. 65 auf 90 mm bzw. von 95 auf 130 mm. Diese Veränderungen können durch die oben genannte veränderte Gleichung IIa hinreichend beschrieben werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Spinnvorrichtung läßt sich daher die Kapillardichte steigern, ohne daß das Risiko des Auftretens von Spinnstörungen zunimmt. Für den Abstand zwischen zwischen zwei benachbarten Düsenlöchern gilt dann die empirische Beziehung IIIa.
    Nähere Untersuchungen des linearen flächenförmigen Anblasens kurz vor Eintritt der Kapillarenscharen in das Fällbad machen deutlich, daß die weitgehend laminare Strömung der Luft in Richtung des Kapillarenlaufes eine deutliche Störung erfährt. Der Übergang an den Phasengrenzflächen Kapillar/Gas bzw. Luft und Kapillar/Fällbad ändert sich. Die Bewegung der Spinnbadoberfläche beim Eintauchen der Kapillaren erscheint ruhiger. Die Spinnstörungen, die ihren Anfang nahezu ausschließlich in der gegenseitigen Berührung der Kapillaren beim Eintritt in das Spinnbad nehmen, sind dadurch wesentlich unwahrscheinlicher.
    Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel näher erläutert.
    Beispiel
    Eine pressfeuchte Mischung (Trockengehalt 50,2%), bestehend aus 188 g Fichtensulfit-Zellstoff (Cuoxam-DP 480), 10 g Baumwoll-Linters-Zellstoff (Cuoxam-DP 1907) und 0,4 g Stabilisator wird in 1850 g NMMO (Trockengehalt 75%) dispergiert, in einen Kneter mit vertikaler Kneterwelle eingetragen, unter Vakuum und Scherung bei einer Temperatur von 90°C 1255 g Wasser abdestilliert und durch weiteres "Scherrühren" in eine mikroskopisch homogene Celluloselösung der Zusammensetzung 11,0 % Cellulose, 77,1 % NMMO und 11,9 % Wasser überführt. Die Relaxationszeit bei einer Spinntemperatur von 85°C betrug 3,0 s , die Nullscherviskosität 3450 Pa·s. Das Verformen der Lösung zu Fäden erfolgt in einer Kolbenspinnapparatur, deren warmwasserbeheizte Spinndüsenaufnahme entweder vier Spinnhütchen mit 12,5 mm (30 mm Teilung Düsenmitte zu Düsenmitte) bzw. 3 Spinnhütchen mit 20,0 mm Durchmesser (40 mm Teilung) aufnehmen kann. Unterhalb des Spinnteils befindet sich der Spinnkasten gemäß den Figuren 2 und 3.
    Für jeden Versuch wurde die maximale Spaltbreite amax ohne und erfindungsgemäß mit Luftanströmung festgestellt. Nach dem Spinnen wurden die Filamente aufgespult, gewaschen, zu Stapeln von 50 mm geschnitten, aviviert und getrocknet. Sie wurden dann der textilen Prüfung unterworfen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 angegeben. Die Beaufschlagung mit Luft erfolgte in der oben an Hand der Figuren 2 und 3 beschriebenen Arbeitsweise. Die Düsenauslaßöffnung betrug 150 mm x 1 mm. Die Kapillaren wurden unmittelbar vor Eintritt in das Fällbad mit dem Luftstrom kontaktiert. Die Luftdüse war mit dem Schlitz schräg nach unten gerichtet. Die Schlitzdüse befand sich ca. 10 mm oberhalb der Fällbadoberfläche.
    Aus den Tabellen ist ersichtlich, daß durch die Anblasung eine erhebliche Verbreiterung des Luftspalts a, nämlich um mindestens 50 % bis maximal 200 % möglich ist, ohne daß Störungen beim Spinnbetrieb auftreten. Damit geht eine erhebliche Verbesserung der Reißdehnung, trocken, und der Schlingenreißkraft einher.
     Hütchen  Bohrung Kapillardichte Abzugsgesch. a max. [mm]
    Nummer [mm] [mm] cm-2 m/min ohne mit
    1 12 0,200 --- 100 / 300 > 300 > 300
    2 12 0,140 47 100 40 60
    3 12 0,140 47 300 60 90
    4 20 0,140 15 5 100 40 80
    5 20 0,140 15 300 60 130
    6 20 0,140 15 500 80 180
    7 12 0,090 47 100 40 70
    8 12 0,090 47 300 60 105
    9 20 0,090 350 100 10 30
    Nummer Feinheit [dtex] Reißfestigkeit tr. [cN/tex) Reißdehnung tr. [%] Schlingenreißkraft [cN/tex]
    ohne mit ohne mit ohne mit
    1 1,63 41.2 17,8 19,7
    2 1,62 42,5 41,5 13,3 16,9 13,9 15.9
    3 1,68 44,1 42,7 11,9 15,4 11,7 14,7
    4 1,67 41,6 40,6 14,5 17,4 14,3 16,5
    5 1,61 43,2 42,4 12,7 15,9 11,9 15,1
    6 1,63 44,8 43,9 10,2 14,7 9,7 14,3
    7 1,65 42,8 42,1 13,1 17,0 13,8 14,9
    8 1,64 44,9 43,1 11,3 15,1 11,8 13,9
    9 1,40 43,9 43,1 12,8 16,1 14,1 15,9

    Claims (7)

    1. Verfahren zur Herstellung von Cellulosefasern oder -filamenten aus Zellstoff nach dem Trocken-Naßextrusionsverfahren mit wässrigen Aminoxiden, insbesondere N-Methylmorpholin-N-oxid als Lösungsmittel, bei dem man
      a) Zellstoff oder eine Zellstoffmischung mit einem Cuoxam-DP in dem Bereich von 250 bis 3000 in wässrigem Aminoxid dispergiert,
      b) die erhaltene Dispersion bei erhöhter Temperatur unter Wasserentzug und Scherung in eine homogene Lösung mit einer Nullscherviskosität in dem Bereich von 600 bis 6000 Pa·s und mit einer Relaxationszeit in dem Bereich von 0,3 bis 50 s, jeweils bei 85°C, überführt,
      c) die Lösung wenigstens einer Spinndüse zuführt und zuvor durch eine der bzw. den Düse(n) gemeinsame Anströmkammer leitet, in der ihre Verweilzeit wenigstens gleich ihrer Relaxationszeit bei der Spinntemperatur ist,
      d) die Lösung in jeder Spinndüse zu wenigstens einer Kapillaren verformt und die Kapillare(n) einer jeden Düse unter Verzug durch ein nicht ausfällendes Medium und anschließend unter Ausfällen der Cellulosefäden durch ein Fällbad führt, und
      e) die Cellulosefäden an dem Ende der Fällbadstrecke durch Ablenkung von den Fällströmen trennt und die Fäden abzieht,
         dadurch gekennzeichnet, daß man in der Stufe d) die Kapillarenschar(en) kurz vor ihrem Eintritt in das Fällbad mit einem Gas unter einem Winkel α zur Kapillarenlaufrichtung in dem Bereich 45°< α < 90° anströmt.
    2. Verfahren zur Herstellung von Cellulosefasern oder -filamenten aus Zellstoff nach dem Trocken-Naßextrusionsverfahren mit wässrigen Aminoxiden, insbesondere N-Methylmorpholin-N-oxid als Lösungsmittel, bei dem man
      a) Zellstoff oder eine Zellstoffmischung mit einem Cuoxam-DP in dem Bereich von 250 bis 3000 in wässrigem Aminoxid dispergiert,
      b) die erhaltene Dispersion bei erhöhter Temperatur unter Wasserentzug und Scherung in eine homogene Lösung mit einer Nullscherviskosität in dem Bereich von 600 bis 6000 Pa·s und mit einer Relaxationszeit in dem Bereich von 0,3 bis 50 s, jeweils bei 85°C, überführt,
      c) die Lösung wenigstens einer Spinndüse zuführt und zuvor durch eine der bzw. den Düse(n) gemeinsame Anströmkammer leitet, in der ihre Verweilzeit wenigstens gleich ihrer Relaxationszeit bei der Spinntemperatur ist,
      d) die Lösung in jeder Spinndüse zu wenigstens einer Kapillaren verformt und die Kapillare(n) einer jeden Düse unter Verzug durch ein nicht ausfällendes Medium und anschließend unter Ausfällen der Cellulosefäden durch ein Fällbad führt, und
      e) die Cellulosefäden an dem Ende der Fällbadstrecke durch Ablenkung von den Fällströmen trennt und die Fäden abzieht,
         dadurch gekennzeichnet, daß man in der Stufe d) die Kapillarenscharen unmittelbar vor ihrem Eintritt in das Fällbad mit einem Gas anströmt, wobei der Gasstrom und das Fällbad an der Grenzfläche zum Gasspalt gleichgerichtete Strömungskomponenten aufweisen.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kapillarenscharen mit einem flachen, ebenen, über die gesamte Breite der Kapillarenscharen reichenden Gasstrom anströmt.
    4. Vorrichtung zur Herstellung von Cellulosefasern oder -filamenten aus Zellstoff nach dem Trocken-Naßextrusionsverfahren mit wässrigen Aminoxiden als Lösungsmittel, mit
         einem Spinnpaket mit einer Spinndüsenplatte, Spinndüsen und einer oberhalb der Spinndüsenplatte und der Spinndüsen angeordneten, gemeinsamen Anströmkammer, deren Volumen der Beziehung V ≥ v L·λm genügt, worin V das Volumen der Anströmkammer in cm3, v ˙L den Volumenstrom der Celluloselösung in cm3/s und λm die Relaxationszeit am Häufigkeitsmaximum des Relaxationsspektrums der Spinnlösung bedeuten,
         einem Fällbad in zwei durch eine Fällbadpumpe verbundenen Behältern,
         einem Spalt a zwischen den Spinndüsen (6) und der Fällbadoberfläche (7) in dem oberen der beiden Behälter, und
         einer Abzugsgalette,
         dadurch gekennzeichnet, daß in dem Spalt a wenigstens eine Breitschlitzdüse mit einem unter einem Winkel α zur Kapillarenlaufrichtung in dem Bereich 45°<α <90° gerichteten Düsenschlitz (21) zur Anströmung der Kapillaren (26) vor ihrem Eintritt in das Fällbad angeordnet ist, und wobei die Breite des Spalts a und die Relaxationszeit der Spinnlösung die Beziehung
      Figure 00140001
      erfüllen, in der a die Spaltbreite in mm, λm die Relaxationszeit am Häufigkeitsmaximum des Relaxationsspektrums der Spinnlösung, va die Abzugsgeschwindigkeit in m/min, N die Kapillardichte in cm-2 und D den Düsenlochdurchmesser in mm bedeuten.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Badbehälter (1) einerseits der Kapillarenscharen (26) wenigstens eine Zulauföffnung (19) und andererseits der Kapillarenscharen wenigstens einen Überlauf (9) aufweist und die Breitschlitzdüse in Bezug auf die Reihe der Kapillarenscharen (26) auf der gleichen Seite wie die Zulauföffnung(en) (19) angeordnet ist.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breitschlitzdüse mit wenigstens einem Überlauf (9) mechanisch verbunden ist.
    7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionierungen der Spinndüsen (6), der Spaltbreite a und der Fällbadstrecke w der Beziehung x ≥ a+ww ·3,5·D genügen, in der x den Abstand zwischen zwei benachbarten Düsenlöchern, a die Luftspaltbreite, w die Länge der Fällbadstrecke und D den Düsenlochdurchmesser bedeuten.
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