EP1358369B1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von im wesentlichen endlosen feinen fäden - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung von im wesentlichen endlosen feinen fäden Download PDF

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EP1358369B1
EP1358369B1 EP01985429A EP01985429A EP1358369B1 EP 1358369 B1 EP1358369 B1 EP 1358369B1 EP 01985429 A EP01985429 A EP 01985429A EP 01985429 A EP01985429 A EP 01985429A EP 1358369 B1 EP1358369 B1 EP 1358369B1
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EP
European Patent Office
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spinning
threads
thread
laval nozzle
nozzle
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EP01985429A
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English (en)
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EP1358369A2 (de
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Lüder Dr.-Ing. Gerking
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Individual
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Publication of EP1358369B1 publication Critical patent/EP1358369B1/de
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    • 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
    • D01D5/12—Stretch-spinning methods
    • D01D5/14—Stretch-spinning methods with flowing liquid or gaseous stretching media, e.g. solution-blowing
    • 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
    • D01D4/00—Spinnerette packs; Cleaning thereof
    • D01D4/02—Spinnerettes
    • D01D4/025—Melt-blowing or solution-blowing dies
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing of fine threads from solutions of polymers natural or synthetic origin and devices for their manufacture.
  • Fine threads also called micro threads, mostly however Microfibers of finite length are made after a Hot air blow spinning process, so-called meltblown process, manufactured for many years, and it today there are different devices for this. It is all the same that in addition to a series of melt holes - also several rows parallel to each other have become known - hot air escapes the Warps. By mixing with the colder Ambient air cools and solidifies of these threads or finally long fibers, because often, Mostly undesirable, the threads break.
  • the disadvantage of this meltblown process is the high level Energy expenditure for heating the at high speed flowing hot air, limited flow through the individual spinning holes (even if these have become increasingly dense over time up to a distance of less than 0.6 mm at 0.25 mm in Hole diameter) that it is under thread diameters 3 ⁇ m comes off, resulting in beads and protruding Fibers in the later textile composite leads, and that the polymers through the to produce fine threads necessary high air temperature well above the Melt temperature can be thermally damaged.
  • the Spinnerets a large number of which are proposed and have also been protected are complex Injection molds that are manufactured with high precision Need to become. They are expensive, operationally vulnerable and expensive to clean.
  • meltblown processes are also for education known from finally long fibers from Lyocell materials become, i.e. from a solvent, mostly NMMO (N-methylmorpholine-N-oxide), dissolved cellulose spun, e.g. WO98 / 26122, WO98 / 07911, WO99 / 47,733th
  • NMMO N-methylmorpholine-N-oxide
  • dissolved cellulose spun e.g. WO98 / 26122, WO98 / 07911, WO99 / 47,733th
  • the present invention is therefore the object based, improved methods and devices for Production of fine threads from solutions of polymers to create that are essentially endless not thermally damaged by gas streams drawing out will need little energy and by a spinning tool that is simple in its construction can be produced.
  • the threads can continue to warp after the point of splice until they are frozen. This happens because of the suddenly created larger thread area very quickly.
  • the threads are endless. It can be in child Dimensions due to technical interference finally long threads come, are predominant but the endless fine filaments.
  • the spinning masses used in DE 199 29 709 are meltable polymers. There are synthetic ones or of natural origin. Among those on natural Fibers based fibers are especially those of the of renewable raw material cellulose of interest.
  • a special feature of the method according to the invention is that the accompanying gas, usually air flow the liquid filament threads shortly after their Accompany the exit from the spinning bore and through Distortion of shear stress. This gives them one Orientation and a cool down, both of which are increasing Strength and reducing the harmful Demolitions, even until they are completely prevented leads.
  • By mixing the gas flow with the surrounding atmosphere, mostly also air, is delayed the gas flow and the threads are subject to each other no longer the initial tension due to the higher one Speed of the same, but remain endless and even when torn off by the air flow carried away. It is still the threads of the initial one Solution mass, if not already by blowing from e.g. Steam or water with the precipitation of the cellulose starts.
  • threads can be on a screen belt filed and from the accompanying gas flow, such as known in spunbonded nonwoven processes, separated, whereby the gas (air) passes through the screen belt and below the same is suctioned off and the threads for Fleece deposited now only fed to the precipitation bath become.
  • gas air
  • the thread formation and storage room is easily accessible because of distances of 1 and 2 m between the nozzle outlet and the fall arrester are.
  • polylactide PLA polylactic acid
  • PLA materials have the special property that they are biodegradable, whereby the decomposition, ie the decomposition into CO 2 and H 2 O, can also be set for a certain period of time, and that they are body-friendly.
  • the splice spinning process it is possible to produce very fine threads with the splice spinning process, which can otherwise only be obtained with the disadvantages of the melt-blown process - large amounts of air have to be raised to at least melt temperature, whereby the polymers are mostly damaged.
  • the film splits open and piles are formed of essentially endless threads, however in contrast to those spliced from monofilaments of very different diameters and nodular Thickening. These still arise molten state of the textile materials and can within certain limits by the main process parameters Melt temperature, melt flow rate and extruding Gases - mostly air flows - within certain limits can be set. Individual threads that then can also be wound up by splicing not made from films, but nonwovens are.
  • the area of strong acceleration and pressure reduction in the gas flow according to the invention in Shape of a rotationally symmetrical or elongated Laval nozzle with a convergent contour to a narrowest Cross section there and then rapid expansion realized, the latter already side by side running newly formed single threads not to the Can stick to walls.
  • the narrowest cross section can with appropriate selection of the pressure in the chamber (in air about twice as high as the ambient pressure behind it) speed of sound and in the extended Part of the Laval nozzle is supersonic.
  • thread fleeces spun fleeces
  • spinning bores arranged in rows and in rectangular or with slot shape and Laval nozzles with rectangular cross-section used.
  • yarns and for special types nonwoven fabrication can also use round nozzles one or more spinning bores and rotationally symmetrical Laval nozzles are used.
  • the advantage of the present invention is that in a simple and economical way fine threads in Range below 10 ⁇ m, for example between 2 and 5 ⁇ m, can be generated, what with pure warping through the meltblown process only with hot, gas (air) jets heated above the melting point Is brought about and thus considerably more energy requirement.
  • the threads in their molecular Structure not damaged by overheating, which would result in reduced strength, causing they often rub themselves out of a textile bandage to let.
  • Another advantage is that the threads are endless or quasi endless and from one textile bandage such as a fleece does not stick out and can be removed as lint.
  • the device to implement the method according to the invention is simple.
  • the spinning holes of the spinneret just like the slot nozzle can be bigger and therefore the Laval nozzle cross-section is less prone to failure its accuracy does not require the narrow tolerances the side louvers of the meltblown process.
  • a further development of the invention is the solution cone, round as a monofilament or wedge-shaped as a film cooling down as little as possible and above out to warm it up to a higher temperature.
  • heaters are shielded from the gas flow on both sides of the outlet openings - row of holes or slot - attached. These heaters lead heat on the one hand in the area of the outlet opening to the spinning mass from the outside and give it to her where they have a higher speed and therefore higher heat transfer allowed, an increase in temperature, on the other hand, the heaters are of the type that they radiate heat at the conical or wedge-shaped Transfer part of the deforming spinning mass.
  • Fig. 1 is a section through the lower part of a Spinneret 1 and an associated Laval nozzle shown this cut being both for a rotatin-symmetrical Spinneret which is a thread or a Spins monofilament, and a rotationally symmetrical Laval nozzle, as well as for a slit or rectangular shape Spinneret that spins a film, and so on rectangular Laval nozzle applies. It can also a spinneret with several in a row Spinning bores with corresponding elongated Laval nozzle may be provided.
  • the spinneret 1 there is a plate 11, 11 'with a gap 12 ', seen from the spinneret converging and then is slightly divergent and is at the bottom Edge of the plate 11, 11 'greatly expanded, whereby the Laval nozzle is formed.
  • the spinneret or the spinning holes of the spinnerets end just above the Laval nozzle or in the upper level of the plate 11, 11 ', if necessary, the spinneret 1 can also easily protrude into the opening 12.
  • the spinneret 1 is surrounded by an insulating arrangement 8, 8 ', to shield the on spinning temperature heated spinneret serves against heat loss, whereby also advantageously an air gap 9 between the spinneret 1 and insulating arrangement 8, 8 'is provided.
  • the spinneret 1 has an outlet opening 4, in the Area a heater 10, 10 'is attached, which in the Embodiment is designed as a flat heating tape and which advantageously against the insulating arrangement 8, 8 'to avoid heat loss is isolated by parts 13 and 13 '.
  • the room below the plate 11, 11 ' usually has ambient pressure, i.e. Atmospheric pressure while the Gas in the space between spinneret 1 and plate 11, 11 ' is under increased pressure.
  • ambient pressure i.e. Atmospheric pressure
  • the Gas in the space between spinneret 1 and plate 11, 11 ' is under increased pressure.
  • Plate 11, 11 'a little against ambient pressure have increased pressure, for example by a few millibars, the one for further processing, such as fleece laying or other thread collecting devices is needed.
  • a polymer solution 2 flows against the outflow opening 4 of the nozzle 1 along the arrow 3 shown.
  • a thread 5 or a film is formed, which in its further course due to the gas flow coming laterally from above along the arrows 6, 6 ′ drawn in between the contour of the surfaces of the plate 11, 11 ′ and the outer surfaces 7, 7 'of the insulating arrangement 8, 8' runs, reduced in diameter or in width.
  • the heater 10, 10 heats the capillary of the outlet opening 4 from the outside and can heat up the spinning mass flowing past it with its lower part by appropriate extension, essentially by radiation.
  • the thread 5 or the film passes into the constriction 12 'of the flow cross section for the gas flow 6, 6' formed by the parts 11, 11 'of the plate, in the manner of the Laval nozzle with the narrowest cross section at 12.
  • the critical pressure ratio for example in the idle state of the gas p 1 in the chamber above the plate 11, 11 'to the pressure in the narrowest point p e .
  • supersonic speeds can also arise in the case of supercritical pressure conditions.
  • the Laval nozzle widens very much immediately after the narrowest cross-section 12 or shortly thereafter in order to prevent the threads from sticking to the plate 11, 11 'just below the Laval nozzle due to the fanning out that begins in this area.
  • the thread 5 or bursts splits when the thread cladding the solution thread against the internal pressure that has grown with the thread constriction can no longer hold together.
  • the monofilament then divides into individual threads, which are due to the temperature difference between solution and cold gas or air and suddenly suddenly strongly growing surface of the individual threads, based on the Thread mass, cool quickly. It is therefore a certain one Number of very fine, essentially endless Individual threads emerged. With a Lyocell solution the phenomenon of fanning often does not occur or only here and there, i.e. in Fig. 1 would continue spinning thread.
  • the thread is through the laminar gas flow of ever increasing speed warped so that it ultimately becomes too fine Threads due to the cellulose content being around or below 10% comes.
  • the solution film also tears just below the Laval nozzle on, the pressure ratios in the film before the Fanning different across the width and the film becomes unstable. Just before fanning out there are furrows and marks the film width and then to break through threads small but larger diameters.
  • Fig. 2 shows the perspective view of a system for the method according to the invention, in which a Lyocell mass 130 is supplied to a device 30 and a fleece 20 is obtained therefrom.
  • the device 30 for making essentially endless Threads corresponds to the arrangement of FIG. 1, wherein several spinnerets or spinning holes accordingly Fig. 1 are arranged in series and the Laval nozzle is elongated or formed in a rectangular shape. Thread monofilaments emerge from the individual spinning bores from, rejuvenate by the thrust of the Gas flow and splicing if necessary, at Lyocell however less, not in the lower part of the gap illustrated Laval nozzle or something below it to several Threads on. At Lyocell, essentially Single threads spun out.
  • Such suction can laterally to the thread sheet are used in a special way when the threads not to a fleece, but to a continuous yarn to be processed, what is wound on rolls or staple fibers to be cut, each after solvent and cellulose pulp Coagulation have been separated.
  • the coagulation of the dissolved thread polymer, here cellulose for lyocell threads, in a solvent, here NMMO, can already between spinning device 30 and Storage area 51 is initiated by water mist or steam is blown in laterally against the thread sheet be there, for example, where the previously described Suction boxes for air 110, 110 'are attached and thus exactly in the opposite way to the discharged air now moist air or steam is introduced into the thread sheet become.
  • the exterior is already enriched in the cellulose part before it is planted are and not a bond with each other is as strong as if it became one without the like Fleece can be deposited.
  • the fleece is then in one Precipitation bath introduced, but then only by press rolls or between a drum, too heated, and the screen belt to self-binding comes. Because the Lyocell threads are soft and already stick to each other if you put them under little Pressure connects. This autogenic Connection is another particular benefit at the production of nonwovens from lyocell threads. Is the Coagulation has already begun, so is the bond not so strong and you get softer fleeces textile grip compared to the previously not sprayed, only fleece drawn through the precipitation bath, the more compact are and have a harder, paper grip.
  • a solution was made using a screw press (extruder) of 13% cellulose in an aqueous NMMO solution of 75% and 12% water of a spinning device from a Spinneret with a hole and a round Laval nozzle fed, the single spinning bore a Had a diameter of 0.5 mm.
  • the solution is made and directly over it conveying pumps metered to the spinning device.
  • the temperature of the Lyocell spinning mass at the extruder outlet was 94 ° C.
  • the tip of the nozzle was an electrical resistance heater attached to their heating with a Power between 50 and 300 W.
  • the thread pull happened through air at room temperature of about 22 ° C, the pressure measured before acceleration in the Laval nozzle, was between 0.05 and 3 bar above atmospheric pressure set.
  • the leakage of the lyocell mass only a little was varied from the tip of the nozzle and lay 1 to 2 mm above the plane where the Laval nozzle constricts, with further settings exactly in this plane or 1 to 2 mm below, so further downstream.
  • the Laval nozzle was wide in the narrowest cross section of 4 mm and a total length, measured from the plane where their necking begins, until the strong expansion shortly after the narrowest Cross section, of 10 mm.
  • Table 1 shows the settings 1 - 11. You can see the special influence of the heater 10 of the nozzle tip, causing the spinning mass just before it emerges received an elevated temperature from the spinning bore, and clearly above their original temperature from 94 ° C. The threads were only partially spliced, for individual settings, in particular with lower air pressure and lower temperature essentially not. You can convince yourself of this by the thread speed is calculated from the measured throughput of the spinning mass and the mean End thread diameter, corrected for the reduction in diameter through the solvent removal with the highest occurring air speed, i.e. that in the Laval nozzle gap (if no supersonic speed occurs afterwards). Is this higher, the threads can be spliced - the more the speeds differ.
  • Example 1 In a device such as that in Example 1, a Solution of 8% cellulose in 78% NMMO and the rest 14% water from diameter spinning holes spun of 0.6 mm. The temperature of the solution at the extruder outlet was 115 ° C and in the distribution room the solution to a total of twenty spinning holes 114 ° C. The heating power of the heating system on both sides of the Nozzle tip was 450 W. The throughput per spin bore was 3.6 g / min.
  • the speed of the air in the narrowest cross section of the Laval nozzle u Le and the speed u F50 that a Lyocell thread would have before entering the precipitation bath with a later average diameter d 50 are also listed . If this is larger than u Le , there may be a fanning out. To do this, the values would have to differ very significantly, since a finer diameter than the arithmetically corresponds to the maximum air speed during the spinning process, i.e. in the narrowest gap of the Laval nozzle, may also have resulted from the side peeling off of the main stream or poor cellulose concentration at this point.
  • the thread diameter can be further reduced by increasing the temperature of the solution before it emerges from the spinning bore, however the temperature is limited here because the solution decomposes, so that the shortest possible residence times under elevated temperature are chosen by appropriately designing the melting spaces in the lower part of the spinneret become.
  • a temperature there of 123 ° C instead of the previous 114 ° C the proportion of individual threads with u F> u Le increased in one setting, roughly like No. 7 in Table 2.
  • the spinning mass By setting certain values for the throughput the spinning mass, its temperature and the air speed in the flat gap in longitudinal nozzles or in An annular gap in the case of round nozzles can be used, as in Examples 1 and 2 show the diameter of the substantially control endless threads.
  • the throughput per spin hole is higher than in all cases mentioned known meltblown process for Lyocell. The reason is the high shear stresses caused by the strongly accelerated flow, namely a start-up flow, with very thin boundary layers on the thread.
  • a spinning device similar to that shown in Fig. 1, was a polypropylene melt with a Temperature of 355 ° C from a slot of 0.9 mm Width and 20 mm length from a bottom ending as a web Spinning nozzle spun out as a film.
  • As a stretching gas air was used for the film.
  • the thick ones Knots in the fleece not measured.
  • the generated fleece is shown in Fig.
  • the present description of the invention can also be applied to others solvent-spun thread polymers applied be, for example, on conventional viscose or Rayon threads and their further processing Fleeces or yarns.
  • the spinning security is to be emphasized further, that the device is simple, the energy consumption much lower compared to meltblown processes is and surprisingly large diameter for spinning bores and slots can be applied through the high warping caused by the thrust at speeds up to speeds of sound and also above it by means of its production in a Laval nozzle. So there are impurities in the spinning mass no longer so critical with regard to thread breaks.
  • lyocell threads With lyocell threads, higher proportions of hemicellulose processed into threads, and also the degree of polymerization the cellulose (DP) can be lower which generally makes the raw materials cheaper, because there are no high tensile forces on the lyocell threads in its original state as fine threads the release mass can be exercised. That basically only cold air or air with waste heat from the air atomization is used at Lyocell, especially but with solution polymers to be spun at a higher temperature much to the energy saving of the process at.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von feinen Fäden aus Lösungen von Polymeren natürlichen oder synthetischen Ursprungs und Vorrichtungen zu ihrer Herstellung.
Feine Fäden, auch Mikrofäden genannt, meistens allerdings Mikrofasern endlicher Länge, werden nach einem Heißluft-Blasspinnverfahren, sog. Meltblown-Verfahren, seit vielen Jahren hergestellt, und es gibt heute unterschiedliche Vorrichtungen hierfür. Gleich ist allen, daß neben einer Reihe von Schmelzebohrungen - auch mehrere Reihen parallel zueinander sind bekannt geworden - Heißluft austritt, die die Fäden verzieht. Durch Vermischung mit der kälteren Umgebungsluft kommt es zur Abkühlung und Erstarrung dieser Fäden bzw. endlich langen Fasern, denn oft, meistens zwar unerwünscht, reißen die Fäden. Der Nachteil dieser Meltblown-Verfahren ist der hohe Energieaufwand zur Erwärmung der mit hoher Geschwindigkeit strömenden Heißluft, ein begrenzter Durchsatz durch die einzelnen Spinnbohrungen (auch wenn diese im Laufe der Zeit zunehmend dichter gesetzt wurden bis zu einem Abstand von unter 0,6 mm bei 0,25 mm im Lochdurchmesser), daß es bei Fadendurchmessern unter 3µm zu Abrissen kommt, was zu Perlen und abstehenden Fasern im späteren textilen Verbund führt, und daß die Polymere durch die zur Erzeugung feiner Fäden notwendige hohe Lufttemperatur deutlich über der Schmelzetemperatur thermisch geschädigt werden. Die Spinndüsen, von denen eine große Anzahl vorgeschlagen und auch geschützt worden sind, sind aufwendige Spritzwerkzeuge, die in hoher Präzision gefertigt werden müssen. Sie sind teuer, betrieblich anfällig und in der Reinigung aufwendig.
Derartige Meltblown-Verfahren sind auch für die Bildung von endlich langen Fasern aus Lyocellmassen bekannt geworden, d.h. aus einem Lösungsmittel, meistens NMMO (N-Methylmorpholin-N-oxid), gelöster Cellulose ersponnen, z.B. WO98/26122, WO98/07911, WO99/47733.
In der französischen Patentschrift 2 735 794 wird ein Verfahren beschrieben, in dem eine cellulosische Masse aus einer oder mehreren Spinnbohrungen durch Zerplatzen (éclatement) in einzelne Partikel aufgespalten wird und diese durch die Gasströmung zu endlich langen Fasern verzogen werden. Der Vorgang der Faserbildung geschieht bei turbulenten Strömungsverhältnissen.
Ein vorherrschendes Problem beim Erspinnen von Lyocellfäden aus Lösungsmassen ist die Spinnsicherheit. Ungelöste Teilchen oder ungleich mit Cellulose angereicherte Massen führen zu Fadenabrissen, weswegen besondere Sorgfalt auf die Vermeidung dieser beiden bestimmenden Parameter gelegt werden muß. Das führt zu besonderen Ausführungen der Vorrichtungen. Anforderungen an die Umgebungsbedingungen und ein in engen Grenzen durchzuführendes, somit empfindliches Spinnverfahren.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von feinen Fäden aus Lösungen von Polymeren zu schaffen, die im Wesentlichen endlos sind, nicht durch sie ausziehende Gasströme thermisch geschädigt werden, einen geringen Energieaufwand benötigen und durch ein in seinem Aufbau einfaches Spinnwerkzeug hergestellt werden können.
In dem deutschen Patent DE 199 29 709 C2 wird ein Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, wonach im Wesentlichen endlose Fäden aus Polymerschmelzen hergestellt werden. Die schmelzflüssigen Polymerfäden treten aus Spinnbohrungen, die in einer oder mehreren parallelen Reihen oder Ringen angeordnet werden, in eine mit Gas, in der Regel mit Luft gefüllte, von der Umgebung getrennte Kammer bestimmten Druckes ein und gelangen in ein Gebiet rascher Beschleunigung dieses Gases am Austritt aus der Kammer, wobei dieser als Lavaldüse ausgeführt ist.
Die auf dem Wege dorthin auf den jeweiligen Faden durch Schubspannung übertragenen Kräfte nehmen zu, sein Durchmesser verringert sich stark und der Druck in seinem noch flüssigen Inneren steigt umgekehrt proportional zu seinem Radius durch die Wirkung der Oberflächenspannung entsprechend stark an. Durch die Beschleunigung des Gases sinkt in strömungsmechanischer Gesetzmäßigkeit dessen Druck. Dabei sind die Bedingungen der Temperatur der Spinnmasse, der Gasströmung und seiner raschen Beschleunigung so aufeinander abgestimmt, daß der Faden vor seiner Erstarrung einen hydrostatischen Druck in seinem Inneren erreicht, der größer ist als der umgebende Gasdruck, so daß der Faden platzt und sich in eine Vielzahl feiner Fäden nebeneinander aufteilt. Durch einen Spalt unten in der Kammer verlassen Fäden und Luft diese. Das Aufplatzen geschieht im oder nach dem Spalt und unter sonst unveränderten Bedingungen überraschend stabil ortsfest an einem bestimmten Punkt. Im Bereich der starken Beschleunigung verlaufen Gasund Fadenströmung parallel, wobei die Strömungsgrenzschicht um die Fäden laminar ist. Es gelingt eine fortgesetzte Aufspleißung des ursprünglichen Fadenmonofils ohne Perlenbildung und Abrisse. Aus einem Monofil entsteht ein Multifil sehr viel feinerer Fäden unter Verwendung einer Gasströmung von Umgebungstemperatur oder etwas darüber liegender Temperatur.
Die Fäden können nach dem Aufspleißpunkt weiter verzogen werden bis sie erstarrt sind. Dieses geschieht wegen der plötzlich geschaffenen größeren Fadenfläche sehr rasch. Die Fäden sind endlos. Es kann in untergeordnetem Maße durch technische Störeinflüsse zu endlich langen Fäden kommen, weit überwiegend sind aber die endlosen feinen Einzelfilamente.
Die verwendeten Spinnmassen in der DE 199 29 709 sind schmelzbare Polymere. Diese gibt es synthetischen oder natürlichen Ursprungs. Unter den auf natürlichen Rohstoffen basierenden Fasern sind besonders die des nachwachsenden Rohstoffes Cellulose von Interesse.
Es hat sich gezeigt, daß man diese Verfahren der Spleißfäden auch auf Lyocell-Spinnmassen anwenden kann, indem Cellulose in N-Methylmorpholin-N-oxid und Wasser gelöst und durch Spinnbohrungen zu Fäden ausgepreßt wird. Auch andere Lösungsmittel können benutzt werden, wobei aber NMMO sich als das bisher,geeignetste erwiesen hat. Die als Lösung vorliegende Spinnmasse wird, wie oben beschrieben, ausgesponnen und die Fäden durchlaufen den durch die Lavaldüse vorgegebenen Luftspalt, in dem sie zu dünneren Durchmessern verzogen werden, und gelangen anschließend in ein Wasserbad, in dem die Cellulose zum Faden koaguliert und das Lösungsmittel in das Wasserbad gelangt, welches wegen der ständigen Anreicherung erneuert und das Lösungsmitel zurückgenommen wird.
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß die begleitende Gas-, in der Regel Luftströmung die flüssigen Lösungsmassenfäden kurz nach ihrem Austritt aus der Spinnbohrung begleiten und durch Schubspannung verziehen. Dadurch erhalten sie eine Orientierung und eine Abkühlung, was beides zu zunehmender Festigkeit und Verringerung der so schädlichen Abrisse, sogar bis zu ihrer vollkommenen Verhinderung führt. Durch die Vermischung der Gasströmung mit der umgebenden Atmosphäre, meistens auch Luft, verzögert sich zwar die Gasströmung und die Fäden unterliegen nicht mehr der anfänglichen Spannung durch die höhere Geschwindigkeit derselben, bleiben aber endlos und werden selbst bei Abrissen durch die Luftströmung fortgetragen. Noch sind es die Fäden der anfänglichen Lösungsmasse, wenn man nicht bereits durch Einblasung von z.B. Dampf oder Wasser mit dem Ausfällen der Cellulose beginnt. Diese Fäden können auf einem Siebband abgelegt und von der begleitenden Gasströmung, wie bei Spinnvliesverfahren bekannt, abgetrennt werden, wobei das Gas (Luft) das Siebband durchtritt und unterhalb desselben abgesaugt wird und die Fäden zum Vlies abgelegt nunmehr erst dem Fällbad zugeführt werden. Eine sonst beim Spinnen von Lyocellfäden sehr genaue Einhaltung beginnend mit feinen Kapillardurchmessern für die Spinnbohrung, sich anschließendem Luftspalt und seiner Temperatur und Erneuerung sowie die Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Schmelze möglichst frei von ungelösten Teilen, die nur in wenigen ppm zugelassen werden, entfällt durch die zwangsweise Führung der Fäden durch die ausziehende Luftströmung. Der Fadenbildungs- und Ablegeraum ist gut zugänglich, weil Abstände von durchaus 1 und 2 m zwischen Düsenaustritt und Auffangband verwirklichbar sind.
Statt die Fäden aus der Lösungsmasse zu einem Vlies abzulegen und sie anschließend in ein Fällbad zu bringen, kann man in gleicher Weise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Fäden ausspinnen und trennt sie von der begleitenden Gasströmung, indem man diese seitlich absaugt in Vorrichtung ähnlich wie im Deutschen Patent 42 36 514 vorgesehen. Die einzelnen Fäden oder auch mehrere als Garne werden dann zur Koagulation der Cellulose Fälleinrichtungen zugeführt und auf Spulen aufgewickelt.
Im Gegensatz zur Herstellung von Feinstfäden aus synthetischen Polymeren wie Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, Polyester und anderen ist das Aufspleißen des Lösungsmassenstrahles zur Erzeugung feiner und feinster Fäden nur bedingt erforderlich. Wie zuvor bemerkt, entstehen nach Entfernung des Lösungsmittels durch Koagulation entsprechend des eingesetzten Cellulosegehalts in der Lösungsmasse bereits bei gut 10%, also der bei Spinnverfahren für Lyocellfäden durchaus üblichen Konzentration, Fäden im Bereich von unter 10 µm im Durchmesser ohne Aufspleißen, und es zeigte sich, daß nur im untergeordneten Maße, auch wegen dem besonderen, von synthetischen Polymeren sich sehr unterscheidenden Viskositätsverhalten der NMMO-Cellulose-Lösungen das Spleißen zu mehreren Fäden nebeneinander nur in untergeordnetem Maße und bei tieferen Cellulosegehalten der Spinnmasse möglich ist. Während bei den synthetischen Polymeren eine Temperaturerhöhung ausreicht, damit durch die Wirkung der Oberflächenspannung durch die Erhöhung des Innendrucks im Faden dieser zerplatzt und in einzelne Fäden aufspleißt, kommt man bei Lyocell rasch an die Schädigung dieser empfindlichen Massen bei Temperaturen deutlich über 100°C und es mangelt den Fäden später an Festigkeit und sonstigen gewünschten Eigenschaften.
Dagegen hat sich gezeigt, daß andere natürliche Polymere entsprechend dem Verfahren nach DE 199 29 709 und dem hier vorliegenden zu im Wesentlichen endlose Fäden verarbeitet werden können. Sie verhalten sich wie die synthetischen Polymere hinsichtlich des Aufspleißens oder mehr wie die cellulosischen Massen für Lyocellfäden je nach Typ.
Ein anderes zu Fäden verspinnbares Polymer auf natürlicher Basis ist Polylactid PLA (Polymilchsäure), welches auf der Basis von Stärke, z.B. Getreide- oder Maisstärke, aber auch aus Molke oder Zucker gewonnen wird. Werkstoffe aus PLA haben die besondere Eigenschaft, daß sie biologisch abbaubar sind, wobei das Abbauen, d.h. das Zerfallen in CO2 und H2O auch für bestimmte zeitliche Dauer eingestellt werden kann, und daß sie körperfreundlich sind. Auch hier gelingt es mit dem Spleißspinnverfahren sehr feine Fäden herzustellen, wie sie sonst nur mit den Nachteilen des Melt-blown-Verfahrens - große Luftmengen müssen auf mindestens Schmelzetemperatur erhöht werden, wobei die Polymere meistens geschädigt werden - gewonnen werden können.
Ein weiteres Ziel ist die Steigerung der Wirtschaftlichkeit in der Herstellung der Fäden durch höheren Spinnmassenurchsatz und geringeren spezifischen Luftund damit Energieverbrauch. Es hat sich gezeigt, daß fadenbildende Kunststofflösungen natürlichen oder synthetischen Ursprungs sehr unterschiedlicher Art nicht nur zu Fäden verformt werden können, indem sie aus runden oder profilierten Einzelöffnungen ausgepreßt und anschließend Gas- bzw. Luftströmungen verzogen werden, sondern daß man Spleißfäden in ganz ähnlicher Weise wie die aus Einzelöffnungen erzeugten Monofile aus Filmen herstellen kann. Dazu wird die Spinnmasse aus einer langgestreckten schlitzförmigen Düse, wie oben erwähnt, in eine von der Umgebung getrennte Kammer bestimmten Drucks, der Gas, z.B. Luft, zugeführt wird, ausgepreßt, wobei der Film in ein Gebiet rascher Beschleunigung des Gases am Austritt aus der Kammer in einen Längsspalt gelangt. Unterhalb der Beschleunigungszone, d.h. in der Entspannungszone spleißt der Film auf und es ergeben sich dann Haufwerke von im Wesentlichen endlosen Fäden, allerdings im Gegensatz zu den aus Monofilen gespleißten, solche von sehr unterschiedlichem Durchmesser und knötchenförmigen Verdickungen. Diese entstehen im noch schmelzflüssigen Zustand der Spinnstoffe und können in gewissen Grenzen durch die Hauptverfahrensparameter Schmelzetemperatur, Schmelzedurchsatz und ausziehende Gase - meistens Luftströme - in gewissen Grenzen eingestellt werden. Einzelfäden, die sich dann auch aufwickeln lassen, können so durch das Spleißen von Filmen nicht hergestellt werden, wohl aber Vliese. Diese Spinnvliese aus regellos abgelegten Einzelfäden unterschiedlichen Fadendurchmessern können Vorteile haben und gleichen eher Naturstoffen, bei denen auch ein größeres Spektrum unterschiedlicher, sie zusammensetzender einzelner Elemente, hier also Fasern und Fäden, vorkommt wie bei Leder und Holz, deren unterschiedliche Einzelfasern ihre besonderen und meist vorteilhaften Eigenschaften ausmachen.
Bei beiden Vorgängen, Aufspleißen eines Monofils oder eines Filmes, ist die Temperatur der Spinnmasse von größtem Einfluß, weil sie Viskosität und damit Fadenbildungsvermögen und Oberflächenspannung und damit Druckbildung im Monofil und im Film bestimmen. Eine zu frühe Abkühlung des Fadens ist deshalb nicht erwünscht, im Gegenteil kann eine Erhöhung der Temperatur kurz nach dem Austritt aus der Spinnöffnung von Vorteil sein. Der Mechanismus des Aufspleißens ist beim Monofil und beim Film ähnlich, aber nicht gleich. Bei Monofilen kommt es zum Aufplatzen, wenn der Druck im Inneren größer ist als der in der umgebenden Gasströmung. Das geschieht beim Spleißspinnverfahren dadurch, daß der Fadendurchmesser neben dem im Allgemeinen geringen Einfluß der Schwerkraft durch eine begleitende Gasströmung abnimmt, wobei diese. sich ständig beschleunigt und nach den strömungstechnischen Gesetzen der Druck im Gas abnimmt. Durch die Oberflächenspannung wird der Druck im flüssigen Monofil größer. Es kommt zum Aufspleißen in Einzelfäden durch Zerplatzen des Monofils, wenn die Flüssigkeitshaut den Faden nicht mehr zusammenhalten kann. Beim Ausspinnen von Filmen entstehen über die Filmbreite hinweg unterschiedliche Drücke, und zwar sind sie an den Rändern durch die Oberflächenspannung wegen der Krümmung dort höher. Solche Filme sind grundsätzlich instabil, selbst wenn die Gasströmung erfindungsgemäß möglichst lange laminar gehalten wird. Es kommt zu Einfurchungen, Riefenbildungen über die Filmbreite hinweg und zu Durchbrüchen mit Bildung von fadenoder bandförmigen Einzelteilen, auch Ligamente genannt.
Das Gebiet der starken Beschleunigung und Druckabsenkung in der Gasströmung wird nach der Erfindung in Form einer rotationssymmetrischen oder langgestreckten Lavaldüse mit konvergenter Kontur zu einem engsten Querschnitt hin und dann rascher Erweiterung realisiert, letzteres schon damit die nebeneinander laufenden neu gebildeten Einzelfäden nicht an den Wänden anhaften können. Im engsten Querschnitt kann bei entsprechender Wahl des Druckes in der Kammer (bei Luft etwa doppelt so hoch wie der Umgebungsdruck dahinter) Schallgeschwindigkeit und im erweiterten Teil der Lavaldüse Überschallgeschwindigkeit herrschen.
Für die Herstellung von Fadenvliesen (Spinnvliesen) werden Spinndüsen mit in Zeilen angeordneten Spinnbohrungen und in Rechteck- bzw. mit Schlitzform und Lavaldüsen mit Rechteckquerschnitt eingesetzt. Für die Herstellung von Garnen und für besondere Arten der Vliesstoffherstellung können auch Runddüsen mit einer oder mehreren Spinnbohrungen und rotationssymmetrische Lavaldüsen eingesetzt werden.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß auf einfache und sparsame Weise Feinstfäden im Bereich unter 10 µm, beispielsweise zwischen 2 und 5 µm, erzeugt werden können, was beim reinen Verziehen etwa durch das Meltblown-Verfahren nur mit heißen, über den Schmelzpunkt erhitzten Gas(Luft)-strahlen zu Wege gebracht wird und damit erheblich mehr Energie bedarf. Außerdem werden die Fäden in ihrer molekularen Struktur nicht durch Übertemperaturen geschädigt, was zu verringerter Festigkeit führen würde, wodurch sie sich aus einem textilen Verband dann oft herausreiben lassen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Fäden endlos oder quasi endlos sind und aus einem textilen Verband wie einem Vlies nicht herausstehen und sich als Fusseln herauslösen lassen. Die Vorrichtung zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist einfach. Die Spinnbohrungen der Spinndüse ebenso wie die Schlitzdüse können größer und damit weniger störanfällig sein, der Lavaldüsenquerschnitt benötigt in seiner Genauigkeit nicht die engen Toleranzen der seitlichen Luftschlitze des Meltblown-Verfahrens. Bei einem bestimmten Polymer braucht man nur die Lösungstemperatur und den Druck in der Kammer aufeinander abzustimmen und bei gegebenem Durchsatz pro Spinnbohrung und der geometrischen Lage der Spinndüse zur Lavaldüse kommt es zum Aufspleißen. Bei Lyocell verdünnt sich der Lösungsfaden zu dem gewünschten Durchmesser, das Aufspleißen tritt nur sporadisch auf.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist es, den Lösungskegel, rund als Monofil oder keilförmig als Film, vor dem Aufspleißen möglichst wenig abzukühlen und darüber hinaus ihn auf höhere Temperatur zu erwärmen. Dazu sind gegenüber der Gasströmung abgeschirmte Heizungen zu beiden Seiten der Austrittsöffnungen - Bohrungsreihe oder Schlitz - angebracht. Diese Heizungen führen Wärme zum einen im Bereich der Austrittsöffnung an die Spinnmasse von außen heran und geben,ihr dort, wo sie eine höhere Geschwindigkeit und damit höheren Wärmeübergang gestattet, eine Temperaturerhöhung, zum anderen sind die Heizungen von der Art, daß sie durch Strahlung Wärme an den kegel- oder keilförmigen Teil der sich verformenden Spinnmasse übertragen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1
eine schematische Schnittdarstellung eines Teils einer Vorrichtung zur Herstellung von Fäden nach der Erfindung,
Fig. 2
eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel mit Zeilendüse und Spinnbohrungen zur Herstellung von Lyocell-Vliesen aus Mikrofäden,
Fig. 3
ein Foto einer mikroskopischen Aufnahme von PP-Spleißfäden, hergestellt nach Beispiel 3 durch Aufplatzen eines Schmelzefilms, und
Fig. 4
ein Foto von PP-Spleißfäden unter Bedingungen entsprechend Fig. 3, hergestellt durch Aufspleißen von Monofilen.
In Fig. 1 ist ein Schnitt durch den unteren Teil einer Spinndüse 1 und eine zugeordnete Lavaldüse dargestellt, wobei dieser Schnitt sowohl für eine rotatinssymmetrische Spinndüse, die einen Faden oder ein Monofil ausspinnt, und eine rotationssymmetrische Lavaldüse, als auch für eine schlitz- oder rechteckförmige Spinndüse, die einen Film ausspinnt, und entsprechend rechteckförmiger Lavaldüse gilt. Es kann auch eine Spinndüse mit mehreren in Reihe angeordneten Spinnbohrungen mit entsprechender langgestreckter Lavaldüse vorgesehen sein. Unterhalb der Spinndüse 1 befindet sich eine Platte 11, 11' mit einem Spalt 12', der von der Spinndüse aus gesehen konvergent und dann leicht divergent ausgebildet ist und sich am unteren Rand der Platte 11, 11' stark erweitert, wodurch die Lavaldüse gebildet wird. Die Spinndüse bzw. die Spinnbohrungen der Spinndüsen enden kurz über der Lavaldüse oder in der oberen Ebene der Platte 11, 11', gegebenenfalls kann die Spinndüse 1 auch leicht in die Öffnung 12 hineinragen.
Zwischen Spinndüse 1 und Platte 11, 11' liegt ein abgeschlossener Raum, dem entsprechend den Pfeilen 6, 6' beispielsweise von einem Kompressor Gas zugeführt wird. Das Gas, das Luft sein kann, hat üblicherweise Umgebungstemperatur, kann aber auch aufgrund der Kompressionswärme von dem Kompressor eine etwas höhere Temperatur, beispielsweise 70° bis 80° aufweisen. Die Spinndüse 1 ist von einer Isolieranordnung 8, 8' umgeben, die zur Abschirmung der auf Spinntemperatur geheizten Spinndüse gegen Wärmeverluste dient, wobei vorteilhaft auch ein Luftspalt 9 zwischen Spinndüse 1 und Isolieranordnung 8, 8' vorgesehen ist. Die Spinndüse 1 weist eine Austrittsöffnung 4 auf, in deren Bereich eine Heizung 10, 10' angebracht ist, die im Ausführungsbeispiel als Flachheizband ausgebildet ist und die in vorteilhafter Weise gegen die Isolieranordnung 8, 8' zur Vermeidung von Wärmeverlusten durch Teile 13 und 13' isoliert ist. Der Raum unterhalb der Platte 11, 11' weist üblicherweise Umgebungsdruck, d.h. Atmosphärendruck auf, während das Gas im Raum zwischen Spinndüse 1 und Platte 11, 11' unter einem erhöhten Druck steht. Bei direkt anschließender Weiterverarbeitung zu Vlies, Garnen oder anderen Fadenstrukturen kann der Raum unterhalb der Platte 11, 11' einen gegenüber Umgebungsdruck etwas erhöhten Druck haben, beispielsweise um einige Millibar, der für die Weiterverarbeitung, wie Vlieslegung oder anderen Fadensammelvorrichtungen benötigt wird.
Eine Polymerlösung 2, also z.B. Lyocell, strömt längs des eingezeichneten Pfeils 3 der Ausströmöffnung 4 der Düse 1 entgegen. Es bildet sich ein Faden 5 oder ein Film, der sich in seinem weiteren Verlauf aufgrund der Gasströmung, die längs der eingezeichneten Pfeile 6, 6' seitlich von oben her kommend zwischen der Kontur der Flächen der Platte 11, 11' und der Außenflächen 7, 7' der Isolieranordnung 8, 8' verläuft, im Durchmesser bzw. in der Breite verringert. Die Heizung 10, 10' beheizt von außen die Kapillare der Austrittsöffnung 4 und kann mit ihrem unteren Teil durch entsprechende Verlängerung im Wesentlichen durch Strahlung die an ihr vorbeifließende Spinnmasse aufheizen. Der Faden 5 bzw. der Film gelangt in die durch die Teile 11, 11' der Platte gebildete Einschnürung 12' des Strömungsquerschnittes für die Gasströmung 6, 6' nach Art der Lavaldüse mit dem engsten Querschnitt bei 12. Bis dahin nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Gases ständig zu und in dem engsten Querschnitt 12 kann Schallgeschwindigkeit herrschen, wenn das kritische Druckverhältnis etwa im Ruhezustand des Gases p1 in der Kammer oberhalb der Platte 11, 11' zum Druck in der engsten Stelle pe überschritten wird. Durch die Erweiterung der Lavaldüse zum Raum mit dem Druck p2 unterhalb der Platte 11, 11' hin können bei überkritischen Druckverhältnissen auch Überschallgeschwindigkeiten entstehen. Im Allgemeinen erweitert sich die Lavaldüse sehr stark gleich nach dem engsten Querschnitt 12 oder kurz danach, um ein Anhaften der Fäden durch die in diesem Bereich beginnende Aufspleißung kurz unterhalb der Lavaldüse an der Platte 11, 11' zu vermeiden.
Im dargestellten Beispiel platzt der Faden 5 oder spleißt auf, wenn der Fadenmantel den Lösungsfaden gegen den mit der Fadeneinschnürung gewachsenen Innendruck nicht mehr zusammenhalten kann. Das Monofil teilt sich dann in einzelne Fäden auf, die sich aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen Lösung und kaltem Gas bzw. Luft und der plötzlich stark ange-. wachsenen Oberfläche der Einzelfäden, bezogen auf die Fadenmasse, rasch abkühlen. Es ist somit eine bestimmte Anzahl von sehr feinen, im Wesentlichen endlosen Einzelfäden entstanden. Bei einer Lyocelllösung tritt das Phänomen des Aufspleißens häufig nicht oder nur hier und da auf, d.h. in Fig. 1 würde der sich ausspinnende Faden fortsetzen. Der Faden wird durch die laminare Gasströmung stetig wachsender Geschwindigkeit verzogen, so daß es schlußendlich zu feinen Fäden wegen des um oder unter 10% liegenden Celluloseanteils kommt.
Auch der Lösungsfilm reißt kurz unterhalb der Lavaldüse auf, wobei die Druckverhältnisse im Film vor dem Aufspleißen unterschiedlich über die Breite hinweg sind und der Film instabil wird. Kurz vor dem Aufspleißen kommt es zu Einfurchungen und Riefen über die Filmbreite und dann zu Durchbrüchen von Fäden mit kleinen, aber größeren Durchmessern.
Aus der Natur derartiger Aufplatzvorgänge folgt, daß die Zahl der entstehenden Fäden nach dem Aufspleißpunkt, der noch in der Lavaldüse oder beispielsweise 5 bis 25 mm unter der engsten Stelle der Lavaldüse liegen kann, nicht gleichbleibend sein kann. Wegen der kurzen Wegstrecke, die Faden bzw. Film und Gas miteinander bis zum Aufspleißpunkt bzw. bis zum endgültigen Verzug des Fadens zurücklegen, ist die Strömungsgrenzschicht um den Faden laminar. Auch wird die Luft von den Zuleitungen her möglichst laminar an das Gebiet der Aufspleißung herangeführt. Das hat den Vorteil der geringeren Strömungsverluste, aber auch einen zeitlichen gleichmäßigeren Verlauf des Aufspleißens. Die beschleunigte Strömung, wie sie in dem Querschnitt der Lavaldüse vorliegt, bleibt laminar und kann sich sogar laminarisieren, wenn vorher eine gewisse Turbulenz vorherrschte.
Fig. 2 zeigt die perspektivische Ansicht einer Anlage für das erfindungsgemäße Verfahren, bei der eine Lyocellmasse 130 einer Vorrichtung 30 zugeführt wird und daraus ein Vlies 20 gewonnen wird. Die Vorrichtung 30 zur Herstellung von im Wesentlichen endlosen Fäden entspricht der Anordnung nach Fig. 1, wobei mehrere Spinndüsen bzw. Spinnbohrungen entsprechend Fig. 1 in Reihe angeordnet sind und die Lavaldüse langgestreckt bzw. in Rechteckform ausgebildet ist. Aus den einzelnen Spinnbohrungen treten Fadenmonofile aus, verjüngen sich durch die Schubkräfte der Gasströmung und spleißen gegebenenfalls, bei Lyocell jedoch weniger, im unteren Teil des Spaltes der nicht dargestellten Lavaldüse oder etwas darunter zu mehreren Fäden auf. Bei Lyocell werden im Wesentlichen Einzelfäden ausgesponnen.
Die sie begleitende Luftströmung führt sie einem Auffangband 50 entgegen, wo die Fäden noch im Trockenen abgelegt werden. Das ist bei dem vorliegenden Verfahren möglich und hat große Vorteile gegenüber Lyocellverfahren, in denen die Fäden gleich nach einem kurzen Luftspalt von wenigen cm in das Fällbad, meist aus Wasser, eingeführt werden. Unterhalb der Ablagestrecke im Trockenen befindet sich eine Absaugung, dargestellt durch den Kasten 60 wie bei Spinnvliesverfahren üblich, so daß die begleitende Luft durch nicht gezeigte Absaugeinrichtungen abgeführt wird. Um eine Einführung unterhalb des Spiegels des Fällbades 70, ohne daß sich die Fäden vom Siebband ablösen, durchzuführen, kann hier auch Fällbadflüssigkeit, überwiegend Wasser, an dieser Stelle durch das Siebband durchgesaugt werden, im einzelnen nicht gezeigt, oder es ist eine Walze 89 mit oder ohne Berührung der Wasseroberfläche vorhanden, die das Vlies in das Fällbad 70 drückt. Während das Auffangband 50 zurückgeführt wird, läuft das Vlies 20 zu seiner weiteren Bearbeitung beispielsweise durch Kalandrieren, Trocknen und Weiterem wie Wasserstrahlverfestigung.
Die Luft kann zum Teil bereits vorher längs der Pfeile 120, 120' abgeführt werden; dabei weisen die Kästen 110, 110' den Fäden zugekehrte, nicht gezeigte luftdurchlässige Flächen auf.
Derartige Absaugungen seitlich zur Fadenschar können in besonderer Weise Anwendung finden, wenn die Fäden nicht zu einem Vlies, sondern zu einem Endlosgarn verarbeitet werden sollen, was auf Rollen gewickelt oder Stapelfasern zerschnitten werden soll, jeweils nachdem vorher Lösungsmittel und Cellulosemasse durch Koagulation voneinander getrennt worden sind.
Es ist eine besondere Eigenart des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß die Fäden nach ihrem Austritt aus den Spinnbohrungen und gegebenenfalls nach ihrem Spleißen Schubspannungen durch die im Wesentlichen parallel zu ihnen verlaufende Gas-, meist Luftströmung erfahren. Damit unterscheidet es sich von den sonst zum Spinnen aufgebrachten Kräften durch Wickel- oder sonstwie geartete Abzugsvorrichtungen. Die Spinnlösung aus den Spinnbohrungen hält nur geringe Zugkräfte aus und es ist mit Verfahren nach dem Stand der Technik deshalb nicht möglich, sehr feine Fäden zu erzeugen, denn nur im Luftspalt zwischen Düsenaustritt und Koagulationsbad läßt sich die Spinnmasse zu einem Faden geringeren Durchmessers ausziehen, danach nicht mehr. Nach dem vorliegenden Verfahren sind die zur Verformung nötigen Kräfte Schubspannungskräfte (neben der sehr geringen Wirkung der Schwerkraft), die den Faden nicht als Zugkräfte über den Fadenquerschnitt beanspruchen, wodurch ein Abreißen kaum vorkommt.
Die Koagulation des gelösten Fadenpolymers, hier Cellulose für Lyocellfäden, in einem Lösungsmittel, hier NMMO, kann bereits zwischen Spinnvorrichtung 30 und Ablagefläche 51 eingeleitet wird, indem Wassernebel oder Dampf gegen die Fadenschar seitlich eingeblasen werden, also dort etwa, wo die zuvor beschriebenen Absaugkästen für Luft 110, 110' angebracht sind und somit genau in umgekehrter Weise zur abgeführten Luft nun feuchte Luft oder Dampf in die Fadenschar eingebracht werden. Das bewirkt, daß die Fäden an ihrem Äußeren bereits vor der Anlage im Celluloseanteil angereichert sind und eine Bindung untereinander nicht so stark ist, als wenn sie ohne dergleichen zu einem Vlies abgelegt werden. Das Vlies wird dann in ein Fällbad eingeführt, wobei es anschließend nur noch durch Preßwalzen oder zwischen einer Trommel, auch beheizt, und dem Siebband zu einer Selbstbindung kommt. Denn die erzeugten Lyocellfäden sind weich und haften bereits aneinander, wenn man sie unter nur geringem Druck miteinander verbindet. Diese autogene Verbindung ist ein weiterer besonderer Vorteil bei der Herstellung von Vliesen aus Lyocellfäden. Ist die Koagulation bereits eingeleitet, so ist die Bindung nicht so stark und man erhält weichere Vliese mit textilem Griff gegenüber den vorher nicht besprühten, nur durch das Fällbad gezogenen Vliesen, die kompakter sind und einen härteren, papierenen Griff haben.
Es versteht sich, daß sich nach dem in Fig. 2 gezeigten Trog noch weitere Stufen der Koagulation bzw. Auswaschung des Lösungsmittels anschließen können. Hierzu können auch Siebtrommelwaschmaschinen eingesetzt werden, wie sie in der Textilindustrie genutzt werden, wobei das Vlies die Siebtrommel in einem bestimmten Umfangssegment umschlingt und das Wasser durch das Vlies und den perforierten Trommelmantel axial entzogen und dem Bad bzw. der Trennung von Wasser und Lössungsmittel, beispielsweise NMMO, wieder zugeführt werden. Anschließend muß das Vlies getrocknet werden, wozu Siebtrommeltrockner benutzt werden können. Da hier im Allgemeinen ein starkes Schrumpfen der Lyocellfäden auftritt, kann das Vlies zwischen einer von Warmluft durchströmten Saugtrommel und einem diese umschlingendes mit gleicher Geschwindigkeit bewegten Siebband geführt werden.
Beispiel 1
Über eine Schneckenpresse (Extruder) wurde eine Lösung von 13% Cellulose in einer wässrigen NMMO-Lösung von 75% und 12% Wasser einer Spinnvorrichtung aus einer Spinndüse mit einem Loch und einer runden Lavaldüse zugeführt, wobei die einzelne Spinnbohrung einen Durchmesser von 0,5 mm hatte. Im industriellen Maßstab wird die Lösung hergestellt und direkt über sie fördernde Pumpen dosierend der Spinnvorrichtung zugeführt. Die Temperatur der Lyocell-Spinnmasse am Extruderaustritt betrug 94°C. Am unteren Teil der konischen Düsenspitze war eine elektrische Widerstandsheizung angebracht, zu deren Beheizung mit einer Leistung zwischen 50 und 300 W. Die Fadenausziehung geschah durch Luft mit Raumtemperatur von etwa 22°C, der Druck, gemessen vor der Beschleunigung in der Lavaldüse, wurde zwischen 0,05 und 3 bar über Atmosphärendruck eingestellt. Der Austritt der Lyocellmasse aus der Düsenspitze wurde nur etwas variiert und lag 1 bis 2 mm oberhalb der Ebene, wo die Lavaldüse sich einschnürt, bei weiteren Einstellungen genau in dieser Ebene oder auch 1 bis 2 mm darunter, also weiter stromab. Die Lavaldüse hatte eine Weite im engsten Querschnitt von 4 mm und eine Gesamtlänge, gemessen von der Ebene, wo ihre Einschnürung beginnt, bis zur starken Erweiterung kurz nach dem engsten Querschnitt, von 10 mm.
Tabelle 1 zeigt die Einstellungen 1 - 11. Man erkennt den besonderen Einfluß der Heizung 10 der Düsenspitze, wodurch die Spinnmasse kurz vor ihrem Austritt aus der Spinnbohrung eine erhöhte Temperatur erhielt, und zwar deutlich über ihre ursprüngliche Temperatur von 94°C hinaus. Nur zum Teil waren die Fäden gespleißt, bei einzelnen Einstellungen, insbesondere mit geringerem Luftdruck und niedrigerer Temperatur im Wesentlichen nicht. Davon überzeugt man sich, indem man die Fadengeschwindigkeit, errechnet aus dem gemessenen Durchsatz der Spinnmasse und dem mittleren Endfadendurchmesser, korrigiert um die Durchmesserverringerung durch die Lösungsmittelentfernung mit der höchsten auftretenden Luftgeschwindigkeit, d.h. der im Lavaldüsenspalt (wenn keine Überschallgeschwindigkeit danach auftritt) vergleicht. Ist diese höher, so können die Fäden gespleißt sein - je mehr sich die Geschwindigkeiten unterscheiden. Ist sie kleiner als diese rechnerische mittlere Fadengeschwindigkeit, so sind sie in der Mehrheit nicht gespleißt, sind beide etwa gleich groß, so sind einige gespleißt, einige nicht, denn alles gilt jeweils im Mittel. Die Beobachtung ist allgemein, daß Lyocellfäden weniger zum Spleißen neigen wie eingangs im Vergleich zu den synthetischen Polymeren wie Polypropylen bereits bemerkt.
Selbst bei großen Durchsätzen pro Spinnbohrung über 4 g/min konnten Fäden um und unter 10 µm erzeugt werden. Ein höherer Luftdruck p1 führt in gewissen Grenzen zu feineren Fäden bis die Düsenspitze durch verstärkte Wärmeabgabe an den Luftstrom sich stärker abkühlte und auch das Spleißen schwieriger vonstatten ging. Man kann den Einfluß der erhöhten Luftgeschwindigkeit durch erhöhten Luftdruck vor der Lavaldüse teilweise ausgleichen durch erhöhte Temperatur an der Düsenspitze. Hinzu kommt eine Einflußnahme durch die Stellung der Düsenspitze zur Lavaldüse. Auch hierbei sind die beiden Haupteinflußgrößen Temperatur der Spinnmasse und Scherwirkung der Luftströmung für das Spleißen maßgebend.
Nr. Mo
g/min		 p1
mbar		 Ph
W		 d50
µm		 CV
%
1 3,4 80 79 26,2 26
2 3,4 150 97 24,9 20
3 3,4 150 116 19,0 24
4 3,4 150 130 13,2 29
5 3,4 200 130 12,0 17
6 3,4 100 130 10,1 64
7 11,1 400 370 24,4 47
8 6,65 1000 370 13,4 38
9 3,68 1500 276 11,1 36
10 2,33 1500 280 8,3 33
11 4,57 3000 208 9,1 54
Beispiel 2
In einer Vorrichtung wie der in Beispiel 1 wurde eine Lösung von 8% Cellulose in 78% NMMO und restlichem Wasser von 14% aus Spinnbohrungen mit einem Durchmesser von 0,6 mm versponnen. Die Temperatur der Lösung am Extruderaustritt betrug 115°C und im Verteilungsraum der Lösung zu insgesamt zwanzig Spinnbohrungen 114°C. Die Heizleistung der Heizung beiderseits der Düsenspitze betrug 450 W. Der Durchsatz pro Spinnbohrung betrug 3,6 g/min.
Es ergaben sich folgende Fadendurchmesser der im Wesentlichen endlosen Lyocellfäden in Abhängigkeit vom Druck der unaufgewärmten Luft:
Nr. P1
mbar		 d50
µm		 dmin
µm		 dmax
µm		 CV
%		 uLe
m/s		 uF50
m/s
5 160 8,5 2,8 21,1 59 156 67
7 200 8,0 3,7 14,7 39 173 78
9 250 9,7 2,7 16,3 39 192 52
11 300 9,2 5,1 18,4 43 209 61
Trotz wachsendem Luftdruck p1, gemessen vor der Lavaldüse, werden die Fäden ab p1=200 mbar wieder dikker, was auf eine raschere Abkühlung durch die höhere Luftströmung zurückzuführen ist.
Aufgeführt sind auch die Geschwindigkeit der Luft im engsten Querschnitt der Lavaldüse uLe und die Geschwindigkeit uF50, die ein Lyocellfaden vor Eintritt in das Fällbad mit späterem mittleren Durchmesser d50 hätte. Ist diese größer als uLe, so kann ein Aufspleißen vorliegen. Dazu müßten sich die Werte aber sehr deutlich unterscheiden, da ein feinerer Durchmesser als er rechnerisch der maximalen Luftgeschwindigkeit während des Spinnvorgangs entspricht, also der im engsten Spalt der Lavaldüse, auch durch seitliches Abschälen vom Hauptstrom oder verarmter Cellulosekonzentration an dieser Stelle entstanden sein kann.
Durch eine Erhöhung der Temperatur der Lösung vor Austritt aus der Spinnbohrung läßt sich der Fadendurchmesser weiter verringern, allerdings sind hierbei der Temperatur Grenzen gesetzt, weil sich die Lösung zersetzt, so daß möglichst kurze Verweilzeiten unter erhöhter Temperatur durch etnsprechende Gestaltung der Schmelzeräume im unteren Spinndüsenteil gewählt werden. Bei einer Temperatur dort von 123°C statt der vorherigen 114°C erhöhte sich der Anteil einzelner Fäden mit uF>uLe in einer Einstellung im übrigen etwa wie Nr. 7 in Tabelle 2.
Die Düsenbohrungen dieser Längsdüse (20 Bohrungen in einer Reihe) ragten 2 mm in die Lavaldüse in Strömungsrichtung hinein. Es verbleiben 3 mm weiterhin sich einschnürender Strecke bis zum engsten Querschnitt der Lavaldüse. Somit bestand beiderseits der Fadenschar ein sich verengender Spalt. Dadurch entsteht eine stetig beschleunigte Gasströmung auf sehr kurzer Laufstrecke von der Zuströmung bis zum engsten Querschnitt der Lavaldüse. Im Bereich der Fadenbildung nach seinem Austritt aus der Spinnbohrung herrscht laminare Strömung. Selbst bei kleinen Störungen bewirkt eine so starke Einschnürung und damit Strömungsbeschleunigung eine Relaminarisierung wie man sie in Düsenströmungen kennt, mit dem Effekt, daß der Faden, langsam aus der Spinnbohrung austretend, unter stetig wachsender Gas-(Luft-)strömung uL verzogen wird und ebenfalls in seiner Geschwindigkeit uF stetig zunimmt. Schwankende Strömungsimpulse turbulenter Art würden diesen Vorgang stören und es käme wie bei anderen bekannt gewordenen Verfahren zum Auftrennen des Spinnmassefadens (z.B. aus einer Lyocelllösung) und die Fäden wären nicht mehr im Wesentlichen endlos. Die Verformung auf Lauflängen von wenigen mm bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geschieht zudem bei hohen, bis im engsten Querschnitt zunehmenden Schubspannungen - ein Grund für im Wesentlichen abrißfreie Fadenbildung, denn die Geschwindigkeit uL(x) hat ihr Maximum = engste Querschnitt Lavaldüse unterhalb, nicht neben dem Massenaustritt.
Durch Einstellung bestimmter Werte für den Durchsatz der Spinnmasse, ihrer Temperatur und der Luftgeschwindigkeit im ebenen Spalt bei Längsdüsen oder im Ringspalt bei Runddüsen kann man, wie die Beispiele 1 und 2 zeigen, den Durchmesser der im Wesentlichen endlosen Fäden steuern. Der Durchsatz pro Spinnbohrung ist wie in allen genannten Fällen höher als bei bekannt gewordenen Meltblown-Verfahren für Lyocell. Der Grund sind die hohen Schubspannungen durch die stark beschleunigte Strömung, nämlich eine Anlaufströmung, mit sehr dünnen Grenzschichten am Faden.
Beispiel 3
In einer Spinnvorrichtung, ähnlich der in Fig. 1 gezeigten, wurde eine Polypropylenschmelze mit einer Temperatur von 355°C aus einem Schlitz von 0,9 mm Breite und 20 mm Länge aus einer unten als Steg endenden Spinndüse als Film ausgesponnen. Als Verstrekkungsgas für den Film diente Luft. Bei einem Durchsatz von 11,5 g/min und einem Druck der Luft von Raumtemperatur von 20°C und 250 mbar ergaben sich Fäden mit mittlerem Durchmesser von 5,2 µm mit einer Streuung von s = 1,9 µm, entsprechend einem Variationskoeffizient von CV = 37%. Dabei wurden die dicken Verknotungsstellen im Vlies nicht mitgemessen. Das erzeugte Vlies ist in Fig. 3 dargestellt, das das Foto einer mikroskopischen Aufnahme der PP-Spleißfäden nach Beispiel 2 zeigt. In Fig. 4 sind zum Vergleich Polypropylen-Spleißfäden dargestellt, die unter sonst gleichen Bedingungen aus einer runden Spinnbohrung mit einem Durchmesser von 1 mm bei einem Durchsatz pro Bohrung von 3,6 g/min ausgesponnen wurden. Die Fäden in Fig. 4 hatten einen mittleren Durchmesser von 8,6 mm, ihr Variationskoeffizient betrug 48%.
Die vorliegende Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Vorrichtungen kann auch auf andere lösungsmittelgesponnene Fadenpolymere angewendet werden, beispielsweise auch auf herkömmliche Viskoseoder Rayon-Fäden sowie deren Weiterverarbeitung zu Vliesen oder Garnen. Neben den genannten Besonderheiten der Spinnsicherheit ist weiter hervor zu heben, daß die Vorrichtung einfach, der Energieverbrauch verglichen mit Meltblown-Verfahren sehr viel geringer ist und überraschend große Durchmesser für Spinnbohrungen und Schlitze angewendet werden können durch den hohen Verzug durch die Schubkräfte bei Geschwindigkeiten bis zu Schallgeschwindigkeiten und auch darüber vermittels ihrer Erzeugung in einer Lavaldüse. Damit sind Verunreinigungen in der Spinnmasse nicht mehr so kritisch im Hinblick auf Fadenabrisse. Bei Lyocellfäden können höhere Anteile von Hemicellulose zu Fäden verarbeitet werden, und auch der Polymerisationsgrad der Cellulose (DP) kann geringer sein, womit in der Regel die Rohstoffe billiger werden, weil eben keine hohen Zugkräfte auf die Lyocellfäden in ihrem Entstehungszustand als feine Fäden aus der Lösemasse ausgeübt werden. Daß grundsätzlich nur kalte Luft oder Luft mit Abfallwärme aus der Luftverdüsung verwendet wird, trägt bei Lyocell, besonders aber bei mit höherer Temperatur zu spinnenden Lösungspolymeren sehr zur Energieeinsparung des Verfahrens bei.

Claims (19)

  1. Verfahren zur Herstellung von im Wesentlichen endlosen feinen Fäden aus einer Spinnmasse aus gelösten Polymeren synthetischen oder natürlichen Ursprungs, bei dem die Spinnmasse aus mindestens einer Spinnbohrung ausgesponnen wird und der ausgesponnene Faden durch mittels einer Lavaldüse auf hohe Geschwindigkeit stetig beschleunigte Gasströme verzogen wird, wobei die Gasströmung im Bereich der Fadenbildung im Wesentlichen laminar ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Maximum der Geschwindigkeit der Gasströmung unterhalb des Austritts der Spinnmasse aus der Spinnbohrung ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den Faden verziehenden Gasströme Umgebungstemperatur oder eine aus ihrer Erzeugung und Zufuhr bedingte Temperatur aufweisen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnmasse im Lösungsmittel, wie Aminoxid, gelöste Cellulose ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei gegebener Geometrie der Spinnbohrung und ihrer Lage zur Lavaldüse die Temperatur der Spinnmasse oder des aus der Spinnbohrung austretenden Fadens und/oder die Drücke vor und hinter der Lavaldüse so gesteuert werden, dass der Faden vor seinem Erstarren einen hydrostatischen Druck in seinem Inneren erreicht, der größer ist, als der ihn umgebende Gasdruck, derart, dass der Faden platzt und sich in eine Vielzahl feiner Fäden aufspleißt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum hinter der Lavaldüse Umgebungsdruck aufweist oder bei Weiterverarbeitung der Fäden auf einem für die Weiterverarbeitung notwendigen Druck etwas über Umgebungsdruck liegt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Drücke in dem Raum über und unter der Lavaldüse bei der Verwendung von Luft abhängig von dem Polymer, dessen Durchsatz und Temperatur zwischen 1,02 und 3 gewählt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnmasse im Bereich der Austrittsstelle und/oder der aus der Spinnbohrung austretende Faden beheizt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Fäden ausgesponnen und gegebenenfalls aufgespleißt werden, die zu einem Vlies abgelegt oder zu Garnen weiterverarbeitet werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden ausgesponnen werden, von der begleitenden Gasströmung getrennt werden, zur Koagulation der Cellulose einer Fälleinrichtung zugeführt und auf Spulen aufgespult werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Celluloselösung ausgesponnene Fäden im Trocknen abgelegt und anschließend durch ein Fällbad geführt werden.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in den Verzugbereich der Fäden Wasser oder Wasserdampf zur Steuerung der Bindung der Fäden miteinander in einem Vlies eingeblasen wird.
  13. Verfahren zur Herstellung von feinen Fäden aus einer Spinnmasse aus löslichen Polymeren synthetischen oder natürlichen Ursprungs, bei dem die Spinnmasse in Form eines Films aus einer lang gestreckten schlitzartigen Spinndüse ausgesponnen wird und der ausgesponnene Film durch mittels einer lang gestreckten Lavaldüse auf hohe Geschwindigkeit beschleunigte Gasströme verzogen wird, wobei der Film am Austritt aus der Lavaldüse oder kurz danach in eine Vielzahl von Fäden aufbricht, die zu einem Vlies abgelegt werden.
  14. Vorrichtung zur Herstellung von im Wesentlichen endlosen feinen Fäden aus lösungsspinnbaren Polymeren natürlichen oder synthetischen Ursprungs mit einem mit einer Zuführvorrichtung für die Spinnmasse verbundenen Spinnkopf, einer in dem Spinnkopf aufgenommenen Spinndüsenanordnung, die mindestens eine Spinnbohrung aufweist, die einen Lösungsfaden ausspinnt, einer unterhalb des Spinnkopfes in fester geometrischer Zuordnung zu der Spinndüse angeordnete runde Lavaldüse, wobei sich der engste Querschnitt der Lavaldüse unterhalb des Spinnmassenaustritts befindet.
  15. Vorrichtung zur Herstellung von feinen Fäden aus lösungsspinnbaren Polymeren natürlichen oder synthetischen Ursprungs mit einem mit einer Zuführvorrichtung für die Spinnmasse verbundenen Spinnkopf, einer in dem Spinnkopf aufgenommenen Spinndüsenanordnung, die mindestens eine lang gestreckte schlitzartige Spinndüse aufweist, die einen Lösungsfilm ausspinnt, einer unterhalb des Spinnkopfes in fester geometrischer Zuordnung zu der Spinndüse angeordnete lang gestreckte Lavaldüse, wobei sich der engste Querschnitt der Lavaldüse unterhalb des Spinnmassenaustritts befindet.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinnanordnung im Bereich der mindestens einen Spinnbohrung bzw. des mindestens einen Spinnschlitzes durch eine Isolieranordnung isoliert ist und/oder beheizt ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Spinnmassenaustritt und engstem Querschnitt der Lavaldüse ≥ 5 mm ist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ablegeband zur Ablage der Fäden und Bildung eines Vlieses vorgesehen ist.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablegeband zumindest teilweise in ein Fällbad zur Koagulation der Faserstoffe aus der Lösung hineinragt.
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