EP3702496A1

EP3702496A1 - Formwerkzeug und verfahren zur herstellung eines formwerkzeugs zur extrusion cellulosischer formkörper

Info

Publication number: EP3702496A1
Application number: EP19159270.8A
Authority: EP
Inventors: Markus Pichler; Christian SPERGER
Original assignee: Lenzing AG; Chemiefaser Lenzing AG
Current assignee: Lenzing AG
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2020-09-02
Also published as: EP3931376A1; WO2020173783A1; CN113508196A; BR112021014216A2; US20220049375A1; TW202035808A; JP2022521990A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug (1, 51) zur Extrusion cellulosischer Formkörper (4) aus einer Spinnmasse (2), mit einer Eintrittsseite (6, 56) und einer Austrittsseite (7, 57) für die Spinnmasse (2), mit zumindest einem Düsenkörper (8, 58a, 58b, 58c), aufweisend einen flächigen Träger (9, 59a, 59b, 59c) mit Extrusionsöffnungen (10, 60), welche den Träger von der Eintrittsseite (6, 56) zur Austrittsseite (7, 57) durchdringen und an der Austrittsseite (7, 57) einen Mündungsdurchmesser (12, 62) aufweisen und durch welche die Spinnmasse (2) zu den cellulosischen Formkörpern (4) extrudiert wird. Um ein Formwerkzeug der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, welches einfacher und kostengünstiger hergestellt werden kann und zugleich eine ausgezeichnete Festigkeit und Druckstabilität aufweist, wird vorgeschlagen, dass das Verhältnis von Dicke (13, 63) des Trägers (9, 59a, 59b, 59c) zum Mündungsdurchmesser (12, 62) der Extrusionsöffnungen (10, 60) an der Austrittsseite (7, 57) zumindest 6:1, vorzugsweise zumindest 10:1 beträgt, und dass die Extrusionsöffnungen (10, 60) durch Aufbringen von Laserenergie in den Träger (9, 59a, 59b, 59c) eingebracht wurden.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zur Extrusion cellulosischer Formkörper aus einer Spinnmasse, mit einer Eintrittsseite und einer Austrittsseite für die Spinnmasse, mit zumindest einem Düsenkörper, aufweisend einen flächigen Träger mit Extrusionsöffnungen, welche den Träger von der Eintrittsseite zur Austrittsseite durchdringen und an der Austrittsseite einen Mündungsdurchmesser aufweisen und durch welche die Spinnmasse zu den cellulosischen Formkörpern extrudiert wird.
Die Erfindung betrifft außerdem, ein Verfahren zur Herstellung des Formwerkzeugs und ein Verfahren zur Herstellung von cellulosischen Formkörpern durch das Formwerkzeug.

Stand der Technik

Formwerkzeuge zur Extrusion cellulosischer Formkörper der eingangs erwähnten Art (auch als "Spinndüsen" bzw. "Spinnerette" bekannt) müssen üblicherweise zahlreiche hohe Qualitätskriterien erfüllen, um für das Verspinnen von hochviskosen Celluloselösungen geeignet zu sein. So müssen etwa hohe Anforderungen hinsichtlich der Qualität und Maßgenauigkeit (Profilform, Mündungsdurchmesser und Positionierung) der Extrusionsöffnungen erfüllt werden um ein homogenes Formkörperbündel zu erhalten und um ein Verkleben der einzelnen Formkörper im Formkörperbündel zu vermeiden. Zudem spielt die Rauigkeit der Innenwände der Extrusionsöffnungen sowie die Scharfkantigkeit und Gratfreiheit der Extrusionsöffnungen eine entscheidende Rolle bei der Formgebung der Formkörper (welche aus der extrudierten Spinnmasse an der Austrittsseite der Extrusionsöffnung geformt werden) und zur Vermeidung von Spinnfehlern (wie etwa dem Bruch bzw. Abreißen oder Verkleben von Formkörpern), die beispielsweise durch Unregelmäßigkeiten oder Grate der Extrusionsöffnungen an der Austrittsseite entstehen. Ebenso werden hohe Anforderungen an die Festigkeit der Formwerkzeuge gestellt, da diese während der Extrusion der Spinnmasse sehr hohen Drücken von bis zu 150 bar ausgesetzt sind.
Aus der EP 0 430 926 B1 und der WO 94/28211 A1 sind Formwerkzeuge zur Extrusion cellulosischer Formkörper aus einer Spinnmasse bekannt, welche in Verfahren zur Herstellung von cellulosischen Formkörpern - wie etwa dem Viskose- oder dem Lyocellverfahren - eingesetzt werden können. Die Extrusionsöffnungen werden dabei üblicherweise durch mechanisches Bohren oder Stechen in einen Träger eingebracht. Dies stellt jedoch besondere Anforderungen an das Material des Trägers, da dieses einerseits genügend Duktilität aufweisen muss um mit dem Bohr- bzw. Stechwerkzeug bearbeitet werden zu können, und andererseits den sehr hohen Drücken im Viskose- bzw. Lyocellprozess von bis zu 150 bar dauerhaft standhalten muss. Diese Anforderungen werden beispielsweise in der EP 0 430 926 B1 durch den Einsatz eines Plättchen aus einem weicheren, einfach bearbeitbaren Material (wie Gold, Silber oder Tantal), in welchem die Extrusionsöffnungen eingebracht sind, in einem Träger aus Edelstahl erreicht. Durch die spezielle Materialkombination lassen sich die Extrusionsöffnungen einfach in das Formwerkzeug einbringen und es wird trotzdem eine hohe Festigkeit erreicht. Derartige Formwerkzeuge haben allerdings den Nachteil, dass die dabei verwendeten Materialien sehr teuer sind, und die zusammengesetzten Formwerkzeuge einem sehr aufwändigen Herstellungsprozess unterliegen, da die Plättchen nachträglich in den Träger eingebracht und mit diesem verbunden werden müssen. Zudem entstehen durch mechanische Bearbeitungsverfahren wie Bohren oder Stechen Grate an den Extrusionsöffnungen, welche in zusätzlichen aufwändigen Nachbearbeitungsschritten (bspw. durch Polieren) entfernt werden müssen. Ebenso kann in solchen mechanischen Bearbeitungsverfahren nur eine begrenzte Positioniergenauigkeit und Reproduzierbarkeit erreicht werden, was in der Regel zu hohen Toleranzen bei den Extrusionsöffnungen führt.
Die WO 2005/005695 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Formwerkzeugen der vorgenannten Art, wobei die Extrusionsöffnungen mittels Elektronenstrahlen in einen Träger des Formwerkzeugs eingebracht werden. Derartige hergestellte Formwerkzeuge überwinden zwar das Problem der Materialwahl, da die Extrusionsöffnungen direkt in die Träger eingebracht werden können, wodurch ein separates Einbringen der Extrusionsöffnungen in ein Plättchen und aufwändiges nachträgliches Zusammensetzen der Komponenten entfällt. Zudem weisen solche mittels Elektronenstrahlen in die Formwerkzeuge eingebrachten Extrusionsöffnungen eine vorteilhaft verminderte Rauigkeit und hohe Scharfkantigkeit bei geringem Grat auf. Allerdings sind die durch Elektronenstrahlen in den Träger eingebrachten Extrusionsöffnungen stark in ihrer Profilform beschränkt und weisen eine hohe Streuung bzw. Toleranz bei deren Mündungsdurchmesser auf, da die Einwirkung der Elektronenstrahlen nur begrenzt kontrollierbar und reproduzierbar ist. Zudem muss das Einbringen der Extrusionsöffnungen durch Elektronenstrahlen in einem Hochvakuum erfolgen, was wiederum ein aufwändiges Herstellungsverfahren bedingt.

Offenbarung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung ein Formwerkzeug der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, welches einfacher und kostengünstiger hergestellt werden kann und zugleich eine ausgezeichnete Festigkeit und Druckstabilität aufweist und die Extrusionsöffnungen geringere Toleranzen in Bezug auf Mündungsdurchmesser, Position und Profilform aufweisen.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass das Verhältnis zwischen der Dicke des Trägers zum Mündungsdurchmesser der Extrusionsöffnungen an der Austrittsseite zumindest 6:1 beträgt, und dass die Extrusionsöffnungen durch Aufbringen von Laserenergie in den Träger eingebracht wurde.
Beträgt das Verhältnis von Dicke des Trägers zu Mündungsdurchmesser der Extrusionsöffnungen an der Austrittsseite zumindest 6:1, so kann ein besonders druckstabiler Düsenkörper mit hoher Festigkeit geschaffen werden, welcher eine lange Standzeit bei hohem Druck gewährleisten kann. Diese Druckstabilität bedeutet, dass plastische Verformungen des Düsenkörpers während dessen Standzeit unter normalen Betriebsbedingungen vermieden werden können, während ein geringes Maß an belastungsabhängigen elastischen Verformungen jedoch unvermeidbar ist. Diese Festigkeit kann weiter verbessert werden, wenn oben genanntes Verhältnis zumindest 10:1 bzw. besonders bevorzugt zumindest 12:1 oder zumindest 15:1 beträgt. Werden zudem die Extrusionsöffnungen durch Aufbringen von Laserenergie in den Träger eingebracht, so kann sich das Formwerkzeug durch sehr einfache Herstellbarkeit auszeichnen. Die Extrusionsöffnungen können dabei mit einer sehr hohen Maßgenauigkeit in den Träger des Formwerkzeugs eingebracht werden, womit ein Formwerkzeug geschaffen werden kann, dass die hohen Qualitätsanforderungen und engen Maßtoleranzen bezüglich Mündungsdurchmesser und Positionierung erfüllt. Insbesondere können durch den Einsatz von Laserstrahlung Maßtoleranzen der kritischen Größen, wie Mündungsdurchmesser, Lochgeometrie und -querschnitt der Extrusionsöffnungen, sowie Abstand zwischen den Extrusionsöffnungen von kleiner als 2 % erreicht werden. Durch die Laserstrahlung können auch direkt glatte und gratfreie Extrusionsöffnungen geschaffen werden, wodurch weitere Nachbearbeitungsschritte an dem Formwerkzeugs unterbleiben können. Solche Nachbearbeitungsschritte, wie etwa Schleifen oder Polieren bedingen hohe mechanische Belastungen und können nachteilige Stresseffekte im Träger erzeugen. Ein besonders einfach herstellbares und zuverlässiges Formwerkzeug mit niedrigen Maßtoleranzen kann somit geschaffen werden.
Im Rahmen der Erfindung werden als Formkörpern insbesondere die aus den Extrusionsöffnungen austretenden Filamente bezeichnet, welche in weiterer Folge zur Herstellung von Endlos- oder Stapelfasern verwendet werden können. Solche Filamente oder Fasern weisen bevorzugt im Rahmen der Erfindung Titer von größer gleich 0,7 dtex auf.
Im Allgemeinen wird festgehalten, dass die Erfindung Formwerkzeuge zur Herstellung von regenerierten cellulosischen Formkörpern mit einem Mündungsdurchmesser der Extrusionsöffnung an der Austrittsseite von größer gleich 40µm, insbesondere von größer gleich 45µm, bevorzugt größer gleich 50 µm, besonders bevorzugt zwischen 70 µm und 150 µm, betrifft. Wenn die Mündungsdurchmesser unter 40 µm betragen sind die Formwerkzeuge insbesondere zur Herstellung von Mikrofasern mit einem Fasertiter kleiner 0,7 dtex geeignet. Die Formwerkzeuge der vorliegenden Erfindung kommen jedoch bei der Herstellung von cellulosischen Fasern mit einem Titer von üblicherweise größer gleich 0,7 dtex zum Einsatz, wofür Extrusionsöffnungen mit einem Mündungsdurchmesser größer 40 µm geeignet sind.
Beträgt die Dicke des Trägers zumindest 600 µm, so kann ein Formwerkzeug mit ausreichender Festigkeit und Standzeit des Düsenkörpers geschaffen werden, welches zugleich groß genug ausgeführt werden kann um einen vorteilhaften Produktionsdurchsatz zu ermöglichen. Insbesondere beträgt die bevorzugte Dicke des Trägers zumindest 800 µm, bzw. besonders bevorzugt 1000 µm. Weist der Träger eine Dicke in diesem Bereich auf, so kann sichergestellt werden, dass es im regulären Betrieb, bei Betriebsdrücken bis zu 100 bar, wie diese etwa in einem Verfahren zur Herstellung von regenerierten cellulosischen Formkörpern nach dem Lyocell-Typ (Lyocell-Verfahren) üblich sind, zu keiner plastischen Verformung des Trägers kommt. Eine plastische Verformung des Trägers kann nämlich sowohl die Geometrie der Extrusionsöffnungen nachteilig verändern, als auch das Austrittsverhalten der Formkörper aus dem Formwerkzeug negativ beeinflussen. Zudem kann sichergestellt werden, dass der Träger auch bei Überdruckereignissen mit einem Druck von bis zu 150 bar belastet werden kann, ohne dass es dabei zu einem Bruch oder zu einer irreversiblen strukturellen Schädigung des Trägers kommt. Formwerkzeuge aufweisend einen Träger mit einer Dicke unter 600 µm sind für den Einsatz in solchen Verfahren nur begrenzt geeignet, da diese nicht die nötige Festigkeit aufweisen um den hohen Drücken dauerhaft standzuhalten bzw. nur einen sehr begrenzten Durchsatz ermöglichen.
Sind die Extrusionsöffnungen an der Austrittsseite gratfrei, so kann ein Formwerkzeug geschaffen werden, bei dem ein nachteiliges Verkleben der Formkörper nach dem Austritt aus den Extrusionsöffnungen vermieden werden kann. Grate an den Extrusionsöffnungen können nämlich nachteilig dazu führen, dass die extrudierten Formkörper nicht gerade aus den Extrusionsöffnungen austreten, sondern durch den Grat abgelenkt werden und mit einem benachbarten Formkörper in Kontakt kommen und verkleben, wodurch Spinnfehler entstehen, die ein Unterbrechen und Neustarten (erneutes Anspinnen) des Verfahrens nötig machen, oder zu einer Ausschuss-Produktion führen.
Besonders flexibel einsetzbare Formwerkzeuge für unterschiedliche Verfahren zur Extrusion cellulosischer Formkörper können geschaffen werden, wenn der Düsenkörper ringförmig oder rechteckig ausgebildet ist. Zudem kann das Formwerkzeug mehrere solche Düsenkörper aufweisen. So ist es beispielsweise möglich, dass das Formwerkzeug mehrere rechteckige Düsenkörper aufweist, die aneinander anschließen. Ein solches Formwerkzeug kann etwa besonders einfach hergestellt werden und kann kostengünstiger sein.
Weist das Formwerkzeug zumindest einen ersten Steg auf, welcher stoffschlüssig mit dem Düsenkörper verbunden ist und vom Düsenkörper in Richtung der Eintrittsseite absteht, so kann einerseits die Stabilität und Festigkeit des Trägers weiter verbessert werden, da der Steg einer Druckbelastung des Düsenkörpers bzw. insbesondere des Trägers entgegenwirkt, und andererseits durch den Steg eine Führungsfläche für die Spinnmasse geschaffen werden, da dieser für einen effizienten Transport der Spinnmasse zu den Extrusionsöffnungen sorgen kann. Zudem wird durch die geeignete Ausgestaltung des Steges die Bildung von Toträumen vermieden und somit die Qualität der dadurch extrahierten Formkörper verbessert.
Die Festigkeit des Trägers kann weiter deutlich erhöht werden, wenn das Formwerkzeug zumindest einen zweiten Steg aufweist, wobei sich der Düsenkörper zwischen dem ersten Steg und dem zweiten Steg erstreckt. Der zweite Steg ist dabei ebenso wie der erste Steg stoffschlüssig mit dem Düsenkörper verbunden und steht vom Düsenkörper in Richtung der Eintrittsseite ab. Damit können der erste und der zweite Steg insbesondere als randseitige Abstützung des Düsenkörpers fungieren und somit die Druckbelastungen, die während der Extrusion auf den Träger wirken, zuverlässig abtragen. Zudem können der erste und zweite Steg gemeinsam einen Kanal zur Führung der Spinnmasse an der Eintrittsseite ausbilden. Ein besonders zuverlässiges und standfestes Formwerkzeug kann somit geschaffen werden.
Das Formwerkzeug kann sich insbesondere als vorteilhaft auszeichnen, wenn sich der Steg zumindest abschnittsweise im Wesentlichen normal zum Düsenkörper erstreckt. Durch den Abschnitt, der sich im Wesentlichen normal zum Düsenkörper erstreckt, kann die Spinnmasse stark in Richtung der Extrusionsöffnungen gerichtet werden und somit ein direktionaler Massenstrom aufrechterhalten werden.
Beträgt der Abstand normal zur Längserstreckung des Düsenkörpers zwischen dem ersten und zweiten Steg zumindest weniger als die 100-fache Dicke des Trägers, so kann sich das Formwerkzeug durch ausgezeichnete Stabilität und Resistenz gegen Verformung durch den hohen Druck der Spinnmasse bewähren.
Vorteilhafterweise kann der erste Steg den zweiten Steg vollständig umlaufen und somit ein konstruktiv besonders einfaches Formwerkzeug geschaffen werden. Dies kann sich etwa besonders für den Einsatz in einem Formwerkzeug mit einem ringförmigen Düsenkörper eignen, wobei sich der ringförmige Düsenkörper dabei zwischen dem ersten und zweiten Steg erstreckt.
Weist das Formwerkzeug zudem an der Eintrittsseite einen Flansch mit zumindest einem Flanschschenkel auf, wobei der Flanschschenkel an den Steg anschließt, so kann ein einfach handhabbares und flexibel austauschbares Formwerkzeug geschaffen werden, welches schnell und einfach über den Flansch an einer Spinnmaschine befestigt werden kann. Steht der Flanschschenkel dem Formwerkzeug nach außen vor, so kann außerdem sichergestellt werden, dass der Düsenkörper von der Eintrittsseite ohne Hindernisse frei durch die Spinnmasse angeströmt werden kann und somit eine gleichmäßige Extrusion durch das Formwerkzeug ermöglicht wird.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung des Formwerkzeugs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren bereitzustellen, welches dennoch eine hohe Präzision ermöglicht.
Die Aufgabe hinsichtlich des Herstellungsverfahrens wird durch den Gegenstand des Anspruchs 12 gelöst.
Wird ein Formwerkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt, in dem die Extrusionsöffnungen durch Aufbringen von Laserenergie auf den Träger von der Eintrittsseite des Formwerkzeugs ausgehend in diesen eingebracht werden und ohne weitere Nachbehandlung an der Austrittsseite gratfreie Extrusionsöffnungen im Träger erzeugt werden, so kann ein besonders einfaches und reproduzierbares Herstellverfahren für Formwerkzeuge geschaffen werden. Durch die Verwendung einer Laserstrahlung wird auch eine aufwändige Nachbehandlung der Extrusionsöffnungen obsolet, da die direkt in den Träger eingebrachten Extrusionsöffnungen alle an die Formwerkzeuge gestellten Qualitätskriterien erfüllen können. Dies gilt sowohl für die Rauigkeit und Gratfreiheit der Extrusionsöffnungen, als auch für die Positioniergenauigkeit und den Öffnungsdurchmesser. Wird die Laserenergie durch gepulste Laserstrahlung auf den Träger aufgebracht, so können besonders niedrige Fertigungstoleranzen bei den Extrusionsöffnungen eingehalten werden. Als besonders geeignet hat sich dabei eine Laserstrahlung mit einer Pulsdauer zwischen 100 fs und 100 ns und Pulsenergien zwischen 1 µJ und 1000 µJ erwiesen. Die gepulste Laserstrahlung kann dabei vorzugsweise in einem Perkussionsbohrverfahren oder einem Wendelbohrverfahren auf den Träger aufgebracht werden und somit Extrusionsöffnungen mit einer hohen Präzision und geringen Fertigungstoleranzen erzeugen.
Werden die Extrusionsöffnungen nach der stoffschlüssigen Verbindung des Trägers mit einem Steg in den Träger eingebracht, so kann ein besonders zuverlässiges und reproduzierbares Herstellungsverfahren bereitgestellt werden. Die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Träger und einem Steg führt unweigerlich zu mechanischen Belastungen des Trägermaterials und somit zu einer ungewünschten Beeinträchtigung bzw. Veränderung der Extrusionsöffnungen. Durch das nachträgliche Einbringen der Extrusionsöffnungen in das fertig zusammengesetzte bzw. fertig geformte Formwerkzeug kann eine solche mechanische Belastung der Extrusionsöffnungen vermieden werden, insbesondere wenn das Einbringen der Extrusionsöffnungen als letzter abschließender Verfahrensschritt erfolgt.
Das erfindungsgemäße Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11 kann sich besonders auszeichnen, wenn es in einem Verfahren zur Herstellung von regenerierten cellulosischen Formkörpern verwendet wird, in dem eine Spinnmasse enthaltend Cellulose durch das Formwerkzeug extrudiert wird und in einem Spinnbad ausgefällt wird um die Formkörper zu erzeugen.
Ein solches Verfahren kann besonders bevorzugt ein Lyocell-Verfahren sein, bei dem die Spinnmasse ein tertiäres Aminoxid enthält in welchem die Cellulose gelöst ist und das Spinnbad eine Mischung aus Wasser und tertiärem Aminoxid aufweist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden werden die Ausführungsarten der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: eine Schnittansicht entlang I-I gemäß Fig. 2 auf ein Formwerkzeug entsprechend einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2: eine Draufsicht auf das Formwerkzeug gemäß Fig. 1,
Fig. 3: eine abgerissene Schnittansicht entlang II-II gemäß Fig. 4 auf ein Formwerkzeug gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 4: eine Draufsicht auf das Formwerkzeug gemäß Fig. 3, und
Fig. 5: eine teilweise abgerissene Schnittansicht auf eine Spinnmaschine mit einem erfindungsgemäßen Formwerkzeug gemäß Fig. 1.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist ein ringförmiges Formwerkzeug 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, welches in einer Spinnvorrichtung 100 gemäß Fig. 5 und in einem Verfahren zur Extrusion cellulosischer Formkörper 4 verwendet wird. Das Formwerkzeug 1 weist eine Eintrittsseite 6 für die Spinnmasse 2 und eine Austrittsseite 7 für die extrudierte Spinnmasse 3 auf (vergleiche Fig. 5). In dem Formwerkzeug 1 ist zudem ein Düsenkörper 8 mit einem flächigen Träger 9 vorgesehen. Der Düsenkörper 8 kann dabei einstückig mit dem restlichen Formwerkzeug 1 ausgebildet sein (beispielsweise durch Tiefziehen, Fräsen, etc.), oder auf andere Weise stoffschlüssig mit diesem verbunden sein (etwa durch Schweißen, etc.).
Der Träger 9 weist Extrusionsöffnungen 10 auf, die diesen von der Eintrittsseite 6 ausgehend zur Austrittsseite 7 hin durchdringen. An der Austrittsseite 7 bilden die Extrusionsöffnungen 10 eine Mündung 11 mit einem Mündungsdurchmesser 12 aus. Die Größe des Mündungsdurchmessers 12 beeinflusst dabei maßgeblich den Titer (bzw. Durchmesser) des extrudierten cellulosischen Formkörpers 4. Zudem kann durch die Querschnittsform der Extrusionsöffnung 10 das Extrusionsverhalten und die Geometrie der Formkörper 4 gesteuert werden. Beispielsweise kann so das Austrittsverhalten der Spinnmasse 2 aus den Extrusionsöffnungen 10 verändert werden um ein Verkleben der extrudierten Spinnmasse 3 vor dem Ausfällen im Spinnbad 5 zu verhindern. Bevorzugte Querschnittsformen der Extrusionsöffnungen 10 können dabei einen sich zur Austrittsseite 7 hin verjüngenden Verlauf aufweisen, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Die Querschnittsform kann durch die Laserstrahlung allerdings beliebig variiert werden, womit beispielsweise sich zur Austrittsseite 7 hin erweiternde, sanduhrförmige Verläufe möglich sind.
Die Extrusionsöffnungen 10 weisen einen Mündungsdurchmesser 12 von zwischen 70 und 150 µm auf. Bei derartigen Mündungsdurchmessern 12 kann sichergestellt werden, dass als extrudierte cellulosische Formkörper 4, Fasern bzw. Filamente mit einem Titer von größer 0,7 dtex erzeugt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden regenerierte cellulosische Fasern mit einem Titer zwischen 1,0 und 2,5 dtex erzeugt.
Das Verhältnis zwischen der Dicke 13 des Trägers 9 und dem Mündungsdurchmesser 12 der Extrusionsöffnung 10 beträgt zumindest 6:1, womit eine ausreichende Standfestigkeit des Trägers 9 gegen die hohen Drücke durch die Spinnmasse 2 gewährleistet wird. In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird ein Verhältnis von zumindest 10:1, von zumindest 12:1, bzw. von zumindest 15:1 gewählt.
Die Dicke 13 des Trägers 9 beträgt zumindest 600 µm. Damit kann der Träger 9 einer Druckbelastung von bis zu 150 bar von der Eintrittsseite 6 her dauerhaft standhalten. In einer weiteren Ausgestaltung beträgt die bevorzugte Dicke 13 des Trägers 9 zumindest 800 µm, bzw. bevorzugt 1000 µm, um eine besonders hohe Standfestigkeit des Trägers 9 zu garantieren.
Die Extrusionsöffnungen 10 wurden in den Träger 9 durch Aufbringen und Einwirken von Laserenergie in diesen eingebracht. Dadurch kann das Formwerkzeug 1 verfahrenstechnisch sehr einfach hergestellt werden. Zudem werden durch die ins Material des Trägers 9 einwirkende Laserstrahlung besonders hohe Maßgenauigkeiten bei der Positionierung, den Abmessungen und bei der Geometrie der Extrusionsöffnungen 10 erreicht. Insbesondere weisen die Extrusionsöffnungen 10 einen konstanten mittleren Abstand 14 zueinander auf, welcher zwischen 50 und 1000 µm beträgt, wobei die Standardabweichung des Abstands 14 maximal 1 % beträgt. Um Verklebungen der Fasern beim Austritt aus den Extrusionsöffnungen 10 zu vermeiden, kommen üblicherweise größere Abstände 14 von 250 bis 800µm zum Einsatz. Die Extrusionsöffnungen 10 können dabei in einem beliebigen, regelmäßigen Muster (etwa radial, rasterförmig, etc.) oder unregelmäßig über dem Träger 9 verteilt angeordnet sein. Ebenso wird durch die Laserstrahlung eine Standardabweichung der Mündungsdurchmesser 12 von kleiner als 2 % erreicht. Zudem weisen die durch die Laserstrahlung in den Träger 9 eingebrachten Extrusionsöffnungen 10 bereits nach dem Einbringen keinen Grat an der Austrittsseite 7 auf und müssen somit nicht weiteren Nachbearbeitungsschritten wie beispielsweise Schleifen oder Polieren unterzogen werden, welche die Geometrie der Extrusionsöffnungen 10 nachteilig beeinflussen können. Insbesondere wird durch die gratfreien und glatten Extrusionsöffnungen 10 weiter sichergestellt, dass die einzelnen Stränge der extrudierten Spinnmasse 3 vor dem Ausfällen zu den Formkörpern 4 im Spinnbad 5 nicht miteinander verkleben.
Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Formwerkzeug 1 mit einem ringförmigen Düsenkörper 8, weist einen ersten Steg 15 und einen zweiten Steg 16 auf, welche beide stoffschlüssig mit dem ringförmigen Düsenkörper 8 verbunden sind. So können die Stege 15, 16 etwa einstückig mit dem Träger 9 des Düsenkörpers 8 ausgebildet sein, etwa indem das Formwerkzeug 1 als Ganzes tiefgezogen oder gefräst ausgeführt ist, oder beispielsweise durch Schweißen mit diesem stoffschlüssig verbunden sein. Der ringförmige Düsenkörper 8 erstreckt sich dabei zwischen erstem und zweitem Steg 15, 16. Die Stege 15 und 16 stehen vom Düsenkörper 8 in Richtung der Eintrittsseite 6 ab. Durch die stoffschlüssige Verbindung mit dem Düsenkörper 8 wirken die Stege 15, 16 als randseitige Abstützung des Trägers 9, womit dieser einer höheren Druckbelastung durch die Spinnmasse 2 standhalten kann. Durch die ringförmige Ausgestaltung des Düsenkörpers 8 umläuft der erste Steg 15 den zweiten Steg 16 und den Düsenkörper 8 vollständig. Damit verlaufen die beiden Stege 15 und 16 stets parallel zueinander und halten einen konstanten Normalabstand 17 quer zur Längserstreckung 18 des Düsenkörpers 8, entlang des Trägers 9, zueinander ein. Der Normalabstand 17 beträgt dabei höchstens die 100-fache Dicke 13 des Trägers 9 um die maximale Stabilität des Düsenkörpers 8 zu gewährleisten.
Im Inneren des Formwerkzeugs 1 wirken die Stege 15 und 16 als Führungsflächen 19 für die Spinnmasse 2, welche das Fließverhalten der hochviskosen Spinnmasse 2 vorteilhaft unterstützen und die Bildung von Toträumen innerhalb des Formwerkzeugs 1 verhindern. Die Stege 15, 16 bilden damit von der Eintrittsseite 6 her einen Führungskanal 20 für die Spinnmasse 2 aus. Die Stege 15 und 16 erstrecken sich, wie in Fig. 1 dargestellt, vorzugsweise normal zum Düsenkörper 8 und damit normal zum Träger 9.
Das Formwerkzeug 1 weist zudem einen Flansch 23 auf, über welchen das Formwerkzeug 1 mit einer Spinnvorrichtung 100 - wie in Fig. 5 gezeigt - verbunden werden kann. Der Flansch 23 weist dabei zwei Flanschschenkel 21, 22 auf, die sich jeweils an der Eintrittsseite 6 an die Stege 15 und 16 anschließen, und die den Stegen 15 und 16 und somit dem Formwerkzeug 1 nach außen hin vorstehen. Die Flanschschenkel 21, 22 behindern damit nicht den Führungskanal 20 für die Spinnmasse 2 und vermeiden somit sicher eine negative Beeinflussung der Strömungsverhältnisse im Führungskanal 20.
In den Fig. 3 und 4 ist ein Formwerkzeug 51 entsprechend einer zweiten Ausführungsform gezeigt, welches mehrere rechteckige Düsenkörper 58a, 58b, 58c aufweist. Das Formwerkzeug 51 kann dabei ebenso wie das Formwerkzeug 1 in einer Spinnvorrichtung 100 gemäß Fig. 5 und in einem Verfahren zur Extrusion cellulosischer Formkörper 3 verwendet werden. Äquivalent wie für die erste Ausführungsform beschrieben, weist das Formwerkzeug 51 eine Eintrittsseite 56 für die Spinnmasse 2 und eine Austrittsseite 57 für die extrudierte Spinnmasse 3 auf (vergleiche Fig. 5).
Das Formwerkzeug 51 weist dabei drei Düsenkörper 58a, 58b und 58c auf, welche jeweils einen flächigen Träger 59a, 59b, 59c umfassen. Im Allgemeinen ist zu erwähnen, dass ein Formwerkzeug 51 wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt nicht auf drei Düsenkörper beschränkt sein muss. Ebenso ist jede andere beliebige Anzahl und Anordnung von Düsenkörpern in dem Formwerkzeug möglich.
Die Düsenkörper 58a, 58b, 58c sind dabei stoffschlüssig, bevorzugt durch Schweißnähte 73 mit dem restlichen Formwerkzeug 51 verbunden. Die Träger 59a, 59b, 59c weisen jeweils Extrusionsöffnungen 60 auf, welche diese von der Eintrittsseite 56 ausgehend zur Austrittsseite 57 hin durchdringen und durch Einwirkung von Laserstrahlung in diese eingebracht wurden. Die Extrusionsöffnungen 60 bilden an der Austrittsseite 57 jeweils eine Mündung 61 mit einem Mündungsdurchmesser 62 aus. Wie für die erste Ausführungsform beschrieben können die Mündungsdurchmesser 62 variiert werden um den Titer der extrudierten cellulosischen Formkörper 4 zu verändern. Der bevorzugte Mündungsdurchmesser 62 der Extrusionsöffnungen 60 beträgt zwischen 70 und 150 µm um damit cellulosische Formkörper 4, insbesondere Fasern, mit einem Titer von größer 0,7 dtex zu erzeugen. Mittels Einbringung der Extrusionsöffnungen 60 durch Laserstrahlung, wird zudem eine Standardabweichung der Mündungsdurchmesser 62 von kleiner als 1 % erreicht. Besonders bevorzugt werden dabei regenerierte cellulosische Fasern mit einem Titer zwischen 1,0 und 2,5 dtex erzeugt. Ebenso können die Querschnittsformen der Extrusionsöffnungen 60 wie für die erste Ausführungsform beschrieben verändert werden um das Austrittsverhalten der extrudierten Spinnmasse 3 zu steuern.
Die Träger 59a, 59b, 59c der Düsenkörper 58a, 58b, 58c weisen eine bevorzugte Dicke 63 von zumindest 600 µm auf. In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen dieser Ausführungsform beträgt die Dicke 63 zumindest 800 µm, bzw. zumindest 1000 µm, um ein besonders dauerhaft standfestes Formwerkzeug 51 zu erhalten, welches den hohen von der Eintrittsseite 56 her einwirkenden Drücken von bis zu 150 bar standhält. Das Verhältnis zwischen der Dicke 63 der Träger 59a, 59b, 59c und dem Mündungsdurchmesser 62 der Extrusionsöffnungen 60 beträgt hierbei zumindest 6:1 um die nötige Standfestigkeit zu erreichen. In bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung beträgt das Verhältnis zumindest 10:1, zumindest 12:1, bzw. zumindest 15:1.
Indem die Extrusionsöffnungen 60 durch Aufbringen von Laserenergie auf die Träger 59a, 59b, 59c in diese eingebracht werden, wird eine sehr hohe Maßgenauigkeit bei der Positionierung und den Abmessungen der Extrusionsöffnungen 60 erreicht. Wie in Fig. 4 gezeigt, sind die Extrusionsöffnungen 60 in konstantem Abstand 64 von 50 bis 1000 µm zueinander angeordnet, wobei die Standardabweichung maximal 2 % des Abstands 64 beträgt. Zudem kann die Einbringung der Extrusionsöffnungen 60 durch Laserstrahlung im Wesentlichen gratfrei erfolgen, was weitere Schleif- oder Polierschritte überflüssig macht und somit die Bildung von Stresseffekten in den Trägern 59a, 59b, 59c vermeidet.
Das Formwerkzeug 51 weist erste Stege 65a, 65b, 65c, 65d auf, welche außenseitig am Formwerkzeug 51 vorgesehen sind. Im Inneren des Formwerkzeugs 51 sind zweite Stege 66a, 66b vorgesehen, welche sich rippenförmig zwischen den ersten Stegen 65c und 65d erstrecken und mit diesen stoffschlüssig verbunden sind. Die Düsenkörper 58a und 58c erstrecken sich dabei quer zu ihrer Längserstreckung 68 jeweils zwischen einem ersten Steg 65a, 65b und einem zweiten Steg 66a, 66b. Der Düsenkörper 58b erstreckt sich zwischen den zweiten Stegen 66a, 66b. Stege 65a, 65b, 65c, 65d, 66a, 66b und Träger 59a, 59b, 59c der Düsenkörper 58a, 58b, 58c sind über Schweißnähte 73 stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Stege 65a, 65b, 65c, 65d, 66a, 66b sind bevorzugt gemeinsam einstückig ausgebildet (etwa als gefrästes, tiefgezogenes, gewalztes, etc. Teil) und stehen den Düsenkörpern 58a, 58b, 58c in Richtung der Eintrittsseite 56 ab.
Die Stege 65a, 65b, 66a, 66b verlaufen parallel zueinander und halten einen konstanten Normalabstand 67 (normal zur Längserstreckung 68) entlang der Träger 59a, 59b, 59c zueinander ein. Der Normalabstand 67 beträgt dabei höchstens die 100-fache Dicke 63 der Träger 59a, 59b, 59c, damit die größtmögliche Stabilität der Düsenkörper 58a, 58b, 58c erreicht wird.
Im Inneren des Formwerkzeugs 51 wirken die Stege 65a, 65b, 65c, 65d 66a, 66b als Führungsflächen 69 für die Spinnmasse 2. Somit wird durch die Stege 65a, 65b, 65c, 65d 66a, 66b von der Eintrittsseite 56 her ein Führungskanal 70 geschaffen, durch welche die Spinnmasse 2 zu den Extrusionsöffnungen 60 geführt wird.
Zudem weist das Formwerkzeug 51 einen Flansch 73 auf, über den das Formwerkzeug 51 kraftschlüssig mit einer Spinnvorrichtung 100 verbunden werden kann. Vier Flanschschenkel 71a, 71b, 71c und 71d, welche jeweils an einen ersten Steg 65a, 65b, 65c, 65d anschließen, bilden dabei den Flansch 73 aus, welcher dem Formwerkzeug 51 an der Eintrittsseite 56 nach außen hin übersteht und das Formwerkzeug 51 umläuft.
Fig. 5 zeigt eine Spinnvorrichtung 100, in der gemäß einem Verfahren zur Herstellung regenerierter cellulosischer Formkörper 4 eine Spinnmasse 2 durch ein Formwerkzeug 1, gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, zu den cellulosischen Formkörpern 4 extrudiert wird. Um die Formkörper 4 zu erhalten, wird in einem solchen Verfahren zur Herstellung regenerierter cellulosischer Formkörper 4 die extrudierte Spinnmasse 3 nach der Extrusion durch einen Luftspalt 8 in ein Spinnbad 5 geführt, wo die Cellulose aus der extrudierten Spinnmasse 3 ausfällt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Verfahren zur Herstellung der regenerierten Formkörper 4 um ein Lyocell-Verfahren, bei dem die Spinnmasse 2 eine Lösung aus Cellulose in einem tertiären Aminoxid enthält. Das Spinnbad 5 zur Ausfällung der extrudierten Spinnmasse 3 enthält dabei eine Mischung aus Wasser und einem tertiären Aminoxid (beispielsweise NMMO - N-Methylmorpholin-N-oxid).

Claims

Formwerkzeug zur Extrusion cellulosischer Formkörper (4) aus einer Spinnmasse (2), mit einer Eintrittsseite (6, 56) und einer Austrittsseite (7, 57) für die Spinnmasse (2), mit zumindest einem Düsenkörper (8, 58a, 58b, 58c), aufweisend einen flächigen Träger (9, 59a, 59b, 59c) mit Extrusionsöffnungen (10, 60), welche den Träger von der Eintrittsseite (6, 56) zur Austrittsseite (7, 57) durchdringen und an der Austrittsseite (7, 57) einen Mündungsdurchmesser (12, 62) aufweisen und durch welche die Spinnmasse (2) zu den cellulosischen Formkörpern (4) extrudiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Dicke (13, 63) des Trägers (9, 59a, 59b, 59c) zum Mündungsdurchmesser (12, 62) der Extrusionsöffnungen (10, 60) an der Austrittsseite (7, 57) zumindest 6:1, vorzugsweise zumindest 10:1 beträgt, und dass die Extrusionsöffnungen (10, 60) durch Aufbringen von Laserenergie in den Träger (9, 59a, 59b, 59c) eingebracht wurden.
Formwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (13, 63) des Trägers (9, 59a, 59b, 59c) zumindest 600 µm, vorzugsweise zumindest 800 µm, beträgt.
Formwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Extrusionsöffnungen (10, 60) an der Austrittsseite (7, 57) gratfrei sind.
Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (8, 58a, 58b, 58c) ringförmig oder rechteckig ausgebildet ist.
Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (51) mehrere Düsenkörper (58a, 58b, 58c) aufweist.
Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (1, 51) zumindest einen ersten Steg (15, 65a, 65b, 65c, 65d) aufweist, welcher stoffschlüssig mit dem Düsenkörper (8, 58a, 58b, 58c) verbunden ist und vom Düsenkörper (8, 58a, 58b, 58c) in Richtung der Eintrittsseite (6, 56) absteht.
Formwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (1, 51) zumindest einen zweiten Steg (16, 66a, 66b) aufweist, wobei sich der Düsenkörper (8, 58a, 58c) zwischen dem ersten Steg (15, 65a, 65b) und dem zweiten Steg (16, 66a, 66b) erstreckt.
Formwerkzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Steg (15, 16, 65a, 65b, 65c, 65d, 66a, 66b) zumindest abschnittsweise im Wesentlichen normal zum Düsenkörper (8, 58a, 58b, 58c) erstreckt.
Formwerkzeug nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (17, 67) normal zur Längserstreckung (18, 68) des Düsenkörpers (8, 58a, 58b, 58c) zwischen dem ersten Steg (15, 65a, 65b) und dem zweiten Steg (16, 66a, 66b) zumindest weniger als die 100-fache Dicke des Trägers (9, 59a, 59b, 59c) beträgt.
Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Steg (15, 65a, 65b, 65c, 65d) den zweiten Steg (16, 66a, 66b) vollständig umläuft.
Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (1, 51) an der Eintrittsseite (6, 56) einen Flansch (23, 73) mit zumindest einem Flanschschenkel (21, 22, 71a, 71b, 71c, 71d) aufweist, wobei der Flanschschenkel (21, 22, 71a, 71b, 71c, 71d) an den Steg (15, 16, 65a, 65b, 65c, 65d) anschließt und dem Formwerkzeug (1, 51) nach außen vorsteht.
Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs (1, 51) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Extrusionsöffnungen (10, 60) durch Aufbringen von Laserenergie auf den Träger (9, 59a, 59b, 59c) von der Eintrittsseite (6, 56) des Formwerkzeugs (1, 51) ausgehend in diesen eingebracht werden und ohne weitere Nachbehandlung an der Austrittsseite (7, 57) gratfreie Extrusionsöffnungen (10, 60) im Träger (9, 59a, 59b, 59c) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem als abschließender Verfahrensschritt die Extrusionsöffnungen (10, 60) in den Träger (9, 59a, 59b, 59c) eingebracht werden.
Verfahren zur Herstellung von regenerierten cellulosischen Formkörpern (4), bei dem eine Spinnmasse (2) enthaltend Cellulose durch ein Formwerkzeug (1, 51) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 extrudiert wird und in einem Spinnbad (5) ausgefällt wird, um die Formkörper (4) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Spinnmasse (2) ein tertiäres Aminoxid enthält in welchem die Cellulose gelöst ist und das Spinnbad (5) eine Mischung aus Wasser und tertiärem Aminoxid aufweist.