EP4675027A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung eines vliesstoffes mit nicht-isotroper faserorientierung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur herstellung eines vliesstoffes mit nicht-isotroper faserorientierung

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EP4675027A1
EP4675027A1 EP25185831.2A EP25185831A EP4675027A1 EP 4675027 A1 EP4675027 A1 EP 4675027A1 EP 25185831 A EP25185831 A EP 25185831A EP 4675027 A1 EP4675027 A1 EP 4675027A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fibers
drainage
drainage openings
transport direction
fiber
Prior art date
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Pending
Application number
EP25185831.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Sauer
Violetta SCHUMM
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4675027A1 publication Critical patent/EP4675027A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/70—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
    • D04H1/74—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being orientated, e.g. in parallel (anisotropic fleeces)
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H3/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of yarns or like filamentary material of substantial length
    • D04H3/02—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of yarns or like filamentary material of substantial length characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of yarns or filaments
    • D04H3/03—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of yarns or like filamentary material of substantial length characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of yarns or filaments at random
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21F—PAPER-MAKING MACHINES; METHODS OF PRODUCING PAPER THEREON
    • D21F9/00—Complete machines for making continuous webs of paper

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for producing a nonwoven fabric with a non-isotropic fiber orientation, i.e., a fiber orientation that is directional, unlike classical random lay-ups where an isotropic fiber orientation prevails.
  • Classical wet-wet nonwoven process technology for producing nonwovens from staple fibers or from a short-fiber template (e.g., pulp) typically generates a quasi-isotropic, randomly distributed nonwoven structure. This means that it is usually desirable for the resulting wet-wet nonwoven products to exhibit a nearly uniform fiber orientation within the nonwoven plane. exhibit anisotropy in all directions. If variations in fiber orientation are present in individual cases, these have very low degrees of anisotropy, are represented globally across the nonwoven structure, and are only aligned with the take-up direction (or an orientation perpendicular to it).
  • nonwoven web produced using wet nonwoven technology has a fiber orientation that can be modified as locally as possible in a wide range of degrees of freedom.
  • the technology is used to produce thin nonwoven webs consisting of individual filaments arranged quasi-parallel in the longitudinal direction with a high fiber preference.
  • the implementation of the patented process has been successfully demonstrated with various technical staple fibers (including glass and carbon fibers).
  • the economic development and commercialization of the HiPerDiF technology has been pursued through a spin-off startup (LINEAT Composites).
  • HiPerDiF technology A disadvantage of the previously described HiPerDiF technology is that nonwoven webs have currently only been demonstrated up to a width of approximately 150 mm, with significantly greater system complexity and hardware limitations becoming apparent with wider webs.
  • the technology presented in this invention disclosure has already been successfully demonstrated for a web width of 600 mm and is relatively easy to scale up considerably further with regard to the nonwoven web width.
  • HiPerDiF also uses starting material in the form of staple fibers from technical fiber material classes (e.g., carbon, glass fibers), due to the process, these must be of high cutting quality (i.e., uniform fiber length, clean) (Cut edge, etc.) must be present, as otherwise quality losses will result or processing will be impossible. This is especially true when dealing with discontinuous fiber stocks, i.e., fiber length distributions, such as in the case of recycled fiber stocks or natural fibers, which creates restrictions.
  • the fiber orientation in HiPerDiF is limited to a parallel alignment in the take-up direction and a uniform orientation across the entire web.
  • the technology is used to produce flat web materials with a relatively low basis weight in the form of nonwovens, in which all individual filaments exhibit a high degree of fiber alignment.
  • Successful demonstrations have already been carried out with various technical fibers (including carbon fibers).
  • TUFF technology also has a significant limitation regarding the necessarily high initial quality of the fiber feedstock (cutting quality, short fiber length, fiber length distribution), resulting in a corresponding restriction on the processing of recycled or natural fiber feedstocks. Furthermore, productivity, i.e., the achievable material throughput rate, is limited, particularly with regard to the relatively low basis weights of the nonwovens produced. Overall, the chosen process routes for HiPerDiF and TUFF technology are similar in several aspects, resulting in several comparable restrictions.
  • the object of the present invention is therefore to provide, starting from the prior art, a device and a method for producing a nonwoven fabric with a non-isotropic fiber orientation that avoids the aforementioned disadvantages and restrictions.
  • a continuously operating process for producing nonwoven fabrics should be enabled, and the restrictions encountered in the prior art, especially with regard to the web width of the produced nonwoven fabric web, the process window of the process, adjustable fiber orientation ratios or angular dimensions, and processable fiber templates, should be avoided.
  • the present invention thus relates to a screen belt (10) that can be guided in a transport direction (T), a nonwoven formation zone (20) arranged above the screen belt in which a suspension (S) of fibers (F) in a suspension medium can accumulate on the screen belt, a dewatering box (30) arranged below the screen belt in the area of the nonwoven formation and dewatering zone (20), on the upper side of which a flow support (40) is arranged directly below the screen belt in an operating state of the device and which has a plurality of dewatering openings (41), and a device for generating a negative pressure in the dewatering box, characterized in that the dewatering openings (41) each have a length and a width (b) in projection onto the screen belt (10), wherein the ratio of length to width (b) is at least 2, and wherein an angle is formed between a direction defined by the length of a dewatering opening and the transport direction.
  • the enclosed area has an amount between 0° and 65°.
  • the device according to the present invention is based on The invention is based on a nonwoven laying machine generally used in the prior art for carrying out a continuous wet nonwoven process.
  • a characteristic feature of the device according to the invention is a flow support arranged directly below a screen belt in the nonwoven formation zone, which has a plurality of drainage openings.
  • the drainage openings each have a length and a width, with the length-to-width ratio being at least 2.
  • the length of a drainage opening is understood to be its maximum dimension in a longitudinal direction, and the width its maximum dimension in a transverse direction. If, for example, the drainage opening has a rectangular plan, the longitudinal direction corresponds to the orientation of the drainage opening along the long side, and the width to the orientation of the drainage opening along the short side.
  • the drainage openings are therefore arranged at an angle between 0° and 65° with respect to a transport direction, where this angle is the angle enclosed by the orientation of the longitudinal side and the transport direction.
  • the flow of liquid through the dewatering openings is influenced in such a way that the fibers contained in the suspension are oriented by the flow in a direction corresponding to the preferred direction of the dewatering opening.
  • a completely isotropic deposition of the fibers is therefore avoided.
  • the resulting fiber web in which the individual fibers are not yet bound
  • the present device and the inventive method described below are significantly more robust than the technology known from the prior art described above and can also be used for discontinuous fiber templates. This allows for a significantly more heterogeneous selection of processable fiber length distributions and also greater flexibility with regard to the generally processable fiber length, which can also be considerably higher.
  • the present invention allows manipulation of the fiber orientation with higher degrees of freedom and potentially also in locally different forms.
  • an advantageous embodiment of the present invention provides that the angle is a value of 0° to 65°, more preferably 0° to 45°, more preferably 0° to 30°, more preferably 0° to 15°, more preferably 0° to 10°, and in particular 0°.
  • the ratio of length to width (b) of the drainage openings is 2 to 1200, preferably 5 to 500, more preferably 8 to 100, in particular 12 to 30.
  • the drainage openings (41) are arranged in at least one group of n successive rows in the transport direction (T), where n is an integer greater than or equal to 1, preferably 1 to 10, more preferably 1 to 6, more preferably 1 to 4, and in particular 1 to 3.
  • the drainage openings can thus be arranged in one, but also in 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 successive rows in the transport direction.
  • the drainage openings (41) within each row are arranged equidistantly (d) perpendicular to the transport direction (T).
  • a further preferred embodiment provides that the drainage openings (41) within each row are arranged in an identical position in the transport direction (T).
  • the rows are spaced apart in the transport direction (T), the spacing preferably being 0.01 to 1.0 times, more preferably 0.02 to 0.5 times, further preferably 0.05 to 0.3 times, and in particular 0.08 to 0.15 times, the length of the drainage openings.
  • the spacing of the rows is measured in the transport direction, e.g., the distance between the drainage openings of one row and the adjacent row.
  • each row within a group has the same number of drainage openings.
  • This design allows the entire surface of the flow substrate to be mapped using multiple rows.
  • the drainage openings in a second row (i+1) following a first row (i) are arranged offset perpendicular to the transport direction (T) with respect to the positioning of the drainage openings of the first row (i).
  • the drainage openings are arranged in a staggered manner, several rows of fibers can be laid down in the transport direction, so that, with a suitably chosen offset, complete coverage of the screen belt with essentially non-isotropically oriented fibers is possible.
  • embodiments are also possible in which the sieve belt is not completely covered, for example by omitting one or more of the rows in which the flow openings are offset from each other, or by using a non-equidistant arrangement of the flow openings in the respective rows.
  • the offset has an amount z/n ⁇ b perpendicular to the direction of transport, where z is an integer from 1 to n-1.
  • the drainage openings are arranged such that the projection of all drainage openings of a group of drainage openings onto a plane that intersects the transport direction (T) perpendicularly results in a recess.
  • the flow mat only has a series of drainage openings.
  • Strip-shaped fiber fleeces are produced, whereby the fibers in the strips have a preferred orientation.
  • the drainage openings may have a slit-shaped, oblong, elliptical, trapezoidal, triangular, curved or serpentine elevation when projected onto the screen belt, or an elevation in the form of a combination of the preceding features.
  • all drainage openings have the same elevation, i.e., an identical extent in the transport direction (T) and an identical extent perpendicular to the transport direction (T).
  • This restriction can apply to all drainage openings within each group, but also to all drainage openings attached to the flow support.
  • the length of the drainage openings is preferably from 1 to 600 mm, preferably 5 to 400 mm, more preferably 7 to 200 mm, more preferably 10 to 100 mm, and in particular 15 to 70 mm.
  • the width of the drainage openings is from 0.5 to 50 mm, preferably 1 to 40 mm, more preferably 1.5 to 25 mm, and in particular 2 to 10 mm.
  • the width of the screen belt can be variable, but a particular advantage of the present invention is that it is scalable to large nonwoven laying machines.
  • the width of the screen belt can be between 0.01 and 14 m, more preferably between 0.01 and 10 m, more preferably between 0.01 and 7 m, more preferably between 0.01 and 3 m, and in particular between 0.01 and 1.5 m, but is not limited to this.
  • the sieve belt and the flow support arranged below it are preferably arranged at an incline, so that the sieve belt runs upwards in the transport direction during operation, i.e. uphill, but the invention is not limited to this.
  • the present invention further relates to a method for producing a nonwoven fabric with a device described above, comprising the following steps: forming a fiber suspension (S) by suspending fibers (F) in a liquid dispersion medium, continuously accumulating the fiber dispersion onto a screen belt guided in a transport direction (T) in the nonwoven formation and dewatering zone, dewatering the dispersion medium by the moving screen belt in the nonwoven formation and dewatering zone, wherein the fibers (F) remain on the moving screen belt forming a fiber web (FV), drying and solidifying the fiber web (FV) to form the nonwoven fabric, wherein the solidification can also take place before drying.
  • the accumulation of the liquid dispersion medium on the screen belt can be such that, in the area of the fleece formation and dewatering zone, the dispersion medium accumulates across the entire surface of the screen belt – and thus also completely within the area of the flow support layer located below. However, it is also possible that only partial accumulation occurs, so that the dispersion medium may only accumulate on a portion of the flow support layer.
  • fiber dispersions are used in which the concentration of the fibers used is from 0.01 to 15 g/l, preferably 0.02 to 10 g/l, more preferably 0.05 to 5 g/l, and particularly preferably 0.1 to 2 g/l.
  • Drainage can be achieved, for example, by creating a negative pressure in the drainage box, or alternatively by creating a back pressure above the drainage box (or, if necessary, by both measures simultaneously).
  • the feed of the screen belt is set in the transport direction, particularly at speeds of 0.05 to 2500 m/s, more preferably from 0.1 to 800 m/s, more preferably from 0.1 to 300 m/s, more preferably from 0.1 to 150 m/s, more preferably from 0.1 to 80 m/s, more preferably from 0.1 to 30 m/s, and most preferably from 0.1 to 5 m/s.
  • Exemplary fibers that can be used for the purposes of the present invention are selected from the group consisting of carbon fibers, glass fibers and other mineral fibers (e.g. microglass fiber, rock wool), ceramic fibers, natural fibers (e.g. flax, hemp, cellulose, sisal, jute, kapok, abaca, cotton), viscose fibers, basalt fibers, aramid fibers, polymer fibers, metal fibers, recycled fibers (e.g. textile fibers, recycled carbon and glass fibers, short fiber dusts), as well as mixtures thereof and modifications thereof (e.g. fiber coatings, co-polymer fibers or split fibers).
  • mineral fibers e.g. microglass fiber, rock wool
  • natural fibers e.g. flax, hemp, cellulose, sisal, jute, kapok, abaca, cotton
  • viscose fibers e.g. flax, hemp, cellulose, sisal, jute, kapok, a
  • the fiber lengths that can be selected can have an average length of 0.1 to 100 mm.
  • Exemplary methods for determining the average fiber length include DIN EN ISO 22314:2023 (for fiber lengths up to 7.5 mm) or image analysis methods, for example according to ISO 13322-1:2014 or ISO 9276-2:2018.
  • Preferred diameters of the fibers used are in a range of 0.1 ⁇ m to 500 ⁇ m, which can also be determined using the aforementioned methods.
  • the present invention enables the manipulation of local flow conditions in the area of the "headbox" of the wet nonwoven machine by means of a modified flow pad (also referred to as a "flow pad") located below the circulating screen of a wet nonwoven laying device.
  • a modified flow pad also referred to as a "flow pad”
  • the fibers transported in the dispersing medium can thus also be controlled along the local flow conditions.
  • the dispersed fibers move along with the outflowing dispersing medium and are deposited at a specific point on the circulating screen.
  • the deposited fibers form a cohesive structure in the form of a web. This can, for example, be a closed
  • the nonwoven fabric surface or in the form of several parallel produced individual nonwoven fabric webs e.g. nonwoven fabric strips or tapes
  • the fibers are fixed in a deposit position that is directly defined by the flow support located beneath the circulating screen.
  • the relative force acting between the fiber-carrying dispersion and the circulating screen is explicitly not the primary focus or the sole manipulation effect.
  • the present invention allows for a significantly increased degree of freedom in structuring the laid-down discontinuous web material.
  • the representation of a homogeneous web material – uniformly oriented along an axis – is also feasible.
  • An additional feature of high application relevance is the significantly greater robustness of this approach compared to alternative concepts.
  • a high degree of freedom is also available with regard to processable material templates.
  • This freedom relates both to the material class of the fiber (e.g., carbon, glass, polymer, ceramic, or natural fibers) and to its properties (fiber length, fineness, surface area, ductility).
  • material templates can also be processed which intrinsically exhibit no variation range, such as recycled fiber templates (e.g., wide fiber length distribution) or natural fibers (e.g., naturally occurring variation in fineness, surface, length, etc.).
  • individual filaments (or fiber bundles) dispersed in an aqueous medium can be selectively manipulated during the wet nonwoven fabric formation process. This allows for the controlled production of nonwovens with locally defined fiber orientations, i.e., nonwoven structure or even higher-level structuring.
  • the advantage lies in the creation of a novel material structure with innovative structural and functional properties.
  • Figure 1 shows a section of a flow support 40 used in a device according to the invention for producing a nonwoven fabric with fiber orientation.
  • the drainage openings 41 each have a width b, which represents the recessed area.
  • the drainage openings 41 are arranged equidistantly at a distance d from each other, the distance d being determined according to the design of the flow support 40.
  • Figure 1 each measurement is taken from the left end of the drainage openings 41.
  • the drainage openings 41 are oriented with their longitudinal extent parallel to the transport direction T of a Figure 1
  • the drainage openings are aligned with the sieve belt 10 (not shown).
  • Each drainage opening has a rectangular cross-section, with the corresponding corners of the drainage openings being uniformly rounded.
  • the total width over which the drainage openings 41 extend in the flow support 40 is determined according to... Figure 1
  • the area is marked with B.
  • each row n the equidistantly arranged drainage openings 41 are offset from the preceding row, with the exemplary offset in the case in Figure 1 twice the respective width b of each drainage opening 41.
  • the staggered arrangement of the drainage openings across the five rows ensures that the entire width of the sieve belt 10 is covered with drainage openings 41.
  • FIG 2 shows the arrangement of a flow support 40 in a Figure 2 Schematically depicted device for the production of a nonwoven fabric. It is visible how the suspension S with fibers F is guided onto a screen belt 10 and accumulated there. The screen belt 10 is continuously guided in the transport direction T. Over the (in Figure 2 The suspension medium of the fibers (e.g., water) flows through the drainage openings 41 of the flow support 40 (not visible, as they are shown laterally) into the nonwoven formation and drainage zone 20, for example, a drainage box 30 located below the flow support 40. The fibers F remain on the screen belt 10 and form a fiber nonwoven FV there.
  • the suspension medium of the fibers e.g., water
  • each drainage opening 41 is shown; the two on the left are preferred.
  • the width b of each drainage opening This refers to the maximum dimension of a drainage opening perpendicular to the longitudinal extent.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Nonwoven Fabrics (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Vliesstoffes mit nicht-isotroper Faserorientierung, d. h. einer Faserorientierung, die anders als bei klassischen Wirrgelegen, bei denen eine isotrope Faserorientierung vorherrscht, gerichtet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Vliesstoffes mit nicht-isotroper Faserorientierung, d. h. einer Faserorientierung, die anders als bei klassischen Wirrgelegen, bei denen eine isotrope Faserorientierung vorherrscht, gerichtet ist.
  • Klassische Nassvlies-Prozesstechnologie zur Herstellung von Vliesstoffen ausgehend von der Stapelfaser bzw. ausgehend von einer Kurzfaser-Vorlage (z.B. Pulp) erzeugt typischerweise eine quasi-isotrope wirr- verteilte Vliesstoff-Struktur. D. h., es ist üblicherweise erwünscht, dass erzeugte Nassvlies-Produkte eine nahezu gleichbleibende Faserorientierung innerhalb der Vliesstoff-Ebene in allen Richtungen aufweisen. Falls in Einzelfällen Variationen der Faserorientierung vorhanden sind, weisen diese sehr geringe Anisotropie-Grade auf, sind global über die Vliesstoffstruktur dargestellt und lediglich auf die Abzugsrichtung (bzw. eine hierzu senkrechte Orientierung) ausgerichtet.
  • Es bestehen zahlreiche Anwendungen, für welche es von hohem Interesse ist, dass eine mittels Nassvliestechnologie erzeugte Vliesstoff-Bahn eine möglichst lokal in breiten Freiheitsgraden modifizierbare Faserorientierung aufweist.
  • Aus dem Stand der Technik sind zwei Verfahren bekannt, die ein ähnliches Ziel-Produkt im Fokus haben und die aktuell aktiv genutzt werden. Die Kern-Technologieaspekte und deren Einschränkung bzw. Abgrenzung werden im Folgenden kurz zusammengefasst:
    • HiPerDiF-Technologie (Universität Bristol bzw. Firma "LINEAT Composites"):
  • Die Technologie dient der Erzeugung von dünnen "Vliesstoff"-Bahnen bestehend aus Einzelfilamenten die quasi-parallel liegend in hoher Faservorzugsrichtung in Längsrichtung angeordnet sind. Die Umsetzung des patentierten Verfahrens wurde mit verschiedenen technischen Stapelfasern (u.a. Glas- und Carbonfasern) erfolgreich demonstriert. Für die HiPerDiF-Technologie wird seit wenigen Jahren eine wirtschaftliche Weiterentwicklung und Verwertung in Form eines ausgegründeten StartUp-Unternehmens (LINEAT Composites) adressiert.
  • Nachteilig bei der zuvor beschriebenen HiPerDiF-Technologie ist allerdings, dass "Vliesstoff"-Bahnen aktuell nur bis zu einer ca. 150 mm demonstriert worden sind, wobei mit höherer Bahnbreite signifikant größerer anlagenseitiger Aufwand bzw. Hardware-Restriktionen festzustellen sind. Die in der vorliegenden Erfindungsmeldung vorgestellte Technologie wurde bereits für eine Bahnbreite von 600mm erfolgreich demonstriert und ist in Bezug auf die Vliesstoff-Bahnbreite relativ einfach noch deutlich weiter skalierfähig.
  • Zwar nutzt auch HiPerDiF Ausgangsmaterial in Form von Stapelfasern technischer Faser-Materialklassen (z.B. Carbon-, Glasfasern), prozessbedingt müssen diese jedoch in hoher Schnittqualität (d.h. gleichmäßige Faserlänge, saubere Schnittkante, etc.) vorliegen, da ansonsten Qualitätseinbußen resultieren oder überhaupt keine Verarbeitbarkeit ermöglicht ist. Speziell auch im Umgang mit diskontinuierlichen Faservorlagen, d.h. z.B. Faserlängenverteilungen, wie etwa im Falle von rezyklierten Faservorlagen oder Naturfasern, entstehen hieraus Restriktionen. Die Faserorientierung in HiPerDiF ist auf eine parallele Ausrichtung in Abzugsrichtung, sowie eine global über die gesamte Vliesbahn einheitliche Ausrichtung beschränkt.
    • TUFF-Technologie (University of Delaware):
  • Die Technologie dient der Erzeugung von flächiger Bahnware mit relativ niedrigem Flächengewicht in Form von Vliesstoffen, in welchen alle Einzelfilamente eine hohe Faserausrichtung besitzen. Eine erfolgreiche Demonstration ist bereits mit unterschiedlichen technischen Faserstoffen erfolgt (u.a. Carbonfasern).
  • Wie auch bei der HiPerDiF-Technologie, ist auch im Falle der TUFF-Technologie eine signifikante Einschränkung in Bezug auf die notwendigerweise hohe Ausgangsqualität der Faservorlage (Schnittqualität, niedrige Faserlänge, Faserlängenverteilung) gegeben, sodass eine entsprechende Restriktion hinsichtlich der Verarbeitung von rezyklierten- bzw. Naturfaser-Faservorlagen besteht. Darüber hinaus ist die Produktivität, d.h. die erzielbare Materialdurchsatzrate, insbesondere entlang der genutzten relativ niedrigen Flächengewichte der erzeugten Vliesstoffe begrenzt. Insgesamt sind die gewählten Prozessrouten entlang HiPerDiF und TUFF-technologisch in mehreren Aspekten ähnlich, sodass mehrere vergleichbare Restriktionen resultieren.
  • Zwar ist im Falle von TUFF eine nahezu frei wählbare Einstellung der Faserorientierung im Bereich zwischen 90° (Winkelbemessung gegenüber der Abzugsrichtung; scheinbar optimaler Einsatzfall) bis ca. 30° (Winkelbemessung gegenüber der Abzugsrichtung) demonstriert worden. Eine Umsetzung einer 0°-Orientierung (Winkelbemessung gegenüber der Abzugsrichtung - d.h. in Bahnrichtung) ist nicht bekannt und wahrscheinlich auf Basis des genutzten technologischen Prinzips nicht darstellbar. Die Faserorientierung ist jeweils über die gesamte Vliesstoff-Bahnbreite einheitlich ausgeprägt und somit nicht lokal modifizierbar.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ausgehend vom Stand der Technik eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Vliesstoffes mit nicht-isotroper Faserorientierung anzugeben, dass die zuvor genannten Nachteile bzw. Restriktionen vermeidet. Insbesondere soll ein durchgängig kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Vliesstoffen ermöglicht werden und die im Stand der Technik auftretenden Restriktionen, insbesondere hinsichtlich der Bahnbreite der erzeugten Vliesstoffbahn, des Prozessfensters des Verfahrens, einstellbarer Faserorientierungsverhältnisse bzw. Winkelmaße, sowie verarbeitbarer Faservorlagen vermieden werden.
  • Diese Aufgabe wird hinsichtlich einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, hinsichtlich eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 gelöst. Die jeweiligen abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
  • Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung somit ein in eine Transportrichtung (T) führbares Siebband (10), eine oberhalb des Siebbandes angeordnete Vliesbildungszone (20), in der ein Aufstauen einer Suspension (S) von Fasern (F) in einem Suspensionsmedium auf das Siebband erfolgen kann, einen unterhalb des Siebbandes im Bereich der Vliesbildungs- und Entwässerungszone (20) angeordneten Entwässerungskasten (30), an dessen Oberseite eine in einem Betriebszustand der Vorrichtung unmittelbar unterhalb des Siebbands angeordnete Strömungsunterlage (40) angeordnet ist, die eine Vielzahl Entwässerungsöffnungen (41) aufweist, sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks im Entwässerungskasten, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwässerungsöffnungen (41) jeweils in Projektion auf das Siebband (10) eine Länge und eine Breite (b) aufweisen, wobei ein Verhältnis von Länge zur Breite (b) von mindestens 2 beträgt, wobei ein Winkel, der von einer Richtung, die durch die Länge einer Entwässerungsöffnung definiert ist und der Transportrichtung eingeschlossen wird, einen Betrag zwischen 0° und 65° aufweist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beruht somit auf einer im Stand der Technik im Allgemeinen zur Durchführung eines kontinuierlichen Nassvlies-Verfahrens beruhenden Vlieslegemaschine. Kennzeichnendes Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei eine unmittelbar unterhalb eines Siebbandes in der Vliesbildungszone angeordnete Strömungsunterlage, die eine Vielzahl von Entwässerungsöffnungen aufweist. Die Entwässerungsöffnungen weisen dabei jeweils eine Länge bzw. eine Breite auf, wobei das Verhältnis Länge zur Breite mindestens 2 beträgt. Als Länge einer Entwässerungsöffnung wird dabei die maximale Ausdehnung in einer Längsrichtung, als Breite die maximale Ausdehnung in einer Querrichtung der Entwässerungsöffnung verstanden. Für den Fall, dass die Entwässerungsöffnung beispielsweise einen rechteckigen Grundriss aufweist, entspricht die Längsrichtung der Ausrichtung der Entwässerungsöffnung entlang der langen Seite, die Breite der Ausrichtung der Entwässerungsöffnung entlang der kurzen Seite. Die Entwässerungsöffnungen sind daher bei, bezogen auf eine Transportrichtung von einem Winkel zwischen 0° und 65° angeordnet, wobei dieser Winkel der Winkel ist, der von der Ausrichtung der Längsseite und der Transportrichtung eingeschlossen ist.
  • Mit Hilfe der Entwässerungsöffnungen wird bei Betrieb der Vorrichtung, d. h. wenn eine Suspension von Fasern auf das Siebband gegeben wird und im Bereich des Entwässerungskastens durch das Siebband durch Anlegen eines Unterdrucks im Entwässerungskasten durch dieses gesaugt wird und/oder durch Anlegen eines Staudrucks durch dieses gedrückt wird und/oder durch andere Effekte (z.B. Schwerkraft) durch dieses abfließt, eine Beeinflussung der Strömung durch ablaufende Flüssigkeit durch die Entwässerungsöffnungen derart, dass eine Orientierung der in der Suspension enthaltenen Fasern durch die Strömung in eine Richtung erfolgt, die der Vorzugsrichtung der Entwässerungsöffnung entspricht. Somit erfolgt ein nicht-isotropes Ablegen der Fasern, die somit eine Vorzugsrichtung aufweisen, die der Ausrichtung der Entwässerungsöffnungen entspricht. Ein vollständig isotropes Ablegen der Fasern kann somit vermieden werden. Das entsprechend gebildete Faservlies (in dem die einzelnen Fasern noch nicht gebunden vorliegen) kann durch Binden der Fasern, z.B. in einem Vliesbindeschritt oder mittels enthaltenen Additiven, zum Vliesstoff verfestigt werden.
  • Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile effektiv vermeiden:
    Die Praktikabilität der vorliegenden Erfindung wurde bereits anhand einer Bahnbreite von 600 mm erfolgreich demonstriert und ist in Bezug auf die Legebreite relativ einfach noch weiter skalierbar.
  • Zudem ist die vorliegende Vorrichtung bzw. auch das weiter unten beschriebene erfindungsgemäße Verfahren deutlich robuster als die aus dem oben beschriebenen Stand der Technik bekannte Technologie und ist ebenso für diskontinuierliche Faservorlagen einsetzbar. Dies ermöglicht eine deutlich heterogenere Wahl verarbeitbarer Faserlängenverteilung und ebenso eine höhere Flexibilität bezüglich der im Allgemeinen verarbeitbaren Faserlänge, die zudem deutlich höher ausfallen kann.
  • Die derzeit demonstrierte Produktivität in Bezug auf die Abzugsgeschwindigkeit (zusätzlich zur verringerten Bahnbreite) liegt für HiPerDiF und TUFF deutlich unterhalb der für die in der vorliegenden Erfindungsmeldung dargestellten Prozessgeschwindigkeit. Somit ist ein deutlich höherer Materialdurchsatz gegeben.
  • Zudem erlaubt die vorliegende Erfindung eine Manipulation der Faserorientierung mit höheren Freiheitsgraden und potenziell auch in lokal unterschiedlicher Ausprägung.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Winkel einen Betrag von 0° bis 65°, weiter bevorzugt 0° bis 45°, weiter bevorzugt 0° bis 30°, weiter bevorzugt 0° bis 15°, weiter bevorzugt 0° bis 10°, insbesondere 0° ist.
  • Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass das Verhältnis von Länge zu Breite (b) der Entwässerungsöffnungen von 2 bis 1200, bevorzugt 5 bis 500, weiter bevorzug 8 bis 100, insbesondere 12 bis 30 ist.
  • Insbesondere sind die Entwässerungsöffnungen (41) in mindestens einer Gruppe von n in Transportrichtung (T) nacheinander folgenden Reihen angeordnet, wobei n eine ganze Zahl größer gleich 1, bevorzugt 1 bis 10, weiter bevorzugt 1 bis 6, weiter bevorzugt 1 bis 4, insbesondere 1 bis 3 ist. Die Entwässerungsöffnungen können somit in einer, aber auch in 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 in Transportrichtung nacheinander folgenden Reihen angeordnet sein.
  • Bevorzugt sind dabei die Entwässerungsöffnungen (41) innerhalb jeder Reihe senkrecht zur Transportrichtung (T) äquidistant (d) angeordnet.
  • Eine weiter bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Entwässerungsöffnungen (41) innerhalb jeder Reihe in Transportrichtung (T) auf einer identischen Position angeordnet sind.
  • Für den Fall, dass mehrere Reihen von Entwässerungsöffnungen vorhanden sind, sind die Reihen in Transportrichtung (T) beabstandet angeordnet, wobei der Abstand bevorzugt dem 0,01 bis 1,0-Fachen, bevorzugt 0,02 bis 0,5-Fachen, weiter bevorzugt dem 0,05 bis 0,3-Fachen, insbesondere dem 0,08 bis 0,15-Fachen der Länge der Entwässerungsöffnungen entspricht. Der Abstand der Reihen wird dabei in Transportrichtung gemessen, z.B. der Betrag des Abstandes der Entwässerungsöffnungen einer Reihe und der benachbarten Reihe.
  • Es kann weiter bevorzugt vorgesehen sein, dass in jeder Reihe innerhalb einer Gruppe die identische Anzahl an Entwässerungsöffnungen vorhanden ist.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in jeder Reihe innerhalb einer Gruppe x Entwässerungsöffnungen (41) angeordnet sind, die jeweils die gleiche Breite (b) aufweisen und senkrecht zur Transportrichtung (T) äquidistant angeordnet sind, wobei eine Dimensionierung eines Zwischenraums (a) der Entwässerungsöffnungen (41) zueinander senkrecht zur Transportrichtung definiert ist als a = n − 1 / n ⋅ B − b / x − 1 wobei x eine ganze Zahl von 5 bis 200, bevorzugt 7 bis 50, besonders bevorzugt 10 bis 40 ist, n die Anzahl der Reihen ist (mindestens 2), b die Breite einer Entwässerungsöffnung, B eine Gesamtbreite aller Entwässerungsöffnungen in jeder Reihe.
  • Durch diese Ausführungsform können mit mehreren Reihen die gesamte Fläche der Strömungsunterlage abgebildet werden.
  • Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform ist bevorzugt vorgesehen, dass b definiert ist als b = (y/n) · d, wobei d ein Abstand einer Entwässerungsöffnung zu einer benachbarten Entwässerungsöffnung einer Reihe senkrecht zur Transportrichtung (T) und y eine reelle Zahl zwischen 1 und 2 ist.
  • Weiter vorteilhaft ist, die Entwässerungsöffnungen in einer auf eine erste Reihe (i) folgenden zweiten Reihe (i+1) in Bezug auf die Positionierung der Entwässerungsöffnungen der ersten Reihe (i) senkrecht zur Transportrichtung (T) versetzt angeordnet sind.
  • Sofern die Entwässerungsöffnungen versetzt angeordnet sind, können in Transportrichtung mehrere Reihen von Fasern abgelegt werden, so dass bei entsprechend gewähltem Versatz eine vollständige Bedeckung des Siebbandes mit im Wesentlichen nicht-isotrop ausgerichteten Fasern möglich ist.
  • Allerdings sind auch Ausführungsformen möglich, in denen keine vollständige Abdeckung des Siebbandes erfolgt, in dem z.B. eine oder mehrere der Reihen, in denen die Strömungsöffnungen versetzt zueinander angeordnet sind weggelassen werden oder eine andere als äquidistante Anordnung der Strömungsöffnungen in den jeweiligen Reihen erfolgt.
  • Insbesondere ist hierbei vorgesehen, dass der Versatz einen Betrag z/n·b senkrecht zur Transportrichtung aufweist, wobei z eine ganze Zahl von 1 bis n-1 ist.
  • Besonders bevorzugt sind die Entwässerungsöffnungen derart angeordnet, dass die Projektion sämtlicher Entwässerungsöffnungen einer Gruppe von Entwässerungsöffnungen auf eine Ebene, die die Transportrichtung (T) senkrecht schneidet, die Entwässerungsöffnungen derart angeordnet sind, eine Aussparung ergibt.
  • Alternativ ist es allerdings ebenso möglich, dass die Strömungsunterlage nur eine Reihe von Entwässerungsöffnungen aufweist. So können beispielsweise streifenförmig gelegte Faservliese erzeugt werden, wobei die Fasern in den Streifen eine Vorzugsorientierung aufweisen.
  • Die Entwässerungsöffnungen können in Projektion auf das Siebband einen schlitzförmigen, langlochförmigen, elliptischen, trapezförmigen, dreieckigen gebogenen oder geschlängelten Aufriss aufweisen oder einen Aufriss in Form einer Kombination vorangehender Merkmale aufweisen.
  • Bevorzugt weisen alle Entwässerungsöffnungen den gleichen Aufriss auf, d. h. einen identischen Betrag der Erstreckung in Transportrichtung (T) und einen identischen Betrag der Erstreckung senkrecht zur Transportrichtung (T) aufweisen.
  • Diese Restriktion kann für sämtliche Entwässerungsöffnungen innerhalb einer jeden Gruppe gelten, allerdings auch für sämtliche Entwässerungsöffnungen, die an der Strömungsunterlagen angebracht sind.
  • Die Länge der Entwässerungsöffnungen beträgt bevorzugt von 1 bis 600 mm, bevorzugt 5 bis 400 mm, weiter bevorzugt 7 bis 200 mm, weiter bevorzugt 10 bis 100 mm, insbesondere 15 bis 70 mm.
  • Zudem ist es möglich, dass die Breite der Entwässerungsöffnungen von 0,5 bis 50 mm, bevorzugt 1 bis 40 mm, weiter bevorzugt 1,5 bis 25 mm, insbesondere 2 bis 10 mm beträgt.
  • Die Breite des Siebbandes kann dabei variabel gestaltet sein, besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist allerdings, dass die Erfindung auf große Vlieslegemaschinen skalierbar ist, beispielsweise kann die Breite des Siebbandes zwischen 0,01 bis 14 m, weiter bevorzugt von 0,01 bis 10m, weiter bevorzugt 0,01 bis 7m, weiter bevorzugt von 0,01 bis 3m, insbesondere 0,01 bis 1,5m betragen, ist allerdings nicht hierauf beschränkt.
  • Im Bereich der Vliesbildungs- und Entwässerungszone ist das Siebband sowie die darunter angeordnete Strömungsunterlage bevorzugt geneigt angeordnet, so dass das Siebband im Betrieb in Transportrichtung nach oben, also bergauf verläuft, die Erfindung ist allerdings nicht hierauf beschränkt.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung eines Vliesstoffes mit einer im Voranstehenden beschriebenen Vorrichtung, umfassend die folgenden Schritte: Bilden einer Fasersuspension (S) durch Suspendieren von Fasern (F) in einem flüssigen Dispersionsmedium, kontinuierliches Aufstauen der Faserdispersion auf ein in eine Transportrichtung (T) geführtes Siebband in der Vliesbildungs- und Entwässerungszone, Entwässern des Dispersionsmediums durch das bewegte Siebband in der Vliesbildungs- und Entwässerungszone, , wobei die Fasern (F) unter Bildung eines Faservlieses (FV) auf dem bewegten Siebband zurückbleiben, Trocknung und Verfestigung des Faservlieses (FV) zum Vliesstoff, wobei die Verfestigung auch vor der Trocknung erfolgen kann.
  • Das Aufstauen des flüssigen Dispersionsmediums auf dem Siebband kann dabei derart erfolgen, dass im Bereich der Vliesbildungs- und Entwässerungszone das Dispersionsmedium über die gesamte Fläche des Siebbandes in Bereich der Vliesbildungs- und Entwässerungszone - und somit auch vollständig im Bereich der darunter angeordneten Strömungsunterlage - aufgestaut wird. Ebenso ist es allerdings möglich, dass nur ein teilweises Aufstauen erfolgt, so dass das Dispersionsmedium ggf. nur auf einem Teil der Strömungsunterlage aufgestaut wird.
  • Insbesondere kommen hierbei Faserdispersionen zum Einsatz, in denen die Konzentration der eingesetzten Fasern von 0,01 bis 15 g/l, bevorzugt 0,02 bis 10 g/l, weiter bevorzugt 0,05 bis 5 g/l, besonders bevorzugt 0,1 bis 2 g/l beträgt.
  • Das Entwässern kann beispielsweise durch Ausbilden eines Unterdrucks im Entwässerungskasten, alternativ durch Ausbilden eines Staudrucks oberhalb des Entwässerungskasten (oder gegebenenfalls durch beide Maßnahmen gleichzeitig) erfolgen.
  • Der Vorschub des Siebbandes erfolgt in Transportrichtung insbesondere in Geschwindigkeiten von 0,05 bis 2500 m/s, weiter bevorzugt von 0,1 bis 800 m/s, weiter bevorzugt von 0,1 bis 300 m/s, weiter bevorzugt von 0,1 bis 150 m/s, weiter bevorzugt von 0,1 bis 80 m/s, weiter bevorzugt von 0,1 bis 30 m/s, besonders bevorzugt von 0,1 bis 5 m/s eingestellt wird.
  • Beispielhafte Fasern, die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, sind dabei ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Carbon-/Kohlenstofffasern, Glasfasern und weitere Mineralfasern (z.B. Mikroglasfaser, Steinwolle), Keramikfasern, Naturfasern (z.B. Flachs, Hanf, Zellulose, Sisal, Jute, Kapok, Abacá, Baumwolle), Viskosefasern, Basaltfasern, Aramidfasern, Polymerfasern, Metallfasern, Recyclingfasern (z.B. Textile Fasern, Recycelte Kohlenstoff- und Glasfasern, Kurzfaserstäube), sowie Mischungen hieraus und Modifizierungen (z.B. Faserbeschichtungen, Co-Polymerfasern oder Splitfasern).
  • Die Faserlängen, die gewählt werden können, können eine gemittelte Länge von 0,1 bis 100 mm aufweisen. Beispielhafte Verfahren zur Bestimmung der gemittelten Faserlänge sind dabei DIN EN ISO 22314:2023 (für Faserlängen bis 7,5 mm) bzw. mittels Bildauswertungsverfahren, beispielweise nach ISO 13322-1:2014 bzw. ISO 9276-2:2018 ermittelbar.
  • Bevorzugte Durchmesser der verwendeten Fasern liegen in einem Bereich von 0,1 µm bis 500 µm, der ebenso anhand der vorgenannten Methoden bestimmbar ist.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungen näher beschrieben, ohne die Erfindung auf die dargestellten speziellen Parameter zu beschränken.
  • Mit der vorliegenden Erfindung lässt sich eine Manipulation lokaler Strömungsverhältnisse im Bereich der "Headbox" der Nassvliesanlage infolge einer angepassten Strömungsunterlage (auch als "Flow Pad" bezeichnet) unterhalb des Umlaufsiebs einer Nassvlieslegevorrichtung bewerkstelligen. Durch lokale geometrische und materialseitige Anpassung dieser Strömungsunterlage können gezielt die durch diese Platte abströmenden Dispergiermedien in breiten Freiheitsgraden kontrolliert werden. Die im Dispergiermedium transportierten Faserstoffe können somit entlang lokaler Strömungszustände ebenfalls mit kontrolliert werden. Die dispergierten Faserstoffe bewegen sich dabei im abströmenden Dispergiermedium mit und legen sich an einem bestimmten Punkt auf das Umlaufsieb ab. Die abgelegten Fasern bilden eine zusammenliegende Struktur in Form einer Bahnware. Diese kann beispielsweise als geschlossene Vliesstofffläche oder in Form mehrerer parallel erzeugter individueller Vliesstoffbahnen (z.B. Vliesstoffstreifen bzw. Tapes) dargestellt werden.
  • Dabei werden die Faserstoffe in einer Ablageposition fixiert die direkt durch die unter dem Umlaufsieb befindliche Strömungsunterlage definiert wird. Explizit steht hierbei eine wirkende Relativkraft zwischen faserführender Dispersion und Umlaufsieb nicht im Vordergrund bzw. stellt nicht den zentralen alleinigen Manipulationseffekt dar.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt einen deutlich erhöhten Freiheitsgrad bei der Strukturierung der abgelegten diskontinuierlichen Bahnware. Prinzipiell können in hoher lokaler Auflösung unterschiedlichste Strömungszustände - d.h. lokale Strukturierungen - über die Länge, Dicke und Breite des Vliesstoffs erreicht werden. Gleichzeitig ist aber auch die Darstellung einer homogenen - entlang einer Achse einheitlich orientierten - Bahnware umsetzbar. Eine zusätzliche Besonderheit mit hoher anwendungsseitiger Relevanz besteht in der deutlich höheren Robustheit dieses Ansatzes gegenüber Alternativ-Konzepten. Somit sind auch in Bezug auf verarbeitbare Materialvorlagen große Freiheitsgrade gegeben. Diese beziehen sich sowohl auf die Materialklasse der Faser (z.B. Carbon-/ Glas-/ Polymer-/ Keramik-/ Naturfasern) als auch deren Beschaffenheit (Faserlänge, Feinheit, Oberfläche, Duktilität). Infolge dieser hohen Flexibilität sind auch Materialvorlagen verarbeitbar die intrinsisch eine ohne Variationsbreite aufweisen, wie z.B. recycelte Faservorlagen (u.a. breite Faserlängenverteilung) oder Naturfasern (u.a. natürlich bedingte Schwankungsbreite in Bezug auf Feinheit, Oberfläche, Länge, etc.).
  • Mithilfe der gewählten Verfahrensvariante bzw. der dargestellten Vorrichtungen lassen sich im wässrigen Medium dispergierte Einzelfilamente (oder Faserbündel) während des Prozesses der Vliesbildung im Nassvliesverfahren gezielt manipulieren. Somit lassen sich kontrolliert Vliesstoffe mit lokal definierter Faserorientierung, d.h. Vliesstoff-Struktur oder sogar übergeordneter Strukturierung, darstellen. Der Vorteil besteht in der Schaffung einer neuartigen Materialstruktur mit innovativen strukturellen und funktionellen Eigenschaftsspektren.
  • Da eine flexibel einstellbare Materialstruktur mit großen Freiheitsgraden im Fokus steht, ist bereits aus heutiger Sicht eine relativ breitgefächerte Einsatzmöglichkeit über verschiedene Anwendungsfelder denkbar. Einige zentrale Einsatzgebiete sind im Folgenden zusammengefasst:
    • Strukturelle Nutzung:
  • Die Kombination diskontinuierlicher Fasern und/ oder Stapelfasern in einer makroskopischen Vliesstoffstruktur mit angepasster Strukturierung, d.h. lokaler oder globaler Faserorientierung, eröffnet neuartige strukturelle Leistungsspektren, konkret z.B.:
    • Maßgeschneiderte Eigenschaften entlang definierter Lastpfade nahe an dem Niveau unidirektionaler lokaler Verstärkung
    • Strukturaufbau nicht nur lagenweise, sondern sogar Einstellbarkeit innerhalb der Einzellage bzw. potenziell sogar auf Filament-Niveau
    • Erhöhte Dehnbarkeit durch Beweglichkeit der nicht-endlosen Faser-Filamente
    • Erhöhte Drapierbarkeit durch Beweglichkeit der nicht-endlosen Faser-Filamente
    • Innovative Dämpfungseigenschaften, z.B. bei zyklischer Belastung
    Funktionelle Nutzung:
  • Auch die funktionellen Eigenschaften sind in weiten Bereichen einstellbar und/oder besitzen auf Basis der innovativen Materialstruktur neuartige Profile in Abhängigkeit des Anisotropie-Grades:
    • Elektrische Leitfähigkeit/ Isolation
    • Thermische Leitfähigkeit/ Isolation
    • Wärmeabhängige Eigenschaften, z.B. Wärmeausdehnung
    • Permeabilität und modifizierbare Oberfläche
    • Kompaktierbarkeit
  • Konkret können hieraus heute bereits verschiedene potenzielle Einsatzfelder, u.a. aus dem Bereich der Vliesstofftechnik, sowie Faserverbundtechnik abgeleitet werden:
    • Faserverbundwerkstoffe mit breitgefächerten Einsatzmöglichkeiten
    • Hochqualitative Verarbeitung rezyklierter Faserstoffe oder von diskontinuierlichen Naturfaser-Vorlagen, aber auch von Primär-Fasern
    • Elektrochemische Einsatzfelder, wie z.B. Batterie-Separatoren, Gasdiffusionsschichten, Membrane, Filter, Transferschichten, Reaktionsschichten, Elektroden
    • Elektrische Einsatzfelder, wie z.B. EMI-Shielding, Flächenheizungselemente
    • Bauteilstrukturen mit komplexer Geometrie, die ein hohes Maß an Drapierfähigkeit und/oder Dehnfähigkeit erfordern.
    • Bauteile mit hohen Stückzahlen durch kurze Taktzeiten infolge einer potenziell "Metall-ähnlichen" Tiefziehfähigkeit.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
  • Figur 1 zeigt hierin einen Ausschnitt aus einer Strömungsunterlage 40, die in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Vliesstoffes mit Faserorientierung zum Einsatz kommt. Dargestellt sind eine Vielzahl von Entwässerungsöffnungen 41, die in fünf Reihen (n=1....5) in Transportrichtung T nacheinander abfolgend angeordnet sind. Die Entwässerungsöffnungen 41 weisen dabei jeweils eine Breite b auf, die den ausgesparten Bereich repräsentiert. Innerhalb jeder Reihe n sind die Entwässerungsöffnungen 41 äquidistant in einem Abstand d zueinander angeordnet, wobei der Abstand d im Falle der Ausbildung der Strömungsunterlage 40 gemäß Figur 1 jeweils vom linken Ende der Entwässerungsöffnungen 41 gemessen wird.
  • Die Entwässerungsöffnungen 41 sind dabei mit ihrer Längserstreckung parallel zur Transportrichtung T eines in Figur 1 nicht dargestellten Siebbandes 10 ausgerichtet. Die Entwässerungsöffnungen weisen dabei jeweils einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die entsprechenden Ecken der Entwässerungsöffnungen gleichmäßig abgerundet sind. Die Gesamtbreite, über die sich die Entwässerungsöffnungen 41 in der Strömungsunterlage 40 gemäß Figur 1 erstrecken, ist mit B gekennzeichnet.
  • Erkennbar ist, dass in jeder Reihe n die äquidistant angeordneten Entwässerungsöffnungen 41 versetzt zur jeweils vorangehenden Reihe angeordnet sind, wobei der beispielhafte Versatz im Falle in Figur 1 das Zweifache der jeweiligen Breite b einer jeden Entwässerungsöffnung 41 ist.
  • Durch die versetzte Anordnung der Entwässerungsöffnungen über die fünf Reihen wird somit gewährleistet, dass die komplette Fläche des Siebbandes 10 in der Breite mit Entwässerungsöffnungen 41 abgedeckt wird.
  • Figur 2 zeigt die Anordnung einer Strömungsunterlage 40 in einer in Figur 2 schematisch dargestellten Vorrichtung zur Herstellung eines Vliesstoffes. Sichtbar ist, wie die Suspension S mit Fasern F auf ein Siebband 10 geleitet und dort aufgestaut wird. Das Siebband 10 wird dabei kontinuierlich in Transportrichtung T geführt. Über die (in Figur 2 nicht sichtbaren, da seitlich dargestellten) Entwässerungsöffnungen 41 der Strömungsunterlage 40 fließt das Suspensionsmedium der Fasern (beispielsweise Wasser) durch die Entwässerungsöffnungen 41 in die Vliesbildungs- und Entwässerungszone 20, beispielsweise einem unterhalb der Strömungsunterlage 40 angeordneten Entwässerungskasten 30, ab. Die Fasern F verbleiben dabei auf dem Siebband 10 und bilden dort ein Faservlies FV.
  • In Figur 3 ist die Strömungssituation dargestellt, die an jeder Entwässerungsöffnung 41 in der Strömungsunterlage 40 auftritt. Die Suspension S mit den Fasern F wird dabei auf dem Siebband 10 (in Figur 3 nicht dargestellt) aufgestaut, das Suspensionsmedium fließt dabei durch die Entwässerungsöffnungen 41 (im Beispiel der Figur 3 ist nur eine Entwässerungsöffnung 41 dargestellt) der Strömungsunterlage 40 in den darunter liegenden Entwässerungskasten 30 (siehe Figur 2). Hierbei treten Strömungsverhältnisse auf, wie mit den grauen Pfeilen in Figur 3 dargestellt, was - ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein - dazu führt, dass die Orientierung der Fasern anisotrop erfolgt und im beispielhaften Fall der Figur 3 dazu führt, dass die Fasern F im Wesentlichen in Transportrichtung T orientiert sind.
  • In Figur 4 sind beispielhafte geometrische Ausgestaltungen von Entwässerungsöffnungen 41 dargestellt, bevorzugt sind die beiden links in Figur 4 dargestellten Entwässerungsöffnungen. Die Breite b einer jeden Entwässerungsöffnung ist dabei die maximale Dimensionierung einer Entwässerungsöffnung quer zur Längserstreckung.
  • In Figur 5 sind beispielhafte Faservliese dargestellt, die mit einer Strömungsunterlage gemäß Figur 1 hergestellt wurden. Hierbei wurde allerdings lediglich ein Teil, der rein mit der Suspension gefüllt ist (im beispielhaften Fall der in Figur 5 dargestellten Vliese: zwei bis drei Reihen), um den Effekt der vorliegenden Erfindung zu verdeutlichen. Hierdurch können linienförmige Reihen von abgelegten Fasern hergestellt werden, in denen die Fasern im Wesentlichen in Transportrichtung orientiert vorliegen und somit anisotrope Ausrichtung haben.

Claims (15)

  1. Vorrichtung zur Herstellung eines Vliesstoffes mit Faserorientierung, umfassend
    ein in eine Transportrichtung (T) führbares Siebband (10),
    eine oberhalb des Siebbandes angeordnete Vliesbildungszone (20), in der ein Aufstauen einer Suspension (S) von Fasern (F) in einem Suspensionsmedium auf das Siebband erfolgen kann,
    einen unterhalb des Siebbandes im Bereich der Vliesbildungs- und Entwässerungszone (20) angeordneten Entwässerungskasten (30), an dessen Oberseite eine in einem Betriebszustand der Vorrichtung unmittelbar unterhalb des Siebbands angeordnete Strömungsunterlage (40) angeordnet ist, die eine Vielzahl Entwässerungsöffnungen (41) aufweist, sodass ein Abströmen des Suspensionsmediums durch die Entwässerungsöffnungen in den Entwässerungskasten gewährleistet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Entwässerungsöffnungen (41) jeweils in Projektion auf das Siebband (10) eine Länge und eine Breite (b) aufweisen, wobei ein Verhältnis von Länge zur Breite (b) von mindestens 2 beträgt, wobei ein Winkel, der von einer Richtung, die durch die Länge einer Entwässerungsöffnung definiert ist und der Transportrichtung eingeschlossen wird, einen Betrag zwischen 0 und 65 ° aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel einen Betrag von 0° bis 65°, weiter bevorzugt 0° bis 45°, weiter bevorzugt 0° bis 30°, weiter bevorzugt 0° bis 15 °, weiter bevorzugt 0° bis 10°, insbesondere 0° ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge zu Breite (b) der Entwässerungsöffnungen von 2 bis 1200, bevorzugt 5 bis 500, weiter bevorzug 8 bis 100, insbesondere 12 bis 30 ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwässerungsöffnungen (41) in mindestens einer Gruppe von n in Transportrichtung (T) nacheinander folgenden Reihen angeordnet sind, wobei n eine ganze Zahl größer gleich 1, bevorzugt 1 bis 10, weiter bevorzugt 1 bis 6, weiter bevorzugt 1 bis 4, insbesondere 1 bis 3 ist.
  5. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwässerungsöffnungen (41) innerhalb jeder Reihe senkrecht zur Transportrichtung (T) äquidistant (d) und/oder in Transportrichtung (T) auf einer identischen Position angeordnet sind.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihen in Transportrichtung (T) beabstandet angeordnet sind, wobei der Abstand bevorzugt, dem 0,01 bis 1,0-Fachen, weiter bevorzugt 0,02 bis 0,5-Fachen, weiter bevorzugt dem 0,05 bis 0,3-Fachen, insbesondere dem 0,08 bis 0,15-Fachen der Länge der Entwässerungsöffnungen entspricht.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Reihe innerhalb einer Gruppe die identische Anzahl an Entwässerungsöffnungen vorhanden ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Reihe innerhalb einer Gruppe x Entwässerungsöffnungen (41) angeordnet sind, die jeweils die gleiche Breite (b) aufweisen und senkrecht zur Transportrichtung (T) äquidistant angeordnet sind, wobei eine Dimensionierung eines Zwischenraums (a) der Entwässerungsöffnungen (41) zueinander senkrecht zur Transportrichtung definiert ist als a = n − 1 / n ⋅ B − b / x − 1
    wobeixeine ganze Zahl von 5 bis 200, weiter bevorzugt 7 bis 50, besonders bevorzugt 10 bis 40 ist,
    n die Anzahl der Reihen ist,
    b die Breite einer Entwässerungsöffnung (41),
    B eine Gesamtbreite aller Entwässerungsöffnungen (41) in jeder Reihe
    wobei insbesondere b definiert ist als b = y / n ⋅ d wobei
    d ein Abstand einer Entwässerungsöffnung (41) zu einer benachbarten Entwässerungsöffnung einer Reihe senkrecht zur Transportrichtung (T) und
    y eine reelle Zahl zwischen 1 und 2 ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwässerungsöffnungen (41) in einer auf eine erste Reihe (i) folgenden zweiten Reihe (i+1) in Bezug auf die Positionierung der Entwässerungsöffnungen der ersten Reihe (i) senkrecht zur Transportrichtung (T) versetzt angeordnet sind, wobei insbesondere der Versatz einen Betrag z/n·b senkrecht zur Transportrichtung aufweist, wobei z eine ganze Zahl von 1 bis n-1 ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektion sämtlicher Entwässerungsöffnungen (41) einer Gruppe von Entwässerungsöffnungen (41) auf eine Ebene, die die Transportrichtung (T) senkrecht schneidet, die Entwässerungsöffnungen (41) derart angeordnet sind, eine Aussparung ergibt.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwässerungsöffnungen (41) in Projektion auf das Siebband (10) einen schlitzförmigen, langlochförmigen, elliptischen, trapezförmigen, dreieckigen, gebogenen oder geschlängelten Aufriss aufweisen oder einen Aufriss in Form einer Kombination vorangehender Merkmale aufweisen und/oder innerhalb einer Gruppe einen identischen Betrag der Erstreckung in Transportrichtung (T) und einen identischen Betrag der Erstreckung senkrecht zur Transportrichtung (T) aufweisen.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
    Länge der Entwässerungsöffnungen (41) von 1 bis 600 mm, bevorzugt 5 bis 400 mm, weiter bevorzugt 7 bis 200 mm, weiter bevorzugt 10 bis 100 mm, insbesondere 15 bis 70 mm und/oder
    Breite (b) der Entwässerungsöffnungen (41) von 0,5 bis 50 mm, bevorzugt 1 bis 40 mm, weiter bevorzugt 1,5 bis 25 mm, insbesondere 2 bis 10 mm, und/oder
    die Breite des Siebbandes (10) und/oder der Strömungsunterlage (40) von 0,01 bis 14 m, weiter bevorzugt von 0,01 bis 10m, weiter bevorzugt 0,01 bis 7m, weiter bevorzugt von 0,01 bis 3m, insbesondere 0,01 bis 1,5m
    beträgt.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Vliesstoffes mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte:
    Bilden einer Fasersuspension (S) durch Suspendieren von Fasern (F) in einem flüssigen Dispersionsmedium,
    kontinuierliches Aufstauen der Faserdispersion auf ein in eine Transportrichtung (T) geführtes Siebband (10) in der Vliesbildungs- und Entwässerungszone (20),
    Entwässern des Dispersionsmediums durch das bewegte Siebband (10) in der Vliesbildungs- und Entwässerungszone (20), wobei die Fasern (F) unter Bildung eines Faservlieses (FV) auf dem bewegten Siebband (10) zurückbleiben,
    Trocknung und Verfestigung des Faservlieses (FV) zum Vliesstoff, wobei die Verfestigung auch vor der Trocknung erfolgen kann.
  14. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Konzentration der Faserdispersion von 0,01 bis 15 g/l, bevorzugt 0,02 bis 10 g/l, weiter bevorzugt 0,05 bis 5 g/l, besonders bevorzugt 0,1 bis 2 g/l beträgt,
    das Entwässern durch Ausbilden eines Unterdrucks im Entwässerungskasten (30) und/oder durch Ausbilden eines Staudrucks erfolgt, und/oder
    die ein Vorschub des Siebbandes in Transportrichtung (T) von 0,05 bis 2500 m/min, weiter bevorzugt von 0,1 bis 800 m/min, weiter bevorzugt von 0,1 bis 300 m/min, weiter bevorzugt von 0,1 bis 150 m/min, weiter bevorzugt von 0,1 bis 80 m/min, weiter bevorzugt von 0,1 bis 30 m/min, besonders bevorzugt von 0,1 bis 5 m/min eingestellt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern
    ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Carbon-/Kohlenstofffasern, Glasfasern und weitere Mineralfasern (z.B. Mikroglasfaser, Steinwolle), Keramikfasern, Naturfasern (z.B. Flachs, Hanf, Zellulose, Sisal, Jute, Kapok, Abacá, Baumwolle), Viskosefasern, Basaltfasern, Aramidfasern, Polymerfasern, Metallfasern, Recyclingfasern (z.B. Textile Fasern, Recycelte Kohlenstoff- und Glasfasern, Kurzfaserstäube), sowie Mischungen hieraus und Modifizierungen (z.B. Faserbeschichtungen, Co-Polymerfasern oder Splitfasern) hiervon darstellen können und/oder
    eine gemittelte Länge von 0,1 bis 100 mm aufweisen (Faserlängenmessung bspw. nach DIN EN ISO 22314:2023, ISO 13322-1:2014, ISO9276-2:2018 oder vergleichbar) und/oder
    einen gemittelten Durchmesser von 0,1 µm bis 500 µm (bspw. vorangehend genannte Methoden bestimmbar) aufweisen.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10109413A1 (de) * 2001-02-27 2002-09-05 Voith Paper Patent Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Eigenschaften einer in einer Blattbildungseinrichtung hergestellten Faserstoffbahn
DE102018118884A1 (de) * 2018-08-03 2020-02-06 Voith Patent Gmbh Vorrichtung zur Entwässerung einer nassgelegten Vliesstoffbahn

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2097650A5 (de) * 1970-07-07 1972-03-03 Rhodiaceta
JPS54125709A (en) * 1978-01-31 1979-09-29 Fuji Mfg Co Ltd Apparatus for producing fiberboard
US5158824A (en) * 1989-10-10 1992-10-27 Manville Corporation Non-woven fibrous glass mat and a method and apparatus for efficiently producing same
US5462642A (en) * 1993-09-16 1995-10-31 Kajander; Richard E. Method of forming a fibrous mat
DE29714908U1 (de) * 1997-08-20 1997-10-16 Voith Sulzer Papiermaschinen GmbH, 89522 Heidenheim Formierschuh für eine Papier- oder Kartonmaschine
DE102018114634A1 (de) * 2018-06-19 2019-12-19 TRüTZSCHLER GMBH & CO. KG Verfahren zur Herstellung einer nass gelegten Vliesstoffbahn und mehrschichtige Faserbahn

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10109413A1 (de) * 2001-02-27 2002-09-05 Voith Paper Patent Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Eigenschaften einer in einer Blattbildungseinrichtung hergestellten Faserstoffbahn
DE102018118884A1 (de) * 2018-08-03 2020-02-06 Voith Patent Gmbh Vorrichtung zur Entwässerung einer nassgelegten Vliesstoffbahn

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