WO2001034885A2

WO2001034885A2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von cellulosefasern und cellulosefilamentgarnen

Info

Publication number: WO2001034885A2
Application number: PCT/DE2000/003817
Authority: WO
Inventors: Christoph Michels; Birgit Kosan
Original assignee: Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e.V.
Priority date: 1999-11-10
Filing date: 2000-10-28
Publication date: 2001-05-17
Also published as: EP1232298A2; DE19954152A1; EP1232298B1; DE50005547D1; WO2001034885A3; AU2500701A; KR100652153B1; CN1387590A; DE19954152C2; ATE261008T1; KR20020049045A; CN1155746C

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Cellulosefasern oder -filamenten aus Zellstoff nach dem Trocken-Naßextrusionsverfahren mit wässrigen Aminoxiden als Lösungsmittel, bei dem man a) Zellstoff mit einem Cuoxam-DP in dem Bereich von 250 bis 3000 in wässrigem Aminoxid dispergiert, b) die erhaltene Dispersion bei erhöhter Temperatur unter Wasserentzug und Scherung in eine homogene Lösung mit einer Nullscherviskosität in dem Bereich von 600 bis 6000 Pa•s bei 85 °C überführt, c) die Lösung wenigstens einer Spinndüse (6) zuführt, d) die Lösung in jeder Spinndüse zu wenigstens einer Kapillare verformt und die Kapillare(n) einer jeden Düse unter Verzug durch ein nicht ausfällendes Medium und anschließend unter Ausfällen der Cellulosefäden (12) durch ein Fällbad (1) führt, und e) die Cellulosefäden an dem Ende der Fällbadstrecke durch Ablenkung von den Fällbadströmen trennt und die Fäden abzieht, dadurch gekennzeichnet, daß man die Dispersion in Stufe b) in eine Lösung mit einer Relaxationszeit in dem Bereich von 0,3 bis 50 s bei 85 °C überführt und die Lösung in Stufe c) durch eine der bzw. den Düse(n) (6) gemeinsame Anströmkammer (5) leitet, in der ihre Verweilzeit wenigstens gleich ihrer Relaxationszeit bei der Spinntemperatur ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Cellulosefasern und Cellulosefilamentgarnen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Cellulosefasern oder Cellulosefilamentgarnen aus Zellstoff nach dem Trocken-Naßextrusionsverfahren mit wässrigen Aminoxiden, insbesondere N-Methylmorpho- lin-N-oxid, als Lösungsmittel, bei dem man a) Zellstoff oder eine Zellstoffmischung mit einem Cuoxam-DP zwischen 250 und 3000 in wässrigem Aminoxid dispergiert, b) die erhaltene Dispersion bei erhöhter Temperatur unter Wasserentzug und Scherung in eine homogene Lösung mit einer Nullscherviskosität im Bereich von 600 bis 6000 Pa-s bei 85°C überführt, c) die Lösung wenigstens einer Spinndüse zuführt, d) die Lösung in jeder Spinndüse zu wenigstens einer Kapillare verformt und die Kapillare(n) einer jeden Düse unter Verzug durch ein nicht-ausfällendes Medium und anschließend unter Ausfällung der CeUulosefaden durch eine Fällbadstrecke führt und e) die CeUulosefaden an dem Ende des Fällbadstrecke durch Ablenkung von dem Fällbad trennt und die Fäden abzieht. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung von Cellulosefasern oder -filamentgarnen aus Zellstoff nach dem Trocken-Naßextrusionsverfahren mit wässrigen Aminoxiden als Lösungsmittel, mit einem Spinnpaket mit einer Spinndüsenplatte und Spinndüsen, einem Fällbad mit zwei durch eine Fällbadpumpe verbundenen Behältern, einem Spalt zwischen den Spinndüsen und der Fällbadoberfläche in dem oberen der beiden Behälter, und wenigstens einer Abzugsgalette.

Aus den US-Patenten 4 246 221 und 4 416 698 ist das Lösen von Cellulose in wasserhaltigen tertiären Aminoxiden, das Verformen dieser Lösungen in Spinn- kapillaren unter minimaler Scherung, das Verziehen der Lösungsstrahlen in einem großen Luftspalt bei geringer Dehngeschwindigkeit, das Fällen der Cellulose durch ein wäßriges, Aminoxid haltiges Spinnbad und Abziehen der CeUulosefaden über eine Galette beschrieben. Es wird auch auf das Problem des Verkiebens der Fäden im Luftspalt hingewiesen und eine oberflächliche Befeuchtung der Fäden über eine Walze vorgeschlagen.

Zur Vermeidung des Verkiebens der Fäden im Luftspalt wird in der DD-A 218 121 der Zusatz von Polyalkylenether zur Spinnlösung vorgeschlagen. Im US-Patent 5 417 909 wird ein Verfahren beschrieben, das die Lösung unter mittlerer bis hoher Scherung in den Spinnkapillaren verformt, die Lösungsstrahlen in einem kurzen Luftspalt unter mittlerer bis hoher Dehngeschwindigkeit verformt, die Cellulose ausfällt und die Fäden bzw. Fadenschar über einen Spinntrichter im Gleichstrom erfaßt und transportiert. Der relativ kurze Luftspalt wirkt dem Verkleben entgegen und gestattet das Spinnen mit Kapillardichten bis 3 K/mm².

Die WO 96/20300 beschreibt die Zusammenhänge, die sich aus dem Abstand zwischen zwei Spinnkapillaren und dem Weg zwischen Spinndüse und Bündelungselement einerseits und dem Luftspalt anderseits ergeben und beansprucht eine Vorrichtung zum Abziehen von Cellulosefasern unter einem Winkel < 45°. In der EP-A 0 832 995 wird schließlich eine Vorrichtung mit schwenkbarem Bündelungselement beansprucht, die gewährleistet, daß bei kleinem Luftspalt der Winkel zwischen den äußersten Filamenten und der Mittelsenkrechten auf der Düse 20° nicht übersteigt.

Zum Erhöhen der Kapillardichte beanspruchen die EP-A 0 584318 und 0 671492 das Anblasen der Fäden im Luftspalt bzw. eine Vorrichtung zum Zuführen der Kühlgase. Im EP 795052 wird zum Kühlen die Verwendung von Luft mit definiertem Wassergehalt vorgeschlagen. Die WO 94/28218 beansprucht ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Anblasung im Luftspalt und die WO 96/21758 schließlich das Anblasen in zwei Zonen.

Alle Verfahren und Vorrichtungen verfolgen das Ziel, beim Spinnen von Fasern mit einem hinreichenden Luftspalt und einer möglichst großen Spinndüse hoher Kapillardichte eine sehr gute Spinnsicherheit zu erlangen. Beim Erspinnen von Cellulosefilamentgarnen sind die Forderungen hinsichtlich Kapillardichte geringer, die feinheitsbedingte Begrenzung der Düsengröße führt aber zu deutlich höheren Anforderungen an die Abzugsgeschwindigkeit. In allen Verfahren steht die berührungslose Führung der Filamente durch einen Luftspalt, ein Abkühlen und/oder oberflächliches Ausfällen der Cellulose im Luftspalt durch Anblasen mit feuchten Gasen und die Länge des Luftspaltes im Vordergrund. Der Weg, den der Faden im Spinnbad zurücklegen muß und die dadurch bedingte Reibungkraft, bleibt weitgehend unberücksichtigt. So führt das Schwenken des Bündlungselementes im EP-A 0 832 995 zu einer deutlichen Vergrößerung des Spinnbadweges beim Veringern des Winkels zwischen den Filamenten. Teilweises Ausfällen der Cellulose im Luftspalt durch Anblasen mit feuchter Luft erschwert die Orientierung erheblich. Nur im USP 5 417 909, wo die Fäden mittels Spinntrichter durch ein in gleicher Richtung strömendes Bad geführt werden, trägt man diesem Umstand Rechnung. Die Reibungskraft Faden/Spinnbad nimmt aber mit dem Weg und der Fadengeschwindigkeit signifikant zu und führt zu einer Abnahme der mechanischen Faserwerte. Beim Erspinnen von Fasern versucht man diesen Umstand durch geringe Abzugsgeschwindigkeiten auszugleichen. Beim Erspinnen von Filamentgamen nach USP 5 868 985 wird eine in Fadenrichtung strömende Fällbadstrecke von 0,5 - 8 cm vorgeschlagen, um mit hohen Abzugsgeschwindigkeiten arbeiten zu können. Diese Anordnung arbeitet mit einem Luftspalt von 18 cm, ist nur für ein Einfachspinnen mit sehr geringen Kapillardichten, nach den Beispielen nur für Monofile, geeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, durch die bei hoher Kapillardichte, Spinnsicherheit und Abzugsgeschwindigkeit das Erspinnen von Fasern und das Mehrfschspinnen von Filamentgamen mit guten mechani^¬ schen Fasereigenschaften möglich ist. Insbesondere soll die Gleichmäßigkeit und Gleichheit der Volumenströme durch jede Düse gegenüber den bekannten Verfahren gesteigert werden. Ferner sollen die genannten Ziele ohne das Anblasen der extrudierten Kapillaren im Luftspalt durch Kühlluft oder dergl. erreicht werden. Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Dispersion in Stufe b) in eine Lösung mit einer Relaxationszeit in dem Bereich von 0,3 bis 50 s bei 85°C überführt und die Lösung in der Stufe c) durch eine der bzw. den Düse(n) gemeinsame Anströmkammer leitet, in der ihre Verweilzeit wenigstens gleich ihrer Relaxationszeit bei der Spinntemperatur ist. Die bevorzugte Relaxationszeit bei 85°C liegt in dem Bereich von 1 bis 5 s.

Spinnlösungen von Cellulose in einem Wasser enthaltenden Aminoxid besitzen ein stark ausgeprägtes viskoelastisches Verhalten. Das hat zur

Folge, daß ein erheblicher Teil der zum Transport bzw. zur Verformung der Spinnlösung im Spinnkanal notwendigen Energie elastisch gespeichert wird und nach Aufheben des äußeren Zwanges während der Relaxationszeit zu einer Rückverformung führt. Durch die die Relaxationszeit λ überstei- m gende Verweilzeit in der Anströmkammer tritt vollständige Relaxation ein und damit liegt oberhalb jeder Düse die Nullscherviskosität vor, und der anliegende Druck führt zu einem gleichen Volumenstrom durch jede Düse.

Die Bestimmung der Relaxationszeit aus rheologischen Daten der Celluloselösung ist in der Literatur ausführlich beschrieben (Ch. Michels, Das Papier, (1998) 1, S. 3-8). In der Praxis liegen bei den Lösungen Relaxationszeitspektren vor, da die Cellulose eine Verteilung der Molmassen aufweist. In Figur 1 sind die Relaxationszeitspektren, d.h. die relative Häufigkeit H* der Relaxationszeit λ von vier Lösungen unterschiedlicher Zellstoffe dargestellt. Die Relaxationszeit λ ist die beim rela- m tiven Häufigkeitsmaximum vorliegende Relaxationszeit.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unterwirft man den Zellstoff bzw. die Zellstoffmischung einer enzymatischen Vorbehandlung. Hierdurch nimmt bei bestimmten Zellstoffen die Uneinheit- lichkeit der Molmasseverteilung ab. Bei einem Fichtensulfit-Zellstoff wird z.B. die bimodale Verteilung in eine monomodale Verteilung umgewandelt. Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man zum Herstellen der Zellstoffmischung zunächst einen Zellstoff mit einem Cuoxam-DP in dem Bereich von 600 bis 3000 in Wasser dispergieren, anschließend einen Zellstoff mit einem Cuoxam-DP in dem Bereich von 250 bis 600 zusetzen und ebenfalls dispergieren und dann die Zellstoffmischung nach Abtrennung von Wasser pressfeucht in Stufe a) einsetzen. Durch die Zumischung eines hochmolekularen Zellstoffanteils kann das Relaxationszeitmaximum erhöht werden, wodurch eine Vergrößerung der Spaltbreite möglich wird, wie weiter unten noch näher dargelegt wird.

Zweckmäßigerweise führt man die extrudierten Kapillaren einzeln und weitgehend parallel durch das nicht-ausfällende Medium und dann durch eine weniger als 20 cm lange Fällbadstrecke. Dabei sind die Spinndüsen und weiter unten noch näher erläuterte Fadenleitelemente so angeordnet, daß die Fäden ohne gegenseitige Berührung im wesentlichen parallel durch die kurze Fällbadstrecke geleitet werden und die Reibung zwischen Faden und Fällbad signifikant vermindert wird. Vorzugsweise ist die Fällbadstrecke kleiner als 5 cm. Die Fällbadmenge, die sich zum Fällen und Transportieren der Fäden im Umlauf befindet, ist mit 1,5 bis 7 1/Düse gering.

Vorzugsweise lenkt man die CeUulosefaden in der Stufe e) um einen

Winkel ß > 10° aus den Fällbadströmen ab und zieht die Fäden mit einer

Fadenspannung von maximal 5 cN/tex ab. Die Fäden trennen sich durch das

Ablenken um den Winkel ß von den laminaren fallenden Fällbadströmen und werden durch die Abzugsgalette unter dieser Fadenspannung erfaßt und auf die gewünschte Abzugsgeschwindigkeit v eingestellt. Der abgezogene Faden a kann einzeln als Filamentgarn gewaschen, aviviert und getrocknet werden oder über Fadenführer zum Fadenkabel vereinigt, gewaschen, geschnitten und als Faser gewaschen, nachbehandelt aviviert und getrocknet werden.

Die Aufgabe wird ferner bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß oberhalb der Spinndüsenplatte mit den in einer oder mehreren Reihen oder Gruppen angeordneten Spinndüsen eine gemeinsame Anströmkammer angeordnet ist , deren Volumen der Beziehung

V > v_τ - A ( I)

L m '

3 . genügt, worin V das Volumen der Anströmkammer in cm , v, den Volumen-

3 ström der Celluloselösung in cm /s und λ die Relaxationszeit der Spinnlösung am Häufigkeitsmaximum des Relaxationszeitspektrums in s bedeuten.

Die Relaxationszeit λ ist eine für die Lösung spezifische Größe, deren m

Ermittlung in dem genannten Aufsatz von Ch. Michels, insbesondere in dem Absatz "Versuchsdurchführung" auf den Seiten 3 und 4 beschrieben ist. Die dortige Beschreibung wird ausdrücklich in die Offenbarung dieder Anmeldung aufgenommen. Bei dieser Dimensionierung des Kammervolumens erreicht die Gleichmäßigkeit des Volumenstroms der Spinnlösung, die über eine Spinnpumpe zwei oder mehreren der genannten Spinndüsen zugeführt wird, ein Optimum.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Luftspaltes und die Relaxationszeit der Spinnlösung die Beziehung erfüllen:

in der a die Spaltbreite in mm, λ die Relaxationszeit der Spinnlösung am Häufigkeitsmaximum des Relaxationszeitspektrums in s und v die Abzugs-

3. geschwindigkeit in m/min bedeuten. Wie aus der Beziehung ersichtlich ist, besteht zwischen der Relaxationszeit λ und der Luftspaltbreite eine Korrelation derart, daß mit zunehmender Relaxationszeit λ die Luftspalt- m breite vergrößert werden kann, ohne daß die Kapillardichte der Düse oder die Abzugsgeschwindigkeit verringert werden muß oder die Spinnsicherheit beeinträchtigt wird. Bei gegebenem Kapillardurchmesser kann daher mit zunehmender Relaxationszeit der Luftspalt vergrößert werden, d.h. der für eine hohe Faserqualität bei guter Spinnsicherheit (geringe Dehngeschwindigkeit, keine Verklebungen das Kapillaren) erforderliche Luftspaltbreite kann über die Relaxationszeit der Lösung eingestellt werden.

Vorzugsweise genügen die Dimensionierungen der Spinndüsen, der Spaltbreite und der Fällbadstrecke der Beziehung

^a+W -AD (III) w

in der x der Abstand zwischen zwei benachbarten Düsenlöchern, a die Luftspaltbreite, w die Länge der Fällbadstrecke und D den Düsenlochdurchmesser bedeuten. Zur näheren Erläuterung der einzelnen Größen wird auf die Figur 6 hingewiesen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Boden des oberen Badbehälters vorzugsweise aus Keramik bestehende Fadenleitelemente eingesetzt. Diese Fadenleitelemente stellen Durchbrechungen des Behälterbodens dar, durch die die ausgefällten Fadenscharen zusammen mit Fällbadströmen den oberen Fällbadbehälter verlassen. Die Fadenleitelemente führen zu einem Abfluß des Fällbades in laminaren Teilströmen, die die einzelnen Fadenbündel selbständig erfassen und beschleunigen. Spinndüsen und Fadenleitelemente haben zweckmäßigerweise die gleiche Anordnung. Die Fäden können ohne gegenseitige Berührung die Fällbadstrecke passieren und nahezu parallel von der Abzugsgalette bzw. Abzugswalze aufgenommen werden. Zweckmäßigerweise sind die Fadenleitelemente in Reihen oder Gruppen angeordnet. In der Düsenplatte sind Spinnhütchen z.B. mit einem Durchmesser von 12,5 oder 20 mm in einer (vorzugsweise Filamente) oder mehreren Reihe(n) (vorzugsweise Fasern) so angeordnet, daß die Projektion der Fäden jeweils auf eine Linie führt und die Fäden nahezu parallel von der Abzugswalze bzw. -galette aufgenommen werden können. Beim

2 Faserspinnen sind z.B. auf 90 bzw. 250 mm Düsenfläche pro Hütchen vorzugsweise 360 bzw. 1020 oder mehr' Kapillaren angeordnet. Die Kapillar-

2 dichte liegt damit bei etwa 4/mm oder mehr.

Zweckmäßigerweise besitzen die Spinndüsen eine Hütchenform und ist die mit den Spinnkapillaren besetzte Düsenfläche gleich oder kleiner als die Eintrittsfläche der Fadenleitelemente. Hierdurch werden die Fäden im wesentlichen parallel zueinander ohne gegenseitige Berührung durch das Fällbad transportiert.

Vorzugsweise haben die Fadenleitelemente ein Verhältnis der Durch^¬ messer von Eintrittsfläche und Austrittsfläche E/e ≥ 1 und ist ihre Kante am Austritt abgerundet. Diese Fadenleitelemente kommen vorzugsweise für die Faserherstellung zum Einsatz. Sie erstrecken sich im allgemeinen wenigstens über die gesamte Dicke des Behälterbodens. Sie haben eine Höhe h von 2 bis 20 mm.

Bei einer anderen Ausführungsform weisen die Fadenleitelemente ein Verhältnis von Höhe zu lichtem Durchmesser der Austrittsfläche h/e < 1 auf und sind ihre Kanten am Ein- und Austritt abgerundet. Diese Fadenleitelemente kommen für die Filamentgarnherstellung zum Einsatz und haben im allgemeinen eine Höhe von h von 2 bis 5 mm. Der Eintrittsdurchmesser E in das Fadenleitelement oder die zugehörige Bodenplattenöffnung liegt im allgemeinen in dem Bereich von 12 bis 20 mm. Der Durchmesser e auf der Austrittsseite des Fadenleitelements liegt im allgemeinen in dem Bereich von 4 bis 10 mm. Die Oberflächenstruktur der Fadenleitelemente ist so beschaffen, daß zwischen ihren Oberflächen und dem passierenden Faden und Fällbad minimale Reibung entsteht. Diesem Ziel dienen auch die abgerundeten Kanten.

Vorzugsweise weist der obere Badbehälter eine ZulaufÖffnung auf, der eine Beruhigungskammer vorgeschaltet ist. Die Beruhigungskammer kann z.B. eine mit Füllkörpern gefüllte Strömungsstrecke und eine anschließende füllkörperfreie, d.h. leere Strömungsstrecke umfassen. In der Beruhigungskammer wird das umgepumpte Fällbad soweit verlangsamt, daß es im wesentlichen laminar in den Fällbadbehälter eintritt.

Zweckmäßigerweise hat der obere Fällbadbehälter wenigstens einen Überlauf, dessen Überlaufhöhe einstellbar ist. Durch die Verschiebung des oder der Überlaufe in vertikaler Richtung kann die Fallbadstrecke verändert werden, wodurch sich weitere Vorteile, insbesondere beim Anspinnen ergeben.

Vorzugsweise ist ferner die Position des oberen Fallbadbehalters gegenüber dem Spinnpaket vertikal verstellbar. Hierdurch und auch durch Verschiebung des Überlaufs in vertikaler Richtung kann die Luftspaltbreite verändert werden.

Ferner kann die unterhalb des oberen Fallbadbehalters angeordnete Abzugsgalette vertikal und/oder horizontal verstellt werden. Hierdurch kann insbeondere der Winkel ß der Ablenkung der Faden aus den fallenden Fallbadstromen verändert werden.

Das erfindungsgemaße Verfahren und die Vorrichtung werden nun an Hand der Zeichnung und durch die Beispiele naher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine graphische Darstellung des Relaxationszeitspektrums für vier verschiedene Celluloselosungen;

Figur 2 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchfuhrung des erfmdungsgemaßen Verfahrens;

Figur 3 die schematische Draufsicht der in Figur 2 gezeigten Vorrichtung;

Figur k einen Axialschnitt einer Ausfuhrungsform des Fadenleitelements bevorzugt für die Fasererspmnung;

Figur 5 einen Axialschnitt einer weiteren Ausfuhrungsform des Faden- leitelements bevorzugt für die Filamenterspinnung; und

Figur 6 eine geometrische Darstellung des Spinnvorgangs zur Erläuterung einzelnen geometrischen Großen der Beziehung (III). Figur 1 zeigt die relative Häufigkeit H* über der Relaxationszeit von vier Celluloselösungen in wässr. N-Methylmorpholin-N-oxid aus unterschiedlichen Zellstoffen, deren Einzelheiten aus der in Figur 1 enthaltenen Tabelle ersichtlich sind. Darin bedeuten Λ die Relaxationszeit am m

Häufigkeitsmaximum in s, DP den Polymerisationsgrad (Cuoxam), η₀ die Nullscherviskosität der Lösung in Pa«s und c die Cellulosekonzentration der Lösung in %. Die in den Beziehungen (I) und (II) angegebene Relaxationszeit λ , die mit der Luftspaltbreite korreliert, ist die beim relativen m ^

Häufigkeitsmaximum vorliegende Relaxationszeit. Die Lösung p9915102 enthält eine Zellstoffmischung, bei der die Relaxationszeit eines Fichten- Sulfitzellstoffs (Cuoxam-DP 470; = 1,6 s) durch Zumischen eines hochmolekularen Zellstoffanteils auf λ = 2,1 s angehoben wurde.

Figur 2 zeigt die Spinnvorrichtung mit einem oberen Fällbadbehälter 1, einem unteren Fällbadbehälter 2 und einem Spinnpaket 3. Das Spinnpaket 3 umfaßt eine Stützplatte mit Filter 4, eine Anströmkammer 5 und mehrere Spinndüsen 6, die austrittsseitig von der Fällbadoberfläche 7 einen den Luftspalt bildenden Abstand haben. Der Boden 10 des oberen Fällbadbehälters 1 ist verstärkt ausgebildet und entsprechend der Anordnung der Düsen 6 mit mehreren Fadenleitelementen 11 bestückt, durch die die Fadenbündel 12 zusammen mit Fällbadströmen aus dem Behälter 1 austreten.

Unterhalb des Behälters 1 ist eine vertikal und horizontal verschieb- liche Abzugsgalette 13 angeordnet, die die Fadenbündel aller Fadenleitelemente 11 aus den Fällbadströmen 14 unter einem Winkel ß ablenkt und unter geeigneter Zugspannung aufwickelt. Die Fällbadströme 14 gelangen in den unteren Behälter 2 und werden mittels Pumpe 15 über die Leitung 16 in den oberen Fällbadbehälter 1 zurückgepumpt. Es ist ersichtlich, daß die von den Fadenbündeln 12 passierte Fällbadstrecke w bis an die Stelle unter den Fadenleitelementen 11 reicht, wo sich die Fadenbündel 12 von den Fällbadströmen 14 trennen. Die Leitung 16 mündet zunächst in eine teilweise mit Füllkörpern gefüllte Beruhigungskammer 18, aus der die Fällbadflüssigkeit durch die Öffnung 19 in den Behälter 1 einströmt. Aus der Draufsicht der Figur 3 ist ersichtlich, daß die Fadenleitelemente in dem Boden 10 versetzt angeordnet sind und die Fadenbündel 12 nebeneinander auf die Abzugsgalette 13 auflaufen.

Figur 4 zeigt das aus Keramik bestehende Fadenleitelement 11 für ein Faserbündel. Wie ersichtlich verengt sich der lichte Querschnitt des Elements in Strömungsrichtung. Dies gilt auch für das Fadenelement nach Figur 5, das zur Erfassung eines Filamentgarns vorgesehen ist. Die bevorzugte Abrundung der Kanten der Fadenleitelemente 11 sind in den Figuren nicht dargestellt. Die Fadenbündel trennen sich sogleich nach Passieren der Fadenleitelemente von dem Fällbadstrom.

Figur 6 zeigt schematisch die in der Beziehung (III) enthaltenen geometrischen Größen. Dabei bedeuten die Bezugszahlen 6' zwei Düsenlöcher mit dem Lochdurchmesser D. d bedeutet den mittigen Abstand der Kapillaren auf der Austrittsseite des Düsenloches 6' . x ist der Abstand zwischen den beiden Kapillaren, und d' ist der mittige Abstand der Kapillaren beim Eintritt in das Spinnbad. P ist der Punkt, an dem sich das Faserbündel von dem Fällbadstrom trennt, ß ist der Ablenkwinkel, unter dem diese Trennung erfolgt, ß* ist der (sehr kleine) Winkel zwischen zwei benachbarten Fäden im Fällbad.

Beispiel 1

In einem Rührbehälter werden 0,49 kg eines enzymatisch vorbehandelten Fichtesulfitzellstoff (Cuoxam-DP 580, Trockengehalt 44,9 %) in 2,6 kg NMMO (Trockengehalt 65,0 %), welches 0,44 g Stabilisator enthält, suspendiert und bei 90°C und 500 bis 25 mbar unter Scherung 0,93 kg Wasser abdestilliert. Die entstehende Celluloselösung der Zusammensetzung 10 % Cellulose, 78,5 % NMMO und 11 ,5 % Wasser enthält keine mikroskopisch sichtbaren Partikel und weist nach der Partikelanalyse durch Laserbeugung (vergl. B. Kosan; Ch. Michels Chemical Fibers International 49 [1999] s. 50 - 54) einen Gehalt von 19 ppm mit einem Partikeldurchmesser < 9 μm aus. Die Nullscherviskosität der Lösung betrug 3450 Pas, ihre Relaxationszeit 4,1 s. Über eine Spinnpumpe (1 ,2 ml/U, 25,8 Upm) gelangten 31 ml/min Spinnlösung in den Anströmraum einer Filamentgarnspinnstelle mit 2 in Reihe angeordneten Hütchendüsen von 12,5 mm Durchmesser mit jeweils 30 Spinnkapillaren von 130 μm (L/D = 1 ). Die Verweilzeit im Anströmraum mit 5,4 cm 0 und 0,4 cm Höhe betrug 4,3 λ_m. Die Spinnlösung wurde unter einer Scherung von 39 900 1/s in den Spinn- düsen zur Fadenschar verformt, in einem Luftspalt von 35 mm Länge mit einer Dehngeschwindigkeit von 220 1/s im Verhältnis 12,9 verzogen, die Cellulose im vertikalen Fällbad mit einer Länge von 3,5 cm ausgefällt, die Fäden durch 2 Fadenleitelemente gemäß Figur 5 (e = 5 mm, h = 4 mm) im Boden (E = 13 mm) des oberen Spinnbadkastens transportiert, unter einem Winkel von 40° aus den nahezu laminar stömenden Fällbadstrahlen ausgelenkt, parallel unter einer Fadenspannung von - 2, 5 cN/tex der Abzugsgalette zugeführt, mit einer Geschwindigkeit von 500 m/min abgezogen und anschließend unter einer Fadenspannung < 1 ,25 cN/tex gewaschen, getrocknet, aviviert und aufgespult.

Die Filamentgarne sind durch folgende Parameter gekennzeichnet: Feinheit 40 dtex (30)

Reißfestigkeit 43,7 cN/tex

Variationskoeffizent 2,3 % Reißdehnung 8,5 %

Knotenreißkraft 34,1 cN/tex Uster (träge) 0,1 %

Beispiel 2

0,18 kg eines Baumwoll-Linters-Zellstoff (Cuoxam-DP 1907) werden mit einem Leitstrahlmischer im Verhältnis 1 :20 mit Wasser unter Scherung aufgeschlagen. Zur homogenen Suspension gibt man unter weiterer Scherung langsam 4,20 kg eines Fichtesulfitzellstoffes (Cuoxam-DP 450). Über eine Saugpresse trennt man die Cellu- losemischung ab.

In einen Rührbehälter trägt man die Cellulosemischung und 30,42 kg NMMO (Trockengehalt 84 %), dessen Alkalität durch Zugabe von NaOH auf einem pH-Wert von 11 ,2 eingestellt war, ein. Unter Temperatur, Vakuum und Scherung werden 7,69 kg Wasser abdestilliert , wobei die Suspension in eine klare Lösung der Zusammensetzung 13,0 % Cellulose, 75,9 % NMMO und 11 ,1 % Wasser mit einer Nullscherviskosität von 3850 Pas und einer Relaxationszeit von 3,1 s übergeht. Über eine Spinnpumpe (4,8 ml/U, 32,7 Upm) gelangten 157 ml/min Spinnlösung in den Anströmraum einer Filamentgamspinnstelle mit 4 in Reihe angeordneten Hütchendüsen von 20 mm 0 mit jeweils 90 Spinnkapillaren von 120 μm (IJD ~ 1 ). Die Verweilzeit im Anströmraum von 13,0 x 4,0 x 0,35 cm betrug 2,3 λ_m. Die Spinnlösung wurde unter einer Scherung von 42 900 1/s in den Spinndüsen zur Fadenschar verformt, in einem Luftspalt von 28 mm Länge und einer Dehngeschwindigkeit von 245 1/s im Verhältnis 11 ,7 verzogen, die Cellulose in einer vertikalen Fällbadstrecke von 4,0 cm ausgefällt, durch 2 Fadenleitelemente gemäß Figur 5 (e = 7mm, h = 4 mm) im Boden (E = 18 mm) des oberen Spinnbadkastens transportiert, unter einem Winkel von 50° aus den Fällbadströmen ausgelenkt, parallel unter einer Fadenspannung von ~ 3 cN/tex einer Abzugsgalette zuführt, mit 450 m/min abgezogen und anschließend unter einer Fadenspannung < 1 ,5 cN/tex gewaschen, getrocknet, aviviert und aufgespult.

Das Filamentgam hatten folgende Eigenschaften: Feinheit 150 dtex f (90)

Reißfestigkeit 41 ,7 cN/tex

Variationskoeffizent 3,2 % Reißdehnung 9,1 %

Knotenreißkraft 28,9 %

Uster (träge) 0,1 %

Beispiel 3

7,66 kg/h enzymatisch aktivierter und stabilisierter Fichtesulfitzellstoff (Cuoxam-DP 480, Trockengehalt 50,0 %) und 29,0 kg/h N-Methylmorpholin-N-oxid (NMMO, Trockengehalt 84,0 %) werden kontinuierlich einem beheizten CO-ROTATING- PROCESSOR 25 CONTI (LIST AG ARISDORF) zugeführt und zu einer homogenen Maische dispergiert. Diese gelangt über eine Maischedosierpumpe in den beheizten Löser vom Typ DISKOTHERM B 63 CONTI (LIST AG ARISDORF), wo bei Massetemperaturen von 90°C und 20 mbar Vakuum unter 4,7 kg/h Wasserentzug 27,0 l/h homogene Celluloselösung der Zusammensetzung 12,0 % Cellulose, 76,3 % NMMO und 11 ,7 % Wasser entstehen. Die Lösung hat eine Nullscherviskosität von 3100 Pas und eine Relaxationszeit 1 ,9 s bei 85°C.

Über eine Spinnpumpe (9,6 ml/U, 47 Upm) passieren 451 ml/min Spinnlösung mit 85°C Massetemperatur das Düsenfilter und gelangen über einen Anströmraum von 9,2 x 6,2 x 0,8 = 45,6 cm³ (Verweilzeit t ≡ 3 λ_m) zu 13 in 3 Reihen angeordneten Spinnhütchen mit jeweils 350 Spinnkapillaren von 100 μm Durchmesser. Unter einer Scherrate von 16 850 1/s wird die Lösung in den 4550 Düsenkanälen verformt, in einem Luftspalt von 20 mm mit einer Dehngeschwindigkeit von 90 1/s im Verhältnis 9,5 verzogen, die Cellulose in einem Spinnbad mit 6 cm Badstrecke gefällt, unter einem Winkel von 35° die Fäden von den laminaren Fällbadströmen abgetrennt und mit einer Abzugsgeschwindigkeit von 120 m/min mittels Abzugsgalette der Nachbehandlung und Trocknung zugeführt.

Im Boden des Spinnbadkastens waren analog der Hütchenanordnung in der Düsenplatte 13 Fadenleitelemente gem. Figur 4 mit E = 13 mm ; e = 9 mm und h = 20 mm aus Keramik eingesetzt.

Die erhaltenen Stapelfasern hatten folgende mechanische Eigenschaften: Feinheit dtex 1 ,3

Reißfestigkeit tr. cN/tex 43,5

Reißfestigkeit naß cN/tex 36,5

Reißdehnung tr. % 14,5

Reißdehnung naß % 15,1

Schlingenreißkraft cN/tex 15,6

Schnittlänge mm 38

Beispiel 4

0,23 kg eines hochmolekularen Fichtesulfitzellstoffes (Cuoxam-DP 1100) werden in einem Turbomischer im Verhältnis 1 :16 mit Wasser aufgeschlagen. Zur homogenen Suspension gibt man in kleinen Portionen 4,45 kg eines Fichtesulfitzellstoffes mit einem Cuoxam DP von 480 und schlägt weiter auf. Die homogene Zellstoffmischung trennt man über eine Siebbandanlage vom Wasser und erhält 9,36 kg Zellstoff mit einem Trockengehalt von 50 %. Diese Zellstoffmischung dosiert man während 1 Stunde gemeinsam mit 35,9 kg NMMO (Trockengehalt 84 %), welches gleichzeitig 10 g eines Stabilisators enthält in einen beheizten CO-ROTATING-PROCESSOR 25 CONTI (LIST AG ARISDORF) und dispergiert unter gleichzeitigen Wasserentzug von 2,26 kg zu einer homogenen Maische. Über eine Maischedosierung gelangen 43,0 kg/h Maische in den beheizten Kneter vom Typ DICKOTHERM B 63 CONTI (LIST AG ARISDORF), wo bei Massetemperaturen von 93°C und 22 mbar Vakuum unter 4,0 kg/h Wasserentzug 39 kg/h homogene Celluloselösung der Zusammensetzung 12,0 % Cellulose, 77,3 % NMMO und 10,7 % Wasser entstehen. Die Lösung besitzt eine Nullscherviskosität von 3750 Pas und eine Relaxationszeit von 2,1 s. Aus der Lösung ausgefällte Cellulose hat einen Cuoxam-DP von 506. Über eine Spinnpumpe (9,6 ml/U, 57 Upm) passieren 547 ml/min Spinnlösung von 85°C Massetemperatur das Düsenfilter und gelangen über einen Anströmraum von 9,2 x 6,2 x 0,8 = 45,6 cm³ (Verweilzeit t = 2,4 λ_m) zu 5 in 2 Reihen angeordneten Spinnhütchen mit jeweils 1020 Spinnkapillaren von 80 μm Durchmesser. Unter einer Scherrate von 13 770 1/s wird die Lösung in den 5100 Düsenkanälen verformt, in einem Luftspalt von 22 mm mit einer Dehngeschwindigkeit von 67 1/s im Verhältnis 8,8 verzogen, die Cellulose in einem Spinnbad mit 5 cm Badstrecke gefällt, unter einem Winkel 30° die Fäden von den laminaren Fällbadströmen abgetrennt, mit einer Abzugsgeschwindigkeit von 100 m/min abgezogen, zum Fadenkabel vereinigt, gewaschen, zu Stapelfasern geschnitten, nachbehandelt und getrocknet. Im oberen Spinnbadkasten befanden sich 5 Fadenleitelemente gem. Figur 5 angeordnet in 2 Reihen mit h = 20 mm, E = 20 mm und e = 10 mm. Der Transport des gekühlten Fällbades (6 - 8°C) zwischen unterem und oberen Spinnbadbehälter erfolgte über eine Membranpumpe mit ca. 35 l/min. Die Stapelfasern hatten folgende mechanischen Faserparameter:

Feinheit dtex 1 ,7

Reißfestigkeit tr. cN/tex 42,8

Reißfestigkeit naß cN/tex 35,9

Reißdehnung tr. % 15,5

Reißdehnung naß % 15,9

Schlingenreißkraft cN/tex 15,1

Schnittlänge mm 38

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Cellulosefasern oder -filamenten aus Zellstoff nach dem Trocken-Naßextrusionsverfahren mit wässrigen Aminoxiden, insbesondere N-Methylmorpholin-N-oxid als Lösungsmittel, bei dem man a) Zellstoff oder eine Zellstoffmischung mit einem Cuoxam-DP in dem Bereich von 250 bis 3000 in wässrigem Aminoxid dispergiert, b) die erhaltene Dispersion bei erhöhter Temperatur unter Wasserentzug und Scherung in eine homogene Lösung mit einer Nullscherviskosität in dem Bereich von 600 bis 6000 Pa-s bei 85°C überführt, c) die Lösung wenigstens einer Spinndüse zuführt d) die Lösung in jeder Spinndüse zu wenigstens einer Kapillaren verformt und die Kapillare(n) einer jeden Düse unter Verzug durch ein nicht ausfällendes Medium und anschließend unter Ausfällen der CeUulosefaden durch ein Fällbad führt, und e) die CeUulosefaden an dem Ende der Fällbadstrecke durch Ablenkung von den Fällbadströmen trennt und die Fäden abzieht, dadurch gekennzeichnet, daß man die Dispersion in Stufe b) in eine Lösung mit einer Relaxationszeit in dem Bereich von 0,3 bis 50 s bei 85°C überführt und die Lösung in Stufe c) durch eine der bzw. den Düse(n) gemeinsame Anströmkammer leitet, in der ihre Verweilzeit wenigstens gleich ihrer Relaxationszeit bei der Spinntemperatur ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Zellstoff bzw. die Zellstoffmischung einer enzymatischen Vorbehandlung unterwirft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Herstellen der Zellstoffmischung zunächst einen Zellstoff mit einem Cuoxam-DP in dem Bereich von 600 bis 3000 in Wasser dispergiert, anschlies- send einen Zellstoff mit einem Cuoxam-DP in dem Bereich von 250 bis 600 zusetzt und dispergiert und dann die Zellstoffmischung nach Abtrennung von Wasser pressfeucht in Stufe a) einsetzt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kapillaren einzeln und weitgehend parallel durch das nicht ausfällende Medium und dann durch eine weniger als 20 cm lange Fällbadstrecke führt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die CeUulosefaden in Stufe e) um einen Winkel ß> 10° aus den Fällbadströmen ablenkt und mit einer Fadenspannung von maximal 5 cN/tex abzieht.

6. Vorrichtung zur Herstellung von Cellulosefasern oder -filamenten aus Zellstoff nach dem Trocken-Naßextrusionsverfahren mit wässrigen Aminoxiden als Lösungsmittel mit einem Spinnpaket (3) mit einer Spinndüsenplatte und Spinndüsen (6), einem Fällbad in zwei durch eine Fällbadpumpe (15) verbundenen Behältern (1,2), einem Spalt (a) zwischen den Spinndüsen (6) und der Fällbadoberfläche (7) in dem oberen der beiden Behälter (1,2), und einer Abzugsgalette (13), dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Spinndüsenplatte mit den in einer oder mehreren Reihen oder Gruppen angeordneten Spinndüsen (6) eine gemeinsame Anströmkammer (5) angeordnet ist, deren Volumen der Beziehung

3 . genüht, worin V das Volumen der Anströmkammer in cm , v_τ den Volumen-

3 ström der Celluloselösung in cm /s und λ die Relaxationszeit am Häufig- m keitsmaximum des Relaxationsspektrums der Spinnlösung bedeuten.

7. Vorrichtung zur Herstellung von Cellulosefasern oder -filamenten aus Zellstoff nach dem Trocken-Naßextrusionsverfahren mit wässrigen Aminoxiden als Lösungsmittel, mit einem Spinnpaket (3) mit einer Spinndüsenplatte mit Spinndüsen (6), einem Fällbad in zwei durch eine Fällbadpumpe (15) verbundenen Behältern (1,2), einem Spalt (a) zwischen den Spinndüsen (6) und der Fällbadoberfläche (7) in dem oberen der beiden Behälter (1,2) und einer Abzugsgalette (13), dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Spaltes (a) und die Relaxationszeit der Spinnlösung die Beziehung

erfüllen, in der a die Spaltbreite in mm, λ die Relaxationszeit am Häufigkeitsmaximum des Relaxationsspektrums der Spinnlösung und v die Abzugs-

SL geschwindigkeit in m/min bedeuten.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionierungen der Spinndüsen (6), der Spaltbreite (a) und der Fällbadstrecke (w) der Beziehung

_{X >}_±_._4D (HI)

^— w

genügen, in der x den Abstand zwischen zwei benachbarten Düsenlöchern (6'), a die Luftspaltbreite, w die Länge der Fällbadstrecke und D den Düsenloch- durchmesser bedeuten.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den Boden (10) des oberen Badbehälters (1) vorzugsweise aus Keramik bestehende Fadenleitelemente (11) eingesetzt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenleitelemente (11) in Reihen oder Gruppen angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spinndüsen (6) Hütchenform besitzen und die mit den Spinnkapillaren besetzte Düsenfläche gleich oder kleiner als die Eintrittsfläche der Fadenleitelemente (11) ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenleitelemente (11) ein Verhältnis der Durchmesser von Eintritsflache und Austrittsfläche E/e≥l aufweisen und ihre Kante am Austritt abgerundet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenleitelemente (11) ein Verhältnis von Höhe zu lichtem Durchmesser der Austrittsfläche h/e < 1 aufweisen und ihre Kanten am Ein- und Austritt abgerundet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Badbehälter (1) eine ZulaufÖffnung (19) aufweist, der eine Beruhigungskammer (18) vorgeschaltet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Badbehälter (1) wenigstens einen Überlauf (9) hat, dessen Überlaufhöhe einstellbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des oberen Fällbadbehälters (1) gegenüber dem Spinnpaket (3) vertikal verstellbar ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die unterhalb des oberen Fällbadbehälters (1) angeordnete Abzugs- galette (13) vertikal und/oder horizontal verstellbar ist.