DE10019342B3

DE10019342B3 - Verfahren zur Verfestigung von Faser- und/oder Filamentvliesen

Info

Publication number: DE10019342B3
Application number: DE10019342A
Authority: DE
Inventors: Ullrich Steinbach; Beate Dr. Platzer; Margot Brodtka; Holger Erth; Wolfgang Möschler; Petra Franitza; Wolfgang Schilde
Original assignee: Saechsisches Textilforschungsinstitut STFI eV
Current assignee: Truetzschler Nonwovens GmbH
Priority date: 1999-07-16
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2020-03-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem der Einsatz von gasförmigen Arbeitsmedien zur Verfestigung von Vliesen einem wesentlich höheren Verbindungseffekt und eine effektivere Herstellung von verfestigten Vliesstoffen gegenüber dem Stand der Technik ermöglicht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren befinden sich die Strahlen in einem kritischen Ausströmzustand und weisen zur Erreichung maximaler Impulswirkung beim Auftreffen auf die Faser-/Filamentoberfläche eine Dichte von 2-5 kg/m·3· und eine Geschwindigkeit auf, die der dem Ruhedruck und der Ruhetemperatur des Gases entsprechenden kritischen Geschwindigkeit gleichkommt, und welche durch Düsen erzeugt werden, deren Querschnitt über die gesamte Düsenlänge konstant ist oder sich zum Düsenaustritt reduziert, wobei der kleinste Düsenquerschnitt sich am Düsenaustritt befindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verfestigung von Faser- und/oder Filamentvliesen durch Beaufschlagung des Vlieses mit Strahlen gasförmiger Medien für die Herstellung von bindemittelfreien, leichten und saugfähigen Vliesstoffen.

Es sind bereits Verfahren zur Verfestigung von Vliesen unter Nutzung von fluiden Medien (Wasserstrahlen, Luft bzw. Dampf) bekannt. Die Verfestigung mittels Wasserstrahlen wird industriell angewendet. Die Nutzung von Luft, Dampf bzw. auch Aerosolen ist großtechnisch noch nicht realisiert worden, da die in Patentschriften angegebenen technischen Parameter nicht zu ausreichenden Verfestigungseffekten führten. Dies trifft z. B. auf die vorgeschlagene Behandlung von Vliesen mit Luft bei stoßförmiger Einwirkung oder aus oszillierenden Düsen gemäß US 3 120 463 und 3 3 57 074 zu, wobei konkrete Werte von Druck, Geschwindigkeit und Temperatur des Mediums fehlen. Die Anwendung oszillierender Luftdüsen soll den Coanda-Effekt vermeiden, erniedrigt jedoch den energetischen Wirkungsgrad und ist zur ausreichenden Gesamtverfestigung nicht geeignet.

Die Verwendung von Heißluft und Dampf (überhitzt oder Sattdampf) zielt nach US 3 276 944 , 3 360 421, 3 510 389, 3 441 468, 3 616 471, 3 669 788, 3 943 613 und 4 011 124 auf die thermische Verfestigung oder Schrumpfung spezieller Vliesarten aus Faserpolymeren wie Celluloseester, Polypropylen und Polyester ab, so dass die betreffenden vorgeschlagenen Verfahren keine universellen Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.

In gleicher Weise trifft das auf Verfahren zu, welche die Behandlung von melt-blown – Fasern mit Gasströmen und Gasstrahlen zur Verstreckung, Ablage und gegebenenfalls anschließender Verfestigung beinhalten. US 4 100 324 beschreibt die Einwirkung von zwei vertikal zueinander gerichteter Gasströme auf diesen Fasertyp, wobei der zur Verwirbelung und Verfestigung der melt-blown – Schichten verwendete sogenannte Sekundärstrom mit geringem Druck- und Geschwindigkeitsniveau wirkt. Die EP 0 608 883 beansprucht für die Verstreckung von melt-blown – Fasern und deren Ablage auf einer Sammeleinrichtung die Verwendung von Heißluft hoher Geschwindigkeit, und in US 4 078 124 dienen Heißluft-Strahlen zur thermischen Verfestigung solcher Fasern.

In einigen anderen Patenten wird die Anwendung von Luftströmen und -strahlen für Filamentverteilung und -ablage bei der Herstellung von Spinnvliesstoffen ( US 3 798 100 , 4 064 605, EP 0 472 208 B1 oder zur thermischen Verfestigung von Filamentvliesen (US 3 949 130,3 975 224 und 4 093 763) beansprucht. Die Verfahren sind wiederum auf diese Vliesart zugeschnitten und begrenzt, da sie u. a. bestimmte Fasergeometrien („endlose" Länge) und Fasereigenschaften (thermoplastisch) voraussetzen.

Zur Verbesserung der im Vergleich zu Wasserstrahlen viel geringeren Impulswirkung von Luftstrahlen wird in US 3 751 767 eine Lavaldüse erfindungsgemäß offengelegt, mit der aber trotz > 1,5-father Schallgeschwindigkeit und tiefgekühlter Luft von < –75°C nur eine Vliesverdichtung und keine hinreichende Verfestigung erzielt wird. Darüber hinaus ist die technische Anwendbarkeit wegen der benötigten großen Leistung der Kühlvorrichtung nicht gegeben.

Das in DE 3 616 196 A1 beanspruchte Verfahren, mit dem aus senkrecht zu einander angeordneten Düsenpaaren Luftstrahlen auf Faserbänder wirken, reicht unter den angegebenen Druckbedingungen von 0,5 bis 8 bar nur zur Verflechtung der Randzonen solcher Flächen aus.

Das Verfahren zur Verdichtung und Verfestigung von Fasergelegen und -matten, vorgeschlagen in DE 3 715 898 A1 , erfordert eine technisch aufwendige Vorrichtung aus einem profilierten, mit Bohrungen für Fluidstrahlen (vorzugsweise Luft) versehenen Walzenpaar. In dessen Kontaktbereich werden die Strahlen mit der Bewegungsgeschwindigkeit der Faserschicht mitgeführt und sollen dabei eine verwirbelte Faserstruktur erzeugen. Die dazu erforderlichen Bedingungen für eine ausreichende Impulskraft der Strahlen (Druck und Geschwindigkeit) bleiben aber unberücksichtigt.

Wesentliches Element eines Verfahrens, beschrieben in EP 0 400 581 , bildet die Kombination kalter oder heißer Luftstrahlen mit einer Absaugvorrichtung unmittelbar unter der Vliesstelle, wo die Luftstrahlen auftreffen. Dabei wird die plötzliche Volumenzunahme des gasförmigen Mediums durch den Druckverlust im Vlies ausgenutzt. Gleichwohl erfolgt auch hier keine Angabe der für das Verfestigungsprinzip relevanten Druck- und anderen Bedingungen.

Schließlich ist die WO 95/06 769 anzuführen. Eine Anordnung voneinander getrennter Strahlen, vorzugsweise Dampf (auch im überhitzten Zustand), verwirbelt und/oder schmilzt Fasern vorgelegter Vliese, die aus wenigstens einer thermoplastischen Komponente zusammengesetzt sind. Die Anwendung des Verfahrens ist also – wie in anderen Fällen – an das Vorhandensein solcher Fasern gebunden. Die Geometrie der Strahlen und ihre Geschwindigkeit beim Düsenaustritt sind an die Wasserstrahltechnologie angelehnt. Damit werden die kritischen Bedingungen im Zustand des Dampfes, auch hinsichtlich Druck und Temperatur, jedoch nicht realisiert.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen, bei dem der Einsatz von gasförmigen Arbeitsmedien zur Verfestigung von Vliesen einem wesentlich höheren Verbindungseffekt und eine effektivere Herstellung von verfestigten Vliesstoffen gegenüber dem Stand der Technik ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beinhalten besonders günstige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Überraschenderweise hat sich bei Prinzipversuchen gezeigt, daß bei Verwendung von Gasstrahlen zur Vliesverfestigung maximale Impulswirkung dann erreicht wird, wenn die Dichte in den Gasstrahlen zwischen 2 und 50 kg/m³ und eine Geschwindigkeit eingestellt wird, die der dem Ruhedruck und der Ruhetemperatur der Gase entsprechenden kritischen Geschwindigkeit gleichkommt.

Durch den Einsatz von gasförmigen Arbeitsmedien wird im Vergleich zur Wasserstrahlverfestigung eine Vereinfachung der Prozeßgestaltung durch Wegfall der Vliesstoff trocknung und der Wasseraufbereitung und somit eine Einsparung an Energieaufwendungen erreicht. Die spezifischen Festigkeiten der Vliesstoffe bei der Verwendung von Gasen als Arbeitsmedium sind unter Berücksichtigung des Druckniveaus annähernd vergleichbar mit denen der Wasserstrahlverfestigung.

Bei der Verwendung von Wasserdampf als Arbeitsmedium werden neben Faserverdichtungen und -verwirbelungen auch thermische Effekte erzielt. Wegen der hohen Sattdampftemperaturen sind dabei hohe Arbeitsgeschwindigkeiten möglich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in
1 das Verfahrensprinzip der Vliesverfestigung mittels Luft oder Wasserdampf in schematischer Darstellung,
2 die Oberfläche eines unverfestigten und eines mit Luft verfestigten Vliesstoffes,
3 die Oberfläche eines mit Wasserdampf verfestigten Vliesstoffes in zwei verschiedenen Vergrößerungen.
Das Verfahrensprinzip der Vliesverfestigung mittels gasförmiger Medien ist in der 1 dargestellt. Das zu verfestigende Faser- und/oder Filamentvlies wird auf einer durchlässigen Transportvorrichtung, die mit einem Drahtgewebe bespannt ist, dem Düsenbalken zugeführt. Möglich ist auch, das Vlies zwischen zwei Drahtgeweben fixiert zuzuführen. Der Düsenbalken enthält eine Vielzahl Düsenbohrungen, deren Querschnitt über die gesamte Düsenlänge konstant ist oder sich zum Düsenaustritt hin reduziert, d.h., der kleinste Düsenquerschnitt befindet sich am Düsenaustritt. Alternativ kann auch eine Breitschlitzdüse eingesetzt werden. Als Arbeitsmedium werden Luft- oder Wasserdampf dem Düsenbalken zugeführt, wobei der Druck und die Temperatur ständig überwacht werden.
Bei der Verwendung von gasförmigen Medien zur Vliesverfestigung strömt der Gasstrahl mit Schallgeschwindigkeit aus der Düse aus, wenn sich der engste Düsenquerschnitt am Düsenaustritt befindet. Druck, Dichte und Temperatur im austretenden Gasstrahl nehmen die sogenannten kritischen Werte an, die sich aus den physikalischen Bedingungen im Ruhezustand ableiten lassen.
Beim Einsatz von Wasserdampf als weiteres mögliches gasförmiges Arbeitsmedium zur Vliesverfestigung wird dieser überhitzt, damit trotz der bei der Entspannung des Dampfes stattfindenden Temperaturabsenkung keine Kondensatbildung im Vliesstoff erfolgt. Bei dieser Verfahrensführung wird erreicht, daß das Vlies kein Wasser aufnimmt und somit keine zusätzliche Trocknung erforderlich ist. Bei der Verwendung von Wasserdampf können außerdem Faser/Filamentverwirbelungen mit thermischen Verfestigungseffekten kombiniert werden.
Die spezifischen Festigkeiten der Vliesstoffe bei der Verwendung von Wasserdampf als Arbeitsmedium sind unter Berücksichtigung des Druckniveaus annähernd vergleichbar mit denen der Wasserstrahlverfestigung.
Beispiel 1:
Ein Polyesterfaservlies mit einer Flächenmasse von 40 g/m² wird mit aus Düsenbohrungen austretenden Druckluftstrahlen beaufschlagt. Die Bohrungen haben einen Abstand voneinander von 1 mm und sind so gestaltet, daß sich der engste Düsenquerschnitt am Düsenaustritt befindet. Der Bohrungsdurchmesser beträgt an der engsten Stelle 0,1 mm. Die aus den Düsen austretenden Luftstrahlen erreichen eine Geschwindigkeit von 320 m/s. Entsprechend dem eingestellten Ruhedruck haben die Luftstrahlen eine Dichte von 37 kg/m³ und der kritische Druck beträgt etwa 27 bar. Bei Arbeitsgeschwindigkeiten von 20 m/min und beidseitiger Beaufschlagung des Vlieses mit der Druckluft werden mittlere spezifische Festigkeiten von ca. 2,5 Nm²/g erreicht. Die Vliesstruktur vor und nach der Verfestigung ist in der 2 dargestellt.
Beispiel 2:
Ein Polypropylenfaservlies mit einer Flächenmasse von 80 g/m², das auch mit niedrigschmelzenden Bindefasern gemischt sein kann, wird mit überhitzten Wasserdampf mit einem Ruhedruck von 10 bar und einer Ruhetemperatur von 495°K beaufschlagt. Der Dampf erreicht beim Durchströmen der Düsen eine kritische Geschwindigkeit von 570 m/s. Die Dichte der komprimierten Gasstrahlen beträgt 2,15 kg/m³. Das Vlies wird verfestigt (Bild 3), die mittlere spezifische Festigkeit beträgt 2,2–2,8 Nm²/g. Eine Trocknung des Vliesstoffes ist nicht erforderlich, da trotz der bei der Expansion des Dampfes beim Durchtritt durch die Düsen erfolgten Abkühlung die zum kritischen Druck zugehörige Sattdampftemperatur nicht unterschritten wird.
Parallel zur Verdrängung und Verdichtung der Fasern infolge der kinetischen Energie der auftreffenden Dampfstrahlen sind Faserverschmelzungen, die erheblich zur Vliesverfestigung beitragen, feststellbar. Die Vliesstruktur ist in der 3 dargestellt.

Claims

Verfahren zur Verfestigung von Faser- und/oder Filamentvliesen durch Beaufschlagung des Vlieses mit Strahlen gasförmiger Medien, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Strahlen in einem kritischen Ausströmzustand befinden und zur Erreichung maximaler Impulswirkung beim Auftreffen auf die Faser-/Filamentoberfläche eine Dichte von 2–50 kg/m³ und eine Geschwindigkeit aufweisen, die der dem Ruhedruck und der Ruhetemperatur des Gases entsprechenden kritischen Geschwindigkeit gleichkommt, und welche durch Düsen erzeugt werden, deren Querschnitt über die gesamte Düsenlänge konstant ist oder sich zum Düsenaustritt reduziert, wobei der kleinste Düsenquerschnitt sich am Düsenaustritt befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium Wasserdampf verwendet wird, dessen Temperatur zur Kompensation der bei der Durchströmung der Düsen stattfindenden Entspannung des Dampfes und der damit verbundenen Beschleunigung um mindestens 40°K über der zum Ruhedampfdruck gehörenden Sattdampftemperatur liegen muß.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung gasförmiger Arbeitsmedien mit einer Temperatur über 350°K zusätzlich zur mechanischen Verfestigung auch thermische Verfestigungs- und Schrumpfeffekte bei Verwendung geeigneter Faser-/Filamentmaterialien erzielt werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfestigungsverfahren gleichzeitig zur Strukturierung oder Oberflächenmodifizierung textiler Flächengebilde genutzt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung günstiger Verfestigungseffekte gitterartige oder andere durchbrochene Strukturen zwischen Düsenaustritt und zu verfestigendem Material angeordnet sein können.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch einzelne Fasern bzw. Filamente an ein Vlies bzw. anderes textiles Flächengebilde gebunden werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur gleichzeitigen Vliesbildung und Vliesverfestigung genutzt werden kann.