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Vorrichtung zur Herstellung von Stapelfasern aus organischen Stoffen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung von Stapelfasern
aus organischen Stoffen, wobei eine flache Schleudertrommel mit am Umfang in Kreisabständen
angeordneten Austrittsdüsen und mit am Außenmantel angeordneten, quer zur Schleuderebene
wirkenden Windflügeln verwendet wird.
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Hauptsächlich aus der Technik der Glasfasererzeugung ist es bekannt,
eine Glas- oder Mineralschmelze mittels Schleudertrommeln zu verspinnen, die am
Umfang in Kreisabständen angeordnete Austrittsdüsen aufweisen. Nach einem dieser
Verfahren wird das faserbildende Material auf eine Spinnscheibe aufgegeben, von
der es in unregelmäßigen Strahlen nach außen in die Bahn eines starken Luft-oder
Dampfstrahles geschleudert wird, um dadurch die einzelnen Strahlen in Fasern zu
zerreißen. Die auf diese Weise erhaltenen Fasern sind.kurz, unregelmäßig und häufig
von Ausschuß durchsetzt. Nicht selten tritt auch durch die Einwirkung der Luft auf
das faserbildende Material eine vorzeitige Erstarrung ein. Solche Vorrichtungen
sind auch weder bestimmt, noch geeignet zur Herstellung von Faserbahnen, für welche
die Fasern so beschaffen sein müssen, daß sie zu Vliesen mit wahllos ineinander
gelagerten Fasern verarbeitet werden können.
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Zur Herstellung von künstlichen Seidenfäden hat man auch schon die
Spinnmasse durch Düsen und Sieblöcher in Luft oder in eine Erstarrungsflüssigkeit
mittels Fliehkraft ausgestoßen und mittels eines von oben her auf die entstandenen
Fäden wirkenden Ablenkungsstroms, z. B. eines Luftstroms, die Fäden aus der Schleuderrichtung
nach unten abgelenkt. Um hierbei eine Berührung der ausgeschleuderten Fäden mit
den Wandungen eines Kanals und ein Ankleben zu verhindern, hat man an der Schleudertrommel
Propellerflügel angebracht, die die Fäden so lenken, daß sie von einer Aufnahmerolle
aufgenommen werden können.
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Bei der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist demgegenüber
an der Trommel ein die öffnungen der Düsen nach außen überragender, undurchbrochener
scheibenförmiger Ring angebracht, welcher an seinem äußeren Umfang in radialer Entfernung
vor den Düsenöffnungen die Windradschaufeln trägt, derart, daß die austretenden
Fäden erst nach Durchlaufen einer in der Schleuderebene liegenden Verdünnungs- und
Verfestigungsstrecke der von den Windradschaufeln erzeugten Querströmung ausgesetzt
sind. Durch die radiale Breite des an der Trommel angebrachten Scheibenringes und
die an seinem äußeren Rand angeordneten Windradschaufeln wird es nämlich möglich,
eine innere Gaszone sich um die Trommel ausbilden zu lassen, in welcher keine Strömung
quer zur Schleuderebene auftritt. Die ausgeschleuderten Spinnfäden haben dadurch
zunächst die Möglichkeit, eine Zone zu durchlaufen, in der sie eine Ausdünnung erfahren
und sich mehr oder weniger verfestigen, um erst dann in die durch die Windradschaufeln
geschaffene turbulente Zone einzutreten, in der sie in Stapelfasern zerrissen werden.
Es werden dadurch diejenigen Nachteile vermieden, die sich bei bisherigen Vorrichtungen
in unregelmäßiger Ausbildung zu kurzer oder nicht ausreichend verfestigter Fasern
äußerten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Stapelfasern
eignet sich besonders vorteilhaft auch für die gleichzeitige Herstellung von Faserbahnen,
wenn man die Scheibentrommel mit Windrad in einem Behälter, z. B. einer Kammer,
anordnet, in welcher eine an eine Hochspannungsquelle angeschlossene Elektrode vorgesehen
ist und durch welche eine die Kammer durchlaufende Niederschlagsfläche, z. B. ein
umlaufendes Siebband, geführt ist. Derartige Einrichtungen zur Aufnahme abgeschleuderten
Fasergutes auf endlosen Bändern sind bereits bekannt. Für das sogenannte elektrische
Spinnverfahren ist es auch bereits bekannt, mit Hilfe von im Spinnraum angeordneten
Elektroden ein Hochspannungsfeld zu erzeugen, bei dessen Durchströmen
die
Spinnlösung in feine Fasern aufgespalten und die so aufgespaltenen feinen Fasern
von einem umlaufenden Siebband aufgenommen werden.
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Im vorliegenden Falle der Erfindung dient das elektrische Feld nicht
zur Bildung der Fasern, sondern zu einer Auflockerung des von der Schleudertrommel
bzw. durch die Wirkung des turbulenten Luftstromes bereits erhaltenen Stapelfasermaterials
und einer entsprechenden Verbesserung seiner gleichmäßigen Ablagerung auf die Auffangfläche.
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Die Zeichnung veranschaulicht in F i g. 1 perspektivisch und teilweise
aufgeschnitten eine Schleudertrommel gemäß der Erfindung, F i g. 2 einen etwas vergrößerten
Ausschnitt aus Fig.l, F i g. 3 eine schematische Darstellung, um die während des
Herstellungsvorganges auftretenden Kräfte anzudeuten, F i g. 4 eine schematische
Ansicht, teilweise geschnitten, einer Vorrichtung zur fortlaufenden Erzeugung von
Vliesen, F i g. 5 eine Teildarstellung einer besonderen Ausführungsform einer Schleudertrommel
nach der Erfindung, F i g. 6 den Schnitt durch eine wiederum andere Ausführungsform,
F i g. 7 eine Seitenansicht, teilweise geschnitten, nach einer weiteren Ausführungsform
einer Gesamteinrichtung und F i g. 8 eine Ansicht in schematischer Darstellung,
teilweise geschnitten, wie sie für die Herstellung von Fasern aus einer Kunststoffschmelze
in Betracht kommt, F i g. 9 die zu F i g. 8 gehörige Spinntrommel, aufgeschnitten.
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Nach F i g. 1 besteht die Trommel aus der Kreisringscheibe 1 mit dem
Flansch 2 und der durch Stiftschrauben 8 auf dem Flansch 2 befestigten Deckplatte
7. Beide Platten und der Flansch schließen die Kammer 9 ein. In der Innenwand des
Flansches ist eine Ringnut 3 eingearbeitet, und in dieser sind die radial gerichteten
Düsenmundstücke 4 angeordnet, auf deren Gewinden 5 die Düsen
6 aufgeschraubt sind. Auf diese Weise können die Düsen mit verschiedenen
Auslaßquerschnitten, je nach Art der Spinnflüssigkeit, aufgeschraubt werden.
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Das Gewindeloch 10, das mit einer Schraube verschlossen ist, dient
dazu, die Kammer zu entlüften bzw. beim Anlauf des Spinnvorganges Luft zutreten
zu lassen. 12 ist eine Hohlebene, die an der Scheibe 1 befestigt ist, und 13 deren
Öffnung, der aus der Zufuhrleitung 14 die Spinnflüssigkeit zugeführt wird.
15 ist eine Stopfbuchse. Mit den bereits erwähnten Schrauben 8 zur Befestigung des
Deckels ist auch die Scheibe 19 unter Zwischenschaltung eines Ringes 17 auf der
Unterseite der Trommel gehalten, die an ihrem äußeren Rand die Windradschaufeln
16 bildet.
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Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, besteht ein bestimmtes Verhältnis
zwischen dem Betrag, um den die Düsenköpfe aus dem Umfang der Trommel hineinragen,
und den Wurzeln der Schaufeln.
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An sich wäre es möglich, die Spinnflüssigkeit einfach durch Öffnungen
am Umfang der Trommel austreten zu lassen, den Umfang nach außen überragende Düsen
sind jedoch vorteilhafter, weil sie verfestigte Spinnmasse bei gelegentlicher Reinigung
besser zu entfernen erlauben und sich keine Absetzungen am Trommelrand bilden können.
Durch die radiale Breite des Scheibenrandes B derart, daß diese größer ist als die
Auskraglänge A der Düse 6, wird eine Ringzone gewährleistet, in die, wie oben erwähnt,
keine Strömung quer zur Schleuderebene auftritt.
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Erst wenn die gebildeten Fasern in die Zone C gelangen, treten sie
in eine turbulente Gaszone ein, die in ihrer Turbulenz bis an die äußeren Kanten
der Schaufelblätter 16 hin zunimmt. Der Spinnmassestrahl ist also, wie F i g. 3
zeigen soll, drei Kräften ausgesetzt, von denen die Hauptkraft die innerhalb der
Trommel erzeugte Fliehkraft ist. Der statische Druck preßt dadurch den Kunststoffstrahl
fortlaufend nach außen in Richtung des Pfeiles 19, der die Ausstoßkraft bezeichnet.
Gleichzeitig wird der Strahl in horizontaler Richtung einer Kraft unterworfen, die
resultiert aus der durch die Drehbewegung hervorgerufenen Kraft und der Kraft, die
durch den Luftzug erzeugt wird. Diese Resultierende wird durch den Pfeil
20 bezeichnet. Diejenigen Kräfte, die im wesentlichen in der gleichen Ebene
auf den ausgestoßenen Strahl einwirken, sind hauptsächlich entscheidend für die
Verdünnung des Strahles. Der Luftstrom, durch die Flügel 16 erzeugt, wirkt in einem
Winkel zur Ebene der anderen Kräfte, schematisch durch den Pfeil 21 dargestellt;
selbstverständlich kann der Winkel auch ein anderer sein als gezeigt. Jedenfalls
bewirkt die Kraft des Luftstromes das Abreißen etwa in Aufwärtsrichtung, und die
auftretende Reibung zwischen Faser und Luft führt zu einer weiteren Verkleinerung
der Fasern und ergibt eine Biegung im Bereich B zum Umfang der sich drehenden Scheibe.
Dieses Zusammenwirken der Kräfte und die Reibungshemmung dürften für die Streckung
der Fasern maßgeblich sein. Außerdem wird während der Zeitspanne dieser Vorgänge
der Kunststoffstrahl entweder durch Verflüchtigung von Lösungsmitteln oder durch
Kühlung zur Verfestigung gebracht.
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Durch einen Abtransport der Fasern im erzeugten Luftstrom kann man
in einfacher Weise aus den Fasern sich fortlaufend Vliesbahnen bilden lassen, in
denen die Fasern in wahlloser Verteilung vorliegen. Da die Windradschaufelscheibe
an der Schleudertrommel angebracht ist, bedarf es hierzu keines besonderen Gebläses.
Eine Vorrichtung für die Herstellung solcher Faserbahnen besteht nach F i g. 4 aus
einem Behälter 22, in welchem sich eine Schleudertrommel der oben bezeichneten Art
befindet, die auf Zapfenlagern 23 ruht. Für den Antrieb ist ein Motor 25
mit Getriebe 26 vorgesehen, der über dem Riemen 27 und die Riemenscheibe
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an der Hohlwelle 12 angreift. Durch eine Öffnung 29
wird die
Luft in die Kammer eingesaugt und die Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 30 über
den Filter 31 mittels Pumpe 32 durch die Leitung 28 der Kammer der Schleudertrommel
zugefördert. Zur Aufsammlung der Fasern dient das durch den oberen Teil des Behälters
22 hindurchlaufende Siebband, hinter dem sich ein Saugkasten 34 befindet, um die
Entfernung von Luft oder Gas zu unterstützen. Innerhalb des Behälters 22 über der
Schleudertrommel ist eine an sich bekannte, an eine Hochspannungsquelle angeschlossene
Elektrode, und zwar eine Ringelektrode 37 angeordnet, die ein elektrostatisches
Feld ergibt. Ihre Hochspannungsquelle ist mit 38 bezeichnet. Den Fasern wird dadurch
eine Ladung aufgeprägt, die der des Leiters 37 entgegengesetzt
ist
und die zu einem gegenseitigen Abstoßen der Stapelfasern und damit einer gleichmäßigeren
Verteilung der Fasern in dem nach oben gerichteten Luftstrom beiträgt. Auch das
Siebband könnte man mit der Hochspannungsquelle verbinden und ihm eine zur Ladung
der Fasern entgegengesetzte Ladung vermitteln, um die Sammlung auf dem Siebband
zu begünstigen.
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Wie sich gezeigt hat, sind die unter dem Einfluß eines elektrostatischen
Feldes erzeugten Fasern feiner und geben auch Lösungsmittel schneller ab, ebenso
neigen sie nicht zum Aneinanderhaften, so daß gleichmäßigere Faserbahnen mit regelloser
Verteilung ihrer Teilchen erhalten werden. Die Spinntrommel kann, wie F i g. 5 zeigt,
nicht nur eine, sondern zwei oder mehrere übereinanderliegende Kammern aufweisen.
Hier ist z. B. die Trommel aus der Scheibe 50 mit Flansch 51 und den
Düsen 53 gebildet, die aus der Kammer 54 hinausragen, deren Decke von einer
zweiten Scheibe 55 mit Flansch 56 gebildet wird und eine Kammer 60 mit der Deckelscheibe
59 einschließt. Die Flanschscheibe 50 ist dabei auf eine Hohlwelle 52 und die Flanschscheibe
55 auf eine Welle 58 aufgesetzt, die konzentrisch in der Hohlwelle der unteren Scheibe
läuft. Die Teile 57, 62 und 61 entsprechen den gleichen Teilen nach F i g. 1 und
2, d. h. Düsen, Windradscheibe und Schaufeln. Eine solche Vorrichtung eignet sich
z. B. für die Herstellung solcher Faserbahnen, die aus Gemischen verschiedener Spinnmassen
hergestellt werden sollen, sei es hinsichtlich Farbe oder Zusammensetzung.
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Die Ausführungsform nach F i g. 6 betrifft ebenfalls eine solche für
hauptsächlich gemischte Faserbahnen; außer der die Trommel bildenden Scheibe 63
mit Flansch 64, Deckelplatte 65, Düsen 66 und der die Windradschaufe167 tragenden
Scheibe wie in den oben beschriebenen Fällen sind hier noch Düsen vorgesehen, die
durch eine konzentrische Hohlwelle in ein Kopfstück 71 eingesetzt sind. Durch die
Rohre 68 wird diesen Düsen über die Verzweigung 69 von einer Leitung 70 aus Sprühflüssigkeit
geliefert, während in das Gehäuse 71 durch die Hohlwelle 72 Luft zugeführt wird.
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Die Öffnungen 74 im Deckel 73 dienen zur Durchführung der Sprührohre.
Bei Anwendung dieser Vorrichtungen wird das Gas unter Druck dem Gehäuse 71 zugeführt,
wobei die Öffnungen 74 als Gasdüsen dienen, während die Spinnflüssigkeit durch die
Leitungen 68 mit geringerer Geschwindigkeit ausgestoßen wird, so daß der in gleicher
Richtung austretende Gasstrom höherer Geschwindigkeit den Spinnstrahl ausdünnt und
dieser entweder durch Verdampfung seines Lösungsmittels oder durch Kühlung zum Erstarren
kommt.
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Die Zerstäubungswirkung des Gasstromes kann durch Vorrücken des Ausstoßpunktes
gegenüber den Gasdüsen ausgeschaltet werden.
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Der Gasstrom trägt dann die gebildeten und in Stapelfasern durch den
Gasstrom zerrissenen Fasern weiter mit sich. Da die Gasströmung aus den öffnungen
74 und die Gasströmung, die von den Windradschaufeln 67 erzeugt ist, in gleicher
Richtung verlaufen, und zwar mehr oder weniger konzentrisch zueinander, tritt eine
Vermischung der von ihnen mitgerissenen Fasern ein.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 7 haben Scheibe 75 und Flügelrad
76 besondere Antriebe. Auch hier wird die Trommel 75 von zwei Teilen 77 und 78,
die mit dem Flansch 81 eine Kammer 79 ergeben, gebildet. Die Düsen sind mit 80 bezeichnet.
Die Trommel 75 ist an einer Hohlwelle 82 befestigt, die in einer Lagerbuchse 83
geführt ist. Von einem Motor 85 wird die Welle 82 über Riemenscheibe und Riemen
86 angetrieben; ein Getriebe 87 dient zur Regelung. Das Windrad 76
hat eine Hohlwelle 88, die konzentrisch zu Welle 82 angeordnet ist und in der Lagerbuchse
89 sitzt. Als Antrieb dient der Motor 91, der über die Riemenscheibe
90 und den Riemen 93 antreibt; zur Regelung der Umdrehungsgeschwindigkeit
dient das Getriebe 92. Die Lagerbuchse des Windrades sitzt in einer weiteren Buchse
94, die mit einer Lochplatte 95 fest verbunden ist. Diese Lochplatte kann z. B.
in einen Turm oder in eine Kammer eingebaut werden, so daß sie den Boden einer Vorrichtung
bilden, wie sie F i g. 4 zeigt.
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Die Leitungen 96 in der Platte 95 ermöglichen eine bessere Verteilung
des Fasergutes bei der Vliesbildung. Die Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung
von Faserbahnen, wie sie F i g. 8 zeigt, eignet sich besonders für eine Anwendung
bei Kunststoffschmelzen, die hitzeempfindlich sind. Der feste, z. B. gekörnte Kunststoff
wird dabei von dem Aufgabetrichter 100 einer Schnecke 101 zugeführt, durch die er
durch das Rohr 102 in eine Kammer 103 der Schleudertrommel 104 gelangt. Eine
Riemenscheibe 105 deutet den Antrieb an.
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F i g. 9 zeigt genauer den Aufbau der Trommel 104 aus Scheiben 106
und 107 und einem Ring 108, der hier aus Metall mit hohem elektrischen Widerstand,
wie Chrom-Nickel, rostfreiem Stahl od. dgl., besteht.
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Der aufgeschnitten gezeigte Ring dient gleichzeitig als Heizelement,
um den Kunststoff zu schmelzen, so daß er als Schmelze durch die Düsen 109 ausgestoßen
wird. Die Enden des aufgeschnittenen Ringes werden in Abstand voneinander gehalten
durch ein Isolierstück 110, ferner ist der Ring 108 elektrisch isoliert gegen die
kreisförmigen Decken- und Bodenplatten durch Dichtungen 111. Die Enden des
aufgeschnittenen Ringes sind durch Schleifringe 112 und 113 mit den jeweils zugehörigen
Stromleitungen 114 und 115 verbunden. Diese Leitungen 114 und 115 sind gegen die
kreisförmige Platte 106 isoliert. Der Heizstrom wird über die Bürsten
116 und 117
vermittelt. Das Windrad 118 kann an der Trommel befestigt
sein oder einen besonderen Antrieb haben.
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Bei dieser Vorrichtung ist der z. B. gekörnte Kunststoff fest, wenn
er in die Kammer der Trommel gelangt; er wird der Schmelzhitze ausgesetzt, wenn
er unter der Wirkung der Fliehkraft in Berührung mit dem Heizring 108 kommt.
Der geschmolzene Kunststoff wird dann unmittelbar durch die Düsen ausgeschleudert,
wobei die gebildeten Fasern sofort wieder fest werden, so daß die Zeit, während
welcher der Kunststoff geschmolzen ist, außerordentlich kurz ist und in der Regel
nur einige Sekunden beträgt. Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung sind anwendbar
zur Herstellung von Fasern und Fasermischungen aus Kunststoffen, wie aus natürlichem
oder synthetischem Kautschuk, Kautschukaustauschstoffen, natürlichen und künstlichen
Harzen, ebenso Cellulosederivaten, wie Celluloseesteräthern, und Ätherestern und
Mischungen von einem oder mehreren dieser Kunststoffmaterialien sowie
mit
gebräuchlichen Zusätzen, wie Vulkanisationsmitteln, Farbstoffen, Blähmitteln usf.