DE2618745A1

DE2618745A1 - Verfahren und vorrichtung zum aufladen eines faserbuendels

Info

Publication number: DE2618745A1
Application number: DE19762618745
Authority: DE
Inventors: Ernest Max Sternberg
Original assignee: Monsanto Co
Current assignee: Fiberweb North America Inc
Priority date: 1975-04-29
Filing date: 1976-04-28
Publication date: 1976-11-11
Also published as: LU74850A1; JPS5428508B2; FR2309654A1; GB1503281A; US3967118A; DE2618745B2; DE2618745C3; JPS51133581A; CA1058692A; FR2309654B1

Description

DR. BERG DL°L.-ING. STAPF DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR nc λ on / c

PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 86, POSTFACH 86 02 45

Anwaltsakte 26 991 28. April 1976

Monsanto Company St. Louis, Missouri 63166 / USA

Verfahren und Vorrichtung zum Aufladen eines Faserbündels

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf eine Vorrichtung zum Aufladen von sich bewegenden Fasern.

Bei der Herstellung von ungewebten Stoffen aus natürlichen oder synthetischen Stapel- oder Endlosfasern ist es bekannt, die Fasern durch Luftdüsen hindurch auf ein

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8 München 80, Mauerkircherstraße 45 Banken: Bayerische Vereinsbank München 453100

durchlässiges Band zu blasen, welches sich relativ zu den Düsen bewegt, so daß sich auf dem Band eine nicht gewebte Gutbahn bildet. Die auf dem Band gebildete Gutbahn wird anschließend in herkömmlicher Weise stoffschlüssig gebunden, um ihre Festigkeit zu verbessern und andere Eigenschaften zu erzielen. Für die Herstellung von nichtgewebten Stoffen höchster Qualität ist es notwendig, daß die Fasern vor dem Auftreffen auf dem durchlässigen Band voneinander getrennt werden. Dies kann durch Anwendung von Reibungselektrizität geschehen, oder durch die Verwendung einer Anordnung von Koronaentladungselektroden, in welcher mittels einer Hochspannung ein elektrisches Feld erzeugt wird, durch welches sich die lasern hindurchbewegen.

Die US-PS 3 163 753 u.A. beschreibt ein Verfahren zum Aufladen von einer Auftragszone für eine Gutbahn 'zulaufenden Fasern, in welchem die Fasern unter Zugspannung in einer breiten, nur eine Faser dicken Schicht über eine Fangelektrode hinweg durch ein elektrisches Feld gezogen werden, welches von einer Anzahl von Koronaentladungselektroden erzeugt wird. Die Elektroden sind in gegenseitigen Abständen in einer sich quer zur Bewegungsrichtung der Fasern erstreckenden Reihe angeordnet. Eine solche Anordnung der Elektroden ist notwendig, damit alle Fasern der Schicht aufgeladen werden.

Die US-PS 3 689 608 u.A. beschreibt eine Vorrichtung, in

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welcher aus einer Mehrfach-Spinndüse austretende Kunststoff asern auf einen Deflekfcor geblasen und dabei weit ausgebreitet werden. Die ausgebreiteten Fasern fallen darta an einer Fangelektrode vorüber und werden dabei elektrisch aufgeladen. Dazu dient eine mit dem Deflektor konzentrische kreisförmige Anordnung von Entladungselektrdden« Da- sich das Faserbündel im wesentlichen radial zum Deflektor ausbreitet, entspricht diese Anordnung im wesentlichen einer quer zur Bewegungsrichtung der Fasern angeordneten Reihe von Elektroden,_; wie sie in der IIS-PS 3 163 753 beschrie-' ben ist.

Eine wesentliche Schwierigkeit bei der Herstellung von nicht gewebten Stoffen der genannten Art besteht darin, die notwendige Gleichmäßigkeit des Stoffs zu erzielen. Aneinander haftende oder zu nahe nebeneinander liegende Fasern beispielsweise können dem Stoff ein strähniges Aussehen verleihen, so daß er dann unverkäuflich ist«^! Um eine sichere Trennung der Fasern voneinander zu erzielen, wird gemäß der Erfindung jeder Faser eine sehr hohe Aufladung erteilt.

Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen einer starken elektrischen Ladung auf eine Anzahl, von Fasern aus dielektrischem, organischem polymer em Material, welche sich auf eine Auftragszone für eine Gutbahn zu bewegen, wobei sich die Fasern in einem Luftstrom über eine Fangelektrode bewegen und dabei unter

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Verwendung "wenigstens zweier Kor öna-Entladungs elektroden;, welche in der Bewegungsrichtung der Fasern hintereinander angeordnet sind, aufgeladen werden, indem sie sich, in dem Luftstrom zunächst durch das von einer der Elektroden erzeugte elektrische PeId und dann durch das von der anderen Elektrode·erzeugte elektrische Feld hindurchbewegen. Die Korona-Entladüngselektroden sind zwischen der Stelle, an welcher die Fasern auf der Fangelektrode auftreffen, und der Stelle, an welcher die Geschwindigkeit des Luftstroms im wesentlichen auf die Bewegungsgeschwindigkeit der Fasern abgesunken ist, an einzelnen Stellen entlang der Bewegungsbahn der Fasern angeordnet* ·.

In einer Ausführungsform' schafft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufladen von Fasern aus synthetischem organischem polymerem Material, welche sich entlang einer Bahn bewegen und dabei in einem Luftstrom über die Oberfläche einer Fangelektrode geführt werden, während eine Anzahl von in einer sich in der Bewegungsrichtung der Fasern erstreckenden Reihe angeordneten Anzahl den Fasern eine elektrische Ladung erteilt, um sie voneinander zu trennen. Die Koronaentladungselektroden sind zwischen einer Stelle, an welcher die Fasern auf die Fangelektrode auftreffen, und einer Stelle, an welcher die Geschwindigkeit des Luftstroms im wesentlichen auf die Bewegungsgeschwxndigkeit der Fasern abgesunken ist, entlang der Bewegungsbahn der Fasern angeordnet.

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Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht von sich in einem Luftstrom über eine ebene Platte bewegenden Fasern,

Fig. 2 eine schematisierte Seitenansicht einer Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einer Darstellung der Anordnung von Koronaentladungselektroden in bezug auf eine Fangelektrode und die sich daran entlang bewegenden Fasern,

Fig. 3 eine Schrägansicht zur Darstellung der Anordnung der Korona-Stiftelektroden in bezug auf die Mittellinie der Bewegungsbahn der Fasern,

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Aufladung der Fasern bei verschiedenen Anzahlen von Fasern und Koronastift elektroden, welche in unterschiedlichen Abständen entlang der Bewegungsbahn der hier aus PoIyäthylenterephthalat bestehenden Fasern angeordnet sind, und

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Aufladung verschiedener Anzahlen von Fasern aus Nylon 66 in bezug auf verschiedene Anzahlen von in verschiedenen Abständen entlang der Bewegungsbahn der Fasern angeordneten Korona-Stiftelektroden.

In Fig. 1 tritt ein Faserbündel 12 zusammen mit einem

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Luftstrom aus einer Düse 13 aus und trifft auf einer ebenen Platte 11 auf, entlang welcher es sich dann abwärts bewegt. Beim Auftreffen auf die Platte 11 breitet sich der Luftstrom aus und strömt dann mit hoher Geschwindigkeit mit geringem Druck entlang der Platte abwärts und nimmt dabei die Fasern mit. Der höhere Druck der umgebenden Luft hält die lasern nahe an der Platte fest, ohne daß nennenswerte Zugkräfte auf die Fasern ausgeübt werden. Die Luft strömt also in Form einer dünnen Schicht, in welcher die Fasern verteilt sind, entlang der Platte.

Bei der Strömung der Luft entlang der Platte abwärts bei gleichzeitiger Ausbreitung des Luftstroms nimmt dessen Geschwindigkeit ab. Die Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich aus der Reibung zwischen der Luft und der Platte, aus dem Mitreißen von Umgebungsluft sowie daraus, daß sich die Querschnittsfläche des Luftstroms auf seinem Weg entlang der Platte vergrößert. An einem Punkt der Platte 11 ist die Geschwindigkeit des Luftstroms etwa auf die Bewegungsgeschwindigkeit der Fasern abgesunken. Unterhalb dieses in Fig. 1 mit 1-4- bezeichneten Punkts können die aufgeladenen Fasern an der Oberfläche der Platte 11 anhaften, so daß sie sich dann nicht mehr gleichmäßig von der Platte 11 lösen. Dieser Punkt, an welchem die Geschwindigkeiten des Luftstroms und der Fasern einander gleich sind, kann als "Anheftpunkt" bezeichnet werden. Gemäß der Erfindung werden die Fasern mittels einer Anzahl von Koronaentladungselektroden aufgeladen, welche zwischen

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der Stelle, an welcher die Fasern.auf die Platte ΛΛ auftreffen, und -dem Anheftpunkt in einer sich in der Bewegungsrichtung der .Fasern erstreckenden Reihe angeordnet sind*

Die Geschwindigkeit der Bewegung der Fasern durch die Düse 13 hindurch und entlang der 3?angelektrode läßt sieh . berechnen, indem man das Volumen des durch die Öffnungen-.-der Spinndüse gepreßten Polymers pro' Zeiteinheit durch -. die Querschnittsfläche der Fasern an der Gut 'bahn- Auftr ags**· zone dividiert,' wobei die'Querschnittsfläche der Fasern von der Fangelektrode bis zur Auftragszone konstant bleibt· Zum Messen der Luftgesehwindi.gkeit am Ausgang der Düse und an .einzelnen Stellen .der Fangelektrode gibt es bekannte Instrumente.

Sind die Geschwindigkeiten des Luftstroms und der Fasern ·.. beim Auftreffen auf die Fangelektrode"bekannt, und ist ferner der Winkel, in welchem sich der Lüftstrom auf der Fangelektrode ausbreitet, ebenfalls bekannt, so läßt sich der Punkt, an welchem die Geschwindigkeiten des Luftstroms und der Fasern einander gleich werden, ohne Messung ungefähr bestimmen. Ist die Geschwindigkeit des Luftstroms am Auftreffpunkt beispielsweise das Fünffache von der der Fasern, so werden die Geschwindigkeiten des Luftstroms und der Fasern einander ungefähr an der Stelle gleich, an welcher sich der Luftstrom bis zum etwa fünffachen seiner Breite am Auftreffpunkt ausgebreitet hat. Sofern der Winkel, mit welchem sich der Luftstrom auf der Fangelektrode ausbreiet, bekannt ist, läßt sich dieser Punkt mühelos finden.

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In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verläuft der untere Rand der Fangelektrode oberhalb der Stelle, an welcher die Geschwindigkeiten des Luftstroms und der Fasern einander gleich werden, so daß also die Geschwindigkeit des Luftstroms am unteren Rand der Fangelektrode noch größer ist als die der Fasern.

Eine in bezug auf die Fasern 12 gegenüber der Fangelektrode 11 angeordnete Aufladungselektrode 16 erzeugt ein starkes elektrisches Feld, durch welches sich die Fasern hindurchbewegen. Die Elektrode 16 hat einen Körper 17 aus Isoliermaterial mit einer Ausnehmung 18, in welcher mehrere Korona-Entladungselektroden 19 angeordnet sind. Diese sind als zylindrische Stifte ausgebildet und haben jeweils eine scharfe Spitze 20, an welcher eine Koronaentladung stattfindet.

Die Stifte 19 sitzen an einer metallenen Leiterplatte 23, welche über einen Leiter 24 mit dem einen Pol einer eine hohe Spannung liefernden Gleichspannungsguelle 25 verbunden ist. Der andere Pol der Spannungsquelle 25 ist über Masse mit der Fangelektrode 11 verbunden, so daß zwischen dieser und den Stiften 19 ein starkes elektrisches Feld entsteht.

Die Stifte 19 sind in einer Reihe angeordnet, welche sich in der Bewegungsrichtung der Fasern erstreckt, so daß diese nacheinander an den Stiften 19 vorüberlaufen. Ein beliebiger Punkt einer der Fasern 12 bewegt sich also wäh-

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rend der Bewegung der Fasern entlang der Fangelektrode nacheinander an den einzelnen Stiften 19 vorüber. Damit bewegen sich die Ssern also nicht nur durch ein elektrisches Feld, sondern nacheinander durch mehrere elektrische Felder hindurch.

Die Achse des einem der Stifte 19 zugeordneten elektrischen Felds verläuft von dem betreffenden Stift aus senkrecht auf die Fangelektrode. Die Stifte 19 sind so angeordnet, daß die Achsen ihrer elektrischen Felder zwischen der Stelle, an welcher der Luftstrom auf die Fangelektrode auftrifft, und dem Anheftpunkt liegen. Anders ausgedrückt liegen die elektrischen Felder entlang der Bewegungsbahn der Fasern zwischen der Stelle, an welcher der Luftstrom auf die Fangelektrode auftrifft, und der Stelle, an welcher die Geschwindigkeiten der Fasern und des LuftStroms einander gleich sind.

Die Düse 13 kann als Injektordüse oder als eine andere für den Transport von Fasern geeignete Düse ausgebildet sein. Sie ist so ausgerichtet und angeordnet, daß die Fasern und der Luftstrom in einem Winkel von 0 bis 60 , vorzugsweise zwischen 0 und ca. 20 auf der ebenen Fläche der Fangelektrode auftreffen. Selbst bei einem Auftreffwinkel von 0° breitet sich der mit hoher Geschwindigkeit strömende Luftstrom aus und fließt in einer dünnen Schicht über die Fangelektrode. Beträgt der Winkel zwischen dem Luftstrom und der Fläche der Fangelektrode 0 , so findet das Auftreffen in dem Sinne statt, daß sich der

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Luftstrom in bekannter Weise an die Oberfläche der i'angelekcrode anlegt.

wird das elektrische Feld im Bereich der jfangelek erode entlang der Bewegungsbahn der Fasern gemessen, so zeigt das dazu verwendete Meßinscrument, beispielsweise ein mit einem Faraday-Käfig arbeitendes Keithley-iilektrometer 610^, gegebenenfalls ^eine einzelnen Felder an, da die elektrischen Felder nicht getrennt nebeneinander liegen, sondern sich überschneiden und gegenseitig verstärkten. Fs kann jedoch das /orhandensein mehrerer getrennter elektrischer Felder in dein Sinn angenommen werden, daß das im Bereich der Fangelektrode vorhandene elektrische jfeld von mehreren entlang einer zur Bewegungsbahn der Fasern parallelen Linie angeordneten Punkten ausgeht.

j£s hau sich erwiesen, daß eine beträchtlich stärkere Aufladung der Fasern erzielbar ist, wenn diese unter geeigneten Bedingungen durch mehrere elektrische Felder nacheinander hindurchgeführt werden. So isz etwa in Fig. 4 und 5 die mittels einer einzigen Stiftelektrode erteilte Aufladung im Vergleich zu der mittels mehrerer in verschiedenen Abständen entlang der Bewegungsbahn der Fasern angeordneter Stiftelektroden erteilten Aufladung dargestellt. Die Stärke der Aufladung ist in den Diagrammen in Elektrostatischen Ladungs einheit en pro m and in liikrocoulomb pro m angegeben. Die Maßeinheit Mikrocoulomb/m

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(MC/in ) läßt sich durch Multiplikation mit der

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χ 2

Konstanten 3 x ''iO in Elektrostatische Einheiten/m (esu/m ) umrechnen.

jj'ig. 4- zeigt die Aufladung von li'asern aus Polyethylenterephthalat mit einer Stärke zwischen ca. 3,ö und 4,7 dpf bei einem Abstand von ca. 13 mm zwischen den Spitzen der Stiftelektroden 19 und der Fangelektrode. Die an die Elektroden gelegte Spannung beträgt 20 kV, wobei die negative Spannung an den Elektrodenstiften 19 liegt. Wie man in Fig. 4 erkennt, liegt die stärkste mittels einer einzigen Korona-Stiftelektrode erzielbare Aufladung etwas über 20 MG/m , wahrend die fasern bei Verwendung von wenigstens drei in einer Reihe angeordneten Stift-

2 elektroden eine Ladung von 25 MG/m und darüber erhalten.

Bei Verwendung von fünf Stiftelektroden in gegenseitigen Mittelabständen von 7*5 mm und einer zwischen etwa 18 und ca. 36 liegenden Anzahl von durch den Aufladebereich geführten fasern liegt die diesen erteilte Aufladung

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im Bereich von ca. 37 MG/m . Eine derart starke Aufladung gewährleistet, daß sich die .Fasern ausreichend voneinander trennen, so daß ein gleichmäßiges Endprodukt entsteht.

B¹Xg. 5 zeigt die mittels einer einzigen Korona-Stiftelektrode erzielbare Aufladung von Fasern aus Nylon 66 im Vergleich zu der mittels mehrerer in verschiedenen Abständen entlang der Bewegungsbahn der Fasern angeordneter Elektroden erzielbaren. Die Stärke der Fasern liegt zwischen etwa 2,6 und ca. 2,9 dpf. Die an die Elektroden

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gelegte bpannung beträgt 20 kV, wobei die Stiftelektroden 19 mit dem negativen Pol der Spannungsquelle 25 verbunden sind. Der Abstand zwischen der ü'angelektrode 11 and den Spitzen 20 der Stiftelektroden 19 beträgt ca. 13 mm. Wie man aus dieser Figur erkennt, beträgt die mit einer einzigen Korona-Stif^elektrode erzielbare Aufladung weniger als 20 MC/m , während bei Verwendung mehrerer in verschiedenen Abständen entlang einer Reihe angeordneter Stiftelektroden eine Aufladung der jj'asern zwischen etwa 20 jyiO/rn*

und ca. 26 MC/m erzielbar ist.

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Claims

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Patentansprüche:

1. Verfahren zum Transportieren und Aufladen von fasern aus organischem dielektrischem Material, dadurch gekennzeichne b, daß die fasern in einem Luftstrom -über die Oberfläche einer Fangelektrode geführt werden, wobei der Luftstrom eine zur Bildung einer ßtrömungsschicht auf der Oberfläche der Elektrode ausreichende Geschwindigkeit hat, und daß die in der Strömungsschicht befindlichen Fasern durch Einwirkung eines elektrischen Felds aufgeladen werden.

2. verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichneb, daß das elektrische Feld von einer Anzahl entlang einer in der Bewegungsrichtung der Fasern verlaufenden Reihe liegender Stellen aus erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Strömungsschicht am absrrömseitigen Sand der Fangelektrode größer, ist als die der fasern.

4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche bis 3, dadurch gekennz eichnet, daß das elektrische Feld von einer Anzahl von Korona-Stiftelektroden erzeugt wird, welche nahe der StrÖmungsschicht in einer sich in Richtung der Bewegung der Fasern erstrekkenden Reihe angeordnet sind.

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5- verfahren -nach, wenigstens einem der ansprüche Ί bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftstrom in eineiü Winkel zwischen 0° und 60 auf der Oberfläche der x^angelektrode auf trifft.

6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennz eichne t,, daß der Luftstrom in einem Winkel zwischen 0 and 60 auf der Oberfläche der ^anp-elektrode auf trifft.

7- Verfahren zum Transportieren und Aufladen von ü'asern aus organischem dielektrischem Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftstrom in einem Winkel zwischen 0° und 60° auf der J'angelektrode auf trifft, and daß die fasern unter Einwirkung von mehreren zwischen dem Punkt, an welchem der Luftstrom auf die jfangelektrode auf trifft, und dein Punkt, an welchem die fasern an der ij'angelektrode anhaften, in einer sich in der Bewegungsrichtung der i'asern erstrekkenden Reihe angeordneten elektrischen Feldern aufgeladen werden.

8. Vorrichtung.'Zum Transportieren und Aufladen von Jj'asern aus organischem ,dielektrischem Material, gekennz e ichne t durch eine jj'angelektrode (Ί1), durch eine Einrichtung (^3·) zum Befördern einer Anzahl von ü'asern (;!2) in einem Luftstrom über eine Oberfläche der Fangelektrode, und durch eine" nahe der i"angelektrode angeordnete Korona-Entladungseinrichtung (16) zum Erzeugen

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eines auf die sich in dem Luftstrom bewegenden Fasern einwirkenden elektrischen Felds, wobei die Korona-Entladungseinrichtung so ausgebildet ist, daß das elektrische Feld von mehreren, sich in einer Seihe entlang der Bewegungsrichtung der Fasern erstreckenden Stellen (19) aus erzeugbar ist.

9- Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Korona-Entladungseinrichtung (16) eine Anzahl von in einer sich in der Bewegungsrichtung der Fasern (12) erstreckenden Reihe angeordneten Stiftelektroden (19) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9? dadurch gekennz eichne t, daß die Fangelektrode (11) eine ebene Oberfläche hat.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung für den Transport der Fasern (12) eine Luftdüse (13) ist, welche so ausgerichtet ist, daß sie eine Anzahl von Fasern in einem Luftstrom unter einem Winkel von 0 bis 60° auf die Oberfläche der Fangelektrode (11) lenkt, so daß der Luftstrom eine Strömungsschicht auf dieser bildet, und daß die Koronaentladungseinrichtung (16) eine Anzahl von nahe der Strömungsschicht in einer sich in der Bewegungsrichtung der Fasern erstreckenden Reihe angeordneten Korona-Stiftelektroden (19) sowie eine mit diesen und der Fangelektrode verbundene Spannungsquelle (25) aufweist.

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12. Vorrichtung nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftdüse (15) so angeordnet ist, daß der Luftstrom in einem Winkel von 0° bis 20° auf der Oberfläche der i^angelektrode (11) auf trifft.

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