DE69621934T2

DE69621934T2 - Verfahren und vorrichtung zum sammeln von fasern.

Info

Publication number: DE69621934T2
Application number: DE69621934T
Authority: DE
Inventors: C. Boger; A. Perrotto; A. Rodgers
Original assignee: Conoco Inc
Current assignee: ConocoPhillips Co
Priority date: 1995-05-05
Filing date: 1996-03-08
Publication date: 2002-12-19
Anticipated expiration: 2016-03-09
Also published as: MX9708206A; SG79204A1; IN189412B; US5648041A; TW412605B; NO312974B1; JPH11504400A; EP0840812A1; CA2214282A1; WO1996035009A1; ZA962480B; EP0840812A4; EP0840812B1; DE69621934D1; NO975077L; UA49828C2; CN1066213C; NO975077D0; CN1183815A; ES2175082T3

Description

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auffangen und Ablegen von blasgesponnenen Fasern (blow spun fibers), die relativ frei von Knicken und Biegungen sind. Des Weiteren schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Auffangen der Fasern in im Wesentlichen unverwirrter bzw. zweidimensionaler Form.
US 4,838,774 offenbart ein System zum Herstellen von Spinnfaden-Vlies aus Thermoplast-Monofil. Thermoplast tritt aus einer Spinndüse als ein Band aus Monofilen aus, auf das in Querrichtung Kühlluft geblasen wird. Ein derartiges System ist jedoch als Schmelzspinn-System und nicht als Blasspinn-System bekannt.
Die Verfahren und Vorrichtungen zum Blasspinnen von Fasern sind bekannt. Im allgemeinen wird eine verspinnbare Substanz auf eine Temperatur erhitzt, bei der sie fließen kann. Diese Substanz tritt dann, gewöhnlich unter Druck, in eine Spinndüse (spinning die) ein, die eine oder mehrere Kapillare aufweist. Die Substanz tritt durch eine Kapillare hindurch und tritt als Faser aus. Beim Austreten aus der Kapillare kommt die Faser mit einem Verfeinerungsmedium, normalerweise einem Gas, in Kontakt. Das Verfeinerungsmedium zieht bzw. dehnt die Faser, so dass ihre Länge zunimmt, während sich der Durchmesser verringert.
Es werden verschiedene Typen von Düsen zum Blasspinnen von Fasern eingesetzt. Zwei verbreitete Typen sind die Ring- und die Schlitzdüsen. Ring- und Schlitzdüsen unterscheiden sich hauptsächlich darin, wie das Verfeinerungsgas auf die austretende Faser gerichtet wird. Die vorliegende Erfindung kann bei allen Typen von Blasspinn-Düsen eingesetzt werden.
Bei Spinnverfahren nach dem. Stand der Technik fallen die gesponnenen Fasern nach der Verfeinerung auf eine Auffangfläche. Je nach der Zusammensetzung der Fasern führte dieses Verfahren dazu, dass Fasern gebogen oder geknickt wurden und sich in einem willkürlichen dreidimensionalen Stapel ansammelten. Es wird davon ausgegangen, dass einer der Hauptfaktoren, der dazu führte, die Erzeugung von Turbulenz um die Faser herum durch das Verfeinerungsgas ist.
Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ablegen und Auffangen im Wesentlichen gerader blasgesponnener Fasern gerichtet. Des Weiteren ermöglichen das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung das relativ zweidimensionale Auffangen der Fasern auf im Wesentlichen nicht verwirrte Weise.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ablegen und Auffangen von blasgesponnenen Fasern. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen relativ gerader blasgesponnener Fasern geschaffen, das umfasst:
Blasspinnen einer Faser unter Verwendung wenigstens eines Gasstroms;
Herstellen von Kontakt der Faser mit wenigstens einem zusätzlichen Gasstrom, um die Faser unter Spannung zu setzen;
Wärmehärten der Faser, während sie unter Spannung steht,
dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des zusätzlichen Gasstroms größer ist als die Geschwindigkeit der Faser. Die entstehenden Fasern können mit einem Verfeinerungsmedium verfeinert werden. Normalerweise handelt es sich bei dem Verfeinerungsmedium um einen Gasstrom.
Obwohl die oben beschriebenen Schritte in der Technik bekannt sind, schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit denen das Biegen, Knicken und Verwirren von blasgesponnenen Fasern vermieden werden. Gemäß der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung tritt die Faser nach der anfänglichen Verfeinerung in eine Wärmehärtzone ein und passiert diese. Während sie sich in der Wärmehärtzone befindet, sollte die Faser in einer relativ geraden Form gehalten werden, um die Entstehung von Biegungen und Knicken auszuschließen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird die Faser während des Wärmehärtvorgangs vorzugsweise in einer relativ geraden Form gehalten, indem die Faser unter Spannung gehalten wird, um die Auswirkungen der Turbulenz zu verringern oder zu neutralisieren. Gemäß der bevorzugten Ausführung wird die Spannung auf die Faser ausgeübt, indem sie mit einem zweiten Gasstrom in Kontakt gebracht wird, wenn die Faser die Wärmehärtzone durchläuft. Der zweite Gasstrom kommt mit der Faser entweder vor, nach oder beim Eintreten der Faser in eine Venturi-Düse in Kontakt. Da der zweite Gasstrom eine Geschwindigkeit hat, die höher ist als die der Faser, hält er die Faser in einer relativ geraden Form, bis die Faser im Wesentlichen wärmegehärtet ist. Je nach dem Austrittspunkt des zweiten Gasstroms, der Geschwindigkeit des Gasstroms und den Eigenschaften der verspinnbaren Substanz kann die Faser durch den zweiten Gasstrom weiter verfeinert werden. An diesem Punkt ist die entstehende Faser in einer Form, die relativ frei von Biegungen und Knicken ist, im Wesentlichen wärmegehärtet.
Bei dem zweiten Gasstrom kann es sich um jedes beliebige Gas, eine Flüssigkeit oder sogar Dampf handeln. Des Weiteren kann der zweite Gasstrom einen einzelnen oder mehrere Gasströme umfassen. Für die Zwecke dieser Offenbarung jedoch werden die Substanz und die Ströme, die die Faser spannen, als ein zweiter Gasstrom oder ein zweiter Strom von Gas bezeichnet.
Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung ist die Wärmehärtzone als der Bereich definiert, in dem die Faser den Wärmehärtvorgang durchläuft. Die Wärmehärtzone umschließt den Bereich, der räumlich unmittelbar an den Austritt der Kapillare angrenzt und sich über eine gewisse Strecke vom Austritt der Kapillare erstreckt. Die tatsächliche Größe der Wärmehärtzone hängt von den Spinnbedingungen, der Temperatur des zweiten Gasstroms und der Art des Ausgangsmaterials ab. Die Wärmehärtzone kann sich in die Venturi-Düse hinein erstrecken, jedoch erstreckt sie sich normalerweise nicht über die Venturi-Düse hinaus.
Nach dem Austreten aus der Venturi-Düse treten die Fasern in eine Diffusionskammer bzw. einen Diffusionsbereich ein. Die Diffusionskammer ist eine Einrichtung, mit der der Gasstrom aufgelöst wird, der die Fasern umgibt. So wird mit der vorliegenden Erfindung die Verwirrung der Fasern beim Auffangen auf einer Ablegefläche verringert, die sich unter der Diffusionskammer befindet.
Die vorliegende Erfindung schafft des Weiteren eine Vorrichtung zum Herstellen relativ gerader blasgesponnener Fasern. Diese Vorrichtung ermöglicht des Weiteren das im Wesentlichen verwirrungsfreie Auffangen der Fasern. Die Vorrichtung enthält eine Venturi-Düse, eine Diffusionskammer bzw. einen Diffusionsbereich und eine Faser-Ablege- oder Auffang-Fläche.
So schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt eine Vorrichtung zum Blasspinnen von Fasern, die umfasst:
einen Blasspinn-Düsenkopf, der wenigstens eine Kapillare mit einer Öffnung zum Aufnehmen einer verspinnbaren Substanz aus der Kapillare als eine Faser und eine Einrichtung zum Richten wenigstens eines Gasstroms auf die austretende Faser aufweist;
eine Venturi-Düse, die stromab von dem Blasspinn-Düsenkopf angeordnet ist, wobei die Venturi-Düse einen Durchlass durch selbige enthält und der Durchlass ein erstes und ein zweites offenes Ende aufweist, wobei das erste offene Ende so angeordnet ist, dass es eine Faser aufnimmt, wenn sie aus der Blasspinn-Düse austritt;
dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Venturi-Düse und dem Blasspinn-Düsenkopf zwischen 0,635 und 254 cm (0,25 Inch bis 100 Inch) liegt, und die des Weiteren eine Einrichtung umfasst, mit der ein zweiter Gasstrom in das erste offene Ende des Durchlasses durch die Venturi-Düse hindurchgeleitet wird, wobei der zweite Gasstrom eine Geschwindigkeit hat, die höher ist als die Geschwindigkeit der Faser.
Wie in der Technik bekannt ist, weist ein Blasspinn-Düsenkopf wenigstens eine Kapillare auf, die sich zum Erzeugen einer Faser eignet. Im Allgemeinen wird die Anzahl von Kapillare in einer Düse lediglich durch ökonomische Erwägungen beschränkt. Des Weiteren enthält ein Blasspinn-Düsenkopf eine Einrichtung, mit der ein Gasstrom auf die Fasern gerichtet wird, wenn sie aus den Kapillaren austreten.
Gemäß der bevorzugten Ausführung ist stromab von dem Düsenkopf die Venturi-Düse angeordnet. Die Venturi-Düse weist einen Durchlass auf, der die Faser aufnimmt, wenn sie aus der Kapillare austritt. Die Venturi-Düse kann eine Einrichtung enthalten, mit der ein zweiter Gasstrom auf die Faser gerichtet wird. Als Alternative dazu erzeugt eine externe Vorrichtung einen zweiten Gasstrom, der zusammen mit der Faser in die Venturi- Düse eintritt. Der zweite Gasstrom hält die Faser in einer relativ geraden Form, während die Faser wärmehärtet. Des Weiteren kann der zweite Gasstrom die Faser weiter verfeinern. Die Quelle des zweiten Gasstroms kann ein Gebläse, eine Vakuumpumpe oder eine andere geeignete Gasbewegungsvorrichtung sein.
Eine Diffusionskammer bzw. ein Diffusionsbereich ist stromab von der Venturi-Düse und/oder an sie angrenzend angeordnet. Die Diffusionskammer löst den Gasstrom auf, ohne die Fasern zu verwirren. So ermöglicht es die Diffusionskammer, dass die Fasern ohne Verwirrung auf die Auffangfläche fallen. Die mit dieser Vorrichtung erzeugten und aufgefangenen Fasern sind relativ gerade und nicht verwirrt. Die Diffusionskammer bzw. der Diffusionsbereich kann ein integraler Teil der Venturi-Düse sein oder eine separate Vorrichtung sein, die an die Venturi-Düse angrenzend angeordnet ist.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann des Weiteren wahlweise eine Austrittsleitung enthalten. Die Austrittsleitung ist an die Diffusionskammer angrenzend angeordnet und enthält eine Ablegefläche. Die Ablegefläche kann verschiedene Formen einschließlich eines Förderbandes haben, so dass kontinuierlich Fasern hergestellt werden können. Vorzugsweise ist die Ablegefläche so porös, dass das Gas durch sie hindurchtreten kann und die Fasern gehalten werden.
Des Weiteren kann die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Vakuumpumpe enthalten, die mit der Austrittsleitung verbunden ist. Die Vakuumpumpe zieht ein Vakuum an der Austrittsleitung und wirkt unterstützend beim Auffangen der Fasern in zweidimensionaler Form. Bei einer Ausführung der vorliegenden Erfindung saugt die Vakuumpumpe ausreichend Gas oder Luft durch die Venturi-Düse, um die Fasern in einer relativ geraden Form zu halten. Schließlich kann der durch die Vakuumpumpe erzeugte Gasdruck auf den Spinnkopf gerichtet werden, um den gesamten Anfangs-Gasstrom für den Blasspinnvorgang bzw. einen Teil desselben zu erzeugen.
Verschiedene Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden lediglich als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine weggeschnittene Seitenansicht der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung einschließlich des Düsenkopfes, der Venturi-Düse, der Diffusionskammer, einer Austrittsleitung und einer Ablegefläche ist,
Fig. 2 eine weggeschnittene Seitenansicht einer bevorzugten Ausführung der Venturi- Düse und der Diffusionskammer ist.
Wie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu sehen ist, schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung 10, mit der relativ gerade Fasern in einer relativ unverwirrten zweidimensionalen Form gesponnen und aufgefangen werden. Vorrichtung 10 enthält einen Blasspinn-Düsenkopf 20, eine Venturi-Düse 40, eine Diffusionskammer 60 und eine Ablegefläche 65. Wahlweise enthält die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Austrittskammer 80 sowie eine Einrichtung zum Bewegen von Gas (nicht dargestellt). Bei der Einrichtung zum Bewegen von Gas kann es sich um eine Vakuumpumpe, ein Gebläse oder eine andere geeignete Vorrichtung handeln.
Das Spinnen von Fasern erfordert, wie in der Technik bekannt ist, das Erhitzen eines verspinnbaren Materials auf eine Temperatur, die ausreicht, um die Substanz durch eine Kapillare hindurchtreten zu lassen. Die Einrichtung, mit der die verspinnbare Substanz erhitzt wird, kann außerhalb oder innerhalb der Blasspinndüse angeordnet sein. Da die Verfahren und Vorrichtungen zum Blasspinnen bekannt sind, sind keine weiteren Details in dieser Hinsicht erforderlich. Umfangreiche Details finden sich in den US-Patenten Nr. 3,755,527; 4,526,733; 4,818,463 sowie dem Artikel "Superfine Thermoplastic Fibers" von Van A. Wente, Industrial Engineering Chemistry, Vol. 48, Seite 1342 (1956).
Stromab von dem Düsenkopf 20 ist eine Venturi-Düse 40 angeordnet. Normalerweise hat Venturi-Düse 40 eine Länge von ungefähr 35 cm (14 Inch) oder weniger. Je nach der Art des Faser-Grundmaterials kann es sich bei Venturi-Düse 40 und Düsenkopf 20 um eine einzelne Einheit handeln, oder sie kann zwei Einheiten in direktem Kontakt miteinander umfassen. Vorzugsweise ist jedoch ein Abstand, der als Öffnung 27 definiert ist, zwischen Düsenkopf 20 und Venturi-Düse 40 vorhanden. Faktoren, die den Abstand von Öffnung 27 bestimmen, sind die Wärmehärteigenschaften der gesponnen Faser sowie die Kühlwirkung des zweiten Gasstroms. Normalerweise ist die Öffnung 27 ein Abstand von ungefähr 0,635 bis 254 cm (25 Inch bis ungefähr 100 Inch). Bei solvatisiertem Mesophasen-Pech beispielsweise beträgt der Abstand im Allgemeinen zwischen ungefähr 5,08 und 10,16 cm (2 bis 4 Inch). Der Abstand kann jedoch bei anderen Faser- Grundmaterialien auch größer als 254 cm (100 Inch) sein. Die Herstellung von solvatisiertem Mesophasen-Pech ist in den US-Patenten Nr. 5,259,947 sowie 5,437,780 beschrieben.
Bei Kohlefasern, die aus solvatisiertem Mesophasen-Pech gesponnen werden, entspricht der Bereich zwischen dem Düsenkopf und der Venturi-Düse im Allgemeinen der Wärmehärtzone der Faser. Bei bestimmten Fasern jedoch kann sich die Wärmehärt- Zone in die Venturi-Düse hinein erstrecken. Wie bereits angemerkt, ist die Wärmehärt- Zone der räumliche Bereich, in dem die Faser wärmehärtet.
Venturi-Düse 40 weist einen Durchlass 42 auf, der sich über ihre Länge erstreckt. Durchlass 42 hat ein erstes offenes Ende 41 und ein zweites offenes Ende 43. Durchlass 42 ist stromab von Kapillare 22 angeordnet, um die gesponnenen Fasern aufzunehmen. Venturi-Düse 40 kann zwei oder mehr Gasstrahldüsen 44 und 45 enthalten, die einen Gasstrom auf die gesponnen Fasern richten, wenn diese Durchlass 42 passieren. Die Gasstrahldüsen 44 und 45 können bündig mit den Wänden von Durchlass 42 sein oder sich in Durchlass 42 hinein erstrecken. Die Gasstrahldüsen 44 und 45 stehen in Fluidverbindung mit einem Verteiler 46, der in der Venturi-Düse 40 angeordnet ist. Verteiler 46 empfängt eine Zufuhr an Druckgas über Kanal 47 von einer externen Quelle, die nicht dargestellt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführung und insbesondere dann, wenn Fasern aus solvatisiertem Mesophasen-Pech versponnen werden, befindet sich Vorrichtung 10 innerhalb einer abgedichteten Kammer (nicht dargestellt), die eine inerte Atmosphäre enthält. Wenn Fasern aus solvatisiertem Mesophasen-Pech versponnen werden, handelt es sich bei der bevorzugten Atmosphäre um ein inertes Gas, wie beispielsweise Stickstoff. Des Weiteren wird bei der bevorzugten Ausführung unter Druck stehendes Stickstoffgas über das offene Ende 41 in Venturi-Düse 40 eingeleitet. Das Gas tritt zusammen mit den versponnenen Fasern in Venturi-Düse 40 ein und erzeugt einen zweiten Gasstrom, der die Fasern physisch stabilisiert, bis sie im Wesentlichen wärmegehärtet sind. So spannt der zweite Gasstrom, der mit der Faser durch Venturi-Düse 40 hindurchtritt, die Faser und verringert bzw. neutralisiert die Auswirkungen von Turbulenz auf die Faser, die ansonsten zu gebogenen und geknickten Fasern führen würden. Des Weiteren werden bei dieser bevorzugten Ausführung die Gasstrahldüsen 44 und 45, der Verteiler 46 sowie der Kanal 47 in Venturi-Düse 40 überflüssig, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.
An Venturi-Düse 40 angrenzend und stromab von dieser ist eine Diffusionskammer bzw. ein Diffusionsbereich 60 angeordnet. Diffusionskammer 60 nimmt die wärmegehärtete Faser auf, wenn sie aus Durchlass 42 austritt, und stellt eine Einrichtung zum Auflösen des Gasstroms dar. Diffusionskammer 60 weist, wie in der Zeichnung dargestellt, einen inneren Durchlass 62 auf, dessen Fläche von einem ersten offenen Ende 63 an Durchlass 42 angrenzend zu einem zweiten offenen Ende 64 hin allmählich zunimmt. Diese allmähliche Zunahme der Fläche um die Faser herum, wenn sie durch Diffusionskammer 60 hindurchtritt, stellt eine Einrichtung dar, mit der die Geschwindigkeit und die kinetische Energie des Gasstroms aufgelöst werden. Diese allmähliche Auflösung der Energie des zweiten Gasstroms führt zu einer Minimierung und vorzugsweise völligem Ausschluss der Entwicklung von Turbulenz um die Faser herum.
Natürlich sind ohne weiteres andere Ausführungen vorstellbar, mit denen die gleiche Wirkung erzielt wird, und zwar einschließlich einer Diffusionskammer, die eine konstante Innenfläche aufweist, die sich jedoch allmählich zur Atmosphäre hin öffnet. Zu Beispielen dieser alternativen Ausführung können eine mit Sieb oder Löchern versehene Kammer gehören. Des Weiteren schließt die vorliegende Erfindung die Ausführung der Venturi-Düse und der Diffusionskammer als einzelne integrale Einheit ein. Des Weiteren können bestimmte Prozess-Bedingungen das Erhitzen der Wände von Diffusionskammer 60 erforderlich machen, um die Kondensation von Monomer und/oder Spinn- oder Solvations-Lösungsmitteln daran auszuschließen.
Unterhalb der Diffusionskammer 60 ist eine Ablegefläche 65 angeordnet. Die Ablegefläche 65 ermöglicht es dem Gasstrom, vorzugsweise ungehindert durch ihre Oberfläche hindurchzutreten. Ablegefläche 65 kann in Form eines Lochsiebs, einer Lochplatte oder eines Lochbandes vorhanden sein. Eine Ablegefläche 65 in Form eines Förderbandes kann vorteilhaft sein, da damit die Fasern von Vorrichtung 10 weg transportiert werden können, so dass kontinuierlich Fasern hergestellt werden können.
Vorrichtung 10 kann wahlweise eine Austrittsleitung 80 enthalten. Wenn die Austrittsleitung 80 eingesetzt wird, kann Ablegefläche 65 innerhalb von Leitung 80 angeordnet sein oder durch sie hindurchtreten, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Austrittsleitung 80 weist eine Öffnung 83 auf, die das Ende 64 von Diffusionskammer 60 umschließt. Unterhalb von Ende 64 ist die Ablegefläche 65 angeordnet. Öffnung 83 ermöglicht es den Fasern aus Diffusionskammer 60 auf Ablegefläche 65 zu gelangen. Austrittsleitung 80 weist des Weiteren eine Öffnung 86 auf, die das Ablassen von Gasen an die Atmosphäre ermöglicht. Wahlweise können diese Gase zu beiden Gasquellen zurückgeführt, wieder unter Druck gesetzt und entweder in dem Spinnkopf 20 oder Venturi-Düse 40 eingesetzt werden. Des Weiteren kann, wenn es sich bei Ablegefläche 65 um ein Förderband handelt, Austrittsleitung 80 mit rollenden Dichtungen 82 oder anderen Einrichtungen versehen sein, die das Hindurchtreten des Bandes und von Fasern aus der Austrittsleitung 80 ermöglichen, ohne den Gasstrom durch Leitung 80 zu unterbrechen.
Vorrichtung 10 kann wahlweise eine Gasbewegungseinrichtung (nicht dargestellt) enthalten. Die Gasbewegungseinrichtung weist eine Unterdrucköffnung und eine Überdrucköffnung auf. Normalerweise handelt es sich bei der Gasbewegungseinrichtung um eine Vakuumpumpe oder ein Gebläse, und sie wird in Verbindung mit Austrittsleitung 80 eingesetzt, wobei die Unterdrucköffnung mit der Öffnung 86 der Austrittsleitung verbunden ist. Bei dieser Ausführung saugt eine Vakuumpumpe zusätzliches Gas nach unten durch die Fasern, wenn sie auf der Ablegefläche 65 aufgefangen werden. Das Hindurchtreten von Gas durch die Fasern verbessert das Auffangen der Fasern in einer zweidimensionalen Form. Die Überdrucköffnung der Gasbewegungseinrichtung kann mit der Gasquelle der Blasspinndüse verbunden sein, um das beim Spinnprozess verwendete Gas zurückzuführen.
Unter weiterer Bezugnahme auf die Zeichnungen wird ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ablegen und Auffangen relativ gerader, nicht verwirrter blasgesponnener Fasern schafft. Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders zum Herstellen von Kohlefasern aus solvatisiertem Pech einschließlich solvatisiertem Mesophasen-Pech. Die folgende Erläuterung konzentriert sich auf das Auffängen von Fasern, die aus solvatisiertem Mesophasen-Pech gesponnen werden, der Fachmann weiß jedoch, dass die vorliegende Erfindung auf allen Gebieten des Blasspinnens eingesetzt werden kann.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung beginnt mit dem Erhitzen einer verspinnbaren Substanz, wie beispielsweise solvatisiertem Mesophasen-Pech, auf eine Temperatur, die ausreicht, um es durch eine Kapillare in einer Blasspinn-Düse hindurchtreten zu lassen. Die Verfahren zum Erhitzen und Hindurchleiten einer verspinnbaren Substanz durch eine Kapillare sind in der Technik bekannt und werden hier nicht wiederholt. Des Weiteren wird, wie ebenfalls in der Technik bekannt ist, die blasgesponnene Faser, wenn sie aus einer Kapillare in einer Blasspinndüse austritt, mit einem Gasstrom in Kontakt gebracht. Bei einer typischen Schlitzdüse wird das Gas durch wenigstens zwei Gaskanäle auf die Faser gerichtet. Bei Ringdüsen tritt das Gas durch einen einzelnen Kanal hindurch, der die Kapillare umschließt. In beiden Fällen verfeinert der Gasstrom die Faser, nachdem sie aus der Kapillare ausgetreten ist. Wenn die Faser verfeinert wird, wird sie dünner und länger.
Vor der vorliegenden Erfindung entstanden beim Blasspinnen von Kohlepech normalerweise gebogene und geknickte Kohlefasern. Dieses Knicken und Biegen der Fasern ist auf die Turbulenz zurückzuführen, die durch den Gasstrom verursacht wird. Da die Fasern vor und während des Wärmehärtens geknickt und gebogen werden, sind die entstehenden fertigen Fasern ebenfalls geknickt und gebogen. Diese Fasern lassen sich außerordentlich schwierig auffangen und sammeln sich in einer verwirrten dreidimensionalen Masse mit geringer Rohdichte an.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht vorteilhafterweise das Auffangen von relativ geraden Fasern in einer im Wesentlichen nicht verwirrten zweidimensionalen Form. Bei diesem Verfahren treten die Fasern, wenn sie aus der Blasspinndüse austreten, durch eine Wärmehärtzone, wie sie erläutert wurde, hindurch und in eine Venturi- Düse hinein. Mit den Fasern tritt ein zweiter Gasstrom in die Venturi-Düse ein. Der zweite Gasstrom hat eine Geschwindigkeit, die höher ist als die der Fasern und übt während des Wärmehärtvorgangs Spannung auf die Fasern aus. So hält der zweite Gasstrom die Fasern in einer relativ geraden Form, wenn sie wärmehärten.
Je nach der Zusammensetzung der Fasern kann, wie oben angemerkt, der Wärmehärtvorgang auftreten, bevor die Fasern in die Venturi-Düse eintreten. Unabhängig jedoch von der Zone, in der es zum Wärmehärten der Fasern kommt, bleiben sie aufgrund der Spannung, die von dem zweiten Gasstrom auf die Fasern ausgeübt wird, relativ frei von Biegungen und Knicken. So hält der zweite Gasstrom die Spannung auf die Fasern während des Wärmehärtvorgangs aufrecht. Bei der bevorzugten Ausführung verändert das Gas die Fasern chemisch nicht, jedoch kann ein gewisser Teil Lösungsmittel durch das Hindurchtreten von Gas aus den Fasern entfernt werden. Daher werden die Fasern im Wesentlichen wärmegehärtet, wobei sie gleichzeitig im Wesentlichen frei von Knicken und Biegungen bleiben.
Als Alternative dazu kann, wie oben angemerkt, die Venturi-Düse im Inneren einen zweiten Gasstrom erzeugen, der auf die Fasern gerichtet wird. Der zweite Gasstrom wirkt auf die oben beschrieben Weise und übt Spannung auf die Fasern aus und hält sie in einer relativ geraden Form, bis die Faser im Wesentlichen wärmegehärtet ist. Des Weiteren kann der zweite Gasstrom im Inneren der Venturi-Düse, je nach der Art der verspinnbaren Substanz, die Faser weiter verfeinern bzw. ziehen.
Um eine kostengünstige Faser herzustellen, muss bei dem Verfahren auch ausgeschlossen werden, dass sich die Faser verwirrt, wenn sie sich auf einer Auffangfläche ansammelt. Um das Verwirren der wärmegehärteten Faser zu verringern und vorzugsweise ganz auszuschließen, wird bei der vorliegenden Erfindung die Faser durch eine Diffusionskammer bzw. einen Diffusionsbereich hindurchgeleitet. In der Diffusionskammer wird, wie bereits erläutert, die kinetische Energie des zweiten Gasstroms aufgelöst. Daher ermöglicht es das Verfahren, dass die Fasern in nicht verwirrtem Zustand auf die Ablegefläche fallen, wo sie relativ flach, zweidimensional aufgefangen werden können. Vorzugsweise ist die Ablegefläche so porös, dass das Gas durch die Fasern hindurchtreten kann.
Bei einer alternativen Ausführung ist bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung des Weiteren der Einsatz einer Austrittsleitung in Verbindung mit einer Vakuumpumpe oder einem Gebläse vorgesehen. Bei dieser Ausführung werden Fasern, die aus der Diffusionskammer austreten, auf einer porösen Ablegefläche aufgefangen, die in der Austrittsleitung angeordnet ist. Bei einer bevorzugten Ausführung handelt es sich bei der Ablegefläche um ein Förderband, das die Fasern aus der Austrittsleitung über eine rollende Dichtung oder einen Saugkasten transportiert.
Die Vakuumpumpe wird normalerweise mit der Austrittsleitung so verbunden, dass die Erzeugung eines Vakuums in der Austrittsleitung möglich ist. Dadurch saugt die Vakuumpumpe zusätzliches Gas nach unten durch die Fasern, wenn sie auf der Ablegefläche aufgefangen werden. So wird durch die Vakuumpumpe das Auffangen der Fasern in zweidimensionaler Form verbessert.
Des Weiteren kann die Vakuumpumpe im Zusammenwirken mit der Venturi-Düse das Entstehen von Turbulenz um die Faser herum ausschließen, ohne dass ein zweiter Gasstrom in der Venturi-Düse erzeugt werden muss. Bei dieser Ausführung des Verfahrens saugt die Vakuumpumpe ausreichend Gas bzw. Luft durch die Öffnung zwischen dem Spinnkopf und der Venturi-Düse, um das Entstehen von Turbulenz um die Faser herum auszuschließen, wobei Unterdruck und kein Überdruck genutzt wird, um den zweiten Gasstrom zu erzeugen, der mit der Faser in Kontakt kommt. Der zweite Gasstrom tritt in die Venturi-Düse zusammen mit der Faser ein und hält die Faser in relativ gerader Form, bis die Faser wärmegehärtet ist. Schließlich ermöglicht der Einsatz der Vakuumpumpe unter Umständen das Zurückführen des Gases zu einem beliebigen Teil des Systems.
Andere Ausführungen der Erfindung werden für den Fachmann aus der vorliegenden Patentbeschreibung bzw. der Umsetzung der darin offenbarten Erfindung ersichtlich. Die Patentbeschreibung ist als lediglich beispielhaft zu betrachten, wobei der tatsächliche Schutzumfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche dargestellt wird.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen relativ gerader blasgesponnener Fasern, das umfasst:

Blasspinnen einer Faser unter Verwendung wenigstens eines Gasstroms;

Herstellen von Kontakt der Faser mit wenigstens einem zusätzlichen Gasstrom, um die Faser unter Spannung zu setzen;

Wärmehärten der Faser, während sie unter Spannung steht,

dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des zusätzlichen Gasstroms größer ist als die Geschwindigkeit der Faser.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das die folgenden zusätzlichen Schritte aufweist:

Auflösen des wenigstens einen zusätzlichen Gasstroms, indem das Gas und die Faser in eine Diffusionskammer (60) geleitet werden;

Herausführen der Faser aus der Diffusionskammer (60); und

Auffangen der Faser.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das den Schritt des Einleitens der Faser und des zusätzlichen Gasstroms in eine Venturi-Düse (40) einschließt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Schritt des Blasspinnens umfasst:

Erhitzen einer verspinnbaren Substanz auf eine Temperatur, die ausreicht, um die Substanz fließen zu lassen, und anschließendes Ausbilden einer Faser, indem die Substanz in eine Spinndüse (20) und durch eine Kapillare (22), die in der Düse (20) angeordnet ist, geleitet wird;

Verfeinern der Faser, wenn sie aus der Kapillare (22) austritt, indem die Faser mit wenigstens einem Gasstrom in Kontakt gebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Faser aus der Kapillare (22) austritt und, bevor sie mit dem wenigstens einen zusätzlichen Gasstrom in Kontakt kommt, einen Abstand zu der Düse (20) durchläuft.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Faser aus einem Kohlepech gesponnen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Faser aus einem solvatisierten Mesophasen-Pech gesponnen wird.

8. Vorrichtung (10) zum Blasspinnen von Fasern, die umfasst:

einen Blasspinn-Düsenkopf (20), der wenigstens eine Kapillare (22) mit einer Öffnung zum Aufnehmen einer verspinnbaren Substanz und eine zweite Öffnung (27) zum Herausleiten der Substanz aus der Kapillare (22) als eine Faser und eine Einrichtung zum Richten wenigstens eines Gasstroms auf die austretende Faser aufweist;

eine Venturi-Düse (40), die stromab von dem Blasspinn-Düsenkopf (20) angeordnet ist, wobei die Venturi-Düse einen Durchlass (42) durch selbige enthält und der Durchlass ein erstes (41) und ein zweites (43) offenes Ende aufweist, wobei das erste offene Ende (41) so angeordnet ist, dass es eine Faser aufnimmt, wenn sie aus der Blasspinn-Düse (20) austritt;

dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Venturi-Düse (40) und dem Blasspinn-Düsenkopf (20) zwischen 0,635 und 254 cm (0,25 Inch bis 100 Inch) liegt, und die des Weiteren eine Einrichtung umfasst, mit der ein zweiter Gasstrom in das erste offene Ende (41) des Durchlasses (42) durch die Venturi-Düse (40) hindurchgeleitet wird, wobei der zweite Gasstrom eine Geschwindigkeit hat, die höher ist als die Geschwindigkeit der Faser.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Abstand zwischen der Venturi-Düse (40) und dem Blasspinn-Düsenkopf (20) zwischen 2 und ungefähr 12 Inch (5,08-30,48 cm) liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Abstand zwischen der Venturi-Düse (40) und dem Blasspinn-Düsenkopf (20) zwischen 2 und 4 Inch (5,08-10,16 cm) liegt.

11. Vorrichtung nach den Ansprüche 8, 9 oder 10, wobei der Abstand zwischen der Venturi-Düse (40) und dem Blasspinn-Düsenkopf (20) geringer ist als der Abstand, in dem der Gasstrom Turbulenzen um die Faser herum zu erzeugen beginnt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, die des Weiteren umfasst:

eine Diffusionskammer (60), die stromab von der Venturi-Düse (40) angeordnet ist;

wobei die Diffusionskammer (60) ein erstes offenes Ende (43), das stromab von dem zweiten offenen Ende (43) des Durchlasses (42) durch die Venturi-Düse (40) angeordnet ist, und ein zweites offenes Ende (64) aufweist, das es der Faser ermöglicht, aus der Diffusionskammer (60) auszutreten.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Diffusionskammer (60) einen Innendurchmesser hat, der von einem minimalen Durchmesser am ersten offenen Ende (41) zu einem maximalen Durchmesser am zweiten offenen Ende (43) hin allmählich zunimmt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, die des Weiteren eine Ablegefläche (65) umfasst, die unter dem zweiten offenen Ende (64) der Diffusionskammer (60) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12, 13 oder 14, wobei die Vorrichtung (10) in einer abgedichteten Kammer angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die abgedichtete Kammer eine reaktionslose Atmosphäre enthält.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Venturi-Düse (40) und die Diffusionskammer (60) eine einzelne Vorrichtung bilden.