DE19650608B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Separierung und Spreizung von verstreckten thermoplastischen Endlos-Filamenten bei der Vliesherstellung durch elektrostatische Aufladung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Separierung und Spreizung von verstreckten, thermoplastischen Endlos-Filamenten bei der Vlies-Herstellung durch elektrostatische Aufladung, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem gleichgerichteten Luftstrom begleiteten Filamente unmittelbar vor der elektrostatischen Aufladung auf die Oberseite eines tragflügelförmigen Prallkörpers, in Filamentrichtung zwischen stumpfem Ende und Scheitelpunkt unter einem spitzen Winkel auftreffen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Separierung und Spreizung von verstreckten, thermoplastischen Endlos-Filamenten durch elektrostatische Aufladung bei der Vlies-Herstellung.
• Die Schilderung der Vlies-Herstellungsverfahren mit elektrostatisch aufgeladenen Filamenten erfolgt in den Basispatenten von di Sabato et al. ( US 3 163 753 ) und Kinney ( US 3 338 992 ). Hier werden die Filamente vor dem Abzug mittels einer Coronaentladung elektrostatisch aufgeladen. Die gleichsinnig aufgeladenen Filamente stoßen sich gegenseitig ab, was zu einer besseren Separierung und Spreizung des Filamentbündels im Ablegebereich führt und als Folge zu einer besseren Homogenität und Festigkeit des so hergestellten Vlieses.
• Eine funktionstüchtige und effiziente elektrostatische Aufladung und Spreizung der Filamente muß teilweise widersprüchliche Forderungen erfüllen. Zunächst muß eine möglichst hohe Aufladung erreicht werden, damit sich die elektrostatischen Abstoßungskräfte gegen die anderen wirksamen Kräfte, wie z. B. Strömungswiderstände, Trägheitskräfte, Biegekräfte, Schwerkraft, Kohäsions- und Adhäsionskräfte, durchsetzen können. Gleichzeitig ist aber die maximale Aufladung durch die Durchbruchfeldstärke der Luft begrenzt, wodurch z.B. die Oberflächenladung einer ebenen Fläche nur maximal 2,7 × 10⁵ C/m² erreichen kann.
• Ferner muß sichergestellt sein, daß alle Filamente die gleiche Oberflächenladung tragen, da sonst ungewollte elektrostatische Anziehungskräfte entstehen. Dies wird zum Beispiel dadurch erreicht, daß die aufzuladenden Filamente durch eine als Gegenelektrode ausgeführte, gerade Prallplatte vereinzelt werden, so daß kein Filament das andere während des Aufladevorganges abdeckt und alle aufzuladenden Filamente während der Aufladung der gleichen, hohen Feldstärke ausgesetzt sind (Sternberg, US 3 967 118 , Zeldin et al., US 5 225 018 A ).
• Da bei einer derartigen Anordnung aber die bewegten Filamente mit der stationären Gegenelektrode unvermeidbar in innigen Kontakt treten, sind hohe Reibungskräfte, in Verbindung mit Verschleißerscheinungen der Gegenelektrode die Folge. Zusätzlich führt die hohe Faden/Gegenelektroden-Reibung zu einem unruhigen Fadenlauf mit zeitweiligem Stau- und Staucheffekt, worunter die Vliesgleichmäßigkeit leidet. Vor allem aber erzeugen die aufgeladenen Filamente in der Gegenelektrode zwangsläufig eine gleich große "Spiegel"-Ladung von entgegengesetzter Polarität, ein allgemein als Influenz bezeichneter Vorgang. Durch dieses Influenzfeld werden von der Gegenelektrode starke Anziehungskräfte auf die Filamente ausgeübt, die den ohnehin schon kleinen Abstand der Filamente zur Gegenelektrode weiter verringern, z. B. in dem sie die Luftgrenzschichten verdrängen und somit zu einer weiteren Erhöhung der Faden/Gegenelektroden-Reibung führen. Dies kann bis zum zeitweiligen Festkleben der Filamente führen. Dadurch wird nicht nur die Vliesgleichmäßigkeit nachhaltig gestört, sondern auch die Aufspreizung der aufgeladenen Filamentscharen drastisch reduziert, da die elektrostatischen Abstoßungskräfte zumindest teilweise durch Influenzkräfte aufgehoben werden. Hier stellt sich also die widersprüchliche Aufgabe, einerseits den Kontakt der Filamente mit der Gegenelektrodenoberfläche zeitlich und räumlich möglichst zu reduzieren, um Influenz- und Kontaktreibung zu minimieren, andererseits eine gleichmäßige und maximale Aufladung der Filamente zu erreichen.
• Piper et al. ( US 3 766 606 ) schlagen des weiteren vor, die Treib- und Schleppluft, welche die Filamente begleitet, noch vor Ablage der Filamente aus dem sensiblen Vlieslegebereich durch seitliche Ableitung zu entfernen. Dieses Verfahren empfiehlt sich im Sinne einer gleichmäßigen Vlieslegung mit maximaler Aufspreizung der Filamente besonders bei zuvor elektrostatisch aufgeladenen Filamenten, da erst durch weitgehende Eliminierung der üblicherweise hochturbulenten Luftströmung die elektrostatischen Abstoßungskräfte weitgehend ungestört wirksam werden können. Hierbei wird durch einen der elektrostatischen Aufladung nachgeschalteten Konfusor mit seitlichen Öffnungen und nach unten stark verringertem Strömungsquerschnitt eine Stauströmung mit erhöhtem statischen Druck aufgebaut, so daß die überschüssige Luft durch die seitlichen Öffnungen entweicht. Es versteht sich von selbst, daß derartige Engstellen, im Beispiel von nur wenigen Millimetern noch verstopfungsempfindlicher reagieren, wenn durch die zitierten Reibungskräfte Faden/Gegenelektrode kein gleichmäßiger und kontinuierlicher Fadenlauf gewährleistet ist.
• Reba ( US 4 334 340 ) beschreibt ein Tragflügelprofil als zentrales Element einer rein aerodynamischen Filamentspreizapparatur ohne elektrostatische Aufladung. Die Sehne des Tragflügels steht nahezu senkrecht zur Auftreffrichtung der Filamente. Über die stumpfe Seite des Tragflügels wird ein zusätzlicher Luftstrom über den Tragflügel geleitet, um eine möglichst dicke und räumlich ausgedehnte Grenzschicht zu erzeugen, auf der die (nicht aufgeladenen) Filamente reibungsfrei "aufschwimmen" und der radial umgelenkten Luftströmung folgend ausreichend Zeit zum Aufspreizen finden, bevor sie ohne weitere Aufspreiz- oder Luftabquetsch-Maßnahmen zu einem Vlies abgelegt werden.
• Das Ziel der Luftzuführung ist es, hier eine Grenzschichtablösung längs des Tragflügelprofils zu verhindern. Eine gleichmäßige Separierung und Aufspreizung ist so nicht erreichbar.
• Kamioka et al. ( US 4 380 104 ) beschreiben eine Apparatur zum Separieren von Filamenten, wobei eine Corona-Entladungselektrode innerhalb der Abzugsvorrichtung vor der Pralleinrichtung angeordnet ist und bei der die Pralleinrichtung optional ebenfalls mit einer Corona-Entladungselektrode versehen sein kann. Auch in dieser Anordnung erfolgt beim Passieren der Abzugseinrichtung ein nicht unerheblicher Verlust der durch die erste Elektrode aufgebrachten Ladung und damit nur eine geringe Aufspreizung der Filamente. Die direkt an der Pralleinrichtung angebrachte zweite Elektrode kann durch die gleichzeitig einwirkenden Prall- und Ladungskräfte höchstens eine geringe zusätzliche Aufspreizung der Filamente bewirken. Ein der Pralleinrichtung nachgeschalteter Spalt mit seitlicher Luftabfuhr, der eine weitere, zusätzliche Aufspreizung bewirken könnte, ist nicht vorgesehen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Separierung und Spreizung von verstreckten, thermoplastischen Endlos-Filamenten durch elektrostatische Aufladung aufzuzeigen, wobei die vorstehend genannten Nachteile ganz oder zumindest weitgehend vermieden werden.
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Angaben der Patentansprüche.
• Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die von einem gleichgerichteten Luftstrom begleiteten Filamente unmittelbar vor der elektrostatischen Aufladung auf die Oberseite eines tragflügelförmigen Prallkörpers, in Filamentrichtung zwischen stumpfem Ende und Scheitelpunkt unter einem spitzen Winkel auftreffen.
• Die Vorrichtung ist entsprechend dadurch gekennzeichnet, daß sie in Filamentrichtung
• – einen Prallkörper, welcher die Form der Oberseite eines Tragflügels hat und mit dem stumpfen Ende nach oben angeordnet ist,
• – eine Corona-Entladungselektrode mit Gegenelektrode und
• – einen seitlich offenen Konfusor, welcher aus einer einen sich verjüngenden Spalt bildenden Platte und Konterplatte besteht,
umfaßt.
• Anwendung finden das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung bei frisch schmelzgesponnenen, in bekannterweise aerodynamisch und/oder mechanisch verstreckten Filamenten aus Polyolefinen, Polyester oder Polyamid, insbesondere aus Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyamid-6 oder -6.6, mit einem Einzeltiter von vorzugsweise 0,5 dtex bis 8,0 dtex.
• Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen näher erörtert,
  wobei
• 1 einen erfindungsgemäßen Prallkörper in Form der Oberseite eines Tragflügels,
  und
• 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der Prallkörper, Gegenelektrode und Konfusorplatte eine Einheit bilden,
  darstellen.
• Die Erfindung beruht auf der Nutzung strömungsmechanischer Phänomene, wie sie an der Oberseite von Tragflügeln zu beobachten sind. Die hier in Frage kommenden Erscheinungen sind insbesondere die Stauströmung, die Beschleunigung der Strömung, der Grenzschichtaufbau und die Ablösung der Grenzschicht. Diese Erfindung nutzt diese Phänomene unter Berücksichtigung der besonderen Erfordernisse der elektrostatischen Aufladung der Filamente, vorzugsweise bei gleichzeitiger Ableitung der die Vliesablage störenden Treib- und Begleitluft.
• In der bevorzugten Anordnung wird ein Prallkörper (1) mit einer Oberflächenkontur, die der Oberseite eines Tragflügels entspricht, im vorderen Bereich zwischen stumpfem Ende und Scheitelpunkt, vorzugsweise im vorderen Drittel (18), von dem Filamentbündel (2) und der sie begleitenden Schlepp- und Treibluft im spitzen Winkel getroffen. Der Querschnitt des Filamentbündels (2) ist vor dem Aufprall dabei relativ klein und kann von beliebiger Form, üblicherweise aber von kreisrunder oder rechteckiger Form sein. Durch den Aufprall werden die Filamente vereinzelt und in eine einseitig gekrümmte Ebene gedrängt, die der Kontur des tragflügelförmigen Prallkörpers folgt.
• Vorzugsweise hat die Oberseite des Tragflügels, wie in 1 gezeigt, die Form eines Kreissegmentes (1) mit einem Radius R im Bereich von 150 mm bis 500 mm, vorzugsweise 200 mm bis 350 mm, und einem Segmentwinkel α im Bereich von 20° bis 40°, vorzugsweise 20° bis 30°, mit daran einseitig anschließender Tangente (4). Hierbei ist die Tangente um einen Winkel β im Bereich von 5° bis 25°, vorzugsweise 5° bis 15°, gegenüber dem Lot gekippt.
• Der an den Scheitelpunkt des Tragflügelprofils anschließende, in eine Tangente auslaufende Bereich des Prallkörpers dient, wie in 2 gezeigt, gleichzeitig als Gegenelektrode. Dieser Teil des Prallkörpers oder der gesamte Prallkörper ist entsprechend aus elektrisch leitendem Material, zum Beispiel Metall, gefertigt und mittels Erdung oder Hochspannungsgenerator auf ein definiertes elektrisches Potential eingestellt. Der Gegenelektrode gegenüber und senkrecht zu den vereinzelten Filamenten ist eine Corona-Entladungselektrode (3), beispielsweise eine oder mehrere Nadelelektroden, angeordnet. Die beschleunigte Luftströmung an der konvex gekrümmten Oberfläche des tragflügelförmigen Prallkörpers hilft dabei, die Reibungs- und Influenzkräfte der Filamente an der Tragflügeloberfläche zu überwinden. Zusätzlich reduziert die sich ausbildende Grenzschicht den Kontakt der Filamente zur Gegenelektrode.
• Nach Zurücklegung einer Wegstrecke von üblicherweise 15 mm bis 100 mm, bevorzugt 30 mm bis 50 mm, verläßt der aufgeladene Filamentstrahl den Elektroden-, d.h. Aufladungsbereich. Ab dem Ablösepunkt (19) ist eine weitere Zwangsführung der aufgeladenen Filamente entlang der Tragflügelkontur nicht mehr erforderlich, da die elektrostatische Aufladung bereits abgeschlossen ist. Es ist sogar äußerst vorteilhaft, wenn sich die aufgeladenen Filamente möglichst frühzeitig von der Tragflächenoberfläche ablösen, da auf diese Weise Reibungs- und Influenzkräfte minimiert werden.
• Dies ist ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung. Es ist bekannt, daß auch an aerodynamisch optimierten Tragflügeln eine unvermeidliche Grenzschichtablösung im hinteren Bereich auftritt. Diese Grenzschichtablösung ist bei der Anwendung als Tragflügel unerwünscht, da sie den Auftrieb verringert und den Strömungswiderstand erhöht, weshalb man bestrebt ist durch entsprechend strömungsgünstige Gestaltung des Flügelprofils, den Ablösepunkt möglichst weit in Strömungsrichtung nach hinten zu verschieben. Im erfindungsgemäßen Fall wird jedoch das Gegenteil angestrebt, d.h. es gilt, elektrostatische Influenzkräfte und Reibungskräfte zu minimieren, was nur durch Verweilzeit- und Kontaktflächenverringerung erreicht werden kann. Das heißt im vorliegenden Fall ist ein "aerodynamisch schlechter" Tragflügel mit frühzeitiger Strömungsablösung erwünscht. Dabei sollte aber die mit der Strömungsablösung zwangsläufig verbundene Wirbelbildung möglichst unterdrückt werden, so daß keine Filamentanhäufungen oder -bündelungen entstehen können. Überraschenderweise ist es durch die Wahl des erfindungsgemäßen Tragflügelprofils gelungen, diese üblicherweise unvereinbaren Forderungen zu erfüllen.
• Vorzugsweise werden die derart von der Gegenelektrode abgelösten Filamente anschließend einem seitlich offenen Konfusor (oder Abquetscheinheit), welcher aus einer einen sich in Filamentrichtung verjüngenden Spalt bildenden Platte (4) und Konterplatte (6) besteht, zugeführt. Der Konfusor dient dazu, die bei der Vliesablage störende Begleitluft zuvor seitlich abzuleiten. Der Winkel Φ zwischen Platte (4) und Konterplatte (6) wird dabei vorzugsweise so eingestellt (etwa 10° bis 40°), daß in Verbindung mit dem großen Ablösewinkel der Filamente beim Ablösepunkt (19) von der Gegenelektrode, die Filamente im Konfusor-Aufprallbereich (20) gegen die Konterplatte (6) prallen und somit eine zusätzliche, mechanisch verursachte Aufspreizung erfahren. Die Spaltbreite am Konfusor-Ausgang beträgt etwa 2 mm bis 5 mm.
• Vorteilhafterweise bildet die Konfusorplatte (4) eine Einheit mit dem Prallkörper (1) und der Gegenelektrode, als Verlängerung des Tangentenbereichs des Tragflügelprofils. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die untere Hälfte des Tragflügels ab dem Ablösepunkt (19) und die beiden Konfusorplatten in elektrisch nichtleitendem Werkstoff, z. B. Polyethylen, Polycarbonat, Perfluorpolyethylen oder Oxidkeramik, ausgeführt, um so die bremsende Wirkung von influenzierten Spiegelladungen zu verhindern.
• Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen tragflügelförmigen Prallplatte gegenüber bekannten ebenen Prallplattenanordnungen äußert sich vor allem in einem vergrößerten Spreizwinkel. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, die Zahl der Abzugsdüsen und der Separatoren zu reduzieren und damit den Energieverbrauch, insbesondere den Luftverbrauch, zu senken, sowie die Vliesgleichmäßigkeit zu erhöhen, da sowohl hohe Luftmengen als auch kleine Spreizwinkel wegen der Luftturbulenzen und der geringen Fadenscharüberdeckung die Vliesgleichmäßigkeit beeinträchtigen.
• Beispiel 1
• Nach bekanntem Verfahren (vgl. US 3 655 862 von Dorschner) werden in Runddüsen Polypropylenfilamente aus isotaktischem Polypropylen (MFI 25 g/10 min) mit einem Titer von etwa 2,4 dtex in einer Ringspalt-Laval-Treibluftdüse aerodynamisch abgezogen und in ein kreisrundes Filamentführungsrohr mit einem Innendurchmesser von 12 mm überführt.
• Der Filament- und Verstreckluftstrahl trifft im spitzen Winkel auf einen erfindungsgemäßen Prallkörper mit geerdeter, metallischer Oberfläche. Die Oberfläche ist nach Art eines Tragflügels einseitig gekrümmt, die Tangente des Tragflügels etwa 15° gegen das Lot geneigt. Der Krümmungsradius des Prallkörpers beträgt 300 mm. Im unteren Teil geht die Krümmung tangential in eine ebene Fläche über, die gleichzeitig die eine Hälfte des zweiteiligen Konfusors bildet. Dem Aufprall- und Spreizbereich gegenüberliegend befindet sich in einem Abstand von 20 mm die Aufladeelektrode, die nach dem Stand der Technik als Nadelelektrode ausgeführt ist.
• Die bereits durch den Aufprall mechanisch vorgespreizten Filamente durchlaufen die mit 35 kV negativem Potential beaufschlagte elektrostatische Beladungszone, lösen sich beim Ablösepunkt von der Gegenelektrode ab und treffen anschließend auf die gegenüberliegend installierte Konfusor-Konterplatte. Der Staudruck im Konfusor führt zu einer seitlichen Ableitung eines erheblichen Teiles der die Filamente begleitenden Treibluft. Schließlich verlassen die Filamente den Konfusor durch den 3 mm breiten Konfusorspalt in Form eines sich nach unten öffnenden Vollkegels.
• Der Sprühkegel schneidet das 600 mm vom Konfusorspalt entfernte Ablage-Siebband in Form einer Vlieslegeellipse (12) mit den Hauptachsen 840 mm × 620 mm. Wird statt dessen ein bekanntes, gerades Prallblech verwendet, so wird unter den gleichen Bedingungen nur eine Vlieslegeellipse mit den Hauptachsen 430 mm × 410 mm erreicht.
• Beispiel 2
• Die Versuchsanordnung war analog der von Beispiel 1. Die Beaufschlagung der Abzugsdüsen erfolgte jedoch mit Polyesterfilamenten, bestehend aus spinnförmigem Polyethylenterephthalat. Die Aufladeelektrode wurde mit positivem Potential von 30 kV beaufschlagt. Dabei wurden ähnlich gute Ergebnisse erzielt, wie im Beispiel 1 mit Polypropylen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Separierung und Spreizung von verstreckten, thermoplastischen Endlos-Filamenten bei der Vlies-Herstellung durch elektrostatische Aufladung, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem gleichgerichteten Luftstrom begleiteten Filamente unmittelbar vor der elektrostatischen Aufladung auf die Oberseite eines tragflügelförmigen Prallkörpers, in Filamentrichtung zwischen stumpfem Ende und Scheitelpunkt unter einem spitzen Winkel auftreffen.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filamente nach der elektrostatischen Aufladung einen seitlich offenen Konfusor, der einen sich in Filamentrichtung verjüngenden Spalt bildet, durchlaufen.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endlos-Filamente aus Polyolefinen, Polyester oder Polyamid bestehen.
4. Vorrichtung zur Separierung und Spreizung von verstreckten thermoplastischen Endlos-Filamenten bei der Vlies-Herstellung durch elektrostatische Aufladung, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Filamentrichtung – einen Prallkörper, welcher die Form der Oberseite eines Tragflügels hat und mit dem stumpfen Ende nach oben angeordnet ist, – eine Corona-Endladungselektrode mit Gegenelektrode und – einen seitlich offenen Konfusor, welcher aus einer einen sich verjüngenden Spalt bildenden Platte und Konterplatte besteht, umfaßt.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite des Tragflügels die Form eines Kreissegmentes mit einem Radius im Bereich von 150 mm bis 500 mm und einem Segmentwinkel α im Bereich von 20° bis 40° mit daran einseitig anschließender Tangente hat.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tangente um einen Winkel β im Bereich von 5° bis 25° gegenüber dem Lot gekippt ist.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Prallkörper, Gegenelektrode und gegebenenfalls Konfusorplatte aus einer Einheit bestehen, wobei die nach unter verlängerte Tangente die Konfusorplatte bildet.
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplatte und der obere Bereich der Gegenelektrode aus elektrisch leitendem Material und gegebenenfalls der untere Bereich der Gegenelektrode und die Konfusorplatte aus elektrisch nicht leitendem Material bestehen.