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EP1409775B1 - Vorrichtung zur herstellung von fasern in einem elektrostatischen spinnverfahren - Google Patents

Vorrichtung zur herstellung von fasern in einem elektrostatischen spinnverfahren Download PDF

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Publication number
EP1409775B1
EP1409775B1 EP02754394A EP02754394A EP1409775B1 EP 1409775 B1 EP1409775 B1 EP 1409775B1 EP 02754394 A EP02754394 A EP 02754394A EP 02754394 A EP02754394 A EP 02754394A EP 1409775 B1 EP1409775 B1 EP 1409775B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spray
electrode
electrodes
plates
disposed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP02754394A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1409775A1 (de
Inventor
Wolfgang Czado
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mann and Hummel Innenraumfilter GmbH and Co KG
Original Assignee
Helsa Automotive GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=7693064&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP1409775(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Helsa Automotive GmbH and Co KG filed Critical Helsa Automotive GmbH and Co KG
Publication of EP1409775A1 publication Critical patent/EP1409775A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1409775B1 publication Critical patent/EP1409775B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D01D5/0061—Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus
    • D01D5/0069—Electro-spinning characterised by the electro-spinning apparatus characterised by the spinning section, e.g. capillary tube, protrusion or pin

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for producing fibers in an electrostatic spinning process and to a process carried out using this apparatus.
  • Such devices are basically known from the prior art.
  • a polymer in the form of a polymer melt or in the form of a solution is introduced into an electric field and spun into fibers by the action of the electric field.
  • An electrode usually forms a receiving device for the spun fibers, while the counter electrode is designed as Absprühelektrode or spray nozzle.
  • the nano- and microfibers produced using such a device are not isolated, but immediately deposited as non-woven.
  • the production of filter materials should be mentioned.
  • the preparation of a nonwoven fabric by an electrostatic spinning process is e.g. known from US 4,144,553. Further devices and electrostatic spinning processes are the subject of DE 20 32 072, EP 1 059 106, US 3,994,258, US 4,323,525 and US 4,287,139.
  • the prior art methods and apparatus for the electrostatic spinning of molten or solution polymers are in need of improvement in the supply of solution or melt in the apparatus.
  • the supply of the polymer solution or melt often does not occur uniformly over the entire width of the device, resulting in an uneven work result, ie generally unevenly dense and / or thick fleece.
  • a supply of the polymer in a constant concentration or at a constant feed rate is often inevitable due to the system.
  • a process for the electrostatic spinning of polymers using this device is also provided by the invention.
  • a particular advantage of the device according to the invention is that a uniform delivery rate of polymer over the entire working width of the device is ensured, without causing fluctuations in the polymer supply or polymer concentration.
  • the at least one spray-off electrode or the at least one spray-off sheet has a serrated or wavy spray-off edge.
  • every second tine or shaft is bent upwards or downwards out of the plane of the spray-off electrode or the spray-off plate.
  • Such a design of the spray-off electrode or of the spray-off plate is particularly advantageous compared to a smooth spray-off edge, since the field effect is increased by the peak effect and is thus increased, e.g. a lower high voltage or potential difference between the electrodes is required.
  • Absprühelektroden or more Absprühbleche are arranged side by side, in particular of triangular, trapezoidal, square or rounded Form are.
  • the spray-off electrodes or spray-off sheets are arranged next to one another at a distance in the range from 2 to 10 cm.
  • the peak effect is most pronounced and, on the other hand, the nano- and / or microfibers produced by the electrostatic spinning process can be deposited into a particularly regular fleece with spray electrodes or spray plates at the abovementioned distance.
  • the tips of the teeth or the crests of the waves are each spaced in the range of 2 to 10 cm apart.
  • the conveyor is formed by a conveyor roller or a conveyor belt.
  • the conveyor roller or belt passes through the polymer solution or melt, with a thin film adhering to the conveyor roller or belt.
  • the at least one spray-off electrode or the at least one spray-off sheet abuts a position on the conveyor roller or conveyor belt, whereby the film of the polymer solution or melt on the conveyor roller or the conveyor belt is stripped off the spray electrode or the spray-off plate becomes.
  • the polymer solution or the polymer melt flows to the spray-off edge and sprays uniformly there due to the applied high voltage.
  • This embodiment of the present invention has in an expedient development on a corresponding to the Absprühelektroden or Absprühblechen segmented conveyor. This ensures that the polymer solution or the polymer melt is conveyed exclusively in the region of the Absprühelektroden or Absprühbleche. As a result, the exposed surface of the polymer solution or the polymer melt is kept as low as possible, so that, for example, unnecessary solvent losses are avoided. In the case of a polymer melt, the heat loss is kept low, which advantageously contributes to energy savings in the operation of the device according to the invention.
  • the device according to the invention is closed or encapsulated with a lid so that only the at least one spray-off electrode or the at least one spray-off plate protrudes from the device.
  • the evaporation of solvents or a cooling of the melt is expediently further reduced.
  • the delivery device is formed by one or more conduits or conduit systems for conveying the polymer solution or the polymer melt from the at least one storage vessel to the at least one spray-off electrode or the at least one spray-off plate.
  • the one or more conduits or conduit systems for conveying the polymer solution or polymer melt from the at least one storage vessel are preferably attached to the lowest point of the storage vessel and the polymer solution or polymer melt is conveyed through these conduits or conduit system solely by gravity, the polymer solution or the Polymer melt at the end of the lines or conduit systems emerges from these and reaches the at least one spray-off electrode or the at least one spray-off.
  • This design of the device according to the invention is structurally particularly simple, but at the same time holds possible solvent and / or heat losses within limits.
  • the conveyor device further comprises a feed pump for conveying the polymer solution or the polymer melt through the lines or line systems located on the storage vessel.
  • the one or more lines or line systems have outlet openings for the polymer solution or polymer melt in the form of nozzles, in particular in the form of adjustable or adjustable nozzles.
  • the one or more lines or line systems, including any nozzles present are provided with a heating device, which in particular facilitates the processing of a polymer melt and the susceptibility of the Device reduced. It is particularly preferred if the nozzle or nozzles have an additional solvent supply or supply line and / or an additional compressed air supply line. As a result, a solvent supply to the nozzles is made possible for cleaning purposes.
  • one or more brushes which are optionally rotatable, may be arranged on the nozzle or on the nozzles.
  • the above measures serve to solve the principle problem of clogging or encrustation of the parts coming into contact with the solution when working with solutions.
  • a solvent can be introduced into the nozzle or dropped from the outside onto the nozzle tip by means of a corresponding feed or supply line. It is also possible to use the nozzles e.g. To clean by means of rotating brushes or by a blast of compressed air, the compressed air is optionally added solvent.
  • Absprühelektroden or Absprühbleche particularly subject to the problem of encrustations are arranged in a further particularly preferred embodiment of the present invention, several Absprühelektroden or Absprühbleche on a holding or transporting device, wherein the holding or transport device is in particular designed as a revolving belt or as a transport wheel and the transport device, incl.
  • the Absprühelektroden or spray plates at least partially immersed in a cleaning bath for the latter.
  • the transport device is then actuated at certain time intervals, ie new Absprühelektroden or Absprühbleche be used for electrostatic spinning, while already used and appropriately encrusted Absprühelektroden and Absprühbleche immerse in a cleaning bath.
  • the encrustations on the Absprühelektroden or Absprühblechen instead of a solvent bath can also be completely dried and then removed from a brush or a scraper.
  • Absprühelektroden or Absprühblechen arranged in a feed device for the same and are releasably formed by advance.
  • a spray-off electrode or a spray-off is used until it is no longer sufficient efficiency due to formed encrustations.
  • the advancing means is then actuated and the spent spray or spent spray is released from the apparatus of the present invention and a new spray electrode or spray is placed in an operating position for electrostatically spinning a polymer.
  • the particular advantage of this embodiment is that an additional handling of solvents and a corresponding cleaning of the Absprühelektroden or Absprühbleche can be omitted, whereby a higher reliability is achieved because the effort to completely clean the Absprühbleche or Absprühelektroden is relatively large, if a consistent quality of the product, ie the fibers produced or the webs produced should be ensured.
  • the counter electrode is preferably formed by a rigid sheet, an electrically conductive, circumferential band or a nonwoven. It is particularly preferred if the counterelectrode is formed by an electrically conductive, circulating band of wire mesh or metal foil, this band moving in particular with a carrier material onto which the fibers produced by the electrostatic spinning are deposited. As a result, the exercise of tensile forces on the substrate is avoided. Most preferably, the counter electrode is formed of electrospun fibers of opposite polarity. This substrate is then coated simultaneously on the top and bottom of two sprayers with fibers of opposite polarity. This results in a much more effective filter material, since a higher charge density can be achieved and both the positive and negative charge is firmly fixed in the fibers.
  • a plurality of spray-off devices each comprising at least one spray-off electrode or a spray-off sheet, for the sequential coating of a carrier material in a single passage.
  • This makes it possible in particular in a single operation to spin different polymers or polymer solutions of different concentrations, for. Form fibers of different diameters.
  • the prescribed device is used for the electrostatic spinning of polymers, wherein the spinning takes place in an electrostatic field at a potential difference between the at least one spray-off electrode or the at least one spray-off plate and the counter electrode in the range from 5 kV to 1000 kV. Preferably in a field of 10 kV to 100 kV, and most preferably in a field of 10 to 50 kV.
  • different polymer solutions or polymer melts are spun simultaneously via different spray electrodes or spray plates and / or different potential differences are applied to different spray electrodes or spray plates during spinning.
  • water-soluble polymers such as polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidine, polyethylene oxide and its copolymers, cellulose and derivatives thereof, starch and mixtures of these polymers.
  • organic solvents soluble polymers can be spun in the device according to the invention.
  • thermoplastics such as polyolefins, polyesters, polyoxymethylene, polychlorotrifluoroethylene, polyphenylene sulfide, polyaryletherketone, polyvinylidene fluoride and mixtures of these polymers may be melt-extruded polymers.
  • the Polymer solution or the polymer melt can be added to substances that are able to absorb or stabilize a charge.
  • these are metal, without carbon or graphite powder, dyes (in particular those having amino groups, which can resonate with delocalized electron systems, metallocenes, amino and phosphines.)
  • Powders of other electrically conductive materials such as electrically conductive polymers and ceramics are suitable ,
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the device according to the invention for the electrostatic spinning of polymers.
  • a conveying device 1 formed by a conveying roller is arranged in a storage container for the polymer solution or the polymer melt 2, the conveying roller 1 conveying polymer solution or polymer melt from the storage vessel and transferring it to the adjacent spray-off electrode 3, also generally referred to as a spray-off plate.
  • a high voltage generator 4 generates the required between the spray electrode 3 and the counter electrode 5 potential difference, so that the polymer contained in the storage vessel 2 are spun in the electrostatic field to fibers 6.
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of a conveyor roller 1 with adjacent Absprühelektroden 3 is shown. In the illustrated embodiment, several Absprühelektroden 3 are spaced next to each other.
  • FIG. 3 shows an embodiment of the present invention, in which the spray-off electrodes 3a are arranged on a conveyor belt 7.
  • electrostatic spinning i. During operation of the device, polymer solution or polymer melt flows from line 9 onto the spray-off electrode 3a, which has a corresponding potential difference to the counterelectrode, so that fibers 6 are detached from the spray-off electrode 3a.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of an embodiment in which the spray-off electrodes 3b are contained in a feed device (not shown) along the line 9 for the supply of the polymer solution or polymer melt.
  • the Absprühelektroden be moved in the arrow direction until the first spray electrode 3 b reaches the operating position. Then, polymer solution or polymer melt is conveyed through the conduit 9 onto the spray-off electrode 3 b in the operating position. Since these to Counter electrode has a corresponding potential difference, polymer fibers are replaced.
  • a 5% polystyrene solution in dichloromethane is added with 0.5 Rhodamin G6 and spun at 50 revolutions of the conveyor roller (diameter 7 cm) per minute.
  • the spraying plates are directly opposite each other with a distance of 20 cm, the carrier fleece (Micro-Spunbond polypropylene fleece with 60g / m 2 ) is passed in the middle at a speed of 0.5 m / min.
  • At the Absprühblechen is a high voltage of + or - 15 kV.
  • the carrier fleece coated in this way has a deposition rate of 50% of the 0.3-0.5 ⁇ m fraction of NaCl. Measured at a flow rate of 50 l / min. and an inflow area of 100 cm 2 .
  • the air resistance of the carrier fleece was increased by the coating from 8 to 16 Pa under these conditions.
  • the spraying plates are directly opposite each other with a distance of 20 cm, the carrier fleece (Micro-Spunbond polypropylene fleece with 60 g / m 2 ) is in the middle at a speed of 0.5 m / min. passed.
  • At the Absprühblechen is a high voltage of + or - 15 kV.
  • the carrier fleece coated in this way has a deposition rate of 65% of the 0.3-0.5 ⁇ m fraction of NaCl. Measured at a flow rate of 50 l / min. and an inflow area of 100 cm 2 .
  • the air resistance of the carrier fleece was increased by the coating from 8 to 16 Pa under these conditions.
  • a 5% polystyrene solution in dichloromethane is spun with 5 g / l chlorine and 60 revolutions of the conveyor roller (diameter 7 cm) per minute.
  • the spraying plates are directly opposite each other with a distance of 20 cm, the carrier fleece (Micro-Spunbond polypropylene fleece with 60 g / m 2 ) is in the middle at a speed of 0.5 m / min. passed.
  • At the Absprühblechen is a high voltage of + or - 15 kV.
  • the thus coated carrier fleece had a deposition rate of 60% of the 0.3-0.5 ⁇ m fraction of NaCl. Measured at a flow rate of 50 l / min. and an inflow area of 100 cm 2 .
  • the air resistance of the carrier fleece was increased by the coating from 8 to 15 Pa under these conditions.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Spinning Methods And Devices For Manufacturing Artificial Fibers (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Fasern in einem elektrostatischen Spinnverfahren sowie ein unter Verwendung dieser Vorrichtung durchgeführtes Verfahren.
  • Derartige Vorrichtungen sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Bei diesen Vorrichtungen wird ein Polymer in Form einer Polymerschmelze oder in Form einer Lösung in ein elektrisches Feld eingebracht und durch die Einwirkung des elektrischen Feldes zu Fasern versponnen. Eine Elektrode bildet dabei gewöhnlich eine Aufnahmeeinrichtung für die versponnenen Fasern, während die Gegenelektrode als Absprühelektrode oder Spritzdüse ausgelegt ist.
  • Häufig werden die unter Verwendung einer derartigen Vorrichtung hergestellten Nano- und Mikrofasem nicht isoliert, sondern gleich als Vlies abgelegt. In diesem Zusammenhang ist bspw. die Herstellung von Filtermaterialien zu erwähnen. Die Herstellung eines Vlieses durch ein elektrostatisches Spinnverfahren ist z.B. aus der US 4,144,553 bekannt. Weitere Vorrichtungen und elektrostatische Spinnverfahren sind Gegenstand der DE 20 32 072, EP 1 059 106, US 3,994,258, US 4,323,525 und der US 4,287,139.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum elektrostatischen Verspinnen von geschmolzenen oder in Lösung befindlichen Polymeren sind jedoch hinsichtlich der Zuführung von Lösung oder Schmelze in der Vorrichtung verbesserungswürdig. Insbesondere ist im Stand der Technik nachteilig, daß die Zufuhr der Polymerlösung oder -schmelze häufig nicht gleichmäßig über die gesamte Breite der Vorrichtung erfolgt, was zu einem ungleichmäßigen Arbeitsergebnis führt, d.h. im allgemeinen zu einem ungleichmäßig dichten und/oder dicken Vlies. Ferner ist auch eine Zufuhr des Polymers in gleichbleibender Konzentration oder bei gleichbleibender Zufuhrrate häufig systembedingt unvermeidlich.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine weitere Vorrichtung zur Herstellung von Fasern in einem elektrostatischen Spinnverfahren anzugeben, die wenigstens einen Teil der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet. Ein Verfahren zum elektrostatischen Spinnen von Polymeren unter Verwendung dieser Vorrichtung ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
  • Die vorliegende Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des beigefügten Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des beigefügten Anspruchs 20 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 19 sowie 21.
  • Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß eine gleichmäßige Förderrate an Polymer über die gesamte Arbeitsbreite der Vorrichtung sichergestellt ist, ohne daß es zu Schwankungen in der Polymerzufuhr oder Polymerkonzentration kommt.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die wenigstens eine Absprühelektrode oder das wenigstens eine Absprühblech eine gezackte oder gewellte Absprühkante auf. Hierbei ist es insbesondere bevorzugt, wenn jede zweite Zacke oder Welle nach oben bzw. nach unten aus der Ebene der Absprühelektrode oder des Absprühblechs herausgebogen ist. Eine derartige Ausbildung der Absprühelektrode oder des Absprühblechs ist gegenüber einer glatten Absprühkante besonders vorteilhaft, da durch den Spitzeneffekt die Feldstärke erhöht wird und somit z.B. eine geringere Hochspannung bzw. Potentialdifferenz zwischen den Elektroden erforderlich ist.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform sind mehrere Absprühelektroden oder mehrere Absprühbleche nebeneinander angeordnet, wobei sie insbesondere von dreieckiger, trapezförmiger, quadratischer oder gerundeter Form sind. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die Absprühelektroden oder Absprühbleche nebeneinander in einem Abstand im Bereich von 2 bis 10 cm angeordnet sind. Zum einen ist dadurch der Spitzeneffekt am stärksten ausgeprägt und zum anderen lassen sich mit Absprühelektroden oder Absprühblechen in dem vorgenannten Abstand die durch das elektrostatische Spinnverfahren gezeugten Nano- und/oder Mikrofasern zu einem besonders regelmäßigem Vlies ablegen. Vergleichbares gilt selbstverständlich in der zuvor erwähnten Ausführungsform mit gezackter oder gewellter Ausbildung der Absprühelektrode bzw. des Absprühblechs. Hierbei sind die Spitzen der Zacken bzw. die Scheitelpunkte der Wellen jeweils im Bereich von 2 bis 10 cm voneinander beabstandet.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Fördereinrichtung von einer Förderwalze oder einem Förderband gebildet. Die Förderwalze oder das Förderband läuft dabei durch die Polymerlösung bzw. - schmelze wobei ein dünner Film an der Förderwalze oder dem Förderband haften bleibt. Bei dieser Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt die wenigstens einer Absprühelektrode oder das wenigstens eine Absprühblech an einer Stelle an der Förderwalze oder dem Förderband an, wodurch der Film der Polymerlösung bzw. -schmelze auf der Förderwalze bzw. dem Förderband an der Absprühelektrode oder dem Absprühblech abgestreift wird. Auf der Absprühelektrode oder dem Absprühblech rinnt die Polymerlösung oder die Polymerschmelze zur Absprühkante und sprüht dort aufgrund der anliegenden Hochspannung gleichmäßig ab. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist in einer zweckmäßigen Weiterbildung eine korrespondierend zu den Absprühelektroden oder den Absprühblechen segmentierte Fördereinrichtung auf. Hierdurch wird erreicht, daß die Polymerlösung oder die Polymerschmelze ausschließlich im Bereich der Absprühelektroden oder Absprühbleche gefördert wird. Hierdurch wird die der Umgebung ausgesetzte Oberfläche der Polymerlösung oder der Polymerschmelze so gering wie möglich gehalten, so daß z.B. unnötige Lösungsmittelverluste vermieden werden. Im Falle einer Polymerschmelze wird der Wärmeverlust gering gehalten, was vorteilhafterweise zur Energieeinsparung beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung beiträgt.
  • In einer anderen, besonderen Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Deckel so verschlossen oder so eingekapselt, daß nur die wenigstens eine Absprühelektrode oder das wenigstens eine Absprühblech aus der Vorrichtung herausragt. Hierdurch wird zweckmäßigerweise die Verdunstung von Lösungsmitteln bzw. einer Abkühlung der Schmelze weiter verringert.
  • In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Fördereinrichtung von einer oder mehreren Leitungen oder Leitungssystemen zur Förderung der Polymerlösung oder der Polymerschmelze aus dem wenigstens einen Vorratsgefäß zu der wenigstens einen Absprühelektrode oder dem wenigstens einen Absprühblech gebildet. Hierbei sind die eine oder mehreren Leitungen oder Leitungssysteme zur Förderung der Polymerlösung oder Polymerschmelze aus dem wenigstens einen Vorratsgefäß bevorzugt an der tiefsten Stelle des Vorratsgefäßes angebracht und die Polymerlösung oder Polymerschmelze wird durch diese Leitungen oder Leitungssystem allein durch die Schwerkraft gefördert, wobei die Polymerlösung oder die Polymerschmelze am Ende der Leitungen oder Leitungssysteme aus diesen austritt und auf die wenigstens eine Absprühelektrode oder das wenigstens eine Absprühblech gelangt. Diese Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist konstruktiv besonders einfach, hält aber gleichzeitig eventuelle Lösemittel- und/oder Wärmeverluste in Grenzen.
  • In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Fördereinrichtung weiterhin eine Förderpumpe zur Förderung der Polymerlösung oder der Polymerschmelze durch die an dem Vorratsgefäß befindlichen Leitungen oder Leitungssysteme.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die eine oder mehreren Leitungen oder Leitungssysteme Austrittsöffnungen für die Polymerlösung oder Polymerschmelze in Form von Düsen auf, insbesondere in Form von Regulier- oder verstellbaren Düsen. Optional sind die eine oder mehreren Leitungen oder Leitungssysteme, einschließl, gegebenenfalls vorhandener Düsen mit einer Heizvorrichtung versehen, was insbesondere die Verarbeitung einer Polymerschmelze erleichtert und die Störanfälligkeit der Vorrichtung verringert. Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn die Düse bzw. Düsen eine zusätzliche Lösungsmittelzufuhr oder -zuleitung aufweisen und/oder eine zusätzliche Druckluftzuleitung. Hierdurch wird eine Lösungsmittelzufuhr zu den Düsen zu Reinigungszwecken ermöglicht. Alternativ oder zusätzlich können an der Düse bzw. an den Düsen eine oder mehrere Bürsten angeordnet sein, die gegebenenfalls rotierbar sind.
  • Die vorstehenden Maßnahmen dienen dabei zur Lösung des grundsätzlich beim Arbeiten mit Lösungen auftretenden Problems der Verstopfungen bzw. Verkrustungen der mit der Lösung in Berührung kommenden Teile. Um dies zu verhindern, ist es durch die vorstehend beschriebenen Maßnahmen möglich jede einzelne Düse in entsprechenden Zeitintervallen zu reinigen und somit vom Polymerresten zu befreien. Hierzu kann durch eine entsprechende Zuführung bzw. Zuleitung ein Lösungsmittel in die Düse eingebracht oder von außen auf die Düsenspitze getropft werden. Es ist auch möglich, die Düsen z.B. mittels rotierender Bürsten oder durch einen Druckluftstoß zu reinigen, wobei der Druckluft optional Lösungsmittel zugesetzt ist.
  • Da die Absprühelektroden oder Absprühbleche ganz besonders dem Problem der Verkrustungen unterliegen sind in einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mehrere Absprühelektroden oder Absprühbleche auf einer Halte- oder Transporteinrichtung angeordnet, wobei die Halte- oder Transporteinrichtung insbesondere als umlaufendes Band oder als Transportrad ausgebildet ist und die Transporteinrichtung, einschließl. der Absprühelektroden oder Absprühbleche zumindest teilweise in ein Reinigungsbad für die letztgenannten eintaucht. Im Betrieb der Vorrichtung wird dann die Transporteinrichtung in bestimmten Zeitintervallen betätigt, d.h. neue Absprühelektroden oder Absprühbleche werden zum elektrostatischen Spinnen verwendet, während bereits benutzte und entsprechend verkrustete Absprühelektroden und Absprühbleche in ein Reinigungsbad eintauchen. Dabei können die Verkrustungen an den Absprühelektroden oder Absprühblechen anstelle eines Lösungsmittelbades auch vollständig getrocknet und dann von einer Bürste oder von einem Schaber entfernt werden.
  • Alternativ hierzu ist der Einsatz von nur einmal verwendbaren Absprühelektroden oder Absprühblechen möglich, wobei eine Mehrzahl von Absprühelektroden oder Absprühblechen in einer Vorschubeinrichtung für dieselben angeordnet und durch Vorschub lösbar ausgebildet sind. Im Betrieb dieser Ausführungsform wird eine Absprühelektrode oder ein Absprühblech solange verwendet, bis aufgrund von gebildeten Verkrustungen kein ausreichender Wirkungsgrad mehr gegeben ist. Entweder in einem vorbestimmten Zeitintervall oder von einem Bediener gesteuert wird dann die Vorschubeinrichtung betätigt und die verbrauchte Absprühelektrode oder das verbrauchte Absprühelement wird von der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst und eine neue Absprühelektrode oder ein neues Absprühblech wird in eine Betriebsposition zum elektrostatischen Spinnen eines Polymers gebracht. Der besondere Vorzug dieser Ausführungsform liegt darin, daß ein zusätzlicher Umgang mit Lösungsmitteln und eine entsprechende Reinigung der Absprühelektroden oder Absprühbleche unterbleiben kann, wodurch eine höhere Betriebssicherheit erreicht wird, weil der Aufwand zur vollständigen Reinigung der Absprühbleche oder Absprühelektroden vergleichsweise groß ist, wenn eine gleichbleibende Qualität des Produkts, d.h. der erzeugten Fasern oder der hergestellten Vliese sichergestellt werden soll.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Gegenelektrode bevorzugt durch ein starres Blech, ein elektrisch leitendes, umlaufendes Band oder ein Vlies gebildet. Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn die Gegenelektrode durch ein elektrisch leitendes, umlaufendes Band aus Drahtgewebe oder Metallfolie gebildet wird, wobei dieses Band sich insbesondere mit einem Trägermaterial, auf das die durch das elektrostatische Spinnen erzeugten Fasern abgelegt werden, bewegt. Hierdurch wird die Ausübung von Zugkräften auf das Trägermaterial vermieden. Am stärksten bevorzugt ist es, wenn die Gegenelektrode aus elektrogesponnenen Fasern entgegengesetzter Polarität gebildet wird. Dieses Trägermaterial wird dann gleichzeitig auf der Ober- und Unterseite von zwei Absprühvorrichtungen mit Fasern entgegensetzter Polarität beschichtet. Hierdurch entsteht ein viel wirkungsvolleres Filtermaterial, da eine höhere Ladungsdichte erzielt werden kann und sowohl die positive wie negative Ladung fest in den Fasern fixiert ist.
  • Es ist insbesondere auch möglich mehrere Absprüheinrichtungen, die jeweils wenigstens eine Absprühelektrode oder ein Absprühblech aufweisen, zur sequentiellen Beschichtung eines Trägermaterials in einem Durchgang hintereinander anzuordnen. Hierdurch ist es insbesondere möglich in einem Arbeitsgang unterschiedliche Polymere zu verspinnen oder aber auch Polymerlösungen verschiedener Konzentration, um z.B. Fasern unterschiedlichen Durchmessers auszubilden.
  • Erfindungsgemäß wird die vorgeschriebene Vorrichtung zum elektrostatischen Spinnen von Polymeren verwendet, wobei das Spinnen in einem elektrostatischen Feld bei einer Potentialdifferenz zwischen der wenigstens einem Absprühelektrode oder dem wenigstens einem Absprühblech und der Gegenelektrode im Bereich von 5 kV bis 1000 kV erfolgt. Bevorzugt in einem Feld von 10 kV bis 100 kV und am stärksten bevorzugt in einem Feld von 10 bis 50 kV. Dabei werden in einer bevorzugten Ausgestaltung über verschiedene Absprühelektroden oder Absprühbleche unterschiedliche Polymerlösungen oder Polymerschmelzen gleichzeitig versponnen und/oder an unterschiedlichen Absprühelektroden oder Absprühblechen während des Spinnens unterschiedliche Potentialdifferenzen angelegt.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich wasserlösliche Polymere zu verspinnen, wie z.B. Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidin, Polyethylenoxid und dessen Copolymere, Cellulose und deren Derivate, Stärke sowie Mischungen dieser Polymere. Auch in organischen Lösungsmitteln lösliche Polymere können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung versponnen werden. Hier sind insbesondere Polystyrol, Polycarbonat, Polyvinylchlorid, Polyacrylat, Polymethacrylat, Polyvinylacetat, Polyvinylacetal, Polyvinylether, Polyurethan, Polyamid, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyacrylnitril, Cellulosederivate sowie Mischungen dieser Polymere zu nennen. Aus der Schmelze heraus verspinnbare Polymere sind z.B. Thermoplaste wie Polyolefine, Polyester, Polyoxymethylen, Polychlortrifluorethylen, Polyphenylensulfid, Polyaryletherketon, Polyvinylidenfluorid sowie Mischungen dieser Polymere. Um die Ladung in den Fasem zu erhöhen, können der Polymerlösung oder der Polymerschmelze Substanzen zugesetzt werden, die in der Lage sind eine Ladung aufzunehmen bzw. zu stabilisieren. Insbesondere sind dies Metall-, ohne Kohle- bzw. Graphitpulver, Farbstoffe (insbesondere solche mit Aminogruppen, die mit delokalisierten Elektronensystemen in Resonanz treten können; Metallocene, Amino und Phosphine. Auch Pulver anderer, elektrisch leitender Materialien wie elektrisch leitfähige Polymere und Keramiken sind geeignet.
  • Ebenso sind weitere Zusätze zu den Polymerlösungen oder zu der Umgebungsluft der Vorrichtung möglich, die sich vorteilhaft auf das Produkt bzw. das Spinnverfahren auswirken.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren und anhand von Beispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    Figur 2
    eine schematische Draufsicht auf eine Förderwalze mit anliegenden Absprühelektroden oder Absprühblechen;
    Figur 3
    eine schematische Darstellung einer Ausführungsform, bei der die Absprühelektroden oder Absprühbleche auf einer Transporteinrichtung angeordnet sind;
    Figur 4
    eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Absprühelektroden oder Absprühbleche auf einem Transportrad angeordnet sind und ein Reinigungsbad durchlaufen; und
    Figur 5
    einer Ausführungsform, bei der die Absprühelektroden oder Absprühbleche nach einmaliger Verwendung von der Vorrichtung gelöst und entsorgt werden.
  • In Figur 1 ist eine erste Ausführungsform der Erfindungsgemäßen Vorrichtung zum elektrostatischen Spinnen von Polymeren dargestellt. Hierbei ist insbesondere eine von einer Förderwalze gebildete Fördereinrichtung 1 in einem Vorratsbehälter für die Polymerlösung oder die Polymerschmelze 2 angeordnet, wobei die Förderwalze 1 Polymerlösung oder Polymerschmelze aus dem Vorratsgefäß fördert und auf die anliegende Absprühelektrode 3, allgemein auch als Absprühblech bezeichnet, überträgt. Ein Hochspannungsgenerator 4 erzeugt die zwischen der Absprühelektrode 3 und der Gegenelektrode 5 erforderliche Potentialdifferenz, damit das in dem Vorratsgefäß 2 enthaltene Polymer im elektrostatischen Feld zu Fasern 6 versponnen werden.
  • In Figur 2 ist eine schematische Draufsicht auf eine Förderwalze 1 mit anliegenden Absprühelektroden 3 dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform sind mehrere Absprühelektroden 3 beabstandet nebeneinander angeordnet.
  • Figur 3 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Absprühelektroden 3a auf einem Transportband 7 angeordnet sind. Beim elektrostatischen Spinnen, d.h. beim Betrieb der Vorrichtung, läuft aus der Leitung 9 Polymerlösung oder Polymerschmelze auf die Absprühelektrode 3a, die zur Gegenelektrode eine entsprechende Potentialdifferenz aufweist, so daß Fasern 6 von der Absprühelektrode 3a abgelöst werden.
  • Die in Figur 4 dargestellte Ausführungsform ist mit der zuvor beschriebenen vergleichbar. Hier ist nur ein Transportrad 10 anstelle des Transportbandes 7 dargestellt.
  • Figur 5 schließlich zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform bei der die Absprühelektroden 3b in einer Vorschubeinrichtung (nicht dargestellt) entlang der Leitung 9 für die Zufuhr der Polymerlösung oder Polymerschmelze enthalten sind. In der Vorschubeinrichtung werden die Absprühelektroden in Pfeilrichtung bewegt, bis die erste Absprühelektrode 3 b die Betriebsposition erreicht. Dann wird Polymerlösung oder Polymerschmelze durch die Leitung 9, auf die sich in Betriebsposition befindliche Absprühelektrode 3 b gefördert. Da diese zur Gegenelektrode eine entsprechende Potentialdifferenz aufweist, werden Polymerfasem abgelöst. Nachdem durch eine Bedienperson ein entsprechendes Maß an Verkrustungen festgestellt wurde, kann dieser Person die Vorschubeinrichtung betätigen und dafür sorgen, daß die verbrauchte Absprühelektrode von der Vorrichtung gelöst wird, worauf sie in einen Sammelbehälter 11 fällt und eine neue Absprühelektrode 3b an die Stelle der alten tritt.
    • Beispiel 1
  • Eine 5 % Polystyrollösung in Dichlormethan wird mit 0,5 Rhodamin G6 versetzt und bei 50 Umdrehungen der Förderwalze (Durchmesser 7 cm) pro Minute versponnen. Die Absprühbleche stehen sich mit einem Abstand von 20 cm direkt gegenüber, das Trägervlies (Micro-Spunbond Polypropylenvlies mit 60g/m2) wird in der Mitte mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m/Min, hindurchgeführt. An den Absprühblechen liegt eine Hochspannung von + bzw. - 15 kV an. Das so beschichtete Trägervlies weist eine Abscheidungsrate von 50 % der 0,3-0,5 µm Fraktion von NaCl auf. Gemessen bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 50 l/Min. und einer Anströmfläche von 100 cm2. Der Luftwiderstand des Trägervlieses wurde unter diesen Bedingungen durch die Beschichtung von 8 auf 16 Pa erhöht.
    • Beispiel 2
  • Eine 10 % Polystyrollösung in Ethylmethylketon mit 0,5 g/l Kristallviolett versetzt und bei 50 Umdrehungen der Förderwalze (Durchmesser 7 cm) pro Minute versponnen. Die Absprühbleche stehen sich mit einem Abstand von 20 cm direkt gegenüber, das Trägervlies (Micro-Spunbond Polypropylenvlies mit 60 g/m2) wird in der Mitte mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m/Min. hindurchgeführt. An den Absprühblechen liegt eine Hochspannung von + bzw. - 15 kV an. Das so beschichtete Trägervlies weist eine Abscheidungsrate von 65 % der 0,3-0,5 µm Fraktion von NaCl auf. Gemessen bei einer Strömungsrate von 50 l/Min. und einer Anströmfläche von 100 cm2. Der Luftwiderstand des Trägervlieses wurde unter diesen Bedingungen durch die Beschichtung von 8 auf 16 Pa erhöht.
    • Beispiel 3
  • Eine 5 %-Polystyrollösung in Dichlormethan wird mit 5 g/l Chlor und bei 60 Umdrehungen der Förderwalze (Durchmesser 7 cm) pro Minute versponnen. Die Absprühbleche stehen sich mit einem Abstand von 20 cm direkt gegenüber, das Trägervlies (Micro-Spunbond Polypropylenvlies mit 60 g/m2) wird in der Mitte mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m/Min. hindurchgeführt. An den Absprühblechen liegt eine Hochspannung von + bzw. - 15 kV an. Das so beschichtete Trägervlies wiest eine Abscheidungsrate von 60 % der 0,3-0,5 µm Fraktion von NaCl auf. Gemessen bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 50 l/Min. und einer Anströmfläche von 100 cm2. Der Luftwiderstand des Trägervlieses wurde unter diesen Bedingungen durch die Beschichtung von 8 auf 15 Pa erhöht.

Claims (21)

  1. Vorrichtung zur Herstellung von Fasern (6) in einem elektrostatischen Spinnverfahren mit
    einem Vorratsgefäß (2) für eine Polymerlösung oder eine Polymerschmelze,
    einer in dem Vorratsgefäß angeordneten Fördereinrichtung (1), wenigstens einer Absprühelektrode (3; 3a; 3b)oder wenigstens einem Absprühblech und
    einer Gegenelektrode (5), dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Absprühelektrode (3; 3a; 3b) oder das wenigstens eine Absprühblech so an der Fördereinrichtung (1) anliegt, dass die von der Fördereinrichtung (1) aus dem Vorratsgefäß (2) geförderte Polymerlösung oder Polymerschmelze auf die wenigstens eine Absprühelektrode (3; 3a; 3b) oder auf das wenigstens eine Absprühblech abläuft.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die wenigstens eine Absprühelektrode (3; 3a; 3b) oder das wenigstens eine Absprühblech eine gezackte oder gewellte Absprühkante aufweist, wobei insbesondere jede zweite Zacke nach oben bzw. unten aus der Ebene der Absprühelektrode (3; 3a; 3b) oder des Absprühblechs herausgebogen ist.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    mehrere Absprühelektroden (3; 3a; 3b) oder mehrere Absprühbleche nebeneinander angeordnet sind und insbesondere von dreieckiger, trapezförmiger, quadratischer oder gerundeter Form sind.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Absprühelektroden (3; 3a; 3b) oder Absprühbleche nebeneinander in einem Abstand im Bereich von 2 bis 10 cm angeordnet sind.
  5. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Fördereinrichtung (1) von einer Förderwalze oder einem Förderband gebildet wird.
  6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Fördereinrichtung (1) korrespondierend zu den Absprühelektroden (3; 3a; 3b) oder den Absprühblechen segmentiert ist.
  7. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Vorratsgefäß so mit einem Deckel verschlossen ist, daß nur die wenigstens eine Absprühelektrode (3; 3a; 3b) oder das wenigstens eine Absprühblech aus der Vorrichtung herausragt.
  8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Fördereinrichtung (1) von einer oder mehreren Leitungen oder Leitungssystemen zur Förderung der Polymerlösung oder Polymerschmelze aus dem wenigstens einen Vorratsgefäß zu der wenigstens einen Absprühelektrode (3; 3a; 3b) oder dem wenigstens einen Absprühblech gebildet ist.
  9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Fördereinrichtung (1) weiterhin eine Förderpumpe umfaßt.
  10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die eine oder mehreren Leitungen oder Leitungssysteme Austrittsöffnungen für die Polymerlösung oder Polymerschmelze in Form von Düsen aufweisen, insbesondere in Form von regulier- oder verstellbaren Düsen.
  11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die eine oder mehreren Leitungen oder Leitungssysteme mit einer Heizeinrichtung versehen sind.
  12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Düse bzw. Düsen eine zusätzliche Lösungsmittelzufuhr oder -zuleitung aufweisen.
  13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Düse bzw. Düsen eine zusätzliche Druckluftzuleitung aufweisen.
  14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Fördereinrichtung zur Reinigung der Düse bzw. Düsen eine oder mehrere Bürsten aufweist.
  15. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    mehrere Absprühelektroden (3; 3a; 3b) oder Absprühbleche auf einer Halte- oder Transporteinrichtung (7; 10) angeordnet sind, wobei die Halte- oder Transporteinrichtung (7; 10) als umlaufendes Band oder ein Transportrad gebildet ist und die Transporteinrichtung (7; 10), einschließlich der Absprühelektroden (3; 3a; 3b) oder Absprühbleche, zumindest teilweise in ein Reinigungsbad (8) für die Absprühelektroden (3; 3a; 3b) oder Absprühbleche eintaucht.
  16. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    eine Mehrzahl von Absprühelektroden (3; 3a; 3b) oder Absprühblechen in einer Vorschubeinrichtung für dieselben angeordnet und durch Vorschub lösbar ausgebildet sind.
  17. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Gegenelektrode (5) durch ein starres Blech, ein elektrisch leitendes, umlaufendes Band oder ein Vlies gebildet wird.
  18. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    wenigstens zwei Absprühelektroden (3; 3a; 3b) oder Absprühbleche bei einem zwischen diesen als Gegenelektrode (5) angeordneten oder verlaufenden Vlies einander gegenüber angeordnet sind.
  19. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    wenigstens zwei Absprüheinrichtungen, die jeweils wenigstens eine Absprühelektrode (3; 3a; 3b) oder ein Absprühblech aufweisen, zur sequentiellen Beschichtung eines Trägermaterials in einem Durchgang hintereinander angeordnet sind.
  20. Verfahren zum elektrostatischen Spinnen von Polymeren unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Spinnen in einem elektrostatischen Feld bei einer Potentialdifferenz zwischen der wenigstens einen Absprühelektrode oder dem wenigstens einen Absprühblech und der Gegenelektrode im Bereich von 5 kV bis 1000 kV erfolgt, bevorzugt in einem Feld von 10 kV bis 100 kV und am stärksten bevorzugt in einem Feld von 10 bis 50 kV.
  21. Verfahren gemäß Anspruch 20,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    über verschiedene Absprühelektroden oder Absprühbleche unterschiedliche Polymerlösungen oder Polymerschmelzen gleichzeitig versponnen werden und/oder an unterschiedlichen Absprühelektroden oder Absprühblechen während des Spinnens unterschiedliche Potentialdifferenzen anliegen.
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