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:
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.
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.
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.
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.