[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verspinnen von Cellulosecarbamat-Lösungen
durch Extrudieren der Lösung durch eine Spinndüse in ein Fällbad, Koagulieren der
gebildeten Cellulosecarbamat-Fasern durch Kontakt mit dem Fällmedium und Abziehen
der Fasern nach Austritt aus dem Fällbad durch mechanische Mittel.
[0002] Es ist bekannt wässrig-alkalische Lösungen von Cellulosecarbamat in saure, alkalische
oder alkoholische Fällbäder in Anlehnung an die bei Viskose-Fasern angewandten Techniken
zu verspinnen (EP-Patente 97 685 und 103 618; Britische Patente 2 164 941, 2 164 942
und 2 164 943; O. T. Turunen, Lenzinger Berichte [August 1985], Heft 59, Seiten 111
- 115). Nähere Angaben zur Spinnapparatur sind diesen Publikationen, die sich auf
die Zusammensetzung der Fällbäder beziehen, aber nicht zu entnehmen.
[0003] Für das Erspinnen von Viskose-Fasern sind verschiedene Techniken bekannt, unter anderem
das Rohrspinnen, bei dem die Fasern nach Austritt aus der Spinndüse durch ein horizontales,
zylindrisches Rohr innerhalb des Fällbades geführt werden (Z. A. Rogowin, Chemiefasern,
Thieme-Verlag [1982], Seite 133), und das Trichterspinnen, bei dem die Fasern nach
Austritt aus der Spinndüse zusammen mit dem Fällmedium durch einen senkrechten, über
die gesamte Länge konischen Trichter geleitet werden (K. Götze, Chemiefasern nach
dem Viskoseverfahren, Springer-Verlag, 3. Auflage, Band 2, Seiten 602 - 607). Ähnlich
aufgebaute Spinntrichter sind auch für das Trocken-Naßverspinnen von Celluloselösungen
in wässrigem N-Methylmorpholin-N-oxid (NMMO) beschrieben (DE-Patente 42 19 658 C und
195 15 136 A).
[0004] Wesentlicher Nachteil des Rohrspinnverfahrens ist der mangelnde Austausch des Fällmediums
innerhalb des Rohres und die dadurch bedingte Anreicherung des Lösungsmittels und
eventueller Spaltprodukte aus der Spinnlösung im Rohr. In der DE-A 39 04 541 wird
daher vorgeschlagen, das Fällmedium durch das Spinnrohr zu zirkulieren, bevorzugt
von unten nach oben bei vertikaler Anordnung, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des
Fällmediums am Spinnrohraustritt niedriger eingestellt wird als die Abzugsgeschwindigkeit
der Fasern, entsprechend einem Geschwindigkeitsverhältnis von 0,15 bis 0,95. Dies
begünstigt zwar den Austausch des Fällmediums innerhalb des Spinnrohres, bewirkt aber
am Faden eine der Abzugsrichtung entgegengesetzte Kraft, die die Morphologie des Fadens
beeinflußt. Beim Spinntrichterverfahren ist hingegen die Strömungsgeschwindigkeit
des Fällmediums innerhalb des Trichters so hoch, daß die Fäden infolge der Reibung
Faser/Flüssigkeit eine deutliche Verstreckung erfahren. In beiden Fällen sind die
frisch extrudierten Fäden unmittelbar nach Austritt aus der Spinndüse und vor Eintritt
in das Spinnrohr oder den Spinntrichter an der Düsenoberfläche bevorzugt auftretenden
Turbulenzen ausgesetzt, was zu einer Verschlechterung der Fadengleichmäßigkeit führt.
[0005] Während beim Verspinnen von Cellulosexanthogenat-Lösungen zu Viskosefasern bei Eintritt
in das Fällbad gleichzeitig eine Koagulation und eine Verseifung des Xanthogenates
zu Regenerat-Cellulosefasern mit deutlich höherer Festigkeit und Kohärenz erfolgt,
erfährt das Cellulosecarbamat lediglich eine Koagulation. Die frisch ersponnenen Cellulosecarbamat-Fasern
sind folglich sehr viel anfälliger gegenüber Turbulenzen oder sonstigen Störungen
sowie gegen Verstreckungskräfte innerhalb des Fällbades als Regenerat-Cellulosefasern.
Eine unmittelbare Übertragung der bei Viskose oder Cellulose-NMMO-Lösungen angewandten
Spinntechniken auf das Verspinnen von Cellulosecarbamat-Lösungen ist daher nicht möglich
bzw. führt zu Fasern schlechter Qualität.
[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Verspinnen von Cellulosecarbamat-Lösungen zu schaffen, welche Fasern hoher Gleichmäßigkeit
und guter Qualität herzustellen erlauben. Auch sollte eine Anpassung an unterschiedliche
Spinngeschwindigkeiten leicht zu vollziehen sein.
[0007] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung
gemäß den Angaben der Patentansprüche. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Fasern vom Austritt aus der Spinndüse bis zum Austritt aus dem Fällbad von einem
gleichgerichteten Strom des Fällmediums mit vorgegebenem Querschnitt eingehüllt sind,
wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Fällmediums am Austritt der Fasern aus der
Spinndüse (Ebene X1) gleich dem 0,1 bis 0,8fachen und am Austritt der Fasern aus dem
Fällbad (Ebene X3) gleich dem 0,96 bis 1,1fachen der Abzugsgeschwindigkeit der Fasern
ist. Die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß
sie im wesentlichen aus einem Fällbadbehälter (15) mit Zuleitung (12) für das Fällmedium
und innerhalb des Behälters einer als Strömungskörper ausgebildeten, kegelstumpfförmigen
Spinndüse (3) und einem kegelstumpfförmigen (5) Spinntrichter mit anschließendem,
durch die Wandung des Fällbadbehälters hinausragenden, zylindrischen Rohr (6) sowie
außerhalb des Behälters einer mechanischen Faserabzugsvorrichtung (9) besteht, wobei
die Spinndüse (3) unter Ausbildung eines konzentrischen Spaltes in den Spinntrichter
(5) eintaucht. Bevorzugt weist die Spinndüse (3) den gleichen, sich in Strömungsrichtung
der zu verspinnenden Lösung verjüngenden Kegelwinkel (a) auf, wie der Spinntrichter.
[0008] Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die beispielhaft gegebenen, nicht
maßstabsgerechten Prinzipskizzen näher erörtert. Hierbei stellt
- Fig. 1
- eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit vertikaler Spinnanordnung und
- Fig. 2
- eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit horizontal er Spinnanordnung dar.
[0009] Beim Spinnen von Cellulosecarbamat sind die Filamente unmittelbar nach Eintritt in
das Fällbad sehr labil. Bei extrem niedrigen Fadenabzugsgeschwindigkeiten könnte das
Koagulieren der Fäden in einem stehenden Fällbad durchgeführt werden. Mit zunehmender
Fadenabzugsgeschwindigkeit und somit steigender Reibung zwischen Faden und Fällbad
treten jedoch vermehrt Turbulenzen an der Düsenoberfläche und längs der Filamente
auf, die zu einer Verschlechterung der Fadenqualität führen. Um diese Turbulenzen
zu unterbinden und die Faden/Flüssigkeit-Reibung zu reduzieren, wird erfindungsgemäß
von außen eine gerichtete Strömung (U
B) auf den Filamentfächer (4) aufgeprägt. Dabei muß vermieden werden, daß die aufgeprägte
Strömung an der Unterkante der Spinndüse (3) in der Ebene X1 ablöst und eine turbulente
Strömung bildet. Dies wird erreicht, indem man die Filamente (4) im Konus (5) eines
Spinntrichters durch die im vorderen Boden der Spinndüse (Ebene X1) angeordneten Düsenbohrungen
einer als Strömungskörper ausgebildeten, kegelstumpfförmigen Spinndüse (3) spinnt.
Dabei werden die Filamente (4) direkt unterhalb der Spinndüse (3) unter einem möglichst
kleinen Winkel vom Fällmedium angeströmt und mitgenommen. Dazu muß die Spinndüse (3)
unter Ausbildung eines konzentrischen Spaltes mit der Spaltbreite (d) in den Spinntrichter
(5) eintauchen. Bevorzugt weisen Spinndüse (3) und Trichterkonus (5) den gleichen,
sich in Strömungsrichtung des Fällbades verjüngenden Kegelwinkel (a) auf. Die Strömungsgeschwindigkeit
(U
B) des Fällmediums beträgt das 0,1 bis 0,8fache der Abzugsgeschwindigkeit (U
AB) der Fasern am Austritt der Fasern aus der Spinndüse (Ebene X1) und das 0,96 bis
1,1fache am Austritt der Fasern aus dem Fällbad (Ebene X3). Die Strömungsgeschwindigkeit
des Fällmediums am Austritt der Fasern aus den Fällbad (Ebene X3) ist in jedem Fall
bezogen auf den Querschnitt des zylindrischen Spinnrohrteils mit Durchmesser T2. Ein
eventuell in Strömungsrichtung an den Rohrteil in der Ebene X3 anschließendes konusförmiges
Endstück und/oder eine Blende mit variablen Öffnung bleiben hierbei unberücksichtigt
(Strömungsgeschwindigkeit des Fällmediums hier entsprechend dem verengten Querschnitt
höher als in Ebene X3).
[0010] Die Strömungsgeschwindigkeit (U
B) des Fällmediums in der Ebene X3 ist über die hydrostatische Höhe (H) des Fällbades,
entsprechend

, wobei ε = Flüssigkeits-Reibungsbeiwert (ca. 0,97) und g = Erdbeschleunigung, einstellbar.
Alternativ kann die Strömungsgeschwindigkeit des Fällmediums in der Ebene X3 bei einem
geschlossenen und vollständig mit Fällmedium gefüllten Spinnbadbehälter auch durch
Variieren des Förderdruckes der Pumpe (11) für das Fällmedium eingestellt werden.
Entsprechend dem konstanten Durchmesser (T2) des zylindrischen Spinnrohres (6) ist
die Strömungsgeschwindigkeit des Fällmediums im gesamten Rohrbereich von der Ebene
X2 bis zur Ebene X3 etwa gleich der Faserabzugsgeschwindigkeit (U
AB). Die Strömungsgeschwindigkeit in der Ebene X1 ist entsprechend dem größeren Querschnitt
des Spinntrichters (5) an dieser Stelle geringer als die in der Ebene X3. Eine Einstellung
ist möglich durch Verändern der Eintauchtiefe (lt) der Spinndüse (3) in den Spinntrichter
(5) und somit des Querschnittes des Fällmedium-Stromes in der Ebene (X1).
[0011] Fig. 1 zeigt eine vertikale Spinnanordnung mit einer Spinnrichtung von oben nach
unten, die besonders für höhere Faserabzugsgeschwindigkeiten geeignet ist. Die Cellulosecarbamat-Spinnlösung,
bestehend vorzugsweise aus 5 bis 12 Gew.-% Cellulosecarbamat in 5 bis 10%iger wässriger
Natriumhydroxid-Lösung, wird mit einer Temperatur von etwa 0 bis +30 °C durch die
Spinnpumpe (1) über die Leitung (2) der Spinndüse (3) zugeführt. Die an der Spinndüse
(3) austretenden Fäden (4) werden durch das von oben nach unten den Spinntrichter
(5) durchströmende Fällmedium unter kleinem Winkel diagonal angeströmt (U
B) und mitgenommen. Der Spinntrichter besteht aus einem oben kegelstumpfförmigen Teil
(5) und in der Ebene (X2) daran anschließend einem zylindrischen, rohrförmigen Teil
(6), welcher, wie hier gezeigt, in Ebene X3 endet. Wahlweise kann das Rohr aber auch
mit einem in der Ebene X3 daran anschließenden, konischen Endstück und/oder einer
Blende enden. Die Filamente (4) werden von einer mechanischen Abzugsvorrichtung (9),
beispielsweise einem angetriebenen Galettenpaar, mit der Geschwindigkeit (U
AB) abgezogen, während der sie begleitende Strom des Fällmediums in den Vorratsbehälter
(10) abfließt. Die Cellulosecarbamat-Fasern werden danach gewaschen, verstreckt und
bei höherer Temperatur zu Regeneratcellulose-Fasern verseift.
[0012] Das Fällmedium gelangt vom Vorratsbehälter (10) mittels Pumpe (11) über die Leitung
(12) in den Fällbadbehälter (15), der zwecks gleichmäßigem, turbulenzfreien Zulauf
des Fällmediums mit einer als Überlauf ausgebildeten, bevorzugt konzentrisch oder
parallel zur Behälterwandung angeordneten Innenwand (13) ausgerüstet ist. Über die
Wand (13) fließt das Fällmedium in den Spinntrichter (5). Als Fällmedium verwendbar
sind sowohl wässrige Lösungen von Säuren als auch von Alkalien und/oder Salzen. Auch
Alkohole sind geeignet. Bevorzugt wird eine wässrige Lösung mit 5 bis 25 Gew. -% H
2SO
4 und 5 bis 25 Gew.-% Na
2SO
4 bei einer Temperatur von etwa 20 bis 60 °C. Durch Reaktion mit der alkalischen Spinnlösung
reichert sich das Fällmedium beim Durchströmen des Spinntrichters (5 und 6) mit den
sich dabei bildenden Salzen, zum Beispiel Natriumsulfat, an. Bis zu einer gewissen,
von der Zusammensetzung des Fällmediums abhängigen Konzentration können diese Salze
im Fällmedium verbleiben. Da sich das untere Ende des Spinntrichters (6) außerhalb
des Fällbadbehälters (15) befindet, kann die Zusammensetzung des aus dem Spinnrohrteil
(6) ausfließenden Fällmediums leicht korrigiert werden, bevor es über die Leitung
(12) in den Behälter (15) zurückgepumpt wird, zum Beispiel durch partielle Ausschleusung
über Leitung (18) und Frischzufuhr über Leitung (17).
[0013] Die Faserabzugsgeschwindigkeit (U
AB) richtet sich nach dem verwendeten Equipment und insbesondere dem Titer der zu erspinnenden
Fasern. Allgemein sind Abzugsgeschwindigkeiten von 30 bis 500 m/min, vorzugsweise
50 bis 350 m/min gut geeignet. Die entsprechende, vorzugsweise etwa gleich hohe Strömungsgeschwindigkeit
des Fällmediums in der Ebene (X3) wird durch vertikales Verschieben des Spinntrichters
(5 und 6) in bezug auf die Position des Fällbadbehälters (15) und folglich durch Verändern
der hydrostatischen Höhe (H) des Fällmediums eingestellt. Die Anströmgeschwindigkeit
des Fällmediums auf der Ebene (X1) wird dabei gleichzeitig durch Verändern der Eintauchtiefe
(lt) der Spinndüse (3) in den Spinntrichter (5) angepaßt. Eine zusätzliche Anpassung
kann gegebenenfalls durch vertikales Verschieben des Fällbadbehälters (15) bei unveränderter
hydrostatischer Höhe (H) und/oder durch vertikal es Verschieben der Spinndüse (3)
vorgenommen werden. Auch ein vertikales Verschieben des Fällbadbehälters (15) in bezug
auf die Position des Spinntrichters und/oder ein Verändern der Länge des rohrförmigen
Teils (6) des Spinntrichters sind möglich.
[0014] Fig. 2 zeigt schematisch eine andere, vorzugsweise für niedrige Faserabzugsgeschwindigkeiten
(U
AB) eingesetzte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die einzelnen Elemente
der Vorrichtung entsprechen denen in Fig. 1, Spinndüse und Spinntrichter sind jedoch
horizontal angeordnet.
[0015] Die Cellulosecarbamat-Spinnlösung wird über Leitung (2) der Spinndüse (3) zugeführt
und die ersponnenen Fäden von der Abzugsvorrichtung (9) durch den Spinntrichter (5
und 6) abgezogen. Spinndüse (3) und der kegelstumpfförmige Teil (5) des Spinntrichters
sind innerhalb des Fällbadbehälters (15) im Fällmedium angeordnet, während der rohrförmige
Teil (6) des Spinntrichters durch die Wandung des Behälters nach außen durchgeführt
ist. Das Fällmedium wird vom Vorratsbehälter (10) mittels der Pumpe (11) über die
Leitung (12) dem Fällbadbehälter (15) zugeführt. Zur Vermeidung von Turbulenzen innerhalb
des Fällbadbehälters (15) sind Zuleitung (12) und Spinndüsenbereich durch eine permeable
Wand (14) von einander getrennt. Die Einstellung des Flüssigkeitsniveaus bzw. der
hydrostatischen Höhe (H) im Fällbadbehälter (15) erfolgt über eine am Behälterboden
angebrachte Abflußleitung (16) und/oder verschiedene Überlaufleitungen. Das Fällmedium
fließt auf Grund des hydrostatischen Druckes in Spinnrichtung durch den Spinntrichter
(5) und tritt am Ende des Spinnrohres (6) in der Ebene (X3) wieder aus, von wo es,
gegebenenfalls nach Konzentrations-Einstellung, in den Vorratsbehälter (10) gelangt.
Zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit (U
B) des Fällmediums in der Ebene (X1) bzw. der Eintauchtiefe (lt) der Spinndüse (3)
in den Spinntrichter (5) ist der gesamte Spinntrichter (5 und 6) in bezug auf die
Position des Fällbadbehälters (15) horizontal verschiebbar angeordnet. Alternativ
oder zusätzlich könnte auch die Spinndüse (3) horizontal verschoben werden.
[0016] Die Abmessungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung richten sich nach dem beabsichtigten
Durchsatz. Bei industriellen Anlagen liegt beispielsweise der Spinndüsendurchmesser
(D) bei 10 bis 300 bis 4000 mm, vorzugsweise der Spinntrichterdurchmesser (T1) bei
20 bis 500 mm, der Spinnrohrdurchmesser (T2) bei 3 bis 150 mm, der Kegelwinkel (a)
bei 5 bis 30°, die Gesamtlänge des Spinntrichters einschließlich Spinnrohr (5 und
6) bei 300 bis 4000 mm, vorzugsweise bis 2000 mm und die hydrostatische Höhe (H) bei
10 bis etwa 4000 mm, vorzugsweise bis etwa 2000 mm. Als Konstruktionsmaterial kommen
Glas sowie korrosionsbeständige Kunststoffe und Metalle in Betracht.
[0017] Spinndüse (3) und Spinntrichter (5 und 6) können nicht nur, wie vorstehend geschildert,
vertikal oder horizontal angeordnet sein, sondern auch schräg zur Vertikalen oder
zur Horizontalen.
[0018] Das zu verspinnende Cellulosecarbamat kann in beliebiger Weise hergestellt worden
sein, beispielsweise nach einem der Verfahren des US-Patentes 5 378 827, der DE-Patentanmeldungen
4 417 140, 196 35 473 und 197 15 617.
1. Verfahren zum Verspinnen von Cellulosecarbamat-Lösungen durch Extrudieren der Lösung
durch eine Spinndüse in ein Fällbad, Koagulieren der gebildeten Cellulosecarbamat-Fasern
durch Kontakt mit dem Fällmedium und Abziehen der Fasern nach Austritt aus dem Fällbad
durch mechanische Mittel, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern vom Austritt aus
der Spinndüse bis zum Austritt aus dem Fällbad von einem gleichgerichteten Strom des
Fällmediums mit vorgegebenem Querschnitt eingehüllt sind, wobei die Strömungsgeschwindigkeit
des Fällmediums am Austritt der Fasern aus der Spinndüse (Ebene X1) gleich dem 0,1
bis 0,8fachen und am Austritt der Fasern aus dem Fällbad (Ebene X3) gleich dem 0,96
bis 1,1fachen der Abzugsgeschwindigkeit der Fasern ist.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Stromes
des Fällmediums vom Austritt der Fasern aus der Spinndüse in Strömungsrichtung zunächst
abnimmt und dann konstant bleibt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit
des Fällmediums am Austritt der Fasern aus dem Fällbad (Ebene X3) durch Verändern
der hydrostatischen Höhe des Fällbades eingestellt wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit
des Fällmediums am Austritt der Fasern aus dem Fällbad (Ebene X3) durch Verändern
des Förderdruckes des Fällmediums bei abgeschlossenem, vollständig gefülltem Fällbad
eingestellt wird.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit
des Fällmediums am Austritt der Fasern aus der Spinndüse durch Verändern des Querschnittes
des Stromes des Fällmediums an dieser Stelle eingestellt wird.
6. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sie im wesentlichen aus einem Fällbadbehälter (15) mit Zuleitung (12) für das
Fällmedium und innerhalb des Behälters einer als Strömungskörper ausgebildeten, kegelstumpfförmigen
Spinndüse (3) und einem kegelstumpfförmigen Spinntrichter (5) mit anschließendem,
durch die Wandung des Fällbadbehälters hinausragenden, zylindrischen Rohr (6) sowie
außerhalb des Behälters einer mechanischen Faserabzugsvorrichtung (9) besteht, wobei
die Spinndüse (3) unter Ausbildung eines konzentrischen Spaltes in den Spinntrichter
(5) eintaucht.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spinndüse (3) den gleichen,
sich in Strömungsrichtung der zu verspinnenden Lösung verjüngenden Kegelwinkel (a)
aufweist, wie der Spinntrichter.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (d) des
konzentrischen Spaltes durch Verändern der Eintauchtiefe (lt) der Spinndüse (3) in
den Spinntrichter (5) eingestellt wird.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel
(a) 5 bis 30° beträgt.
10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Spinndüse
(3) und Spinntrichter (5 und 6) in vertikaler Richtung angeordnet sind.
11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Spinndüse
(3) und Spinntrichter (5 und 6) in horizontal er Richtung angeordnet sind.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spinntrichter (5 und
6) in bezug auf die Position des Fällbadbehälters in vertikaler Richtung verschiebbar
ist.