DE19643425A1 - Sandlose Spinndüse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spinndüse zum Verspinnen von Thermoplasten, insbesondere die Filtrierung und Scherung des Polymers vor dem Austritt aus der Spinndüsenplatte durch einen konzentrisch-wellenförmigen Filteraufbau gemäß den Patentansprüchen.

Druckaufbau, Scherung und Filterung des zu verspinnenden Polymers wird in Spinndüsen üblicherweise durch eine Sandschüttung vorgenommen. Dies ist mit verschiedenen Nachteilen behaftet: Zum einen sind die Sandfüllungen selbst bei sorgfältigster Durchführung nicht von Düse zu Düse identisch, und zum anderen bestehen Handhabungsschwierigkeiten bezüglich der Befüllung mit Sand und des Transportes der befüllten Spinndüsen. Außerdem können vereinzelte Sandkörner die internen Dichtungen in den Spinndüsen unwirksam machen.

Aus Literatur und Praxis sind diverse Versuche bekannt, diesen Nachteilen entgegen zu wirken: Gesinterter Metallsand in Blockform wird in der DE-OS 24 56 626 (Du Pont, 1973) und ein durch ein ausschmelzbares Bindemittel formgehaltener Filterblock wird in der DE-OS 25 20 522 (ICI, 1974) beschrieben. Nachteilig an diesen Lösungen ist, daß die Filterblockelemente entweder sehr genau dimensioniert und in die Spinndüsengehäuse eingepreßt werden müssen, oder aber von der Polymerschmelze hinterlaufen werden, ohne daß die gewünschten Filtereffekte eintreten können.

Das Problem des Hinterlaufens tritt ebenfalls bei den üblichen - und teuren - Lose-Filter-Schichtungen auf, wie sie z. B. in der DE 42 36 570 A1 (AKZO, 1991) gezeigt wird. Eine mögliche Lösung dieses Hinterlauf- Problems wird in der EP 0 455 492 A1 (Pall, 1991) angeboten: Ein Filterpack, das aus einzelnen gewebten oder gesinterten Filterlagen besteht, die in einem separaten Gehäuse peripher rundum verschweißt sind. Ein derartig vorkonfektioniertes Filterpack ist ebenfalls sehr teuer und erlaubt zudem keine kurzfristigen Schichtungsvarianten, um den Spinnprozeß gegebenenfalls zu beeinflussen.

In der US-PS 3 307 216 (Fiber Ind., 1964) wird ein umhülltes Sandfilterpaket vorgeschlagen, wobei der Sand in einen gesinterten oder gewebten Filtermantel abgefüllt ist. Der einfachen Handhabung stehen zusätzliche Kosten entgegen.

Ein radial durchströmtes Filterpack, ähnlich den bekannten Scheibenfiltern in großen Polymervorfiltern, wird in der US-PS 3 353 211 (Enka, 1965) dargestellt: Der Schmelzestrom tritt zunächst wie üblich zentral ein und wird anschließend nach außen verteilt, um danach radial nach innen durch die Filterschichtung in die Nuten des Filterführungsdornes zu fließen. Hohe Kosten für die vielen Filterlagen und ein undefinierter Schmelzefluß in den Spalten zwischen den einzelnen Filtern lassen keine Vorteile erkennen.

Eine Anordnung von gelochten Zwischenscheiben wird in der US-PS 2 792 122 (Pergofit, 1952) vorgeschlagen: Man konnte damals wohl auf zusätzliche Filterung verzichten. Dieser Gedanke wird in der DE-PS 10 25 561 (Pergofit, 1953) weiter ausgebaut: Zur direkten axialen Durchströmung kommen noch enge radiale Strömungskanäle hinzu, um "Gasblasen zu entfernen". Dabei strömt die Schmelze im Scheibenstapel alternierend radial nach innen oder außen hin. Diese, auf den ersten Blick sehr preiswerten, Spinndüsen genügen den heutigen Ansprüchen jedoch keinesfalls: Schmelzehomogenität und Reinheit, sowie die Verhinderung von Gelbildung, wie sie für den modernen Spinnprozeß gefordert wird, können mit derartigen Anordnungen nicht garantiert werden, selbst wenn noch zusätzlich Filterlagen dazwischen gefügt würden, weil gerade in den Spalten und Rillen wieder undefinierte, ungefilterte Strömungen auftreten.

Weiterhin sind zahlreiche Variationen von Filterkerzen in Gebrauch, die aber neben den Kosten auch noch Verfahrensnachteile aufweisen: Undefinierte Strömungen und tote Ecken, vor allem beim Einsatz mehrerer Kerzen für jeweils eine einzelne Spinndüse.

Es besteht also weiterhin die Aufgabe, den Nachteilen der Sandfilterung in den Düsen für die Verspinnung von Polymeren abzuhelfen, ohne dabei die Vorteile eines kostengünstigen Filtermediums aufzugeben. Dies zeigt sich auch daran, daß in der Praxis das "klassische Sandpack" trotz der Handhabungsprobleme derzeit immer noch die am meisten eingesetzte Spinndüsenvariante ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht nun darin, daß die an sich bekannten losen - oder auch mit einer Dichtung eingefaßten - Siebfilterlagen gemäß den Patentansprüchen in der Spinndüse angeordnet und eingebaut werden.

Die sofort ersichtlichen Vorteile gegenüber der klassischen Sandfilterdüse sind die einfache und sichere Handhabung und die hohe Filtergleichheit von Spinndüse zu Spinndüse. Weiterhin ist an dieser Lösung vorteilhaft, daß - neben der Verbilligung durch die Verringerung der Filterlagen und der Bauhöhe der Spinndüse - insbesondere die Möglichkeit der freien Anordnung der verschiedenen Filterstärken und deren Sortierung, um damit den Spinnprozeß beeinflussen zu können, gegeben ist. Es ist selbstverständlich, daß die erfindungsgemäße Lösung für alle möglichen Düsengrößen und Formen einsetzbar ist. Bei der Verwendung in Ringdüsen ergibt sich aber noch ein überraschender Vorteil dadurch, daß die "Abfallronden" aus den Ringfiltern, die sonst ungenutzt bleiben müssen, als erste Filterstufe nach dem Erfindungsprinzip eingesetzt werden können.

Die Beschreibung der Erfindung erfolgt anhand der Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 3; dabei zeigt die Darstellung in

Fig. 1 eine beispielhafte Spinndüsenanordnung mit eingefaßten und vorkonfektionierten Filtern (wie sie für die Filamenterspinnung eingesetzt werden kann),

Fig. 2 eine beispielhafte Spinndüsenanordnung mit loser und frei konfigurierbarer Filteranordnung (wie sie ebenfalls für die Filamenterspinnung eingesetzt werden könnte) und

Fig. 3 den wesentlichen Gedanken der wechselnden radialen-axialen Durchströmung des Filters im Detail.

Fig. 1: Eine beispielhafte Filament-Spinndüsenanordnung mit eingefaßten und vorkonfektionierten Filtern ist - von unten nach oben - wie folgt aufgebaut:
In einem Gehäuse 1 liegt eine Spinndüsenplatte 2, auf der ein handelsübliches, selbstdichtend eingefaßtes Filter 3, welches aus für den Spinnprozeß gewählten Lagen von Web- bzw. Vliesfilterronden verschiedener Filterfeinheit bestehen kann, aufliegt. Im hier gezeigten Beispiel hat die Spinndüsenplatte 2 nur am Außenrand eine geringe Anzahl von Kapillarbohrungen, es ist daher nützlich, daß die Spinndüsenplatte 2 ebenfalls schon die erfindungsgemäße wellenförmige und konzentrische Oberflächenstruktur aufweist, wie die über dem Filter 3 liegende Zentrallochplatte 4. (Sind aber hohe Kapillarzahlen über die gesamte Düsenfläche verteilt, so ist es auch möglich - wie bisher gewohnt und allgemein üblich und deshalb auch nicht gezeichnet - mit einer glatten Fläche zu arbeiten, damit das Filter 3 lediglich seine Verteilerfunktion erfüllen kann.) In unserem Beispiel ist über der Zentrallochplatte 4 ein weiteres Filter 3 aufgelegt und darüber dann die Peripherlochplatte 5. Diese Schichtung kann nun - über das gezeigte Beispiel hinaus - weiter vorgenommen werden, je nachdem wieviel Scherlänge gewünscht wird. Die beispielhafte Spinndüsenanordnung wird wie üblich mit einem Deckel 6 und einem Gewindering 7 geschlossen. Der weitere Anschluß an die Polymer­ schmelzeversorgung durch den Adapter 9 zum Heizgefäß (auch Spinnbalken genannt) und die Anschlußdichtung 10 ist dem Fachmann geläufig und braucht hier nicht weiter erläutert zu werden. Strömt nun die Polymerschmelze durch den zentralen Kanal im Deckel 6 ein, so wird sie, bedingt durch die erfindungsgemäße konzentrisch-wellenförmige Oberflächenstruktur der Einzelteile, radial und axial durch das Filter und die Freiräume (im Detail noch genauer in Fig. 3 gezeigt) geführt. Dabei muß die konzentrisch-wellenförmige Struktur der Oberflächen so sein, daß das Filter jeweils zwischen den sich gegenüberliegenden Tälern und Bergen leicht verspannt anliegt. Die Schichtungsreihenfolge muß - wie im Beispiel gezeigt - so sein, daß nach einem zentralen Zutritt zum Filter das darauffolgende Einzelteil periphere Durchgänge aufweist.

Fig. 2: Eine andere beispielhafte Spinndüsenanordnung mit loser und frei konfigurierbarer Filteranordnung ist - von unten nach oben - wie folgt aufgebaut:
In einem Gehäuse 11 liegt eine Spinndüsenplatte 12, auf der wiederum eine Filter­ lage 13, bestehend aus mehreren losen Filterronden, die entsprechend dem Spinnprozeß benötigter Filterfeinheit sortiert sind, aufliegt. Auf der losen Filterlage 13 ruht eine Verteilerplatte 14, schwimmend angeordnet im Zwischen­ raum des Mittelteils 15 und der Spinndüsenplatte 12. Dies gilt gleichfalls für die Anordnung darüber: Auf einer Filterlage 13 ruht ebenfalls eine Verteilerplatte 14, diesmal schwimmend angeordnet im Zwischenraum des Deckels 16 und des Mittelteils 15. Die lose Filterlage 13 ist dabei konzentrisch-wellenförmige (wie zu Fig. 1 und Fig. 3 erläutert) verspannt, insbesondere wenn unter Betriebs­ bedingungen der Differenzdruck der strömenden Polymerschmelze, verursacht durch das Filter selbst, die lose Filterlage 13 fest zusammenpreßt. Dies geschieht dadurch, daß das Polymer, z. B. durch den zentralen Kanal im Deckel 16 fließend, gegen die Verteilerplatte 14 anströmt und diese dann seitlich umfließend in die lose Filterlage 13 ringsum eintritt. Dabei wird durch den Differenzdruck der strömenden Polymerschmelze die schwimmende Verteilerplatte 14 gleichmäßig gegen die lose Filterlage 13 gepreßt, wodurch gewährleistet wird, daß die Schmelze die lose Filterlage 13 vollständig und gleichmäßig durchströmt. Die hier in Fig. 2 gezeigte Schichtung kann nun - über das dargestellte Beispiel hinaus - wiederholt vorgenommen werden, je nachdem wieviel Scherlänge gewünscht wird. Diese Spinndüsenanordnung wird - ebenfalls wie üblich - mit einem Gewindering 17 geschlossen und der weitere Anschluß erfolgt dann über die Anschlußdichtung 10 und den Adapter 9 zum Heizgefäß - wie schon zu Fig. 1 geschildert. Die Zwischenräume, in denen die Verteilerplatten 14 jeweils schwimmend angeordnet sind, werden im dargestellten Beispiel mittels Ringdichtungen 18 gesichert, jedoch ist dem Fachmann sicher auch eine andere Abdichtungsmöglichkeit geläufig und braucht hier nicht weiter erläutert zu werden.

Fig. 3: Der Detailschnitt zeigt dabei zur Erläuterung der wesentlichen Prinzipien eine beispielhafte Anordnung, wie sie aus Fig. 2 bereits bekannt ist:
Auf der losen Filterlage 13 ruht eine Verteilerplatte 14, schwimmend angeordnet im Zwischenraum des Deckels 16 und des Mittelteils 15. Diese lose Filterlage 13 ist dabei wellenförmig und konzentrisch verspannt, insbesondere wenn unter Betriebsbedingungen der Differenzdruck der strömenden Polymerschmelze - hier im Beispiel durch kleine Pfeile und dünne Strich-Punkt-Linien dargestellt - die lose Filterlage 13 fest zusammenpreßt. Dies geschieht dadurch, daß das Polymer, z. B. durch den zentralen Kanal im Deckel 16 kommend, gegen die Verteilerplatte 14 anströmt und diese dann seitlich umfließend in die lose Filterlage 13 ringsum eintritt und dabei die schwimmende Verteilerplatte 14 gleichmäßig gegen die lose Filterlage 13 preßt. Diese Anpressung verstärkt die konzentrisch-wellenförmige Verspannung der losen Filterlage 13, so daß dabei in den konzentrisch­ wellenförmige Oberflächen der Einzelteile Freiräume über bzw. unter dem Filter entstehen. Die Polymerschmelze wird nun zwangsläufig, bedingt durch die Oberflächenstruktur der Einzelteile, radial und axial durch die lose Filterlage 13 und die Freiräume geführt, wodurch gewährleistet wird, daß die Schmelze besagte Filterlage 13 vollständig und gleichmäßig durchströmt. Die Freiräume (mit ihrem geringeren Strömungswiderstand als jedes Filtermedium) bedingen, daß das Polymer radial und axial durch das Filter und die Freiräume fließt.

Es versteht sich von selbst, daß das hier dargelegte Filterprinzip nicht allein auf die beschriebenen Anwendungen beschränkt ist, sondern überall dort eingesetzt werden kann, wo flüssige Medien gefiltert, gemischt, homogenisiert oder geschert werden sollen. Dabei muß es dem zuständigen Produkt- oder Anwendungs­ fachmann überlassen bleiben die Ausgestaltung bezüglich der Filterschichtung, der ersten Anströmungsrichtung, der Dichtungswahl und der Anzahl der Filtergänge für seinen eigenen Fall selbst zu bestimmen. Auch die Wahl der Oberflächen, ob die konzentrische Wellenstruktur gleichmäßig oder progressiv steigend ausgeführt werden soll, muß anwendungsspezifisch und eventuell empirisch ermittelt werden.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

Spinndüsenplatte

3

Filter, selbstdichtend eingefaßtes

4

Zentrallochplatte

5

Peripherlochplatte

6

Deckel

7

Gewindering

8

9

Adapter zum Heizgefäß (auch Spinnbalken genannt)

10

Anschlußdichtung

11

Gehäuse

12

Spinndüsenplatte

13

Filterlage, lose

14

Verteilerplatte

15

Mittelteil

16

Deckel

17

Gewindering

18

Ringdichtung

Claims (12)

1. Sandlose Spinndüse zum Verspinnen von Thermoplasten mit einem zentralen Polymerschmelzeeintrittskanal und einer Filteranordnung, bestehend aus einer oder mehreren Filterlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Filterlage (13), in sich wiederum aus einer oder mehreren Filterronden bestehend, durch die angrenzenden Düsenbauteile (14, 15 bzw. 14, 12) wellenförmig und konzentrisch abwechselnd nach oben und unten so verspannt ist, daß die zentral eingetretene Polymer­ schmelze nach dem axialen Eintritt in die besagte Filterlage (13) zunächst radial darin weiterströmt, um dann schräg und axial in den von dem einen Bauteil gebildeten freien Raum einzutreten und nach kurzer radialer Strömung durch den freien Raum sogleich wieder schräg und axial in die besagte Filterlage (13) zurück und hindurch zu fließen in den nächsten freien Raum, der durch das andere grenz­ gebende Bauteil vorgegeben ist, und dies so fort, solange Räume aufeinander folgen, um zuletzt radial oder axial strömend, je nach weiterfolgend beschriebener Ausführung der Filterlage (13) und der grenzgebenden Bauteile, an der Peripherie der besagten Filterlage (13) herauszutreten.

2. Spinndüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Filterlagen (13) angrenzenden Bau­ teile zum Verspannen besagter Filterlagen (13) jeweils ein konzentrisches, wellen­ förmiges Berg-und-Tal-Profil aufweisen, das jeweils lückenlos in das gegenüber­ liegende konzentrisch-wellenförmige Berg-und-Tal-Bauteil-Profil hineinpaßt.

3. Spinndüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Filterlagen (13) angrenzenden Bauteile zum Verspannen besagter Filterlagen (13) jeweils ein konzentrisch­ wellenförmiges Berg-und-Tal-Profil aufweisen, das am Außenrand in einem waagerechten, abstandbildenden Absatz endet, so daß das eine Profil in das jeweils gegenüberliegende Profil hineinpaßt, ohne es ganz auszufüllen, d. h. ein Berg ragt jeweils in ein gegenüber liegendes Tal hinein, wobei der jeweilige Berg nicht bis zum Grund in das zugehörige Tal hinabreicht und sich so ein schmaler konzentrisch-wellenförmiger freier Raum ergibt.

4. Spinndüse nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das konzentrisch-wellenförmige Berg-und- Tal-Profil eine gleichförmige Teilung aufweist.

5. Spinndüse nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das konzentrisch-wellenförmige Berg-und- Tal-Profil eine ungleichförmige, nach außen hin enger werdende Teilung aufweist.

6. Sandlose Spinndüse mit einer Filteranordnung, bestehend aus einer oder mehreren Filterlagen, bzw. Spinndüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der profilgebenden Bauteile schwimmend ausgebildet ist, dergestalt, daß besagtes schwimmendes Bauteil, das in einem von den weiteren Bauteilen gebildetem Raum auf einer Filterlage (13) aufliegt, welche wiederum auf einem Bauteil mit entsprechendem konzentrisch-wellenförmigen Berg-und-Tal-Profil ruht, von der Polymerschmelze umflossen wird, so daß der Strömungsdruckverlust in der Filterlage (13) zur Anpressung des schwimmenden Teils auf eben die besagte Filterlage (13) sorgt.

7. Spinndüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spinndüsenplatte (12) ein konzentrisch-wellen­ förmiges Berg-und-Tal-Profil mit der entsprechend vorgegebenen Teilung des darüber liegenden Teiles aufweist.

8. Sandlose Spinndüse zum Verspinnen von Thermoplasten mit einer Filteranordnung, bestehend aus einer oder mehreren Filterlagen, bzw. Spinndüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Filterlagen (13) aus minimal einer Einzelfilterronde bestehen, die zwischen den angrenzenden Düsenbauteilen zu einem konzentrischen und wellenförmigen Berg-und-Tal-Profil verformt und von den profilgebenden Teilen gleichzeitig eng gehalten wird, so daß die zentral und axial eintretende Schmelze dem vorgebenen Profil folgend nach außen hin abfließend an der Peripherie heraustreten muß.

9. Spinndüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (3), bestehend aus einer oder mehreren Filterronden, mittels eines beidseitig umgebogenen Bandes - welches, wie allgemein üblich, auch als Dichtung dient - zu einem vorkonfektioniertem Filter (3) zusammengefaßt sind und der Schmelzeeintritt dann in das besagte Filter (3) axial in der Mitte und der Schmelzeaustritt ebenfalls axial an der Peripherie des Filters (3) möglichst nahe vor der Einfassung erfolgt.

10. Sandlose Spinndüse zum Verspinnen von Thermoplasten mit einem zentralen Polymerschmelzeeintrittskanal und einer Filteranordnung, bestehend aus einer oder mehreren Filterlagen, bzw. nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Filterlagen, gleich ob sie eingefaßt (3) oder lose (13) sind, bevorzugt aus drei Einzelfilterronden so geschichtet werden, daß die die Filterfeinheit bestimmende Filterronde mittig liegt.

11. Spinndüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzefluß, Eintritt oder Austritt, in die aus losen Filterronden bestehenden Filterlagen (13) oder den vorkonfektionierten Filter (3), axial möglichst am äußersten Rand durch eine Vielzahl von Bohrungen in den grenzgebenden Bauteilen erfolgt.

12. Spinndüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzeeintritt in die losen Filterlagen (13) jeweils radial über einen Ringspalt in den umgebenden Bauteilen an der Peripherie der Filterlagen (13) und der Schmelzeaustritt axial in der Mitte erfolgt.