Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschall für das Spinnen von Polymer-Fasern

Das Spinnen von Polymerfasern für Textilien und Stoffe ist eine spezielle Form der Extrusion, für die Spinndrüsen verwendet werden, um mehrere fortlaufende synthetischen Filamente herzustellen. Ultraschall kann für verschiedene Arten des Spinnens eingesetzt werden: Trocken-, Nass-, Schmelz- und Gelspinnen. Zu den Ultraschallanwendungen beim Spinnen gehören die Spinndüsen-Reinigung, Mischen, Lösen, Polymerisation und Scherverdünnung.

Polymere lösen und chemisch behandeln

Um eine Polymerfaser spinnen zu können, muss es in einen flüssigen Zustand umgewandelt werden. Daher muss das Polymer, sofern das Polymer nicht geschmolzen wird, gelöst oder chemisch so behandelt werden, dass es als lösliches oder thermoplastisches Derivat vorliegt.

Mit Hielscher Ultraschallgeräten können Sie den Löseprozess sowie die die chemische Wechselwirkung mit Reagenzien unterstützen und beschleunigen. Hierfür werden feste Polymerpartikel in Lösungsmittel oder Säure suspendiert. Diese Mischung wird entweder durch ein Ultraschallreaktor gepumpt oder in einem gerührten Tank mit einer Ultraschallsonotrode beschallt. Durch die intensiven Ultraschall-Kavitationskräfte lösen sich die Partikel sehr schnell, so dass eine homogene und gleichmäßige Polymerlösung entsteht. Das Video unten zeigt den ultraschall-gestützen Löseprozess mit einem Ultraschallhorn (UP200St)

Mehrloch-Düse

Polymerlösungen entgasen

Viskose Polymerlösungen, wie z.B. Poly(p-phenylen Terephthalamide) (PPTA) in konzentrierter Schwefelsäure, sind dickflüssig und oft nicht-newtonisch. Solche Lösungen erfordern ein Entgasen , um sicherzustellen, dass kontinuierliche Fasern aus der Spinndrüse kommen. Wird Ultraschall zum Mischen, Homogenisieren oder Lösen des Polymers eingesetzt, hilft er gleichzeitig dabei, die Lösung zu entgasen. Das Video unten zeigt die Entgasung/Enlüftung von Öl (Echtzeit).

Spinndrüsenreinigung mit Ultraschall

Eine Spinndrüse ist eine mehrdüsige Platte, durch die eine Polymerflüssigkeit extrudiert wird, so dass kontinuierliche Synthetikfasern erzeugt werden. Beim Austreten aus den kleinen Düsen des Extrudermundstückes beginnt das zähflüssige Polymer zu erstarren und die einzelnen Polymerketten ordnen sich aufgrund des viskosen Strömung in der Regel räumlich entlang der Faser an. Dadurch kann sich das erstarrte Polymer an und in der Mündung der feinen Düsen absetzten, wodurch der Polymerfluss verlangsamt wird und die Düsenplatte schließlich verstopft.

Polymerdüse
Eine Faserextrusionsplatte von erstarrtem Polymer zu reinigen, ist eine schwierige Aufgabe, da die einzelnen Düsen normalerweise einen sehr kleinen Durchmesser haben. Hielscher's Ultraschallsonotroden werden verwendet, um Polymerfaser-Extrusionsplatten mit hochintensiven Kavitationsjets zu behandeln. Diese Kavitationsjets sind stark genug, um die festes Polymer zu lösen und Verunreinigungen zu entfernen – gleichzeitig jedoch mild genug, um die feine Geometrie der Spinndrüsen nicht zu zerstören. Das zerstörungsfreie Reinigen ist ein großer Vorteil der Ultraschallreinigung im Vergleich zur Reinigung mit Nadeln, Drähten oder Bohrern. Obwohl Reinigungsnadeln ein feines Reinigungswerkzeug sind, mit denen sehr kleine Kapillaren und Düsen gesäubert werden, werden die Größe, Form und Geschmeidigkeit der Düsen durch das wiederholte Reinigen dennoch beschädigt. Außerdem ist die Reinigung von mehrdüsigen Spinnplatten sehr zeitaufwendig und stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar.

Für Acetat, Triacetat, Acryl, Modacryl, Polybenzimidazol, Elasthan oder Vinyon kann das Lösungsmittel, das zum Lösen des Polymers verwendet wird, auf für die Reinigung der Spinndüsen genutzt werden. Die durch Ultraschallkavitation generierten Scherkräfte drücken das Lösungsmittel in die Öffnungen der Spinndüsen und löst das festgesetzte Polymer.

Für schmelzgesponnene Polymere, wie z.B. Nylon, Olefin, Polyester, Saran oder Sulfar, kann die ultraschall-gestützte Wärmebehandlung helfen, das Polymer brüchiger machen. Dieser Prozess wird Ausbrennen genannt und reduziert das gehärtete Polymer zu Asche. Für das Reinigen können entweder Wasser (mit bis zu 25 wt% Phosphorsäure) oder Öl verwendet werden.
UP100H mit MS2-Sonde für die Ultraschall-DüsenreinigungEine Ultraschallsonotrode bzw. ein Ultraschallhorn ist viel intensiver als ein Ultraschallreinigungstank, da die Ultraschallwellen direkt auf den Spinndüsenkanäle ausgerichtet werden. Dies führt zu einer tieferen und schnelleren Reinigung. Für einzelne Kanäle und Düsen empfehlen wir den UP100H mit MS2-Sonotrodenspitze. Das UP100H ist ein kostengünstiges Ultraschallgerät, das sowohl als Handgerät als auch am Stativ verwendet werden kann. Für mehrdüsige Spinn- oder Extruderplatten ist der UIP1000hdT mit einer speziellen 100mm∅- Sonotrode ideal geeignet.

Spinndüsenreinigungsnadeln

Ultraschall-gestützte Polymerisation

Hielscher Ultraschallgeräte unterstützen direkte Spinnprozesse, indem durch den Ultraschall die Reaktanden und/oder Katalysatoren bei der Formulierung besser durchmischt werden und die Polymerisation des Polymers (z.B. Polyester) schneller und vollständiger abläuft.

Ultraschall-gestütztes Gel Spinning

Beim Gel-Spinning (z.B. Polyethylen, Aramid) können Ultraschallreaktoren sowohl für die Formulierung des Gels als auch für die Scherverdünnung/ Viskositätsabsenkung des Gels vor der Extrusion eingesetzt werden. Die Ultraschall-Scherkräfte führen temporär zu einer verringerten Interaktion zwischen den Polymerketten. Dadurch wird die Viskosität reduziert – so dass weniger Druck benötigt wird und gleichzeitig feinere Fäden gesponnen oder Extrusionsdurchsatz erhöht werden kann.

Dispersion von Nanomaterialien

Hielscher Ultraschallreaktoren sind ein äußerst effizient, um Nanomaterialien, wie z.B. Carbon Nanotubes, Metalloxide oder Pigmente zu dispergieren. Die Ultraschallkavitation bricht Agglomerate auf und dispergiert die Partikel gleichmäßig.

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