Ultraschall beim Spinnen von Polymerfasern

Das Spinnen von Polymerfasern für Textilien und Gewebe ist eine spezielle Form der Extrusion, bei der eine Spinndüse mehrere kontinuierliche synthetische Filamente erzeugt. Ultraschall kann bei verschiedenen Spinnverfahren eingesetzt werden: Trockenspinnen, Trocken-Nassspinnen, Schmelzspinnen und Gelspinnen. Zu den Ultraschallanwendungen gehören Spinndüsenreinigung, Mischen, Lösen, Polymerisation und Scherverdünnung.

Lösen von Polymeren und chemische Behandlung

Damit das Polymer versponnen werden kann, muss es in einen fließfähigen Zustand überführt werden. Sofern das Polymer nicht geschmolzen wird, wird es daher gelöst oder chemisch behandelt, um lösliche oder thermoplastische Derivate zu bilden.

In dieser Phase können die Ultraschallgeräte von Hielscher den Lösungsvorgang unterstützen und beschleunigen, ebenso wie die chemische Wechselwirkung mit Reagenzien. Hierzu werden feste Polymerpartikel im Lösungsmittel oder in der Säure suspendiert. Diese Mischung wird entweder durch einen Ultraschallreaktor gepumpt oder in einem Rührbehälter mit Ultraschallsonotroden behandelt, wobei sich die Partikel aufgrund der starken kavitationsbedingten Scherung rasch lösen. So entsteht eine homogene und gleichmäßige Polymerlösung. Das folgende Video demonstriert das Lösen mittels Ultraschall mit einem Ultraschallgerät mit Sonotrode (UP200St).

Dieses Video zeigt, wie schnell sich eine Fruchtgummifigur mit Ultraschall auflösen lässt. Die Homogenisierung und das Auflösen mit Ultraschall ermöglichen eine schnelle und zuverlässige Vorbereitung von Proben jeder Größe.

Spinndüsenreinigung mittels Ultraschall

Eine Spinndüse ist eine Düsenplatte mit mehreren Öffnungen, durch die eine Polymerflüssigkeit extrudiert wird, um kontinuierliche synthetische Fasern zu bilden. Beim Austritt aus den kleinen Öffnungen der Extrusionsdüse beginnt die viskose Polymerflüssigkeit zu erstarren, und die einzelnen Polymerketten neigen dazu, sich aufgrund der viskosen Strömung in der Faser auszurichten. Dabei kann sich festes Polymer am und im Auslass der feinen Öffnung ablagern, wodurch sich die Strömung verlangsamt und schließlich ein Kanal der Düsenplatte verstopft.

Festes Polymer von Faserextrusionsplatten zu entfernen, ist schwierig, da die einzelnen Kanäle typischerweise einen sehr kleinen Durchmesser haben. Ultraschallsonotroden von Hielscher werden eingesetzt, um die Extrusionsdüsenplatten für Polymerfasern intensiven kavitationsbedingten Flüssigkeitsstrahlen auszusetzen. Diese sind stark genug, um das feste Polymer und Verunreinigungen zu entfernen – zugleich aber schonend genug, um die empfindliche Geometrie der Spinndüsenkapillaren nicht zu beschädigen. Letzteres ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber Reinigungsnadeln, Drähten oder Bohrern. Obwohl Reinigungsnadeln feine Werkzeuge sind, die zur Reinigung kleiner Kapillaren entwickelt wurden, beeinträchtigt wiederholtes Reinigen die Abmessungen, die Form und die Glätte der Kapillaren. Schließlich ist auch der Zeitaufwand für die Reinigung von Spinndüsen mit mehreren Kanälen ein erheblicher Kostenfaktor.

Bei Acetat, Triacetat, Acryl, Modacryl, Polybenzimidazol, Elastan oder Vinyon kann das zum Lösen des Polymers verwendete Lösungsmittel auch zur Reinigung eingesetzt werden. In diesem Fall drückt die kavitationsbedingte Scherung das Lösungsmittel in die Öffnungen und fördert das Lösen.

Bei Polymeren für das Schmelzspinnen, etwa Nylon, Olefin, Polyester, Saran oder Sulfar, kann eine Wärmebehandlung vor der Beschallung dazu beitragen, das Polymer spröder zu machen. Dieser als Ausbrennen im Ofen bezeichnete Prozess reduziert das ausgehärtete Polymer zu Asche. Zur Reinigung kann Wasser (mit bis zu 25wt% Phosphorsäure) oder Öl als einfache Koppelflüssigkeit zwischen der Ultraschallsonotrode und der Spinndüse verwendet werden.
Die Beschallung mit einer Sonotrode ist wesentlich intensiver als die Beschallung in Reinigungsbädern, und die Schallwellen werden direkt auf die Auslässe der Spinndüsenkanäle gerichtet. Dies führt zu einer tieferen und schnelleren Reinigung. Für einzelne Kanäle und Öffnungen empfehlen wir den UP100H mit der spitzen MS2-Sonotrodenspitze. Dies ist ein kostengünstiges Ultraschallgerät für den handgeführten oder stativmontierten Betrieb. Für Spinndüsen mit mehreren Öffnungen oder Extrusionsdüsenplatten empfehlen wir den UIP1000hdT mit einer speziellen Sonotrode mit 100mm Durchmesser.