Fasertechnologie

Laser bohrt Löcher für Cellulosefaser-Spinndüse aus Siliziumnitrit präziser und wirtschaftlicher

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Cellulose muss nass gesponnen werden

Üblicherweise werden Mikrofasern in einem zweistufigen Prozess erzeugt: Das faserbildende Polymer wird zusammen mit einem Matrixpolymer versponnen, das die Fadenbildung mechanisch stabilisiert. Aus diesen sogenannten Bikomponenten-Fasern wird in einem zweiten Schritt der Matrixanteil chemisch abgelöst. Der verbleibende Teil bildet die hochfeine Faser.

Für die Herstellung cellulosischer Fasern ist dieses Verfahren nicht anwendbar. Cellulose ist nicht schmelzbar. Sie wird im Nassspinnverfahren aus gesponnen. Dabei wird die in ionischer Flüssigkeit gelöste Cellulose durch eine Spinndüse gepresst, hinter der sie in einem Fällbad zur festen Faser ausgefällt wird. Die Feinheit der Fasern ist maßgeblich durch die Größe der Löcher in der Spinndüse begrenzt. Und hier kommen die Vorteile der lasergebohrten Düsen zum Tragen. Denn die etablierten Bohrtechniken wie Mikrostanzen, mechanisches Bohren oder Funkenerosion ermöglichen es nicht, derart feine Löcher zu erzeugen.

Hoch anspruchsvoller Laserbohr-Prozess

Der Laserbohrprozess ist dabei technisch hoch anspruchsvoll. Mittels einer eigens am IFSW entwickelten Wendelbohroptik wird der Laserstrahl auf einer Kreisbahn bewegt. Mit 30.000 m-1 rotiert der Laserstrahl während des Bohrvorganges und lässt sich zudem in seiner Winkelneigung gegenüber dem Bohrgut einstellen. Das ermöglicht Bohrungen von hoher Präzision, Reproduzierbarkeit und einer variabel einstellbaren Bohrlochgeometrie.

Tiefe Löcher bei gleichzeitig geringem Durchmesser zu bohren ist dabei eine große Herausforderung für die Wissenschaftler des IFSW. Denn der Laser muss bis zu 4 mm starke Edelstahlplatten durchdringen, ohne Unregelmäßigkeiten an den Bohrwänden oder Grate an den den Lochrändern zu erzeugen. Denn diese würden sogleich eine verminderte Qualität der Fasern verursachen.

Trocken-Nassspinnen eröffnet neue Wege

Im konventionellen Nassspinnverfahren wird die Spinnmasse unter hohem Druck durch die Spinndüsen gedrückt. Die Cellulose koaguliert direkt hinter der Spinndüse in einem Fällbad zur Faser. Erweiterte Möglichkeiten bietet ein komplexeres Verfahren, das sogenannte Trocken-Nassspinnen: Die Spinnlösung wird erst in einen direkt hinter der Düse befindlichen Luftspalt gepresst. Dabei erfolgt eine erste Verstreckung und damit eine Ausrichtung der Kettenmoleküle in der Spinnlösung. Unmittelbar danach gelangt die Spinnmasse in das Fällbad, in dem sie zur Faser koaguliert. Die Molekülorientierung bleibt erhalten und so gewinnen die Cellulose-Mikrofasern eine noch höhere Festigkeit als in dem üblichen Nasspinnverfahren.

Die dickwandigen lasergebohrten Edelstahldüsen lassen außerdem besonders hohe Arbeitsdrücke bis 200 bar zu. Das ermöglicht die Verwendung höherer Cellulose-Konzentrationen in der Spinnlösung, durch die der Produktionsprozess effizienter wird.

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