Faserherstellung im Forscherblick Neuartiges Waschkonzept soll Chemiefaserherstellung verbilligen

Polymerfasern aus Polyethylen oder anderen Kunststoffen werden häufig im sogenannten Nassspinnverfahren mithilfe von Lösungsmitteln hergestellt. Letztere müssen meist teuer entfernt werden. Um den Prozess günstiger zu machen, forscht man in Aachen nach speziellen Waschkonzept-Alternativen.

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RWTH Aachen Lehrstuhl für Textilmaschinenbau und Institut für Textiltechnik (ITA

In den letzten Jahrzehnten haben sich Lösungsmittelspinnprozesse als dominierende Verfahren zur Herstellung von Hochleistungsfasern bewährt. So werden im Nass- und Gelspinnverfahren Aramid-, UHMW-Polyethylenfasern sowie Vorläuferfasern für die Carbonfaserproduktion hergestellt. Das Nassspinnen wird dabei verschiedene Teilprozesse unterteilt. Zunächst erfolgt die Präparation der Spinnlösung, hierbei wird das jeweilige Polymer in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst. Anschließend wird die Spinnlösung durch sogenannte Spinndüsen in das Koagulationsbad extrudiert. Im Koagulationsbad findet dann durch Diffusionsprozesse die Fadenbildung statt. Nach der Fadenbildung erfolgen das Verstrecken, Waschen und Trocknen der Fasern. Hierbei ist der Waschvorgang in Lösungsmittelspinnprozess der kostenintensivste Teilprozess, was auf lange Waschzeiten und die Wiederaufbereitung des Lösungsmittels zurückzuführen ist [Wil14]. Um diese Kosten zu reduzieren, wird am Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen ein neues, effektives Waschprinzip entwickelt.

Der Stoffübergang muss optimiert werden

In den ersten Entwicklungsschritten werden verschiedene kommerzielle Waschkonzepte analysiert und ihre Defizite identifiziert. Das Hauptdefizit besteht im gehemmten Stoffübergang des Lösungsmittels aus den Einzelfilamenten in das kompakte Faserbündel und von hier in die Waschlösung, siehe Bild 1 der Galerie.

Um den Stoffübergang zu verbessern, wird eine Methode entwickelt, wodurch das kompakte Faserbündel mithilfe von Wasserdüsen aufgespalten wird. Dabei erzeugen die Wasserdüsen Verwirbelungen bzw. Turbulenzen in eigens konstruierten Waschboxen. Durch diese Verwirbelungen wird das kompakte Faserbündel geöffnet und die Faser Faser Grenzflächen reduziert, wodurch die Stoffübergang des Lösungsmittels (siehe Bild 2) und damit einhergehend die Waschleistung im Nassspinnprozess verbessert werden kann.

Simulation der Strömungsverhältnisse hilft

Bei der Entwicklung der Waschboxen werden Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulationen und Particle Image Velocimetry (PIV) Messungen verwendet. Mit den numerischen Strömungssimulationen werden, Strömungsbilder der Verwirbelungen in Abhängigkeit verschiedener Düsenkonfigurationen abgebildet. Verschiedenen Düsenkonfigurationen für die entwickelten Waschboxen werden untersucht. Exemplarisch sind in Abbildung 3 zwei verschiedene Düsenkonfigurationen zu sehen: Auf der linken Seite sind Düsenkonfigurationen für die oberen und unteren Düsenplatten abgebildet. Beide Designvorschläge haben je vier Düsen auf der oberen und unteren Düsenplatte. In der Kombination A/A sind die Düsen auf zwei verschiedene Punkte gerichtet, wohingegen mit Kombination A/B eine asymmetrische Düsenkonfiguration gebildet wird. Des Weiteren sind in Abbildung 3 Strömungsbilder der CFD-Simulationen der Kombinationen A/A und A/B dargestellt.

Nächster Schritt: Übertragung in den Prototypen-Status

Aus der CFD-Simulation ist ersichtlich, dass das A/B Design mehr Wirbel erzeugt und der Volumenstrom aus der Waschbox heraus auch größer ist als im A/A-Design. Durch den Volumenstrom aus den Waschboxen heraus wird sichergestellt, dass die Waschlösung abgeführt wird und sich das Lösungsmittel nicht in den Waschboxen anreichen kann. Um die verschiedenen Düsenanordnungen hinsichtlich der Öffnung des Faserbündels zu beurteilen, werden maßstabsgetreue Waschboxen konstruiert und gefertigt. Kameraaufnahmen von einem geöffneten Faserbündel belegen die Berechnungen der CFD-Simulation, siehe dazu Bild 4: Im A/A-Design ist eine Aufspaltung des Faserbündels sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Ebene zu beobachten. Im A/B-Design lediglich in horizontaler Ebene. Bei der Aufspaltung des Faserbündels ist jedoch auf die Belastung Einzelfilamente durch die erzeugten Wirbel und das Auftreten von Querläufern zu achten.

Basierend auf dieser Entwicklung wird ein neues Konzept für das Waschen nassgesponnener Chemiefasern mithilfe von Wasserdüsen erarbeitet. Ziel weiterer Entwicklungen ist die Übertragung des gezeigten Konzepts in ein Prototypen-Waschbad. Darüber hinaus wird das Konzept hinsichtlich seiner Waschleistung, möglicher Faserschädigungen, Querläufern und des Einsparpotenzials von herkömmlichen Waschbädern in aktuellen Produktionsanlagen für nassgesponnene Chemiefasern validiert.

Literatur:

[Wil14]

Wilms C.: Kosteneffizientes Produktionsverfahren zur Herstellung von Carbonfaser-Precursoren, Aachen: RWTH Aachen University, Dissertation, 2014. MM

* Ansprechpartner: M. Sc. Sascha Schriever, Sascha.Schriever@ita.rwth-aachen.de.

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