DE2142990A1

DE2142990A1 - Elektrostatische Spinnmaschine

Info

Publication number: DE2142990A1
Application number: DE19712142990
Authority: DE
Inventors: Richard Andrew Bolton Mass Amato (V St A)
Original assignee: Electrospin Corp
Current assignee: Electrospin Corp
Priority date: 1970-08-25
Filing date: 1971-08-24
Publication date: 1972-03-02
Also published as: FR2103481A1; IE35563B1; BE771712A; NL7111640A; DE2142990C3; ES394485A1; FR2103481B1; CH541003A; US3665695A; BR7105422D0; IE35563L; SE372780B; DE2142990B2; CA923771A; GB1344378A

Description

Elektrostatische Spinnmaschine

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an elektrostatischen Spinnmaschinen, die eine Vergrößerung der wirksamen Kraft und eine Steuerung der Ausbildung des elektrostatischen Feldes anstreben, das die Textilfasern, unmittelbar bevor sie zu den Organen gelangen, die sie verdrehen und verspinnen, um sie in einen Strang oder einen fortlaufenden Faden umzuwandeln, durchqueren.

Bei den bekannten elektrostatischen Spinnmaschinen, wie z.B. bei der in der US-PS 3 411 284 beschriebenen, erstreckt sich das elektrostatische Feld in einem Raum, der ein die Fasern mechanisch in das Feld sich vorbewegen lassendes Zuführsystem von einem Spinnkopf trennt, der die Fasern verdreht und verspinnt, um einen Faden zu bilden. Die Fasern gelangen zu dem Zuführsystem in freiem Zustand oder in Form eines Vorgarnwickels und werden von diesem System in Form eines Abflusses in das elektrostatische B'eld geschickt. Das Feld wird wirksam, indem es die Fasern ausrichtet und den Weg bestimmt, dem sie folgen, um an den Spinnkopf zu gelangen.

Die Durchführbarkeit des Faserspinnvorgangs durch das elektro-

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statische Verfahren hängt von der Kraft und der Stabilität des elektrostatischen Feldes sowie von der Verminderung der von der Verdrehvorrichtung in dem Gebiet ihres Endes, an dem die Fasern ankommen, erzeugten Luftturbulenz auf ein Minimum ab.

Gemäß der Erfindung wird das Feld in dem von den Fasern durchquerten Gebiet zwischen der Aufnahmeelektrode und Erde verstärkt, indem es teilweise mit einem dielektrischen Material angefüllt ist, das die Aufnahmeelektrode umgibt. Wenn das dielektrische Material einer Äquipotentialfläche entsprechend angeordnet ist, gibt es keine Spannungsänderungen längs der dielektrischen Oberfläche und deshalb keinerlei Neigung zu Ladungsansammlungen. Diese Ansammlungen sind bestrebt, das Feld zu deformieren, und sie werden von vorübergehender Erscheinungsform, indem sie mit den Änderungen des durch die Feuchtigkeit oder durch Verschmutzung bedingten Oberflächenwiderstands auftreten und verschwinden. Die Luftturbulenz in dem Gebiet des Endes des Verdrehorgans, das die Fasern aufnimmt, erhöht den Verlust, indem sie diese Fasern von der Bahn ablenkt, die für ihre Bewegung vorgesehen ist.

Das dielektrische Material, das nach der Erfindung angeordnet und angepaßt ist, erhöht die Durchführbarkeit des elektrostatischen Verspinnens von Textilfasern, indem es ein Mittel vorsieht, das zur Verstärkung des elektrostatischen Feldes dient und dazu, ihm eine Form zu geben, die die Fasern nach dem Aufnahmeende des Verdrehorgans zu konvergieren läßt, wobei die Form des Feldes durch Verminderung der Ladungsansammlungen in der diesem Aufnahmeende benachbarten Zone auf ein Minimum stabilisiert wird. Ferner begünstigt ein solcher Körper aus dielektrischem Material die Durchführbarkeit dieser Art von Spinnverfahren, indem er in hohem Ausmaß die das Ende des Verdrehorgans, an dem die Fasern ankommen, umgebende Luft-

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turbulenz abschwächt.

Das die Fasern aufnehmende Ende des Spinnkopfes besteht aus einem dielektrischen Werkstoff und ist in der Weise angeordnet, daß es über eine ringförmige und im wesentlichen halbkugelförmige Hochspannungselektrode hinausragt und ein elektrostatisches Feld erzeugt, das im Maximum konvergiert und eine maximale Stärke aufweist. Das Drehröhrchen ist so gelagert, daß es in einem Lagerbock umlaufen kann, an dessen oberem Ende eine dielektrische Kappe befestigt ist. Diese weist eine zentrale öffnung auf, in der das Drehröhrchen umläuft, dessen Füllungsaufnahmeende in der Weise angeordnet ist, daß seine Oberflächen im wesentlichen durchlaufend angrenzend an die sichtbare, dielektrische Oberfläche der Kappe verlaufen. Indem man nur das für den Umlauf des die Fasern aufnehmenden Endes des Drehröhrchens in der Öffnung der Kappe erforderliche Spiel vorsieht, vermindert man die Luftturbulenz in diesem Gebiet auf ein Minimum.

Da die Form der Kappe ferner halbkugelig und der sie bildende Werkstoff dielektrisch ist, verstärkt man das Feld in dem von den Fasern durchquerten Gebiet, wobei die Richtung der Feldvektoren aufrechterhalten wird. Indem den dielektrischen Oberflächen der Kappe eine den Äquipotentialflächen des Feldes entsprechende Form gegeben wird, ergibt sich keinerlei Richtungsänderung für die Vektoren des elektrischen Feldes. Die Verstärkung des Feldes gewährleistet eine verbesserte Steuerung der Fasern ohne Erhöhung der Gesamtspannung. Die Form der Kappe erlaubt den Feldkraftlinien ferner, ihre Oberfläche in senkrechter Richtung zu schneiden, was die Form des Feldes stabil hält, indem hierdurch merklich die Möglichkeit vermindert wird, die Kraftlinien unter Ausbildung von Ladungsarihäufungen divergieren zu lassen, die vorübergehender Natur wären.

Die Hauptaufgabe der Erfindung ist es, eine vervollkommnete

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elektrostatische Spinnmaschine mit starkem und i'ormstabilem Feld anzugeben, in dessen Innerem die Textilfasern ausgerichtet und zu den Organen befördert werden, die sie verdrehen und verspinnen, um sie in einen fortlaufenden Faden umzuformen.

Ein spezielleres Ziel der Erfindung ist es, eine elektrosta~ tische Spinnmaschine zu verwirklichen, die, abgesehen davon, daß sie ein starkes und stabiles Feld aufweist, eine verbesserte Steuerwirkung auf die Fasern ausübt, indem sie die vorübergehenden, auf den Veränderungen des Potentials längs ihrer Oberfläche beruhenden Ladungsansammlungen merklich vermindert und indem sie maximal die Luftturbulenz in der Nähe des die Fa- | sern aufnehmenden Endes des Verdrehorgans verringert.

Diese Aufgaben der Erfindung sowie andere werden klarer aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die einzige Zeichnung hervorgehen, die einen Längsschnitt, zum Teil in schematischer Darstellung, eines Teils einer elektrostatischen Spinnmaschine nach der Erfindung zeigt.

Die dargestellte Spinnmaschine umfaßt gemäß der bevorzugten Ausführungsform eine Zuführeinrichtung 10. Diese Zuführeinrichtung stimmt völlig mit der überein, die unter Bezugnahme auf Fig. 4 in dem Aufsatz "Le developpement du Filage electrostatique" von V.P. Radovitskii et al., Tekst. Prom. (Moskau) 29 ^ No. 10, 36 - 41 (1969), beschrieben ist, sie umfaßt ein mecha-" nisch angetriebenes Zuführrollenpaar 11 und 12, zwischen dem die Fasern im freien Zustand oder als Vorgarnwickel ankommen. Ein Paar Riemen 13 und 14, die über die Antriebsrollen 15 und 16 und die Führungsstangen 17 und 18 sowie über eine Umkehrrolle 18a laufen, werden so geführt und positioniert, daß sie die zwischen ihnen hindurchgehenden Fasern einem Paar Rollen 19 und 20 zuführen, die die Abgabe der Fasern veranlassen.

Die von dem System 10 ausgeübte Zugwirkung ist ausreichend

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■stark, so daß die von den Rollen 19, 20 ausgehende Abgabe in Form eines regelmäßigen Abflusses von Fasern erfolgt. Die Rolle 19 besteht aus einem leitfähigen Werkstoff, wie z.B. einem Metall, und ist, wie angedeutet, geerdet. Die Rolle 20 umfaßt einen zentralen, leitenden Kern 20a, der an Erde liegt, und eine dielektrische Hülse 20b, die, wie dargestellt, in Berührung mit der Rolle 19 umläuft. Unter den Abgaberollen 19 und 20 und in einer gewissen Entfernung von ihnen befindet sich die Einheit des Spinnkopfs 21. Diese Einheit 21 umfaßt einen Körper 22, der normalerweise ortsfest ist, und Endkappen 23 und 23a, die jeweils an dem oberen und unteren Ende des Körpers 22 angebracht sind. Ein Zapfen 24 ist drehbar in dem Körper 22 gelagert und wird darin von fluchtend zueinander angeordneten Wälzlagern 25 getragen, die in axialer Richtung auseinanderliegen und in der zentralen Bohrung 27 des Körpers 22 befestigt sind. Dieser Körper 22 weist eine Öffnung 28 auf, die sich in seitlicher Richtung erstreckt, um Zugang zu dem mittleren, verdickten Teil 29 des Zapfens 24 zu geben, der mittels Reibung durch einen endlosen Riemen 30 angetrieben wird, welcher durch die Öffnung 28 eintritt und ständig von dem Antriebsteil (nicht dargestellt) der Spinnmaschine umlaufend angetrieben wird.

Der Zapfen 24 weist eine axiale Bohrung 31 auf, deren unteres iSnde eine Öffnung 32 für den Austritt des Fadens begrenzt, von wo der (nicht dargestellte) fertige Faden durch Aufnahme- oder Zugrollen 33 und 34 abgezogen wird.

Das obere Ende des Zapfens 24 ist bei 35 mit einer Bohrung versehen, um eine Klemme 36 aufzunehmen, in die die (nicht dargestellten) Fasern gelenkt werden, um durch Verdrehung und Verspinnung in einen Faden umgewandelt zu werden. Die Klemme kann z.B. von der in der US-PS 3 372 537

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beschriebenen Art sein.

Das obere Ende des Zapfens 24 hat eine Verlängerung 37 in Trichterform für den Eintritt der Fasern. Diese aus einem dielektrischen Werkstoff bestehende Verlängerung ist so angeordnet, daß sie im Innern einer zentralen Bohrung 38 umläuft, die die Kappe 23 durchragt.

Die trichterförmige Öffnung 39 der Endverlängerung 37, die die Fasern aufnimmt, mündet in einen zylindrischen Kanal 39a, der in der Achse des Eingangsendes der Klemme 36 liegt und einen im wesentlichen mit dem Durchmesser dieses Eingangs übereinstimmenden Durchmesser aufweist. Das der Klemme 36 anliegende Ende besteht normalerweise aus leitendem Werkstoff, während die Verlängerung 37 aus einem dielektrischen Werkstoff besteht. Ein aus der Klemme 36 austretender Fadenschwanz durchläuft den Kanal 39a, um in der Öffnung 39 anzukommen, wo die von den Rollen 19 und 20 kommenden Fasern gesammelt und dem Faden zugeführt werden, während der Schwanz in dem maximal starken Feld umläuft, wo er aufrechterhalten wird. Der obere Umfangsrand der trichterförmigen Öffnung 39 liegt nahe der in der gleichfalls aus dielektrischem Werkstoff bestehenden Kappe 23 vorgesehenen Bohrung 38, so daß nur ein minimales Spiel zwischen diesen beiden Teilen besteht. Wegen der wechselseitigen Nähe der Teile der Einheit erstreckt sich die Oberfläche der trichterförmigen Öffnung 39 im wesentlichen fortlaufend mit der Außenfläche der Kappe, was beträchtlich die Möglichkeit des Auftretens einer durch den Umlauf des Zapfens 24 verursachten Luftturbulenz ausschaltet.

Die negative, ringförmige Metallelektrode oder Kathode 40 des elektrostatischen Systems ist im Innern des Körpers 22 des Endes des Spinnkopfs 21 fluchtend mit der Achse des Zapfens 24 unter der Kappe 23 befestigt. Diese Elektrode 40 ist über

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eine Leitung 41 mit der Klemme einer elektrostatischen Hochspannungsquelle S verbunden, deren andere Klemme geerdet ist. Die Außenfläche der Elektrode 40 wird von einem Kugelabschnitt gebildet, um ein Feld maximaler Konvergenz und Stärke zu erhalten. Das obere metallische Ende der Klemme 36 bildet wirkungsmäßig die Fortsetzung oder Verlängerung der Elektrode 40, die in ihrer Wirkung eine im wesentlichen halbkugelige Kathode ergibt.

Die Form des elektrostatischen Feldes ist durch gestrichelte Linien 42 dargestellt, wie es sich von der dielektrischen Aussenfläche der Kappe 23 zu den metallischen Teilen der Rollen 19, 20 erstreckt, die die Masse für das elektrostatische Feld bilden. Die Kappe 23 ist ringförmig ausgebildet und koaxial mit dem Zapfen 24 angeordnet und besitzt eine Außenfläche, die ein im wesentlichen mit der Mitte der Kugelfläche der Elektrode 40 konzentrisches Kugelsegment bildet, so daß die sichtbare dielektrische Oberfläche im wesentlichen senkrecht zu den Feldlinien verläuft.

Wie aus der oben erwähnten US-PS 3 411 284 ersichtlich, verwendet das elektrostatische Spinnverfahren ein elektrisches Hochspannungsfeld, um die Fasern in eine Art Drehtrichter zusammenlaufen zu lassen. Die negative Elektrode oder Kathode, die diesen umgibt und in der der Trichter koaxial von Lagern getragen wird, hat vorzugsweise angenähert die Form einer kleinen Halbkugel, wie oben erwähnt, um die maximale Konvergenz und Stärke des Feldes zu erhalten. Der Trichter (Verlängerung 37 des Zapfens) besteht aus einem dielektrischen Werkstoff und überragt notwendigerweise die Kathode 40 in axialer Richtung. Wie bereits erwähnt, ist er umgeben von einer dielektrischen Kappe 23, um die Luftturbulenz zu vermindern. Ein unrichtig konstruierter Mantel, wie z.B. ein die Form einer Schale aufweisender, würde dazu führen, daß das Feld im

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Bereich des Spinnvorgangs divergiert. Die Kappe 23 hat die passende Gestalt, damit sie, je mehr sie die Luftturbulenz vermindert, dazu beiträgt, dem Feld die geeignete Form zu geben.

Indem man die Kappe 23 mit einer dielektrischen Oberfläche versieht, die den Äquipotentialflächen entspricht, ergibt sich keinerlei Richtungsänderung der Vektoren des elektrischen Feldes.

Wie auf der Zeichnung dargestellt, sind die Äquipotentialflächen 43, die sich in unterschiedlichen radialen Abständen von der Halbkugel befinden, die dem Scheitelpunkt der Eingangs-™ öffnung in Form des Verlängerungstrichters 37 des Zapfens entspricht, angenähert solche in Form von konzentrischen Kugeln. Die halbkugelige Kappe 23 ist so ausgebildet, daß ein vernünftiger Kompromiß zwischen der exakt erforderlichen Form, um einer Äquipotentialfläche zu entsprechen, und einer leicht herstellbaren Form zustandekommt. Die Ausbildung der Kappe 23 nach dieser Form ermöglicht zwei zusätzliche Vorteile, Der zweite Vorteil besteht darin, daß die Stärke des Feldes in dem Raum vermehrt wird, der zwischen den Rollen 19 und 20 und der Kathode 40 eingeschlossen ist. Wenn die dielektrische Oberfläche genau einer Äquipotentialfläche entspricht, wächst die Feldstärke gemäß dem Koeffizienten:

> 1

(D

(D
wobei ν der Wert der Äquipotentialfläche vor der Zufügung des Dielektrikums ist, ν die Gesamtpotentialdifferenz zwischen den Elektroden und t die Dielektrizitätskonstante. Die meisten festen Dielektrika haben eine Dielektrizitätskonstante, die

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zwischen 2 und 8 liegt. Für die Abmessungen und Werte der -verwendeten Dielektrika (ε = 3 bis 4) wurde die oben erwähnte Zunahme geschätzt auf nahezu den doppelten Wert. Diese erhöhte Feldstärke ist dem Verfahren günstig. Sie gestattet den Antrieb der Fasern unter einer geringeren Gesamtspannung.

Der dritte Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, daß die Kraftlinien 42 die dielektrische Oberfläche senkrecht schneiden. Wenn diese Kraftlinien unter einem gewissen von 90° abweichenden Winkel ausgehen würden, würde die Kraft des Feldes eine Tangentialkomponente in der dielektrischen Oberfläche aufweisen. Wegen der begrenzten Leitfähigkeit dieser Oberfläche würde dies zu einem Strom führen, der seinerseits an gewissen Stellen der Oberfläche der Kappe Ladungsansammlungen verursachen würde. Diese Ansammlungen wurden eine zusätzliche Verzerrung des Feldes erzeugen. Sie wären von vorübergehender Natur, indem sie mit den Änderungen des Oberflächenwiderstandes infolge der Feuchtigkeit oder der Verschmutzung auftreten und verschwinden würden. Die Kappe 23 läßt dieses Problem nicht Zustandekommen. Solche lokalen und vorübergehenden Ladungsansammlungen entstehen nicht, und deshalb bleibt die Form des Feldes stabil.

Die Wirkungsweise der Spinnmaschine läßt sich dahingehend zusammenfassen, daß die Textilfasern im freien Zustand oder in Form eines Vorgarnwickels in die Zuführvorrichtung gebracht werden. Die Fasern verlassen die Rollen 19 und 20 in einem gleichmäßigen Abfluß, um sofort in das elektrostatische Feld einzudringen, das dahingehend wirksam wird, daß es sie ausrichtet und nach dem Aufnahmeende des Zapfens 24 befördert. Die dielektrische Kappe 23 nimmt erfindungsgemäß eine Form entsprechend den Äquipotentiallinien des elektrostatischen Feldes an und wirkt in der Weise, über die Sicherung der gewünschten Form des Feldes hinausgehend, daß es verstärkt und ·

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stabilisiert wird, wobei so die Steuerung der Fasern wesentlich verbessert wird. Nach ihrem Eintritt durch das Aufnahmeende des Verdrehorgans werden die Fasern von der Klemme aufgenommen, die sie verdreht und verspinnt, um sie in einen fortlaufenden Faden zu überführen.

Die Rollen 33 und 34 ziehen den Faden von dem Zapfen durch die Ausgangsöffnung 32, und dieser Faden wickelt sich auf eine geeignete Spule oder ein sonstiges entsprechendes Teil, das nicht dargestellt ist, auf.

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Claims

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Patentansprüche :

Spinnmaschine zum Verspinnen von Textilfasern nach dem open-end-Verfahren mit einer Zuführvorrichtung und einer Faserverdrehvorrichtung, die so angeordnet ist, daß sie in einem durch einen gewissen Abstand von der Zuführvorrichtung getrennten Gehäuse umlaufen kann, eine Eintrittsöffnung für die Fasern und ein Ausgangsende für den Faden aufweist sowie Zwischenteile, die die Fasern durch Verdrehen und Verspinnen in einen fortlaufenden Faden umwandeln, und mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines elektrostatischen Feldes in dem Zwischenraum zwischen der Zuführvorrichtung und der Verdrehvorrichtung zum Ausrichten und Führen der Fasern sowie zur Ausübung eines Zwanges auf sie, diesen Zwischenraum zu überqueren, gekennzeichnet durch in dem Zwischenraum vorgesehene Mittel (23, 37) zum Konvergierenlassen des elektrostatischen Feldes (42) und zu seiner Verstärkung zwecks Steuerung und Lenkung der Faserbewegung von der Zuführvorrichtung (10) zur Verdrehvorrichtung (24).
2. Spinnmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (38, 39) zum Verringern der vorübergehenden elektrostatischen Ladungs ans ammlungen in dem dem Aufnahmeende (39) der Verdrehvorrichtung (24) benachbarten Bereich auf ein Minimum umfaßt.
3. Spinnmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine ergänzende Einrichtung zum Halten der Fasern auf der Bahn, in der sie zusammenlaufen, durch Verminderung der durch den Umlauf der Verdrehvorrichtung (24) erzeugten Luftturbulenz.
4. Spinnmaschine nach Anspruch 1, dadurch g e -

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kennzeichnet, daß die Einrichtung zum Konvergierenlassen des elektrostatischen Feldes in dem die die Fasern zuführende Vorrichtung (10) von der Verdrehvorrichtung (24) trennenden Zwischenraum zwecks Steuerung und Lenkung der Bewegung der Fasern in diesem Zwischenraum einen Körper (23) aus einem dielektrischen Werkstoff umfaßt.
5. Spinnmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die das elektrostatische Feld erzeugende Einrichtung eine ringförmige, die Verdrehvorrichtung (24) umgebende Elektrode (40) umfaßt, in deren Achse sich der dielektrische Körper (23) befindet, der ringförmig ausgebildet ist und dessen sichtbare Oberfläche, die der Vorrichtung (19, 20),die die durch den Zwischenraum zu befördernden Fasern zuführt, zugewandt ist, eine im wesentlichen der der Äquipotentialflächen (43) des von der ringförmigen Elektrode (40) ausgehenden elektrostatischen Feldes (42) entsprechende Form aufweist, wodurch jede Richtungsänderung der Vektoren des Feldes (42) an der Oberfläche des ringförmigen Körpers (23) vermieden wird.
6. Spinnmaschine nach Anspruch 5, dadurch g e kennzeichnet, daß die Elektrode (40) und der dielektrische Körper (23) im wesentlichen konzentrische Oberflächen in Form von Kugelsegmenten aufweisen, die der Faserzuführvorrichtung (10) zugewandt sind.
7. Spinnmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante des verwendeten Werkstoffs zwischen 2 und 8 liegt.
8. Spinnmaschine nach Anspruch 7» dadurch g e -

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kennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante des verwendeten Werkstoffs zwischen 3 und 4 liegt.

Spinnmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ergänzende Einrichtung zum Halten der Fasern auf der Bahn, in der sie zusammenlaufen, Teile (39, 39a) umfaßt, die die Fasern veranlaßt, sich im wesentlichen in der Achse des dielektrischen Körpers (23) zu bewegen, in dessen Innerem sich die Verdrehvorrichtung (24) dreht, sowie Teile (37, 38), für die praktisch keine Unterbrechung der Geschlossenheit zwischen der Außenfläche dieser Verdrehvorrichtung und der Außenfläche des dielektrischen Körpers (23) besteht.

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