12/07/2016 – Autoren: S. Schriever, T. Schlüter, L. Debicki, G. Seide, T. Gries

Chemiefaserentwicklung am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

Die modernen Spinntechnika am Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen ermöglichen die Entwicklung und Produktion von neuen Filamenten und Garnen aus Standardmaterialien sowie hochinnovativen neuen Materialien für unterschiedlichste Anwendungen.

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Die Anwendungsgebiete der Fasern reichen von Bekleidungstextilien über technischen Textilen, hin zu Hochleistungs-Textilien und Verbünden für die Bereiche Leichtbau oder smarte Filamente in medizinischen Anwendungen. Neben der Grundlagenforschung in öffentlich geförderten Projekten, werden das Schmelzspinn- und das Nassspinntechnikum des ITA auch für nicht öffentliche Forschungs- und Entwicklungsprojekte sowie kleine Produktionsaufträge (< 1 t) mit Industriepartnern verwendet.

Schmelzspinnen

Der Bereich Schmelzspinnen kann in die drei Teile Materialvorbereitung, die Filamentherstellung und Garnveredelung unterteilt werden.

Die Materialvorbereitung ist ein unverzichtbarer Schritt für die Entwicklung von neuen Filamenten und umfasst die Aufbereitung der Spinnpolymere (z.B. durch Additiveren), die Trocknung der Spinnpolymere sowie die Charakterisierung des Spinnpolymers (z.B. durch rheologische, thermische & chemische Untersuchungen). Für diese Aufgaben sind hochspezialisierte Anlagen und Messgeräte am ITA vorhanden.

Für die Aufbereitung von Polymeren wird ein modular aufgebauter Doppelschneckenextruder mit variablen Entgasungs- und Dosiereinheiten verwendet. Dieser eignet sich speziell zur Einbringung und Homogenisierung von festen, flüssigen oder pulverförmigen Additiven. Nach der Herstellung von modifizierten Materialien können diese direkt mit Hilfe von DSC, DMA, WAXD oder rheologischen Messungen charakterisiert werden. Weiterhin existiert zur Bewertung der Eignung von Polymeren für das Schmelzspinnverfahren eine spezialisierte Extrusionslinie zur Bestimmung von Filterstandzeiten in Spinndüsen. Neben der Modifizierung und Analyse des Ausgangsmaterials sind Materialtrockner (Vakuumtrockner & Warmlufttrockner) in verschiedenen Maßstäben vorhanden.

Die Filamentherstellung mittels Schmelzspinnverfahren ist eines der Kerngeschäfte der Chemiefasertechnik am ITA und sowohl im Labormaßstab mit wenigen Gramm Polymer als auch im semi-industriellen Maßstab (200 kg pro Tag) möglich. Neben Standardprozessen für technisches Garn oder POY, ist zusätzlich die Herstellung von Spezialfasern möglich. Dies umfasst Bikomponentenfasern und Profilfasern sowie Fasern aus Hochtemperaturpolymeren und korrosiven Polymeren.

Im Frühstadium der Entwicklung von Filamenten aus neuen Polymeren bietet sich für eine Entwicklung ein Mikroextruder an, der Batches von 10 g verarbeitet. Auf dieser Maschine können ohne hohen Aufwand verschiedene Materialgrades auf ihre Spinnbarkeit hin überprüft werden. Für Pilotversuche stehen zwei kleine Spinnanlagen zur Verfügung, von denen eine auch zur Herstellung von Bikompontenfasern geeignet ist. Eine aussagekräftige Bewertung der Filamenteigenschaften ist schon in diesem Maßstab möglich. Die beiden zweifädigen semi-industriellen Schmelzspinnanlagen runden das Maschinenportfolio ab und ermöglichen die Abbildung von Spinnprozessen im Industriemaßstab. Eine Herstellung von Bikomponentenfasern sowie die Verarbeitung von Spezialpolymeren sind durchführbar.

Werden Endlosfilamente ausgesponnen und verstreckt, neigen sie dazu parallel und gleichmäßig nebeneinander vorzuliegen. Die Oberfläche ist glatt im Vergleich zu der weniger gleichmäßigen und haarigen Oberfläche von Stapelfasergarnen. Für viele Anwendungen sind stapelfasereigene Eigenschaften, bei Erhaltung der Filamentstetigkeit, erwünscht. Durch eine Texturierung wird deshalb Filamentgarnen eine Struktur aufgeprägt, durch die Garneigenschaften wie Volumen, Elastizität und Porosität angepasst werden können. Sie zählt als einer der wichtigsten Garnveredlungsschritte für Filamentgarn.

Das ITA hat die Möglichkeit an zwei Anlagen eine Texturierung von Filamentgarnen durchzuführen. Zum einen an einer Stauchkammer, welche sich insbesondere für das Krimpen von technischem Garn eines hohen Titers eignet zum anderen an einer AFK 2 Einheit der Oerlikon Barmag zur Kräuselung von textilem Garn. Neben Standartmaterialien wie PP, PA und PET werden am ITA auch Werkstoffe PVDF und PLA texturiert. In besonderem Maße ist eine Verarbeitung geringer Mengen oder Prozessentwicklung für ungewöhnliche Garne am ITA möglich.

Neben der Texturierung gibt es die Möglichkeit die Festigkeit von nicht vollverstreckten Garnen an einem Streckspulstand zu erhöhen und Schrumpfeigenschaften einzustellen. An diesem modular aufgebauten Spulstand ist darüber hinaus eine Fachung von Garnen zur Vervielfachung des Titers durchführbar.

Lösungsmittelspinnen

Hochmodul- und Hochleistungsfasern, wie Aramid-, Carbon oder UHMW-Polyethylen Fasern (Dyneema®), werden meist mit Lösungsmittel-Spinntechnologien hergestellt. Diese gliedern sich maßgeblich in vier Teilprozessschritte: die Spinnlösungsherstellung, die Koagulation (Fadenbildung), das Verstrecken und Waschen. Dem ITA steht das „Center für High Performance Fiber Materials“ kurz CFM als Nassspinntechnikum zur Verfügung. Neue Innovationen im Bereich lösungsmittelgesponnener Fasermaterialien können hier von der Idee bis ins marktreife Produkt gebracht werden.

Die Filamentherstellung mittels Lösungsmittel-Spinntechnologie ist neben der Schmelzspinntechnologie die dominierende Technologie der Chemiefasertechnik am ITA. Für die Entwicklung neuer Faserinnovationen stehen Lösungsmittelspinnanlagen in verschiedenen Größenskalen und für jeden Entwicklungsstatus einer Innovation zur Verfügung. Zu Anfang einer Neuentwicklung können zwei unterschiedliche Laboranlagen eingesetzt werden. Zum einen eine Extrusionsanlage, mit deren Hilfe erste Tests zum Koagulationsverhalten eines Polymers bzw. einer Spinnlösung durchgeführt werden. Diese Anlage ist für Batches von wenigen Gramm Polymer (min. ~ 3 g bzw. 20-100 ml Spinnlösung) geeignet. Zum anderen eine Nassspinnanlage, welche aus vier Waschbädern und einem beheizten Verstreckbad besteht.An dieser Anlage können Batches von mindestens 3 g Polymer bzw. 20-500 ml Spinnlösung zum Einsatz kommen.

Für das Up-Scaling in den technischen und semi-industriellen Maßstab stehen am ITA zwei Anlagen zur Verfügung, die eine genaue Einstellung und Überwachung von Prozessparameter bieten und so eine flexible Entwicklung neuer Fasermaterialein ermöglichen. An allen vorgestellten Anlagen besteht neben dem klassischen Nassspinnverfahren auch die Möglichkeit das sogenannte Air-Gap bzw. Dry-Jet Spinnverfahren durchzuführen. In aktuellen Projekten werden diese Anlagen zur Entwicklung von Nanocomposit-Fasern, Crabonfaser-Precursoren, Recyclingfasern (Acryl) und anderen innovativen Produkten und Prozessen genutzt.

Fazit

Das ITA ist hinsichtlich der Entwicklung von Filamentgarnen anlagentechnisch sehr breit aufgestellt. Insbesondere in den Bereichen Schmelzspinnen und Lösungsmittelspinnen. Dies eröffnet die Möglichkeit einer effizienten und flexiblen Erforschung neuer Werkstoffe für den textilen Einsatz ebenso wie eine Kleinmengenproduktion mit anschließender Analyse der Garneigenschaften.