Fokus Ausgabe Nr. 11/12 November/Dezember 2014 Die Fachzeitschrift für die textile Kette im deutschsprachigen Europa Ausgabe 11/12-2014 01
NEUARTIGE ZWANGSAUFTRAGSSYSTEME Für bahnförmige TexTIlIEN Nach heutigem Stand der Textilindustrie kommen unterschiedliche Verfahren zum Auftrag von Flüssigkeitsschichten auf bahnförmigen textilen Substraten zur Anwendung. Im Folgenden wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt, mit einem deutlich verbesserten und kontrollierbaren Zwangsauftragssystem. 1. Stand der Technik Die Imprägnierung, Beschichtung oder Veredelung von Textilien/Technischen Textilien wird heutzutage üblicherweise durch Tauchapplikationen durchgeführt. Häufig kommen Foulards mit vorgeschaltetem Trog und Rakelsysteme zum Einsatz. 1.1. Foulard & Tauchsysteme Bei diesen «selbst dosierenden» Verfahren wird die aufgetragene Schichtdicke vom Beschichtungsprozess selbst bestimmt. Bei der Tauchapplikation beispielsweise hängt die Schichtdicke h im Wesentlichen von der Viskosität µ und der Oberflächenspannung des Fluids sowie von der Prozessgeschwindigkeit U ab. Entgegen des allgemeinen Ziels, Minimalaufträge zu realisieren, führt die Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit physikalisch bedingt zum Herausziehen grosser Fluidmengen aus dem Reservoir. Das unerwünschte, überschüssige Fluid muss im Nachgang durch Abquetschen oder Abrakeln wieder entfernt werden. Dies führt einerseits zu einer negativen Beeinflussung der Homogenität des Schichtauftrags und ausserdem zu einer ungewollten Volumenverdichtung des Ausgangsmaterials. Zurückfliessendes, mit Fasern verunreinigtes Material führt zudem zu einer Kontaminierung und rheologischen Veränderung der Ausgangsflotte und damit physikalisch bedingt zu Qualitätseinbussen bei der Produktion. Die vorhandenen, physikalisch bedingten Nachteile der Foulard- und Tauchsysteme verhindern, dem ständig wachsenden Wettbewerbsdruck mit seinen Anforderungen zur Martin Gillert FMP TECHNOLOGY GMBH Am Weichselgarten 34 91058 Erlangen, Deutschland m.gillert@fmp-technology.com Steigerung der Qualität (Smart Textiles) und Produktivität (Geschwindigkeitserhöhung) bei gleichzeitiger Ressourceneinsparung (verlustfreier Minimalauftrag zur Einsparung von Chemikalien und Trocknungsenergie) gebührend Rechnung tragen zu können. Aus diesem Grund wird eine Abkehr von den traditionellen Auftragssystemen hin zu neuen, effizienten und hochgenauen Zwangsdosierungsverfahren für die Vorbehandlung, Färbung, Imprägnierung, Ausrüstung und Beschichtung von textilen Flächengebilden aber auch Nonwoven erforderlich. 1.1.1. Nachteile der Foulard & Tauchsysteme Je nach Arbeitsbreite sind Flottenreste von 15 bis 70 Litern üblich und können, aufgrund der vom Textil abgelösten chemischen Stoffe (bspw. Farben), für nachfolgende Aufträge nicht mehr gebraucht werden Durch nachträgliches Abquetschen soll der Foulard die unerwünschten Schichtüberhöhungen des Tauchverfahrens egalisieren. Produktions- U w geschwindigkeit U w Schichtdicke h h h h g Gravitation Viskosität (µ) Dichte (p) Oberflächenspannung (o) µ, p, o 22 Ausgabe 11/12-2014
Prinzipskizze Physik. Zusammenhang Prinzip des Rakelsystem und physikalische Einflussfaktoren. Zu dick aufgetragene Schichten müssen energieintensiv getrocknet werden Systembedingt können nur Feststoffgehalte von 10 13 % verarbeitet werden. Damit sind hohe Energieaufwendungen für die Trocknung des grossen Wasser- oder Lösemittelanteils erforderlich Eine vollständige Benetzung des Textils ist nicht bei jeder Anwendung gewünscht, beispielsweise um einseitige Oberflächeneffekte zu realisieren Physikalisch bedingter Widerspruch zwischen einem Minimalauftrag und der Steigerung von Geschwindigkeiten. Minimalauftrag. Überschüssiges Fluid muss durch Abquetschen oder Abrakeln entfernt werden. Dies führt zu einer negativen Schichthomogenität und einer ungewollten Volumenverdichtung des Ausgangsmaterials Vorlagemenge ist nicht exakt bestimmbar, Restmengen müssen teuer entsorgt werden 1.2. Rakelsysteme Das Rakel- oder Bladeverfahren ist in der Industrie gleichfalls ein weit verbreitetes Verfahren. Beim Rakelverfahren entsteht die Übertragsmenge durch einen Spalt zwischen der textilen Warenbahn und der Rakelklinge. Um mit dem Rakelverfahren gleichbleibende Produktqualitäten zu erreichen, sind jedoch die Kontrolle und das Nachjustieren des Prozesses unabdingbar. Denn textile Substrate und Nonwoven besitzen eine poröse und inhomogene Oberfläche. Dies führt insbesondere dazu, dass sich der Abstand zwischen der Unterseite des Rakelmessers und der Substratoberfläche ständig in Quer- und Längsrichtung ändert. Die Variation des Abstandes d R führt jedoch zu einer oftmals ungewollten, physikalisch bedingten Änderung der resultierenden, aufgetragenen Flottenmenge h. Gleichfalls hat die Flottenviskosität µ einen weiteren, wesentlichen Einfluss auf die übertragene Flottenmenge h. Gerade bei offenen Rakelsystemen, bei denen Viskositätsänderungen durch das Austreten von Wasser oder Lösemittel in die Atmosphäre auftreten, kommt es im Verlaufe der Produktionsdauer zu einer veränderten Flotten-Übertragsmenge. Weitere bestimmende Faktoren sind die Produktionsgeschwindigkeit, die Genauigkeit der Flottenfüllstandshöhe vor dem Rakel sowie die Rakelbreite. 1.2.1. Nachteile der Rakelsysteme Übertragene Flottengenauigkeit ist abhängig von diversen, kontrollierbaren Parametern. Die Einflussgrösse d R (Abstand Rakel/Textil) bedingt in der 3. Potenz Genauigkeitsvariationen aufgrund der Inhomogenität der textilen Warenbahn bzw. Nonwovens Bei offenen Rakelsystemen besteht die Gefahr der Viskositätsänderung mit Auswirkungen auf die Flottengleichverteilung Trotz dieser doch erheblichen Nachteile der herkömmlichen Auftragsverfahren werden die Rakelsystem, die Tauchapplikation und das Foulard-Verfahren noch immer in der Textilbranche angewandt. Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Produktivität, an die Einsparung von Ressourcen sowie die Genauigkeit der Flottenübertragung (Smart Textiles) stossen diese herkömmlichen Verfahren an Ihre Grenzen. Neue zwangsdosierte Applikationstechniken, wie beispielsweise die neuartigen Breitschlitzdüsenverfahren, werden notwendig. 2. Innovation: zwangsdosierte Auftragssysteme Innovationen sind darauf ausgerichtet, die Leistungsfähigkeit von etablierten Produkten oder Prozessen in etablierten Märkten zu steigern. Die nachfolgend vorgestellte Technolo- Auftragssystem mit doppelseitig angeordneter FMP-Breitschlitzdüse für vertikale Bahnführung (Breite: 2,250 mm, einund zweiseitiger Betrieb unabhängig voneinander möglich). Ausgabe 11/12-2014 23
Ein- und doppelseitige Ausrüstung von textilen Substanzen. Die aufgetragene Flottenmenge ist hierbei unabhängig von der Viskosität und kann stufenlos bis zu Geschwindigkeiten von 600 m/min variiert werden. gie wird dabei zukünftig im Bereich der Textilbeschichtung, -veredlung, -ausrüstung und -imprägnierung eine wesentliche Rolle spielen. Die FMP Technology GmbH hat das bereits in anderen Industriebereichen, wie Papier-, Folien- und Metallbeschichtung, angewandte Auftragsverfahren mittels Breitschlitzdüse auf die textile Wertschöpfungskette übertragen und konnte bereits mehrere Textilproduzenten und Institute von den Vorteilen der Systeme überzeugen. Im Falle der flächigen Textil- und Vliesstoffherstellung erfolgt die ressourceneinsparende und verlustfreie Fluidübertragung mit einer oder zwei gegenüberliegend positionierten Breitschlitzdüsen. In beliebiger horizontaler oder vertikaler Richtung wird hierbei das Textil, Gewebe oder Nonwoven unter einer Düse oder zwischen den beiden Düsen mit Geschwindigkeiten von 0 bis mehreren hundert m/ min bewegt. Mittels der FMP Breitschlitzdüsen ist es möglich Flüssigkeiten in perfekter Oberflächenqualität exakt vorbzw. zwangsdosiert auf das gewünschte Substrat aufzutragen. Im Gegensatz zum Foulardieren, Flatschen, Tauchen oder Quetschprozessen ist es nach dem Fluidauftrag nicht notwendig, überschüssige Mengen abzutragen, da die dosierte Menge exakt von vornherein bestimmt werden kann. 2.1. Prozesstechnische Vorteile Hochgenaue Fluiddosierung der aufzutragenden Appretur bis ±1 % Montage FMP-Breitschlitzdüse mit der Arbeitsbreite 2.750 mm. Herstellung perfekter, homogener Oberflächen Kein umständliches, späteres Abtragen überschüssiger Materialien Verarbeitung von nieder- bis hochviskosen Fluiden bei gleichbleibender Querverteilungsgenauigkeit (1 100 000 mpas) Ein- oder doppelseitige Applikation möglich, je nach Anwendungsfall 2.2. Wirtschaftliche Vorteile Realisierung von Minimalauftragswerten Einsparung an Trocknungsenergie durch: Stufenlose Realisierung von Minimalauftragswerten bis hin zu sehr hohen Flächengewichten gleichmässigere und minimale Fluidübertragung durch Erhöhung der Feststoffanteile in der Flotte Eliminierung von Restflotten, exakte Kalkulation der Ansatzflotte Amortisation innerhalb weniger Monate dank Einsparung der Ressourcen (Flotten, Entsorgung, Trocknung) Aufgrund der zahlreichen technologischen und wirtschaftlichen Vorteilen gehen führende Institute und Unternehmen im Bereich der Textilproduktion (Ausrüsten, Färben, Beschichten, etc.) mittelfristig von einem Paradigmenwechsel hin zur neuen Breitschlitzdüsen-Applikation aus, die bereits in anderen Industriebrachen (Papier, Folie, gedruckte Elektronik, Li- Ion-Produktion, etc.) seit Jahrzehnten als state of the art gilt. Die fehlerfreie und ressourcensparende Veredelung, Färbung und Herstellung von bahnförmigen Textilien, Flechtmaterialien, Nonwoven sowie von Fäden, Garnen und Multifilamenten erfordern jedoch nicht nur verlässlich arbeitende und leicht bedienbare Breitschlitzdüsen-Auftragswerkzeuge, sondern stellen darüber hinaus auch Anforderungen an die eingesetzten Fördersysteme und die Integration der Breitschlitzdüsen in bestehende Anlagen zwecks Modernisierung. In jahrelangen F&E-Arbeiten könnten die zwangsdosierten Auftragsprozesse so weit optimiert werden, dass diese mitt- 24 Ausgabe 11/12-2014
Doppelseitige Textilausrüstung mit vertikalem Bahnlauf im FMP-Technikum. Prinzipieller Aufbau der Breitschlitzdüsen-Applikation für einseitigen Flottenübertrag. lerweile in zahlreichen, unterschiedlichen Bereichen der Textil- und Nonwoven-Industrie ihren Einsatz finden. 3. Physikalisches Wirkprinzip 3.1. Stand der Technik In der heutigen Textilindustrie finden unterschiedlichste Verfahren Anwendung, um dünne Flüssigkeitsschichten auf bahnförmige Substrate oder Stückgüter aufzutragen. Die selbstdosierenden Verfahren (Rollen-, Rakel-, Tauch-, Foulard, Quetsch-, Schlicht- und Schwammverfahren) sind dadurch charakterisiert, dass die erreichte Nassfilm-Auftragsmenge durch das spezifische Verfahren bestimmt wird und nicht durch die Bestimmung des Massenstroms festgelegt werden kann. Die übertragene Flotte auf dem Substrat stellt sich relativ unkontrolliert ein und ist stark von den Fluideigenschaften, dem gewählten Verfahren und seinen frei wählbaren Parametern und der Produktionsgeschwindigkeit abhängig. Für einige Substrate, vor allem für solche mit Funktionsschichten Stichwort Smart Textiles, ist aber gerade die Genauigkeit der aufzutragenden Flotte von essentieller Bedeutung. Unkontrollierbare Schichtmengenvariationen, bedingt durch Änderungen der Produk tions bedingungen oder durch Änderungen der Fluid -eigenschaften, sind hierbei für eine Vielzahl von Applikationen nicht vertretbar. 3.2. Zwangsdosierung 3.2.1. Breitschlitzdüsen-Applikation Dies ist der Grund für den Einsatz so genannter vor- bzw. zwangsdosierter FMP-Breitschlitzdüsen (Breitschlitzdüsen) bei denen die angestrebte Nassfilmauftragsmenge durch den gemessenen Massenstrom und die bekannte Substratgeschwindigkeit (U w, Webvelocity) bestimmt ist: m = pu w h Für vordosierte Applikationen können die geforderten Querverteilungsgenauigkeiten von bis zu ±1 % mit FMP-Breitschlitzdüsen für einen Viskositätsbereich von 1 mpas bis 100 000 mpas sowie eine Flottenmenge von 1 gr/qm bis zu mehreren hundert Gramm garantiert eingehalten werden. Dies bedeutet, dass selbst bei Reynoldszahl-Variationen von 10 4 keine Änderungen der Querverteilungsgenauigkeit der aufgetragenen Flotte zu erwarten sind. Re = m µ Um für alle Re-Zahlen gute Querverteilungsgenauigkeiten bereitzustellen, führte die FMP TECHNOLOGY GMBH Entwicklungen durch, die in patentierten FMP-Breitschlitzdüsen resultierten, welche keinen Einfluss der Fluid-Viskosität auf die Genauigkeit der Querverteilung mehr aufweisen. Eine ähnlich grosse Bandbreite an Mas sen strom-variationen Brachen der textilverarbeitenden Industrie, in welchen die neuen Breit- bzw. Ringschlitzdüsen-Auftragswerke bereits erfolgreich zur Anwendung gebracht wurden. Insbesondere bei funktionellen Ausrüstungen spielen die neuartigen Zwangsdosierungs- Auftragswerke ihre Stärken aus. Ausgabe 11/12-2014 25
Links: Qualitätskontrolle der Gleichverteilung vor Auslieferung einer FMP-Beschichtungsdüse. Rechts: Patentierter FMP- Diffusor für massenstrom- und viskositätsunabhängige Gleichverteilung der aufzutragenden Flotte. kann gleichfalls zugelassen werden, ohne dass eine negative Beeinträchtigung der Nassfilm-Querverteilung auftritt. Die Vorteile der viskositäts- und massenstromunabhängigen Zwangsdosierung sind im Wesentlichen: Beschichtung unterschiedlicher, viskoser Fluide und unterschiedlicher Massenströme (Nassfilmdicken) ohne Qualitätsverlust mit nur einer Breitschlitzdüse möglich («ONE FOR ALL»). Vermeidung von Fluid-Agglomerationen innerhalb der FMP-Breitschlitzdüsen, da keine «Totecken» bzw. Rezirkulationsgebiete vorhanden sind. Die laminare Strömung innerhalb der Düse ist gerade für den Einsatz pigmentierter Flotten oder Mehrkompenentensysteme ideal geeignet. Kleine Produktions-Losgrössen mit unterschiedlichen, häufig wechselnden Flotten oder Auftragsgewichten können in gleichbleibender, vordefinierter Querverteilungsqualität (bis zu ±1 %) realisiert werden. Stufenlose Breitenverstellung Beheizbarkeit bis 300 Grad C möglich. 26 Ausgabe 11/12-2014