Die Bestimmung des Wasserrückhaltevermögens (bzw. des Quellwertes) von Fasern

39 Pages·1958·2.135 MB·German

by  Privatdozent Dr. habil. Johannes Juilfs (auth.)

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Herausgegeben von Staatssekretär Prof. Dr. h. c. Leo Brandt
Nr. 499
Privatdozent Dr. habil. Johannes Juilfs
Textilforschungsanstalt Krefeld
Die Bestimmung des Wasserrückhaltevermögens
(bzw. des Quellwertes) von Fasern
Als Manuskript gedruckt
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
ISBN 978-3-663-03418-6 ISBN 978-3-663-04607-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04607-3
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e der u n g
I. Einleitung 5
• S.
11. Fragestellung • 5
• S.
111. Die Apparatur. 6
• S.
IV. Die Messungen • • S. 6
V. Die Meßergebnisse • • S. 1
1. Allgemeine Bemerkungen. • S. 7
2. Abhängigkeit von der Tourenzahl • S. 1
3. Abhängigkeit von der Schleuderzeit • • S. 8
4. Abhängigkeit von der Quellzeit • • S. 8
5. Abhängigkeit von der Konzentration des
Netzmittels • S. 8
6. Einfluß der Temperatur • • S. 9
1. Einfluß des Barometerstandes • 9
• S.
8. Abhängigkeit von der relativen Feuchte
der Umgebungsluft 9
• S.
9. Abhängigkeit von der Einlagerung im
Schleudergefäß • S. 10
VI. Anwendungen • • S. 11
1. Quellwert nach verschiedenen Trocknungen • • S. 11
2. Beziehungen zwischen Quellwert und Struktur
der Faser • • S • 11
VII. Zusammenfassung. • S. 12
Anhang •• • • S. 21
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
I. Einleitung
Die Textilindustrie ist in immer stärkerem Maße an geeigneten Meß- und
Prüfverfahren interessiert, mit denen sie die Eigenschaften der Ausgangs
stoffe, Zwischen- und Endprodukte kontrollieren kann. Zu den wesentlich
sten Kennwerten vor allem für die Chemiefasern gehört seit den letzten
Jahren das Wasserrückhaltevermögen (bzw. der Quellwert). Die Bedeutung
für die Praxis ist bekannt, und man ist bestrebt, das Wasserrückhalte
vermögen möglichst genau und reproduzierbar in möglichst kurzer Zeit be
stimmen zu können.
Zur Bestimmung des Wasserrückhaltevermögens wurde ein vereinfachtes Ver
fahren ausgearbeitet, das seinen Niederschlag in der FaChemFa-Vorschrift 1)
gefunden hat. Bekanntlich werden nach diesem Verfahren Faserpröbchen in
Schleudergefäße eingefüllt, die mit Hilfe einer Zentrifuge herumge
schleudert werden. Das zunächst mit einem Überschuß von Quellflüssig-
keit versehene Fasergut hält nach dem Schleudern das Quellwasser und ge
ringe Mengen des Kapillar- und Adhäsionswassers zurück. Wiegt man die Pro
be nach dem Schleudern und anschließend nach scharfem Austrocknen, so er
gibt der Gewichtsverlust das Wasserrückhaltevermögen:
Naßgewicht - Trockengewicht
%.
Wasserrückhaltevermögen (Q) • 100
Trockengewicht
In den Jahren wurde diese Größe häufig schlechtweg als Quell
frühe~en
wert bezeichnet. Da aber bei der Schleudermethode auch noch das Kapillar
und Adhäsionswasser festgehalten werden, spricht man heute richtiger von
Wasserrückhaltevermögen.
11. Fragestellung
Die Prüfbedingungen für die Bestimmung des Wasserrückhaltevermögens von
Textilfasern und -fäden nach dem Schleuderverfahren wurden von ZART 2)
mitgeteilt. Nach dieser Methode wird in den Laboratorien das Wasserrück
haltevermögen laufend bestimmt. Einige Vereinfachungen vor allem hinsicht-
1. Mell. Text. Ber. 34 (1953) S. 849
2. S.R. Mell. Text. Ber. 21 (1950) s. 94
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Forschungsberichte des'Wirtschafts- und VerkehrsIDinisteriuIDs Nordrhein-Westfalen
lich der Probenvorbereitung gewährleisten im allgemeinen nicht die siche
ren Werte, die man für Vergleichsmessungen verlangen muß.
Um den Einfluß der verschiedenen Faktoren, welche die Größe des Wasser
rückhaltevermögens bestimmen, feststellen zu können, wurden systematische
Untersuchungen durchgeführt, deren Ergebnis im folgenden mitgeteilt wer
den soll. Es wird sich zeigen, daß das Wasserrückhaltevermögen keineswegs
eine konstante Zahl ist, daß vielmehr die Größe des Wasserrückhaltever
mögens ganz wesentlich von den Versuchsfaktoren abhängig ist.- Schließ
lich soll besprochen werden, in welcher Weise das Wasserrückhaltevermö
gen mit anderen Kennwerten in Beziehung zu setzen ist.
111. Die Apparatur
Alle besprochenen Messungen wurden mit einer "Universal"-Zentrifuge durch
geführt, deren Tourenzahl bis über 2500 Touren kontinuierlich regelbar
ist. Die Zentrifuge besitzt eine Halterung für 4 Schleudergefäße, wobei
die Hülsen für die Schleudergefäße beim Rotieren infolge der Schleuder
wirkung in horizontale Lage kommen. Die Schleudergefäße sind gemäß der
in der FaChemFa-Vorschrift angegebenen Konstruktion aus Glas hergestellt.
IV. Die Messungen
Die bisher veröffentlichten Arbeiten über die Bestimmung des Wasserrück
haltevermögens ließen bereits erkennen 3), daß die Dauer des Einlegens
der Probe in die Quellflüssigkeit, die Schleuderzeit, die Tourenzahl der
Zentrifuge und schließlich auch die Einlagerung der Probe im Schleuder
gefäß die Größe des Wasserrückhaltevermögens beeinflußten. Darüber hin
aus konnte aus den Untersuchungen über die Trocknung und das hygroskopi
sche Gleichgewicht vermutet werden 4) 5), daß auch die Konzentration des
der Quellflüssigkeit beigegebenen Netzmittels einen nicht unerheblichen
Einfluß ausüben würde und daß wesentlich war, in welcher relativen
Feuchte der Umgebungs luft die Probe sich vor dem Quellen befand.- Die
durchgeführten Messungen beziehen sich auf alle genannten Faktoren.
3. insbesondere E. WAGNER, Mell. Text. Ber. ~ (1945) S.15 und 35
4. J. JUILFS, WiSSe Rdschrb. TFA Krefeld Nr. 18 (1953) und Nr. 34 (1956)
5. J. JUILFS, Mell. Text. Ber. ~ (1957) S. 88
Sei te 6
Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Als Versuchsmaterial wurden, um eine möglichst breite Basis zu erhalten,
Baumwolle, Viskose, Azetat und Perlon herangezogen. Es stand zu erwar
ten, daß infolge der unterschiedlichen Faserstruktur auch das Wasserrück
haltevermögen in unterschiedlicher Weise von den verschiedenen Faktoren
abhängt.
v.
Die Meßergebnisse
1. Allgemeine Bemerkungen
pie Meßergebnisse für das Wasserrückhaltevermögen sind in den nachfolgen
den Tabellen und Darstellungen wiedergegeben. Sie sollen nunmehr der Rei
he nach in ihren Grundzügen besprochen werden.- Ganz allgemein werden wir
erkennen, daß bei der Bestimmung des Wasserrückhaltevermögens sehr streng
auf reproduzierbare Prüfbedingungen zu achten ist. Es wird Sache der zu
ständigen Normenausschüsse sein, die Folgerungen für die Normbedingungen
zu ziehen.
Die Messungen können sich, wie in der Einleitung gesagt, natürlich nur
auf das Wasserrückhaltevermögen beziehen. Selbstverständlich interessiert
für das Fasergefüge nicht so sehr das Wasserrückhaltevermögen als der
Quellwert. Bei den Anwendungen wird man auch, da die Anteile des Kapillar
und Adhäsionswassers nur äußerst schwierig getrennt zu erfassen sind,
den Quellwert im wesentlichen als durch das Wasserrückhaltevermögen ge
geben hinnehmen müssen.-
Wenn keine besonderen Angaben gemacht sind, beziehen sich die Meßergeb
nisse stets auf die in der FaChemFa-Vorschrift angegebenen Prüfbedingun
gen und ein vorheriges Auslegen der Probe im Normklima.
2. Abhängigkeit von der Tourenzahl
Für alle untersuchten Materialien zeigt sich eine Abhängigkeit des Wasser
rückhaltevermögens von der Tourenzahl der Zentrifuge dergestalt, daß mit
zunehmender Tourenzahl, d.h. also mit zunehmender Schwerebeschleunigung,
das Wasserrückhaltevermögen geringer gefunden wird (Tab. 1 und Abb. 1).
Ein Grenzwert wird erst bei mindestens rund 2000 Touren, entsprechend
400 g (g = Erdbeschleunigung), erreicht. Dieser an sich bekannte Effekt
erklärt sich leicht daraus, daß mit höherer Tourenzahl, also mit höherer
Schwerebeschleunigung, das anhaftende Wasser immer mehr abgeschleudert
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wird. Schließlich befinden sich im Fasergefüge nur noch jene Mengen Kapil
lar- und Adhäsionswasser (neben dem eigentlichen Quellwasser, welches in
der Faser zurückgehalten wird), welche erst bei sehr viel höherer Touren
zahl, und dann nur in geringem Maß, weiter entfernt werden können. Mit gu
ter Berechtigung kann man also oberhalb von etwa 500 g arbeiten. Die
FaChemFa-Vorschrift gibt 800 g an und liegt damit sicherlich im praktisch
konstanten Bereich.- Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß bei sehr
dicken Einzelfasern oder gar bei Zellstoff zweckmäßigerweise noch höhere
g-Zahlen gewählt werden.
3. Abhängigkeit von der Schleuderzeit
Wie zu erwarten, ist eine Abhängigkeit des Wasserrückhaltevermögens von
der Schleuderzeit für die untersuchten Materialien festgestellt worden
(Tab. 2 und Abb. 2). Zweifellos wird mit höherer Schleuderzeit eine grö
ßere Wassermenge abgeschleudert werden. Man muß aber, worauf insbesondere
auch WAGNER 3) hingewiesen hat, bedenken, daß bei längeren Schleuderzei
ten Verdunstungserscheinungen auftreten, die in keiner Weise mehr kon
trolliert werden können. Man wird sich daher auf eine bestimmte, nicht
zu hohe Schleuderzeit (die FaChemFa-Vorschrift gibt 10 Min an) einigen
müssen.
4. Abhängigkeit von der Quellzeit
Nicht immer beachtet wurde bei Bestimmungen des Wasserrückhaltevermögens
die Abhängigkeit von der Quellzeit. Aus theoretischen Gründen, die hier
nicht diskutiert werden sollen, stand zu erwarten, daß die Abhängigkeit
des Wasserrückhaltevermögens von der Quellzeit nicht unerheblich sein
sollte. Als Beispiel sind die Messungen für Quellzeiten bis zu 2 Stunden
aufgeführt worden (Tab. 3 und Abb. 3). Bei längeren Quellzeiten nimmt das
Wasserrückhaltevermögen nur in sehr viel geringerem Maße noch zu. Für Baum
wolle und Viskose wird eine Erhöhung des Wasserrückhaltevermögens für
%
Quellzeiten von 20 Stunden gegenüber 2 Stunden um maximal 2 eintreten.
5. Abhängigkeit von der Konzentration des Netzmittels
Die FaChemFa-Vorschrift schreibt für die Bestimmung des Wasserrückhalte
vermögens vor, daß die Quellflüssigkeit einen Zusatz von 1 g Netzmittel
pro Liter enthalten soll. Insbesondere bei den Bestimmungen des Wasser
rückhaltevermögens für Baumwolle wurde eine starke Streuung festgestellt,
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wenn die Konzentration des Netzmittels nicht sauber konstant gehalten
wurde. Die Meßergebnisse zeigen, daß in der Tat für Baumwolle und Vis
kose eine größere Abhängigkeit vom Netzmittel besteht, während für Azetat
und Perlon praktisch keine Abhängigkeit für Konzentrationen oberhalb
1 g/l nachzuweisen ist (Tab. 4 und Abb. 4).
6. Einfluß der Temperatur
Einen Einfluß der Temperatur auf die Größe des Wasserrückhaltevermögens
konnte bei den durchgeführten Versuchen nicht festgestellt werden. Zum
Vergleich mag hier auf die Bestimmung des Wasserrückhaltevermögens von
Zellstoffen von JAYME 6) und Mitarbeitern hingewiesen werden, die eben
falls den Einfluß der Temperatur als vernachlässigbar bezeichnen.
7. Einfluß des Barometerstandes
Bei den Bestimmungen der Faserdichte nach der Schwebemethode, bei welcher
die Faser in einer Tauchflüssigkeit im Gleichgewicht zum Schweben gebracht
wird, stellt man, wie unsere Untersuchungen zeigten, eine geringe Abhän
gigkeit vom Barometerstand fest. Offenbar ist das Eindringvermögen der
Flüssigkeit in das Fasergefüge abhängig vom äußeren Luftdruck, was theo
retisch durchaus zu erwarten steht. Wenngleich der gefundene Effekt für
Tetrachlorkohlenstoff gering war, so wollten wir doch nachprüfen, ob
etwa das Eindringvermögen von Wasser die Größe des Wasserrückhaltever
mögens in der Faser beeinflussen kann. 'Unsere Untersuchungen ergaben ein
deutig, daß praktisch mit einer Abhängigkeit vom Barometerstand nicht zu
rechnen ist.
8. Abhängigkeit von der relativen Feuchte der Umgebungsluft
Nach den Untersuchungen von MATTHES 7) und Mitarbeitern sowie auf Grund
der A~beiten der Textilforschungsanstalt Krefeld 4) 5) 8) weiß man, daß
der Vorgang der Trockenquellung und der Vorgang der Naßquellung, d.h.
also die Aufnahme von Wasser durch die Faser in Dampfform aus der Luft
6. T. HÖPNER, G. JAYME, J.C. ULRICH, Das Papier 9 (1955) S. 476
7. E. HUBERT, A. MATTHES, K. WEISBROD, Koll. ZS.--~ (1942) S. 173;
A. MATTHES, Koll. ZS. 108 (1944) s. 79
8. W. WELTZIEN, Wisse Rdschr. TFA Krefeld Nr. 1 (1950), Nr. 3 (1951) u.
Nr. 4 (1951)
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oder von flüssigem Wasser unterschiedliche Vorgänge sind, deren Ablauf
durch die Faserstruktur bestimmt ist. Es stand daher zu erwarten, daß
das Wasserrückhaltevermögen einer Faser durchaus abhängig davon ist, in
welcher relativen Feuchte der Umgebungsluft die Probe vor dem Quellen
ausgelegt war. Die Messungen z~igen in der Tat die sehr starke und cha
rakteristische Abhängigkeit des Wasserrückhaltevermögens von der relati
ven Feuchte der Umgebungsluft (Tab. 5 und Abb. 5).
9. Abhängigkeit von der Einlagerung im Schleudergefäß
Die gibt an, daß das Fasermaterial in 1 - 2 cm lange
FaChemFa-Vorschri~t
Stapel geschnitten und vermischt werden soll, jede Parallellage der Fa
sern zu beseitigen und das Material in eine "ideale Unordnung" überzu
führen ist. Durch diesen Hinweis wird bereits deutlich, daß die Faser
lagerung im Schleudergläschen nicht ohne Einfluß auf die Bestimmung des
Wasserrückhaltevermögens ist.
Zur Untersuchung, ob ein solcher Effekt wesentlich ist, wurde das Faser
material in verschiedener Form in die Schleudergläschen eingelagert. Ein
mal wurde ein Faserknäuel in das Schleudergefäß eingebracht, sodann wur
den Faserstapel von 1 cm und 1 mm Länge geschnitten, und schließlich wur
de die Faserprobe in Form eines kleinen Stranges an einem Häkchen im
Schleudergefäß aufgehängt. Das Meßergebnis zeigt für alle untersuchten
Materialien, daß der Einfluß nicht unerheblich ist.- (Tab. 6 und Abb. 6).
Bekanntlich machen sich Kapillarkräfte selbst bei sehr großen Schwerebe
schleunigungen in erheblichem Maße bemerkbar. Die beobachteten Schwankun
gen sind also nicht auf das eigentliche Quellwasser, sondern allein auf
das Kapillarwasser zurückzuführen, und es sollte der niedrigste Wert des
Wasserrückhaltevermögens derjenige sein, mit dem man für die Praxis am
besten zurechtkommen könnte. Da die Strängchenform im allgemeinen nicht
immer definiert gehalten werden kann, scheinen unsere Ergebnisse zu be
stätigen, daß eine Stapellänge von 1 cm bei möglichst ungeordneter Lage
rung am zweckmäßigsten zu verwenden ist. Bei kürzeren Stapellängen ist
die Möglichkeit der Parallellage zu stark gegeben, die Kapillar
wodu~ch
kräfte zu stark wirksam werden können. Die relativ geringe Abhängigkeit
des Wasserrückhaltevermögens von der Einlagerung der Probe bei Viskose
liegt in der besonderen Querschnittsform und der durch diese bedingten
Kapillarkräfte begründet.- Beim Vergleich solcher Werte muß selbstver-
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ständlich darauf geachtet werden, daß der Schwerpunkt der Fasermasse in
gleicher Entfernung von der Drehachse liegt, damit die gleiche Schwere
beschleunigung auf das abzuschleudernde Wasser wirkt.
Diese Untersuchungen werden noch weiter geführt.
VI. Anwendungen
1. Quellwert nach verschiedenen Trocknungen
WELTZIEN hatte im Anschluß an die Arbeiten von MATTHES und Mitarbeitern
gezeigt, daß der Quellwert nach verschiedenen Trocknungen immer weiter
absinkt, bis er schließlich einem Grenzwert nach sehr vielen Trocknungen
zuzustreben scheint. Es könnte vermutet werden, daß die dort angewandte
o "
Temperatur von 105 C eine solch starke Anderung erzeugt. Es wurden daher
zahlreiche Wiederholungs- und Vergleichsmessungen durchgeführt, bei denen
die Trocknungsbedingungen erheblich variiert wurden. Das Ergebnis ist,
daß bereits bei der Trocknung in ruhender Luft bei Zimmertemperatur ei
ne wesentliche Abnahme des Quellwertes zu beobachten ist (Beispiel in
Tab. 7).
Durch diesen Effekt erklären sich wohl auch die in der Praxis nicht sehr
großen Unterschiede bei den Werten des Quellwertes für gleiche Fasern,
die verschiedenen Trocknungsbedingungen unterworfen wurden. An Baumwoll
und Zellwollproben, bei denen verschiedene Temperaturen und verschiede
ne Luftgeschwindigkeiten beim Trocknen verwendet wurden, ergibt sich le
diglich eine sehr geringe Abnahme des Quellwertes mit schärferen Trock
nungsbedingungen (Tab. 8).
2. Beziehungen zwischen Quellwert und Struktur der Faser
Um zu erkennen, in welcher Weise der Quellwert einen Rückschluß auf ande
re Faserdaten zuläßt, wurde Viskosereyon nacheinander 10 Trocknungen un
terworfen, und es wurden nach jeder Trocknung sowohl das Wasserrückhalte
vermögen als auch die Bruchlast und die Dichte bestimmt. Das Ergebnis
zeigt eine klare Korrelation zwischen allen Werten (Abb. 7 und 8). In
teressant aber ist, daß die Dichte nach mehreren Trocknungen noch immer
stärkere Änderungen aufweist, während der Quellwert einem konstanten Wert
zuzustreben scheint.-(Über diese Untersuchungen wird später noch einge
hender berichtet werden).
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