Die Herstellung von Nadelfilzen mit modifizierten Nadeleinstichgeometrien und die Untersuchung ihrer Eigenschaften PDF
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FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr. 2699jFachgruppe Textilforschung Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten lIeinz Kühn vom Minister für Wissenschaft und Forschung Johannes Rau Prof. Dr. -Ing. Joachim Lünenschloß Ing. Hans Külter Institut für Textiltechnik der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen Die Herstellung von Nadelfilzen mit modifizierten Nadeleinstichgeometrien und die Untersuchung ihrer Eigenschaften Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH CCIIPP--KKuurrzzttiitteellaauuffnnaahhmmee ddeerr DDeeuuttsscchheenn BBiibblliiootthheekk LLUtinneennsscchhlloossss., JJooaacchhiimm DDiiee HHeerrsstteelllluunngg vvoonn NNaaddeellffiillzzeenn mmiitt mmooddiiffiizziieerr tteenn NNaaddeelleeiinnssttiicchhggeeoommeettrriieenn uunndd ddiiee UUnntteerrssuu cchhuunngg iihhrreerr EEiiggeennsscchhaafftteenn // JJooaacchhiimm LLtUinneennsscchhlloossss;; HHaannss KKUtilltteerr.. -- 11.. AAuuff!l.. -- SOprpilnagdeer nF:a cWhmeedsitedne Wutisecsbhaedre n GVmebHr,l a1g9,7 71. 977. ((FFoorrsscchhuunnggss bbeerriicchhttee ddeess LLaannddeess NNoorrddrrhheeiinn WWeessttffaalleenn;; NNrr.. 22669999 :: FFaacchhggrruuppppee TTeexxttiill ffoorrsscchhuunngg)) NNEE:: KKUtilltteerr,, HHaannss:: ©© 11997777 bbyy SSpprriinnggeerr FFaacchhmmeeddiieenn WWiieessbbaaddeenn UUrrsspprruünngglliicchh eerrsscchhiieenneenn bbeeii WWeessttddeeuuttsscchheerr VVeerrllaagg.. OOppllaaddeenn 11997777.. IISSBBNN 997788--33--553311--0022669999--22 IISSBBNN 997788--33--666633--0066777799--55 ((eeBBooookk)) DDOOIl 1100..11000077//997788--33--666633--0066777799--55 - 1 - Inhalt 1. Abkürzungsverzeichnis Symbole, Dimensionen und Begriffe ...................... 2 2. Einleitung............................................. 6 3. Versuchsplanung und Versuchsdurchführung .•..........••• 9 3.1 Die verwendete Labor-Nade1fi1zmaschine und die Vernade1ungstechniken ........•.••...........•• 9 3.2 Vorversuche zur Fest1egung der konstanten Versuchsbedingungen ..•.....•...••........•...••.•. 11 3.3 Der mehrfaktorie11e Versuchsplan •.•.....•..•...••. 13 3.4 Die Einflußgrößen und die mit ihnen im Zu- sammenhang stehenden Größen •....•.•.......•..••..• 15 4. Ergebnisse aus den Faktorversuchen Vergleich der "einseitigen" und "gleichzeitig beid seitigen" Vernade1ung unter Einbeziehung ausgewähl- ter Einflußgrößen .•.........................•.....•..•. 20 4.1 Die Zielgrößen ....••.......•...••••......•.••••.•• 20 4.2 Die Regressionsanalysen ..•.•...••••...•.•....••••• 21 4.3 Die Einzelergebnisse •.•...•.....•.•.....•...•.•••. 24 4.4 Modellversuche mit verschiedenfarbigen, schichtenartig vernadelten Vliesen ......•.•.....•. 30 4.5 Zusammenfassung der Ergebnisse aus den Faktorver suchen .....•.••...............••.•....... 31 5. Weiterführende Versuche mit "gleichzeitig beidseitiger" Vernade1ung ••................••.•.•....•..••••.•••••••• 33 5.1 Vergleichende untersuchungen mit gestochenen (konventionellen) und geprägten Filznadeln mit unterschiedlichen Widerhakenabständen, jedoch gleichen Widerhakentiefen .•.••..••.•..•.••...••••• 33 5.2 vergleichende untersuchungen mit geprägten Filz nadeln mit unterschiedlichen Widerhakentiefen, jedoch gleichen Dreikantschaftstärken •..•.•.•..••. 38 5.3 Zusammenfassung der Ergebnisse aus den weiter- führenden Versuchen ••..•.••••••.....•••••••••••••• 41 6. Schlußbetrachtung •.•....•••..••..••.•••••..•••.••••.•.• 42 7. Literaturverzeichnis 44 8. Abbildungen. • . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . • . . . . . . . . • . • . . •. 47 9. Tabellen ••.........................•...•........•....•. 85 - 2 - 1. Abkürzunqsverzeichnis Symbole, Dimensionen und Begriffe 1.1 Vernade1unqstechniken lIeins. 1I "einseitige", d.h. konventionelle, Verna de1ung "a1t.bds. " "alternierend beidseitige" Vernadelung "glz.bds. " "gleichzeitig beidseitige" Vernadelung 1.2 Einf1ußqrößen Ew Einstichwinkel, bezogen auf die Vliesober fläche Nf [10-2 mm] Nadelfeinheit, d.h. Dreikantschaftstärke (Schaftdurchmesser vor dem Dreikantprägen) WhT [10-2 mm] Widerhakentiefe, Prägetiefe bei geprägten Nadeln Halstiefe plus kick up bei gestochenen Nadeln lWh,K [mm] Abstand zwischen den Widerhaken auf einer Kante 1Wh,R [mm] Abstand zwischen den Widerhaken in einer Reihe (von Kante zu Kante) 1Sp-Wh [mm] Abstand zwischen der Nadelspitze und dem 1. Widerhaken RB Regular-Barb-Nadeln, 1Wh,K 6,3 mm MB Medium-Barb-Nade1n, 1Wh,K 4,5 mm CB C1ose-Barb-Nadeln, 1Wh,K 3,3 mm MuB Mu1ti-Barb-Nadeln, ~,K 1,3 mm gepr geprägte Nadel gest gestochene, konventionelle Nadel HL Hochleistungs-Nadel - 3 - Anzahl der Widerhaken auf einer Ka.nte ~h,K NK Anzahl der mit Widerhaken besetzten Kanten Anzahl der Widerhaken am Dreikantschaft NWh,D Et [rnm] Einstichtiefe, definiert als Abstand zwi schen Nadelspitze und Oberseite der unte ren Lochplatte beim Einstich von oben, bzw. Unterseite der oberen Lochplatte beim Ein stich von unten, jeweils im Totpunkt des oberen bzw. unteren Nadelbrettes Anzahl der Widerhaken, die in da.s Vlies ~,e einstechen Anzahl der widerhaken, die das Vlies ~,d durchstechen lLp [rnm] Lochplattenabstand IV [rnm] Weg der Nadel durch das Vlies bei Ew = 90° 1 ' [rnm] Weg der Nadel durch das Vlies V bei Ew = 75°, 60° und 45° DLpb [rnm] Durchmesser der Lochplattenbohrungen -2 EdHUB [cm ] Einstichdichte für den 1. Doppelhub -2 EdpASS [cm ] Einstichdichte je Passage EdF1LZ [cm- 2] Einstichdichte im Filz Nd [dm -2] Nadeldichte, Anzahl der Nadeln pro Flächeneinheit des Nadelbrettes Anzahl der bestückten Nadelreihen NNr NbT [dm] wirksame (bestückte) Tiefe des Nadelbrettes NbB [dm] wirksame (bestückte) Breite des Nadelbrettes 1 [rnm] Abstand der Nadeln in der Nadelreihe x 1 [rnm] Abstand zwischen den Nadelreihen bei Ew 90° y 1 ' [rnm] Abstand zwischen den Nadelreihen bei y Betrachtung unter Ew = 75°, 60° und 450 - 4 - v [mm] Materialvorschub pro Doppelhub [mo min-l] Materialabzugsgeschwindigkeit Anzahl der Passagen -1 [min ] Einstichfrequenz, Anzahl der Doppelhübe pro Zeiteinheit Ff [dtex] Faserfeinheit 1.3 Zielgrößen AL längs Dimensionsänderung in Längs- (Materiallauf [%] AL quer richtung) bzw. Querrichtung AA [%] Dimensionsänderung der Fläche a2 Dicke, Meßdruck 2 cN' cm-2 [mm] a20 Me ßdruck 20 cN • cm-2 Meßfläche = 25 cm2 mA [g . m-2] Flächengewicht (Meßfläche = 100 cm2) PR,2 r~ cm-3 ] Rohdichte, Meßdruck = 2 cN • cm-2 PR,20 [g cm-3 ] Meßdruck 20 cN' cm - 2 (Dickenmessung) [1/20 cm2 minl Luftdurchlässigkeit, Meßfläche Unterdruck = 2 mbar (20 mmWS) FH Höchstzugkraft in Längsrichtung längs FH quer [daN] Höchstzugkraft in Querrichtung FH diagonal Höchstzugkraft in Diagonalrichtung Höchstzugkraft, bezogen auf Flächengewicht und Streifenbreite (Reißlänge) -~E_ längs in Längsr ichtung -RE.._ querr d aN/ (g . m- )] in Quer r icht ung in Diagonalrichtung -~E_ diagonal - 5 - Höchstkraftdehnung in Längsrichtung EH längs [%] Höchstkraftdehnung in Querrichtung EH quer Höchstkraftdehnung in Diagonalrichtung EH diagonal B [%] Bestimmtheitsmaß N Anzahl der Messungen - 6 - 2. Einleitung Die Bedeutung der Nadelfilztechnik hat in den letzten Jahren eine ständige Zunahme erfahren [1,2]. Sie hat sich durch das Aufkom men. hochwertiger Synthesefasern zu einer Technik für die Ferti gung einer Vielzahl von Produkten entwickelt, die nicht nur mit konventionell hergestellten textilen Flächengebilden konkurrie ren,sondern auch neue, bisher unbekannte, durch andere Metho den nicht erzielbare Eigenschaften aufweisen. Für die Eigenschaften der Nadelfilzerzeugnisse sind in erster Linie die Art des Faserstoffes, die Art der Vliesbildung und die Art der Vernadelungstechnik in Kombination mit dem Nadelwerkzeug verantwortlich zu machen. Die Herstellung von Nadelfilzprodukten besteht im wesentlichen aus zwei Verfahrensschritten: der Vliesbildung und der Vlies verfestigung. Bei der Vliesbildung gilt es, eine Faserverteilung in bezug auf Auflösung, Gleichmäßigkeit, Gewicht und orientierung einzustel len, die zur Fertigung des Endproduktes notwendig ist. Schon mit der Vliesbildung lassen sich das Aussehen und die Qualität der Nadelfilzprodukte beeinflussen. Die Herstellung von Spinnfaser vliesen erfolgt entweder durch die mechanische oder aerodynami sche Vliesbildung. Als ein weiteres Verfahren der Vliesbildung ist das Filamentvliesverfahren (Spinnvlies) zu nennen. Die mechanische Vliesverfestigung wird durch das Vernadeln er reicht. Sie läßt sich funktional mit der Gewebebindung oder Ma schenbildung der klassischen Flächengebilde-Verfahren verglei chen, wobei allerdings der Einfluß der verfestigungsmaßnahmen auf die physikalischen Endartikeleigenschaften der Nadelfilze wesentlich größer ist. Ober die konventionelle Nadelfilztechnik sind zahlreiche Ver öffentlichungen bekannt geworden, die sich mit der Problematik des Vernadelungsvorganges beschäftigen. So wurde von J. Lünen schloß der Einfluß der Faserparameter [3] und der Herstellungs bedingungen [4] auf die Nadelfilzeigenschaften untersucht. Dar- - 7 - über hinaus haben sich J. Lünenschloß und J. Janitza [5-7] mit der Messung der Nadeleinstichkräfte und dem Einfluß verschiede ner Nadelarten, Maschinen- und Faserparameter auf den Vernade lungsvorgang und die Eigenschaften der Nadelfilze eingehend be schäftigt. Diese Untersuchungen wurden mit der konventionellen Nadelfilztechnik durchgeführt, bei der der Nadeleinstich ein seitig und senkrecht zur Vliesfläche erfolgt. Erst in den letzten Jahren sind Verfahren angewandt worden, bei denen die Nadeln nicht in der herkömmlichen Weise einstechen. Ziel dieser Techniken ist eine Modifikation der Nadelfilzeigen schaften gegenüber den nach dem konventionellen Verfahren ge fertigten Produkten sowie eine Ausweitung der Einsatzgebiete. Aus den Forderungen, die die Industrie und der Verbraucher an neuartige Vliesstoffprodukte stellen, werden die Veränderungen verständlich, die in Patentliteratur und Veröffentlichungen be schrieben sind, in der praktischen Anwendung jedoch nur begrenz ten Eingang gefunden haben. Zu nennen sind dabei Verfahren, bei denen das Vlies dachgiebelförmig geführt wird und von einem kon ventionell ausgebildeten Nadelbalken schräg durchstochen wird [8]. Bekannt wurde auch der Einstich mit gebogenen Nadeln, die kreisförmig bewegt werden [9]. Einer kreisförmigen Führung des Vlieses wird ein guter Quer- und Längsverbund durch tangentia les Nadeln und damit ständig wechselnder Einstichrichtung zuge schrieben [10,11]. Für das tangentiale Vernadeln kreisförmig be wegter Vliese ergeben sich interessante technische Einsatzge biete. Dagegen hat ein Teil der beschriebenen Verfahren keine prakti sche Bedeutung erlangen können, da die technische Ausführung teilweise zu kompliziert, die Nadel- und Vliesbeanspruchung zu groß war. Die Chatham Manufacturing & Co. (USA) [12-14] entwickelte mit ihrer als "Fiberwoven" bezeichneten neuen Nadeltechnik ein Ver fahren, bei dem das horizontal geführte Vlies unter einem klei nen Winkel alternierend beidseitig vernadelt wird.
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