Fließvorgänge in der Spinndüse und dem Blaukonus des Cuoxam-Verfahrens

134 Pages·1960·8.305 MB·German

by  Prof. Dr. Wilhelm Kast, Dipl.-Ing. Victor Elsaesser (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben durch das Kultusministerium
Nr.790
Prof. Dr. Wilhelm Kost
Dipl.-Ing. Victor Eisoesser
Fließvorgänge in der Spinndüse und dem Blaukonus
des Cuoxam-Verfahrens
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG / KOLN UND OPLADEN
1960
ISBN 978-3-663-03651-7 ISBN 978-3-663-04840-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04840-4
G 1 i e der u n g
Vorwort. • · . s. 5
. . . . . . s.
A. Messung und Deutung der Strukturviskosität. 7
. . . . . . s.
1. "Scheinbare Viskosität" ••• 7
2. Abhängigkeit der scheinbaren Viskosität von der Schub-
spannung • • • • · S. 8
a) Fließkurven • . • • • • S. 8
b) Statische Viskosität. • S. 10
c) Endviskosität •... • S. 12
3. Strömungsorientierung .• S. 14
a) Temperaturkoeffizient der scheinbaren Viskosität •• · . s. 14
b) Strömungsdoppelbrechung · S. 16
4. Problemstellung. • • • • • • · . s. 17
B. Das Fließverhalten der Spinnlösung in der Spinndüse S. 18
1. Messungen und Meßergebnisse. • • S. 18
a) Meßverfahren. • . . • • . · . s. 18
b) Einfluß des Düsenmaterials •• . • • S. 21
c) Einfluß der Düsenlänge. • • . • • . . . S. 22
d) Einfluß des Geschwindigkeitsgefälles oder Durchsatzes. S. 25
2. Diskussion der l1eßergebnisse ••••• · . s. 26
a) Eliminierung der Längenabhängigkeit der scheinbaren
Viskosi tät. . . • . . . • . . • .. .•.••• S. 26
b) Erfassung der die Längenabhängigkeit vortäuschenden
Einlaufstörungen. . . . . . . . . . . .. ..•• S. 33
1) Berechnung von COUETTE. . . . • . . . S. 33
11) Bestimmung der COUETTE-Verlängerung • • . S. 35
111) Abhängigkeit der COUETTE-Verlängerung bei Cuoxam-
s.
lösungen. . . . . . . . . . . .. . ... 38
1111) Quantitativer Vergleich von HAGENBACH- und COUETTE
Korrektur • . . . . • . . • . • . . • . . S. 41
C. Das Fließverhalten der Spinnlösung nach dem Austritt aus der
Spinndüse im sogenannten Blaukonus. • . . • S. 43
1. Die Fadenaufweitung. . . . . . S. 43
a) Messungen und I1eßergebnisse • . . s. 43
1) Betrag der Aufweitung . . . . . . . s. 43
11) Zeitlicher Verlauf der Aufweitung . s. 47
b) Deutung der Aufweitung als Relaxationserscheinung S. 51
1) Relaxationsvorgänge in der Spinndüse .•.. S. 51
11) Relaxationsvorgänge im Blaukonus ..... . . S. 60
111) Gesamtes Energieschema der Düsenströmung .. s. 63
Seite 3
2. Die Fadenviskosität ••• . . . . . s. 68
a) TROUTON'sche Methode · . s. 68
1) TROUTON's Viskositätsgleichung ••••.• · . s. 68
11) Gleichung des Strahlprofils nach TROUTON ... • • S. 69
111) Gleichung des Strahlprofils nach PA\.JLOWSKI. • • • S. 75
b) Anwendung der TROUTON'schen Methode zur örtlichen Be
stimmung der Fadenviskosität .•••.••..•••• S. 79
1) Grenze der flüssigen Phase im Cuoxamfaden •••• S. 79
11) Volumen und spezifisches Gewicht des Fadens ••. S. 86
111) Relativgeschwindigkeit und Reibung des Fadens im
Fällwasser. • ••• S. 93
c) Meßergebnisse ••. • S. 106
1) Meßreihe mit variiertem Durchsatz · S. 107
11) I1eßreihe mit variierter Spinntemperatur · S. 109
111) Meßreihe mit variierter Düsenlänge .. . ••• S. 113
D. Zusammenfassung •••. S. 122
E. Literaturverzeichnis • . S. 130
Sei te 4
Vorwort
Mit den hier behandelten Fließvorgängen in der Spinndüse und dem Blau
konus des Cuoxam-Verfahrens hat sich einführend schon der Forschungs
bericht Nr.93 (1954) des einen von uns (K.) über "Spinnversuche zur
Strukturerfassung künstlicher Zellulosefasern" befaßt. Die Fortsetzung
der Versuche in den Jahren 1955/58 hat aber einige neue Gesichtspunkte
ergeben, unter denen auch das frühere experimentelle Material neue Be
deutung gewinnt. Dieser Bericht erscheint deshalb nicht als II.Teil des
obengenannten, sondern als selbständige Arbeit mit dem Ziel, anhand der
alten und neuen Versuche ein geschlossenes Bild der genannten Fließvor
gänge zu geben.
Den Ausgangspunkt der Untersuchungen bildete die alte Frage nach den Mög
lichkeiten der Beeinflussung der Struktur des entstehenden Fadens durch
geeignete Lenkung der Fließvorgänge in der Düse. Wenn für die Verbesse
rung der Fadenstruktur auf diesem Wege auch noch kein unmittelbar greif
bares Ergebnis vorliegt, so sind dafür doch jetzt insofern die Voraus
setzungen geschaffen, als durch eine Reihe neuer Feststellungen und Ein
sichten eine weitgehende Klärung und Beherrschung dieser Fließvorgänge
erreicht erscheint. Das betrifft sowohl Energieaufwand, Deformation und
Orientierung in den Spinndüsen als auch Betrag und zeitlichen Verlauf der
Relaxation beider Größen in der Fadenaufweitung, weiter den Lösungszu
stand im Blaukonus und die Neubildung und Weiterbildung der Orientierung
bei seiner Verjüngung.
Wir hoffen damit auch die Kupferfasern erzeugenden Firmen nicht zu ent
täuschen, die immer wieder und unermüdlich, wenn ein Schritt getan war,
der einen neuen nach sich zog, mit großer Geduld und beträchtlichem Auf
wand die Voraussetzungen für die Weiterführung und Erweiterung der Ver
suche geschaffen haben. Dafür haben wir in erster Linie den Farbenfabri
ken Bayer AG. zu danken, deren großzügiger Unterstützung und Förderung
unsere Versuche sich vor allem im Wissenschaftlichen Labor in Dormagen
und in der Ingenieurabteilung AP in Leverkusen erfreuen durften. Ebenso
hat auch die J.P.BEMBERG A.G. den Arbeiten immer wieder wertvolle Hilfe
zuteil werden und eine ganze Versuchsreihe in ihrem Laboratorium durch
führen lassen. Auch der geistige Austausch mit den Wissenschaftlern bei
der Werke war uns immer wieder Ansporn und Gewinn.
An dieser Stelle muß vor allem aber auch der wirksamen und dankenswerten
Unterstützung unserer Arbeiten durch den Herrn Minister für Wirtschaft
Sei te 5
und Verkehr des Landes Nordrhein-Westfalen gedacht werden, der die lang
wierigen Versuche über die ganze Zeit durch Forschungsbeihilfen im Ge
samtbetrag von 27.000 DM (davon 9.900 DM personelle und 17.100 DM säch
liche Mittel) entscheidend gefördert hat. Auch den Herren Sachbearbeitern
möchten wir für ihre stete freundliche Aufgeschlossenheit für unsere An
liegen an dieser Stelle unseren Dank sagen.
Freiburg LBr., den 15.I'1ai 1959
W. KAST
Sei te 6
A. Messung und Auswertung der Strukturviskosität
1. "Scheinbare" Viskosität
Wird eine normale Flüssigkeit durch eine Kapillare gedrückt, so wird die
Druckarbeit durch die Reibung der mit verschiedenen Geschwindigkeiten
aneinander entlanggleitenden koaxialen Flüssigkeitszylinder in Wärme ver
wandelt. In normalem Falle (Poiseuille-Strömung) ist die Geschwindigkeits
verteilung parabolisch. Das Geschwindigkeitsgefälle (D) ist am Rande am
größten und dort der dem wirkenden Druck (p) entsprechenden Schubspan
nung (~) proportional. Der Proportionalitätsfaktor ist eine Materialkon
stante mit der Bedeutung des Koeffizienten der inneren Reibung oder der
Viskosität der betreffenden Flüssigkeit.
Das Gesetz
heißt NEWTON'sches Gesetz, die Flüssigkeiten, die ihm folgen, NEWTON'sche
Flüssigkeiten.
Im Gegensatz dazu gibt es Flüssigkeiten, bei denen die Größe 1] keine Ma
terialkonstante darstellt, sondern in verschiedener Weise von den Strö
mungsbedingungen, insbesondere der Schubspannung abhängig ist. Hier in
teressiert davon nur der Fall der strukturviskosen Flüssigkeiten, bei
denen die Viskosität mit wachsender Schubspannung abnimmt. Dazu gehören
insbesondere die Lösungen der makromolekularen Stoffe, also auch die
Spinnlösungen.
In der Kapillarströmung einer strukturviskosen Flüssigkeit wäre die Vis
kosität, dem veränderlichen Geschwindigkeitsgefälle entsprechend, über
dem Querschnitt nicht konstant. Der normale Begriff der Viskosität ver
liert dadurch seinen Sinn, man hilft sich aber, indem man eine "schein
bare" Viskosität 1]' einführt und diese nach der Poiseuilleschen Formel
berechnet:
, ~ lt. p. R4
(2 )
1] = D = 8 Q·L
Dabei sind L und R Länge und Radius der Kapillaren (ern) und Q das unter
unter der Wirkung des Druckes p sekundlich durch die Kapillare fließende
3
Flüssigkeitsvolumen (cm /sec). Die Geschwindigkeitsverteilung in der
strukturviskosen Flüssigkeit weicht von der Poiseuille-Parabel ab; die
Geschwindigkeit steigt am Rande ähnlich wie bei einer turbulenten Strö
mung steiler an (Abb.1).
Seite 7
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(0) (b) (c)
A b b i 1 dun g
Geschwindigkeitsverteilungen
a) bei Wasser (nach PICHOT u.DUPIN)
b) bei Baumwollgelb-Sol (nach KROEPELIN)
c) bei Gelatine, gealtert (nach PICHOT u.DUPIN)
Der Begriff der "scheinbaren Viskosität" ist mit Recht theoretisch um
stritte~, praktisch ist er jedoch unentbehrlich.
2. Abhängigkeit der scheinbaren Viskosität von der Schubspannung
a) F 1 i e ß kur v e n
Wie obe~ scho~ a~sgesprochen, sind die strukturviskosen Flüssigkeiten
dadurc~ c~arakter~sier~, eaB ihre scheinbare Viskosität um so kleiner
cef~~den ~ird, je t5her eie aufgewendete Schubspannung ist. Dieser Zu
saomenhang wirc. in sogenannten FlieBkurven dargestellt, von denen in
Abbildung 2 und 3 vier verschiedene übliche Auftragungen wiedergegeben
sind. Die scheinbare Viskosität liegt dabei zwischen zwei charakteristi
schen Grenzen, der statischen Viskosität ~o bei sehr kleinen und der
Endvi:skosi tät I]co bei sehr großen Schubspannungen.
Die K~rve (2a) zeigt die scheinbare Viskosität in Abhängigkeit von der
Schubspannung. Die Anfangs- und Endwerte für die Schubspannungswerte
Null u~d Unendlich sind in dieser Auftragung jedoch schlecht zu bestim
men. Das wird besser, wenn man den Logarithmus der Schubspannung auf
trägt (2b). Dabei wird eine Gerade erhalten, deren Verlängerung die
Ordinatenachse in dem Nullwerte der sogenannten statistischen Viskosität
schneidet. Doch ist unsicher, ob die Fließkurve in dieser Form bis zur
Seite 8
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A b b i 1 dun g 2
Fließkurve einer 8%igen Cuoxam-Spinnlösung
in zwei verschiedenen Auftragungen
a) 1"]' = f(';), b) log Tl' = f(';)
Schubspannung Null geradlinig bleibt. Man umgeht diese Schwierigkeit
einfach, indem man den genannten Schnittpunkt der Geraden mit der Ordi
natenachse als statische Viskosität definiert.
Se i te 9
In der Darstellung (3a), in der auch die Schubspannung logarithmisch auf
getragen ist, erhält man eine Kurve mit zwei Wendepunkten. Hier kennzeich
nen die horizontalen Tangenten am Anfang und Ende die Werte der beiden
Grenzviskositäten. Der untere Wert ist experimentell schwer zugänglich.
Die Meßpunkte, die der Kurve zugrunde gelegt sind, geben eben nur eine
Andeutung des Umbiegens in die Horizontale. Ähnlich mit parallelen Tan
genten, die in diesem Falle aber geneigt sind und der Fließkurve des Lö
sungsmittels parallel laufen, lassen sich auch aus der Kurve 3b die
Grenzwerte der Viskosität bestimmen. Hier sind die Logarithmen von Ge
schwindigkeitsgefälle und Schubspannung gegeneinander aufgetragen.
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2 J 5 6
A b b i 1 dun g 3.
Fließkurve einer 8%igen Cuoxam-Spinnlösung
in zwei weiteren Auftragungen
a) log lj' = f(log1: ) b) log D = f(log"t)
b) S tat i s c h e V i s k 0 s i t ä t
Nach ihrer Bestimmung aus den Fließkurven, die eben besprochen wurde,
interessiert ihre Temperaturabhängigkeit, weil man häufig in die Lage
kommt, die statische Viskosität von der Temperatur, bei der sie gemes
sen wurde, auf eine andere Temperatur umrechnen zu müssen. Man muß dazu
einmal eine Reihe von Fließkurven bei verschiedenen Temperaturen aufneh
men, am besten nach der Art der logarithmischen Geraden der Abbildung 2b.
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