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Fasertechnologie Lasergebohrte Spinndüsen für Cellulosefasern

Redakteur: Beate Christmann

Wissenschaftler haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie die Herstellung von Mikro- oder Supermikrofasern optimieren wollen: Mittels Laserbohrung erstellen sie Spinndüsen mit Löchern von 30 bis 40 μm Durchmesser.

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Laser mit Wendelbohroptik bei der Arbeit: Mit hoher Energie bohrt sich der ultrakurz gepulste Laserstrahl in die Oberfläche des Metalls, bis eine Vielzahl feinster Löcher entstanden ist.
Laser mit Wendelbohroptik bei der Arbeit: Mit hoher Energie bohrt sich der ultrakurz gepulste Laserstrahl in die Oberfläche des Metalls, bis eine Vielzahl feinster Löcher entstanden ist.
(Bild: IFSW)

Mikrofasern und Supermikrofasern können aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt werden. Einer dieser Stoffe ist Cellulose. Cellulosische Fasern werden im sogenannten Nassspinnverfahren ausgesponnen: In ionischer Flüssigkeit gelöste Cellulose wird durch eine Spinndüse gepresst, hinter der sie in einem Fällbad zur festen Faser ausgefällt wird. Die Feinheit der Fasern ist maßgeblich durch die Größe der Löcher in der Spinndüse begrenzt. Diese Löcher mit einem sehr geringen Durchmesser und entsprechender Tiefe zu erzeugen, ist jedoch schwierig: Durch etablierte Bohrtechniken wie Mikrostanzen, mechanisches Bohren oder Funkenerosion können an den Bohrwänden Unregelmäßigkeiten oder Grate an den Lochrändern entstehen, was sich negativ auf die Qualität der Fasern auswirkt.

Feiner als ein menschliches Haar

Forscher des Instituts für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart und des Instituts für Textilchemie und Chemiefasern (ITCF) in Denkendorf haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie die Herstellung von Mikro- oder Supermikrofasern optimieren wollen: Mittels Laserbohrung erstellen sie Spinndüsen mit Löchern von 30 bis 40 μm Durchmesser, die damit feiner sind als ein menschliches Haar.

Durch eine am IFSW entwickelte Wendelbohroptik wird ein Laserstrahl auf einer Kreisbahn bewegt: Er rotiert während des Bohrvorgangs mit 30.000 min-1. Zudem lässt er sich in seiner Winkelneigung gegenüber dem Bohrgut einstellen.

Laut Aussage der Wissenschaftler können mit dem neuen Verfahren dickwandige Edelstahldüsen mit unterschiedlichen Bohrlochgeometrien produziert werden, die hohe Arbeitsdrücke bis 200 bar zulassen. Dies ermögliche die Verwendung höherer Cellulosekonzentrationen in der Spinnlösung, wodurch der Produktionsprozess effizienter werde.

Experimente mit weiteren Optimierungsmöglichkeiten

Das Forschungsprojekt hat inzwischen nicht nur die Optimierung der Spinndüsen vorangetrieben: Durch das im Vergleich zum Nassspinnverfahren komplexere Trocken-Nassspinnverfahren ist es gelungen, Cellulosemikrofasern mit neuen Eigenschaften zu erschaffen. Dabei wird die Spinnlösung erst in einen direkt hinter der Düse befindlichen Luftspalt gepresst. Es erfolgt eine erste Verstreckung und damit eine Ausrichtung der Kettenmoleküle in der Spinnlösung. Erst danach gelangt die Spinnmasse in das Fällbad, in dem sie zur Faser koaguliert. Die Molekülorientierung bleibt erhalten, die Cellulosemikrofasern gewinnen eine noch höhere Festigkeit.

Experimentiert wird auch mit der Form des Spinnkanals. „Unser Ziel ist es, trichterförmige Düsen zu realisieren, einen Bohrkanal, der sich innerhalb der Spinndüse mit einer definierten Geometrie zum gewünschten Enddurchmesser verjüngt“, erklärt Thomas Arnold, Projektmitarbeiter am IFSW.

Zudem werden neue Werkstoffe erprobt. Jüngst wurde eine keramische Spinndüse aus Siliziumnitrit gebohrt. Das Material ist steifer als Edelstahl und kann bei geringeren Wandstärken höhere Drücke aushalten, ohne sich durchzubiegen. Der Bohrvorgang ist leichter zu kontrollieren, da Keramiken keine schmelzflüssige Phase aufweisen und weil durch eine gewisse Teiltransparenz des Werkstoffes der Bohrvorgang genau zu beobachten ist.

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