DE3517729C2

DE3517729C2 -

Info

Publication number: DE3517729C2
Application number: DE3517729A
Authority: DE
Inventors: Erwin Prof. Dr. Becker; Wolfgang Dr. 7500 Karlsruhe De Ehrfeld; Peter Dr. 7514 Leopoldshafen De Hagmann
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1985-05-17
Filing date: 1985-05-17
Publication date: 1989-03-30
Also published as: EP0202417A1; JPS61265216A; AU580412B2; DE3517729A1; JPH0739060B2; CA1272463A; DE3660468D1; AU5755386A; EP0202417B1; ATE36261T1; US4693791A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Spinndüsen platten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei der großtechnischen Herstellung von Fasern aus organischem oder anorganischem Material wird der Ausgangsstoff in fließfähigem Zustand durch Spinndüsenplatten gepreßt, die zahlreiche Spinndüsenkanäle enthalten. Die Spinndüsenkanäle bestehen in den meisten Fällen aus einer Düsenkapillare, durch die das zu verspinnende Material austritt und einem wesentlich weiteren Vorkanal, dem das zu verspinnende Material zugeführt wird. Die im allgemeinen zylindrischen bzw. trichterförmigen Vorkanäle können relativ leicht durch Bohren oder Stechen eingebracht werden, während das Einbringen der in vielen Fällen profilierten, z. B. mit sternförmigem Querschnitt versehenen Düsenkapillaren aufwendigere Techniken, z. B. Drahterodieren oder erosives Senken erfordert.

Spinndüsenplatten sind Verschleißteile. Insbesondere Spinndüsen platten mit profilierten Düsenkapillaren stellen bei der bisherigen Herstellungsweise einen nicht zu unterschätzenden Kostenfaktor für die zu erzeugenden Faserprodukte dar. Außerdem liegt bei der bisherigen Herstellungsweise für profilierte Düsenkapillaren die mit tragbarem Aufwand erreichbare Grenze der kritischen Abmessungen im allgemeinen bei etwa 30 µm. Dadurch ergeben sich Einschränkungen bei der Konstruktion des Filaments.

Aus der DE-OS 16 27 732 ist ein Verfahren zur Herstellung von Spinndüsen beschrieben, bei dem als Negativ-Zwischen formen Kunststoffabgüsse einer Urform verwendet werden. Die Urform wird dadurch gewonnen, indem man Stifte, deren Au ßenfläche der gewünschten Form der Spinnöffnungen ent spricht, nach dem Muster der Spinnöffnungen anordnet, mit einem Formwerkstoff abformt und die Stifte aus der Urform entfernt. Lithographische Methoden mit der hierfür charak teristischen hohen Präzision werden zur Herstellung der Stifte oder der Urform nicht angewendet.

Aus der US-PS 31 92 136 ist die Verwendung von Photoresist material bei der Herstellung von Präzisionsblenden und -masken bekannt. Die Blenden oder Masken bestehen aus einem dreischichtigen metallischen Verbundmaterial. Die Öffnungen in den beiden äußeren Schichten werden auf lithographisch- galvanischem Wege eingebracht; die Öffnungen in der mittle ren dicksten Schicht werden durch Ätzen erzeugt. Die Genau igkeit bei der Herstellung dieser Öffnungen ist deutlich ge ringer als die bei der lithographisch-galvanischen Methode erzielbare.

Ausgehend von diesem Stand der Technik hat die vorliegende Er findung die Aufgabe, ein besonders wirtschaftliches Verfahren für die Massenfertigung von Spinndüsenplatten, insbesondere mit profilierten Düsenkapillaren zu schaffen, bei dem sich die kritischen Abmessungen von Düsenkapillaren mit tragbarem Aufwand auf Werte unter die mit den vorbekannten Verfahren erreichbare Grenze absenken lassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 vorge schlagen. Der Anspruch 2 betrifft eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens.

Das Verfahren wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 9 beispiel haft erläutert, wobei sich die Fig. 1 bis 4 und 9 auf Anspruch 1 und die Fig. 5 bis 8 auf Anspruch 2 beziehen.

Nach Fig. 1 wird eine Formplatte 12, die den Spinndüsenkanälen ent sprechende Formkanäle 11 enthält mit einer Zuführungskanäle 13 ent haltenden Galvanikelektrode 14 so zusammengefügt, daß die Formkanäle 11 und die Zuführungskanäle 13 aneinander anschließen. Nach Verschließen der Formkanäle 11 mit einer Abdeckplatte 15 werden die Formkanäle 11 und die Zuführungskanäle 13 unter Vakuum gemeinsam mit einem elektrisch isolierenden Abformmaterial 22 aufgefüllt. Nach der Verfestigung des Abformmaterials werden die Abdeckplatte 15 und die Formplatte 12 ent fernt, wodurch Negativformen 21 (Fig. 2) der Spinndüsenkanäle freige legt werden, die mit der Galvanikelektrode 14 über das in den Zufüh rungskanälen 13 enthaltene Abformmaterial 22 verbunden sind. In einem Galvanikbad wird auf der Galvanikelektrode 14 eine Galvanikschicht 31 (Fig. 3) erzeugt, die die Negativformen 21 der Spinndüsenkanäle bündig einschließt. Nach Einebnen der Galvanikschicht 31 und Entfernen der Negativformen 21 und des restlichen Abformmaterials 22 verbleibt ent sprechend Fig. 4 eine Spinndüsenplatte 41 mit Spinndüsenkanälen 42, die mit der Zuführungskanäle 13 enthaltenden Galvanikelektrode 14 ver bunden ist. Auf die Anwendung von Vakuum kann verzichtet werden, wenn man das Abformmaterial am Ende der Düsenkapillaren austreten läßt und das überschüssige Abformmaterial entfernt.

Bei den meisten Anwendungen, insbesondere wenn die Spinndüsenplatte im Betrieb größeren Druckkräften ausgesetzt weden soll, wird man die Galvanikelektrode 14 als mechanische Verstärkung im Verbund mit der Spinndüsenplatte 41 belassen und das zu verspinnende Material durch die Zuführungskanäle 13 zuführen. Selbstverständlich läßt sich die Galvanikelektrode 14 auch entfernen, z. B. durch einfaches Auflösen, wenn für ihre Herstellung ein Material verwendet wird, das sich in einem Lösungsmittel auflöst, welches die Spinndüsenplatte 41 nicht angreift. Das Entfernen der Galvanikelektrode 14 gelingt auch ohne ihre Zerstörung durch vorsichtiges Abziehen der Spinndüsenplatte 41 von der Galvanikelektrode 14, wenn die Haftfestigkeit der Galvanik schicht 31 in bekannter Weise durch entsprechende Vorbehandlung, z. B. Passivierung der Galvanikelektrode 14, vermindert worden ist.

Um die zerstörungsfreie Entfernung der Galvanikelektrode zu er leichtern, kann man auch vor dem Verfahrensschritt c) eine dünne Schicht eines leicht löslichen elektrisch leitenden Materials auf die Galvanikelektrode aufbringen, die zur Trennung von Galvanik elektrode und Spinndüsenplatte herausgelöst wird. Umgekehrt kann man bei Bedarf auch durch geeignete Vorbehandlung, z. B. Akti vierung der Galvanikelektrode, die spätere Haftfestigkeit der Spinndüsenplatte auf der Galvanikelektrode erhöhen.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren benutzte Formplatte kann mit den Techniken hergestellt werden, die heute zur Herstellung von Spinndüsenplatten benutzt werden, also beispielsweise durch Einbringen von Spinndüsenkanälen in eine Metallplatte durch Draht erodieren, erosives Senken und Bohren. Da mit Hilfe einer Form platte zahlreiche Spinndüsenplatten hergestellt werden können, kann bei der Herstellung der Formplatte ein höherer Aufwand in Kauf genommen werden als bei der Herstellung von Spinndüsenplatten. Die bekannten Techniken lassen sich daher in einer aufwendigeren Form, z. B. mit dünneren Drähten beim Drahterodieren, oder mit feineren Elektroden beim erosiven Senken anwenden. Dadurch können die kri tischen Abmessungen der Düsenkapillaren bei Bedarf mit tragbarem Aufwand auf Werte unter die mittels der vorbekannten Verfahren erreich bare Grenze abgesenkt werden.

Bei besonders hohen Ansprüchen an die kritischen Abmessungen der Düsenkapillaren, ihre Querschnittsform und an das Verhältnis von Kapillarlänge zu Kapillardurchmesser ist die Verwendung einer ge mäß Anspruch 2 hergestellten Formplatte angezeigt. Anhand der Fig. 5 bis 8 wird ein spezielles Ausführungsbeispiel für die Herstellung der Formplatte gemäß Anspruch 2 beschrieben.

In Fig. 5 bedeutet 51 eine Galvanikelektrode, die an den für die Düsenkapillaren vorgesehenen Positionen trichterförmige Vorkanäle 52 enthält, die mit einem leichtentfernbaren Füllmaterial 53 bündig verschlossen sind. 54 ist eine Schicht aus durch energie reiche Strahlung in seinen Eigenschaften veränderbarem Material (Resistmaterial), die mit der Galvanikelektrode 51 verbunden ist. Durch partielles Bestrahlen mit energiereicher Strahlung 55 und partielles Entfernen des Resistmaterials unter Ausnutzung der durch die Strahlung erzeugten unterschiedlichen Materialeigenschaften werden Negativformen 61 (Fig. 6) der Düsenkapillaren erzeugt, die mit der Galvanikelektrode 51 über das Füllmaterial 53 in Ver bindung stehen. In einem Galvanikbad wird auf der Galvanikelektrode 51 eine Galvanikschicht 71 (Fig. 7) erzeugt, die die Negativformen 61 der Düsenkapillaren bündig einschließt. Nach Einebnen der Galvanik schicht 71 und Entfernen der Negativformen 61 wird im Verfahrens schritt g lediglich das Füllmaterial 53 der Galvanikelektrode 51 ent fernt. Es verbleibt eine Formplatte 81 mit aus Düsenkapillaren 82 und Vorkanälen 52 bestehenden Formkanälen (Fig. 8). Als Füll material 53 kann sowohl ein elektrisch leitender als auch ein elektrisch isolierender Stoff verwendet werden. Mit elektrisch leitendem Füllmaterial ergibt sich ein relativ scharfkantiger Über gang zwischen den Düsenkapillaren 82 und den Vorkanälen 52. Mit elektrisch isolierendem Füllmaterial wird ein kontinuierlicher Über gang erzielt, wobei dieser für die praktische Anwendung im allge meinen günstige Effekt noch dadurch verstärkt werden kann, daß der kleinste Durchmesser der Vorkanäle deutlich größer als der Durchmesser der Düsenkapillaren gewählt wird.

Als energiereiche Strahlung kommen sowohl Korpuskularstrahlen als auch elektromagnetische Wellen, insbesondere die von einem Elektronen synchrotron erzeugte Röntgenstrahlung (Synchrotronstrahlung), in Frage. Während man bei der Verwendung elektromagnetischer Wellen zur Er zeugung der gewünschten Strukturen in bekannter Weise mit Masken arbeitet, kann man bei Verwendung von Korpuskularstrahlen die Struktur auch durch elektromagnetische Steuerung erzeugen.

In manchen Fällen, z. B. wenn der Kapillarbereich der Spinndüsen platte aus Edelmetall hergestellt werden soll, kann es zweckmäßig sein, bei der Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, unter Abwandlung von Fig. 1 entsprechend Fig. 9, die trichterförmigen Vorlaufkanäle 91 in der Galvanikelektrode 92 unterzubringen. Die dann benötigte lediglich Düsenkapillaren 93 enthaltende Formplatte 94 läßt sich ebenfalls nach Anspruch 2 herstellen, wobei eine Galvanikelektrode ohne Vorkanäle verwendet wird, die im Verfahrens schritt (4.) nach Anspruch 2 vollständig entfernt wird.

Bei der Herstellung von Spinndüsenplatten nach dem in Fig. 1 bis 4 dargestellten Verfahren nach Anspruch 1 wird eine Formplatte 12 auf Nickel verwendet. Die die Zuführungskanäle 13 enthaltende Galvanikelektrode 14 ist wie die Abdeckplatte 15 aus Edelstahl ge fertigt. Die Abdichtung zwischen der Formplatte 12 und der Abdeck platte 15 sowie der Galvanikelektrode 14 wird durch eine Feinstbe arbeitung der entsprechenden Oberflächen sichergestellt. Als Ab formmaterial 22 wird ein nicht vernetztes Gießharz auf Methacrylat- Basis verwendet, dem zur Verringerung der Haftung auf den Formoberflächen ein internes Trenn mittel zugesetzt wird. Die Galvanikschicht 31 wird durch Abscheiden von Nickel auf der Galvanik elektrode 14 in einem chloridfreien Nickelsulfamatbad hergestellt. Das Einebnen der Galvanikschicht 31 erfolgt durch Polierfräsen. Die Negativformen 21 sowie das restliche Abformmaterial 22 werden mechanisch aus der Galvanikschicht 31 bzw. Galvanikelektrode 14 ent formt, eventuell noch vorhandene Rückstände werden in einem an schließenden Reinigungsschritt mit Dichlormethan aufgelöst.

Soll die Galvanikelektrode 14 nach Herstellung der Spinndüsenplatte 41 aufgelöst werden, so wird als Material Kupfer verwendet, das in einem alkalischen Ätzbad selektiv aufgelöst wird. Die zerstörungsfreie Entfernung der Galvanikelektrode 14 wird durch Aufbringen einer dünnen Kupferschicht auf die Galvanikelektrode erleichtert. Diese Kupferschicht wird gleichfalls in einem alkalischen Ätzbad selektiv aufgelöst.

Zur Herstellung einer Formplatte nach dem in Fig. 5-8 dargestellten Verfahren nach Anspruch 2 wird eine Galvanikelektrode 51 aus Edel stahl (Werkstoff Nr. 1.4301) verwendet. Die in die Galvanikelektrode 51 eingebrachten trichterförmigen Vorkanäle 52 werden mit einer Epoxid harzmasse bündig verschlossen. Der Epoxidharzmasse wird zur Verminderung der Haftung auf den Oberflächen der Vorkanäle 52 ein internes Trenn mittel zugesetzt, so daß in einem späteren Schritt das Füllmaterial 53 über eine Hilfsplatte, die formschlüssig mit dem Füllmaterial 53 verbunden ist, leicht aus den Vorkanälen 52 mechanisch entfernbar ist. Die Resistschicht 54 wird durch Aufgießen eines vernetzenden Gießharzes auf Methacrylat-Basis mit an schließender Härtung hergestellt. Zur Erhöhung der Haftfestigkeit der Resistschicht 54 aus PMMA wird die Oberfläche der Galvanikelektrode 51 vor dem Aufbringen des Gießharzes durch Sandstrahlen mit Korund mit einer mittleren Körnung von 10 µm aufgerauht. Die partielle Bestrahlung der Resistschicht 54 erfolgt über eine Röntgenmaske mit Synchrotronstrahlung 55 mit einer charakteristischen Wellenlänge λ _c = 0,2 mm. Die Röntgenmaske besteht aus einem für die Synchrotron strahlung weitgehend durchlässigen Maskenträger aus ca. 20 µm starkem Beryllium und einem für Röntgenstrahlung weitgehend undurch lässigen Absorber aus ca. 15 µm starkem Gold. Das partielle Ent fernen des bestrahlten Resistmaterials erfolgt in bekannter Weise mit einem flüssigen Entwickler. Die Galvanikschicht 71 wird durch Ab scheiden von Nickel auf der Galvanikelektrode 51 in einem chloridfreien Nickelsulfamatbad hergestellt. Die Galvanikschicht 71 wird durch Polierfräsen eingeebnet. Durch erneutes Be strahlen mit Synchrotronstrahlung und anschließendes Entwickeln werden die Negativformen 61 entfernt. Das Füllmaterial 53 wird wie bereits beschrieben mechanisch aus den Vorkanälen 52 der Galvanikelektrode 51 entfernt.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Spinndüsenplatten mit Spinndüsenkanälen unter Verwendung einer Formplatte, die den Spinndüsenkanälen entspre chende Formkanäle enthält, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens schritte:

a) Zusammenfügen der die Formkanäle (11) enthaltenden Formplatte (12) mit einer Zuführungskanäle (13) enthaltenden Galvanikelektrode (14), so, daß die Formkanäle (11) und die Zuführungskanäle (13) aneinander anschließen;
b) Erzeugen von mit der Galvanikelektrode (14) verbundenen Negativ formen (21) der Spinndüsenkanäle durch gemeinsames Abfüllen der Formkanäle (11) und der Zuführungskanäle (13) mit einem elektrisch isolierenden Abformmaterial (22) und anschließendes Entfernen der Formplatte (12).
c) Erzeugen einer die Negativformen (21) der Spinndüsenkanäle ein schließenden Galvanikschicht (31), Einebnen dieser Galvanikschicht und Entfernen der Negativformen (21) und des restlichen Abformma terials (22).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Formplatte verwendet wird, die durch folgende Verfahrensschritte hergestellt wird:

Verbinden einer Schicht (54) aus durch energiereiche Strahlung (55) in seinen Eigenschaften veränderbarem Material (Resistmaterial) mit einer Galvanikelektrode (51);
Erzeugen von mit der Galvanikelektrode (51) verbundenen Negativ formen (61) der Formkanäle durch partielles Bestrahlen und partielles Entfernen des Resistmaterials unter Ausnutzung der durch die Be strahlung erzeugten unterschiedlichen Materialeigenschaften;
Erzeugen einer die Negativformen (61) der Formkanäle einschließenden Galvanikschicht (71) auf der Galvanikelektrode (51), Einebnen der Galvanikschicht (71) und Entfernen der Negativformen (61);
Vollständiges oder teilweises Entfernen der Galvanikelektrode bei Bedarf.