CH701648B1 - Heizvorrichtung und Verfahren für das Strecken von Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefinfasern. - Google Patents

Abstract

Eine Heizvorrichtung und ein Verfahren, geeignet für das Strecken von Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefinfasern, wie Ultrahochmolekulargewicht-Polyethylenfasern. Die Heizvorrichtung schliesst einen ersten Satz (114) von Walzen (116) und eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Öfen (120, 122, 124, 126, 128, 130) ein. Die Vorrichtung schliesst einen zweiten Satz (134) von Walzen (136) am Ausgang der Öfen ein, welche Walzen (136) darauf abgestimmt sind, das gewünschte Strecken der Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefinfasern bereitzustellen. Die Vorrichtung und das Verfahren stellen einen einzigen Streckschritt in einer erhitzten Umgebung unter Verwendung von vorzugsweise sechs horizontalen Öfen (120, 122, 124, 126, 128, 130) bereit.

Description

Hinweis auf verwandte Anmeldungen

[0001] Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der US Provisional Patentanmeldung Seriennummer 60/751 895, die am 20. Dezember 2005 eingereicht wurde.

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

[0002] Diese Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung für das Strecken von Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefinfasern und ein Verfahren für das Strecken solcher Fasern.

Beschreibung des Stands der Technik

[0003] Polyolefin-Fasern mit hoher Zähigkeit, wie gelersponnene Polyethylen-Fasern, sind im Fachgebiet bekannt. Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefine schliessen Polyethylen, Polypropylen, Poly(buten-1), Poly(4-methylpenten-1), deren Copolymere, Mischungen und Addukte ein. Sie werden aus Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefinen und im Falle von Polyethylen aus Ultrahochmolekulargewicht-Polyethylen (UHMWPE) hergestellt. Die Herstellung und das Strecken solcher Fasern wurde in verschiedenen Patentpublikationen beschrieben, einschliesslich die US-Patente 4 413 110; 4 430 383; 4 436 689; 4 536 536; 4 545 950: 4 551 296; 4 612 148; 4 617 233; 4 663 101; 5 032 338; 5 246 657; 5 286 435; 5 342 567; 5 578 374; 5 736 244; 5 741 451; 5 958 582; 5 972 498; 6 448 359; 6 969 553 und die veröffentlichte US-Patentanmeldung 2005/0 093 200, deren Offenbarungen hier, in dem Masse, in dem sie hiermit nicht unverträglich sind, durch Bezugnahme ausdrücklich eingeschlossen sind. Ein Ofen für das Strecken von Fasern wird auch in der veröffentlichten US-Patentanmeldung 2004/0 040 176 beschrieben.

[0004] UHMWPE-Garne sind für viele Anwendungen geeignet, wie bei der Stossdämpfung und bei antiballistischen Produkten. Diese schliessen Körper-Schutzwesten, Helme, Flugzeug-Abschirmungen und zusammengesetzte Sportausrüstungen ein. Sie sind auch geeignet als Angelschnüre, Segel, Seile, chirurgische Nähte und Textilwaren.

[0005] In einer typischen Streckanordnung werden die gelersponnenen Fasern durch Spinnen einer Lösung aus Ultrahochmolekulargewicht(UHMW)-Polyethylen, Kühlen der Lösungs-Filamente auf Gel-Zustand und dann Entfernen der Spinnlösung hergestellt. Die gesponnenen Fasern werden dann zu einem hochorientierten Zustand gestreckt. Beim Streckvorgang werden die ersponnenen Fasern typischerweise erst zu einem ersten Block geheizter Walzen, dann durch einen oder mehrere Öfen (typischerweise vier), dann zu einem zweiten Block geheizter Walzen, dann zu zwei oder mehr zusätzliche Öfen (typischerweise zwei) und schliesslich zu einem dritten Block geheizter Walzen gespiesen, bevor die Faser oder das Garn aufgerollt wird. Die Geschwindigkeit und die Temperatur der Walzen werden ebenso wie die Temperatur und die Temperaturprofile in den Öfen angepasst, um die gewünschte Streckgeschwindigkeit und Produkteigenschaften der Fasern oder des Garns zu erhalten. Die Fasern werden im Einklang mit dieser Anordnung einem Zweistufen-Streckverfahren unterzogen.

[0006] Obschon eine solche Anordnung Fasern und Garne mit hervorragender Qualität hervorgebracht hat, ist das Gesamtverfahren infolge der mehreren Heizzonen und Walzensätze teuer und der Durchsatz ist beschränkt. Es ist deshalb wünschenswert, eine Ofenanordnung für Ultrahochmolekulargewicht-Polyethylenfasern bereitzustellen, welche weniger teuer betrieben werden kann und welche gestreckte Fasern oder Garne bei hoher Geschwindigkeit bereitstellen kann.

Darstellung der Erfindung

[0007] Im Einklang mit dieser Erfindung wird eine Heizvorrichtung bereitgestellt, die zum Strecken von Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefin-Fasern geeignet ist, wobei diese Heizvorrichtung umfasst: einen ersten Walzensatz; eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Öfen, wobei die Vielzahl an Öfen ein Ende benachbart dem ersten Walzensatz und ein gegenüberliegendes Ende hat; und einen zweiten Walzensatz benachbart dem gegenüberliegenden Ende der Vielzahl an Öfen, wobei der erste und der zweite Walzensatz darauf angepasst sind, das gewünschte Strecken der UHMW-Polyolefinfasern bereitzustellen.

[0008] Ebenfalls im Einklang mit dieser Erfindung wird ein Verfahren für das Strecken von Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefinfasern bereitgestellt, welches Verfahren das Durchführen der Fasern durch eine Heizvorrichtung umfasst, wobei die Heizvorrichtung umfasst: Eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Öfen, wobei die Vielzahl an Öfen ein Ende benachbart dem ersten Walzensatz und ein gegenüberliegendes Ende hat; und einen zweiten Walzensatz benachbart dem gegenüberliegenden Ende der Vielzahl an Öfen, wobei der erste und der zweite Walzensatz unter Bedingungen betrieben werden, derart, dass das gewünschte Strecken der UHMW-Polyolefinfasern erhalten wird, und Strecken der Fasern zwischen dem ersten Walzensatz und dem zweiten Walzensatz zu einem vorbestimmten Streckverhältnis.

[0009] Es wurde gefunden, dass durch Modifizierung der vorherigen Streckanordnung durch Entfernen des zweiten Walzensatzes und Bereitstellen einer Serie horizontaler Öfen, UHMW-Polyolefinfasern, wie UHMW-Polyethylenfasern, mit wünschenswerten Eigenschaften bei geringerem finanziellem Aufwand, geringerem operationellem Aufwand und einem grösseren Durchsatz erhalten werden können. Solche Fasern haben zudem verbesserte Eigenschaften.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010] Diese Erfindung wird vollständiger verstanden werden und weitere Vorteile werden ersichtlich, wenn Bezug genommen wird auf die folgende ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und die begleitenden Zeichnungen, worin: <tb>Fig. 1<sep>eine schematische Ansicht einer typischen Öfenanordnung ist, welche beim Strecken von UHMW-Polyethylenfasern angewendet wird, <tb>Fig. 2<sep>eine schematische Ansicht einer Öfenanordnung gemäss der vorliegenden Erfindung ist, welche zum Strecken von Ultrahochmolekulargewicht-Polyethylenfasern geeignet ist.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

[0011] Die vorliegende Erfindung umfasst eine Heizvorrichtung für das Strecken von Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefinfasern und ein Verfahren für das Strecken solcher Fasern.

[0012] Für den Zweck der vorliegenden Erfindung ist eine Faser ein länglicher Körper, dessen Längsausdehnung viel grösser ist als dessen Querausdehnungen der Breite und Dicke. Dementsprechend schliesst der Begriff «Faser» eine oder eine Vielzahl an Monofilamenten, Multifilamenten, Bänder und Leisten, Stapelfasern und anderen Formen von zerhackten, geschnittenen oder diskontinuierlichen Fasern und Ähnlichem mit regelmässigen oder unregelmässigen Querschnitten ein. Der Begriff «Faser» schliesst eine Vielzahl irgendeiner der vorstehend Genannten oder eine Kombination derselben ein. Ein Garn ist ein kontinuierlicher Strang, gebildet aus vielen Fasern oder Filamenten.

[0013] Die Querschnitte von hierin geeigneten Fasern können weit variieren. Sie können im Querschnitt kreisförmig, flach oder länglich sein. Sie können auch unregelmässigen oder regelmässigen mehrlappigen Querschnitt haben mit einem oder mehreren regelmässigen oder unregelmässigen Lappen, welche aus der linearen oder Längsachse der Faser herausragen. Es ist bevorzugt, dass die Fasern von im Wesentlichen kreisförmigem, flachem oder länglichem Querschnitt sind, am meisten bevorzugt im Wesentlichen kreisförmig.

[0014] Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefine, die für die vorliegede Erfindung geeignet sind, schliessen Polyethylen, Polypropylen, Poly(buten-1), Poly(4-methylpenten-1), deren Copolymere, Mischungen und Addukte ein. Diese Polymere haben typischerweise eine Grenzviskosität, gemessen in Decalin bei 135 °C von etwa 5 bis etwa 45 dl/g.

[0015] Vorzugsweise umfasst das zu streckende Einspeise-Garn ein Polyethylen mit einer Grenzviskosität in Decalin von etwa 8 bis 40 dl/g, stärker bevorzugt von etwa 10 bis 30 dl/g und am meisten bevorzugt von 12 bis 30 dl/g. Vorzugsweise umfasst das zu streckende Garn ein UHMW-Polyethylen mit weniger als etwa einer Methylgruppe pro tausend Kohlenstoffatome, mehr bevorzugt weniger als 0.5 Methylgruppen pro tausend Kohlenstoffatome und weniger als etwa 1 Gew.-% anderer Bestandteile. Die Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefine können geringe Anteile, im Allgemeinen weniger als etwa 5 Gewichtsprozent und vorzugsweise weniger als etwa 3 Gewichtsprozent Additive enthalten, wie Antioxidantien, Wärmestabilisatoren, Farbstoffe, Fliessverbesserer, Lösungsmittel und Ähnliches.

[0016] Die mittels des erfindungsgemässen Verfahrens zu streckenden gelersponnenen UHMW-Polyethylenfasern können vorab gestreckt worden sein, oder sie können in einem im Wesentlichen ungestreckten Zustand sein. Das Verfahren zur Bildung des gelersponnenen Polyethylen-Einspeisegarns kann eines der Verfahren sein, die beispielsweise beschrieben sind in irgendeinem der US-Patente Nrn. US 4 551 296, 4 663 101, 5 741 451 und 6 448 659.

[0017] Im Falle von Polyethylen sind geeignete Fasern solche mit einem gewichtsgemittelten Molekulargewicht von mindestens etwa 150 000 g/mol, vorzugsweise mindestens etwa einer Million und stärker bevorzugt zwischen etwa zwei Millionen und etwa fünf Millionen. Im Falle von Ultra-Hochmolekulargewicht-Polypropylenfasern können diese ein gewichtsgemitteltes Molekulargewicht von mindestens etwa 200 000, vorzugsweise von mindestens etwa einer Million und stärker bevorzugt von mindestens etwa zwei Millionen haben.

[0018] Die Zähigkeit des Einspeisegarns kann in einem Bereich von 2 bis 76, vorzugsweise von 5 bis 66, stärker bevorzugt von 8 bis 57 g/dtex (7 bis 51 Gramm pro Denier (g/d)), gemessen nach ASTM D2256-97 bei einer Lehrenlänge von 10 Inch (25.4 cm) und einer Verformungsgeschwindigkeit von 100%/min liegen.

[0019] In der folgenden Beschreibung wird typischerweise auf UHMW-Polyethylenfasern Bezug genommen, aber es ist verständlich, dass diese Offenbarung auch auf andere UHMW-Polyolefinfasern anwendbar ist.

[0020] Bezugnehmend auf Fig. 1wird dort in schematischer Ansicht ein typischer Streckablauf 10 für Ultrahochmolekulargewicht-Polyethylengarn gezeigt. Garn 12 wird aus einer Quelle (nicht gezeigt) eingespiesen und über einen ersten Satz 14 von Walzen 16 geführt. Diese Walzen werden typischerweise auf eine gewünschte Temperatur erhitzt. Das Garn 18, welches die Walzen verlässt, wird in vier anschliessende horizontale Öfen eingespiesen, von denen nur zwei 20, 22 gezeigt sind.

[0021] Diese Öfen können Heissluftzirkulationsöfen sein. Das Garn 24, welches den ersten Satz an Öfen verlässt, wird dann über einen zweiten Satz 26 von Walzen 28 geführt und als Garn 30 gestreckt. Garn 30 wird dann in zwei weitere benachbarte Öfen 32, 34 eingespiesen, welche ebenfalls Heissluftzirkulationsöfen sein können, und das Garn 36, welches Ofen 34 verlässt, wird dann über einen dritten Satz 38 von Walzen 40 eingespiesen und wird abermals auf das gewünschte Mass gestreckt. Das fertig gestellte Garn 42 wird dann einer Wickelstation (nicht gezeigt) zugeführt. Durch die Verwendung von drei Sätzen von Walzen werden die Fasern einem Zweistufen-Streckvorgang unterzogen.

[0022] Bezugnehmend auf Fig. 2wird dort in schematischer Ansicht die Heizvorrichtung 110 gemäss dieser Erfindung gezeigt. Ultrahochmolekulargewicht-Polyethylengarn 112 wird aus einer Quelle (nicht gezeigt) eingespiesen und über einen ersten Satz 114 von angetriebenen Walzen 116 geführt. Diese Walzen brauchen nicht geheizt zu werden, obschon vorzugsweise die ersten wenigen Walzen nicht geheizt werden und die übrigen Walzen geheizt werden, um die Fasern vor dem Strecken vorzuwärmen. Obschon in Fig. 2 ein Total von 7 Walzen gezeigt ist, kann die Anzahl Walzen grösser oder kleiner sein, abhängig vom gewünschten Aufbau. Das Garn 118 wird in sechs benachbarte, horizontale Öfen 120, 122, 124, 126, 128, 130 eingespiesen, die vorzugsweise alle Heissluftzirkulationsöfen sind. Das Garn wird in den Öfen vorzugsweise nicht gestützt. Garn 132, welches den letzten Ofen 130 verlässt, wird dann über einen zweiten Satz 134 angetriebener Walzen 136 geführt und zum fertigen Garn 138 gestreckt. Der zweite Satz 134 an Walzen 136 sollte kalt sein, so dass das fertige Garn unter Spannung zu mindestens unter etwa 90 °C gekühlt wird, um die Orientierung und die Morphologie zu bewahren. Die Anzahl der Walzen im zweiten Satz 134 kann grösser oder kleiner als die 7 in Fig. 2 gezeigten Walzen und gleich oder verschieden von der Anzahl der Walzen im ersten Walzensatz 114 sein. Garn 138, welches den zweiten Walzensatz 134 verlässt, wird dann in eine Wickelstation (nicht gezeigt) eingespiesen. Durch die Verwendung von nur zwei Sätzen von Walzen werden die Fasern einem Einstufen-Streckverfahren unterzogen. Die Fasern werden zwischen dem ersten Walzensatz 114 und dem zweiten Walzensatz 134 gestreckt. Die Zugspannung wird so angepasst, dass die Fasern in den Öfen nicht gestützt werden müssen. Es gibt deshalb keinen Bedarf für Leitwalzen oder andere Stützvorrichtungen in den verschiedenen Öfen.

[0023] Es ist ersichtlich, dass die Ausführungsform dieser Erfindung, die in Fig. 2 gezeigt ist, ein einfacheres Design hat, in dem nur 2 Walzensätze benötigt werden. Der mittlere Walzensatz der typischen Vorrichtung wurde entfernt und durch zwei zusätzliche Heissluftöfen ersetzt. Zudem müssen nicht alle Walzen des Eingang-Walzensatzes geheizt werden, und es können nur die Walzen geheizt werden, die sich am nächsten beim Ofeneingang befinden. Zum Beispiel werden in einer Ausführungsform mit einem Neunwalzensatz-Aufbau vorzugsweise nur die letzten drei Walzen, die am nächsten beim Ofeneingang liegen, geheizt.

[0024] In einer alternativen Ausführungsform sind die zentralen Öfen (124, 126) nicht in die Heizvorrichtung eingeschlosssen aber der mittlere Walzensatz des typischen Aufbaus ist entfernt worden, und nur ein Total von vier horizontalen Öfen (120, 122, 128, 130) wird eingesetzt.

[0025] Die Anzahl und die Grösse der in der Heizvorrichtung dieser Erfindung eingesetzten Öfen können variieren. Vorzugsweise sind entweder vier oder sechs Öfen in horizontaler Weise in einer Reihe angeordnet. Diese Öfen können in der Länge variieren. Beispielsweise kann jeder der Öfen von etwa 10 bis etwa 16 Fuss (3.05 bis 4.88 Meter) lang sein, stärker bevorzugt von etwa 11 bis etwa 13 Fuss (3.35 bis 3.96 Meter) lang. Ihre Weite kann jede geeignete Weite sein.

[0026] Mittels thermischer Bildgebungsmessungen und Messungen der Garngeschwindigkeit wurde gefunden, dass in den typischen Streckverfahren das Garn, das durch den ersten Satz von Walzen erhitzt worden ist, bereits abgekühlt ist, bevor es den ersten Satz an Öfen (Öfen 20, 22) erreicht. Als Resultat davon wird ein Teil des ersten Ofensatzes eher dazu verwendet, das Garn zu erhitzen als das Garn zu strecken. Während der zweite Satz von Walzen 26 das Garn wieder erhitzt, hat das Garn wieder abzukühlen begonnen, bevor es den zweiten Satz von Öfen (Öfen 32, 34) erreicht. Auf ähnliche Weise wird ein Teil des zweiten Ofensatzes eher dazu verwendet, das Garn zu erhitzen als das Garn zu strecken. Dieses Verfahren, in dem das Garn Heiz-, Kühl-, Heiz-, Kühlschritten unterzogen wird, wurde als nicht so wirksam festgestellt, wie dies gewünscht wäre, um das hohe Streckverhältnis zu erzielen, das notwendig ist, um hohe End-Reissfestigkeit (UTS), hohe Zähigkeit und hohes Modul zu erhalten. Zudem ist die Verfahrensausbeute vermindert und die Kapitalkosten sind infolge des Bedarfs an drei Sätzen von Walzen erhöht.

[0027] Es wurde gefunden, dass das Garn durch das Entfernen des mittleren Satzes von Walzen den Heiz-, Kühl-, Heiz-, Kühl-Verfahrensschritten des typischen Verfahrens nicht unterzogen wird. Vielmehr behält das Garn die für kontinuierliches Strecken des Garns benötigte Wärme. Dadurch kann Garn bei höheren Geschwindigkeiten hergestellt werden und das Garn kann verbesserte Zähigkeit, verbessertes Modul und verbesserte End-Reissfestigkeit haben. Die Anordnung der Öfen in gerader Linie erhöht auch die Leistungsfähigkeit des Verfahrens.

[0028] Es ist ersichtlich, dass die Heizvorrichtung ein kontinuierliches Strecken der Faser oder des Garns in einem einzigen Schritt unter Hitze und unter Verwendung von nur zwei Sätzen von Walzen. Zusätzlich können die Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung derart angewendet werden, dass die Faser weg vom maximalen Streckverhältnis gestreckt wird, um die Möglichkeit für gebrochene Filamente zu vermindern.

[0029] Die Temperatur und die Geschwindigkeit des Garns durch die Heizvorrichtung können nach Wunsch variiert werden. Beispielsweise können in den Öfen eine oder zwei temperaturkontrollierte Zonen existieren, wobei jede Zone eine Temperatur von etwa 125 °C bis etwa 160 °C, stärker bevorzugt von etwa 130 °C bis etwa 150 °C hat. Vorzugsweise wird die Temperatur innerhalb einer Zone so kontrolliert, dass sie weniger als ± 2 °C variiert (ein Gesamtbetrag von weniger als 4 °C), stärker bevorzugt weniger als ±1 °C (ein Gesamtbetrag von weniger als 2 °C).

[0030] Das Strecken von Garn erzeugt Wärme. Es ist erwünscht, wirksame Wärmeübertragung zwischen dem Garn und der Ofenluft zu haben. Vorzugsweise ist die Luftzirkulation innerhalb der Öfen in turbulentem Zustand. Die zeitgemittelte Luftgeschwindigkeit in der Nähe des Garns beträgt vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 200 Meter/Minute, stärker bevorzugt von etwa 2 bis etwa 100 Meter/Minute und am meisten bevorzugt von etwa 5 bis etwa 100 Meter/Minute.

[0031] Wie oben erwähnt verläuft der Weg des Garns in der Heizvorrichtung 110 vorzugsweise in einer nahezu geraden Linie vom Eingang zum Ausgang der verschiedenen Öfen. Das Zugspannungsprofil des Garns kann angepasst werden durch Anpassung der Geschwindigkeit der verschiedenen Walzen oder durch Anpassung des Temperaturprofils der Öfen. Die Zugspannung des Garns kann erhöht werden durch Vergrössern des Unterschieds in der Geschwindigkeit aufeinanderfolgender angetriebener Walzen oder Absenken der Temperatur in den Öfen. Vorzugsweise ist die Zugspannung des Garns in den Öfen annähernd konstant oder nimmt durch die Öfen zu.

[0032] Typischerweise werden mehrere Spulen mit zu streckendem, gelersponnenem UHMW-Polyethylengarn auf einen Spulenständer gegeben. Mehrere Garnenden werden in paralleler Form vom Spulenständer eingespiesen durch den ersten Satz von Walzen, welche die Einspeisegeschwindigkeit in den Streckofen festlegen und damit durch die Öfen und hinaus auf den zweiten Satz von Walzen, welche die Ausgangsgeschwindigkeit des Garns festlegen und zudem das Garn unter Zugspannung abkühlen. Die Zugspannung im Garn während dem Abkühlen wird ausreichend hoch gehalten, um das Garn unter Vernachlässigung der thermischen Kontraktion auf seiner gestreckten Länge zu halten.

[0033] Das gesamte Streckverhältnis der Fasern kann abhängig von den gewünschten Eigenschaften der Fasern variieren. Beispielsweise kann das Streckverhältnis von etwa 1.1 : 1 bis etwa 15 : 1 betragen, stärker bevorzugt von etwa 1.2 : 1 bis etwa 10 : 1. und am meisten bevorzugt von etwa 1.5 : 1 bis etwa 10 : 1.

[0034] Die Geschwindigkeit der Fasern durch die Heizvorrichtung dieser Erfindung kann ebenfalls variieren. Beispielsweise können typische Liniengeschwindigkeiten, wie sie durch die Geschwindigkeit des zweiten Satzes von Walzen gemessen werden, von etwa 20 bis 100 Meter/Minute betragen, stärker bevorzugt von etwa 30 bis etwa 50 Meter/Minute. Die Liniengeschwindigkeit ist auch abhängig vom gewünschten Denier des Garns.

[0035] Die Vorrichtung und das Verfahren dieser Erfindung sind geeignet, um hochzähe Fasern herzustellen. Wie hierin verwendet bedeutet der Begriff «hochzähe Fasern» Fasern, welche Zähigkeiten gleich oder grösser als etwa 8 g/dtex (g/d) aufweisen. Vorzugsweise haben diese Fasern Anfangs-Zugmodule von mindestens etwa 167 g/dtex (150 g/d) und Bruchenergien von mindestens etwa 8 J/g, gemessen gemäss ASTM D2256. Wie hierin verwendet bedeuten die Begriffe «Anfangs-Zugmodul», «Zugmodul» und «Modul» das Elastizitätsmodul für ein Garn gemessen nach ASTM 2256.

[0036] Abhängig vom Entstehungsverfahren, dem Streckverhältnis und den Temperaturen und anderen Bedingungen kann diesen Fasern eine Mannigfaltigkeit von Eigenschaften verliehen werden. Die Zähigkeit der UHMW-Polyethylenfasern beträgt mindestens etwa 8 g/dtex (7 g/d), vorzugsweise mindestens etwa 17 g/dtex (15 g/d), stärker bevorzugt mindestens etwa 22 g/dtex (20 g/d), noch mehr bevorzugt mindestens etwa 28 g/dtex (25 g/d) und am meisten bevorzugt mindestens etwa 33 g/dtex (30 g/d). Ähnlich beträgt das Anfangs-Zugmodul der Fasern, bestimmt mittels einer Instron Zugfestigkeitsprüfmaschine, vorzugsweise mindestens etwa 333 g/dtex (300 g/d), stärker bevorzugt mindestens etwa 556 g/dtex (500 g/d), noch mehr bevorzugt mindestens etwa 1111 g/dtex (1000 g/d) und am meisten bevorzugt mindestens etwa 1333 g/dtex (1200 g/d). In einer am meisten bevorzugten Ausführungsform haben die Fasern nach dem Strecken eine Zähigkeit von mindestens etwa 39 g/dtex (35 g/d) und ein Modul von mindestens etwa 1333 g/dtex (1200 g/d). Viele der Filamente haben Schmelzpunkte höher als der Schmelzpunkt des Polymers, aus dem sie gebildet wurden. So haben beispielsweise Ultra-Hochmolakulargewicht-Polyethylene mit Molekulargewichten von etwa 150 000, etwa einer Million und etwa zwei Millionen im Allgemeinen Schmelzpunkte als Bulkware von 138 °C. Die hochorientierten aus diesen Materialien hergestellten Polyethylen-Filamente haben Schmelzpunkte, die etwa 7 °C bis etwa 13 °C höher liegen. Somit widerspiegelt eine geringe Erhöhung im Schmelzpunkt die kristalline Perfektion und höhere kristalline Orientierung der Filamente im Vergleich zur polymeren Bulkware.

[0037] Die resultierenden Garne können jeden beliebigen tex (Denier) haben, wie von etwa 56 bis etwa 3333 dtex (etwa 50 bis etwa 3000 Denier), stärker bevorzugt von etwa 83 bis etwa 2222 dtex (etwa 75 bis etwa 2000 Denier). Beispiele an Produkten mit feinem tex (Denier) schliessen die mit 83, 111, 144, 167, 200, 239, 417, und 483 dtex (75, 100, 130, 150, 180, 215, 375 und 435 Denier) ein. Beispiele für Produkte mit hohem tex (Denier) schliessen 1000, 1222 und 1444 dtex (900, 1100 und 1300 Denier) ein. Der Denier des Einspeisegarns wird abhängig vom gewünschten Denier des Garns gewählt. Um beispielsweise ein 1444-dtex(1300-Denier)-Garn herzustellen, kann das Einspeisegarn 2667 dtex (2400 Denier) haben und somit das Streckverhältnis etwa 1.85 : 1 betragen. Um ein 417-dtex(375-Denier)-Produkt herzustellen, kann das Einspeisegarn 722 dtex (650 Denier) haben mit einem Streckverhältnis von etwa 1.73.

[0038] Die Garne, die mit der Vorrichtung und dem Verfahren dieser Erfindung hergestellt wurden, können in einer Vielzahl von Anwendungen, für die solche Garne geeignet sind, verwendet werden. Sie sind geeignet für die Stossdämpfung und für antiballistische Produkte wie Körper-Panzer (kugelsichere Westen und Ähnliches), Helme, Flugzeug-Abschirmungen und Sitze, zusammengesetzte Sportausrüstungen und in Angelschnüren, Segeln, Seilen, chirurgischen Nähten und Textilwaren (z.B. gewobene, gestrickte, umsponnene und Vliese). Typische Vliese schliessen eine Anordnung von orientierten Garnen in einer Richtung ein. Textilwaren, hergestellt aus solchen Garnen, können zusammen mit einem Matrix-Harz verwendet werden. Die Garne können mit anderen Garntypen gemischt werden, sowohl mit Garnen hoher Festigkeit als auch mit Garnen herkömmlicher Festigkeit.

[0039] Die folgenden nicht-limitierenden Beispiele werden gezeigt, um für ein vollständigeres Verständnis der Erfindung zu sorgen. Die speziellen Techniken, Bedingungen, Materialien, Verhältnisse und wiedergegebenen Werte, die angegeben werden, um die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen, sind beispielhaft und sollen nicht als den Umfang der Erfindung beschränkend ausgelegt werden.

Beispiele

Beispiel 1 (vergleichend)

[0040] Ultrahochmolekulargewichts-Polyethylenfasern werden in einer Zweistufenstreckung in einer Ofenanordnung, welche einen ersten Satz von vier Öfen und einen zweiten Satz von zwei Öfen einschliesst, mit einem ersten Walzensatz, einem mittleren Walzensatz und einem dritten Walzensatz in einer Art gestreckt, wie in Fig. 1 gezeigt.

[0041] Die Länge jedes Ofens beträgt 12 Fuss (3.66 m), so dass der erste Satz von 4 Öfen ein Total von 48 Fuss (14.63 m) und der zweite Satz von Öfen ein Total von 24 Fuss (7.32 m) ausmacht.

[0042] Die Temperatur der Walzen ist wie folgt: Erster Satz = 125 °C, zweiter Satz = 125 °C und dritter Satz = 25 °C. Die Temperaturen des ersten und zweiten Satzes an Öfen sind 150 °C.

[0043] Der Ausgangs-tex (Denier) ist 2667 dtex (2400d) und der End-tex (Denier) ist 1222 dtex (1100 d). Das Streckverhältnis ist 2 : 2 : 1. Die Geschwindigkeit des ersten Satzes von Walzen ist 16 m/min, die Geschwindigkeit des zweiten Satzes ist 26 m/min und die Geschwindigkeit des dritten Satzes von Walzen ist 34 m/min.

[0044] Die Zähigkeit der resultierenden Faser ist von 31 bis 33 g/dtex (35 bis 37 g/d) und das Anfangs-Zugmodul ist 1035–1080 g/dtex (1150 bis 1200 g/d).

Beispiel 2

[0045] In diesem Beispiel werden Ultrahochmolekulargewicht-Polyethylenfasern in einer Einstufenstreckung in einer Ofenanordnung, welche einen Satz von sechs horizontal in einer Reihe angeordnete Öfen einschliesst, in einer Art gestreckt, wie in Fig. 2 veranschaulicht. Es werden nur zwei Sätze von Walzen verwendet, ein Eingangssatz (erster Satz) und ein Ausgangssatz (zweiter Satz).

[0046] Die Länge jedes Ofens beträgt 12 Fuss (3.66 Meter), so dass die gesamte Länge der sechs Öfen 72 Fuss (21.95 Meter) beträgt.

[0047] Der erste Satz von Walzen hat eine Temperatur von 125 °C und der zweite Satz von Walzen hat eine Temperatur von 25 °C. Die Temperatur jedes Ofens beträgt 150 °C.

[0048] Der Ausgangs-tex (Denier) ist 2667 dtex (2400 Denier) und der End-tex (Denier) ist 1222 dtex (1100 Denier) mit einem Streckverhältnis von 2 : 1 : 1. Die Geschwindigkeit für den ersten Satz von Walzen ist 20 m/min und die Geschwindigkeit des zweiten Satzes von Walzen ist 44 m/min.

[0049] Die Zähigkeit der resultierenden Faser ist von 33 bis 35 g/dtex (37 bis 39 g/d) und das Anfangs-Zugmodul ist 1125 bis 1170 g/dtex (1250 bis 1300 g/d).

[0050] Es ist ersichtlich, dass die in Beispiel 2 angewendete und in der in Beispiel 2 beschriebenen Weise betriebene Heizvorrichtung Fasern mit höherer Zähigkeit und höherem Modul ergibt als die Fasern der Ofenanordnung gemäss Beispiel 1. Auch die Liniengeschwindigkeit in Beispiel 2 ist signifikant höher als in Beispiel 1, so dass dort eine Erhöhung der Produktivität des Verfahrens besteht.

[0051] Es ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren für das Bilden gestreckter Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefinfasern und -garne, wie UHMW-Polyethylenfasern und -garne, auf eine kostenwirksame und verfahrensmässig günstige Weise bereitstellt. Die resultierenden Garne haben die gewünschten Eigenschaften, um für eine Vielzahl anspruchsvoller Anwendungen geeignet zu sein.

[0052] Dadurch, dass die Erfindung sehr ausführlich beschrieben worden ist, ist klar, dass solchen Einzelheiten nicht strikte angehaftet werden muss, sondern dass sich dem Fachmann weitere Änderungen und Modifikationen erschliessen, die alle in den Bereich der Erfindung fallen, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims (9)

1. Heizvorrichtung, geeignet für das Strecken von Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefinfasern, welche Heizvorrichtung umfasst: Einen ersten Walzensatz; eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Öfen, wobei die Vielzahl an Öfen ein Ende benachbart dem ersten Walzensatz und ein gegenüberliegendes Ende hat; und einen zweiten Walzensatz benachbart dem gegenüberliegenden Ende der Vielzahl an Öfen, wobei der erste und der zweite Walzensatz darauf angepasst sind, das gewünschte Strecken der Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefinfasern bereitzustellen.

2. Heizvorrichtung gemäss Anspruch 1, welche mindestens vier horizontal in einer Reihe angeordnete Öfen umfasst.

3. Heizvorrichtung gemäss Anspruch 1, welche Mittel für den Transport der Fasern durch die Öfen in einer nahezu geraden Linie einschliesst.

4. Verfahren für das Strecken von Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefinfasern, welches Verfahren das Durchführen der Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefinfasern durch eine Heizvorrichtung umfasst, wobei die Heizvorrichtung umfasst: eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Öfen, wobei die Vielzahl an Öfen ein Ende benachbart dem ersten Walzensatz und ein gegenüberliegendes Ende hat; und einen zweiten Walzensatz benachbart dem gegenüberliegenden Ende der Vielzahl an Öfen, wobei der erste und der zweite Walzensatz unter Bedingungen betrieben werden, derart, dass das gewünschte Strecken der Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefinfasern erhalten wird, und Strecken der Fasern zwischen dem ersten Walzensatz und dem zweiten Walzensatz auf ein vorbestimmtes Streckverhältnis.

5. Verfahren gemäss Anspruch 4, worin die Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefinfasern Ultrahochmolekulargewicht-Polyethylenfasern enthalten oder Ultrahochmolekulargewicht-Polyethylenfasern sind.

6. Verfahren gemäss Anspruch 4, worin die Heiz-Vorrichtung mindestens vier horizontal in einer Reihe angeordnete Öfen umfasst.

7. Verfahren gemäss Anspruch 4, welches das Strecken der Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefinfasern in der Heizvorrichtung in einem einzigen Arbeitsgang umfasst.

8. Verfahren gemäss Anspruch 4, worin die Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefinfasern in annähernd gerader Linie durch die Öfen transportiert werden.

9. Verfahren gemäss Anspruch 4, worin die Ultrahochmolekulargewicht-Polyolefinfasern zu einem Streckverhältnis von 1.1 : 1 bis 15 : 1 gestreckt werden.