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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzspinnen einer Vielzahl von Filamenten sowie eine Vorrichtung zum Schmelzspinnen einer Vielzahl von Filamenten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Beim Schmelzspinnen von synthetischen Filamenten aus einer Polymerschmelze ist es üblich, dass die Filamente nach dem Extrudieren durch eine Spinndüse zur Verfestigung des Polymers mittels einer Kühlluft abgekühlt werden. Während der Abkühlung der Filamente bildet sich durch Erstarrung der Polymerschmelze ein so genannter Filamenttiter aus. Hierbei ist für die Qualität der Filamente eine hohe Gleichmäßigkeit des Titers gewünscht. So ist die Titergleichmäßigkeit pro Filament sowie über alle Filamente gleichermaßen zu erzielen. Daher wird die Zufuhr der Kühlluft derart gesteuert, dass möglichst innerhalb der Filamentschar jedes der Filamente eine gleichmäßige Kühlung erhält. Bei einer hohen Anzahl von Filamenten besteht jedoch das Problem, dass einzelne Anhaftungen zwischen den Filamenten entstehen können. Um derartige Verbindungen und Bündelungen von mehreren Filamenten zu vermeiden, ist es im Stand der Technik bekannt, die Filamente elektrostatisch aufzuladen, um somit durch gleichpolige Aufladungen das Zusammengehen der Filamente zu vermeiden.
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So ist aus der
EP 0949362 A2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schmelzspinnen einer Vielzahl von Filamenten bekannt, bei welcher unmittelbar unterhalb einer Spinndüse ein Ladungsgeber angeordnet ist, durch welchen eine elektrostatische Aufladung der Filamente erzeugt wird. Zur Aufladung der Filamente wird eine ionisierte Luft den frisch extrudierten Filamenten zugeführt. Nach einer Abkühlung erfolgt eine Entladung der Filamente.
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Bei dem bekannten Verfahren und bei der bekannten Vorrichtung zum Schmelzspinnen einer Vielzahl von Filamenten besteht das Problem, dass die Filamente bereits unmittelbar nach dem extrudieren eine elektrostatische Aufladung erhalten, was zu einer Aufblähung der Filamentschar führt. Derartige Effekte wirken jedoch der Ausbildung eines gleichmäßigen Filamenttiters entgegen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Schmelzspinnen einer Vielzahl von Filamenten zu schaffen, bei welchen bzw. bei welcher eine hohe Vielzahl von Filamenten gleichmäßig herstellbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 7 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale und Merkmalskombinationen der jeweiligen Unteransprüche definiert.
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Die Erfindung besitzt den besonderen Vorteil, dass die elektrostatische Aufladung der Filamente erst in einem Zustand der Filamente erzeugt wird, in welcher zumindest eine Randzone der Filamente sich bereits verfestigt hat. So werden die Filamente während der Abkühlung elektrostatisch aufgeladen. Der Ladungsgeber ist hierzu im Höhenbreich des Blasmittels, vorzugsweise in einem unteren Drittel angeordnet. Die sich dabei zwischen den Filamenten einstellenden Abstoßeffekte werden neben der besseren Abkühlung gleichzeitig zur Vergleichmäßigung einer Benetzung der Filamente genutzt. So erfolgt die Entladung der Filamente durch einen Kontakt zu einer benetzten Kontaktfläche. Durch die Aufspreizung der Filamente ist eine separate Benetzung aller Filamente möglich.
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Um die Abkühlung der Filamente und die Benetzung der Filamente zu verbesserten ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Ladungsgeber im Höhenbereich des Blasmittels angeordnet, wobei eine anschließende elektrische Entladung der Filamente durch eine Benetzungseinrichtung mit einer benetzten Kontaktfläche vorgesehen ist, an welcher die Filamente geführt sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen so das Schmelzspinnen einer großen Anzahl von Filamenten ohne Risiko einzelner Bündelbildungen. Insoweit sind das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung für hohe Produktionsleistungen, wie beispielsweise bei der Herstellung von Stapelfasern üblich, besonders geeignet.
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Die Verfahrensvariante, bei welcher die elektrostatische Aufladung der Filamente in einer Vorkühlung der Filamente mit Abstand zu der Spinndüse erfolgt, besitzt den besonderen Vorteil, dass eine ausreichende Vorverfestigung der Filamente vorherrscht. Insoweit lässt sich eine konzentrierte elektrostatische Aufladung im Randbereich der Filamente erzeugen. Die Kerne der Filamente bleiben im Wesentlichen davon unbeeinflusst.
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Um eine gezielte und schnelle elektrostatisch Aufladung zu erhalten, hat sich die Verfahrensvariante bewährt, bei welcher zum Aufladen der Filamente ein elektrisches Feld mit einer Hochspannung im Bereich von maximalen 30 kV erzeugt wird, durch welches die Filamente geführt werden.
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Das elektrische Feld wird bevorzugt durch eine Aufladungselektrode mit einem Abstand von 5 mm bis 30 mm zu den Filamenten erzeugt. Der Abstand zwischen den Filamenten und der Aufladungselektrode ist im Wesentlichen von der Filamentdichte und der Filamentanordnung abhängig.
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Um eine große Anzahl von Filamenten mit gleichen Eigenschaften erzeugen zu können, ist die Verfahrensvariante bevorzugt ausgeführt, bei welcher die Filamente in einer ringförmigen Anordnung extrudiert und durch eine innenliegende Blaskerze gekühlt werden, wobei die Blaskerzen als eine Gegenelektrode zur Erzeugung des elektrischen Feldes mit der Aufladungselektrode zusammenwirkt. So kann der ringförmige Filamentvorhang gezielt elektrostatisch aufgeladen werden.
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Die Benetzung und Entladung der Filamente wird dann bevorzugt durch die Verfahrensvariante ausgeführt, bei welcher die Filamente am Umfang eines Benetzungsringes an einem Halteende der Blaskerze mit einem Fluid benetzt werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Weiterbildung besonders vorteilhaft, bei welcher der Ladungsgeber mit einem Mindestabstand unterhalb der Spinndüse angeordnet ist, in welchem eine Vorkühlung der Filamente ausführbar ist. Damit können gezielt die verfestigten Randzonen der Filamente elektrostatisch aufgeladen werden. Die Behinderung zur Ausbildung eines gleichmäßigen und konstanten Filamenttiters wird vermieden.
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Um in Abhängigkeit von dem Filamenttiter und dem jeweiligen Polymertyp den Ort der Aufladung innerhalb der Kühlzone verändern zu können, ist die Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, bei welcher der Ladungsgeber höhenverstellbar ausgebildet ist. So kann sowohl der Abstand zur Spinndüse als auch der Abstand zur nachfolgenden Benetzungseinrichtung dem jeweiligen Prozess und den jeweiligen Filamenten angepasst werden.
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Zur intensiven elektrostatischen Aufladung ist der Ladungsgeber bevorzugt derart ausgebildet, dass in der Umgebung der Filamente ein elektrisches Feld durch eine Hochspannung im Bereich von maximal 30 kV erzeugbar ist. Damit kann in einer relativ kurzen Durchlaufzone der Filamente eine intensive Aufladung erzeugt werden.
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Der Ladungsträger weist hierzu eine Aufladungselektrode auf, die in einem Abstand von 5 mm bis 30 mm zu den Filamenten angeordnet ist.
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Zum Schmelzspinnen einer sehr großen Anzahl von Filamenten ist die Vorrichtungsvariante bevorzugt eingesetzt, bei welcher die Spinndüse eine ringförmige Anordnung von Düsenöffnungen aufweist und bei welcher die Aufladungselektrode ringförmig ausgebildet ist. So lässt sich die durch die Spinndüse extrudierte Filamentschar durch die Aufladungselektrode einschließen, um dem gesamten Umfang der Filamentschar eine gleichmäßige elektrostatische Aufladung zu erzeugen.
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Die Abkühlung erfolgt dabei bevorzugt durch eine mittig zur Spinndüse angeordnete Blaskerze, die gleichzeitig als eine Gegenelektrode gegenüber der Aufladungselektrode ausgebildet ist. Insoweit lässt sich ein stabiles elektrisches Feld zwischen der Aufladungselektrode und der Blaskerze ohne zusätzliche Mittel erzeugen.
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Um den Effekt der Abstoßwirkung der elektrostatischen Aufladung in der Filamentschar direkt nutzen zu können, ist die Benetzungseinrichtung bevorzugt durch einen Benetzungsring an einen Haltende der Blaskerze ausgebildet, an dessen Umfang die Filamente mit Kontakt führbar sind. Damit ist eine gleichmäßige und intensive Benetzung aller Filamente gewährleistet.
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Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, das elektrische Feld durch die Aufladungselektrode und eine gegenüberliegende Gegenelektrode oder ein geerdetes Metallbauteil zu erzeugen. Insoweit sind auch rechteckige Spinndüsenanordnungen mit beispielsweise einer Querstromanblasung einsetzbar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schmelzspinnen einer Vielzahl von Filamenten wird nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schmelzspinnen einer Vielzahl von Filamenten unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
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Es stellen dar:
- 1 schematisch eine Vorderansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schmelzspinnen einer Vielzahl von Filamenten.
- 2 schematisch eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels aus 1.
- 3 schematisch eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schmelzspinnen einer Vielzahl von Filamenten.
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In den 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schmelzspinnen einer Vielzahl von Filamenten aus einer Polymerschmelze schematisch dargestellt. In 1 ist das Ausführungsbeispiel in einer Vorderansicht und in 2 in einer Seitenansicht gezeigt. Insoweit kein ausführlicher Bezug zu einer der Figuren gemacht ist, gilt die nachfolgende Beschreibung für beide Figuren.
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Das Ausführungsbeispiel weist eine Spinndüse 1 auf, die üblicherweise in einem beheizten Spinnbalken angeordnet ist. Die Spinndüse 1 weist an ihrer Unterseite eine Düsenplatte 2 auf, die eine Vielzahl von Düsenöffnungen 3 aufweist. Die Spinndüse 1 ist über einen Schmelzezulauf 4 mit einer hier nicht dargestellten Schmelzepumpe verbunden.
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Unterhalb der Spinndüse 1 ist eine Kühleinrichtung 6 angeordnet. Die Kühleinrichtung 6 weist ein Blasmittel 7 auf, das einen Kühlluftstrom auf die durch die Düsenöffnungen 3 frisch extrudierte Filamentschar 5 erzeugt. Das Blasmittel 7 weist hierzu eine seitlich neben der Filamentschar 5 angeordnete Blaswand 8 auf, die mit einer Blaskammer 9 verbunden ist. Der Blaskammer 9 wird eine Kühlluft zugeführt, die durch die Blaswand 8 quer zu der Filamentschar 5 ausgeblasen wird.
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Auf der zur Kühleinrichtung 6 gegenüberliegende Seite ist ein Ladungsgeber 10 angeordnet. Der Ladungsgeber 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Aufladungselektrode 11 gebildet, die mit einem Abstand zu der Filamentschar 5 an einem Halter 13 gehalten ist. Der Abstand zwischen der Aufladungselektrode 11 und der Filamentschar 5 ist in 2 mit dem Kennbuchstaben A eingetragen. In Abhängigkeit vom Prozess, Anzahl der Filamente und Filamentiter liegt der Abstand A in einem Bereich von 5 mm bis 30 mm.
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Die Aufladungselektrode 11 ist stabförmig ausgebildet und mit einer hier nicht dargestellten Stromquelle gekoppelt. Die Aufladungselektrode 11 ist geeignet, um mit einer Hochspannung von maximal 30 kV ein elektrisches Feld in der Umgebung der Filamentschar 5 zu erzeugen. Die Blaswand 8, die der Aufladungselektrode 11 gegenüber liegt, kann je nach Beschaffenheit als Gegenelektrode genutzt werden. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, wie in 2 gestrichelt dargestellt ist, eine Gegenelektrode 12 gegenüberliegend zu der Aufladungselektrode 11 anzuordnen, um ein elektrisches Feld in der Umgebung der Filamentschar 5 zu erzeugen.
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Die Aufladungselektrode 11 ist an dem Halter 13 höhenverstellbar ausgeführt. Hierbei lässt sich die Aufladungselektrode 11 jedoch nur bis auf einen Mindestabstand zur Spinndüse 1 verstellen. Der Mindestabstand zwischen einer oberen Stellung der Aufladungselektrode 11 und der Spinndüse ist in der 2 mit Bezugszeichen V gekennzeichnet. Dieser Mindestabstand V stellt eine Zone der Abkühlung der Filamentschar dar, die eine Vorkühlung ermöglicht, in welcher eine Verfestigung der Randzonen der Filamente eintritt.
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Unterhalb der Kühleinrichtung 6 ist unmittelbar eine Benetzungseinrichtung 14 angeordnet. Die Benetzungseinrichtung 14 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine angetriebene Walze 16 auf, die in einer Wanne 17 mit einem Fluid benetzt wird. Der Umfang der Walze 16 bildet eine Kontaktfläche 15, an welcher die Filamentschar 5 mit Kontakt geführt wird. Die Walze 16 ist über eine Leitung 18 geerdet.
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Bei dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Spinndüse 1 in einer rechteckigen Form ausgebildet und weist an der Düsenplatte 2 eine Vielzahl von Düsenöffnungen 3 bevorzugt in mehrreihiger Anordnung auf. Eine der Spinndüsen 1 unter Druck zugeführte Polymerschmelze beispielsweise ein Polyester wird durch die Düsenöffnungen 3 an der Düsenplatte 2 zu feinsten Filamenten extrudiert. Die Filamente 5.1 werden unterhalb der Spinndüse 1 durch einen Kühlluftstrom abgekühlt. Hierbei durchlaufen die Filamente 5.1 zunächst eine Vorkühlzone, in welcher zumindest eine ausreichende Verfestigung der Randzonen der Filamente erzeugt wird. An jedem der Filamente 5.1 bildet sich ein definierter Filamenttiter aus. Im weiteren Verlauf der Abkühlung passieren die Filamente der Filamentschar 5 ein elektrisches Feld, das durch die Aufladungselektrode 11 erzeugt ist. Dabei entstehen an den Randzonen der Filamente gleichpolige elektrostatische Aufladungen, die das Zusammenführen und Verbündeln mehrerer Filamente untereinander verhindern. Dieser Abstoßeffekt zwischen den Filamenten pflanzt sich sowohl entgegen der Spinnrichtung als auch mit der Spinnrichtung fort. Es wird eine durch die elektrostatische Ladung definierte Separierung erreicht, sodass die Filamente der Filamentschar in diesem Zustand die Kontaktfläche 15 der Benetzungseinrichtung 4 kontaktieren. An der Kontaktfläche 15, die in diesen Ausführungsbeispiel durch den Umfang der Walze 16 gebildet ist, wird einerseits jedes der Filamente mit einem Fluid benetzt und anderseits eine Entladung realisiert. Hierzu ist die Benetzungseinrichtung 14 geerdet. Nach der Benetzung der Filamente könne diese zu einem Faden oder einem Faserstrang zusammengeführt werden.
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Für die Herstellung von Stapelfasern werden eine große Anzahl von Filamenten die mehrere zehntausend Filamente umfassen können, durch Spinndüsen extrudiert. Eine derart hohe Anzahl von Filamenten innerhalb einer Filamentschar wird bevorzugt durch Spinndüsen mit einer ringförmigen Anordnung der Düsenbohrungen extrudiert. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in 3 schematisch in einer Querschnittansicht dargestellt.
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Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schmelzspinnen einer Vielzahl von Filamenten weist die Spinndüse 1 eine Düsenplatte 2 auf, an deren Unterseite eine mehrreihige ringförmige Anordnung von Düsenöffnungen 3 ausgebildet ist. Die Spinndüse 1 ist über einen Schmelzezulauf 4 mit einer hier nicht dargestellten Schmelzepumpe verbunden, um eine Polymerschmelze unter Druck der Spinndüse 1 zuzuführen.
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Unterhalb der Spinndüse 1 ist eine Kühleinrichtung 6 angeordnet, die als Blasmittel 7 eine zylindrische Blaskerze 19 aufweist. Die Blaskerze 19 ist mittig zur Spinndüse 1 derart angeordnet, dass die Blaskerze 19 innerhalb des Filamentvorhangs der Filamentschar 5 steht. Die Blaskerze 19 weist einen gasdurchlässigen Kerzenmantel auf, wobei die Blaskerze 19 über einen Kerzenhalter 23 mit einer hier nicht dargestellten Kühlluftquelle verbunden ist. Insoweit wird durch die Blaskerze 19 ein von innen nach außen radial strömender Kühlluftstrom erzeugt, der die Filamentschar 5 durchdringt.
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Unmittelbar unterhalb der Spinndüse 1 ist gegenüberliegend zu der Blaskerze 19 außerhalb der Filamentschar 5 eine Absaugung 20 angeordnet. Hierdurch lässt sich ein sehr gleichmäßiger laminarer Luftstrom unmittelbar an den frisch extrudierten Filamentsträngen realisieren, der zu einer Vorkühlung der Filamente führt.
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An einem Halteende 22 der Blaskerze 19 ist ein Benetzungsring 21 angeordnet. Der Benetzungsring 21 weist eine Kontaktoberfläche 15 auf, die mit einem Fluid benetzt wird. So könnte beispielsweise die Kontaktfläche 15 im oberen Bereich ein Austrittskanal zur Zuführung des Fluids aufweisen. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Kontaktfläche 15 des Benetzungsringes 21 porös ausgeführt ist und im Innern mit einer Fluidquelle gekoppelt ist.
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Der Benetzungsring 21 ist mit dem Kerzenhalter 23 verbunden und darüber geerdet.
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Auf Höhe des Blasmittels 7 ist außerhalb der Filamentschar 5 eine ringförmige Aufladungselektrode 11 angeordnet. Die Aufladungselektrode 11 weist zur äußeren Filamentschar 5 ein Abstand auf. Der Abstand ist mit dem Kennbuchstaben A gekennzeichnet und liegt im Bereich von 5 mm bis maximal 30 mm. Hierbei richtet sich der Abstand A danach, in welcher Dichte und Breite die Filamentschar 5 geführt ist.
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Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Mantel der Blaskerze 19 metallisch ausgeführt und wirkt als eine Gegenelektrode. Die Erdung der Blaskerze 19 erfolgt über den Kerzenhalter 23. Somit lässt sich ein elektrisches Feld zwischen der Aufladungselektrode 11 und dem Kerzenmantel der Blaskerze 19 erzeugen. Die Aufladungselektrode wird hierzu mit einer Hochspannung von maximal 30 kV betrieben. Aufgrund der Beschaffenheit der Blaskerze 19 kann die Aufladungselektrode 11 in ihrer Höhe verstellbar ausgeführt werden. So lässt sich vorzugsweise im unteren Drittel der Abkühlzone das elektrische Feld erzeugen. In Abhängigkeit von der Anzahl, der Dichte und dem Titer der Filamente wird zuvor eine Breite der Aufladungselektrode 11 gewählt. Die Breite der Aufladungselektrode 11 erstreckt sich in Laufrichtung der Filamente und bestimmt somit die Ausmaße der elektrischen Felder.
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Die Funktion des in 3 dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum elektrostatischen Aufladen der Filamente und zum Entladen der Filamente ist identisch zu dem vorgenannten Ausführungsbeispiel. So wird die elektrostatische Aufladung durch das elektrische Feld der Aufladungselektrode 11 an den Filamenten der Filamentschar 5 erzeugt. Die dabei erzielte Separierung der Filamente wird unmittelbar nach der Abkühlung zum Benetzen der Filamente einer Benetzungseinrichtung 14 genutzt. Die gesamte Filamentschar wird hierzu mit Kontakt an der Kontaktfläche 15 des Benetzungsrings 21 geführt. Durch den Kontakt werden gleichzeitig die Entladungsvorgänge aktiviert, sodass die Filamente nach dem Benetzen keine elektrostatische Ladung mehr aufweisen. Die Filamente werden nach dem Benetzen bevorzugt gebündelt und als Faserbündel von einer Abzugswalze abgezogen.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren konnte insbesondere bei der in 3 dargestellten Vorrichtung eine unerwünschte Bündelung von Filamenten während der Abkühlung vermieden werden. Selbst bei mehrreihiger Anordnung werden die Filamente separiert gekühlt und benetzt.
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Bei denen in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich die elektrostatische Aufladung noch dadurch unterstützen, in dem ionisierte Teilchen mit Hilfe eines Luftstroms in die Filamentschar verteilt wird. Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Aufladungselektrode durch einen Ionengenerator ersetzt wird.
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Grundsätzlich besteht bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen auch die Möglichkeit, die Entladung der Filamente und die Benetzung der Filamente durch zusätzliche Fadenführungselemente zu trennen. Wesentlich hierbei ist jedoch, dass das Abkühlen der Filamente und das Benetzen der Filamente möglichst im aufgeladenen Zustand der Filamente erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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