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Verfahren zur dauerhaften Kräuselung von endlosen thermoplastischen
synthetischen Fäden, Fadenbündeln oder Bändern Es ist bekannt, Fäden aus thermoplastischen
linearen Polymeren zu kräuseln, indem sie unter Spannung über einen elektrischen
Widerstandsdraht geführt werden, der auf eine über dem Schmelzpunkt des Fadenmaterials
liegenden Temperatur erhitzt ist, wobei nur die Stellen, die mit dem Draht in Berührung
kommen, entlang der ganzen Länge des Fadengebildes erhitzt werden. Die so behandelten
Fäden werden nachträglich zwecks Entwicklung der Kräuselung unter leichter Spannung
oder in spannungslosem Zustand einer weiteren Hitzebehandlung unterworfen. Das Verfahren
hat jedoch den Nachteil, daß der elektrisch erhitzte Widerstandsdraht infolge dauernder
Reibung der darüber geführten Fäden rasch abgenutzt wird, wobei auch Unregelmäßigkeiten
in der Erwärmung des Fadens auftreten können. Ferner ist der nach dieser Methode
erzielbare Wärmefluß vom Heizdraht auf den Faden und damit auch die Geschwindigkeit,
mit welcher der Faden über den Heizdraht läuft, beschränkt.
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Ferner sind Verfahren zur Kräuselung thermoplastischer Fäden bekannt,
wonach die frisch gesponnenen, noch heißen Fäden nur auf der einen Seite mit einer
Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, abgekühlt werden. Dadurch wird ein gewisses Temperaturgefälle
quer durch den Faden erzeugt, jedoch ist der hierbei erfolgende Wärmefluß naturgemäß
sehr gering.
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Es ist ferner ein Verfahren zum Kräuseln von thermoplastischen Fäden
und Garnen bekannt, gemäß welchem die letzteren einer Streckung und einer nachfolgenden
Erhitzung im gestreckten Zustand unterworfen werden, derart, daß ein Temperaturgradient
quer durch den Faden entsteht, worauf sie abgekühlt, entspannt und gegebenenfalls
im entspannten Zustand einer weiteren Hitzebehandlung unterworfen werden. Zur Erzeugung
des Temperaturgradienten wird in erster Linie die eine Fadenseite mit einer erhitzten
Fläche in Berührung gebracht. Außerdem kann die eine Fadenseite mit Infrarotstrahlen
mit einem Quellmittel oder mittels eines Konvektionsstromes in kontrollierter Richtung
behandelt werden. Auch dieses Verfahren hat zumindest, soweit die Erhitzung durch
Kontakt mit einer heißen Fläche erfolgt, den Nachteil, daß der erzielbare Wärmefluß
von der Heizfläche auf den Faden beschränkt ist.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu vermeiden,
und besteht in einem Verfahren zur dauerhaften Kräuselung von endlosen thermoplastischen
synthetischen Fäden, Fadenbündeln oder Bändern, bei dem die unter Spannung befindlichen
Fäden od. dgl. einseitig derart in plastischen Zustand übergeführt werden, daß in
den Fäden od. dgl. senkrecht zu ihrer Längsachse ein Temperaturgradient erzeugt
wird, und die Fäden od. dgl. danach entspannt und gegebenenfalls in diesem Zustand
einer weiteren Wärmebehandlung unterworfen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, daß das Medium einen Energiefluß von etwa 500 bis 2000
Watt/cm2 durch die Fäden bewirkt.
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Durch die konstante Belastung der Fäden od. dgl. mit dem beanspruchten
hohen Energiefluß wird ein steiler Temperaturgradient senkrecht zur Fadenlängsachse
erzeugt. Unter diesen Bedingungen kann dem Faden in äußerst kurzer Zeit die nötige
Oberflächentemperatur erteilt werden, wodurch sich theoretisch Fadendurchlaufsgeschwindigkeiten
bis zu 3000 m/Min. und mehr erzielen lassen. Die realisierbare Fadendurchlaufsgeschwindigkeit
wird somit in keiner Weise durch den Energiefluß beschränkt.
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Durch die erfindungsgemäße Behandlung wird eine bezüglich des Querschnittes
ungleichmäßige Deformation des Fadens, Fadenbündels oder Bandes erzielt, derart,
daß über dessen Querschnitt ein unsymmetrischer Spannungsverlauf herrscht. Letzterer
wird durch den Temperaturgradienten bewirkt, der zu einer unsymmetrischen Umlagerung
des molekularen Gefüges des Fadens od. dgl. führt.
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Der Energiefluß q (ausgedrückt in Watt/cm'), welcher der Faden od.
dgl. zwecks Erzielung des Temperaturgradienten ausgesetzt werden muß, wird unabhängig
von der Art der Energiezufuhr (Strahlung,
Wärmeleitung, Konvektion)
bei linearem Verlauf durch die folgende Formel bestimmt:
>> = Übertemperatur in 'C, x = Tiefe in Zentimeter, q = Wärmefiuß in Watt/cm", A.
= Wärmeleitfähigkeit des Materials in Watt/cm 'C. Wendet man diese Formel z. B.
auf einen Einzelfaden aus Polyhexamethylenadipamid (Nylon) von 3 den an, dessen
Durchmesser 19 #L und dessen Wärmeleitfähigkeit A = 3,3 - 103 Watt/cm °C beträgt
und nimmt an, daß auf 5 p. ein Temperaturunterschied von 100°C auftritt, so beträgt
der Energiefluß q 660 Watt/cm2. Letzterer kann natürlich auch erheblich höher sein,
d. h. etwa bis zu 2000 Watt/cm2 betragen.
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Es läßt sich ferner die Zeit, welche vergeht, bis die Oberfläche des
Fadens od. dgl. eine Übertemperatur angenommen hat, nach der Formel
berechnen, wobei c die auf die Volumeinheit bezogene spezifische Wärme des Fadenmaterials
ist.
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Wendet man diese Formel unter den für den obenerwähnten Nylonfaden
von 3 den angegebenen Bedingungen an, so beträgt die Zeit t1, die vergeht, bis die
Fadenoberfläche eine Übertemperatur öl von 200°C angenommen hat, 0,5 Millisekunden.
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Wird nun der Nylonfaden durch eine Erhitzungszone a von 1 cm Breite
geführt, so ergibt sich die Durchlaufgeschwindigkeit
Bei anderen Fäden, Fadenbündeln oder Bändern sowie anderen Behandlungsbedingungen
und Durchlaufsgeschwindigkeiten ändert sich die Breite der Aufheizzone. Diese kann
bei Durchlaufsgeschwindigkeiten von etwa 100 bis 3000 m/Min. etwa zwischen 0,5 mm
bis 1 cm betragen.
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Mit Hilfe eines Mediums, d.-h. eines gasförmigen oder flüssigen Trägers,
lassen sich die zur Erzielung eines steilen Temperaturgradienten nötigen Energiemengen
sehr leicht an die Fäden od. dgl. heranführen. Als Medium eignen sich insbesondere
die heißen Gase einer Flamme, z. B. einer Acetylen-SauerstöffFlamme für einen Energiefluß
von etwa 700 Watt/cm2, ferner atomarer Wasserstoff, womit sich ein Energiefluß von
über 1000 Watt/cm' erzielen läßt. Sodann eignen sich Plasmastrahlen, wie sie heute
in der Hochtemperaturmetallurgie verwendet werden und mit welchen ein Energiefluß
von 10000 Watt/cm2 und mehr erzeugt wird. Ferner eignet .sich ein heißer Gasstrom,
z. B. Wasserstoff oder Helium, welcher in einem geschlossenen Kreislauf angewandt
werden kann. Auch mit einem solchen Gasstrom läßt sich ein Energiefluß von etwa
über 1000 Watt/cm2 erreichen.
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Die Fäden, Fadenbündel oder Bänder können aus Polyamiden bestehen,
z. B. aus Polyhexamethylenadipamid, ferner aus Polykondensaten von a-Caprolactam
oder 11-Aminoundecansäure. Sie können aber auch aus anderem synthetischem thermoplastischem
Material bestehen, z. B. solchem auf Polyvinylbasis (Polyacrylnitril, Polyvinylchlorid
usw.) oder solchem aus Polyestern (Polyäthylenglycolterephthalat).
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Es ist auch möglich, in Fäden bzw. Fadenbündeln oder Bändern aus diesen
Materialien, die keiner oder höchstens einer teilweisen Kaltstreckung zwecks molekularer
Orientierung unterworfen wurden, erfindungsgemäß den Temperaturgradienten zu erzeugen
und nachfolgend die restliche Kaltstreckung vorzunehmen.
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Zwecks vermehrter Entwicklung der Kräuselung können die Fäden od.
dgl. nach der Erzeugung des Temperaturgradienten unter leichter Spannung oder im
spannungslosen Zustand einer weiteren Wärmebehandlung, z. B. einer Dämpfung, unterworfen
werden.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand einiger Ausführungsbeispiele
näher erläutert: Beispiel 1 Ein Einzelfaden aus Polyhexamethylenadipamid von 400
den wird mit einer Geschwindigkeit von 100 m/Min. unter einer Spannung von etwa
0,005 g/den durch eine Acetylen-Sauerstoff-Flamme eines Schweißbrenners geführt,
derart, daß ein Teil der Oberfläche des Fadens den heißesten Punkt der Flamme berührt,
wobei die Flamme an der vom Faden durchlaufenden Stelle eine Breite von etwa 1 mm
hat. Nachfolgend wird der Faden entspannt und einer Dämpfung unterworfen, wodurch
eine vermehrte Kräuselung eintritt. Beispiel 2 Ein Fadenbündel aus Polyäthylenglycolterephthalat
von 40 den aus 24 Einzelfäden wird mit einer Geschwindigkeit von 600 m/Min. unter
einer Spannung von 0,25 g/den, wie im Beispiel 1 beschrieben, durch eine Acetylen-SauerstoffFlamme
geführt, wobei die Breite der Aufheizzone 5 mm beträgt. Nachfolgend wird das Garnbündel
zwecks vermehrter Entwicklung der Kräuselung in spannungslosem Zustand kurz gedämpft.
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Beispiel 3 Ein Fadenbündel aus Polyacrylnitril von 90 den, aus 32
Einzelfäden wird mit einer Geschwindigkeit von 300 m/Min. unter einer Spannung von
0,1 g/den, wie im Beispiel 1 beschrieben, durch eine Acetylen-Sauerstoff-Flamme
geführt, wobei die Breite der Aufheizzone 3 mm beträgt. Nachfolgend wird das Fadenbündel
zwecks vermehrter Entwicklung der Kräuselung unter leichter Spannung kurze Zeit
einer Heißluftbehandlung unterworfen.
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Beispiel 4 Ein Fadenbündel aus Polyhexamethylenadipamid -von 30 den
aus 10 Einzelfäden wird mit einer Geschwindigkeit von 2000 m/Min. unter einer Spannung
von 0,3 g/den, wie im Beispiel 1 beschrieben, durch eine Acetylen-Sauerstoff-Flamme
geführt, wobei die Breite der Aufheizzone 1 cm beträgt. Nachfolgend wird das Fadenbündel
zwecks vermehrter Entwicklung der Kräuselung kurze Zeit in spannungslosem Zustand
mit heißem Wasser behandelt.
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Beispiel 5 Ein unverstreckter Einzelfaden aus Polyhexamethylenadipamid
von 15 den mit einem Solltiter von 15 den und einem tatsächlichen Titer von etwa
60 den wird mit einer Geschwindigkeit von 150 m/Min. unter einer Spannung von 2
g/den, wie im Beispiel 1 beschrieben,
durch eine Acetylen-Sauerstoff-Flamme
geführt, wobei die Breite der Aufheizzone 1 mm beträgt. Der Faden, welcher bei»
dieser Behandlung eine teilweise Verstreckung erfahren hat, wird darauf einer Kaltstreckung
zwecks molekularer Orientierung unterworfen, derart, daß die gesamte Verstreckung
gegenüber dem unbehandelten Monofilament 400 °/o beträgt. Anschließend wird der
Einzelfaden zwecks vermehrter Entwicklung der Kräuselung in spannungslosem Zustand
kurz gedämpft.
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Beispiel 6 Ein. Fadenbündel aus Polymerisat von a-Caprolactam von
100 den aus 30 Einzelfäden wird mit einer Geschwindigkeit von 1000 m/Min. unter
einer Spannung von 0,2 g/den, wie im Beispiel 1 beschrieben, durch eine Acetylen-Sauerstoff-Flamme
geführt, wobei die Breite der Aufheizzone 8 mm beträgt. Nachfolgend wird das Fadenbündel
zwecks vermehrter Entwicklung der Kräuselung unter leichter Spannung gedämpft.