DE1778127A1

DE1778127A1 - Vorrichtung zur Herstellung von Verbundfaeden

Info

Publication number: DE1778127A1
Application number: DE19681778127
Authority: DE
Inventors: Gunter Goossens
Original assignee: Inventa AG fuer Forschung und Patentverwertung
Current assignee: Inventa AG fuer Forschung und Patentverwertung
Priority date: 1967-04-06
Filing date: 1968-03-30
Publication date: 1971-05-27
Also published as: AT290002B; CH454344A; GB1150399A; NL6804825A; FR1574047A

Description

Vorrichtung zur Herstellung von Verbundfaden

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Verbundfäden aus verschiedenen Polymeren durch Schmelz- oder Lb*- sungespinnen. Als Verbundfäden werden Fäden bezeichnet» die aus EinzelfibrlIlen bestehen, welche ihrerseits aus Seite an Seite angeordneten und miteinander verbundenen Polymertellohen bestehen·

Es sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Verbundfäden« vorzugsweise zum Erreichen eines erhöhten Qarnvoluraena oder einer Kräuselung, bekannt« bei welchen den Einzelfäden eine heterogene Struktur verliehen wird» indem gleichzeitig mindestens zwei Stoffe in der Welse« daß sie sieh außer in einen engen Bereich ihrer gemeinsamen Grenzzone nicht miteinander vermischen, durch ein gemeinsames DUsenlooh versponnen werden· Die Komponenten können dabei im Einzelfaden Seite an Seite liegen oder als Mantel und Kern über den Querschnitt exzentrisch verteilt sein« wie dies beispielsweise in der schweizerischen Patentschrift 176 323« in der üSA-Patentßchrift 2 439 814 und in der belgisohen Patentschrift 586 958 beschrieben 1st.

Bei der Anwendung derartiger Spinnverfahren kann man beobachten« daß der Auetritt der Sinzelfibrillen aus DUsenlÖohern» deren Achsen im allgemeinen senkrecht zur DUsenplatte stehen» besonders dann nicht senkrecht erfolgt« wenn sioh die Schnei»- oder Lösungsviskositäten der beiden Komponenten unterscheiden. Die entstehenden Pibrillen treten je nach dem Unterschied der Schmelz- oder

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Lösungsviskositäten ihrer Komponenten unter einem mehr oder weniger großen Winkel zu den Achsen der Dosenlocher aus. Das Polymer mit der kleineren Viskosität drängt das andere beim Austritt aus dem DUsenloch seitwärts, so daß die Achse der Elnzelfibrille nach dem Austritt aus dem DUsenloch während einer kurzen Wegstrecke nach Verlassen der Düse um einen bestimmten Winkel von der Achse des Düsenloches abweicht. Mach diesem kurzen Weg der Ablenkung nimmt der Einzelfaden wiederum seine normale Richtung ein.

Der Grund für diese Erscheinung kann teilweise in der Möglichkeit gesucht werden, daß bei der sofort nach Austritt der Polymeren aus den DUsenlöchern eintretenden und an deren Oberfläche beginnenden Verfestigung Unterschiede in den Oberflächenspannungen beider Komponenten zur Krümmung der Pibrillen führen. Dieser Einfluß scheint jedoch kaum derart groß zu sein, daß die beobachtete Erscheinung zu einem wesentlichen Teil auf ihn zurückzuführen wäre. Der Hauptgrund Hegt vielmehr darin« daß die niedrigervlskose Komponente, die natürlicherweise zu schnellerem Fließen bei gleichem Druckunterschied neigt» von der höherviskosen Komponente im DUsenloch auf einen kleineren Durchflußquerschnitt zurückgedrängt wird» tatsächlich schneller fließt und infolge ihrer größeren Geschwindigkeit pro Zeiteinheit einen größeren Weg zurücklegt als die höherviskose Komponente. Da beide Komponenten miteinander verschmolzen Bind» wird die Oe* samtf!brille in Richtung der höherviskosen Seite abgebogen.

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In Figur 1 ist dieser Torgang veranschaulicht» Diese Figur zeigt einen Ausschnitt aus einer DUsenplatte 1 in senkrechtem Längsschnitt durch ein Düsenloch in etwa 50-facher Vergrößerung. Der höherviskose Polymerstrom 3 ist zunächst noch durch eine entsprechende Vorrichtung 2 vom nledrigerviskosen Polymerstrom 4 getrennt« Bei 5 findet die Vereinigung beider Komponenten statt. Die pro Zeiteinheit zufließenden Polymermengen seien als gleich groß angenommen. Die Förderung geschieht zwangsweise und ist durch Druckeinflüsse nicht veränderlich. Der Druck an der Vereinigungsstelle 5 ist für beide Polymerströme gleich, da ein freier Ausgleich stattfinden kann. Infolge seiner besseren Fließfähigkeit erhält der niedrigerviskose Polymerstrom im Düsenloch bei 6 eine größere Strömungsgeschwindigkeit als der höherviskose Polymerstrom bei 7· Infolgedessen weist die linke Aussenseite der entstehenden Fibrille eine kurze Zeitspanne nach ihrem Austritt aus dem Düsenlooh eine größere Länge 8 auf als die dem höherviskosen Teil zugehörige rechte Außenseite« die während der gleichen Zeitspanne nur die Länge 9 erreicht hat. Da die beiden Teile miteinander verschmolzen sind« krümmt sich die Fibrille in Richtung des höherviskosen Teiles. Der Krüramungswinkel ist in der Figur mit 10 gekennzeichnet·

Das niedrigerviskose Polymer nimmt infolge seiner größeren Strömungsgeschwindigkeit bei 6 einen geringeren Strömungsquepschnitt ein als das langsamer fließende höherviskose Polymer bei

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Sind beide Polyraermengen pro Zeiteinheit nicht gleich, so entsteht ebenfalls eine Krümmung der austretenden Fibrille, da der niedrigerviskose Teil zwangsläufig schneller fließen wird als der höherviskose·

Eine möglichst hohe Kräuselung des Verbundfadens wird z.B. er« reicht, wenn Polymere mit großem Viskositätsuntereohied miteinander versponnen werden· Dabei nähert sich der beschriebene Ablenkungswinkel sehr stark dem Wert 90°, woduroh die Gefahr des Anklebens der ELnzelflbrillen an der Düsenplatte droht. Zur Behebung dieser Nachteile sind verschiedene Lösungen beschrieben worden, denen jedoch manche Mängel anhaften.

So ist in der deutschen Auslegesohrift 1 I9I 072 beispielsweise eine Vorrichtung beschrieben, die dadurch gkennzelchnet 1st, daß die Düsenlöcher eine Neigung zur Ebene der DUsenplatte besitzen, die der durch den Viskositätsunterschied der Polymeren bewirkten Ablenkung der Fibrillen entgegengesetzt 1st. Nachteil dieser Vorrichtung ist, daß die erforderliche Maßgenauigkeit der Düsenlöcher nur schwer zu erreichen ist, zumal die Kapillarlängen der schräg zur Ebene der DUsenplatte angeordneten DUsenlöcher nur schwer zu bestimmen ist. Die Herstellung derartiger Löcher ist wesentlich teurer als diejenige von Löohern, die rechtwinklig zur Düsenplattenebene angeordnet sind* Dieses gilt besondere für Profillöcher zur Herstellung von Garnen, die aus Einzelfibrillen

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mit beispielsweise gelappten Querschnitten bestehen. Ferner 1st in der japanischen Patentanmeldung I7 927/66 ein Verfahren beschrieben« das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Gasstrom mit definierter Temperatur und Geschwindigkeit von der Seite her dicht unter der DUsenplatte entlang gegen die aus den Düsenlöchern austretenden Pibrlllen geblasen wird» und daß dieser Gasstrom von der Seite her auf die Fibrillen trifft, an der sich das Polymer mit der höheren Viskosität befindet.

Die Nachtelle dieses Verfahrens bestehen darin, daß erstens eine Anlage zum Erwärmen des Gases und Konstanthalten der Temperatur, verbunden mit den nötigen Installationen zum Fördern und Heranleiten des Gases an die Spinndüsen erforderlich ist, die Investitions- und Betriebskosten verursacht« und zweitens die Düsenlöcher in der DUsenplatte nicht beliebig angeordnet werden könne» da sonst die Anordnung der Zuführleitungen für das Gas Schwierigkeiten bereitet. So ist es z.B. kaum möglich« Vielloohdüsen zu verwenden« bei denen die Düsenlöcher mehr oder weniger gleichmäßig über die DUsenplatte verteilt sind.

Schließlich wird in der niederländischen Auslegeechrift 6 608 765 eine Vorrichtung beschrieben, die dadurch gekennzeichnet ist« daß die Wandlänge des Sektors in jedem Düsenloch, der beim Spinnen mit dem Polymer höherer Viskosität benetzt wird« geringer let als diejenige des Sektors« der mit dem Polymer niedrigerer Visko-

, . ^r 109827/1964 BAD ORIGINAL

sität benetzt wird. Dies wird dadurch erreicht» daß die Düsenplatte entweder so abgestuft wird, daß die Achsen der Düsenlöcher mit der Stufe zusammenfallen oder daß sie im Bereich des Düsenaustrittes so abgeschrägt wird, daß die maximalen Längenunterschiede der Mantellinien eines jeden DUsenloches entsprechend groß ausfallen wie beim Abstufen dieses Bereiches.

Die Nachteile, dieser Vorrichtung sind die gleichen wie die der Vorrichtung mit schrägen Düsenlöchern (vgl. DAS 1 I9I 072).

Zur Vereinfachung der Herstellung, Kontrolle und Reinigung der Spinndüsen ist eine Vorrichtung anzustreben, die aus einer ebenen Düsenplatte besteht, in der die Düsenlöcher senkrecht zur Plattenebene angeordnet sind, und die keinerlei Zusatzvorricbtungen für ihre einwandfreie Punktion erfordert.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zürn Herstellen von Verbundfäden beliebiger Querschnittform aus mindestens zwei verschiedenen Polymeren mit mindestens zwei verschiedenen Viskositäten, bestehend aus einer Düsenplatte an sich bekannter und herkömmlicher Bauart mit ebener Austrittseite und senkrecht zur Plattenebene angeordneten Düsenlöchern, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Wand jedes Düsenloches im Strömungsberelch der niedrigerviskosen Komponente eine Profilierung enthält, die bewirkt, daß die niedrigerviskose Komponente durch vergrößer-

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te äußere Reibung einen zusätzlichen Strömungwideretand erfährt, der den durch größere innere Reibung hervorgerufenen Strömungsv/iderstand der höherviskosen Komponente ausgleicht. Infolge der Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung strömen niedrigerund höherviskoses Polymer in jedem Düsenlooh mit der gleichen Geschwindigkeit. Die Flächenanteile» die beide Komponenten im Loohquerschnitt einnehmen, sind daher proportional der pro Zeiteinheit strömenden Mengen.

Als Verbundfäden, die mit erfindungsgemäßer Vorrichtung hergestellt werden können, seien Mehrstoff-, Rund-, Profil-, Hohloder Hohl-Profilfäden genannt. Die neue Vorrichtung eignet sich sowohl für Schmelz- als auch Lösungsspinnen· Die genannte Profilierung wird nun so gestaltet, daß der sogenannte hydraulische Durchmesser des von niedrigerviskosem Polymer durohflossenen Sektors im Düsenloohquersohnitt, ungeachtet seiner Querschnittsfläche, so klein gewählt wird, daß ein genügend großer Strömungswiderstand entsteht, um zu bewirken, daß der niedrlgerviskoee Teilstrom ebenso langsam fließt wie der höherviskose.

Dies wird dadurch erreicht, daß der Bereich des Dusenlochumfanges, der vom Polymer mit der niedrigeren Viskosität benetzt wird, durch eine geeignete Profilierung egegenüber dem restlichen Umfang vergrößert wird.

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-Q-

BeI den Düsenlöchern handelt es sich um Kapillaren* Somit errechnet sich nach den Gesetzen der Kapillar-Hydrodynamlk das Verhältnis der Umfange der beiden Kapillaranteile im Falle von Zwei-Komponenten-Verbundfäden nach folgender Formelt

U₁ Ί/ V 2 * ^Q1

U₂ f η_Λ , Q₂ oder

^P2

wobei U₁ und U₂ die Umfange der beiden Kapillaranteile (hierbei ist derjenige Teil des Umfange, an dem sich die beiden Komponenten berühren, nicht mitgezählt, denn gemäß Zielsetzung der Erfindung strömen beide Komponenten mit derselben Geschwindigkeit, so daß zwischen Ihnen also keine Reibung vorliegt),

τ? ₁ und IJ₂ die Viskositäten der beiden SpinnflUssigfceiten bei der Spinntemperatur,

Q₁ und Q₂ die pro Zeiteinheit strömenden Mengen der bilden Spinn« flüssigkeiten und

F₁ und F₂ die Strömungsquersohnitte der beiden Spinnflüssigkeiten in der Kapillare bedeuten.

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FUr den Zusammenhang zwischen den Umfangen der Kapillaranteile im Falle von Zweikomponenten-Verbundfädenj den Viskositäten der Komponenten, ihren Mengenanteilen und den Strömungsquersohnitten der beiden Spinnflüssigkeiten seien nachfolgende Beispiele angeführt :

Beispiel 1 Spinndaten» auf ein einzelnes DUsenloch bezogenj Durchsatz *> 3 g/Min. Spezifisches Gewicht der beiden Polymeren bei Spinntemperatur *

U13 β/ο*⁵

Spritzgeschwindigkeit - 20 m/Min. Daraus ergibt sich ein DUsenloohquersohnitt von 0,133 mm ,

Bs sollen Fibrillen mit annähernd kreisrundem Querschnitt hergestellt werden·

Die Viskositäten der Polymeren betragen* 'V^ « 800 Poise und η ₂ - 1800 Poise. Das KengenVerhältnis beträgt 1 ι 1. Auf Jede der Komponenten entfällt demnach ein Strönaingequerschnitt von der Hälfte des DUsenloohquersohnittes, also 0,0665 ram »

Um die Strömungswiderstände Im DUsenlooh nach Hagen-Poiaeulle zu berechnen, müßten die Viskosltätswerte in die Dimensionen kp . s/m umgerechnet und alle anderen Dimensionen entsprechend

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1800 - 1,49

- ίο -

angepaßt werden* Da nur Verhältnisse gleichdimensionierter Größen eingesetzt werden, spielen die Dimensionen Jedooh keine Rolle·

Das Verhältnis der von jedem der beiden Polymeren zu benetzenden Teiles des DUsenlochumfangee beträgt demnacht

^U1 ^U2

Der auf den Strömungsbereioh der niedrigerviskosen Komponente entfallende Anteil des Dttaenloohuafenge· auB in dieses Fall· also etwa 1,5 mal so groß sein wie der auf den der b6herviskosen Komponente entfallende·

Pig. 2 zeigt einen Düeenloohquersohnitt, bei de« dies der Fall ' 1st, in etwa 50-facher Vergrößerung. Das Dttsenlooh kennt· Jedooh auoh in den Formen gemäß Flg. 6 und Fig. 8 gestaltet Min· Der Bereioh 1 links von der gestrichelten Orentlinie wird Jeweils von dem Polymer mit V^ · 800 Pole« durchflossen, während der Bereioh 2 rechts von der gestriohelten Grenzlinie von den Polymer mit V₂ - ¹BOO Pols· durchflossen wird·

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^B*D 0Rigi_Nal

Baispiel 2

Spinndaten, auf ein einzelnes Düeenloch bezogen: Durchsatz * 3 g/Min.

Spezifisches Gewicht der beiden Polymeren ■ 1,1? g/cnr Spritzgeschwindigkeit - 17 m/Min.

Daraus ergibt sich ein DUeenloohquersohnitt von 0,156 nun . Es sollen Profilfibrillen mit dreifach gelapptem Querschnitt hergestellt werden, wie sie mit einem Y-förmigen DUsenlooh erzeugt werden können.

Die Viskositäten der Polymeren betragen ^₁ - 750 Poise und V₂ 1900 Poise· Das Mengenverhältnis Q₁ : Q₂ beträgt 3:5· Auf die Komponente 1 entfällt daher ein Strömungsquersohnitt von 0,156 . 3/8 - 0,0585 mm². Auf die Komponente 2 entfällt ein sol eher von 0,156 · 5/8 » 0,0975 mm . Das Verhältnis des von jedem der beiden Polymeren zu benetzenden Teiles des Düsenlochumfanges beträgt demnach:

1900,3 ⁷⁵° ·⁵

Der auf den Strömungsbereich der niedrlgervlskosen Komponente entfallende Anteil des Dttsenlochumfanges muß in diesem Falle etwa 1,23 mal so groß sein wie der auf den der höherviskosen

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Komponente entfallende, während der von Ihm umschlossene Teil des Düsenlochquerschnittes nur 0,6 mal so groß sein darf wie der von der höherviskosen Komponente durchflossen.

Fig. 2 zeigt einen Dtisenlochquerschnitt mit Y-Profil, bei dem dies der Fall ist, in etwa 50-facher Vergrößerung· Der Bereich links von der gestrichelten Orenζlinie wird von dem Polymer mit ^₁ «= 750 Poise durchflossen, während der Bereich 2 rechts von der gestrichelten Grenzlinie von dem Polymer mit 2g » 1900 Poise durchflossen wird.

Die Figuren 4, 5, 7 und 9 zeigen drei weitere Beispiele von AuefUhrungsformen des Erfindungsgegenstandes. Die gestrlohelten Grenzlinien geben jeweils den etwaigen Verlauf der Orenzen zwischen den beiden Polymeren verschiedener Viskositäten an· Die Bereiche 1 sind Jeweils für den Durchfluß der nledrigerviskosen Polymere vorgesehen, während die Bereiche 2 für denjenigen der höherviskosen Polymere vorgesehen sind.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Loch, für dreifach gelappte Quersohnitte, während Fig. 5 ein solches für flaohe bandartige Querschnitte zeigt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können nahezu sämtliohe vorkommenden Querschnittformen von Mehrkomponentenfäden herge-

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stellt werden, ohne daß der vereinte Polymerstrom nach Verlassen der Düsenlöoher eine störende Ablenkung erfährt. Flg. 7 zeigt z.B. eine DUsenloohform für Zweikomponenten-Hohlfäden. Das DU-senlooh besitzt :ln bekannter Welse einen Kern 3 mit einer Bohrung 4, durch die das den Hohlraum erzeugende Gas während des Spinnvorganges austritt. Duron die Bohrung 4 kann aber auch eine dritte Folymerkomponente austreten« so daß ein Drelkomponenten-Kern-Mantel-Faden entsteht, der einen aus zwei verschiedenen Polymeren zusammengesetzten Mantel besitzt.

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Claims

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Patentanspruch

Vorrichtung zur Herstellung von Verbundfäden beliebiger Quer- ^ schnittform aus mindestens zwei verschiedenen Polymeren mit

mindestens zwei verschiedenen Viskositäten, bestehend aus einer Düsenplatte an sich bekannter und herkömmlicher Bauart mit ebener Austrittseite und senkrecht zur Plattenebene angeordneten Düsenlöchern» dadurch gekennzeichnet, daß die Wand eines jeden DUsenloohee im Strömungsbereich der niedrigerviskosen Komponente eine Profilierung enthält« die bewirkt, daß die niedrigerviskose Komponente durch vergrößerte äußere Reibung einen zusätzlichen Strömungswiderstand erfährt, der den durch größere Innere Reibung hervorgerufenen Strömungswiderstand der höher-' viskosen Komponente ausgleicht.

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