DE1905507A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzspinnen von synthetischen Polymeren - Google Patents

Description

FARBWERKE HOECHSi AG. vormals' Meister Lucius & Brüning Aktenzeichen: - Pw 5799 - Gm 846

Datum: 30. Januar 1969

Dr.Mei/Mu '.

Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzspinnen von synthetischen Polymeren

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von synthetischen Fasern und Fäden mit guten textilen Eigenschaften nach dem Schmelzspinnverfahren.-Beim Verspinnen von niederviskosen Polymeren werden bisher Spinndüsen mit verhältnismäßig weit auseinanderliegenden Bohrungen, nämlich mit Bohrungsabständen von etwa 10 mm, gemessen von Bohrlochmitte zu Bohrlochmitte, verwendet, um ein Zusammenkleben der einzelnen Fäden im Spinnschacht zu verhindern. Diese bekannten Verfahren und Spinnvorrichtungen besitzen jedoch den Nachteil einer geringen Förderkapazität.

Aus der französischen Patentschrift 1 257 932 sowie den US-Patentschriften 3 118 012 und 3 115 3&5 ist es bekannt, Fäden aus synthetischen Polymeren aus Düsen mit Bohrungsabständen von 0,125 bis 3,2 mm, gemessen von Bohrlochmitte zu Bohrlochmitte, zu verspinnen, wobei ein scharfer Strahl eines Kühlmediums, wie z.B. Luft, unmittelbar unter der Spinndüse für eine rasche Abkühlung der Fäden sorgt. Dadurch sollen Verklebungen der Fäden vermieden werden. Die Geschwindigkeit des Kühlmediumstromes ist dabei abhängig von dem Schmelzedurchsatz pro.Flächeneinheit der Spinndüse. Es hat sich aber gezeigt, daß dieses Verfahren zur Verarbeitung von niederviskosem Rohstoff ungeeignet ist, da es bei einem Düsen-Bohrlochabstand von weniger als 3,2 mm nicht mehr möglich ist, einen Faden aus niederviskosen Polymeren so abzukühlen,, daß er dabei nicht mit anderen Kapillaren zusammenklebt. -

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Verwendet man Rohstoff der üblichen Viskosität, beispielsweise Polyäthylenterephthalat der "intrinsic viscosity" 0,67, gemessen in einer 1 Gew.-^igen Lösung in Phenoi/Tetracnloräthan 3/2 bei 20⁰C, so läßt sich zwar mit Hilfe der Anblasung unter der Düse die Spinnspannung erhöhen und auch eine Düse mit Bohrungsabständen kleiner als 3,2 mm, wiederum gemessen von Bohrlochmitte zu Bohrlochmitte, ohne Verklebung der Fäden verwenden, doch werden dabei die Fäden unter der Düse sehr ungleichmäßig abgekühlt. Die Festigkeit der so hergestellten und später ver- ψ streckten Fäden ist, verglichen mit solchen, die nach konventionellen Verfahren hergestellt wurden, erheblich schlechter. -

Weiterhin ist aus der französischen Patentschrift 1 347 985 bekannt, daß die Festigkeit speziell von-hochviskösen Polyesterfäden durch eine Erniedrigung der Spinnspannung mit Hilfe eines sogenannten Rechauffeurs verbessert werden kann. Die Verwendung von Düsenplatten mit gegenüber konventionellen Düsen erhöhter lochzalil ist aber bei diesem Verfahren unmöglich, da dann eine Verklebung der Fäden nicht verhindert werden kann. ■

Überraschend wurde nun gefunden, daß eine spezielle Kombination eines Kühlmediumstromes unterhalb der Spinndüse mit einem HeIz-" system für dieselbe, das die Wärmebilanz an der Spinndüsenoberfläche ausgleicht, zur Überwindung der geschilderten Schwierigkeiten führt. Bei dem bisher bekannten Verfahren, entsprechend der französischen Patentschrift 1 257 932, wird der Spinndüse durch den Kühlmediumstrom ständig Wärme entzogen. Wie groß dieser Wärmeentzug ist, läßt sich abschätzen. Für den Wärmeübergang be}, erzwungener- Strömung eines Kühlmediums an der ebenen Platte mit konstanter Wandtemperatur gilt ^:

Nu; = 0,332 . Re_v ¹^- > ."Pr¹/"'-

wobei Nu -Nusselt 'sehe Zahl == ^r

Re__ - Reynold »sehe Zahl ah der Stelle x,= ,und

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Pr = Prandel'sche Zahl =

wobei in den angegebenen Formeln

Ck = Wärmeübergangs zahl 1 = charakteristische Länge A= Wärmeleitzahl
W = Geschwindigkeit an der Stelle χ yU. = kinematische Zähigkeit des Kühlmedituns a = Temperaturleitzahl *

(Aus "Grundgesetze der Wärmeübertragung" von Gröber, Erk und Grigull, Springer Verlag 1961, S. Ί94, Gl.

Für die Üblichen Schmelzspinnbedingungen läßt sich damit die Wärmeabfuhr durch einen auf die Spinndüse gerichteten Kühlluft strom von Zimmertemperatur gegebener Geschwindigkeit abschätzen:

Iiüftgeschwindigkeit in Meter/Sekunde: 2 5

Wärmeabfuhr in Watt/m² 4330 6800 9630

Dieser Wärmeentzug an der Spinndüsenoberfläche wird gemäß der vorliegenden Erfindung zu einem wesentlichen Teil durch eine zusätzliche Düsenbeheizung verhindert. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Schmelzspinnen von synthetischen Polymeren durch Spinndüsen, deren Bohrungsabstand 3,5 bis etwa 10 mm - gemessen von Bohrlochmitte zu Bohrlochmitte - beträgt, unter Anblasung der Spinnfäden durch einen Strom eines gasförmigen Kühlmediums unmittelbar unterhalb der Düse unter einem Winkel von 10° gegen unten bis 60° gegen oben, gemessen an der zur Fadenlaufrichtung Saferechten, dadurch gekennzeichnet, daß der Spinndüse während des Spinnvorganges laufend zusätzlich Wärme zugeführt wird, deren Menge so reguliert

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wird, daß sie nicht weniger als die. Hälfte, und nicht mehr als;, ;s die Gesamtmenge der der Spinndüse durch die Anblasung ent- ,' zogenen Wärmemenge beträgt. ; '

Vorteilhaft erfolgt die Wiederzuführung der der Spinndüse durehy: den Strom des gasförmigen Kühlmediums, an ihrer Oberfläche ents zogenen Wärme durch ,eine direkte elektrische Beheizung der , Spinndüse: oder durch einen Wärmestrahler., Als direkte elektrische Beheizung kommt beispielsweise eine in die Düsenplatte einger arbeitete elektrische Widerstandsheizung, eine Induktionsheizung, oder Wirbelstromheizung in Frage; als Wärmestrahler wird beispielsweise ein üblicher Infrarotstrahler verwendet. -■;·.;-

Das zur Anblasung der gesponnenen Fäden verwendete gasförmige .'._:·., Kühlmedium ist vorzugsweise Luft von, Raumtemperatur, doch sind auch andere, gegen das Düsen- und Fadenmaterial inerte Gase Und Dämpfe, wie z.B. Stickstoff, Kohlendioxyd und u.U. auch ;._: , Wasserdampf, zugelassen. Wenn auch als Temperatur des gasförmigen Kühlmediums Raumtemperatur bevorzugt ist, ^o kann ohne weiteres ; die Kühlmediumtemperatur auch höher liegen.; sie soll jedoch erheblich unter dem Schmelzpunkt des Fadenmaterials sein* _tEin gasförmiges Kühlmedium ,von höherer als der Raumtemperatur kann beispielsweise im Falle der Verwendung von Wasserdampf vorliegen* Die Geschwindigkeit des gasförmigen Kühlmediums soll so reguliert sein, daß eine rasche Abkühlung der Spinnfäden nach deren Austritt aus der Düse drfolgt, doch soll natürlich auch keine VeIrblasung durch einen,zu .scharfen Kühlmediumstrom eintreten«

Die der Spinndüse während des Spinnvorganges erfindungsgemäß zusätzlich zuzuführende Wärmemenge hängt u.aV von der Temperatur und Geschwindigkeit des Kühlmediumstromes sowie.von dessen Richtung ab. Wenn auch der Kühlmediumstrom primär gegen die gesponnenen Fäden gerichtet ist, so läßt sich doch nicht vermeiden» daß .das Kühlmedium auch mit der Düse in Berührung kömmt* Die jäer" Spinndüse zusätzlich zuzuführende Wärmemenge wird am: besten durch einen oder einige einfache VoWersuche bestimmt,^ wobei die

zuzuführende Heizleistung so ermittelt wird» daß keine wesentliche Abkühlung der Düsenplatte über eine längere Zeit stattfindet»

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung besteht aus einer Schmelzspinndüse mit einem Bohrungsabstand iron 3»5 bis etwa 10 mm, gemessen von Bohrlochmitte " zu Bohrlochmitte, einer mit dieser Düse verbundenen elektrischen Heizung für dieselbe und einer unterhalb der Düse angeordneten Anblasvorrichtung zur Anblasung der aus der Düse gesponnenen Fäden unter einem Winkel von 10° gegen unten bis 60° gegen oben, gemessen an der zur Fadenlaufrichtung Senkrechten. Anstelle der mit der Düse verbundenen elektrischen Heizung, welche insbesondere - wie bereits erwähnt - eine in die DüsenpTatte eingearbeitete elektrische Widerstandsheizung, eine Induktionsheizung oder Wirbelstromheizung sein kann, kann auch ein unterhalb der Düse angeordneter und gegen die Düse gerichteter Infrarotstrahler verwendet werden. Der gegen die Düse gerichtete Wärmestrahler kann auch mit Vorteil durch einen unmittelbar unterhalb der Düse angeordneten Strahler ersetzt werden, dessen resultierende Strahlungsrichtung parallel zur Düsenplatte gerichtet ist. Die Schneiaspinndüse besteht vorzugsweise aus einem kohlenstoffarmen Strahl mit einer Wärmestrahlungszahl größer als 0,5»

Die Strahlungssahl ist bekanntlich definiert durch den Quotierten aus tatsächlicher Wärmestrahlung und der möglichen Wärmestrahlung, die ein vollkommen schwarzer Körper ausstrahlen würde* Die Strahluagszahlen der üblichen Schmelzspinndüse aus hochlegierten Stählen mit polierter Oberfläche liegen bei etwa 0,2. Is ist leicht verständlich, daß bei Verwendung solcher Düsen insbesondere di© Erwärmung durch Strahlungsüb&rtragung ungünstig ist, da bei den geringen Strahlungsgahlen die übertragung einer hinreieaendea Wärmemenge durch Strahlung schlecht möglich ist. Es hat sich jedoch herausgestellt, ύ&Β mit zunehmender Rauhigkeit der freien Düsenöberfliehe, insbesondere nach Verwendung von Schmiermitteln oder nach häufigem Kochen in Salzbädern Strahlungsgahlen von 0,8 und darüber au ersielen sind»

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Die vorliegende Erfindung wird mit Erf olg angewandt auf das Schmelzspinnen von linearen Polyestern, insbesondere von Poly-' äthylenterephthalat sowie von Polyamiden wie Polyamid 6 und Polyamid 66 und Polyolefinen wie Polyäthylen und Polypropylen. ■

Es sei noch erwähnt, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch potentiell gekräuselte Spinnfäden hergestellt werden können, die sich nach dem Verstrecken und dem Auslösen der Kräuselung* etwa durch eine kurze Behandlung der entspannten Fäden mit überhitztem Dampf, dreidimensional kräuseln. Zu diesem Zwecke werden die Spinnfäden nach dem Austritt aus der Düse nur einseitig durch einen Kühlmediumstrom möglichst von Raumtemperatur angeblasen. Ist keine potentielle Kräuselung erwünscht, so werden die Spinnfäden möglichst allseitig angeblasen.

Die vorliegende Erfindung dient der Kapazitätserhöhung beim Schmelzspinnen synthetischer Fäden, insbesondere solcher mit be-r sonders feinem Titer, z.B. von Polyesterfäden der sogenannten Baumwolltype. Diese hat nach der derzeit bekannten Herstellungsweise, nämlich dem Schmelzspinnen ohne Fadenanblasung und zusätzlichen Düsenerhitzung, nach der Verstreckung der Ware auf der Bandstraße eine Festigkeit von über 5,5 g/den. Verwendet man die . sogenannte Kurzanblasung entsprechend dem in der französischen Patentschrift 1 257 932 beschriebenen Verfahren, so wird durch die ungleichmäßige Abkühlung der empfindlichen Spinnfäden und durch den scharfen Luftstrom kürz unterhalb der Düse die Festigkeit der resultierenden Fäden gesenkt. Dieser Nachteil tritt bei Anwendung der vorliegenden Erfindung nicht auf; durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden Vorrich^· tung wird zwar dieselbe Kapazitätserhöhung wie bei Anwendung des Verfahrens gemäß der französischen Patentschrift 1 257 932 erreicht, doch werden die bei diesem bekannten Verfahren auftretenden Mängel vermieden.

In den nachfolgenden Figuren 1 und 2 sind bevorzugte formen der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen

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Verfahrens schematise*; dargestellt. Durch_: die Spinndüse 1 werden die Fäden 4 versponnen. Der .Wärmestrahler .3 -gemäß ..Fig. 1 unterhalb der Düse angeordnet und ge,gen die Düse gerichtet, gemäß Fig. 2 unmittelbar unter der Düse angeordnet und parallel zur Düsenplatte gerichtet - führt der Spinndüse einen wesentlichen Teil der Wärme wieder zu, welche durch die Anblasung der/ Fäden 4 und damit auch der Spinndüse X durch die aus, den beiden Anblasdüsen 2 austretende Kühlluft entzogen wird.

Die folgenden Beispiele sollen zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung dienen. , , :

Beispiel 1i _ -

Getrocknetes Polyethylenterephthalat mit einer "intrinsic viscosity" von 0,45 (gemessen in einer Lösung von 1 Gewichtsprozent in einem Gemisch von Phenol und Tetrachloräthan im Gewichtsverhältnis 3 : 2 bei 20⁰C) wird in.einem Extruderauf-, geschmolzen und durch runde Spinndüsen mit einem wirksamen Durchmesser von 110 mm versponnen. Eine derartige Spinndüse enthält 336 Bohrungen mit 0,25 mm Durchmesser und einem Abstand von 5,3 mm, gemessen von Bohrlochmitte zu Bohrlqchmitte. Durch, diese Bohrungen werden pro,Minute 358 g Schmelze gepreßt, deren Temperatur vor Eintritt in die Spinndüse 27O⁰C betrugt.

Gemäß Fig. 1 ist 25 mm unterhalb.der Spinndüse eine Anblasdüse angebracht, die 20 mm von den Spinnfäden entfernt ist; die Ahblasdüse,hat einen,Querschnitt von 35 x 105 mm. Durch diese Luftdüse werden stündlich Luft vpn Umgebungstemperatur geblasen. . ^;_ ; . _.,. -_: ...■■-.■... . ■ ■... - _ .-- . _y_ .._ . ....-,...-,. '.

Gemäß Fig. 1 befindet sich auf der anderen Seite der Fäden ein Wärmestrahler 3 in 5 cm Abstand von der Düse mit einer installierten Leistung von 800 Watt. Die Spinnfäden werden mit 800 m/ain in bekannter Weise abgezogen und später verstreckt.

Die,nach dem vorstehenden Beispiel erhaltenen.fäden_ound Fasern Bind aufgrund ihrer 'nieärl^n.^syi^iY^^kosität geeignet sur

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Herstellung von Geweben mit besonders gutem Pillverhälten.

Beispiel 2; ' ' "'_■''.'_ " ^:- . ' - ■ ~~ / - .: ' Getrocknetes Polyethylenterephthalat mit" einer' "intrinsic' . 'V viscosity" von 0,45 (gemessen in einer !lösung von 1 Gewichtsprpzent in einen Gemischvon Phenol und Tetrachloräthan im Gewichtsverhältnis 3 : 2 bei 20⁰C) wird in einem Extruder auf ge-7 * schmlzen und durch runde,Spinndüsen, mit einem!wirksamen DurdH^ messer von 1TÖ mm versponnen. Eine derartige Spinndüse enthält, ·. 336 Bohrungen'mit 0.25 mm Durchmesser und einem Abstand von" 5,3 mm gemessen von Bonrlochmitte zu Bohrlochmitte. Durch diese Bohrungen werden pro Minute 35⁸ .S Schmelze gepreßt, deren Temperatur; vor Eintritt ,in: "die Spinndüse 27Q⁰C betrug.■

Gemäß Fig. 2. ist die obere Anblasdüse 40 mm unterhalb der; Spinndüse und 20 ^: mn von 4en Spinnfäden entfernt angebracht. Die untere; Anblasdüse ist 1QO mm unterhalb der.'Spinndüse und 30 mm von den" Spinnfäden entfernt angebracht. Die nach obe'n gerichtete Luft-/ _: strahlen bilden mit der Horizontalen einen Winkel von 50⁰C. ' ' Durch beide Düseifi v/ird Luft von Umgebungstemperatur geblasen, -- durch die obgre 25 Hormal-cbm/std. £"'. , (lurch die" '"'■" ^: Vintere Der Querschnitt beider Anblasdüsen "beträgt ' 35 x105 iffii?» wobei das größere Maß niit" der.'Horizoiteleh zu- " samnenfällt. ... - -.".'" ! ".■'■■'" ' .' ^:

Unmittelbar'unter der Spinndüse ist^ ein konkaver Märmestrahler von 5 era Höhe und 130 mm'innerem Durchmesser angebrächt. Seine * installierte leistung beträgt i;5 k¥.^: : ' "! -■■'-■'--■' "-

Die Fäden werden mit 800 m/min abgezogen' und'später verstreckt»

Getrocknetes Polya^nylentereph^halat mit einer ^intrinsic ^;^/,;·' viscosity^ von" 0,68," gemessen wie * in d^n-vörsteh'ehderi Bei- - _r^-* spielen, :v;iM in^^ einem■-Extruder auf geschmolzen und durch runde. Spinndüsen mit einem wirksamen Durchmesser von 110 mm versponnen.

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Eine'derartige Spinndüse enthält 600 Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,25 mm und einem Abstand von 3,9 mm, gemessen von .Bohrlochmitte zu Bohrlochmitte. Durch diese Bohrungen werden pro Minute 300 g Schmelze gepreßt, deren Temperatur vor Eintritt in die Spinndüse 287⁰C betrug.

Gemäß Fig. 2 sind im gleichen Abstand wie in'Beispiel 2 angegeben, 2 Anblasdüsen, wie beschrieben, angebracht, wobei durch die obere — und durch die untere luft von Umgebungstemperatur geblasen werden. ...

Unmittelbar unter der Spinndüse ist ein konkaver Wärmestrahler von 5 cm Höhe und 130 mm inneren Durchmesser angebracht. Seine installierte Leistung beträgt 1,5 kW. ■

Die Spinnfäden werden mit 1350 m/min abgezogen und später im Verhältnis 1 : 2,7 in bekannter Weise verstreckt und fixiert. Ihre Festigkeit beträgt 5,7 g/den, bei einer Dehnung von 13 $.

Beispiel 4:

Getrocknetes Granulat aus Polyamid 6 mit einer relativen Lösungsviskosität von 2,3 (gemessen als Verhältnis der Durchlaufzeiten einer 1 Gewichts-$igen Lösung in 96 ^iger Schwefelsäure zum reinen Lösungsmittel) wird in einem Extruder ausgeschmolzen und durch runde Spinndüsen mit einem wirksamen Durchmesser von 110 mm versponnen. Eine derartige Spinndüse, enthält 600 Bohrungen mit 0,25 mm Durchmesser und einen Abstand von 3,9 mm, gemessen von Bohrlochmitte zu Bohrlochmitte. Durch diese Bohrungen werden pro Hinute 400 g Schmelze gepreßt, deren Temperatur vor Eintritt in die Spinndüse 275°C betrug.

Gemäß Fig. 2 sind im gleichen Abstand wie in Beispiel 2 angegeben, 2 Anblasdüsen, wie beschrieben, angebracht, wobei durch die obere j^f-j. _von umgebungstemperatur geblasen werden.

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Unmittelbar unter der Spinndüse ist ein konkaver Wärmestrahler von 5. cm Höhe und 130 mm innerem Durchmesser angebracht. Seine installierte Leistung beträgt 1,5 kW.

Die Spinnfäden werden mit 900 m/min abgezogen und später in bekannter Weise verstreckt und fixiert.

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Claims (7)

1905E.07 ■ - ti - Patentansprüche:

1. Verfahren zum Schmelzspinnen von synthetischen Polymeren durch Spinndüsen» deren Bohrungsabstand 3,5 bis 10 mm - gemessen von Bohrlochmitte zu Bohrlochmitte _r beträgt,.unter Anblasung der Spinnfäden durch einen Strom eines gasförmigen Kühlmediums unmittelbar unterhalb der Düse unter einem Winkel von 1o° gegen unten bis 60° gegen oben, gemessen an der zur Fadenlaufrichtung Senkrechten, dadurch gekennzeichnet, daß der Spinndüse während des Spinnvorganges laufend zusätzlich Wärme zugeführt wird, deren Menge so reguliert wird, daß sie nicht weniger als die Hälfte und nicht mehr als die Gesamtmenge der der Spinndüse durch die Anblasung entzogenen Wärmemenge beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederzuführung der der Spinndüse durch den Strom des gasförmigen Kühlmediums an ihrer Oberfläche ertzogenen Wärme durch eine direkte elektrische Beheizung der Spinndüse erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederzuführung der der Spinndüse durch den Strom des gasförmigen Kühlmediums an ihrer Oberfläche entzogenen Wärme durch einen Wärmestrahler erfolgt,

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Schmelzspinndüse mit einem Bohrungsabstand von 3,5 bis 10 mm» gemessen von Bohrlochmitte zu Bohrlochmitte, einer mit dieser Düse verbundenen elektrischen Heizung für dieselbe und einer unterhalb der Düse angeordneten Anblasvorrichtung zur Anblasung der aus der Düse gesponnenen Fäden unter einem Winkel von 10° gegen unten bis 60° gegen oben, gemessen an der zur Fadenlaufrichtung Senkrechten.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Schmelzspinndüse mit einem Bohrungsabstand von 3,5 bis 10 mm, gemessen von Bohrlochmitte zu Bohrlochmitte,

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einem unterhalb der Düse angeordneten und gegen die Düse gerichteten Infrarotstrahler sowie einer unterhalb der Düse angeordneten Anblasvorrichtung zur Anblasung der aus der Düse gesponnenen Fäden unter einem Winkel von 10° gegen unten bis 60° gegen oben, gemessen an der zur FaderJLaufrichtung Senkrechten.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Schmelzspinndüse mit einem Bohrungsabstand von 3,5 bis 10 mm, gemessen von Bohrlochmitte zu Bohrlochmitte, einem unmittelbar unterhalb der Düse angeordneten Infrarot-

" strahler mit parallel zur Düsenplatte gerichteter resultierender Strahlungsrichtung sowie einer unterhalb der Düse angeordneten Anblasvorrichtung zur Anblasung der aus der Düse gesponnenen Fäden unter einem Winkel von 10° gegen unten bis 60° gegen oben, gemessen an der zur Fadenlaufrichtung Senkrechten.

7. Vorrichtung nach Ansprüchen 4 - 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzspinndüse aus einem kohlenstoffarmen Strahl mit einer Wärmestrahlungszahl größer als 0,3 besteht.

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