DE1905509A1

DE1905509A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzspinnen von synthetischen Polymeren

Info

Publication number: DE1905509A1
Application number: DE19691905509
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr Guenther Bauer; Dr Herbert Kurzke; Richard Seitz; Dr Lieselotte Wappes
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1969-02-05
Filing date: 1969-02-05
Publication date: 1970-08-20
Also published as: GB1262811A; ES376180A1; BE745554A; BR7016587D0; ZA70771B; CH508057A; FR2033978A5; NL7001369A

Description

FARBWERKE HOECHST AG. vormals Meister Lucius & Brüning Aktenzeichen: · - Fw 5798 = Gm 845

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 textlien Eigenschaften nach dem Sonmelzspinnverfahren.

Aus der französischen Patentschrift 1 257 932 sowie den US-Patentschriften 3 118 012 und 3 115 385 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 Kühlmedium-Stromes 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.

Verwendet man Rohstoff der üblichen Viskosität, beispielsweise Polyäthylenterephthalat der "intrinsic viscosity" 0,67, gemessen in einer 1 Gew.-^igen Lösung in Phenol/Tetrachloräthan 3/2 bei 20 C, 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

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Festigkeit der so hergestellten und später verstreckten Fäden_it. 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 hochviskosen Polyesterfäden durch eine Erniedrigung der Spinnspannung mit Hilfe eines sogenannten Rechauffeurs verbessert werden kann. Die Verwendung von Düsenplatten mit gegenüber konventionellen Düsen erhöhter .Lochzahl 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 zwischen diesem und der Spinndüse durchstreichenden Strom eines heißen gasförmigen Mediums zur Überwindung der geschilderten Schwierigkeiten führt. Bei dem bisher bekannten Verfahren entsprechend der französischen Patentschrift 1 257 932 wird der Spinndüse, durch.-den Kühlraediumstrom ständig Wärme entzogen. Vie- groß dieser Wärmeentzug ist, läßt sich abschätzen. Für den Wärmeübergangbei erzwungener Strömung eines Kühlmediums an der ebenen Platte bei konstanter Wandtemperatur gilt . '

Mu = 0,332 · ite ^1/2 .. Pr V³
wobei. Nu = Nusselt'sehe Zahl = —-=r—■—

Re_v = Reynold'sehe Zahl an der Stelle χ, =

Pr = Prandel¹ sehe Zahl =

wobei in den angegebenen Formeln

& = Wärmeübergangszahl
1 =· charakteristische länge
Α= Wärmeleitzahl

W = Geschwindigkeit an der Stelle χ ytl = kinematische Zähigkeit des Kühlmediums a = Temperaturleitzahl

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(Aus "Grundgesetze der Wärmeübertragung" von Gröber, Erk und Grigull, Springer Verlag, 1961, S. 194, Gl. 94).

Für die üblichen Schmelzspinnbedingungen läßt sich damit die Wärmeabfuhr durch einen auf die Spinndüse gerichteten Kühlluftstrom von Zimmertemperatur gegebener Geschwindigkeit abschätzen:

Luftgeschwindigkeit in Meter/Sekunde: 2 5. 10.

Wärmeabfuhr in Watt/m² 4330 6800 9630

Dieser Wärmeentzug an der Spinndüsenoberfläche wird gemäß der vorliegenden Erfindung zu einem wesentlichen Teil durch einen Strom eines heißen Gases oder Dampfes verhindert. Es wurde gefunden, daß es im Gegensatz zum Verfahren gemäß der französischen Patentschrift 1 257 932 in marichen Fällen von Hachteil ist, wenn die Fäden unmittelbar beim Verlassen der Spinndüse abgeschreckt werden. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zum Schmelzspinnen von synthetischen Polymeren durch Spinn düsen, deren Bohrungsabstand weniger als 3,5 mm - gemessen von Bohrlochmitte zu Bohrlochraitte - beträgt, unter Anblasung der Spinnfäden durch einen Strom eines gasförmigen Kühlmediums unterhalb der Düse unter einem Winkel von 10° gegen unten bis 60° gegen oben, gemessen an der sur Fadenlr.ufrichtung Senkrechten, dadurch gekennzeichnet, daß während des Spinnvorganges unmittelbar an der Unterseite der Spinndüse ein schmaler Strom eines heißen Gases oder Dampfes einer Temperatur im Bereich von etwa 120 vorzugsweise 150 - 200⁰C, entlang geführt wird, der die Düse zu einem wesentlichen Teil vor Auskühlung durch den gegen die Spinnfäden gerichteten Strom des gasförmigen Kühlmediums schützt.

Der Winkel, unter dem der Strom des gasförmigen Kühlmediums unterhalb der Düse gegen die Spinnfäden gerichtet ist, fällt vorteilhaft mit der zur Fadenlaufrichtung Senkrechten zusammen.

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

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Dämpfe, wie z.B. Stickstoff, Kohlendioxyd und unter Umständen auch Wasserdampf, zugelassen. Wenn auch als Temperatur des gasförmigen Kühlmediums Raumtemperatur bevorzugt ist, so kann ohne weiteres die Kühlmediumtemperatur auch höher liegen; sie soll Jedoch erheblich unter dem Schmelzpunkt des Fadenmaterials sein. \ Ein gasförmiges Kühlmedium von höherer als der Raumtemperatur kam beispielsweiee 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 erfolgt, doch soll natürlich auch keine Verblasung durch einen zu scharfen Kühlmediumstrom eintreten. Der unmittelbar an der Unterseite der Spinndüse, also zwischen der Spinndüse und dem gegen die Spinnfäden gerichteten Kühlmediumstrom entlang geführte schmale Strom eines heißen Gases- oder Dampfes ist - wie bereits erwähnt - von einer Temperatur von etwa 120 - 25O⁰C, vorzugsweise 150 - 200⁰C und ist durchweg von gleicher stofflicher Natur wie der Kühlrnediumstrom; bevorzugt ist ein heißer Luftstrom.

Wenn auch der Kühlraediumstrom primär gegen die gesponnenen Fäden gerichtet ist, so ließe sich in Abwesenheit des unmittelbar an der Unterseite der Spinndüse entlang geführten schmalen Stromes eines heißen Gases oder Dampfes nicht vermeiden, daß das Kühl·- medium auch mit der heißen Spinndüse in Berührung kommt und damit eine zu starke Wärmeabfuhr und Temperaturerniedrigung der Spinndüse bewirkt. ^:

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet© Torrichtung besteht aus einer Schmelzspinndüse mit einem Bohrungs-* abstand von weniger als 3,5 mm, gemessen von Bohrlochmitte zn Bohrlochmitte, einer unmittelbar unterhalb der Düse angeordneten ' Blasvorrichtung zur Erzeugung des schmalen, unmittelbar an der Unterseite .der Düse entlang führenden Stromes eines -heißen 6qs'©0 oder Dampfes und einer darunter angeordneten Anblasvorpicfrtasg Erzeugung eines gegen die aus der Düse .gesponnenen Fäden

«ater einem Winkel von 10° gegen unten bis 60 .gegen ob'en₉ -go= ' t

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ORIGINAL INSPECTED *&

messen an der zur Fadenlaufrichtung Senkrechten gerichteten Stromes eines gasförmigen Kühlmediums.

Die vorliegende Erfindung wird mit Erfolg angewandt auf das Schmelzspinnen von linearen Polyestern, insbesondere von PoIyäthylenterephthalat 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 Zweck werden die Spinnfäden durch den Kühlmediumstrom, welcher möglichst von Raumtemperatur sein soll, einseitig angeblasen. Ist keine potentielle Kräuselung erwünscht, so werden die Spinnfäden von dem Kühlmedium möglichst allseitig angeblasen.

Die vorliegende Erfindung dient der Kapazitätserhöhung beim Schmelzspinnen synthetischer Fäden, insbesondere solcher mit besonders feinem Titer, z.B. von Polyesterfäden der sogenannten Baumwolltype. Diese hat nach der derzeit bekannten Herstellungsweise, nämlich dem Schmelzspinnen ohne Fadenanblasung durch ein gasförmiges Kühlmedium und ohne Verhinderung einer Auskühlung der Spinndüse, nach der Verstreckung der Ware auf der Bandstid3e 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 kurz unterhalb der Düsen die Festigkeit der resultierenden Fäden gesenkt. Dieser Nachteil tritt bei Anwendung der vorliegenden Erfindung nicht auf; durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens der entsprechenden Vorrichtung 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 s 00 98 3 4/1794

Mängel vermieden. Allerdings ist es auch nach der vorliegenden Erfindung nicht möglich, Polymere mit extrem niedriger Schmelzviskosität zu verspinnen. Die Viskosität sollte höher sein als jene von Polyäthylenterephthalat der "intrinsic viscosity" 0,55 (gemessen in 1 Gew.-$iger Lösung in Phenol/Tetrachloräthan· = 3/2 bei.20⁰C). ;

In der nachfolgenden Figur.ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung sur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Durch die Spinndüse 1 werden die r Fäden 4 versponnen. Die Anblasung der Fäden durch ein gasförmiges Kühlmedium erfolgt durch die Anblasdüse 2; die unmittelbar unterhalb der Spinndüse 1 angeordnete Gasdüse 3 dient zur Erzeugung eines Stromes' eines heißen Gases oder Dampfes zum Zwecke der Verhinderung der Auskühlung der Spinndüse.

Die folgenden Beispiele sollen zur Erläuterung der vorliegenden

Erfindung dienen. ■ ' .

Beispiel i : '■""-·"-

Getrocknetes Polyäthylenterephthalat mit einer "intrinsic viscosity" von 0,63 (gemessen in einer Lösung von 1 Gewichts-. prozent in einem Geraisch von Phenol und Tetrachloräthan im Gewichtsverhältnis 3 L 2 bei 20 C) wird in einem Extruder aufgeschmolzen und durch sogenannte Reihendüsen versponnen. Eine - derartige Düse enthält 1 000 Bohrungen in 14 Reihen mit 1,25 mm Bohrungsabstand, gemessen von Bohrlochmitte zu Bohrlochmitte. Der Bohrungsdurchmesser beträgt 0,25 mm. Die Temperatur der Schmelze vor Eintritt in die Spinndüse beträgt 287⁰C. Gemäß der Figur -./ ist unmittelbar an dem isolierten Teil der Spinndüse 1 eine Heißluftdüse 3 mit einem Öffnungsquerschnitt von 10 χ 110 mm angebracht. Der horizontale Abstand zwischen Spinnfäden und Düse 3 beträgt 20 mm. Durch die Düse 3 wird Heißluft von 200⁰C, mit einer Austrittsgeschwindigkeit von 2 m/sek geblasen. Ferner ist gemäß Figur eine üLtluftanblasdüse mit 30 χ 100 mm offenem Querschnitt } 60 mm unterhalb der Spinndüse angeordnet, durch die Luft von gebungstemperatur mit 1,5 m/selc Austrittsgeschwindigkeit bläst«

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Die Schmelze wird ait 400 g/min Förderung durch die Düse gepreßt und die so erhaltenen Spinnfäden werden mit 1 000 m/min aufgespult. '

In bekannter Weise werden sie hinterher verstreckt, fixiert und gekräuselt. Man erhält eine Baumwolltype mit 6,2 g/den Festigkeit und 14 # Dehnung.

Beispiel 2 (VerRleichsbeispiel);

Polyethylenterephthalat mit der relativen Viskosität 31,6, gemessen in einer 8,73 gewichtsprozentigen Lösung in Phenol/2,4,6-Trichlorphenol = 10/7 bei 20⁰C, wird bei 29O⁰C extrudiert und durch eine Spinndüse mit 126 Bohrungen gepreßt. Die Bohrungen der Düse haben einen Durchmesser" von 0,125 mm und sind im Rechteck angeordnet, mit 18 Bohrungen in Längsrichtung und 7 in Querrichtung. Der Abstand zwischen den Mittelpunkten beträgt 1,25 mm. Die Fäden werden mit nassemHDampf abgekühlt, der aus einer rechteckigen Blasdüse mit 38 mm Höhe und 75 ram Breite austritt und einen ansteigenden Winkel von 15 - 20° mit der Horizontalen bildet. Der Dampfdurchsatz beträgt 1 - 2 kg pro Kilo Polymer. Die Blasdüse ist 50 mm von den Spinnfäden entfernt und 25 mm unterhalb der Düse. Die abgekühlten Spinnfäden werden mit Geschwindigkeiten von 434 - 960 m/min aufgewickelt. Die Eigenschaften der verstreckten Fäden werden wie folgt angegebenen:

Abzug m/min Festigkeit g/den Dehnung #

434 5,5 17

960 4,1 59

960 4,8 41

96.0 4,1 41

Man erkennt aus dem Vergleichsbeispiel 2, daß nach Anwendung dieses Verfahrens eine für Baumwolltype annähernd brauchbare Festigkeit nur bei der geringen Abzugsgeschwindigkeit von 434 m/min erzielt werden kann. Demgegenüber zeigen die Ergebnisse nach Beispiel 1 den technischen Fortschritt in der Erzielung tiöherer Fadenfestigkeiten bei einem höheren DyroSisats 'je Düse

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und Zeiteinheit und unter Vermeidung großer Mengen Wasserdampf in der Spinnerei, die häufig zu technischen Schwierigkeiten führen und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren daher meist nicht angewandt werden. ' .

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Claims

— Q —

Patentansprüche:

Λ j Verfahren zum Schmelzspinnen von synthetischen Polymeren durch Spinndüsen, deren Bohrungsabstand weniger als 3,5 mm - gemessen von Bohrlochmitte zu Bohrlochmitte - beträgt, unter Anblasung der Spinnfäden durch einen Strom eines gasförmigen Kühlmediums unterhalb der Düse unter einem Winkel von 10° gegen unten bis 60° gegen oben, gemessen an der zur Fadenlaufrichtung Senkrechten, dadurch gekennzeichnet, daß während des Spinnvor-•ganges unmittelbar an der Unterseite der Spinndüse ein schmaler Strom eines heißen Gases oder Dampfes von einer Temperatur innerhalb des Bereiches 120 - 250⁰C, vorzugsweise 150 - 200⁰C, entlanggeführt wird, der die Düse vor Auskühlung durch den gegen die Spinnfäden gerichteten Strom des gasförmigen Kühlmediums schützt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, unter dem der Strom des gasförmigen Kühlmediuras unterhalb der Düse gegen die Spinnfäden gerichtet ist, mit der zur Fadenlaufrichtung Senkrechten zusammenfällt.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bestehend aus einer Schmelzspinndüse mit einem Bohrungsabstand von weniger als 3,5 mm, gemessen von Bohrlochmitte zu Bohrlochmitte, einer unmittelbar unterhalb der Düse angeordneten Anblasvorrichtung zur Erzeugung eines schmalen unmittelbar an der Unterseite der Düse entlangstreichenden Stromes eines heißen Gases oder Dampfes und einer darunter angeordneten Anblasvorrichtung zur Erzeugung eines gegen die aus der Düse gesponnenen Fäden unter einem Winkel von 10° gegen unten bis 60° gegen oben - gemessen an der zur Fadenlaufrichtung Senkrechten gerichteten Stromes eines gasförmigen Kühlmediums.

009834/179A BAD ORIGfNAL

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