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Spinnvliese aus gebündelten Fäden Die Herstellung von Spinnvliesen
aus schmelzspinnbaren synthetischen Materialien ist Gegenstand der Erfindung.
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Die Herstellung von Spinnvliesen ist grundsätzlich bekannt. Aus Spinndüsen
wird Schmelze zu Fäden extrudiert, die Fäden werden durch Luftströme erfaßt und
auf einen geringeren Durchmesser verzogen, wobei eine molekulare Orientierung, die
für die spätere Fadenfestigkeit und -dehnung maßgeblich ist, erzeugt wird.
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Die Luftströme können dabei direkt neben den Spinnbohrungen austreten.
Im vorliegenden Falle wird aber die Luft in besonderen Luftkanälen in größerem Abstand
von der Düse geführt und die Fäden in diese Luftkanäle eingebracht. Zwischen der
Spinndüse und dem Luftkanal, der die Verstreckung der Fäden übernimmt, befindet
sich eine Zone, in der die Fäden in geeigneter Weise, beispielsweise durch Queranblasung,
abgekühlt werden in dem Maße, wie es der fortschreitenden Orientierung dienlich
ist. In dieser Abkthlzone können auch weitere, für die spätere Art der Fäden maßgebliche
Effekte, wie Kräuselung durch asymmetrisches Anblasen, hervorgerufen werden. Hier
kann auch die Kristallisation der Fäden beeinflußt werden; im allgemeinen durch
die Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur in dieser Zone bei einigen Polymeren
durch Temperatur und Feuchtigkeit. Nach
Verlassen des Luftkanals,
in dem die zum Verziehen und Verstrecken notwendige Kraft auf die Fäden aufgebracht
wird, werden die Fäden zu einem Vlies auf einem beweglichen, luftdurchlässigen Auffangband
abgelegt. Die Luft durchtritt dieses Auffangband und wird fortgeführt.
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Vornehmliches Ziel der Erfindung ist es, die einen Fäden, die die
Spinndüse verlassen und dann durch die Luftströme erfaßt werden, mehr oder weniger
zu bündeln und zwar zu dem Zeitpunkt, wo sie sich unter der von der Luftströmung
auf sie ausgeübten Zugspannung befinden. Die Bündelung von Fäden ist einerseits
wünschenswert für die spätere Verwendung der Vliese, da man beispielsweise eine
höhere Einreiß- und Weiterreißfestigkeit erzielt, als wenn die Fäden alle einzeln
vorliegen. Dieses ist besonders dann erforderlich, wenn das Vlies genadelt oder
perforiert wird, wie es beispielsweise bei Tuft-Teppichen geschieht. Das Durchstoßen
des Fadenverbandes schwächt die Reißfestigkeit des Vlieses, was durch eine Bündelung
der Fäden vermindert wird. Andererseits ist es grundsätzlich wirtschaftlich, wenn
man für manche Anwendungsfälle, die ähnlich dem vorgenannten dickere Fäden bei gleichem
Flächengewicht verlangen, zunächst dünnere Fäden spinnt und diese, bevor sie zu
einem Vlies abgelegt werden, sich berühren läßt, damit sie mehr oder weniger gebündelt
im Vlies vorliegen Mit zunehmendem Fadendurchmesser nimmt nämlich die spezifische
Zugkraft, die man durch die Luftströmung aufbringen kann, stetig ab. Günstige Bedingungen
liegen beispielsweise bei Fadendurchmessern von etwa 20 ç vor. Vergrößert man den
Fadendurchmesser bei gleichem Schmelzdurchsatz aus der Spinnbohrung, so sind immer
höhere Luftgeschwindigkeiten unddlmit höhere tnergieverbräuche zur Erzeugung von
gleichfesten Fäden nötig. Es ist daher in vielen Bereichen wirtschaftlicher, wenn
man zunächst dünnere Fäden spinnt und diese zu Bündeln zusammenfaßt, wodurch dann
dickere Fäden simuliert werden.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, Fäden mit unterschiedlicher
molekularer Orientierung herzustellen. Während allgemein schon die Orientierung
eines Fadens, hergestellt nach dem Spinnvliesverfahren, ziemlich stark schwankt,
kann man diese Streuung der molekularen Orientierung noch dadurch verstärken, daß
man die Fäden bündelt. Dieses ist für einige Produkte erwünscht. Bringt man nämlich
die Faden in der Zone zwischen Spinndüse und Abzugskanal in Berührung miteinander,
so kühlen sie an den Berührungsstellen, da die Oberfläche kleiner geworden ist,
weniger stark ab, und die molekulare Orientierung ist in diesen Bereichen geringer.
Da diese Orientierung auch einen Einfluß auf die Kristallisation hat, ergeben sich
damit gleichzeitig längs den mehr oder weniger gebündelten Fäden Unterschiede in
der Kristallisation und damit in der Erweichungstemperatur. Die Stellen geringerer
Orientierung haben im allgemeinen eine tiefere Erweichungstemperatur. Sowohl für
Vliese, die beispielsweise für Teppiche vernadelt werden, als auch für suche, die
durch Hitzeverschweißung verfestigt werden sollen, hat sich diese Schwankung in
der Orientierung als günstig erwiesen.
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Bei Verfahren und Produkten nach der Erfindung ist es wesentlich,
daß die Bündelung im gespannten Zustand der Fäden erfolgt, und daß die Fäden dort
zwar nicht mehr schmelzflüssig, aber doch noch eine gewisse Temperatur haben, die
sie miteinander verschweißen oder verkleben läßt. Würde man die Fäden zu früh, also
kurz unterhalb der Spinndüse im nahezu vollständig schmelzflüssigen Zustand zusammenbringen,
so würden sich die gleichen Schwierigkeiten ergeben, als ob man von Anbeginn dickere
Fäden spinnt: Die Luftleistung müßte zur Erzielung bestimmter Bruchfestigkeit und
Bruchdehnung der Fäden entsprechend gesteigert werden. Bringt man sie zu spät zusammen,
so findet eine Bündelung durch Verschweißen nicht mehr statt.
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Die Zusammenführung der Fäden in der Zone zwischen Abzugskanal
und
Auffangband ist ebenfalls nicht günstig, weil dort die Spannung auf die Fäden durch
Verzögerung der Luftströmung bereits nachgelassen hat und ein Aneinanderfügen von
mehreren Fäden wegen der dann langsameren Abkühlung zu einer Desorientierung der
bereits erzielten molekularen Orientierung führen würde. Das erfindungsgemäße Verfahren
gestattet es nun, die Fäden so zu bündeln, wie es fnr die technologischen Werte
der Fäden und für die spätere Verwendung des Vlieses sinnvoll ist.
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In Fig. I ist schematisch das Verfahren wiedergegeben. Der Spinndüse
1 wird an nicht näher bezeichneter Stelle Schmelze des spinnbaren Rohstoffes zugeführt,
die aus den Spinnöffnungen 2 austritt. Handelt es sich um Runddüsen, so befinden
sich die Spinnbohrungen auf konzentrischen Kreisen, bei Längs- und Rechteckdüsen
sind zweckmäßigerweise mehr als eine Reihe von Bohrungen angebracht, denn dann gelingt
es verhältnismäßig einfach, in der Abkühlzone 3, die zwischen Spinndüse 2 und Abzugskanal
4 liegt, die Fäden miteinander in Berührung zu bringen und an den Berührungsstellen
zu verschweißen oder zu verkleben. Der Luftkanal 4 wird in bekannter Weise über
Schlitze 5 von einem Gas, vorzugsweise Luft versorgt, so daß eine in der Zeichnung
abwärts gerichtete Strömung entsteht. Auf den Raum oberhalb des Kanals wird eine
Saugwirkung ausgeübt (Injektorwirkung), die die Fäden in den Kanal einsaugt. Die
Fäden aus den nebeneinanderliegenden Lochreihen oder Gränzen laufen konvergent auf
diesen Kanal zu. In einem gewissen Abstand zum Luftkanal 4 befindet sich das luftdurchlässige
Ablageband 6. Die Fadenschar wird in dieser Zone über dem Auffangband hin und her
bewegt, um ein gleichmäßig schweres Vlies zu erzeugen. In dieser Zone sollten die
Fäden bereits so weit abgekühlt sein, daß hier wegen der immer geringer werdenden
Luftgeschwindigkeit die Bündelung durch Verschweißen nicht mehr oder nur noch in
geringem Maße auftritt.
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Um breite Vliese zu erzeugen, werden mehrere dieser Einheiten, bestehend
aus Spinndüse, Blasschacht, Luftkanal und der hier nicht gezeigten Einrichtung zum
Schwenken der Fadenschar nebeneinander in einer bestimmten Stellung zu dem beweglichen
Auffangband angeordnet. Dabei ist es möglich, aus benachbarten Spinndüsen chemisch
und/oder physikalisch unterschiedliche Fäden auszuspinnen und zu einem Vlies zu
vermischen.
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Die unregelmäßige Bündelung der Fäden beginnt in der Zone 3, in der
Abkühl- oder Anblaszone. Hier wird im allgemeinen zur Abkühlung der Fäden Luft quer
durch die Fadenschar hindurchgeblasen, wie es der Pfeil 7 im oberen Teil dieser
Zone zeigt. Bei den bei der Spinnvlieserzeugung üblichen hohen Fadengeschwindigkeiten
von mehr als 2.000 m/min genügt es häufig, zur Abkühlung die Luftmenge zu ersetzen,
die von den Fäden durch Reibungswirkung mitgeschleppt wird, in-dem man sie von beiden
Seiten dieses hier mit 8 bezeichneten Blasschachtes einführt wie. es die Pfeile
9 zeigen. Für das gleichmäßige Spinnen ist es häufig von Vorteil, wenn man die Fäden
direkt unterhalb der Düse noch nicht anbläst, damit eine Abkühlung der Spinndüse
1 an der Stirnseite vermieden wird. In diesem oberen Teil 10 ist es jedoch häufig
vorteilhaft, wenn man Luft dort absaugt und dabei auch Zerfallsprodukte aus der
Schmelze, wie monomere Dämpfe, abführt.
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Wenn bei einer Längsdüse, und das gleiche gilt auch für eine Runddüse,
die Spinnbohrungen in mehr als zwei Reihen angeordnet sind, so kommt es durch die
von der Luftströmung im Kanal 4 ausgeübten turbulenten Schwankungen, die sich auf
die Fäden übertragen, bei nicht zu groß gewähltem gegenseitigen Abstand der Spinnbohrungen
schon häufig zu regellosen Berührungen der Fäden und damit zu den gewünschten Verschweißungen.
Durch die Queranblasung 7 bzw. das Einblasen 9 kann die Berührung jedoch verstärkt
und vor allem gesteuert werden. So kann man die Kühlluft pulsierend einblasen. Einen
wesentlichen Einfluß auf die Stärke der Bündelung hat auch die Temperatur der Düse
und damit die der austretenden Schmelze.
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Die Bündelung geschieht im allgemeinen unregelmäßig, denn die vorher
erwähnten turbulenten Schwankungen vom Luftkanal 4, aber auch eine gewisse Turbulenz,
die im Unterschied zu anderen Spinnverfahren hier bewußt in der Zone 3 hervorgerufen
werden kann, führen entsprechend dem statistischen Charakter der Turbulent zu unregelmäßigen
Bündelungen. Für viele Produktanwendungen sind diese und nicht die vollständige
Verbindung von zwei oder mehreren Fäden in ihrer gesamten Länge erwünscht.
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Beim Spinnen von Polypropylen ist es verhältnismäßig einfach, eine
Fadenbündelung zu erzielen, denn die Fäden behalten lange ihre Kleb- oder Verschweißfähigkeit.
Bei Polyamid und Polyester ist es häufig schwieriger, eine stärkere Bündelung zu
erzielen. Nach der Erfindung kann man dann in tieferen Bereichen der Anblaszone
3 die Fäden durch Strahlen oder heiße Gasströme nochmals erwärmen und sie dort,
wo die Fadenscharen aus den verschiedenen Lochreihen schon dichter nebeneinander
verlaufen, in Berührung miteinander bringen.
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Diese zweite Erwärmung kann auch dazu dienen, daß man die Fäden dieser
Stelle nochmals verstreckt und damit bessere Festigkeiten erzielt. Die unten am
Faden angreifende Kraft wird dabei gestuft zur Verstreckung eingesetzt: Ein Teil
der Kraft wird in dieser zweiten Verstreckungszone verbraucht, ein weiterer gelangt
in den Bereich unterhalb der Spinndüse, wo sich der Faden aus der Schmelze bildet
(ein dritter Teil wird zur Oberwindung der Reibung des Fadens an der umgebenden
Atmosphäre verbraucht).
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Ein Fadenriß entsteht am leichtesten in der oberen Zone, wo der Faden
seine Endfestigkeit noch nicht erreicht hat. Wenn dort nicht die gesamte Verstreckungskraft
angreift, so ist die Gefahr des Fadenrisses vermindert.
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Wenn es darauf ankommt, möglichst hohe Festigkeiten und geringe Dehnungen
zu erzielen, so müssen von der Luftströmung im Kanal 4 möglichst hohe Kräfte auf
den oberen, verformbaren Teil
der Fäden in der Nähe der Spinndüse
ausgeübt werden. Die Fäden dürfen dann nicht eher zusammengeführt werden, als bis
sie etwa ihre maximale Orientierung erreicht haben. Bei zu früher Zusammenführung
wird die Abkühlung und damit die Einfrierung des erreichten Orientierungszustandes
behindert. Eine bereits erzielte Orientierung kann dadurch wieder verringert werden.
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Eine Optimierung des Verfahrens für das jeweils gewünschte Produkt
kann leicht über das Experiment durch die Variation der verschiedenen Parameter
wie Spinntemperatur, Anblasung, Abstand zwischen Spinndüse und Abzugsluftkanal,
Temperatur bzw. Feuchtigkeit in der Zone 3 usw., gefunden werden.
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Die Bündelung von Fäden ist für Vliese, die aus Gründen der Weiterreißfestigkeit
dickere Fäden haben sollen, im allgemeinen wirtschaftlicher als wenn man durch höhere
Luftgeschwindigkeiten hinreichend gute, dicke Fäden erzeugt. Auf der anderen Seite
wird häufig eine Kombination von dünnen und dicken Fäden gewünscht, z.B. bei Filtern.
Durch die unterschiedliche Orientierung an den Verschweißungsstellen und denen,
wo die Fäden nicht miteinander in Berührung stehen, ergeben sich weitere besondere
Eigenschaften des Vlieses. Bei geringerer Orientierung und bei geringerer Kristallinität,
die häufig damit in Einklang steht, haben die Fäden einen geringeren Erweichungspunkt.
Dadurch können die Fäden, wenn sie durch Hitzeverschweißung miteinander zu einem
Vlies verbunden werden sollen, an diesen Stellen verschweißt werden, ohne daß die
übrigen Bereiche zu-viel von ihrer Festigkeit aufgeben.
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Auch beim Verfestigen des Vlieses durch Nadeln hat die Bündelung von
Fäden große Vorteile. Ein Vlies mit etwa 15 ç Fadendicke würde durch die Nadeln
zerschlagen werden, dagegen weichen grdssere Titer den Nadeln aus und werden verfilmt.
Die Mischung aus dicken und dünnen Faden, wobei die dicken durch Verschweißen simuliert
werden, hat bei Nadelvliesen außerdem den Vorteil, daß sich die dünnen Fäden besser
miteinander verhaken, den Verband
gleichmäßiger füllen und beispielsweise
bei Teppichböden, bei denen man eine Deckschicht auf das Spinnvlies aufnadelt, diese
Deckschicht besser mit der Spinnvliesbasis verbunden ist. Die unterschiedliche Orientierung
sowohl zwischen den Einzel- und Bündelfäden, als auch in verschiedenen Abschnitten
dieser Fäden trägt zu einer weiteren Verbesserung derartiger Nadelvliese bei. Auf
der einen Seite sollen feste und steife Fäden vorhanden sein, um dem Vlies Volumen
und Elastizität zu geben, auf der anderen Seite sollen sich die Fäden beim Nadeln
wiederum gut verfilzen und verziehen lassen, denn besonders bei Endlosfäden wird
sonst der Vlies verband beim Nadeln zu stark zusammengedrückt. Mit den regellos
gebündelten Fäden lassen sich durch die unterschiedlichen Orientierungen beide Erfordernisse
miteinander verbinden.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sei an folgendem Beispiel gegeben:
Beispiel Aus einer Rechteck-Spinndüse, bei der 400 Spinnbohrungen mit einem Durchmesser
von 0,6 mm in drei Reihen parallel zueinander angeordnet waren, wurde Polypropylen
mit einer Temperatur von 315°C ausgesponnen. Unterhalb der Düse wurde der Spinnrauch
aus dem Bereich 10 in Fig. I abgesaugt. Der Abstand zwischen Spinndüse und Luftkanal
4 betrug etwa 1,5 m, der Durchsatz aus der einzelnen Spinnbohrung 0,5 g/min. Die
Luftgeschwindigkeit im Kanal betrug 9.000 m/min., die Fäden wurden über seitwärts
am Blasenschacht 8 angebrachte Luftverteilungsleitungen angeblasen mit Lufttemperaturen,
die sich in Richtung des Fadenverlaufes von etwa 800C auf 200C stetig erniedrigt.
Die Bündelung der Fäden war etwa so, daß neben den Einzelfäden, die einen Titer
von 2 bis 3 dtex hatten, im Mittel etwa 5 bis 10 Fäden unregel.
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mäßig, d.h. längs kürzerer oder längerer Abschnitte, miteinander verbunden
waren.