DE19962398A1 - Kühlvorrichtung zur Kühlung synthetischer Fäden - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Kühlvorrichtung zur Kühlung synthetischer Fäden, insbesondere zur Anwendung beim Spinnen von Multifilamenten, die ein Gehäuse mit mindestens einem Einlaß und mindestens einem Auslaß für ein Kühlmedium sowie einen Einlaß für abzukühlende Fäden (7) und einen Auslaß für gekühlte Fäden (7) aufweist, wobei zwischen diesem Einlaß und diesem Auslaß mindestens ein Kühlschacht (21) angeordnet ist, durch den die Fäden (7) geführt werden und der mit Öffnungen (23) für die Durchführung des Kühlmediums versehen ist, wobei der Kühlschacht (21) einen nahtlosen, durch Elektroforming hergestellten Träger (22) mit durch Stege getrennten, durchgehenden Öffnungen (23) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung synthetischer Fäden, insbesondere zur Anwendung beim Spinnen von Multifilamenten, die ein Gehäuse mit minde­ stens einem Einlaß und mindestens einem Auslaß für ein Kühlmedium sowie einen Einlaß die für abzukühlenden Fäden und einen Auslaß für die gekühlten Fäden aufweist, wobei zwischen diesem Einlaß und diesem Auslaß mindestens ein Kühlschacht angeordnet ist, durch den die Fäden geführt werden und der mit Öffnungen für die Durchführung des Kühlmediums versehen ist.

Eine derartige Kühlvorrichtung ist in der Branche allge­ mein bekannt. Für die Herstellung von Fasern oder Fäden werden drei verschiedene Basismethoden angewandt, nämlich Spinnen aus der Schmelze (melt spinning), Trockenspinnen (dry spinning) und Naßspinnen (wet spinning), obwohl vie­ le Variationen und Kombinationen dieser Basismethoden existieren. Nebenbei sei bemerkt, daß in dieser Anmeldung der Begriff "Spinnen" im weitesten Sinne, nämlich die Herstellung von Fäden, benutzt wird und sich nicht be­ schränkt auf die Herstellung von Fäden aus Stapelfasern.

Beim Spinnen aus der Schmelze wird ein Polymer bis auf eine Temperatur oberhalb deßen Schmelzpunktes erhitzt, und das geschmolzene Polymer wird durch eine Spinndüse extrudiert. Eine Spinndüse ist eine Matrize mit einer großen Zahl von Kapillaren, deren Durchmeßer und Form va­ riieren können. Die Strahlen geschmolzenen Polymers, die aus den Kapillaren austreten, werden in eine Kühlzone ge­ leitet, wo der Strahl des Polymers erstarrt und somit ein kontinuierlicher Faden entsteht. Beim Trockenspinnen wird das Polymer in ein geeignetes Lösemittel gelöst, und die so erhaltene Lösung wird unter Druck durch eine Spinndüse extrudiert. Die Strahlen der Polymerlösung werden in eine Erhitzungszone geleitet, wo das Lösungsmittel aus dem Po­ lymer verdampft und der Faden fest wird. Beim Naßspinnen wird das Polymer ebenfalls in ein geeignetes Lösungsmit­ tel gelöst, und es wird die so erhaltene Lösung durch ei­ ne Spinndüse extrudiert, die in einem sogenannten Koagu­ lationsbad eingetaucht ist. In diesem Koagulationsbad findet eine Fällung oder chemische Regeneration des Poly­ mers in Form eines Fadens statt. Meist müßen die so er­ haltenen Fäden noch einer Nachbearbeitung, wie Heiß- oder Kaltstrecken, Verdrehen (twisten) und Texturieren unter­ zogen werden, um Multifilamente mit den gewünschten Ei­ genschaften für die bezweckte Endanwendung zu bekommen.

Beim Spinnen aus der Schmelze entweder von Monofilen oder von Multifilamenten ist die Abkühlung nach dem Extru­ sionschritt von wesentlicher Bedeutung, da die Uniformi­ tät der Kühlung auf direkte Weise die physikalischen Pa­ rameter der Fäden, wie die Gleichmäßigkeit der Dicke oder das Einfärbvermögen, beeinflußt. Im Allgemeinen geht man davon aus, daß Variationen dieser Eigenschaften in Längs­ richtung des Fadens und zwischen den verschiedenen Fäden untereinander durch eine nicht laminare oder turbulente Strömung des Kühlmediums, meist Kühlluft, verursacht wer­ den. In der Kühlzone müßen die geschmolzenen Fäden bis unter dem Schmelzpunkt des Polymers abgekühlt werden, be­ vor die Fäden untereinander oder mit Teilen einer für die Herstellung angewandten Vorrichtung, wie Führungen, in Berührung kommen dürfen.

Um die geschmolzenen und extrudierten Fäden einer mög­ lichst gleichmäßigen Behandlung mit Kühlluft auszusetzen, sind eine Reihe von kostenaufwendigen Kühlsystemen und -methoden entwickelt worden, bei denen komplexe Luftver­ teilungs-, Regelungs- und Homogenisierungsvorrichtungen erforderlich sind, um die turbulente Kühlluft zu führen und in laminarem Zustand zuführen zu können.

Bei einem in der Branche bekannten System wird ein Kühl­ schacht benutzt, der zumindest teilweise mit Öffnungen für den Durchlaß des Kühlmediums versehen ist. Ein derar­ tiger Kühlschacht ist dann nicht unmittelbar unter einer oder mehreren Spinndüsen einer Spinnvorrichtung aufge­ stellt und kann dann nicht mit einer Zwangszufuhr und/oder -abfuhr von Kühlluft betrieben werden. Beispiele solcher Systeme sind beschrieben in DE-A-42 20 915, DE-A- 42 23 198 und WO-A-93/19229.

Bei den aus diesen Veröffentlichungen bekannten Kühlsy­ stemen zur Kühlung von Multifilamenten wird ein Kühl­ schacht verwendet, der im allgemeinen aus einem Siebtuch oder einer Hülse, die mit Löchern und Schlitzen perfo­ riert ist, gebildet ist.

Insbesondere werden in WO-A-93/19229 als Beispiele eines solchen Kühlschachtes ein Metallsieb, wobei in diesem Fall relativ große Löscher über die ganze Oberfläche dicht aufeinander gelegen vorhanden sind, sowie ein per­ forierter Schacht genannt, der über die ganze Oberfläche mit Perforationen versehen ist. Die Löcher haben einen Durchmeßer von 1-5 mm, wobei der Durchlaß maximal 50% be­ trägt. Im Beispiel 1 wird ein Siebzylinder mit einer Ma­ schendichte von 600/cm² angewandt. Beim Kühlsystem gemäß DE-A-42 20 915 wird ein Kühlschacht, der aus einem Sieb­ tuch gebildet ist, oder ein Kühlschacht, deßen Wände mit kleinen Löchern und Schlitzen perforiert sind, verwendet. Der Kühlschacht gemäß DE-A-42 23 198 ist auf die gleiche Weise wie in DE-A-42 23 915 konstruiert. Die Form des Kühlschachtquerschnitts ist an die Form der Spinndüsen­ aufstellung angepaßt. Vorzugsweise ist beim Spinnen von Multifilamenten jedes Fadenbündel von einem Kühlschacht umgeben.

Wenn ein Kühlschacht aus Siebmaterial konstruiert ist, ist es notwendig, dieses Siebmaterial an diversen Stellen zu unterstützen, und es müßen die Enden aneinander befe­ stigt werden, beispielsweise über eine Schweißnaht. In­ folge dieser notwendigen Unterstützungen und Verbindungen können "tote" Zonen im Kühlschacht entstehen, wobei durch lokale Erwärmung der in solchen toten Zonen nahezu still­ stehenden Kühlluft - Wärme wird schließlich von den hei­ ßen Fäden an die Kühlluft übertragen - die erwünschte gleichmäßige (laminare) Strömung der Kühlluft gestört wird. So werden die Fäden keiner gleichmäßigen Kühlbe­ handlung unterzogen, was zu Variationen der physikali­ schen Eigenschaften im Produkt führen kann. Bei einem Kühlschacht mit großen Perforationen ist die Möglichkeit des Auftretens von Störungen des erwünschten laminaren Strömungsprofils ebenfalls vorhanden, unter anderem weil die Bewegungsgeschwindigkeit der Fäden eine Sogwirkung auf die Kühlluft ausübt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die obengenannten Nachteile zumindest teilweise zu beseitigen und insbeson­ dere einen Kühlschacht zu schaffen, in dem die Möglich­ keit der Bildung von toten Zonen weiter reduziert wird.

Bei der Kühlvorrichtung der eingangs erwähnten Art gemäß der Erfindung weist der Kühlschacht einen nahtlosen, durch Elektroforming hergestellten Träger mit durch Stege getrennten durchgehenden Öffnungen. Gemäß der Erfindung wird also der Kühlschacht mittels Elektroforming (galvanischen Niederschlag) ohne Naht hergestellt. Wäh­ rend des Betriebs wird ein solcher Kühlschacht weniger Anlaß zur Bildung von toten Zonen geben, so daß die Kühl­ behandlung gleichmäßiger ausgeführt und so eine gleichmä­ ßigere Verteilung der Eigenschaften in den Fäden erzielt werden kann. Weiter ist ein solcher elektroformierter Kühlschacht ausreichend fest und beständig gegen Durch­ biegung, so daß weitere Unterstützungen nicht notwendig sind.

Beim Elektroforming des Kühlschachtes wird eine Matrize angewandt, in der ein System von elektrischen Leitern vorgesehen ist, die Isolatorinseln begrenzen. Die elek­ trischen Leiter bestimmen die zu bildenden Stege und die Isolatorinseln die zu bildenden Öffnungen. In einem Elek­ trolysebad wird auf galvanische Weise Metall auf die elektrischen Leiter bis zu einer gewünschten Dicke abge­ setzt. Anschließend wird das so erhaltene Produkt von der Matrize entfernt. Abweichend davon kann man auf gleiche Art und Weise zuerst ein Basißkelett des Kühlschachtes, das man nach Entfernung weiter wachsen läßt, auf die Ma­ trize aufsetzen.

Im allgemeinen benutzt man walzenförmige Matrizen mit kreisförmigem Querschnitt, so daß auch der elektrofor­ mierte Kühlschacht einen kreisförmigen Querschnitt hat. Andere Formen, wie oval oder rechteckig, sind jedoch auch möglich. Die Anzahl der Öffnungen pro Fläche kann abhän­ gig von der beabsichtigten Anwendung gewählt werden, wo­ bei die Art des Polymers ebenfalls von Bedeutung ist. Die Länge des Kühlschachtes wird so kurz wie möglich gehal­ ten, so daß die gesamte Spinnvorrichtung, von der die Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung ein Teil ist, relativ kompakt gehalten werden kann. Es hat sich gezeigt, daß Kühlschächte mit Längen in der Größenordnung 20 mm bis 50 mm und Maschenzahlen von ungefähr 50 bis 100 in der Pra­ xis für zahlreiche Anwendungen gut funktionieren. Die Wanddicke eines solchen elektroformierten Kühlschachtes liegt üblicherweise in der Größenordnung 100 Mikrometer, obwohl sowohl dünnere als auch dickere Kühlschächte ver­ wendet werden können. Die Form und Abmeßungen des Kühl­ schachtquerschnitts sind auf die Abmeßungen und Form der Spinndüse abgestimmt.

Vorzugsweise ist der nahtlose, elektroformierte Träger aus Nickel hergestellt, so daß man einen Kühlschacht mit einer langen Standzeit erhält.

Bei einer bevorzugten Ausführung des Kühlschachtes gemäß der Erfindung sind die durch Stege getrennten, durchge­ henden Öffnungen nach einem regelmäßigen Muster angeord­ net. Abhängig von der Anwendung kann der nahtlose elek­ troformierte Träger eine erste Zone mit darin durch Stege getrennten, durchgehenden Öffnungen, sowie eine zweite, auf die erste Zone folgende Zone ohne durchgehende Öff­ nungen aufweisen, wie aus dem Stand der Technik an sich bereits bekannt ist.

Bei einer anderen Ausführung ist innen in oder außen über dem nahtlosen elektroformierten Träger eine nicht unter­ brochene Hülse verschiebbar angeordnet. Diese Hülse ohne Öffnungen wird für die Abdichtung eines Teils der Öffnun­ gen in dem elektroformierten Träger benutzt, so daß die Kühlluftmenge und der Ort des Eintretens von Kühlluft durch das Verschieben der Hülse relativ zu dem nahtlosen elektroformierten Trägers eingestellt werden kann.

Die Erfindung betrifft ferner einen nahtlosen elektrofor­ mierten Träger mit durch Stege getrennten durchgehenden Öffnungen, welcher für die Anwendung in der Kühlvorrich­ tung gemäß der Erfindung geeignet ist.

Die Erfindung betrifft desweiteren eine Vorrichtung zur Herstellung von synthetischen Fäden, in der eine Kühlvor­ richtung gemäß der Erfindung verwendet wird, wie in den Ansprüchen 7 ff. definiert ist. Vorzugsweise wird die Er­ findung derart ausgeführt, daß die Extrusionsdüse der verwendeten Extrusionsvorrichtung mit dem Einlaß der Kühlvorrichtung verbunden ist. Insbesondere ist jede Spinndüse, aus der Monofile treten, die zu einem Faden­ bündel vereinigt werden, mit einem Kühlschacht der Kühl­ vorrichtung verbunden. Weiter wird die Vorrichtung zur Herstellung von synthetischen Fäden gemäß der Erfindung derart ausgeführt, daß die verwendete Kühlvorrichtung zwei Ausläße für das Kühlmedium hat, wobei der eine nahe dem Einlaßende des Kühlschachtes und der andere nahe de­ ßen Auslaßende angeordnet ist. So wird die zugeführte Kühlluft teilweise im Gleichstrom und teilweise im Gegen­ strom bezüglich der Laufrichtung der Fäden abgeführt. Ei­ ne solche Ausrichtung der Luftströmung fördert die Uni­ formität der Kühlbehandlung.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zum Spinnen aus der Schmelze und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Aus­ führung der Kühlvorrichtung gemäß der Er­ findung.

In der Fig. 1 ist ein Schema für das Spinnen aus der Schmelze eines Polymers, wie PET, dargestellt, wobei PET- Granulat und - falls gewünscht - Zusätze über einen Schüttrichter 1 einer Schraubenextrusionsvorrichtung 2 zugeführt wird, in der das Polymer geschmolzen und an­ schließend extrudiert wird. Über eine Dosierpumpe 3, eine Mischvorrichtung 4 und ein Filter 5 wird das extrudierte Polymer der Spinndüse 6 zugeführt.

Die Spinndüse 6 ist mit mehreren Kapillaren versehen, aus denen einzelne Strahlen 7 geschmolzenen Polymers gepreßt werden. Die Strahlen 7 des geschmolzenen Polymers werden mit Kühlluft (mit Pfeilen angedeutet) auf eine näher zu beschreibende Art und Weise abgekühlt, wobei am Ende der Kühlung, falls gewünscht, Zusätze, wie beispielsweise ein Schmiermittel, aufgebracht werden können, so daß an­ schließend die so einzeln abgekühlten Fäden zu einem Mul­ tifilemant vereint und für die weitere Verarbeitung auf­ gewickelt werden. Eine solche weitere Verarbeitung kann beispielsweise aus dem Strecken des Fadens bestehen, um eine gewünschte Orientierung in den Fäden zu erhalten, sowie ein Texturieren sein.

Die Fig. 2 zeigt einen Teil einer Ausführung einer Kühl­ vorrichtung gemäß der Erfindung. Eine derartige Kühlvor­ richtung umfaßt ein geschloßenes Gehäuse (nicht darge­ stellt), um Störungen des Kühlprozeßes durch Variation von Umgebungsfaktoren soweit wie möglich einzuschränken. Das Gehäuse ist mit einem Einlaß und einem Auslaß für ein Kühlmedium und einem Einlaß und einem Auslaß für Fäden versehen. Im Gehäuse ist ein Kühlschacht 21 angeordnet, der aus einem zylindrischen, dünnwandigen Träger 22 be­ steht, der mit einem regelmäßigen Muster von Öffnungen 23 versehen ist. Der Träger 22 mit Öffnungen 23 ist mittels Elektroforming, wie bereits oben erläutert, hergestellt.

Die Oberseite des Kühlschachtes 21 liegt in der darge­ stellten Situation an der Spinndüse 6 mit Kapillaren 24 an, kann aber, falls gewünscht, weiter entfernt angeord­ net werden, so daß eine relativ große Menge Kühlluft die Fäden direkt unter der Spinndüse 6 kühlen kann. Im zylin­ drischen Träger 22 ist eine dünnwandige, eng paßende zy­ lindrische Hülse 25 verschiebbar angeordnet. Die zylin­ drische Hülse 25, die keine Öffnungen aufweist, ist mit einem Boden 26 mit einem Durchlaß 27 für die gekühlten Fäden versehen.

Claims (10)

1. Kühlvorrichtung zur Kühlung synthetischer Fäden, ins­ besondere zur Anwendung beim Spinnen von Multifila­ menten, die ein Gehäuse mit mindestens einem Einlaß und mindestens einem Auslaß für ein Kühlmedium sowie einen Einlaß für abzukühlende Fäden (7) und einen Auslaß für gekühlte Fäden (7) aufweist, wobei zwi­ schen diesem Einlaß und diesem Auslaß mindestens ein Kühlschacht (21) angeordnet ist, durch den die Fäden (7) geführt werden und der mit Öffnungen (23) für die Durchführung des Kühlmediums versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlschacht (21) einen naht­ losen, durch Elektroforming hergestellten Träger (22) mit durch Stege getrennten, durchgehenden Öffnungen (23) aufweist.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Träger (22) aus Nickel hergestellt ist.

3. Kühlvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (23) nach einem regelmäßigen Muster geordnet sind.

4. Kühlvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (22) eine erste Zone mit den Öffnungen (23) sowie eine zweite, an die erste Zone anschließende, nicht unterbrochene Zone aufweist.

5. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Trägers (22) eine verschiebbare Hülse (25) angeordnet ist.

6. Nahtloser, durch Elektroforming hergestellter Träger (22) mit durch Stege getrennten, durchgehenden Öff­ nungen (23) für die Anwendung als Kühlschacht (21) in einer Kühlvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche.

7. Vorrichtung zur Herstellung von synthetischen Fäden, insbesondere für das Spinnen von Multifilamenten, die eine Extrusionsvorrichtung (2) zur Extrusion einer geschmolzenen Polymermaße durch Öffnungen einer Extrusionsdüse (6) sowie eine Kühlvorrichtung zur Kühlung von extrudierten Fäden aufweist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Extrusionsdüse mit dem Einlaß der Kühlvor­ richtung verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Extrusionsdüse eine oder mehrere Spinndüsen (6) aufweist, wobei jede Spinndüse (6) mit einem Kühlschacht (21) der Kühlvorrichtung verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung zwei Ausläße für das Kühlmedium aufweist, von denen der eine nahe dem Einlaßende des Kühlschachtes (21) und von denen der andere nahe dem Auslaßende des Kühlschachtes (21) angeordnet ist.