DE2132094C3 - Verfahren und Spinndüse zur Herstellung kräuselfähiger Filamente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung kräuselfähiger Filamente mit einer asymmetrischen Querschnittsstruktur durch Verspinnen einer Schmelze aus einem fadenbildenden synthetischen Polymeren sowie eine Spinndüse zur Durchführung dieses Verfahrens.

Mit wachsenden Spinngeschwindigkeiten ist die Bedeutung derjenigen Texturierverfahren gestiegen, bei denen die Kräuselung durch einen einfachen Streckprozeß ausgelöst wird, die Voraussetzungen für diese Kräuselung aber bereits beim Spinnen selbst geschaffen werden. So werden beim Bikomponentenspinnen zwei physikalisch und/oder chemisch unterschiedliche Schmelzen gemeinsam — Seite an Seite oder in Kern-Mantel-Anordnung — durch die einzelnen Spinnöffnungen ausgepreßt, und die unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Polymerkomponenten bewirken bei einer anschließenden Verstreckung der Filamente eine Kräuselung, welche entweder beim Entspannen des Fadenbündels sofort sichtbar wird oder aber durch eine geeignete thermische Nachbehandlung ausgelöst wird. Diese Bikomponentenspinnverfahren haben verschiedene Nachteile. Einmal ist die Spinnapparatur ausgesprochen aufwendig; neben zwei getrennten Schmelzeinheiten sind getrennte Förderleitungen mit getrennten Dosierpumpen sowie komplizierte Spinndüsen erforderlich. Zum anderen ist es bei manchen Polymeren nicht ganz einfach, den Zusammenhalt zwischen den Komponenten während der mechanischen Weiterbehandlung der Filamente zu garantieren.

Wie ebenfalls bekannt ist, kann es zum Bikomponentenspinnen auch genügen, mit einer einzigen Schmelzeinheit zu arbeiten, wenn nämlich die von dieser Schmelzeinheit kommende Schmelze in zwei Teilströme aufgeteilt wird und diese Teilströme auf dem Weg bis zu ihrer Vereinigung in der Spinndüse einer unterschiedlichen thermischen Behandlung unterworfen werden, so daß, bedingt durch unterschiedlichen thermischen Abbau, beide Teilströme unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der DT-OS 16 60506 beschrieben. Die unterschiedliche thermische Behandlung der Schmelze-Teilströme kann dabei durch unterschiedliche Verweilzeit in Zonen gleicher Temperatur und/oder durch unterschiedliche Temperaturen bei gleicher Verweilzeit erreicht werden. Gegenüber dem klassischen Bikomponentenspinnen hat das zuletzt beschriebene Verfahren lediglich die Einsparung der zweiten Schmelzeinheit als Vorteil anzubieten. Die weiteren, oben aufgeführten Nachteile bleiben erhalten.

,₅ Schließlich sind auch Spinntexturierverfahren bekannt, bei denen frisch gesponnene Filamente unmittelbar nach dem Austritt aus den Spinnöffnungen durch

■ Anblasen mit kalter Luft oder durch Besprühen mit einer kalten Flüssigkeit einseitig abgeschreckt werden.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der FR-PS 15 43 643 bekannt. Durch die asymmetrische Behandlung der frisch gesponnenen Filamente erhalten diese eine asymmetrische Querschnittsstruktur, wodurch sie nach dem Verstrecken eine geringfügige Kräuselung besitzen. Diese Verfahren haben sich aber nicht durchsetzen können, da die benötigten Luftmengen mit wachsender Abzugsgeschwindigkeit so groß werden, daß die Filamente nicht mehr mit Abstand voneinander geführt werden konnten. Die schwache Kräuselung der Fäden nach dem Verstrecken reicht auch nicht aus, um das Garn ohne nochmalige Texturierung den texturierten Garnen vorbehaltenen Anwendungsgebieten zuzuführen. Schließlich ist die schwache Kräuselung in den einzelnen Filamenten des einseitig behandelten Fadenbündeis nicht einheitlich, d. h., die näher an der Kaltluftquelle befindlichen Fasern zeigten stärkere Kräuselungserscheinungen als die weiter entfernten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kräuselfähige Filamente mit asymmetrischer Querschnittsstruktur herzustellen, welche durch Verstrecken und gegebenenfalls eine thermische Nachbehandlung gekräuselt werden können. Insbesondere sollen, ähnlich wie beim Bikomponentenspinnen, die für die Texturierung erforderlichen Unterschiede innerhalb eines einzelnen Filaments nicht erst durch eine Nachbehandlung der frischgesponnenen Filamente, sondern bereits beim Spinnprozeß selbst bewirkt werden. Die oben aufgezeigten Nachteile des Bikomponentenspinnens bezüglich der komplizierten Spinndüse und der Gefahr des Trennens der einzelnen Komponenten sollen dabei vermieden werden. Es ist dehalb auch Ziel der Erfindung, eine Spinndüse zu schaffen, welche vom Aufbau her der einfach herzustellenden Einkomponentendüse vergleichbar ist. Weiterhin soll es möglich sein, die erfindungsgemäßen Filamente entweder im frischgesponnenen Zustand aufzuwickeln und die Texturierung beim folgenden Verstreckungsvorgang auszulösen, oder den Spinn-, Streck- und Auslösevorgang in einem kombinierten Spinntexturierprozeß zu vereinen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schmelzeströme kurz vor ihrem Austritt aus den Spinnöffnungen einer exzentrisch wirkenden, asymmetrischen thermischen Behandlung unterworfen werden. Diese asymmetrisch wirkende thermische Behandlung verursacht in jedem einzelnen Schmelzestrom einen thermischen Abbau, der mit abnehmender

Intensität der Behandlung abnimmt. Die Folge ist ein asymmetrisches Profil der Lösungsviskositäten im Filamentquerschnitt, die Ursache für die bei der nachfolgenden Verstreckung auszulösende Kräuselung.

Die erfindungsgemäß hergestellten kräiselfähigen Filamente besitzen über den Faserquerschnitt verlaufende Lösungsviskositätsgradienten, weiche ein asymmetrisches Lösungsviskositätsprofil ergeben. Im Gegensatz zu Bikomponentenfaden, bei denen, wenn die beiden Komponenten mit unterschiedlicher Lösungsvhkosität gesponnen worden sind, an der Grenzschicht ein deutlicher Sprung der Lösungsviskositäten zu beobachten ist, während der übrige Querschnitt konstant bleibende Werte für die eine bzw. die andere Lösungsviskosität zeigt, gibt es bei den erfindungsgemaß hergestellten Filamenten keine derartigen Sprünge. Hier erfolgt der Übergang fließend, d. h, die Lösungsviskosität steigt mit zunehmendem Abstand von einem Punkt niedrigster Lösungsviskosität an. Dieses asymmetrische Profil der Lösungsviskciitäten im Filamentquerschnitt ist die Ursache für die bei der Verstreckung auszulösende Texturierung. Man könnte die erfindungsgemäß hergestelken Filamente im Gegensatz zu den Bildkomponentenfäden aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften als »Gradientfäden« bezeichnen.

Der Anstieg der I ösungsviskosität kann bei den erfindungsgemäß hergestellten kräuselfähigen Filamenten nach zwei Prinzipien erfolgen, welche in etwa vergleichbar sind mit bei Bikomponentenfaden üblichen Prinzipien:

A. Der Punkt tiefster Lösungsviskosität liegt innerhalb des Filamentquerschnitts, aber exzentrisch zur Filamentachse (»Kern-Mantel-Prinzip«). Die Lösungsviskosität steigt nach allen Richtungen hin an.

B. Der Punkt tiefster Lösungsviskosität liegt unmittelbar am Rand des Filamentquerschnitts (»Seite-anSeite-Prinzip«). Die Lösungsviskosität steigt dabei von einem peripheren Punkt des Filamentquerschnitts ausgehend strahlenförmig an und erreicht am dazu diametralen Punkt den höchsten Wert.

Wegen der auch bei Bikomponentenfaden bekannten Vorteile der asymmetrischen Kern-Mantel-Struktur bezüglich der Kräuseleigenschaften werden bevorzugt Filamente hergestellt, bei denen das Lösungsviskositätsprofil einen Minimumpunkt aufweist, der innerhalb der Querschnittsfläche, aber exzentrisch zur Filamentachse liegt.

Die erfindungsgemäß hergestellten kräuselfähigen Filamente können unverstreckt aufgespult und in einem nachfolgenden Arbeitsgang, beispielsweise während eines Umspulprozesses, verstreckt werden.

Vorzugsweise aber werden sie im frischgesponnenen Zustand, also vor dem ersten Aufspulen, verstreckt. Man erhält somit ein sehr einfach zu handhabendes Spinntexturierverfahren. Die Kräuselung der auf diese Weise behandelten Filamente kann durch eine spätere Wärmenachbehandlung modifiziert werden.

Die erfindungsgemäß hergestellten kräuselbaren Filamente können nach der Verstreckung in Fadenbündein weiterverarbeitet oder aber in Stapelfasern zerschnitten werden. Die Stapelfasern lassen sich in gewohnter Weise zu Fasergarnen verspinnen oder zu weichen, voluminösen Vliesen verarbeiten, die als Füllmaterial dienen können. Selbstverständlich kann man auch Endlosfaservliese aus den unzerschnittenen, verstreckten Filamenten herstellen.

Obwohl es möglich ist, die liiermische Behandlung

vom Rand eines jeden Schmelzestrotnes aus vorzunehmen, indem man beispielsweise am Rand eines jeden Düsenvorkanals eine Heizquelle vorsieht — zweckmäßigerweise drei oder vier Kanäle um eine Heizquelle gruppiert, so daß die HeizqueMe diese Kanäle gleichzeitig beheizt —, wobei man »Gradientenfäden« mit »Seite-an-Seite-Struktur« erhält, wird ein Verfahren zur Herstellung von Filamenten mit asymmetrischer »Kern-Mantel-Struktur« bevorzugt, bei welchem die exzentrisch wirkende thermische Behandlung mittels von den Schmelzeströmen umströmten Heizquellen durchgeführt wird. »Umströmt« bedeutet dabei, daß die Heizquelle wirklich allseitig von der austretenden Schmelze umgeben ist Die Heizquellen sind dabei nicht in der Wand der Vorkanäle, sondern in den Vorkanälen selbst angeordnet

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Schmelzen der nachfolgend genannten Polymere besonders geeignet: Polyester, insbesondere Polyäthylenterephthalat und Polyamide, insbesondere PolyhexamethyJenadipamid und Polycaprolactam, sowie deren Copolymere.

Eine zur Herstellung kräuselfähiger Filamente nach dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders geeignete Spinndüse, welche in üblicher Weise eine Zuführungsleitung, eine Filterplatte und eine Düsenplatte mit Vorkanälen und Spinnöffnungen enthält, ist gekennzeichnet durch eine zwischen Düsenplatte und Filterplatte angeordnete Düsenvorkanalplatte mit Vorkanälen, wobei in den Vorkanälen Heizelemente exzentrisch angeordnet sind.

Zur Herstellung von »Gradientenfäden« mit asymmetrischer »Kern-Mantel-Struktur« wird eine Spinndüse bevorzugt, bei der die Heizelemente in die Vorkanäle eingesteckt sind, ohne deren Wandungen zu berühren.

Die Heizelemente sind vorzugsweise mit Widerständen beheizt.

Die Spinnöffnungen können rund sein oder eines der bekannten Profile aufweisen, also beispielsweise dreiekkig, quadratisch, elliptisch, sternförmig oder ähnlich geformt sein. Sinngemäß ist es auch möglich, Filamente mit durchgehenden Hohlräumen herzustellen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielshaft erläutert. Darin ist

F i g. 1 die bevorzugte Ausführungsform einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Spinndüse,

Fig. 2 die Darstellung des Querschnittes einer bekannten Bikomponentenfaser mit asymmetrischer Kern-Mantel-Struktur,

F i g. 2a die Darstellung des längs der gestrichelten Linie in F i g. 2 sich ergebenden Profils der Lösungsviskositäten,

F i g. 3 und 4 die Darstellung von Querschnitten erfindungsgemäß hergestellter Filamente und

F i g. 3a und 4a die Darstellung der entsprechenden Profile der Lösungsviskositäten.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Spinndüse ist suit dem Düsendeckel 1 mit Zulaufleitung Γ der Düsenplattenhalter 2 lösbar verbunden. Er hält die Düsenplatte 3, die Düsenvorkanalplatte 4 und Filterplatte 5, wobei zwischen der Düsenvorkanalplatte 4 und der Filterplatte 5 eine Heizkörperhalteplatte 7 derart angebracht ist, daß ein Heizungszuleitungsraum 6 und ein Verteilerraum 9 gebildet werden.

Die Heizelemente 11, vorzugsweise Widerstandsdoppelheizleiter, werden, mittels Hartlötstellen 8 den Verteilerraum 9 gegen den Zuleitunesraum 6 abdich-

tend, durch die Heizkörperhalteplatte 7 geführt und reichen durch die Vorkanäle 10 der Vorkanalplatte 4 bis unmittelbar vor die Spinnöffnungen 12 der Düsenplatte 3. Der exzentrische Einbau der Heizelemente Il in die Vorkanäle 10 kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Heizkörperhalieplatte 7 gegenüber der Düsenvorkanalplatte 4 etwas verdreht wird, bevor der Düsenplattenhalter 2 gegen den Düsendeckel 1 festgezogen wird.

Die einzelnen Elemente der Spinndüse sind untereinander durch Dichtungen so abgesichert, daß die Schmelze weder in den Heizungszuleitungsraum 6 noch zwischen Düsendeckel 1 und DüsenplaUenhalter 2 nach außen gelangen kann. Außerdem wird die Spinndüse durch eine Widerstandsheizung 13 auf eine für die Verspinnung des Fadenmantels optimale Temperatur ,₅ geheizt.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, unterscheidet sich die erfindungsgemäß verwendbare Spinndüse von üblichen Spinndüsen lediglich durch die Heizkörperhalteplatte und die Vorkanalplatte. Es ist also die Umrüstung vorhandener Einkomponentenspinndüsen zu solchen Spinndüsen, welche für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind, außerordentlich leicht durchzuführen, wobei die besonders schwierig herzustellenden Düsenplatten 3 sogar weiterbenutzt werden können.

Die Länge der Heizelemente beeinflußt den Grad des thermischen Abbaus hier im Kern der die Vorkanäle 10 passierenden Schmelzeströme. Die Heizelemente reichen, wie in F i g. 1 dargestellt, bis in die Vorkanäle der Düsenplatte 3 hinein. Um die Länge der Vorkanäle 10 nicht zu groß werden zu lassen, ist es vorteilhaft, die Heizelemententemperatur so hoch wie möglich zu wählen. Eine obere Grenze bildet dabei die Temperatur, bei der sich — unabhängig von der Art des Polymeren — gasförmige Zersetzungsprodukte bilden.

Beim »Gradientenspinnen« von Polyäthylenterephthalat haben sich Heizelemente aus ferritisch-austenitischen Chrom- oder Chromnickelstählen bewährt, welche Betriebstemperaturen von 900° C bis 1200° C gestatten. Derartige Heizelemente von etwa 50 bis 100 mm Länge führen zu ausreichend hohen Differenzen zwischen maximaler und minimaler Lösungsviskosität.

Dis F i g. 2 bis 4a sollen den grundlegenden Unterschied zwischen den bekannten Bikomponentenfäden mit asymmetrischem Kern-Mantel-Querschnitt und den erfindungsgemäß hergestellten kräuselfähigen Filamenten zeigen. In F i g. 2 ist ein Bikomponentenfaden dargestellt, dessen schraffiert gezeichnete Komponente A sich von der Komponente B lediglich durch ihre niedrigere Lösungsviskosität LV unterscheiden soll. F i g. 2a zeigt das LV-Profil an der in F i g. 2 eingezeichneten gestrichelten Ebene. Von gewissen Grenzzonen abgesehen, weisen die Bikomponentenfaden also LV-Sprüngeauf.

IMMIG

Anders ist es bei den in Fig.3 und 4 dargestellten erfindungsgemäß hergestellten Filamenten. Hier wird der Filamentquerschnitt von jeweils nur einer Komponente gebildet, welche, wie aus F i g. 3a und F i g. 4a ersichtlich, über den Filamentquerschnitt unterschiedliche Lösungsviskositäten aufweist Hier gibt es aber keine Sprünge zwischen einer maximalen und einer minimalen Lösungsviskosität LV, sondern der Ober- ?,<; gang erfolgt fließend, d. h, zwischen einem Wert LV_n^_x und einem Wert LV_mi_n kommen im Filamentquerschnitt alle Zwischenwerte LV vor. Die Linien gleichei LV-Werte verlaufen in Fig.3 und Fig.4 kreisförmig. Der zunehmende Abstand der Kreislinien soll veranschaulichen, daß in Richtung größer werdender Abstände der Anstieg der Lösungsviskosität kleiner wird.

Beispiel t

Es wird eine Spinndüse nach Fig. 1 mit folgenden technischen Einzelheiten benutzt:

Anzahl der Spinnöffnungen 12: 24

Durchmesser der Spinnöffnungen 12: 0,75 mm

Länge des Vorkanals 10: 75 mm

Durchmesser des Vorkanals 10: 7 mm

Länge des Heizelements 11: 80 mm

Durchmesser des Heizelements 11: 2 mm

Stromaufnahme des Heizelements 11: 2 Amp.

Spannungsabfall im Heizelement 11: 2,5 Volt

Die Heizelemente sind als Kern-Mantel-Stäbe mil einem Außendurchmesser von 2 mm ausgebildet.

Durch die Zulaufleitung Γ wird eine Polyäthylenterephthalatschmelze zugeführt, die aus Polymergranulal mit einer Lösungsviskosität LV= 1,82 in einem Extruder erzeugt worden ist. Die Lösungsviskosität isl definiert durch

LV= t/to,

wobei t die Durchlaufzeit einer Lösung des Polyäthylenterephthalats (250 mg PET in 25 ml m-Kresol) durch ein Ubbelohde-Viskosimeter bei 25° C ist und U> die entsprechende Durchlaufzeit des reinen Lösungsmittels (m-Kresol) darstellt.

Die Zulauftemperatur der Schmelze beträgt etwa 285° C. Die frischgesponnenen Filamente werden mil 1000 m/min aufgewickelt und anschließend über einer 170° C heißen Stift im Verhältnis 1 :3,4 verstreckt.

Das texturierte Filamentgarn mit einem Gesamttitei von dtex 78 weist nach der Verstreckung eine Kräuselkontraktion (Heberlein-Test) von 7,4% auf. Die Kräuselbogenzahl ist 29/10 cm. Nach einer Heißluftbehandlung von 5 Minuten bei 150°C im spannungsloser Zustand steigt die Kräuselkontraktion auf 36% und die Kräuselbogenzahl auf 100/10 cm an. Die Dehnung des Garnes beträgt nun 23%, die Reißfestigkeit 43 Rkm.

Beispiel 2

Ein bis zur Verstreckung auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestelltes Garn wird zu Stapelfasern verarbeitet. Die Verstreckung wird mit einem Streckverhältnis 1 :3,81 über einen auf 170° C beheizten Stift mit 32 mm Durchmesser durchgeführt. Der Einzeltiter der Faser beträgt 5,4 dtex. Nach dem Auslösen der Kräuselung bei 150° C beträgt die Kräuselkontraktion 22%, die Kräuselbogenzahl 63/10 cm, die Dehnung der Faser 23%, die Reißfestigkeit 58 Rkm und der Kochschrumpf 15%.

Der Bauschtest in einem zylindrischen Gefäß mit 100 cm² Prüffläche wird mit 20 g »Grandientenfasern« durchgeführt. Ein Stempel drückt mit 50 g/cm² im belasteten und mit 0,5 g/cm² im unbelasteten Zustand auf die Fasersäule. Nach 1000 Hüben stellt sich eine Füllhöhe von 17,5 mm im belasteten und 49,5 mm im unbelasteten Zustand ein. Damit ist die erfindungsgemäße Faser auch als Füllmaterial geeignet

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung kräuselfähiger Filamente mit einer asymmetrischen Querschnittsstruktur durch Verspinnen einer Schmelze aus einem fadenbildenden synthetischen Polymeren, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze-Ströme kurz vor ihrem Austritt aus den Spinnöffnungen einer exzentrisch wirkenden, asymmetrischen thermischen Behandlung unterworfen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrisch wirkende thermische Behandlung mittels von den Schmelzesirömen umströmten Heizquellen durchgeführt wird.

3. Spinndüse zur Herstellung kräuselfähiger Filamente nach dem Verfahren der Ansprüche 1 oder 2, mit einer Zuführungsleitung, einer Filterplatte und einer Düsenplatte mit Vorkanälen und Spinnöffnungen, gekennzeichnet durch eine zwischen Düsenplatte (3) und Filterplatte (5) angeordnete Düsenvorkanalplatte (4) mit Vorkanälen (10), wobei in den Vorkanälen (10) Heizelemente (11) exzentrisch angeordnet sind.

4. Spinndüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (11) in die Vorkanäie (10) eingesteckt sind, ohne deren Wandungen zu berühren.