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Spinnvorrichtung für das Ausspinnen hochvislcoser Spinnmassen Die
Erfindung bezieht sich auf eine Spinnvorrichtung für das Ausspinnen hochviskoser
Spinnmassen, insbesondere von schmelzflüssigen Hochpolymeren, bestehend aus einer
Düsenplatte mit mehreren Spinndüsenbohrungen, einem Gehäuse mit einem der Düsenplatte
vorgeschalteten Hohlraum für die Aufnahme einer aus losen Iförpern bestehenden schüttfähigen
Substanz, wobei derQuerschnitt des Hohlraums im wesentlichen dem Querschnitt der
Düsenplatte entspricht.
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Spinnvorrichtungen der vorstehend genannten Art wird die Spinnmasse
über eine mehr oder weniger lange Rohrleitung zugeführt. Die durch eine Rohrleitung
fliessende hochpolymere Schmelze erfährt wegen der solchen Strömungen eigenen Laminarität
aufgrund von Unterschieden hinsichtlich der Verweilzeit, Temperatur und des Polykondensationsgrades
sowie aufgrund des Schergeschwindigkeitsgefälles einen verschiedenartigen chemischen
Abbau. So ist beispielsweise der Abbau in der Mitte der Rohrströmung ein anderer
als an der Rohrwand. Es bilden sich somit in der Rohrleitung bestimmte Profile hinsichtlich
der Viskosität, des Polymerisationsgrades, der Abbauprodukte und der Temperatur
aus, die aufgrund der laminaren Strömungseigenschaften die Tendenz haben, auf dem
weiteren Weg der Strömung bestehenzubleiben bzw. ggf. noch eine Steigerung zu erfahren.
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Treten Spinnmassen mit derart unterschiedlichen Verteilungen ihrer
Eigenschaften über den Strömungsquerschnitt in den Spinnkopf ein, so ergeben sich
beim Austreten der Spinnmasse aus Spinndüsenbohrungen mit unterschiedlichen Abständen
von der Mittelachse des Spinnkopfes Fäden mit unterschiedlichen Eigenschaften, von
denen das Verhältnis der Fadendurchmesser eines der auffallendsten ist. Es konnte
beispielsweise bei einer Düsenplatte mit 192 Düsenbohrungen beobachtet werden, dass
das Verhältnis zwischen den Durchmessern von in der Mitte und am Rande austretenden
Fäden bei etwa 1 : 2 lag.
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Abgesehen von den bereits erwähnten Verweilzeitunterschieden in der
Rohrleitung aufgrund des laminaren Strömungen eigenen Strömungsprofils und abgesehen
von dem sich ausbildenden
Temperaturprofil aufgrund' der notwendigen
Beheizung der Rohrleitung kommen für die Ausbildung unterschiedlicher Eigenschaften
der Schmelze über den Strömungsquer schnitt noch folgende weitere Einflüsse infrage.
Durch die in den Pumpen und Austragsschnecken auftretenden Scherkräfte kann eine
mechanische Zerstörung von Molekülen sowie auch eine partielle Temperaturerhöhung
in der Schmelze erfolgen, wodurch Viskositätsunterschiede im Produktstrom herbeigeführt
werden. Durch das 'Vorhandensein von Ventilen, Rohrverzweigungen, toten Ecken, Temperatur-,
Druck- und Viskositätsmeßstellen kann es vorkommen, dass sich eine ideale Rohrströmung
nicht ausbilden kann. Ferner ist es denkbar, dass das in die Austragsleitung des
Endreaktors eintretende Produkt zwar eine etwa konstante mittlere Visbesitzt besitzt,
sich jedoch aufgrund von Verweilzeitunterschieden im Reaktor aus einer Vielzahl
von unterschiedlichen Viskositäten zusammensetzt.
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Es ist bekannt, dass unterschiedliche Eigenschaften im Stro mungsquerschnitt
der Spinnmassen nach Mögllchkei-t vor dem Ausspinnen einen Ausgleich erfahren müssen,
d. h. dass die Spinnmassen homogenisiert werden müssen. Zu diesem Zweck wird in
der US-PS 3 299 472 empfohlen, der Spinndüsenplatte ein feines Sieb vorzuschalten,
auf dem fein verteiltes, gegenüber der Spinnschmelze inertes Material aufgeschichtet
ist. Als bevorzugtes Material wird Sand angegeben, wie er üblicherweise für Filterpackungen
von Spinnvorrichtungen verwendet wird. Aus den in dieser Schrift genannten Abmessungen
ergibt sich, dass die'Höhe der Sandschicht in etwa dem Durchmesser-des Hohlraumes
entspricht, in dem sie sich befindet. Die Erfahrung Iatjedoch gezeigt, dass ein
derartiges
Höhen-JDurchmesser-Verhältnis bei Verwendung von Sand
bei weitem nicht ausreicht, etwa im Kern der Strömung vorhandene Ungleichmässigkeiten
über den Gesamtquerschnitt der Sandpackung zu verteilen. Versuche haben ergeben,
dass bei Verwendung von Sand als Material für die Homogenisierung die Schütthöhe
mindestens das Achtfache, vorzugsweise aber das Zehn- bis Zwölffache des Durchmessers
der Schüttung betragen muss, falls ein brauchbarer Homogenisierungseffekt erzielt
werden soll.
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In der DL-PS 72 104 wird ferner der Rat erteilt, die bekannten schüttfähigen
Massen, wie vorzugsweise Sand oder kleine Metall- oder Glaskügelchen durch eine
Schicht von Kugeln zu ersetzen, deren Durchmesser 2 bis 12 mm betragen soll.
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Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass der Roogenisierungseffekt einer
solchen Kugelschüttung noch geringer ist als derjenige einer Sandpackung. Dies ist
auch nicht verwunderlich, denn noch in der DT-OS 1 947 608 wird angegeben, dass
es mittels einer Schüttung von kugeligen, zylindrischen oder kubischen Körpern von
etwa 5 mm Schütthöhe möglich ist, Verbundfäden aus unterschiedlichen Spinnmassen
herzustellen, die die gleiche Schüttung durch strömen. Bei Verbundfäden wird aber
geradezu angestrebt, dass die unterschiedlichen Spinnmassen sich nicht vollständig
miteinander vermischen, sondern nur an der Grenzfläche einen gewissen Mischeffekt
aufweisen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spinnvorrichtung der
eingangs genannten Art anzugeben, in der die eintretende Spinnmasse vollständig
homogenisiert wird, sodass sämtliche aus den Spinnbohrungen austretenden Faden
äusserst
enge Toleranzen ihrer sämtlichen Eigenschaften aufweisen. Dabei soll in der Spinnvorrichtung
trotz optimaler Homogenisierwirkung ein möglichst geringer Druckverlust erreicht
werden. Die Lösung der gestellten Aufgabe wird bei der eingangs beschriebenen Spinnvorrichtung
erfindungsgemäss dadurch erzielt, dass die Länge des Hohlraums für die Aufnahme
der schüttfähigen Substanz in Strömungsrichtung der Spinnmasse mindestens das 2-fache
der grössten Querschnittsabmessung ausmacht, dass die Schütthöhe der losen Körper
mindestens das 2-fache der grössten Querschnittsabmessung beträgt, und dass die
losen Körper von scharfkantiger bzw. eckiger Form sind. Bei einer solchen Ausbildung
der Spinnvorrichtung und der Füllung mit losen Körpern der angegebenen Form wird
der angestrebte Effekt in vollem Umfange erreicht.
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Als Füllmaterial kommen vornehmlich lose Körper aus der Gruppe Split,
Raschigringe, Sattelkörper, Drehspäne und Spiralkörper infrage. Bei Split handelt
es sich von Natur aus um einen mineralischen Stoff, der durch mechanisches Zerkleinern
gewonnen wurde und infolgedessen scharfe Kanten aufweist, die Winkel unterhalb 90
° einschliessen. Besonders scharfkantig und für eine Aufteilung einzelner Stromfäden
günstig sind Drehspäne und Spiralkörper. Raschigringe und Sattelkörper können im
Urzustand verwendet werden, es ist jedoch besonders zweckmässig, sie ebenfalls einem
mechanischen Zerkleinerungsvorgang zu unterwerfen, sodass eine unregelmässige Oberfläche
entsteht.
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Um einerseits keinen allzu hohen Druckverlust innerhalb der Füllung,
andererseits aber auch keine'ungenügende Homogenisierungswirkung zu erzielen, ist
es zweckmässig,
die maximalen Hauptabmessungen der losen Körper
zwischen 0,02 und 0,2 x 'cd", vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,1 x "d" zu wählen,
wobei "d" die grösste Querschnittsabmessung des Hohlraums ist. Unter "maximale Hauptabmessungen"
sollen die am weitesten voneinander entfernten Punkte der losen Körper verstanden
werden. Falls der Hohlraum zylindrische Form hat, ist "d" dessen Durchmesser.
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Der Homogenisierungseffekt kann noch dadurch weiter verbessert werden,
dass dem Hohlraum mindestens eine statische Umlenkeinrichtung im Bereich der Randzone
des Strömungskanals vorgeschaltet ist, durch welche die Randströmung in Richtung
auf die Mitte des Strömungskanals umgelenkt wird. Derartige statische Umlenkeinrtchtungen
sind an sich bekannt; sie können beispielsweise aus einem gewendelten Flachkörper,
d. h. aus einem spiralförmig verdrehten Blechstreifen bestehen.
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Ausführungsbeispiele des Standes der Technik sowie der erfindungsgemässen
Spinnvorrichtung seien nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 4 näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Spinnvorrichtung,
die zum Stande der Technik gehört, Fig, 2 einen analogen Schnitt wie in Fig. 1,
jedoch durch eine Spinnvorrichtung mit erfindungsgemässer Ausbildung des der Düsenplatte
vorgeschalteten Hohlraums, Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch einen Spinnkopf mit
in den Hohlraum eingesetztem statischen Mischer und
Fig. 4 einen
Vertikalschnitt durch einen Spinnkopf mit einem diesem vorgeschalteten statischen
Mischer.
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In Fig. 1 ist mit 1 eine Rohrleitung bezeichnet, durch welche die
Spinnmasse von dem letzten, in der Zeichnung nicht dargestellten Reaktor einem Spinnbalken
2 zugeführt'wird.
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Zu diesem Zweck ist die Rohrleitung 1 mittels eines Flansches 3 mit
einem entsprechenden Gegenflansch 4 des Spinnbalkens verschraubt. Innerhalb des
Spinnbalkens ist ein Pumpenblock 5 angeordnet, an dem eine Spinnpumpe 6 zur Erzeugung
des erforderlichen Spinndruckes angeflanscht ist.
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Eine Leitung 7 führt zur Spinnpumpe; eine weitere Leitung 8 von der
Spinnpumpe zu einem Spinnkopf 9. Die Spinnpumpe ist eine Zahnradpumpe und wird in
an sich bekannter Weise mittels einer Antriebswelle 10 angetrieben. Auf der gegenüberliegenden
Seite befindet sich eine weitere Spinnpumpe 6a, die für die Beaufschlagung eines
in der Zeichnung nicht dargestellten, dahinterliegenden Spinnkopfes vorgesehen ist.
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Der Spinnkopf 9 besteht aus einem Gehäuse 11 mit einem Einsatz 12,
welcher einen Hohlraum 13 einschliesst. Dieser Hohlraum ist an seinem oberen Ende
konisch ausgeführt und nach unten durch eine Düsenplatte 14 begrenzt, in der eine
Vielzahl von Düsenbohrungen 15 angeordnet ist. Das Gehäuse 11 ist mittels einer
Reihe von Schrauben 16, von denen in der Zeichnung nur eine dargestellt ist, am
Pumpenblock 5 befestigt.
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Der Hohlraum 13 besitzt, abgesehen von seinem konischen Übergangsstück,
einen zylindrischen Teil, der eine LKnge "l" besitzt. Auf dieser Länge ist der Hohlraum
13 mit einer Füllung aus Sand versehen. Der Durchmesser des Hohlraums 13 hat das
Maß "d", wobei ersichtlich ist, dass die Höhe "1" der Füllung geringer ist als der
Durchmesser "d" des Hohlraums. Mit der dargestellten Ausführung der Spinnvorrichtung
lässt sich ein optimaier Homogenisierungseffekt nicht erreichen.
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In Fig. 2 sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen
versehen, sodass sich Wiederholungen an dieser Stelle erübrigen dürften. Der Spinnkopf
9 weist jedoch eine wesentlich grössere Längenerstreckung in senkrechter Richtung
auf, d. h. das Gehäuse 11, der Einsatz 12 und die Schrauben 16 haben eine bedeutend
grössere Länge. Infolgedessen besitzt auch der von diesen Teilen eingeschlossene
Hohlraum 13 eine erheblich grössere Längenerstreckung "1" im Verhältnis zu dem (gleichgebliebenen)
Durchmesser "d".
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Der Hohlraum 13 ist mit einer Füllung 17 aus Split gefüllt, wovon
jedoch nur einige Teilchen andeutungsweise dargestellt sind. Es ist jedenfalls zu
erkennen, dass das Verhältnis "1" : "d" grösser ist als 2 : 1. Mit einer Anordnung
bzw. Füllung gemäss Fig. 2 lässt sich der angestrebte Homogenisierungseffekt in
vollem Umfange erreichen.
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Die Beibehaltung der Bezugszeichen gilt auch für die Fig.
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3 und 4. In dem Gegenstand gemäss Fig. 3 ist innerhalb des Hohlraums
13 und oberhalb der Füllung 17 ein Tragkörper 18 angeordnet, dessen äussere Form
zylindrisch ist, und in dem auf den Umfang verteilt vier zylindrische Bohrungen
19
angeordnet sind. In jeder dieser Bohrungen befindet sich ein
um etwa 1800 verdrehter Flachkörper 20, beispielsweise in Form eines schmalen Blechstreifens.
Die Teile 18, 19 und 20 bilden zusammen eine statische Mischvorrichtung, durch welche
Randströmungen zur Mitte des Hohlraums 13 hin umgelenkt werden.
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Eine ganz ähnliche Konstruktion zeigt Fig, 4, jedoch mit dem Unterschied,dass
der Tragkörper 18 und die in ihm enthaltenen gewendelten bzw. verdrehten Flachkörper
20 in einer besonderen Zwischenkammer 21 angeordnet sind.
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Die Verbindung der Zwischenkammer 21 mit dem Hohlraum 13 erfolgt über
einen Verbindungskanal 22.
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Die Ausbildung des Spinnkopfes bzw. des Hohlraums 13 ist keinesfalls
auf kreisförmige Querschnitte beschränkt.
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Vielmehr sind auch quadratische oder rechteckige Quer schnitte von
Spinnkopf 9 und Düsenplatte 14 denkbar. In diesem Falle ist lediglich die Einhaltung
des Verhältnisses "1" : "d" von mindestens 2 : 1 massgebend, wobei die Grösse d"
die maximale Abmessung des Hohlraums quer zur Strömungsrichtung der Spinnmasse ist.
In einem solchen Falle wird zweckmässig auch der Tragkörper 18 rechteckig ausgebildet
und mit mehreren Reihen von Bohrungen 19 bzw. Flachkörpern 20 versehen. An der prinzipiellen
Wirkungsweise ändert sich hierdurch nichts.
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Beispiele: Durch eine aus durchsichtigem Material gefertigte Versuchseinrichtung
mit Abmessungen- im Produktionsmaßstab wurde Glucose mit einer Viskosität von 1000
Poise hindurchgepumpt. Mittels einer Rapillare wurde im Zentrum
der
Strömung ein dünner, gefärbter Glucosefaden gleicher Viskosität zugegeben. Die Düsenplatte
besaß 192 Düsenbohrungen. Der Hohlraum 13 wurde nunmehr mit unterschiedlichen Füllungen
beschickt, wie sie im einzelnen in der nachfolgenden Tabelle angegeben sind. Es
zeigte sich, dass sich unter der Wirkung der Füllung der gefärbte Glucosefaden unter
einem bestimmten Winkel, der auch als Raumwinkel bezeichnet werden kann, aufspreizt.
Das Maß der Aufspreizung ist dabei in starkem Maße abhängig von der Art der Füllung.
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Je schlechter die Aufspreizung ist um so grösser ist die erforderliche
Höhe "1" der Schüttung. Die Tabelle zeigt, dass für Sand mit einer Körnung von 0,3
bis 0,5 mm die ungünstigsten und mit zerstossenen Sattelkörpern die günstigsten
Wirkungen erzielt werden. Dies ergibt sich daraus, dass bei gegebener (möglicher)
Füllhöhe dasjenige Füllmaterial die beste Homogenisierungswirkung hat, bei dem die
grösste Spreizung auftritt.
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TABELLE: Mittlere Füllung Spreizung Mindestver-(Raumwin- hältnis kel)
"l" / "d" I (Grad)
| Sand 60 10 |
| 0,3 - 0,5 |
| Satte Ikörper |
| zerstossen 270 2,1 |
| (-halbiert) |
| (-halbiert) |
| Glas-Raschigringe |
| zerstossen 250 2.3 |
| (-halbiert) |
| Grobe Späne 120 4,8 |
| (gepresst) |
| Feine Späne 15° 3,8 |
| (gepresst) |
| Split 23° 2,4 |
| Split (gesiebt) 16° 3,3 |
- Ansprüche -