DE2500949B1

DE2500949B1 - Schmelzspinnverfahren

Info

Publication number: DE2500949B1
Application number: DE19752500949
Authority: DE
Inventors: Manfred Bussmann; Lothar Hagemann
Original assignee: Barmag Barmer Maschinenfabrik AG
Current assignee: Oerlikon Barmag AG
Priority date: 1975-01-11
Filing date: 1975-01-11
Publication date: 1976-06-16
Also published as: DE2500949C2; GB1532821A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Schmelzspinnverf ahren, bei dem die aus der Spinndüse vertikal nach unten austretenden Filamente direkt nach dem Austritt durch einen schräg zur Horizontalen und entgegen der Abzugsrichtung der Filamente angeordneten Kühlmittelstrom abgekühlt werden, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Maschinen, die nach diesem Verfahren arbeiten, können beispielsweise in kontinuierlich arbeitenden Faserstraßen eingesetzt werden, da in diesen Straßen die Produktionsgeschwindigkeit durch die mit der geringsten Geschwindigkeit arbeitende Maschine bestimmt wird. Dies ist allgemein die Texturiermaschine, die mit maximal 160 m/min arbeitet, wodurch bei einem maximalen Verstreckungsverhältnis von 1:5 bis -6o 1:6 für die Spinngeschwindigkeit Werte von 20 bis m/min erforderlich sind. Dabei ist es notwendig, daß die schmelzgesponnenen Filamente nach dem Austritt aus der Spinndüse mit Hilfe von Luft oder Wasser gekühlt werden, um zu erstarren. Dabei wird Luft als Kühlmittel meistens dann eingesetzt, wenn der Durchmesser der Filamente kleiner als 0,1 mm ist. Beim bzw. nach dem Austritt der Filamente aus der Spinndüse läuft folgender physikalischer Vorgang ab:

Die aus der Spinndüse mit der Geschwindigkeit V₁ austretenden Filamente werden von einer Aufspuleinrichtung mit der Geschwindigkeit V₂, die größer ist als die erste Geschwindigkeit V₁, auf den erforderlichen Durchmesser verzogen. Dieses Verziehen geschieht in der sogenannten »Verzugszone«, die kurz hinter der Spinndüse liegt und in der der Schmelzpunkt des Polymeren noch nicht unterschritten ist. In der »Verzugszone« werden die wirr beieinanderliegenden Kettenmoleküle vorgeordnet bzw. vororientiert und beim Verziehen auf Scherung beansprucht. Je kürzer die Zeit ist, in der die Scherung stattfindet, um so größer ist sowohl die Schergeschwindigkeit der Kettenmoleküle als auch ihr Orientierungsgrad, mit dem wiederum die Reißfestigkeit der Filamente im plastisch festen Übergangsbereich, der das Ende der Verzugszone bildet, bzw. im erstarrten Zustand ansteigt. Die entstehende Scherspannung hängt sowohl von der Schergeschwindigkeit als auch von der Viskosität des Polymeren ab, wobei mit steigender Scherspannung wiederum die Stabilität der Filamente in der Kühlstrecke steigt, so daß bei einer kurzen Scherzeit die Filamente weniger durch das Kühlmittel aus ihrer Laufrichtung abgelenkt werden können.

Bisher sind mehrere Verfahren zum Kühlen der Filamente mit Luft bekannt. In der DT-OS 2201519 wird ein Schmelzspinnverfahren genannt, bei dem die Kühlluft radial nach innen durch ein hohles Filamentbündel geleitet wird, wobei ein Teil der Strömung nach oben durch den hohlen Teil des Bündels geführt wird und vor der Spinndüse radial nach außen durch das Filamentbündel strömt. Die restliche Strömung wird sofort in Abzugsrichtung der Filamente mitgerissen. Eine Anblasung der Spinndüse durch die Kühlluft ist bei diesem Verfahren nicht vorgesehen.

In der US-PS 3115385 wird ein Verfahren erwähnt, bei dem die Filamente nach dem Austritt aus der Spinndüse innerhalb eines Abstandes von 2" von der Spinndüse mit einem Kühlmittelstrom, beispielsweise Dampf oder Luft, auf eine Temperatur von 15° C unterhalb des Schmelzpunktes abgekühlt werden. Die Blasdüse, aus der der Kühlmittelstrom auf die Filamente gerichtet wird, ist in einem Winkel von 20° gegen die Horizontale entgegen der Abzugsrichtung der Filamente geneigt. Bei diesem Verfahren sind die produzierten Filamente nicht gleichmäßig, da sich das Kühlmittel beim Durchdringen des Filamentbündels aufheizt, wodurch eine unterschiedliche Abkühlung der Filamente entsteht.

Versuche, die nach den Lehren dieser Verfahren durchgeführt wurden, haben ergeben, daß die Spinngeschwindigkeit wegen der Kühlverfahren nicht auf die Werte abgesenkt werden kann, die in kontinuierlich arbeitenden Faseranlagen verlangt werden, da sonst die Filamente im Verzugsbereich abreißen.

Die US-PS 3118012 gibt ein Spinnverfahren wieder, bei dem es möglich ist, mit extrem geringer Geschwindigkeit zu spinnen, wobei Aufspulgeschwindigkeiten von minimal 10 m/min genannt werden. Bei diesem Verfahren werden die aus der Spinndüse austretenden Filamente durch einen Kühlmittelstrom bei dem Austritt aus der Spinndüse abgekühlt, wobei die Blasdüse an oder sehr nahe an der Oberfläche des Spinnkopfes angeordnet ist. Dabei wird die Spinndüsenplatte ebenfalls mit angeströmt. Bei diesem Verfahren ist es bekannt, daß die ausgesponnene Poly-

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mermenge pro cm² effektiver Spinndüsenfläche mindestens 4 g/min betragen muß, da sonst bei dieser Schmelzemenge die zugeführte Wärmemenge geringer ist als die durch die Kühlluft abgeführte, so daß die Schmelze schon in den Düsenbohrungen erstarrt und somit nicht mehr gesponnen werden kann. Ebenfalls hat sich herausgestellt, daß bei relativ hoher FiIamentanzahl und der damit verbundenen hohen FiIamentdichte die Filamente unterschiedlich gekühlt werden, da auch hier ein Aufheizen des Kühlmittel-Stromes beim Durchdringen des Filamentbündels geschieht. Bei der vorgeschlagenen Anordnung der Blasdüse zur Spinndüsenplatte wirkt sich der nur enge Einstellbereich der Blasdüse nachteilig aus, da anderenfalls einige Filamente, bedingt durch zu unter- ¹S schiedliche Abkühlung, mehr oder weniger stark kräuseln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei dem die minimal ausspinnbare Polymermenge kleiner als 4 g/min cm² effektiver Spinndüsenfläche ist, und die Spinngeschwindigkeit extrem geringe Werte - vorzugsweise im Bereich von 20 m/min - annehmen kann.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der das Filamentbündel durchströmende und dabei erwärmte Kühlmittelstrom nach dem Verlassen des Filamentbündels zur Spinndüse umgelenkt wird. Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen insbesondere darin, daß, bedingt durch die relativ geringe ausgesponnene Polymermenge pro cm² Düsenfläche, die üblicherweise in dem Spinndüsenpaket eingebauten Schmelzefilter pro cm² Filterfläche von der Polymermenge relativ gering beaufschlagt bzw. durchströmt werden. Dadurch wird eine beträchtliche Erhöhung der Spinndüsenstandzeit erreicht, was besonders dann vorteilhaft ist, wenn das Polymer mit Farbpigmenten durchsetzt ist, und Ablagerurigen von Pigmenten in mehr oder weniger hohem Maße in den Spinnfiltern stattfinden. Weiterhin ist vorteilhaft, daß eine relativ hohe Filamentanzahl auf relativ kurzem Wege hinter der Spinndüse gleichmäßig abgekühlt wird, wodurch eine hohe Gleichmäßigkeit der physikalischen Faserdaten erreicht wird.

Als weiteren Vorteil ist bei diesem Verfahren die Möglichkeit anzusehen, daß, bedingt durch das indirekte Anblasen der Spinndüsenplatte mit der erwärmten Kühlluft, das Temperaturgefälle zwischen der Schmelze und der Düsenplatte einerseits so gering ist, daß selbst beim Ausspinnen geringere Schmelzemengen die Düsenbohrungen nicht zufrieren, andererseits so groß ist, daß in der Düsenplatte ein Temperaturgefälle erzeugt wird, welches zur Schmelzedruckerhöhung in der Düsenplatte und damit zur besseren Schmelzeverteilung bzw. Filamentvergleichmäßigung führt. Ebenfalls wird durch die Viskositätserhöhung die molekulare Scherspannung im Verzugsbereich und damit die Stabilität der Filamente im anschließenden Kühlbereich erhöht, so daß keine Filamentverklebungen eintreten können.

Weiterhin ist es möglich, nach diesem Verfahren arbeitende Maschinen in einer kontinuierlich arbeitenden Faseranlage einzusetzen. Dadurch entfallen die für den diskontinuierlichen Prozeß notwendigen Zusatzeinrichtungen, wie beispielsweise Kannenablage und Kannenablaufgatter, wodurch sich die Investitionen für eine Faseranlage verringern. Außerdem ist die Aufstellfläche und damit der Raumbedarf einer kontinuierlich arbeitenden Anlage wesentlich geringer als bei einer diskontinuierlich arbeitenden Faserstraße, die dazu noch einen höheren Einsatz von Arbeitskräften verlangt.

Als vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, den Kühlmittelstrom von der Spinndüse auf der zur ersten Umlenkung gegenüberliegenden Seite abzulaufen und von dieser wieder in das Filamentbündel zurückzuwerfen. Dadurch wird sowohl die homogene Abkühlung, als auch die Gleichmäßigkeit der physikalischen Faserdaten weiter gesteigert.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß auf der Austrittsseite der Filamente seitlich außerhalb des Spinndüsenfeldes und parallel zur äußeren Längsreihe der Düsenöffnungen gegenüber der Austrittsöffnung der Blasdüse eine auf die Blasdüsenöffnung ausgerichtete Umlenkfläche angeordnet ist.

Eine weitere vorteilhafte Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß parallel zur ersten Umlenkfläche eine zweite Umlenkfläche an dem anderen Spinndüsenfeldrand angeordnet ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Aufriß,

Fig. 2 eine Draufsicht dieser Vorrichtung.

In Fig. 1 wird von einer nicht dargestellten Austragseinrichtung beispielsweise einem Extruder, Schmelze durch Düsen vertikal nach unten extrudiert, anschließend gekühlt und durch einen ebenfalls nicht dargestellten Fadenumlenkstab umgelenkt. In dem Spinnkopf 1 ist eine Rechteckspinndüsenplatte 2 mit einer Vielzahl eng beieinanderliegender Düsenöffnungen in an sich bekannter Weise befestigt. Die Anordnung der einzelnen Düsenöffnungen zueinander ist dabei nicht erfindungswesentlich. Sie sollten allerdings wegen der besseren Kühlmöglichkeit leicht versetzt angeordnet sein, wie in Fig. 2 dargestellt. Beidseitig sind parallel zu der äußeren Reihe der Düsenöffnungen an der Längsseite der Spinndüsenplatte 2 neben den austretenden Filamenten 5 die Umlenkeinrichtungen 3 und 4 am Spinnkopf 1 befestigt. Die beiden Breitseiten der Spinndüsenplatte 2 sind ebenfalls durch seitliche Abdeckplatten 9 und 10 begrenzt, so daß sich ein nur nach unten geöffneter Hohlraum ergibt. Die Abdeckplatten 9 und 10 sind als ebene Platten parallel zur Abzugsrichtung der Filamente ausgebildet, wobei ihre Nahtstellen mit den Umlenkeinrichtungen 3 und 4 gerundet sind, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Umlenkflächen 3a und Aa sind einander gegenüberliegend angeordnet, wobei ihre Länge mindestens der der Spinndüsenplatte 2 entspricht. Die spezielle Ausführung der Umlenkflächen 3 a und 4 a läßt sich leicht durch strömungstechnische Versuche ermitteln.

Die fertig gekühlten Filamente werden von einem hier nicht dargestellten Fadenumlenkstab, der zweckmäßigerweise 500 mm unterhalb der Spinndüse angeordnet ist, zu den einzelnen Bearbeitungsstationen weitergeführt. An Stelle des Fadenumlenkstabes kann auch eine Aufwickeleinrichtung zum Aufwickeln der unverstreckten Fäden angeordnet sein.

Unterhalb der Spinndüsenplatte 2 ist auf der Seite der Umlenkeinrichtung 4 die Blasdüse 6 schräg zur Horizontalen und entgegen der Abzugsrichtung der

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Filamente 5 angeordnet. Ihr Anstellwinkel α zur Horizontalen muß so ausgerichtet werden, daß der aus der Blasdüse 6 austretende Kühlmittelstrom 8 auf die gegenüberliegende Umlenkfläche 3 α trifft, wobei der Abstand der Blasdüse 6 von der Spinndüsenunterkante la von der Breite des Filamentbündels abhängt. Die Länge der Blasdüse 6 entspricht der der Umlenkfläche 3a, so daß die Blasdüse 6 zweckmäßigerweise als Breitschlitzdüse ausgebildet ist. Sie wird durch eine Schlauchverbindung 7 an ein hier nicht dargestelltes " Kühlmittelversorgungssystem angeschlossen, wobei sichergestellt werden muß, daß der aus der Blasdüse 6 austretende Kühlmittelstrom 8 sowohl eine Parallelströmung als auch keine irgendwie gearteten Festkörperpartikel aufweist.

Im folgenden wird das Verfahren an Hand der oben beschriebenen Anordnung unter Bezugnahme auf die gewonnenen Meßwerte näher erläutert. Die Rechteckspinndüsenplatte 2 besaß eine effektive Düsenf laehe von 340 cm², durch die Polypropylen als Polymer . zu Fäden gesponnen wurde. Dabei wurden 832 g/min durch 5000 Düsen extrudiert; somit betrug die ausgesponnene Polymermenge pro effektiver Düsenfläche 2,45 g/min · cm². Die Abzugsgeschwindigkeit der Filamente 5 wurde zu 20 m/min gewählt. Die Umlenkflächen 3a und Aa für den Kühlmittelstrom 8 wurden als konkav gewölbte Flächen in der zur Zeichnungsebene parallelen Ebene ausgebildet, wobei die Wölbung vorzugsweise als Teil eines Paraboloids geformt war. Die Höhe der Umlenkflächen 3a und 4a betrug 90 mm.

Die Blasdüsenöffnung wurde 150 mm unterhalb der Spinndüsenplatte 2 und 90 mm seitlich von der Symmetrieachse angeordnet, wobei der Anstellwinkel α der Blasdüse zur Horizontalen zweckmäßigerweise - bei den obengenannten Koordinaten für die Blasdüsenöffnung und der Anordnung und Ausbildung der Umlenkflächen - Werte zwischen 40 und 50° annimmt. Dadurch war sichergestellt, daß, da der Kühlmittelstrom 8 auf einer genügend großen Strecke das Filamentbündel 5 durchquerte, die Fäden nach dem Verlassen der Kühlstrecke homogen abgekühlt wurden. Aus der Blasdüse trat der Kühlmittelstrom 8 mit einer Geschwindigkeit von 5,2 m/s aus. Als Kühlmittel wurde bei diesem Versuch Luft verwendet, die mit einer Temperatur von T_Ll = 30° C in das FiIamentbündel 5 geblasen wurde. Beim Austritt aus dem Filamentbündel 5 betrug die Kühllufttemperatur T_L2 = 82° C. Diese erwärmte Luft traf unterhalb des Spinnkopfes 1 auf die erste Umlenkfläche 3 a, die sie in Richtung der Spinndüsenplatte 2 umlenkte, sie aber im wesentlichen in ihrer Strömungsebene beließ. Da Polypropylen bei einer Temperatur von ungefähr 280° C ausgesponnen wird, ist es verständlich, daß direkt unterhalb der Spinndüsenplatte 2 in dem Hohlraum zwischen den Umlenkeinrichtungen 3 und 4 und den Abdeckplatten 9 und 10 Temperaturen herrsehen, die ausreichen, den Kühlluftstrom 8 während des ersten Umlenkvorganges weiter zu erwärmen, so daß er mit einer Temperatur von T_L3 = 91 ° C wieder in das Filamentbündel eintrat.

In der Mitte der Spinndüsenplatte 2 wies der Kühlluftstrom 8 eine Temperatur von T_LA = 102° C auf. Da der Kühlluftstrom 8 so auf die Spinndüsenplatte 2 gelenkt wurde, daß diese ihn weiter in Richtung zur zweiten Umlenkeinrichtung 4 leitete, steigerte sich seine Temperatur bis zum Verlassen des Filamentbündeis 5 auf T_L5~112° C. Während des dritten Umlenkvorganges wurde der Kühlluftstrom 8 ebenfalls - wie schon bereits beim ersten - weiter erwärmt, so daß er mit einer Temperatur von T_L6=118° C wieder in das Filamentbündel eintrat.

Da das Durchdringen des Filamentbündels 5 und die Umlenkvorgänge nicht verlustlos ablaufen, steht je Umlenkvorgang immer weniger Kühlluft zur Verf ügung. Dies ist so lange nicht von Bedeutung, wie noch eine ausreichende Kühlluftmenge beim letzten Umlenkvorgang zur Verfügung steht. Diese Menge darf allerdings nicht zu groß sein, da sonst beim letzten Umlenkvorgang eine Verwirbelung des erwärmten Kühlluftstromes mit dem kalten eintritt, was zur Folge hat, daß der Kühleffekt des kalten Kühlluftstroms vermindert wird, und er aus seiner Strömungsrichtung abgelenkt wird.

Zur Kontrolle der homogenen Abkühlung wurde die Temperatur des Filamentbündels 5 in zwei Ebenen überprüft. Die Meßstellen jeder Meßebene lagen jeweils an den beiden Außenkanten des Filamentbündels 5, wobei die erste Meßebene oberhalb der Blasdüse 6 lag, in der nur ein Teil des Filamentbündels 5 bereits fertig abgekühlt war, und die zweite ein wenig unterhalb der Blasdüsenöffnung, nachdem das gesamte Filamentbündel 5 gekühlt war. Wie die Meßwerte zeigten, war in der oberen Meßebene noch eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden AußenkantendesFilamentbündelsvonll° C vorhanden, da T_F1 = 138° C und T_n = 149° C betrug. In der zweiten Meßebene verringerte sich die Temperaturdifferenzauf 1° C (T_F3 = 136° C und T_F4 = 135° C), wodurch erwiesen ist, daß eine homogene Abkühlung der Filamente durch das Verfahren gewährleistet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

25 OO Patentansprüche:

1. Schmelzspinnverfahren, bei dem die aus der Spinndüse vertikal nach unten austretenden FiIamente direkt nach dem Austritt durch einen schräg zur Horizontalen und entgegen der Abzugsrichtung der Filamente angeordneten Kühlmittelstrom abgekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der das Filamentbündel durchströmende und dabei erwärmte Kühlmittelstrom nach dem Verlassen des Filamentbündels zur Spinndüse umgelenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelstrom von der ¹S Spinndüse auf der zur ersten Umlenkung gegenüberliegenden Seite abgelenkt wird und von dieser wieder in das Filamentbündel zurückgeworfen wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, bestehend aus einem Spinnbalken, in dem eine Vielzahl eng beieinanderliegender Düsen vorhanden ist, deren Öffnungen vertikal nach unten gerichtet sind, einer unterhalb des Spinnbalkens in einem Abstand angeordneten Abzugsvorrichtung und einer schräg zur Horizontalen und entgegen der Abzugsrichtung der Filamente angeordneten Blasdüse zum Anblasen der Filamente mit einem Kühlmittelstrom, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Austrittsseite der Filamente seitlich außerhalb des Spinndüsenfeldes und parallel zur äußeren Längsreihe der Düsenöffnungen gegenüber der Austrittsöffnung der Blasdüse (6) eine auf die Blasdüsenöffnung ausgerichtete Umlenkfläche (3 a) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur ersten Umlenkfläche (3 a) eine zweite Umlenkfläche (4 a) an dem anderen Spinndüsenfeldrand angeordnet ist.