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Verfahren zur Herstellung von Spinnfasern.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Spinnfasern,
bei dem im Verstreckungsschritt der Faserkabel die freiwerdende Kondensationswärme
von Wasserdampf auf dem Kabel zur Erwärmung der Kabel verwendet wird.
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Bei der Herstellung von Spinnfasern aus synthetischen Hochpolymeren,
die durch Schmelzspinnen verarbeitet werden können, geht man im allgemeinen so vor,
daß man zunächst aus der Schmelze des Hochpolymeren Endlosfilamente erspinnt, diese
nach geeigneter Avivage zu einem Faserband vereinigt und die Faserbänder in Kannen
ablegt. Vor dem Schneiden auf Stapellänge müssen diese Faserbänder dann gestreckt
werden, damit die Fasern durch Orientierung die notwendige Festigkeit erhalten.
Weiterhin erteilt man den Faserbändern vor dem Schneiden im allgemeinen noch eine
Kräuselung und fixiert sie.
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Die Durchführung der Verstreckung erfolgt bei Faserkabeln dieser schmelzgesponnenen
Polymeren, z.B. bei Polyester-Polyamid- und Polypropylenfaserkabeln oberhalb der
Umwandlungstemperatur 2. Ordnung, d.h. oberhalb des Kristallitschmelzpunktes des
Polymeren. FUr Polyäthylenterephthalat liegt diese Temperatur im Bereich von 65
- 800C. Das Faserkabel muß also, während es der Verstreckung unterworfen wird, auf
eine
Temperatur oberhalb dieses Bereiches gebracht werden.
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Dies geschieht üblicherweise dadurch, daß die Faserkabel zatschen
zwei Streckwerken durch ein Wasserbad geeigneter Temperatur oder durch einen Heizkanal
geleitet werden. In einem solchen Heizkanal werden die Faserkabel entweder durch
Strahlungswärme auf die notwendige Temperatur gebracht oder aber sie werden über
Kontaktheizungen geleitet. Alle diese bisher verwendeten Methoden, die Faserkabel
auf die für die Verstreckung erforderliche Temperatur zu bringen, zeigen gewisse
Nachteile.
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Die Anwendung der Wasserbadverstreckung allein erfordert einen ziemlich
großen apparativen Aufwand und ein nachträgliches Trocknen der Faserkabel.
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Bei der Anwendung von Strahlungswärme müssen bei den in der Technik
üblichen Bandgeschwindigkeiten von 300 m/min und darüber Heizkanallangen von 8 m
und mehr angewendet werden, um die notwendige Verstreckungstemperatur der Faserkabel
zu erreichen. Trotzdem zeigen sich bei dieser Methode immer wieder Filamentbrüche,
was darauf zurückzuführen ist, daß die Faserkabel nicht gleichmäßig durcherwärmt
sind. Außerdem ist eine außerordentlich hohe Energiezufulir notwendig. Um gut und
ohne Fadenbrüche verstrecken zu können, muß das umgebende Medium im Heizkanal auf
eine Temperatur von 160 bis 2200C gebracht werden. Bei dieser Methode hat man gelegentlich
Wasserdampf in die Heizkanäle eingeblasen, um ein inertes Medium zu erzeugen, wodurch
die teilweise thermisch nicht stabilen Polymeren dem Angriff beispielsweise von
Sauerstoff entzogen werden. Hierzu wurde stets überhitzter Wasserdampf verwendet.
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Betreibt man die Erarmung der Faserkabel durch Kontaktheizung, so
tritt eine ungleichmäßige Erwärmung des Kabels ein, was
wiederum
Anlaß zu Filamentbrüchen gibt oder aber einzelne Filamente thermisch schädigt.
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Es wurde nun ein überraschend einfacher, Energie und Kosten sparender
und darüber hinaus außerordentlich wirksamer und auch für hohe Kabelgeschwindigkeiten
anwendbarer Weg gefunden, die Faserkabel gleichmäßig auf die gewünschten Temperaturen
zu bringen. Dieser Weg besteht darin, daß man in den Streckkanal Sattdampf einbläst
und sich auf dem Faserkabel kondensieren läßt. Durch die freiwerdende Kondensationswärme
werden die Faserkabel gleichmäßig und auf sehr kurzen Heizstrecken auf die für die
Verstreckung notwendige Temperatur gebracht.
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Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von
Spinnfasern aus einem durch Schmelzspinnen von Polymeren erhaltenen Endlosfaserkabel
durch Verstrecken des Faserkabels bei Temperaturen oberhalb der Einfriertemperatur,
aber unterhalb des Schmelzpunktes des Polymeren, und Schneiden auf Stapellänge,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Faserkabel durch Ausnutzung der Kondensationswärme
von gesättigtem Wasserdampf auf dem Faserkabel bei Atmosphärendruck auf die für
die Verstreckung notwendige Temperatur gebracht wird.
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Vorzugsweise werden die Fäden vor dem Schneiden gekräuselt und fixiert.
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Durch die DT-OS 2 414 055 ist zwar bereits ein Verfahren bekannt geworden,
bei dem Polyester-Monofile,die einen Titer von 500 bis 50 000 den aufweisen, bei
erhöhtem Druck durch eine Kammer geleitet werden, in der sie verstreckt werden,
während der Druck in der Kammer durch den eingestellten Dampfdruck erzeugt wird.
Das Verfahren dient zur Verbesserung der Maschen- oder Schleifenfestigkeit und des
Widerstandes gegen Faserung der Polyester-Monofile.Dieses Verfahren ist technisch
aufwendig, da zur Aufrechterhaltung des Drucks ein relativ großer Aufwand in der
Konstruktion der Heizkamner notwendig ist.
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Für Faserkabel aus relativ griagitigEtn Einzelfäden ist es nicht brauchbar,
da der Fasereintritt und -Austritt entweder nicht ausreichend abgedichtet werden
kann, oder aber ständig Fadenbrüche auftreten.
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Es war daher außerordentlich überraschend, daß bei Anwendung von Sattdampf
und drucklosem Zustand in außerordentlich wirtschaftlicher und zweckmäßiger Weise
die notwendige gleichmäßige Erwärmung von Faserkabeln zur Verstreckung erzielt werden
kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei der Herstellung von Spinnfasern
aus Polymeren, die durch Schmelz spinnen in die Form von Filamenten gebracht werden,
beispielsweise bei der Herstellung von Polyester-, Polyamid- oder Polypropylen-Spinnfasern
verwendet werden. Ausgezeichnet bewährt hat es sich bei der Herstellung von Polyesterfasern,
insbesondere von solchen aus Polyäthylenterephthalat, aber auch aus dem Polyester
aus Terephthalsäure und 1,4-Cyclohexandimethanol oder 1,4-Butandiol oder Mischpolyestern
dieser Art, die auch unter Mitverwendung von Isophthalsäure und 1,4-Butandiol hergestellt
wurden. Fasern aus Polyäthylenterephthalat sollten vorzugsweise eine RSV von 0,3
- 1,0, solche aus dem Polyester aus Terephthalsäure und 1,4-Cyclohexandimethanol
eine RSV von o,6 - 1,0 aufweisen. Faserkabel aus Polyamiden wie Polycaprolactam
oder Nylon 66 oder Mischpolyamiden können ebenso wie solche aus Polypropylen nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren auf die Verstreckungstemperatur gebracht werden.
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Die Faserkabel können in beliebiger Stärke, beispielsweise bis zu
einer Gesamtstärke von 300 ktex und darüber für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt
werden. Die Stärke ist nach unten nur durch wirtschaftliche Gesichtspunkte begrenzt.
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Die anwendbaren Verstreckungsverhältnisse richten sich naturgemäß
nach den gewünschten Fasereigenschaften, nach der chemischen Zusammensetzung des
Polymermaterials und nach dem Fadentiter. Allgemein wendet man Verstreckverhältnisse
von etwa 1:2 bis 1:8, vorzugsweise von 1:3 bis 1:6 an.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl bei einstufigen r wie bei
zwei- oder mehrstufigen Verstreckungsverfahren eingesetzt werden. Es kann hierbei,
wenn es aus irgendwelchen Gründen sinnvoll erscheint, auch mit konventionellen Methoden
kombiniert werden. Beispielsweise kann bei der Verstreckung
von
Faserkabel aus Polyäthylenterephthalat eine erste Verstreckung in einem Wasserbad
vorgenommen werden, wobei dann z.B. in einem Verhältnis von 1 : 2,5 bis 1 : 3,7
verstreckt wird. Eine zweite Verstreckungsstufe kann dann z.B. im Verhältnis 1 :
1,1 bis 1 : 2,0 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden, so daß
ein Gesamtverstreckverhältnis von 1 : 2,75 bis 1 : 7,4 erzielt wird. Es können aber
auch beide Verstreckungsstufen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgen. Ganz
besonders gut eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für die Verstreckung von
Polyester-Endlosfaserkabeln, wobei solche Kabel, deren Fäden einen Einzeltiter von
1 bis 50 dtex ( nach dem Verstrecken ) aufweisen, bevorzugt sind.
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Einer der großen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es,
daß es bei sehr hohen Kabelgeschwindigkeiten durchgeführt werden kann, die z.B.
bei 200 m/min und darüber liegen können.
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Selbst bei diesen hohen Geschwindigkeiten braucht die Länge des Heizkanals
nicht mehr als etwa 3 m zu betragen. Bei konventionellen Heizkanälen mit Strahlungsheizung
würde die Länge für solche Kabelgeschwindigkeiten etwa 8 m betragen.
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Man führt das erfindungsgemäße Verfahren praktisch so aus, daß man
in einen Heizkanal geeigneter Länge ( abhängig vom Gesamttiter des Kabels und von
der Kabelgeschwindigkeit ) soviel gesättigten Wasserdampf einbläst wie nötig ist,
um das Faserkabel durch die KondensatlonsSårme des auf demselben sich kondensierenden
Dampfes auf die für die Verstreckung jeweils notwendige Temperatur zu bringen. Die
dafür notwendige Menge Dampf sowie die Mindestheizkanallänge kann der Fachmann durch
wenige Versuche leicht ermitteln. Die günstigste Verstreckungstemperatur hängt natürlich
von der Art des Polymeren ab. FUr Kabel aus Polyäthylenterephthalat beträgt sie
beispielsweise 90 - 1100C, Man muß dafür Sorge tragen, daß der Dampf
tatsächlich
auf dem Faserkabel kondensiert, d.h. die Wände des Heizkanals müssen auf eine höhere
Temperatur geheizt werden.
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Es hat sich herausgestellt, daß Sattdampf, der vor dem Entspannen
einen Druck von 0,5 bis 6 anti, vorzugsweise 2 bis 3 atü, aufweist, sich besonders
gut für das erfindungsgemäße Verfahren eignet. Drücke bis 10 atü sind möglich, bringen
Jedoch im allgemeinen keine Vorteile. Durch das Einblasen des Dampfes ist außerdem
sichergestellt, daß die Verstreckung in absolut inerter Atmosphäre stattfindet.
Das Verstrecken selbst kann nach jeder konventionellen Methode erfolgen, d.h. es
können beliebige Streckwerke verwendet werden, beispielsweise mit 5 oder 7 Galetten
versehene Liefer- und Streckwerke.
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Alle weiteren Schritte bis zur fertigen Stapelfaser, d.h.
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Kräuselung, Fixierung und Schneiden der Faserkabel erfolgt in üblicher
Weise.
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Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich herausgestellt,
daß selbst bei Heizkanallängen von 3 m und darunter, Kabelgeschwindigkeiten von
200 m/min und einem Gesamt-Kabeltiter von 200 ktex eines Polyäthylenterephthalatfaserkabels
praktisch keine Fadenbrüche mehr auftreten, was darauf zurückzuführen ist, daß das
gesamte Kabel gleichmäßig auf die notwendige Temperatur von 90 - 110 0C gebracht
wurde. Hinzu kommt, daß durch die Anwesenheit des Wassers ( kondensierter Dampf
) auf den Fäden die Umwandlungstemperatur 2. Ordnung, wie bekannt, deutlich erniedrigt
wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet darüberhinaus äußerst wirtschaftlich.
Beispielsweise ist für die Erwärmung eines Polyäthylenterephthalat-Faserkabels keine
größere Dampfmenge notwendig, als sie bisher in den durch Radiatoren mit Strahlungswärme
beheizten Heizkanal zur Aufrechterhaltung einer inerten Atmosphäre in überhitzter
Form eingeleitet wurde.
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Der Heizkanal kann in konventioneller Bauweise konstruiert sein. Es
kann zweckmäßig sein, am Faserkabeleintritt einen Luftabstreifer anzubringen, z.B.
in Form von Gummiabstreifern, um am Fadengut haftende Luft möglichst weitgehend
zu entfernen.
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Der Kabelaustritt muß offen sein um sicherzustellen, daß im Heizkanal
Normaldruck herrscht.
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Die weiter oben und in den folgenden Beispielen angegebene reduzierte
spezifische Viskosität RSV wurde berechnet nach der Formel RSV = tc - to . 1 to
c , worin tc die Durchlaufzeit einer 0,23 %igen Lösung des Polyesters in einem Gemisch
aus 60 Gewichtsteilen Phenol und 40 Gewichtsteilen Tetrachloräthan, to die Durchlaufzeit
des reinen Lösungsmittels, beides gemessen bei 250C in einem Ostwald-Viskosimeter,
und c die Konzentration des Polyesters ( in Gew.% ) bedeutet.
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Beispiel 1 Ein Faserkabel aus 100000 Einzelfäden ( Einzelfadentiter
16,9 dtex unverstreckt ) aus einem Polyester aus Terephthalsäure und 1,4-Cyclohexandimethanol,
RSV o,84 , wird über ein Streckgalettenpaar in einen Streckkanal folgender Abmessungen
geführt : Länge 3 m, Breite 1 m.
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Hinter dem Streckkanal befindet sich ein zweites Streckgalettenpaar.
Der Dampf wird im Streckkanal so geführt, daß er gleichmäßig über die ganze Fläche
desselben verteilt mit dem Kabel in Kontakt kommen kann. Pro Stunde wurden 80 kg
)-atU-Sattdampf verwendet.
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Das Streckverhältnis zwischen dem 1. und dem 2. Streckgalettenpaar
beträgt 1 : 3,2 , das 2. Streckwerk läuft mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 120
m/min. Der Gesamtendtiter des Faserkabels beträgt 670000 dtex.
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Nach dem Verstrecken wird das Faserkabel einer üblichen Stauchkräuselung
zur Erzeugung von 36 Kräuselbögen/10 cm zugeführt. Danach wird das Kabel 5 min.
spannungslos bei 2150C fixiergetrocknet, mit 0,2 bis 0,3 % einer üblichen Avivage
versehen und auf eine Länge von 150 mm auf Stapel geschnitten.
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Die erhaltenen Fasern haben folgende Eigenschaften : Einzelfaserendtiter:
6,7 dtex Bruchdehnung: 40-50 % Bruchkraft: 2,5 + 0,3 p/dtex Kochschrumpf: o k Während
des Verstreckvorgangs ist die Häufigkeit von Kapillarfadenrissen praktisch 0.
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Beispiele 2 bis 4 In der gleichen Vorrichtung wie in Beispiel 1 werden
folgende Faserkabel behandelt: Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 4 Polyester Polyester
aus Polyäthylen- Polyäthylen-Terephthalsäure terephthalat terephthalat und 1,4-Cyclohexandimethanol
RSV o,84 0,60 0,60 Einzelfaserspinntiter (dtex) 7,4 12,17 6,4 Faserkabelgesamttiter,
unverstreckt (dtex) 1 120 000 4 680 000 3 170 000 Die Verstreckung erfolgt unter
folgenden Bedingungen, wobei im Beispiel 3 und 4 vor die Verstreckung unter Ausnutzung
der Kondensationswärme von gesättigtem Wasserdampf; eine erste Verstreckung im warmen
Wasserbad vorgeschaltet ist.
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Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 4 Streckverhältnis 1 : 2,75 1 DJO
1s5 1:3 2-1,5 = 1:4,5 Dampfmenge ( 3 atU Sattdampf ) (kg/h) 80 120 120 Umfangsgeschwindigkeit
des 2.Streckwerks ( m/min ) 120 110 80 Umfangsgeschwindigkeit des 3. Streckwerks
(m/min) -- 165 120
Die weitere Behandlung erfolgt folgendermaßen
Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 4 Fixiertrocknung 5 min,2150C 5 min,1380C 7 min,l8OOC
Avivage (%) 0,17-0,5 0,2 0,25 Stapellänge (mm) 60 60 150 Eigenschaften der erhaltenen
Fasern Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 4 Einzelfasertiter (dtex) 3,3 3,3 17 Faserkabelgesamttiter
(dtex) 500 000 1 270 000 840 000 Bruchdehnung (%) 40-50 50-60 45-55 Bruchkraft (p/dtex)
2,4 + 0,2 4,2 + 0,2 3,4 + 0,3 Kochschrumpf (ffi) 0 1 In den Beispielen 2 bis 4 ist
während des Streckvorganges die Häufigkeit von Kapillarfadenrissen praktisch gleich
Null.