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'Schmelzspinn- und Streckverfahren zur
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Herstellung von PolypropYlenfäden" Es ist bekannt, daß Polypropylenfäden
durch Schmelz spinnen mittels Extruder und anschließendes Verstrecken hergestellt
werden können. Man hat auch bereits versucht, Polypropylenfäden durch hohe Abzugsgeschwindigkeiten
vorzuorientieren und dann kontinuierlich auf den bisher bekannten Produktionsanlagen
zu verstrecken. Dabei werden nur geringe Festigkeiten von etwa 3,5 cN/dtex und geringfügig
mehr erreicht. Festigkeiten von wesentlich mehr als 4 cN/dtex waren jedoch bisher
für Spinnfasern oder Endlosfilamente im textilen Titerbereich unerreichbar.
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Durch die britische Patentschrift 1 089 044 ist zwar ein Verfahren
bekannt, durch welches Polypropylenw ollofilamente hergestellt werden können, die
eine Festigkeit von 4,5 g/den haben. Diese Monofilamente werden indes mit einem
Schäummittel versponnen und die Abschreckbehandlung dient der Unterbrechung der
Gasblasenbildung innerhalb des Fadens.
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Im übrigen arbeitet das bekannte Verfahren mit sehr geringen Produktionsmengen
und Laufgeschwindigkeiten der Monofilamente, so daß es möglich wird, die Abschreckbehandlung
in einem Wasserbad vorzunehmen.
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Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe, hochfeste Polypropylenfäden
herzustellen, welche für textile Gebiete als Spinnfasern oder Endlosfilamente verwendbar
sind.
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Insbesondere wird dabei auf das kostspielige und den Einsatzbereich
der Fasern einengende Mittel verzichtet, den Fasern ein Schäummittel bei zugeben
und hierdurch die Festigkeit zu erhöhen.
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Ziel des angegebenen Verfahrens ist es, durch den Spinnprozeß Fasern
mit thermodynamisch instabiler, smektischer, d.h. zwar orientierter, jedoch nicht
kristalliner Struktur zu erzeugen. Dadurch wird eine gute Verstreckbarkeit und im
Rahmen der Verstreckung eine starke Orientierung erzielt.
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Eine thermodynamisch stabile Fadenstruktur wird dann nach dem Spinnen
und Verstrecken durch Tempern eingestellt.
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Hierdurch entstehen bei handelsüblicher Spinnmaterialqualität ungewöhnlich
hohe Festigkeiten. Es wurden Festigkeiten von mehr als 5 cN/dtex erreicht. Dabei
erweist es sich als besonders vorteilhaft, für die Stabilisierung der Fadenstruktur
durch Kristallisation eine ausreichende Verweilzeit nach der Verstreckung in der
Temperwärme bereitzustellen.
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Es ist bei Polypropylen bekannt, daß es sehr viele Provenienzen gibt,
und daß die Nolekularmassen der PP-Schmelzen nicht eindeutig oder in einem engen
Bereich definiert sind.
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Die einzelnen Provenienzen unterscheiden sich durch unterschiedliche
Verteilungskurven der Molekularmasse des Polymers. Eine Maßzahl für die Qualität
des Polypropylens und die Qualität der Schmelze ist das Verhältnis des Masse-und
Zahlenmittels MW/tmt als Molekularmasseverteilung bezeichnet. Eine enge Molekularmasseverteilung,
d.h. ein geringer Anteil längerkettiger Polymeranteile, ist neben anderen Spezifikationen
ein Zeichen guter Qualität (Hoffmeister, Schnel lspinntechnologie in "Textiltechnik"
30, (1980), Seite 558 ff).
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Ein wesentliches Kriterium der Erfindung bei der Behandlung der Schmelze
besteht darin, daß die Schmelze im Extruder sehr gründlich gemischt wird. Diese
Mischung soll jedoch nicht zu einer Scherung der Schmelze führen. Derartige Mischer
sind in den Extruderzylinder und die Schnecke eingebaut.
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Bekannt ist z.B. ein derartiger Nische durch das DE-GM 74 33 808 (Bag.
912) sowie DE-OS 32 42 708 gBage 1271).
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Derartige Mischer sind dadurch charakterisiert, daß die Schmelze in
hintereinander liegenden, ringförmigen Zonen auf abwechselnd größere und kleinere
Durchmesser verteilt wird.
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Die Schmelzebehandlung nach der Erfindung zeichnet sich ferner dadurch
aus, daß die Temperaturverteilung der Scmele beim Austritt aus den Spinndüsen sehr
gleichmäßig sein sollte. Die Schmelzetemperatur wird erreicht ZWm einen durch Kompression,
zum anderen aber auch durch externe Wärmezufuhr in den Heizzonen des Extruders.
Zur Vergleichmäßigung stehen im St.d.T. vor allem Schneckenenden mit radial auswärts
weisenden Metallstiften bereit (vgl. z,B.
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DE-PS 20 30 756 (Bag. 699) sowie DE-OS 32 42 708 (Bag. 1271) Der Austrag
der Schmelzestränge geschieht entweder direkt durch den Extruder, es kann aber auch
eine Schmelzedosierpumpe der Spinndüse vorgeschaltet werden.
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Die Spinndüsenhaben einen Lochdurchmesser von weniger als 2 mm, wie
sie zum Spinnen textiler Titer üblich sind.
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Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in dem Vorverzug,
der mindestens 100 ç 1 beträgt. Als Vorverzug wird dabei das Verhältnis der Fadengeschwindigkeit
beim Abzug aus der Spinnzone zu der Geschwindigkeit, mit welcher die Schmelze aus
dem Düsenloch austritt, bezeichnet.
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Das Vorverzugsverhältnis ist ein tIaS für die Durchmesserabnahme des
Fadens zwischen Spinndüse und Abzugsgalette.
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Ein weiteres charakteristisches Merkmal der Erfindung ist die Abschreckbehandlung
der Fäden ummittelbar nach dem
Austritt der Schmelze aus den Spinndüsen.
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Zum einen hat sich herausgestellt, daß eine Abschreckbehandlung im
Wasserbad nicht zu dem gewünschten Ergebnis der starken Temperaturverminderung führt,
es sei denn, es werden sehr geringe Fadengeschwindigkeiten angewandt.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Abschreckbehandlung durch einen quer zur
Fadenlaufrichtung gerichteten Gas-, insbesondere Luftstrom, wobei die Luft Raumtemperatur
aufweist. Der Luftstrom wird in seiner Geschwindigkeit und Menge so eingestellt,
daß so viel Wärme abtransportiert werden kann, daß auf einer Strecke von mindestens
200 mm Fadenlauf unter der Spinndüse (Abschrecklänge) sich eine Abkühlgeschwindigkeit
von mehr als 3000 °C/s ergibt. In diesen Grenzen muß die Kühlgeschwindigkeit so
gewählt werden, daß die Fadentemperatur schnell unter die Temperatur der höchsten
Kristallisationsgeschwindigkeit fällt. Diese liegt für Polypropylen etwa bei 115
°C; sie schwankt aber in gewissen Grenzen, je nach Provenienz. Die Luftströmgeschwindigkeit
sollte mindestens 1 m/s, vorzugsweise mehr als 2 m/s betragen. Bei einer Abschreckzonenlänge
von 500 mm waren durch entsprechend hoch eingestellte Luftgeschwindigkeiten Abkühlgeschwindigkeiten
bis zu 7000 °C/s möglich. Grenzen sind jedoch zum einen durch den Spinntiter der
Fäden und die Höhe des Vorverzugs und der Abzugsgeschwindigkeit gegeben.
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Zum anderen muß vermieden werden, daß infolge der Abschreckbehandlung
eine zu starke Abkühlung der Düsenplatte erfolgt und die Düsenlöcher der Spinndüse
durch erstarrende Schmelze verstopfen.
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Erfindungsgemäß werden die Polypropylenfäden nach der Abschreckbehandlung
weiter abgekühlt, wobei keine besondere Abkühlgeschwindigkeit vorgeschrieben ist.
Bis zur Aufbringung der Präparation wird der Faden bevorzugt auf weniger als 100
0" abgekühlt.
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Die Abzugsgeschwindigkeit, mit der der Faden mittels Galette aus der
Spinnzone abgezogen wird, beträgt mindestens 500 m/min. Bevorzugt ist, daß die Abzugsgeschwindigkeit
mehr als 800 m/min beträgt. Hervorragende Qualitätseigenschaften wurden erzielt
bei Abzugsgeschwindigkeiten von 1000 m/min. Außerdem ließen sich bei Spinngeschwindigkeiten
über 3000 m/min bis 4500 in/min vororientierte Fäden herstellen, die nach einer
Nachverstreckung von etwa 2:1 eine Reißfestigkeit über 6 cN/dtex bei einer Restdehnung
zwischen 15 und 25% - je nach Provenienz und Art der Nachbehandlung - aufwiesen.
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Zum Abziehen des Fadens dienen Galetten. Die Fäden werden aufgewickelt
oder abgelegt. Bei Auf spulung der Fäden mittels einer Aufspulvorrichtung mit Treibwalze
ist es möglich, auf die Abzugsgalette zu verzichten. Statt der Aufwickelvorrichtung
kann auch eine beliebige Ablage, z.B. Kannenablage Anwendung finden (vgl. hierzu
z.B. DE-OS 28 09 661).
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Bei der Führung des Verfahrens hat es sich als wesentliches Kriterium
und als entscheidend für den angestrebten Erfolg herausgestellt, daß die Kristallisation
bis zum Verstrecken der Fäden so weit wie möglich unterbunden und nach dem Verstrecken
der Fäden herbeigeführt wird, um stabile Strukturen zu erhalten Hierzu ist es notwendig,
daß nach der Orientierung der Molekeln eine ausreichende Zeit zur Nachkristallisation
zur Verfügung steht, wie im nachfolgenden beschrieben ist.
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Das Streck- und nachbehandlungsverfahren ist erfindungsgemäß vor allem
dadurch gekennzeichnet, daß der Faden mit sehr geringer Geschwindigkeit, die nicht
mehr als 100 m/min, vorzugsweise jedoch weniger als 70 m/min beträgt, in die Streckzone
geführt und in der Streckzone mit einem durch Versuche zu ermittelnden Streckverhältnis
verstreckt wird.
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Dabei werden die Fäden erhitzt, und zwar vorzugsweise bei Einlauf
in die Streckzone, so daß sich der Streckpunkt (Flaschenhals) zu Beginn der Streckzone
ausbildet. Durch die geringe Laufgeschwindigkeit ergibt sich auch eine geringe Streckgeschwindigkeit
(Differenz der Fadengeschwindigkeiten in der Streckzone). Folglich steht für die
Orientierung des Fadens in der Streckzone eine lange Zeit zur Verfügung.
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Die Temperatur, der die Fäden dabei ausgesetzt werden, liegt vorzugsweise
15 bis 20 OC unter dem Schmelzpunkt.
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Die Nachbehandlung des Fadens nach der Verstreckung besteht in einer
Wärmebehandlung des Fadens bei einer Temperatur, die eine maximale Kristallisationsgeschwindigkeit
erlaubt.
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Eine Temperatur von 130 0C hat sich als vorteilhaft erwiesen.
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Die dem Faden zugeführ;.e Wärme wird dabei nicht zwangsweise wieder
abgeführt, so daß der Faden über eine gewisse Zeit seine Wärme behält. In der Nachbehandlungszone
wird der Faden mit einer Überlieferung von 20 bis 30% geführt, so daß er schrumpfen
kann.
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Besonders vorteilhaft kann das Verfahren nach dieser Erfindung ausgeübt
werden, wenn der Faden mit der Temperatur, die er in der Nachbehandlung erhalten
hat, in eine Stauchkräuselkammer geführt und dort gekräuselt wird, ohne daß vorher
eine Wärmeabfuhr oder Wärmezufuhr erfolgt.
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Nach der Erfindung gelingt es, Fäden mit einer Festigkeit von mehr
als 5 cN/dtex herzustellen. Bei schnellgesponnenen Fäden wurden Festig]eitswerte
über 6 cN/dtex erreicht.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher
besdlrieben.
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Fig. 1 zeigt eine Anlage zum Spinnen von Polypropylenfasern zur Ausübung
des Verfahrens nach der Erfindung.
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Fig. 2 zeigt eine abgeänderte Ausbildung der Temperierzone der Anlage
nach Fig. 1.
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Es sind folgende Vorrichtungsteile der Anlage dargestellt: Extruder
1, Extruderzylinder 2, Etruderschnc.cke 3, Antriebsmotor 4, Einfüllstutzen 5, Mischzone
6, Homogenisierzone 7, Dosierpumpe 8, Spinndüse 9, Fäden 10, Präparations walze
11, Präparationsbad 12, Abzugswerk 13, Galetten 14, 15, 16, Aufwickeleinrichtung
lv, Treibwalze 1, Vorlagegatter 19 mit Aufwickeispulen 17 Eingangsstreckwerk 20
mit unbeheizten Galetten 21, 22, 23, 24 und beheizter Galette 25, Heißluftstrecke
26, Ausgangsstreckwerk 27, unbeheizte Galetten 28, 29, beheizte Galetten 30, 31,
32, Einzugsgaletten 33 der Stauchkammer 34, Kühl strecke 35, Faserschneidmaschine
36, Spinnfasern 37, Abzug 38, Schneidräder 39.
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Fig. 2 zeigt einen Teilausschnitt von Fig. 1 mit der Modifikation,
daß den Galetten des Ausgansstreckwerks 27 zur Nachbehandlung des Fadens eine Luftheizstrecke
43 folgt.
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Sodann wird der Faden von den Einzugsgaletten 33 der Stauchkammer
34 abgeführt.
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Auf der Anlage nach Fig. 1 und alternativ Fig. 2 wurden folgende Versuche
durchgeführt: 1. Es wurde ein isotaktisches Polypropylen handelsüblicher Spinnqualität
(Vestolen P 1200, spulen Z30S, Moplen PPH 9060S oder dgl.) in dem Extruder 1 aufgeschmolzen.
Die Schmelze wurde ohne Scherung in Mischzone 6 gemischt und am Ende des Extruderzylinders
2 in der Homogenisierzone 7 hinsichtlich ihrer Temperatur vergleichmäßigt. Die Schmelze
wurde durch Dosierpumpe 8 durch Düsenlöcher der Spinndüsenplatte 9 ausgepreßt Die
Düsenlöcher hatten einen Durchmesser von 0,6 Pnm. Die Fäden wurden sodann durch
die Galetten 14 und 15 des Abzugswerks 13 mit einer
Geschwindigkeit
von 1000 m/min abgezogen. Um einen guten Fadenlauf und gute Aufwickelspulen 17'
zu erhalten, wurden die Fäden mit einer üblichen Präparation durch Präparierwalze
11 befeuchtet. Die Auspreßgeschwindigkeit aus den Düsen betrug ca. 4 m/min, so daß
der Vorverzug 250:1 betrug.
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In diesem ersten Vergleichsversuch wurde kontinuierlich gesponnen
und verstreckt. Dabei war die Galette 15 beheizt, und es erfolgte zwischen den Galetten
14 und 15 eine Verstreckung im Verhältnis 1,8:1 und zwischen den Galetten 15 und
16 eine Verstreckung im Verhältnis 1,25:1.
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Um die Verstreckkräfte aufbringen zu können, waren die Galetten 14,
15 und 16 mit geeigneten Uberlaufstiften 44, 45, 46 (gestrichelt eingezeichnet)
versehen und wurden von den Fäden mehrfach umschlungen. Die Aufwicklung erfolgte
mit einer Geschwindigkeit von 2250 m/min. Die ersponnenen Fäden hatten einen Endtiter
von 1,66 dtex, eine Festigkeit von 3,3.cTJ/dtex und eine Dehnung von 25%.
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Bei Erhöhung der Geschwindigkeit der Galette 14 und der nachfolgenden
Galetten 15 und 16 trat eine Verschlechterung der Festigkeitswerte ein. Eine Erniedrigung
der Geschwindigkeit auf 500 m/min brachte ebenfalls keine Verbesserung.
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Dabei wurde die Spinnzone mit normaler Abkühlung über eine Strecke
von 2 m und einer Luftgeschwindigkeit von 0,5 m/s aber auch mit einer nachfolgend
beschriebenen Abschreckbehandlung betrieben, ohne daß qualitative Verbesserungen
hinsichtlich der erzielten Reißfestigkeit eintraten.
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In einem weiteren Versuch wurde zwischen der Galette 16 und der Aufwickelspule
17 eine Heißluftstrecke angeordnet. Die darin erfolgende Wärmebehandlung der Fasern
bei
1400C brachte keine Verbesserung. Ebenso konnte die Galette
16 beheizt werden. Auch hierdurch ergab sich keine Verbesserung der Festigkeitseigenschaften.
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2. Die Anlage nach Fig. 1 wurde nunmehr so betrieben, daß die Galetten
14, 15, 16 mit gleicher Geschwindigkeit von 1000 m/min angetrieben und die den mit
dieser GQschz^Jindigkeit auch aufgewickelt wurden. Es erfolgt mithin im ersten Anlageteil
keine Verstrecung der Faden. Die aus den Düsenlöchern austretenden Fäden wurden
über eine Fadenlauflänge A von 500 mm einer Abschreckbehandlung mit einem Luftstrom
von Raumtemperatur unterworfen, dessen Strömungsgeschwindigkeit 6 m/min betrug.
Daraus ergab sich eine sehr schroffe Abkühlung von mehr als 3000 °C/s.
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Die Fertigspulen 17' wurden sodann dem Gatter 19 vorgelegt und die
Fäden über die unbeheizten Galetten 21, 22, 23, 24 des Eingangsstreckwerko 20 und
die beheizte Galette 25 in die Streckzone geführt. Die Geschwindigkeit betrug 60
m/min. In der Streckzone war sodann noch eine Luftheizstrecke 26 vorgesehen. Die
Fäden wurden durch die unbeheizten Galetten 28, 29 sowie die beheizten Galetten
30, 31, 32 des Ausgangsstreckwerkes 27 abgezogen.
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Das Geschwindigkeitsverhältnis des Ausgangsstreckwerks 27 zum Eingangsstreckwerk
20 betrug 3:1, so daß eine Verstrekkung in diesem Verhältnis erfolgte. Die Temperatur
der beheizten Galette 25 betrug 130 OC. Die Temperatur der Luftheizstrecke betrug
150 OC. Die Streckgeschwindigkeit betrug mithin 120 m/min.
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Nach der Aufheizung durch die beheizten Galetten 30, 31, 32 wurden
die Fäden bei 25% Uberlieferung durch die Relaxierzone 40 geführt. Mithin war die
Geschwindigkeit der Einzugsgaletten 33 der Stauchkammer 34 um 25% kleiner als die
Umfangsgeschwindigkeit der Galetten 28 bis 32.
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Zwischen diesen Galetten erfolgte keine weitere Erwärmung,
sondern
lediglich die bei der umgebenden Atmosphäre unvermeidliche Abkühlung, bevor die
Fäden 10 in der Stauchkammer 34 gekräuselt wurden. Die der Stauchkammer 34 entnommenen
Fäden hatten dabei einen Titer von 1,8 dtex, eine Festigkeit von 5,8 cN/dtex und
eine Dehnung von 22%.
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Es war möglich, die Beheizung durch die Galetten 30 bis 32 durch eine
Luftheizstrecke 43 - wie in Fig. 2 gezeigt - zu ersetzen oder zu ergänzen.
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Die der Stauchkammer 34 entnommenen Fäden eigneten sich vor allem
auch zur Herstellung von Spinnfasern. Dazu wurden die Fäden über die Abkühlstrecke
35 einer Faserschneidmaschine 36 mit den Schneidrädern 39 zugeführt.
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Die Spinnfasern 37 wurden daraus über Abzugsleitung 38 pneumatisch
abgeführt. Sie werden anschließend in geeigneter Form verpackt.