DE3331543C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von schmelzgesponnenen Filamenten, insbesondere die Herstellung von Polyesterfilamenten durch ein Verfahren, bei dem eine verbesserte Spinndüse Verwendung findet. Diese Spinndüse hat Gruppen von Spinnöffnungen mit im einzelnen definierten ungleichen Dimensionen von Gruppe zu Gruppe anstelle gleicher Dimensionen. Die Erfindung betrifft auch die verbesserten Filamente, die aus dem geschmolzenen Polymeren bei hohen Spinngeschwindigkeiten unter Verwendung der Spinndüse erhalten werden.

Die Herstellung von schmelzgesponnenen polymeren Filamenten ist altbekannt. Normalerweise wird ein geschmolzenes Polymeres, wie beispielsweise Polyester, Polyamide und Polyolefine, abwärts durch eine Vielzahl von Spinnöffnungen in der Spinndüse unter Bildung von Filamenten gesponnen. Die gesponnenen Filamente werden gleichzeitig in einer Abschreckzone gekühlt und mittels Garnaufnehmern, beispielsweise einem Garnwickler, zu feineren Filamenten mit mindestens etwas Molekülausrichtung, die als Doppelbrechung Δ_n ausgedrückt wird, verstreckt.

Die hohe Variabilität der Molekülausrichtung schmelz­ gesponnener Filamente ist bekannt dafür, daß sie abwärts arbeitende Verfahren und/oder die Eigenschaften der durch diese Verfahren gewonnenen Produkte, wie verstreckte Filamente, negativ beeinflußt. Es ist außerdem bekannt, daß mit hoher Produktivität ablaufende Verfahren, d. h. das Extrudieren von mehreren hundert Kilo geschmolzener Polymerer pro Stunde durch eine einzige Spinndüse, dazu führen, daß Filamente mit höherer Doppelbrechungsvariabilität erhalten werden gegenüber Filamenten, die mit niedrigerer Spinngeschwindigkeit hergestellt werden. Es besteht demzufolge ein Problem dahingehend, die Qualität der schmelzgesponnenen Filamente aufrechtzuerhalten, wenn die Produktionsgeschwindigkeit ansteigt. Die US-PS 43 32 764 beschreibt ein Verfahren zur Herabsetzung der Doppelbrechungsvariabilität in Polyesterfilamenten, die mit mehreren hundert Kilogramm pro Stunde schmelzgesponnen werden.

Der gesamte Stand der Technik, der sich mit dem Schmelzspinnen von Polyestern in Filamente beschäftigt, umfaßt zweifellos die Verwendung von Spinndüsen, in denen die entsprechenden Dimensionen der individuellen Spinnöffnungen innerhalb der Spinndüse im wesentlichen gleich waren innerhalb der durch die maschinelle Bearbeitung bedingten Fehlergrenzen. Dies ist wahrscheinlich nicht überraschend, weil a) eine hohe Doppelbrechungsvariabilität oft verbunden ist mit einer höheren Titervariabilität und weil b) Änderungen zwischen Spinnöffnungen eine Titervariabilität verursachen.

Zwei Hauptgruppen aus dem Stand der Technik, die im Zusammenhang mit der Erfindung stehen, werden nachstehend erläutert:

Die erste Gruppe betrifft hauptsächlich Theorien und mathematische Modelle, die Vorteile bringen. Die zweite Gruppe des Standes der Technik betrifft in erster Linie konkrete experimentelle Daten der Patentliteratur.

Innerhalb der ersten Gruppe des Standes der Technik sind zahlreiche Versuche gemacht worden, um die Technik des Schmelzspinnens von Polyesterpolymeren zu verstehen. Eine umfassende Veröffentlichung in diesem Gebiet ist der Aufsatz von Dr. H. H. George "Method of Steady Stage Melt-Spinning at Intermediate Take-Up Speeds", veröffentlicht im April 1982 durch "Polymer Engineering and Science". Dr. George gabe auch eine mündliche Übersicht 1979 in Hawaii zu einem ent­ sprechenden Thema. Eine andere interessante Veröffentlichung ist die von Andrzej Ziabicki "Fundamentals of Fibre Formation", veröffentlicht durch John Wiley & Sons, 1976, Seiten 149 bis 248, die sich mit dem Schmelzspinnen beschäftigt. Eine ältere interessante Veröffentlichung ist die von Susume Kase und Tatsuki Matsuo "Studies on Melt Spinning. II Steady State and Transient Solutions of Fundamental Equations Compared with Experimental Results", erschienen in "Journal of Applied Polymer Science", 1967, Vol. 11, Seiten 251 bis 287. Da alle diese Vorveröffentlichungen unterschiedliche Beiträge darstellen, um ein qualitatives Verstehen der Probleme des Schmelzspinnens von Polyesterpolymeren voranzutreiben, erscheint es nicht unfair, darauf hinzuweisen, daß sie noch weit davon entfernt sind, einem Forscher in der Entwicklung Anregungen zu geben, wie er vorgehen muß, um die Doppelbrechungsvariabilität bei hochproduktiven Verfahren weiter herabzusetzen, wie dies in der oben genannten US-Patentschrift beschrieben ist. Dies ist auf die folgenden Gründe zurückzuführen. Zunächst basieren alle Modelle auf einer großen Zahl vereinfachender Annahmen. Zweitens wird eine sehr große Anzahl voneinander unabhängiger Variabler in den verschiedenen mathematischen Formeln verwendet, und aus diesem Grunde neigen die Modelle dazu, Werte in bezug auf qualitative Richtungen vorauszusagen, die sich auf die stationären Bedingungen für ein einziges Filament beziehen, nicht aber auf die quantitativen Richtungen unter den wechselnden Bedingungen bei Multifilamenten. Gleichwohl sind mindestens zwei Aspekte der in den vor­ genannten Veröffentlichungen entwickelten Theorien zumindest für die vorliegende Erfindung von Interesse. Insbesondere ist es zunächst bekannt, daß die Vergrößerung des Durchmessers in einer runden Spinnöffnung beim Schmelzspinnverfahren das Spinnen eines einzigen Filaments begünstigt, ohne irgendwelche Änderungen unabhängiger Variabler herbeizuführen, wobei die Extrusions­ geschwindigkeit des Filaments aus der Spinndüse abnimmt, der Druckabfall quer zur Spinnöffnung reduziert wird, die Extrusionstemperatur herabgesetzt wird, die Auf­ nahmegeschwindigkeit oder der Aufnahmetiter nicht beeinflußt wird, die Endspannung des Filaments beim Aufnehmen ansteigt und die Enddoppelbrechung des Filaments ebenfalls ansteigt. An zweiter Stelle offenbaren einige Modelle, daß eine Beziehung an jedem Punkt des Fadenlaufs beim Spinnen zwischen der Doppelbrechung und der Spannung an dem gleichen Punkt besteht, ausgedrückt in g/Titer. Weiterhin vertritt George die Auffassung, daß diese Beziehung tatsächlich einmalig ist. In diesem Falle führen die Gleichungen von George dazu, Voraussagen zu machen, welche ausgleichenden Änderungen gemacht werden könnten bei einem Paar von Filamentgruppen, wenn die erste Filamentgruppe unterschiedlichen Abschreckbedingungen unterworfen wird gegenüber der zweiten Filamentgruppe. Nichtsdestoweniger verbleibt die Tatsache, daß der Stand der Technik nirgendwo die Extrusion eines geschmolzenen Polyesterpolymeren durch eine Spinndüse offenbart, die Spinnöffnungen unterschiedlicher Abmessungen innerhalb der gleichen Spinndüse aufweist. Darüber hinaus können die Gleichungen der Vor­ veröffentlichungen nicht dazu verwendet werden, um genau die tatsächlichen Änderungen im Filamenttiter vorauszusagen, die als Ergebnis eines solchen Vorgehens auftreten. Noch weniger können sie deshalb verwendet werden, um die sich ergebenden ausgleichenden Wirkungen bezüglich der Doppelbrechung vorauszusagen. Darüber hinaus lehrt der Stand der Technik, daß hohe Raten einer Luftabschreckung quer zu einem einzigen Filament dazu führen, daß im Filament in Richtung der Strömung des Abschreckgases asymmetrische Doppelbrechung quer über das Filament vorliegt. Damit besteht unvermeidlich eine Tendenz bezüglich des Auftretens einer asymmetrischen Doppelbrechung bei den sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten beim Abschrecken in Querrichtung, die erforderlich sind, wenn geschmolzene Polyester mit sehr hohem Durchsatz versponnen werden. Dementsprechend sind die oben genannten Modelle höchstens geeignet, nachträglich die Art und Weise von Experimenten zu erläutern, die unter Umständen durchgeführt werden, um die Doppelbrechungsvariabilität von schmelzgesponnenen Polyesterfilamenten herabzusetzen.

In der zweiten Gruppe des oben erläuterten Standes der Technik sind einige der nachstehend erläuterten Patente zumindest interessant für die vorliegende Erfindung.

Zunächst ist in der US-PS 42 48 581 das Problem angesprochen, Filamente mit gleichmäßigen physikalischen Eigenschaften in einem Schmelzspinnverfahren mit hohem Durchsatz und hoher Filamentdichte zu erhalten. Die Patentschrift führt aus, daß der Stand der Technik erkennen läßt, daß das gleichmäßige, turbulenzfreie Abschrecken der Filamente ein wichtiger Faktor bei der Herstellung von Filamenten mit gleichmäßigen physikalischen Eigenschaften darstellt, eine Voraussetzung für annehmbare Fasereigenschaften bei der anschließenden Weiterverarbeitung. Die Patentschrift führt weiter aus, daß es schwierig ist, in dem Querströmungsabschrecksystem, das typischerweise mit einem Schmelzspinnverfahren mit hohem Durchsatz und hoher Filamentdichte verbunden ist, zu erreichen, daß der Hin- und Herweg des abschreckenden Fluids dazu führt, daß erst die eine Seite des Filamentbündels berührt wird und dann durch dieses hindurchgeht. Diejenigen Filamente, die am meisten strömungsabwärts vom Eintritt des Abschreckfluids entfernt sind, werden gekühlt oder verfestigt mittels einer Abschreckströmung, die vorerhitzt worden ist, sie werden mehr herumgewirbelt und wesentlich verringert (in Richtung einer sich abwärts bewegenden Grenzfläche) durch das Hindernis, das die Filamente bilden, die dem Abschreckfluid näher sind und vorher mit diesem in Berührung kommen. Als Folge hiervon ist die Abkühlungsrate der Filamente zunehmend niedriger als das Abschreckfluid, das durch das Filamentbündel hindurchgeht. Die Patentschrift führt weiter aus, daß die Ideallösung zum regelmäßigen Abschrecken darin bestünde, den Abstand der Spinndüsenöffnungen zu vergrößern, um damit einen größeren Abstand zwischen den Filamenten beim Abschrecken zu erreichen. Allerdings bestehen in der Praxis Einschrän­ kungen in bezug auf die Vergrößerung des Abstandes der Spinnöffnungen in einer Spinndüse auf Grund des vorhandenen Durchmessers und der Zahl der Öffnungen. Die Druckschrift erwähnt dann, daß der Stand der Technik versucht habe, die Unregelmäßigkeiten beim Abschrecken dadurch zu beseitigen, daß die Spinndüsenöffnungen in der Düsenplatte in anderer Weise angeordnet werden. Beispielsweise erörtert die Patentschrift die Verwendung von "V"-Mustern, von konzentrischen Kreisen, von sich kreuzenden Anordnungen, von rechteckigen Gittern und unregelmäßigen Anordnungen, wobei die Spinndüsenöffnungen so gestaffelt sind, daß jede im Weg der Abschreckströmung, ohne diese zu behindern, angeordnet ist. Darüber hinaus wird auch die Anwendung von Spinndüsenöffnungen, angeordnet in parallelen Reihen, erörtert derart, daß die Spinnöffnungen in einer gegebenen Reihe im gleichen Abstand voneinander angeordnet und der Abstand zwischen benachbarten Reihen geringer ist als der Abstand zwischen den Spinn­ öffnungen in jeder Reihe. Die genannte US-Patentschrift betrifft auch eine Spinndüse, in der die Spinnöffnungen in einer spezifischen Anordnung angebracht sind. Die Patentschrift deutet aber nirgendwo im Entferntesten die Möglichkeit an, die Dimensionen von Spinnöffnung zu Spinnöffnung innerhalb der Spinndüse zu variieren, um die Gleichmäßigkeit des Endproduktes zu verbessern.

Auch die US-PS 41 04 015 spricht das Problem der Nicht­ gleichmäßigkeit von Filamenten an. Insbesondere führt diese Patentschrift in Spalte 1, beginnend mit Zeile 23, aus, daß einer der hauptsächlichsten Faktoren zur Auslösung der Ungleichmäßigkeit der Filamente während des Schmelzspinnverfahrens die Tatsache ist, daß die Temperatur des geschmolzenen Polymeren, das die Öffnungen nahe dem Zentrum der Spinndüse passiert, höher ist im Vergleich zu der Temperatur des geschmolzenen Polymeren, das die Öffnungen nahe der Spinndüsenkante passiert. Je höher die Temperatur des Polymerisates ist, desto niedriger ist die Viskosität, und je niedriger die Viskosität ist, um so schneller passiert unter einem gegebenen Druck das Polymere eine Öffnung der Spinndüse. Demzufolge variiert die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Polymeren durch die Spinndüsenöffnungen auf Grund der unterschiedlichen Temperatur quer zur Oberfläche der Spinndüse, und dies führt zur Ungleich­ mäßigkeit im Filament (Titer). Obwohl Versuche gemacht worden sind, das Temperaturdifferential über die Oberfläche der Spinndüse herabzusetzen und damit die Gleichmäßigkeit der Filamente zu verbessern, ist die Ungleichmäßigkeit noch immer ein Problem. Die genannte US-Patentschrift läuft im wesentlichen darauf hinaus, eine verbesserte Brückenplatte zu vewenden, in der die Spinnöffnungen so ausgerichtet sind, daß der Druck über jeder Spinndüsenöffnung angeglichen wird. Hierdurch wird die Ungleichmäßigkeit der Temperatur kompensiert.

Die US-PS 27 66 479 ist insofern von Interesse, als Fig. 3 eine Düsenplatte beschreibt, die Spinnöffnungen unterschiedlicher Größen aufweist. Diese Druckschrift betrifft das Extrudieren von porösen Kunststoffen auf faserförmige Leiter. Es wird ausgeführt, daß zum Verhindern von vorzeitiger Gasexpansion innerhalb des Extruders es wichtig sei, die Temperaturen im Extruder und der Düse genau einzuregulieren und die Extrusionsrate und die lineare Geschwindigkeit des leitenden Kerns in geeigneter Weise anzupassen. Dies kann erreicht werden durch Erzeugung eines Gegendruckes innerhalb des Extruders, um die vorzeitige Expansion des Gases im Extruder zu verhindern. Die in Fig. 3 dieser Patent­ schrift dargestellte Platte stellt lediglich eine Platte dar, die einen Gegendruck gegen die Extruderschnecke her­ vorruft und ist oberhalb der Austrittsdüse angeordnet.

Auch die US-PS 36 28 930 beschreibt ein Staublech oderhalb der Spinndüse für Glasfäden, anscheinend um den Druck der Schmelze oberhalb der Spinndüsenöffnungen, die von gleicher Größe sein dürften, zu regulieren.

Die US-PS 20 30 972 beschreibt in Fig. 2 eine Spinndüse, die den Eindruck erweckt, als habe sie größere Öffnungen 16 im äußeren Ring gegenüber den Öffnungen 17 im inneren Ring. Die Beschreibung dieses Patentes bestätigt dies jedoch nicht, denn es ist in Spalte 2 der Seite 2 in den Zeilen 5 bis 6 angegeben, daß die Größe der Spinnöffnungen sehr übertrieben dargestellt ist.

Die US-PS 34 57 342 beschreibt eine Platte oberhalb einer Spinndüse für Zweikomponenten-Filamente, in der die Öffnungen 15 kleiner sind als die Öffnungen 14, wie insbesondere aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht. Die Spinnöffnungen 3 dagegen haben alle die gleichen Abmessungen.

Die US-PS 33 75 548 beschreibt in Fig. 1 einen Spinnblock zur Herstellung von Zweikomponentenfilamenten, bei dem die Spinnöffnungen 14 mit einem Polymeren aus zwei anderen, darüber angeordneten Öffnungen 21 und 22 beschickt werden, die unterschiedlich in ihrer Größe zu sein scheinen. Dies gibt aber keine Anregung, die Spinnöffnungen 14 selbst unterschiedlich groß zu machen.

Es gibt noch Patente, die sich mit Filamentprodukten beschäftigen, die gemischte Filamenttiter aufweisen. Beispielsweise beschreibt die US-PS 39 65 664 ein Spinngarn, das aus einer Mischung von Stapelfasern her­ gestellt wird, in denen das Gemisch aus Stapelfasern von mindestens drei unterschiedlichen Titern gebildet wird. Die Druckschrift gibt weiterhin die allgemeine Lehre, daß die synthetischen Kunststoffasern beispielsweise so hergestellt werden können, daß sie aus Spinnöffnungen unterschiedlicher Größe oder unterschiedlichen Querschnitts gesponnen werden (s. Spalte 3, Zeilen 17 bis 19). Es findet sich jedoch hierfür keine besondere Erläuterung. Darüber hinaus ist auch kein Hinweis hinsichtlich der Bedeutung der Anordnung von größeren Spinnöffnungen gegenüber kleineren Spinnöffnungen gegeben.

Im Gegensatz zu den zuvor abgehandelten Druckschriften des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, durch Schmelzspinnen polymere Filamente, insbesondere solche aus Polyestern verfügbar zu machen, in denen insbesondere die Doppel­ brechungsvariabilität herabgesetzt ist unter gleichzeitiger Sicherstellung einer hohen Produktionsgeschwindigkeit.

Die überraschende Lösung dieser Aufgabe wurde darin gefunden, daß Spinndüsen mit sogenannten "graduierten" Abmessungen der Spinndüsenöffnungen (GAS) tatsächlich bei der Herstellung von schmelzgesponnenen Filamenten aus­ gezeichnet brauchbar sind, um bei guter Gleichmäßigkeit der Doppelbrechung gleichzeitig hohe Spinngeschwindigkeiten des Polymeren zu gewährleisten.

Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Schmelzspinnen polymerer Filamente durch Pressen geschmolzener Polymerer durch mindestens zwei Gruppen von Spinnöffnungen in einer einzigen Spinndüse, wobei jede Gruppe von Spinnöffnungen in mindestens einer Reihe angeordnet ist und Abschreckdampf oder -gas nacheinander zunächst quer durch die erste Filamentgruppe und dann quer durch die zweite Filamentgruppe geführt wird und anschließend teilweise orientierte Filamente aufgefangen werden, ist dadurch gekennzeichnet, daß mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit m₂ der Polymermasse, die geringer ist als die mittlere Strömungs­ geschwindigkeit m₁ der Polymermasse durch die erste Gruppe von Spinnöffnungen, durch die zweite Gruppe von Spinnöffnungen gesponnen wird, wobei geringe Differenz im Orientierungsgrad zwischen der ersten und der zweiten Gruppe der schmelzgesponnenen Filamente besteht.

Dieses Verfahren wird anhand der Zeichnungen näher erläutert, von denen

Fig. 1 eine Frontansicht einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Schmelzspinnen von Polyesterfilamenten gemäß dem Stande der Technik mit verringerter Doppel­ brechungsvariabilität darstellt gemäß der US-PS 43 32 764.

Fig. 2A bzw. Fig. 2B sind Frontansichten im Querschnitt bzw. eine Draufsicht auf eine Schmelzspinnvorrichtung, wie sie in der älteren US-Anmeldung USSN 06/2 81 739 vom 9. Juli 1981 dargestellt ist. Die

Fig. 3 und 4 zeigen graphische Darstellungen des Standes der Technik und schildern, wie die Eigenschaften eines einzelnen schmelzgesponnenen Polyesterfilaments, nämlich der Titer pro Filament und die Filament- Doppelbrechung, von den Parameterwerten des Schmelzspinnverfahrens abhängen.

Fig. 5 ist ein theoretisches Diagramm, das zeigt, wie unter bestimmten Annahmen die Variabilität der Doppelbrechung eines Garns aus Filamenten, schmelzgesponnen aus einer neunreihigen Spinndüse gemäß der Erfindung, skizziert in Tabelle 1, niedriger ist als diejenige bei Verwendung einer Spinndüse des Standes der Technik.

Fig. 6A ist eine Draufsicht auf eine Spinndüse des Standes der Technik.

Fig. 6B zeigt im Schnitt die gleiche Düse des Standes der Technik längs der Linie 6B-6B.

Fig. 6C ist eine Vergrößerung der Zone Z von Fig. 6A, wobei alle Spinndüsenöffnungen den gleichen Durchmesser haben.

Fig. 6D ist eine vergrößerte Frontansicht im Schnitt durch eine einzelne Spinndüsenöffnung der Länge L und dem Durchmesser D.

Fig. 7A ist eine graphische Darstellung, die die Werte der Doppelbrechungsvariabilität und des Filamentiters im Vergleich der Erfindung mit dem Stande der Technik wiedergibt.

Fig. 7B zeigt in entsprechender Gestaltung die Werte der Variabilität der Dehnung und des Filamenttiters.

Fig. 8A zeigt in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der Doppelbrechungsvariabilität der Filamente von der Strömungsgeschwindigkeit beim Abschrecken sowohl für die Erfindung als auch den Stand der Technik, während

Fig. 8B die entsprechende Abhängigkeit der Dehnungs­ variabilität der Filamente von dieser Strömungsgeschwindigkeit beim Abschrecken wiederum für die Erfindung und den Stand der Technik wiedergibt.

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden am besten verstanden, wenn zusätzlich zu den Beispielen diskutiert wird, wie die Erfindung zustande kam, und wenn Vergleichsbeispiele gebracht werden.

Die Erfindung entstand aus dem Versuch, 1. das Schmelzspinnen von Polyethylenterephthalat durch eine große Zahl von dicht nebeneinander angeordneten Spinndüsenöffnungen, einer typischen Voraussetzung für Verfahren hoher Produktivität, besser zu verstehen und 2. die hierbei gefundenen Gesetzmäßigkeiten zu verwenden, um die Qualität und/oder auch die Produktivität dieser Verfahren zu verbessern, unter Einschluß der Verfahren des Typs, der halb schematisch in der Fig. 1 dargestellt ist.

Beispielsweise wurde ein Versuch unternommen, um zu verstehen, warum die typische Doppelbrechungsvariabilität eines Garnes, das mit einer Spinndüse mit 2250 Spinnöffnungen, angeordnet in neunkreisförmigen Reihen, bedeutend höher war als die entsprechende Doppelbrechungsvariabilität eines Garnes, das mit einer Spinndüse schmelzgesponnen worden war, die 1904 Spinnöffnungen in sieben kreisförmigen Reihen aufwies. Die Messung der Temperatur der Abschreckluft während des Schmelzspinnens mittels eines Thermo­ elementes zeigte, daß die Temperatur der Luft bedeutend anstieg, wenn sie durch die Filamente hindurchging. Beispielsweise stieg bei der neunreihigen Spinndüse die Lufttemperatur in der Nähe der Spinndüse typischerweise von 32°C auf 120°C beim Hindurchgehen durch einen Abstand von weniger als 25,4 mm, wenn die Luft radial nach außen zwischen den Filamenten hindurchging. Eine Computerberechnung der innen- und außenliegenden Filamentreihen wurde unter Verwendung des Modells durch­ geführt, das von dem oben genannten Dr. George entwickelt worden war. Diese Analyse zeigte, daß Änderungen der Luftabschrecktemperatur und -geschwindigkeit zu einer beträchtlichen Änderung der Doppelbrechung schräg durch das Bündel hindurch führen könnte. Gleichzeitig sagte jedoch das Computermodell (stationärer Zustand) eine theoretische Doppelbrechungsvariabilität voraus, die tatsächlich bedeutend niedriger als die beobachtete Doppel­ brechungsvariabilität war, die wechselnde und stationäre Bedingungen widerspiegelt. Gemäß dem Computermodell (sog. Spin 1 Modell) würde die mittlere Doppelbrechung variieren von 5,79×10^-3 für die Innenreihen der Filamente bis 4,77×10^-3 für die Außenreihe der Filamente in einem speziellen Schmelzspinnverfahren, das die Extrusion von 72 kg Polymer/h durch eine Spinndüse mit 2250 Spinnöffnungen und das Auffangen des Garnes mit 915 m/min umfaßte. Die Frage wurde dann gestellt, ob diese Doppelbrechungsschräge korrigiert oder kompensiert werden könnte durch Einführung eines aus­ gleichenden Doppelbrechungseffektes an der Spinndüse. Es wurde entschieden, daß theoretisch ein solcher Schrägausgleich erhalten werden könnte entweder durch Veränderung der Spinndüsen(Polymer)temperatur von innen nach außen oder der Dimensionen der Spinnöffnungen von innen nach außen.

Als erstes wurde festgestellt, daß das in Fig. 1 dargestellte Durchgangsabschreckmuster die Möglichkeit bot, im Inneren eine Heizung zu installieren und einen nach außen gerichteten Temperaturgradienten zu schaffen. Die Computerberechnung unter Verwendung des Spin-1-Programms empfahl, daß es zumindest theoretisch sinnvoll wäre, zu versuchen, die Temperatur des Polymeren, schmelz­ gesponnen durch den inneren Ring von Spinnöffnungen, um 9°C gegenüber der Temperatur des Polymeren zu erhöhen, das durch den äußersten Ring der Spinnöffnungen schmelzgesponnen wird. In der Praxis wurde dann jedoch richtig geschätzt, daß der Aufheizeffekt möglicherweise nicht weit genug in das strömende Polymere hineinwirken würde, um mehr als ein oder zwei Filamentreihen im Innern zu beeinflussen. Darüber hinaus würde es schwierig sein, das Temperaturprofil von Position zu Position und zeitlich für irgendeine vorgegebene Position einzuregulieren. In Wirklichkeit würde, um das erwünschte Temperaturprofil zu erzielen, es notwendig sein, das gesamte Polymerausflußsystem neu zu entwerfen und eine Anzahl getrennt regelbarer Heizeinheiten einzuplanen.

Die Aufmerksamkeit wurde deshalb dem an zweiter Stelle vorgeschlagenen möglichen Vorschlag der Veränderung der Dimensionen der Spinndüsenöffnungen quer über die Spinndüse zugewandt, ungeachtet der einer solchen Technik innewohnenden Unflexibilität. Es wurde beschlossen, daß der einfachste Weg zur Durchführung eines Versuches sein würde, einige Spinnöffnungen einer vorhandenen Spinndüse mit 2250 Spinnkapillaren einer Länge von 0,30 mm und einem Durchmesser von 0,23 mm auszuweiten. Eine solche Ausweitung des Durchmessers brächte unver­ meidlich auch eine gewisse Zunahme der Kapillarlänge mit sich in Anbetracht der vorhandenen Gegenbohrung (s. Fig. 6D). Dies wäre jedoch ein Sekundäreffekt. Der erste Schritt bestand darin darin, den Einzeltiter des gesponnenen Filaments als Funktion der Dimensionen der Spinnöffnungen zu bestimmen. Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der berechneten Einzeltiter von gesponnenen Filamenten für kreisförmige Kapillarspinnöffnungen unter­ schiedlichen Durchmessers (D in mm) und unterschiedlicher Längen (L in mm) für Polyethylenterephthalat mit einer Strukturviskosität von 0,62 dl/g, schmelzgesponnen bei einer Temperatur von 295°C und einem Druckabfall von 26,6 bar quer über die Spinnöffnungskapillare, abgeschreckt mit Luft, die außen rundum strömte und bei einer Temperatur von 32°C und einer Rate von 10 m³/min zugeführt wurde, und aufgewickelt mit einer Geschwindigkeit von 915 m/min. Aus den zuvor genannten Werten des Titers pro Filament und dem Spin-1-Programm wurden die entsprechenden Doppelbrechungswerte berechnet, wie in Fig. 4 dargestellt. Aus Fig. 4 wurde geschlossen, daß der Durchmesser der Spinnöffnungen der inneren Reihe ausgeweitet werden sollte auf 0,25 mm, um die Doppelbrechung von 5,79 auf 4,77 zu reduzieren. Es ist festzuhalten, daß der vorgesehene Titer pro Filament gleichzeitig von 5,6 auf 8,8 ansteigt. Zu diesem Zeitpunkt war nicht bekannt, was mit den zwischen den innersten und den äußersten Reihen befindlichen Zwischenreihen geschehen soll, da es nicht bekannt war, wie die Veränderung des Abschreckens das Doppelbrechungsprofil beeinflußt. Demzufolge wurde als eine erste Annäherung angenommen, daß die Doppelbrechung linear zwischen der innersten Reihe (Reihe 1) und der äußersten Reihe (Reihe 9) variiert, wie in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1

Durchschnittswerte von Doppelbrechung und Durchmesser der Spinnöffnungen

Aus Fig. 4 wurde dann die "ideale Größe der Spinnöffnung" für jede der Zwischenreihen 2 bis 8 bestimmt, die die Doppelbrechung der Filamente für jede Reihe auf 4,77×10^-3 reduzieren würde. Es wurde weiterhin berücksichtigt, daß es nicht möglich ist, unterschiedliche Durchmesser für die Spinnöffnungen einer jeden Reihe von Spinnöffnungen zu gewährleisten, und zwar im Hinblick auf die praktischen Fehlergrenzen. Demzufolge schließt die obige Tabelle 1 auch das Profil der "praktischen Größe der Spinn­ öffnungen" ein, das aus drei unterschiedlichen Größen von Spinnöffnungen quer über die Spinndüse besteht. Außerdem ist in der Tabelle das theoretisch berichtigte Doppel­ brechungsprofil dargestellt unter Einsatz der praktischen Größenverteilung der Spinndüsenöffnungen. Sowohl das unkorrigierte als auch das korrigierte Doppelbrechungsprofil ist in Fig. 5 dargestellt. Theoretisch könnte demzufolge die Doppelbrechung CV von 6,4% auf 3,2% reduziert sein (ohne Berücksichtigung kurzer zeitlicher Variabilität längs des Fadenlaufes in Abhängigkeit von den wechselnden Bedingungen).

Anschließend wurde eine Spinndüse mit 2250 Spinnöffnungen gemäß dem Profil der "praktischen Größe der Spinndüsenöffnungen" modifiziert, wie in der obigen Tabelle 1 gezeigt. Ein erster Versuch wurde dann mit einer Spinndüse durchgeführt mit einer graduierten Abmessung der Spinnöffnungen (GAS), bei der die inneren drei Reihen von Spinnöffnungen einen erweiterten Durchmesser von 0,25 mm und die drei mittleren Reihen von 0,24 mm aufwiesen, während die drei äußeren Reihen bei einem Durchmesser von 0,23 mm verblieben. Beim Einsatz dieser Spinndüse wurde ein Spinngarn mit sehr guter Gleichmäßigkeit bezüglich Doppelbrechung und Dehnung erhalten. Im allgemeinen besteht eine annehmbare Beziehung zwischen Doppelbrechungsvariabilität und Dehnungsvariabilität. Im allgemeinen lagen die Werte CV der Doppelbrechung in einem Bereich von 4 bis 5% für ein Garn, das mit 915 m/min aufgefangen wurde. Wie erwartet, führen die unterschiedlichen Größen der Spinnöffnungen zu einer höheren Variabilität des Titers pro Filament.

In einem zweiten Versuch wurde die GAS-Spinndüse verglichen mit einer Standardspinndüse mit 2250 Spinnöffnungen. Heißes Wetter und unangemessene Kühlung durch Abschreckluft führten zu einer Variabilität des gesponnenen Garnes, die höher lag als erwartet. Gleichwohl produzierte die GAS-Spinndüse ein Spinngarn mit niedrigerer Doppelbrechung CV und niedrigerer Dehnung CV als die Standardspinndüse unter vergleichbaren Bedingungen. Es wurde dann ein verbessertes Kühlsystem für die Abschreckluft eingebaut, um eine annehmbare Kontrolle der Einlaßtemperatur sicherzustellen. Im Hinblick auf die Probleme, die mit der Temperaturkontrolle der Abschreckluft verbunden waren, war es nicht klar, ob das GAS-gesponnene Garn die gleichen Doppelbrechungswerte aufweist wie das mit einer Standardspinndüse schmelzgesponnene Garn. Es war jedoch wichtig, dies zu bestimmen, weil es einen tiefreichenden Effekt in bezug auf die Erleichterung haben würde, mit der diese Technik in die bereits existierenden Produktionsstätten eingeführt werden könnte. Es ist klar, daß das GAS-Produkt nur dann das Standardprodukt voll wird ersetzen können, wenn seine Doppelbrechung die gleiche ist wie die des Standardproduktes.

Während des Ablaufs der vorgenannten Versuche wurden Experimente durchgeführt, um die Doppelbrechungsvariabilität eines Garns zu bestimmen, das in einem weiten Bereich von Verfahrensbedingungen schmelzgesponnen wurde. Insbesondere wurde der Einfluß der folgenden Variablen bestimmt: Auffanggeschwindigkeit des Garnes über den Bereich von 915 m/min bis 2134 m/min, Strömungsrate der Abschreckluft über den Bereich von 5 bis 10 m³/min, dichteste Lage der Quelle der Abschreckeinheit gegenüber der Spinndüse (Abschreckabstand) über den Bereich von 25,4 bis 76,2 mm sowie verschiedene Methoden zum Aufbringen der Spinnappretur auf die schmelzgesponnenen Filamente. Das einzige Problem, das bei der GAS-Spinndüse auftrat, war das, daß sie die zuvor vorhandene Doppelbrechungsschräge bei Geschwindigkeiten um 2134 m/min überkompensierte. Dementsprechend schien die in den Versuchen verwendete spezielle Spinndüse nur für die Geschwindigkeiten von 457 bis 1524 m/min geeignet. Als Ergebnis der bereits durchgeführten Arbeiten kann jedoch davon ausgegangen werden, daß keine Probleme auftreten, wenn die Spinndüse so ausgelegt würde, daß sie auch über den Geschwin­ digkeitsbereich von 1524 bis 3048 m/min effektiv wäre.

Bei Geschwindigkeiten über 3048 m/min jedoch, wenn das schmelzgesponnene Garn dazu neigt, zusätzlich zu seiner teilweisen Orientierung auch noch kristallin zu werden, sind etwas unterschiedliche Computermodelle erforderlich im Hinblick auf die Bildung von Kristalliten. Es wird jedoch davon ausgegangen, daß GAS-Spinndüsen auch unter diesen Bedingungen eingesetzt werden können.

Nachstehend sind die Vergleichsbeispiele und die Beispiele gemäß der Erfindung beschrieben.

Beispiele 1 bis 31 und Vergleichsbeispiele C13 bis C31

In allen Beispielen 1 bis 31 und in allen entsprechenden Vergleichsbeispielen C13 bis C31 wurden die folgenden Verfahrensbedingungen angewandt. Schmelzgesponnene Polyesterfilamente wurden hergestellt im wesentlichen gemäß dem in Fig. 1 halbschematisch dargestellten Verfahren, wobei diese Fig. 1 der der US-PS 43 32 764 entspricht. Bei den Verfahren wurde eine runde Schmelzspinvorrichtung verwendet, die im Prinzip der entsprach, die in den Fig. 2A und Fig. 2B dargestellt ist und den Fig. 1 bzw. Fig. 2 der US-PS 33 07 216 entspricht.

Das Polymere wurde durch Spinndüsen entsprechend den Fig. 6A bis 6C extrudiert. Jede Spinndüse hatte 2250 Spinnöffnungen, die in neun kreisförmigen, konzentrischen Reihen angeordnet waren. Der mittlere Abstand zwischen den Spinnöffnungen betrug 1,9 mm.

Der einzige gewollte Unterschied zwischen den Verfahrens­ bedingungen des Beispieles 25 und denen des entsprechenden Vergleichsbeispieles C25 betrifft die Spinnöffnungsabmessungen, die in Fig. 6D dargestellt sind. Zu beachten ist jedoch die Spanne des Titers pro Filament in den Beispielen 13 bis 16. Insbesondere hatten in allen Vergleichsbeispielen alle Spinnöffnungen Kapillardurchmesser ("D" von Fig. 6D) von 0,23±0,0025 mm. Im Gegensatz hierzu hatten in allen Beispielen 1 bis 31 die innersten drei Reihen der Spinnöffnungen solche Öffnungen, die auf einen Kapillardurchmesser D von 0,25±0,0025 mm erweitert waren. Als Folge hiervon war wegen der bereits vorhandenen Gegenbohrung von 60° unmittelbar oberhalb der Kapillare die Kapillarlänge L ebenfalls um etwa 0,013× mm auf 0,33±0,025 mm gesteigert. Ebenso hatten die mittleren drei Reihen der Spinnöffnungen der Beispiele 1 bis 31 Spinnöffnungen, die auf einen Kapillar­ durchmesser D von 0,24±0,0025 mm ausgeweitet waren, während die Kapillarlänge L 0,30±0,025 mm betrug.

Die nachstehenden Tabellen 2A, 2B und 2C umfassen die Verfahrensbedingungen, die beim Schmelzspinnen eines Polyethylenterephthalats mit einer Strukturviskosität von etwa 0,62 dl/g zur Anwendung kamen. Die Abschreckstange (Position 30 in Fig. 1) hatte eine tatsächliche Länge von 305 mm. Das Strömungsprofil der Luft, die horizontal und radial aus der Abschreckstange austrat, war nahezu eben im Bereich der oberen 152,5 mm und nahm nahezu linear um 2/3 ab zwischen dem Mittelpunkt und dem Ende der Stange. Es ist auch festzuhalten, daß in den Beispielen 10 bis 12 die Ablenkrolle 17 in Fig. 1 durch das Garn 15 frei drehbar war, während in den Beispielen 1 bis 9 und 13 bis 31 die Ablenkrolle 17 fixiert war.

Die Tabellen 2A, 2B und 2C offenbaren auch die Eigenschaften des durch Schmelzspinnen erhaltenen Polyethylenterephthalatgarnes. Einige Daten der Produkteigenschaften der Tabellen 2B und 2C sind in graphischer Form in einigen der Figuren eingezeichnet. Insbesondere betreffen die Fig. 7A und 7B die Beispiele 13 bis 16 und die Ver­ gleichsbeispiele C13 bis C16, während die Fig. 8A und 8B die Beispiele 17 bis 20 und die Vergleichsbeispiele C17 bis C20 betreffen.

Damit ist klar herausgestellt, daß die Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung bei der Herstellung eines Garns aus schmelzgesponnenen Filamenten zu Ergebnissen führt, bei denen im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen sowohl die Variabilität der Dehnung als auch die der Doppelbrechung erheblich herabgesetzt ist, während die Titervariabilität erheblich erhöht wird.

Selbstverständlich ist die Erfindung, die im Rahmen der Beispiele lediglich erläutert wurde mit dem Schmelzspinnen von Polyethylenterephthalat unter Einsatz einer speziellen Spinndüse und eines einzigen Abschrecksystems, auch anwendbar auf andere schmelzspinnbare Polymere, wie Polyamide und Polyolefine, unter Einsatz anderer Formen der Spinnöffnungen, wie beispielsweise nichtrunde Spinnöffnungen sowie anderer Anordnungen der Spinnöffnungen, wie beispielsweise Linearreihen von Spinnöffnungen. Bei der praktischen Anwendung der Erfindung für derartige andere Systeme ist es am besten, die oben beschriebenen und mit Erfolg für das Schmelzspinnen von Polyesterpolymeren durch kreisförmige Spinnöffnungen durchgeführten Verfahren in entsprechender Weise anzuwenden.

Tabelle 2A

Spinnbedingungen und Fasereigenschaften (Versuch 1)

Tabelle 2B

Spinnbedingungen und Fasereigenschaften (Versuch 2)

Tabelle 2C

Spinnbedingungen und Fasereigenschaften (Versuch 3)

Claims (8)

1. Verfahren zum Schmelzspinnen polymerer Filamente durch Pressen geschmolzener Polymerer durch mindestens zwei Gruppen von Spinnöffnungen in einer einzigen Spinndüse, wobei jede Gruppe von Spinnöffnungen in mindestens einer Reihe angeordnet ist und Abschreckdampf oder -gas nacheinander zunächst quer durch die erste Filamentgruppe und dann quer durch die zweite Filamentgruppe geführt wird und anschließend teilweise orientierte Filamente aufgefangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit m₂ der Polymermasse, die geringer ist als die mittlere Strömungsgeschwindigkeit m₁ der Polymermasse durch die erste Gruppe von Spinnöffnungen, durch die zweite Gruppe von Spinnöffnungen gesponnen wird, wobei geringe Differenz im Orientierungsgrad zwischen der ersten und der zweiten Gruppe der schmelzgesponnenen Filamente besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Polyethylenterephthalat mit einer Strukturviskosität im Bereich von 0,4 bis 1,0 dl/g gesponnen wird, die Filamente abgeschreckt und anschließend die teilweise orientierten Filamente mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 457 bis 3658 m/min aufgefangen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung einer einzigen Spinndüse mit einer Gesamtspinn­ geschwindigkeit von mindestens 22,68 kg/h gesponnen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken der gesponnenen Filamente im Radialausfluß erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken der Filamente mit einer Luftmenge von 0,043 bis 0,071 m³/min pro 0,4536 kg/h erfolgt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5 mit einer Quelle für das Abschreckfluid und einer Spinndüse, deren Spinnöffnungen in einer Vielzahl von Reihen im wesentlichen senkrecht zu dieser Quelle angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser d₁ der der Quelle für das Abschreckfluid nächstliegenden Reihe der Spinnöffnungen größer ist als der Durchmesser d₂ der der Quelle für das Abschreckfluid fernstliegenden Reihe der Spinnöffnungen, und zwar so, daß d₁/d₂ im Bereich von 1,03 bis 1,2 liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch mindestens fünf Reihen von Spinnöffnungen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abstand zwischen benachbarten Spinnöffnungen weniger als 2,54 mm beträgt.