DE3540181A1

DE3540181A1 - Verfahren zur herstellung von polyaethylen-faeden und vorrichtung zur ausfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3540181A1
Application number: DE19853540181
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dr.-Ing. 5630 Remscheid Hensen; Klaus Dr.-Ing. 5600 Wuppertal Schäfer
Original assignee: Barmag Barmer Maschinenfabrik AG
Current assignee: Oerlikon Barmag AG
Priority date: 1984-12-01
Filing date: 1985-11-13
Publication date: 1986-07-10
Also published as: DE3540181C2

Description

Verfahren zur Herstellung von Polyäthylen-Fäden
und Uorrichtung zur Ausführung des Uerfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polyäthylen-, insbesondere HDPE-Fäden, mit hoher Festigkeit und/oder hohem E-Modul durch Schmelzspinnen und kontinuierlich daran anschließndes Verstrecken der Fäden sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens und die Fäden, die nach dem Verfahren hergestellt werden bzw.
Folgeprodukte und Anwendungen der Fäden.
Bei dem erfindungsgemäßen kontinuierlichen Verfahren kann durch langsames Spinnen der PE-Fäden in ein temperiertes Wasserbad von weniger als 600 C, anschließendes Verstrecken in einem zweiten Wasserbad mit einer Temperatur von 600 bis 0 100 C über mindestens drei eingetauchte Umlenkstäbe eine mindestens zweistufige Verstreckung und damit eine Gesamtverstreckung der Fäden von 13:1 bis 20:1 erreicht werden, wodurch die Festigkeit der Fäden auf über 7cN/dtex und der Modul auf 40 bis 50 GPa gesteigert werden kann. Diese hochfesten Fäden können dann beispielsweise als Verstärkungsfasern in Polymerbeton eingesetzt werden oder als Asbestersatz dienen.
Bekannt sind bisher Zweistufenverfahren zur Herstellung von Polyäthylen-Fäden aus Schmelzen. Bei diesen Verfahren wird konventionell gesponnen (bis ca. 1 000 m/min) und aufgewickelt. Daran schließt sich ein Verstreckprozeß an, um die mechanischen Eigenschaften der Fäden zu verbessern.
Das Einbringen des Fadens in den Verstreckvorgang erfolgt jedoch üblicherweise bei einer Geschwindigkeit, die wesentlich niedriger ist als die des Spinnprozesses. Sie liegt bei bis zu 120 m/min.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Inline-Herstellung von Polyäthylen-, insbesondere HDPE-Fäden, mit großer Festigkeit und/oder hohem E-Modul anzugeben. Ferner soll eine Vorrichtung zur Ausführung eines solchen Verfahrens geschaffen werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Herstellung von Fäden mit Festigkeiten von mehr als 7 cN/dtex und einem sonischen E-Modul von 40 bis 50 GPa die Fäden langsam in ein Wasserbad von weniger als 600 C, ins-0 besondere von 20 bis 40 C gesponnen und darin abgekühlt werden. Dem Wasserbad wird ein Entspannungsmittel zugegeben, damit sie nicht miteinanderverkleben. Es hat sich herausgestellt, daß die Fäden durch die Abschreckung im Wasserbad eine sehr stark amorphe Struktur erhalten. Eine Kristallisation kann weitgehend unterbunden werden. Die Molekülketten liegen in einer ungeordneten Struktur vor.
Dies hat sich für die anschließende Verstreckung der Fäden als vorteilhaft herausgestellt.
Die Fäden werden anschließend durch ein zweites Wasserbad mit einer Temperatur von 600 C bis 1000 C geführt und daraus mit einer 13- bis 20fach größeren Geschwindigkeit abgezogen. Die Fäden laufen in dem zweiten Wasserbad mindestens über 3 darin eingetauchte Umlenkstäbe mit teilweiser Umschlingung, wobei die Umschlingung so eingestellt wird, daß mindestens eine zweistufige Verstreckung stattfindet und die Längung in jeder Verstreckstufe geringer als 8:1 ist.
Zur Erreichung der gewünschten Festigkeiten und Modulwerte sollte das Wasserbad eine Temperatur von 600 C bis 1000 C besitzen. Höhere Verstreckungen und damit höhere Werte hinsichtlich Festigkeit und Elastizitätsmodul lassen sich erreichen, wenn die Umlenkstäbe zu Beginn des Wasserbades, am Fadeneinlauf, angeordnet sind.
Die HDPE-Fäden werden aus dem heheizten Wasserbad mit einer 13- bis 20-fach erhöhten Geschwindigkeit abgezogen.
Beim Austritt aus dem Wasserbad werden sie mit einer Schlichte aviviert. Die Galetten der Abzugsvorrichtung 0 haben eine Temperatur von 100 bis 120 C. Dadurch kann der Schrumpf eingestellt und die Filamente getrocknet werden. Vor dem Aufspulen oder ggf. Schneiden der Filamentfäden zu Spinnfasern werden diese über gekühlte Galetten auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der das zuvor beschriebene Verfahren ausgeführt werden kann, ist im Kennzeichenteil des Anspruchs 9 angegeben. Danach weist die erfindungsgemäße Anlage eine Verstreckeinrichtung auf, bei der zwischen zwei Walzenanordnungen ein beheizbares Wasserbad angeordnet ist, in dem senkrecht zur Fadenlaufrichtung untere und obere Umlenkstäbe vorliegen, die höhenverstellbar sind. Gegenüberliegende Umlenkstäbe sitzen dabei in einer solchen Weise auf Lücke, daß durch eine Relativbewegung der oberen Umlenkstäbe zu den unteren Umlenkstäben, insbesondere auf die Lücken zu oder aus diesen heraus, die Umschlingung an den Umlenkstäben stark verändert wird. Vorzugsweise sind die Umlenkstäbe nicht drehbar an Gestellen gelagert, und die Abstände können gruppenweise eingestellt werden.
Der entstehende Polyäthylenfaden hat einen Filamenttiter zwischen 2 und 50 dtex und eine Festigkeit von 7 cN/dtex bis 12 cN/dtex und/oder einen hohen E-Modul. Der sogenannte sonische E-Modul des erfindungsgemäß hergestellten Fadens liegt zwischen 40 und 50 GPa.
Die erfindungsgemäß hergestellten Polyäthylenfäden, insbesondere HDPE-Fäden, sind für eine große Reihe von neuen Anwendungen geeignet. Man kann sie vor allem als Verstärkungsmaterial einsetzen, wenn ein geringes Gewicht in Verbindung mit hoher Festigkeit und hohem E-Modul verlangt wird. So sind die Fäden auch als Ersatz für Asbestfasern von großer Bedeutung, insbesondere zur Herstellung von Baumaterialien wie z. B. Platten oder Polymerbeton.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, die schematisch eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens wiedergibt: Die HDPE-Schmelze wird vom Extruder 1 und einer Spinnpumpe durch eine Spinndüse 2 gepreßt. Die austretenden HDPE-Fäden werden senkrecht nach unten in ein Wasserbad 3 mit einer Temperatur von etwa 20 bis 400 C geleitet. Die Aggregate 4 und 5 dienen der Prozeßüberwachung und -einstellung.
Die abgekühlten Fäden werden über die Abzugsvorrichtung 6 0 0 und eine Umlenkrolle 13 in das auf 60 C bis ei100 C beheizte Wasserbad 8 geleitet. Die Abzugsvorrichtung besteht aus mehreren mit derselben Umfangsgeschwindigkeit angetriebenen, nicht beheizten Walzen, durch die die Filamente mit einer Abzugsgeschwindigkeit von 5 bis 30 m/min von der Spinndüse 2 abgezogen werden. Am Fadeneinlauf in das Wasserbad 8 werden sie über die Umlenkrolle 13 um ins Wasser getauchte Umlenkstäbe 7 mit teilweiser Umschlingung geführt. Die Figur 2 zeigt die Umlenkstäbe (7.1 bis 7.5), die von oben und unten umschlungen werden, wobei die gewählte Umschlingung und die gewählte Zahl der Umlenkstäbe so eingestellt wird, daß z. S.
eine fünfstufige Verstreckung stattfindet. Durch Kippen des Gestells (7.6) kann die Eintauchtiefe der Umlenkstäbe (7.3, 7.4 und 7.5) unterschiedlich eingestellt werden.
Dadurch läßt sich das in den einzelnen Verstreckstufen stattfindende Verstreckverhältnis variieren. Das obere Gestell 7.6 ist in Pfeilrichtung beweglich und höhenver- stellbar und in ausgewählten Positionen feststellbar.
Das untere Gestell 7.7 ist fest. Die Fäden werden durch eine auf 1100 bis 1200 C beheizte Abzugsvorrichtung 9, bestehend aus sieben mit in Fadenlaufrichtung abnehmender Geschwindigkeit angetriebenen Walzen über eine Umlenkrolle 14 aus dem Wasserbad abgezogen. Die Ahzugsgeschwindigkeit beträgt 100 bis 300 m/min. Anstelle der Aufwicklung 10 können die Fäden mit einer Faserschneidmaschine 11 zerschnitten und mit einer Ballenpresse 12 zu Ballen gepreßt werden (Fig. 3).
Der in der vorliegenden Beschreibung verwandte sonische E-Modul ist wie folgt definiert.
Der sonische Modul (E ) wird berechnet aus der Schallson geschwindigkeit einer Welle (Dehnungs-Kampressionswelle) hoher Frequenz (15 KHz) und kleiner Amplitude: Eson (Pa) = 1 c2 (Pa = Pascall), 9,81 9 : Dichte (kg/m3) c : Schallgeschwindigkeit (m sec ) Der sonische Modul hat eine materialabhängige Beziehung zu dem aus der Kraft-Dehnungskurve bestimmten Initialmodul: E /E. = son Init = H, Er ist ein guter Maßstab für die Molekularorientierung.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von Polyäthylen (PE)-, insbesondere Niederdruckpolyäthylen (HDPE)-Fäden, mit hoher Festigkeit und/oder hohem E-Modul durch Schmelzspinnen und kontinuierlich daran anschließendes Verstrecken der Fäden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Fäden mit Festigkeiten von mehr als 7 cN/dtex und einem hohen E-Modul, insbesondere sonischen E-Moduli von 40 bis 50 GPa die Fäden in ein erstes Wasserbad von weniger als 600 C gesponnen und darin abgekühlt werden, daß die Fäden anschließend durch ein zweites Wasserbad mit einer Temperatur von 60 bis 1000 C geführt und daraus mit einer 13- bis 20fach größeren Geschwindigkeit abgezogen werden, daß die Fäden in dem zweiten Wasser bad über mindestens drei darin eingetauchte Umlenkstäbe mit teilweiser Umschlingung geführt werden, wobei die Umschlingung so eingestellt wird, daß eine mindestens zweistufige Verstreckung stattfindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des ersten Wasserbades zwischen 100 C und SO0 C, vorzugsweise unterhalb 350 C liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Wasserbad höhenverstellbar unter den Spinndüsen angeordnet ist, so daß der Abstand zwischen der Unterkante der Spinndüse und der freien Oberfläche des Wasserbades zwischen 1 bis 100 mm, vorzugsweise 4 bis 20 mm einstellbar ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkstäbe im Bereich des Fadeneinlaufes in das zweite Wasserbad angeordnet sind.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Umlenkstäbe zwischen 3 und 10 liegt.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Wasserbad ein Entspannungsmittel zur Verringerung der Oberflächenspannung zugegeben wird.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden durch eine Abzugseinrichtung aus dem zweiten Wasserbad abgezogen werden, deren Walzen eine Temperatur zwischen 1000 und 1200 C aufweisen.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Fäden nach dem Auslauf aus dem zweiten Wasserbad eine Schlichte aufgetragen wird.
9. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, mit Einrichtungen zum Aufschmelzen und Verspinnen von Polyäthylen durch Spinndüsen, einem Kühlbad, Verstreck- und Aufspul- oder Faserschneideinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstreckeinrichtung zwischen zwei Walzenanordnungen (6, 9) ein beheizbares Wasserbad (8) aufweist, in dem senkrecht zur Fadenlaufrichtung untere (7.1, 7.2) und obere Umlenkstäbe (7.3, 7.4, 7.5) höhenverstellbar angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkstäbe (7.1, 7.2 und 7.3 bis 7.5) an Bestellten (7.6, 7.7) ortsfest gelagert sind, die zur Einstellung der Umschlingung und der Verstreckung kippbar oder zur Einstellung des gegenseitigen Abstandes der Umlenkstäbe (7.1 bis 7.5) gruppenweise höhenpositionierbar sind.
11. Filamentfaden oder Spinnfaser aus HDPE mit einem Filamenttiter von 2 bis 50 dtex und einer Festigkeit von mehr als 7 cN/dtex mit einem sonisch gemessenen E-Modul zwischen 40 und 50 GPa.
12. Verwendung von Filamentfäden nach Anspruch 11 zur Herstellung von gedrehten oder geflochtenen Seilen, als textile Einlage in Seilen, Fischnetzen und Geweben.
13. Formkörper, insbesondere Verbundplatte, dadurch gekennzeichnet, daß Filamentfäden oder Spinnfasern nach Anspruch 11 als Verstärkung in einer Polymermatrix eingebettet sind.