DE3607057A1

DE3607057A1 - Schmelzspinneinrichtung

Info

Publication number: DE3607057A1
Application number: DE19863607057
Authority: DE
Inventors: Naoyuki Tokio/Tokyo Maeda; Akira Kawasaki Kanagawa Nii; Seiichi Tokio/Tokyo Uemura; Shunichi Kamakura Kanagawa Yamamoto
Original assignee: Nippon Oil Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 1985-03-04
Filing date: 1986-03-04
Publication date: 1986-09-04
Anticipated expiration: 2006-03-05
Also published as: GB8605250D0; DE3607057C2; JPH0684568B2; JPS61201005A; FR2578273A1; US4850836A; FR2578273B1; GB2171954A; GB2171954B

Description

Schmelzspinneinrichtung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Schmelzspinneinrichtung, insbesondere für das Multifilament-Spinnen von Kohlenstoff asern auf Pechbasis.

Beim herkömmlichen Schmelzspinnen von Hochpolymeren werden große Anstrengungen unternommen, um die Ablagerung und Ansammlung von Fremdkörpern in der Nähe der Düsenöffnungen, die einen Hauptgrund für Störungen des Spinnvorgangs darstellen, sowie Fadenbruch und Ungleichmäßigkeiten im Durchmesser der Spinnfasern zu vermeiden. Z. B. werden bei einer Schmelzspinneinrichtung für Hochpolymere wie Polypropylen, Nylon und Polyester normalerweise ein Spinnaggregat, ein Stufenkühlungsteil und ein Zwangskühlungsteil mit einer Kühlluftanblasfläche nacheinander von oben nach unten angeordnet, und als Verstreckzone für die Spinnfasern wird über einen Bereich von wenigstens 30 cm, üblicherweise von 50-100 cm, eine Kühlsäule verwendet, um die Kühllufttemperatur, -feuchte und Blasgeschwindigkeit zu vergleichmäßigen, und es wird darauf geachtet, in Hochpolymeren enthaltene flüchtige Bestandteile oder Rauch bzw. Dämpfe zu entfernen.

Gegenüber den vorgenannten Hochpolymeren hat andererseits Erdöl- oder Teerpech ein geringes mittleres Molekulargewicht, das zwischen ca. 600 und 2000 liegt, und seine Molekulargewichts-Verteilung ist nicht immer scharf. Im Hinblick auf die Verbesserung der Spinnfähigkeit und des Verhaltens von durch die Karbonisierung von Teerfasern erhaltenen Kohlenstoffasern wurde bereits versucht, die Molekulargewichts-Verteilung dadurch einzustellen, daß Teer einer Lösungsmittelfraktionierung unterworfen wird,

wodurch niedrig- und hochsiedende Komponenten entfernt werden. Während des Schmelzspinnens ist es jedoch unvermeidbar, daß eine Spurenmenge einer niedrigsiedenden Komponente zu Rauch wird und zu Fleckenbildung im Bereich der Düse führt, und es ist schwierig, über einen langen Zeitraum einen gleichmäßigen Spinnvorgang zu unterhalten. Wegen des geringen mittleren Molekulargewichts ist ferner die Temperaturabhängigkeit der Viskosität der Schmelze sehr hoch, und schon eine geringe Temperaturänderung führt zu einer erheblichen Viskositätsänderung. Ferner ist die Spinntemperatur von Teer hoch, sie liegt normalerweise nicht unter 300 ⁰C, und die Viskosität ist äußerst niedrig und liegt zwischen 1000 und 500 000 cP. Wenn also zur Erzielung einer feinen Faser eine hohe mechanische Spannung bei unzureichender Kühlung angewandt wird, bricht die Faser, wogegen bei übermäßiger Kühlung der Faser eine feine Faser unmöglich erhalten werden kann, weil Teerfasern vor dem Verstrecken sehr schnell erstarren. Wenn ferner die Kühlung ungleichmäßig ist, stellen sich Ungleichmäßigkeiten im Faserdurchmesser ein.

/T, Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Überwindung der bei herkömmlichen Schmelzspinneinrichtungen und -verfahren auftretenden Probleme.

Es wurde nun gefunden, daß es zum gleichmäßigen Spinnen über lange Zeiträume wesentlich ist, die Verstreckzone für ersponnene Teerfasern richtig einzustellen, wozu eine gleichmäßige Kühlung der Teerfasern durch gleichmäßige Zufuhr und Abfuhr eines Kühlgases gewährleistet sein muß. Auf der Grundlage dieser Erkenntnis wurde nunmehr eine Schmelzspinneinrichtung entwickelt, die eine Anzahl Spinnfasern gleichmäßig kühlen kann, wodurch sowohl ein Faserbruch als auch eine Ungleichmäßigkeit im Durchmesser vermieden und ein gleichmäßiger Spinnvorgang über einen langen Zeitraum gewährleistet werden kann.

Durch die Erfindung wird demnach eine Schmelzspinneinrichtung angegeben, bei der ein Stromungsvergleichmaßiger an einem zentralen Teil der Spinnseite einer Spinndüse mit kreisförmig oder konzentrisch angeordneten Düsenöffnungen befestigt ist, wobei der Stromungsvergleichmaßiger einen um 3 mm oder mehr kleineren Durchmesser als die innerste Reihe von Düsenöffnungen hat und ferner eine nicht unter 2 cm betragende Länge aufweist; eine Kühlvorrichtung mit einer ringförmigen Ausblasöffnung zum Anblasen der ersponnenen Fasern mit einem Kühlgas als Außenumfangsteil unter einem Spinnaggregat angeordnet ist; und der Zwischenraum zwischen dem Spinnaggregat und der Kühlvorrichtung mit einem Wärmedämmstoff dicht verschlossen ist.

Beim üblichen Schmelzspinnen werden Spinnfasern gekühlt und verstreckt, während sie mit einem Kühlgas angeblasen werden. In diesem Fall wird das Kühlgas durch die Erstarrungswärme oder Strahlungswärme erwärmt und staut sich in einem zentralen Teil unterhalb der Düse, so daß dieses erwärmte Gas schnell nach unten abgeführt werden muß, weil es sonst schwierig wird, die Spinnfasern gleichmäßig zu kühlen. Bei der vorliegenden Einrichtung wird ein Kühlgas, das von außen gegen die Spinnfasern geblasen wird, zur Innenseite geleitet und dann sehr schnell vertikal nach unten durch einen Stromungsvergleichmaßiger abgeleitet, der an einem zentralen Teil auf der Spinnseite einer Düse angeordnet ist. Infolgedessen kann eine gleichmäßige Kühlung der Spinnfasern stattfinden.

Der verwendete Stromungsvergleichmaßiger, der die vorstehenden charakteristischen Abmessungen aufweist, ist ein massives Formteil aus einem geeigneten Werkstoff wie etwa Metall, das unter Einsatzbedingungen unverformbar ist. Bevorzugt hat es symmetrische Form. Eine Zylinder- oder Kegelstumpfform wird besonders bevorzugt.

Der Durchmesser des Strömungsvergleichmäfligers beeinflußt dessen Abstand von in seiner Nähe befindlichen Spinnfasern. Düsen sind in einer oder mehreren Reihen kreisförmig oder konzentrisch angeordnet. Selbstverständlieh ist der Durchmesser des Strömungsvergleichmäßigers kleiner als der Durchmesser (Teilkreis) der innersten Reihe von Düsenöffnungen. Während des Spinnvorgangs erfahren Spinnfasern nicht nur eine durch das Kühlgas bedingte "Durchbiegung", sondern werden zusätzlich durch Störungen in gewissem Maß durchgebogen; um also zu verhindern, daß die Fasern den Strömungsvergleichmäßiger infolge eines solchen Durchbiegens berühren, was zu Faserbruch führen würde, hat der Strömungsvergleichmäßiger im Querschnitt bevorzugt einen Durchmesser, der um 3 oder mehr mm kleiner als der Teilkreis der innersten Reihe ist. Wenn der Durchmesser um mehr als 25 mm kleiner als der Teilkreis ist, nimmt der Wirkungsgrad ab. Daher ist der Durchmesser des Strömungsvergleichmäßigers auf einen Wert eingestellt, der um 3-25 mm, bevorzugt um 5-20 mm, kleiner als der Teilkreis ist.

Die Länge des Strömungsvergleichmäßigers steht in enger Beziehung zu der Verstreckzone für Spinnfasern. Wenn sie kurzer als die Länge der Verstreckzone ist, kann der volle Wirkungsgrad nicht erzielt werden. Daher ist der Strömungsvergleichmäßiger nicht kürzer als 2 cm, z. B. beträgt seine Länge 2-20 cm, bevorzugt 3,5-20 cm.

Die angegebene Schmelzspinneinrichtung weist als Außenumfangsteil unterhalb des Spinnaggregats eine Kühlvorrichtung auf, die mittels eines Wärmedämmstoffs dicht mit dem Spinnaggregat verbunden ist. Die Kühlvorrichtung hat eine ringförmige Ausblasöffnung, durch die die Spinnfasern von außen nach innen mit einem Kühlgas angeblasen werden. 35

Beim Schmelzspinnen ist es unvermeidbar, daß ein Bestandteil des Ausgangsmaterials, der geringes Molekulargewicht

aufweist, verflüchtigt wird, wenn das Gas nach dem Kühlen der Fasern erwärmt wurde, und geringere Dichte hat, so daß es unter der Düse stagniert, anstatt abwärts zu strömen, wodurch es sich unmittelbar unter dem Spinnaggregat in Horizontalrichtung allmählich ausbreitet. Der im vorliegenden Fall eingesetzte Stromungsvergleichmaßiger ist ein hochwirksames Mittel, um solche Dämpfe sehr schnell nach unten abzuleiten. Wenn jedoch zwischen dem Spinnaggregat und der Kühlvorrichtung ein Zwischenraum vorhanden ist, halten sich die Dämpfe in diesem Zwischenraum. Wenn sich das Spinnaggregat und die Kühlvorrichtung in unmittelbarem gegenseitigem Kontakt befinden, tritt ein Wärmeverlust infolge von Wärmeleitung auf, wodurch die Temperaturverteilung an der Spinndüsenoberfläche beeinflußt wird. Im vorliegenden Fall ist der Zwischenraum durch einen Wärmedämmstoff zwischen dem Spinnaggregat und der Kühlvorrichtung dicht verschlossen, so daß sowohl eine Stagnation von Dämpfen als auch ein durch Wärmeleitung bedingter Wärmeverlust vermieden werden.

Als Wärmedämmstoff kann z. B. eine Asbestplatte, eine asbesthaltige Kieselgurplatte, Steinwolle, Glaswolle, eine Kalziumsilikatplatte oder eine Teflonplatte dienen; selbstverständlich ist der Wärmedämmstoff nicht auf diese Werkstoffe beschränkt.

Die verwendete Kühlvorrichtung weist eine ringförmige Ausblasöffnung auf, aus der die Spinnfasern von außen nach innen mit einem Kühlgas angeblasen werden. Das Kühlgas muß unterhalb der Spinndüse eingeleitet werden, ohne daß es direkt gegen die Spinndüsenoberfläche geblasen wird. Die Spinndüse wird durch ein Heizmedium, das um das Spinnaggregat herum angeordnet ist, auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten. Etwaige Temperaturunterschiede müssen möglichst klein gehalten werden. Es wurde nunmehr gefunden, daß ein direktes Ausblasen von Kühlgas auf die Spinndüsenoberfläche nicht nur zu einer Vergrößerung der Tem-

peraturdifferenz, sondern bei einer Volumenänderung des Kühlgases auch zu einer Änderung der Spinndüsentemperatur und außerdem zu einer Differenz der extrudierten Teermenge zwischen den Positionen der Düsenöffnungen führt. Es ist daher sehr wichtig, daß das Kühlgas unterhalb der Spinndüse ausgeblasen wird, ohne direkt auf die Spinndüsenoberfläche aufzutreffen.

Eine Kühlgasausblasrate von mehr als 30 cm/s bewirkt eine starke Durchbiegung der Spinnfasern und kann zu deren Bruch führen. Eine weniger als 1 cm/s betragende Kühlgasausblasrate macht es unmöglich, eine befriedigende Kühlwirkung zu erzielen. Als Kühlgas wird entweder ein Inertgas, wie Stickstoff, oder Luft eingesetzt.

Der im vorliegenden Fall eingesetzte Strömungsvergleichmäßiger kann eine eigene Kühlvorrichtung aufweisen. In diesem Fall kann eine sehr wirksame Kühlung dadurch erreicht werden, daß das Kühlgas von der Unterseite oder einer Seitenfläche des Stromungsvergleichmaßigers eingeleitet und unterhalb der Spinndüse aus Ausblasöffnungen in der Seitenfläche des Stromungsvergleichmaßigers ausgeblasen wird. In Verbindung mit der oben erwähnten Kühlvorrichtung, die das Kühlgas von der Außenseite der Spinnfasern zu deren Innenseite bläst, kann damit noch leichter eine gleichmäßige Kühlung erzielt werden.

Insbesondere, wenn die Düsenöffnungen beim Multifilament-Spinnen in fünf oder mehr Reihen angeordnet sind, wirken Teerfasern, die aus diesen Düsenöffnungsreihen extrudiert werden, wie eine Art Vorhang, so daß das Kühlgas aus der ringförmigen Ausblasöffnung, die in einem Außenumfangsabschnitt unter dem Spinnaggregat angeordnet ist, die inneren Spinnfasern nicht ausreichend kühlen kann, wodurch eine gleichmäßige Kühlung erschwert wird.

Bei der vorliegenden Einrichtung, bei der die Düsenöffnungen in vier oder weniger Reihen angeordnet sind, wird eine ausreichende gleichmäßige Kühlung nicht nur dann gewährleistet, wenn der Strömungsvergleichmäßiger eine Kühlvorrichtung aufweist, sondern stellt sich auch ein, wenn keine solche Kühlvorrichtung vorhanden ist. Wenn jedoch die Düsenöffnungen in fünf oder mehr Reihen angeordnet sind, ist der Wirkungsgrad besonders hoch, wenn der Strömungsvergleichmäßiger eine Kühlvorrichtung aufweist.

Bevorzugt weist die Kühlvorrichtung des Stromungsvergleichmaßigers eine Eintrittsöffnung zur Einleitung des Kühlgases vom Boden oder einer Seitenfläche (bevorzugt einer unteren Seitenfläche) des Stromungsvergleichmaßigers auf, und in seiner Seitenfläche sind Ausblaslöcher in dem Bereich von 3-35 mm direkt unterhalb der Spinndüse ausgebildet, wobei dieser Bereich der Teerfaser-Verstreckzone entspricht. Das Kühlgas wird durch die Eintrittsöffnung eingeleitet und aus den Ausblasöffnungen ausgeblasen, ohne direkt auf die Spinndüsenoberfläche aufzutreffen. In diesem Fall liegt die Kühlgasausblasrate zwischen 1 und 30 cm/s, bevorzugt zwischen 1 und 15 cm/s.

In den beigefügten Zeichnungen zeigen: 25

Fig. 1 die Schmelzspinneinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 Ausführungsbeispiele des bei der Erfindung verwendeten Stromungsvergleichmaßigers, wobei (a)

einen Zylinder und (b) einen Kegelstumpf zeigen; und

Fig. 3 Strömungsvergleichmäßiger mit Kühlvorrichtungen.

Die in die Zeichnungen eingefügten Bezugszeichen bedeuten:

1	1	O¹	Spinnaggregat
2	1	1 '	Heizmedium
3			Spinndüse
4			Strömungsvergleichmäßiger
5		Wärmedämmstoff
6		Kühlvorrichtung
7		Kühlgasausblasöffnung
8		Spinnfasern
9		Stellschraube
10,		Kühlgaseintrittsoffnungen
11,		Kühlgas
12		Kühlgaseintrittsöffnung
13		Kühlgasausblasöffnung

'tl·

- Leerseite -

Claims

STREHL SCHÜBEL-HGPF GROENING SCHULZ P-YTEXTANW-VLTe KCKOI'-EASPATEST ATTOKZiKYS OuO /U DIPL.-ING. PETER STREIIL DIPL1-CHESl. DK. URSULA SCIIÜ HKI.-IIOI'F DIPL.-INO. HANS W*. OUOIiXIXO DIPL.-PHYS. I)R. IiSTOER SCHULZ BEOIITSAJJiVA LT WIBISStAYERSTKiSSE POSTFACH 33 03 4.1 D-8000 MÜNCIIEJi 23 TELEFON (089)3339 11 TELEX 52U030 SSSMD TELECOPIER (089) S3 39 IS DEA-23 260 4. März 1986 SCHMELZSPINNEINRICHTUNG Patentansprüche

1. Schmelzspinneinrichtung mit einem Spinnaggregat (1), einer in dem Spinnaggregat angeordneten Spinndüse (3), die kreisförmig oder konzentrisch angeordnete Düsenöffnungen aufweist; einem Strömungsvergleichmäßiger (4), der an dem zentralen Teil an der Spinnseite der Spinndüse befestigt ist, wobei der Durchmesser des Strömungsvergleichmäßigers (4) um 3 mm oder mehr kleiner als der Durchmesser der innersten Reihe von Düsenöffnungen ist und seine Länge nicht weniger als 2 cm beträgt; und mit einer Kühlvorrichtung (6), die als Außenumfangsteil unterhalb des Spinnaggregats vorgesehen ist und die eine ringförmige Ausblasöffnung (7) zum Aufblasen eines Kühlgases auf die Spinnfasern aufweist, wobei der Zwischenraum zwischen dem Spinnaggregat (1) und der Kühlvorrichtung (6) mit einem Wärmedämmstoff (5) abgedichtet ist.

2. Schmelzspinneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser des Strömungsvergleichmäßigers (4) um 3 bis 25 mm kleiner als der Durchmesser der innersten Reihe der Düsenöffnungen ist.

3. Schmelzspinneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsvergleichmäßiger (4) die Form eines Zylinders oder eines Kegelstumpfes hat.

4. Schmelzspinneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsvergleichmäßiger (4) aus Metall besteht.

5. Schmelzspinneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Strömungsvergleichmäßiger (4) eine im unteren Teil des Strömungsvergleichmäßigers ausgebildete Eintrittsöffnung für Kühlgas (12) und mehrere in seiner Seitenwand ausgebildete Kühlgas-Ausblasöffnungen (13) aufweist.