DE3607057C2

DE3607057C2 - Schmelzspinneinrichtung

Info

Publication number: DE3607057C2
Application number: DE3607057A
Authority: DE
Inventors: Naoyuki Maeda; Akira Nii; Shunichi Yamamoto; Seiichi Uemura
Original assignee: Nippon Oil Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 1985-03-04
Filing date: 1986-03-04
Publication date: 1995-03-30
Anticipated expiration: 2006-03-05
Also published as: DE3607057A1; GB2171954B; FR2578273B1; GB8605250D0; JPH0684568B2; FR2578273A1; JPS61201005A; GB2171954A; US4850836A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schmelzspinneinrichtung für das Multifilament-Spinnen von Kohlen stoffasern auf Pechbasis.

Beim herkömmlichen Schmelzspinnen von Hochpolymeren werden große Anstrengungen unternommen, um die Ablagerung und Ansammlung von Fremdkörpern in der Nähe der Düsenöffnun gen, 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 Spinn aggregat, ein Stufenkühlungsteil und ein Zwangskühlungs teil 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 Hoch polymeren enthaltene flüchtige Bestandteile oder Rauch bzw. Dämpfe zu entfernen. Eine derartige Anordnung ist aus der US 3 299 469 bekannt.

Gegenüber den vorgenannten Hochpolymeren hat andererseits Erdöl- oder Teerpech ein geringes mittleres Molekularge wicht, 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 er haltenen 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 unver meidbar, daß eine Spurenmenge einer niedrigsiedenden Kom ponente zu Rauch wird und zu Fleckenbildung im Bereich der Düse führt, und es ist schwierig, über einen langen Zeit raum 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°C, und die Viskosität ist äußerst niedrig und liegt zwischen 1000 und 500 000 cP. Wenn also zur Er zielung 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 Teer fasern vor dem Verstrecken sehr schnell erstarren. Wenn ferner die Kühlung ungleichmäßig ist, stellen sich Un gleichmäßigkeiten im Faserdurchmesser ein.

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

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

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 Spinn fasern gleichmäßig kühlen kann, wodurch sowohl ein Faser bruch als auch eine Ungleichmäßigkeit im Durchmesser ver mieden und ein gleichmäßiger Spinnvorgang über einen lan gen Zeitraum gewährleistet werden kann.

Durch die Erfindung wird demnach eine Schmelzspinneinrich tung angegeben, bei der ein Strömungsvergleichmäßiger an einem zentralen Teil der Spinnseite einer Spinndüse mit kreisförmig oder konzentrisch angeordneten Düsenöffnungen befestigt ist, wobei der strömungsvergleichmäßiger 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 erspon nenen 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 Erstar rungswärme 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 gebla sen wird, zur Innenseite geleitet und dann sehr schnell vertikal nach unten durch einen Strömungsvergleichmäßiger abgeleitet, der an einem zentralen Teil auf der Spinnseite einer Düse angeordnet ist. Infolgedessen kann eine gleich mäßige Kühlung der Spinnfasern stattfinden.

Der verwendete Strömungsvergleichmäßiger, der die vor stehenden 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 Strömungsvergleichmäßigers beeinflußt dessen Abstand von in seiner Nähe befindlichen Spinnfasern. Düsen sind in einer oder mehreren Reihen kreisförmig oder konzentrisch angeordnet. Selbstverständ lich ist der Durchmesser des Strömungsvergleichmäßigers kleiner als der Durchmesser (Teilkreis) der innersten Rei he 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 Durch messer 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 Teil kreis ist.

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

Die angegebene Schmelzspinneinrichtung weist als Außenum fangsteil 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.

Beim Schmelzspinnen ist es unvermeidbar, daß ein Bestand teil des Ausgangsmaterials, der geringes Molekulargewicht aufweist, verflüchtigt wird, wenn das Gas beim Küh len der Fasern erwärmt wurde, und geringere Dichte hat, so daß es unter der Düse stagniert, anstatt abwärts zu strö men, wodurch es sich unmittelbar unter dem Spinnaggregat in Horizontalrichtung allmählich ausbreitet. Der im vor liegenden Fall eingesetzte strömungsvergleichmäßiger ist ein hochwirksames Mittel, um solche Dämpfe sehr schnell nach unten abzuleiten. Wenn jedoch zwischen dem Spinn aggregat und der Kühlvorrichtung ein Zwischenraum vorhan den ist, halten sich die Dämpfe in diesem Zwischenraum auf. 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 beein flußt wird. Im vorliegenden Fall ist der Zwischenraum durch einen Wärmedämmstoff zwischen dem Spinnaggregat und der Kühlvorrichtung überbrückt, 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 Aus blasöffnung 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 Spinn aggregat herum angeordnet ist, auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten. Etwaige Temperaturunterschiede müssen möglichst klein gehalten werden. Es wurde nunmehr gefun den, daß ein direktes Ausblasen von Kühlgas auf die Spinn düsenoberfläche 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 Spinn düse ausgeblasen wird, ohne direkt auf die Spinndüsenober fläche 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 Kühlgas ausblasrate macht es unmöglich, eine befriedigende Kühl wirkung zu erzielen. Als Kühlgas wird entweder ein Inert gas, wie Stickstoff, oder Luft eingesetzt.

Der im vorliegenden Fall eingesetzte Strömungsvergleich mäßiger kann eine eigene Kühlvorrichtung aufweisen. In diesem Fall kann eine sehr wirksame Kühlung dadurch er reicht werden, daß das Kühlgas von der Unterseite oder einer Seitenfläche des Strömungsvergleichmäßigers einge leitet und unterhalb der Spinndüse aus Ausblasöffnungen in der Seitenfläche des Strömungsvergleichmäßigers ausgebla sen wird. In Verbindung mit der oben erwähnten Kühlvor richtung, die das Kühlgas von der Außenseite der Spinn fasern 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 Außenumfangsab schnitt unter dem Spinnaggregat angeordnet ist, die inne ren Spinnfasern nicht ausreichend kühlen kann, wodurch eine gleichmäßige Kühlung erschwert wird.

Bei der vorliegenden Einrichtung, bei der die Düsenöff nungen 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 ange ordnet sind, ist der Wirkungsgrad besonders hoch, wenn der Strömungsvergleichmäßiger eine Kühlvorrichtung aufweist.

Bevorzugt weist die Kühlvorrichtung des Strömungsver gleichmäßigers eine Eintrittsöffnung zur Einleitung des Kühlgases vom Boden oder einer Seitenfläche (bevorzugt einer unteren Seitenfläche) des Strömungsvergleichmäßigers auf, und in seiner Seitenfläche sind Ausblaslöcher in dem Bereich von 3-35 mm direkt unterhalb der Spinndüse ausge bildet, 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 die sem Fall liegt die Kühlgasausblasrate zwischen 1 und 30 cm/s, bevorzugt zwischen 1 und 15 cm/s.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 die Schmelzspinneinrichtung gemäß einer Ausfüh rungsform der Erfindung;

Fig. 2 Ausführungsbeispiele des bei der Erfindung ver wendeten Strömungsvergleichmäßigers, wobei (a) einen Zylinder und (b) einen Kegelstumpf zeigen; und

Fig. 3 Strömungsvergleichmäßiger mit Kühlvorrichtungen.

Bezugszeichenliste

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

Claims

1. Schmelzspinneinrichtung zum Multifilament-Spinnen von Kohlenstoffasern auf Pechbasis mit einem beheizten Spinn aggregat (1), einer in dem Spinnaggregat angeordneten Spinn düse (3), die kreisförmig oder konzentrisch angeordnete Düsenöffnungen aufweist, einer Kühlvorrichtung (6), die als Außenumfangsteil unterhalb des Spinnaggregates vorgesehen ist und die eine ringförmige Aufblasöffnung (7) zum Aufblasen eines Kühlgases auf die Spinnfasern in einer Verstreckzone aufweist, und einem Strömungsvergleichmäßiger (4), der an dem zentralen Teil an der Spinnseite der Spinndüse (3) befestigt ist, wobei der Durchmesser des Strömungsvergleichmäßigers (4) um mindestens drei mm kleiner ist als der Durchmesser der innersten Reihe von Düsenöffnungen und dessen Länge minde stens der Länge der Verstreckzone entspricht, wobei zwischen dem Spinnaggregat (1) und der Kühlvorrichtung (6) eine Wärme dämmstoffschicht (5) vorgesehen 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 Düsenöff nungen ist.

3. Schmelzspinneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strö mungsvergleichmäßiger (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 im unteren Teil des Strömungsvergleichmäßigers (4) eine Eintrittsöffnung für Kühlgas (12) und in seiner Seitenwand mehrere Kühlgas-Ausblasöffnungen (13) vorgesehen sind.