DE3623748C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung schnellgesponnener Polyethylenterephthalatfäden entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1, s. Chemiefasern/Textilindustrie, April 1984, S. 251, 252¹³).

Es ist bekannt, daß beim Schnellspinnen von Polyethylenterephthalatfäden (PES) durch die zwischen Spinndüse und Aufspuleinheit auftretende hohe Fadenspannung von bis zu 0,50 cN/dtex und höher Fäden mit einem charakteristischen morphologischen Aufbau entstehen, der im Rasterelektronenmikroskop sichtbar gemacht werden kann¹) und bevorzugt aus in Faserlängsrichtung orientierten fibrillären Einheiten besteht. Diese Fibrillen besitzen bei einer Aufspulgeschwindigkeit von 3500 m/min einen Durchmesser von 0,29 µm, der bei Aufspulgeschwindigkeiten von 7100 m/min - also einer entsprechend höheren Fadenspannung - auf 0,58 µm ansteigt.

Weitere Strukturmerkmale, wie die Orientierung und Kristallinität so gesponnener PES-Filamente, können nach Röntgendiffraktion aus der Äquatorstreukurve als Ordnungsgrad bestimmt werden²), wobei der gefundene Ordnungsgrad hier bei einer Abzugsgeschwindigkeit von 5500 m/min bei 46% liegt. Neben den fibrillären Strukturelementen befinden sich zwischen den Mikrofibrillen Mikrohohlräume als weitere strukturaufbauende Elemente³).

Schnellgesponnene PES-Filamente (Aufspulgeschwindigkeit 6000 m/min) besitzen im Temperaturbereich von 250°C auch einen charakteristischen thermomechanischen Schrumpf von 20%⁴). Die typische Schrumpfkraft, die mit steigender Aufspulgeschwindigkeit ebenfalls zunimmt - liegt bei einer Temperatur von 125°C bei 6,7 mN/tex²). Auch die textilmechanischen Eigenschaften schnellgesponnener PES-Filamente hängen von der Aufspulgeschwindigkeit ab. So steigt mit steigender Aufspulgeschwindigkeit die Reißfestigkeit, während die Reißdehnung abnimmt. Bei einer galettenlosen Spinnanordnung nimmt die Reißdehnung beispielsweise bei einer Zunahme der Aufspulgeschwindigkeit von 3500 m/min auf 5500 m/min von 120% auf 70% ab⁵). Geringe Abweichungen können hierbei durch Filamenttiter und Viskosität des PES verursacht werden⁶).

Diese Werte der Reißdehnung sind jedoch für eine direkte textile Weiterverarbeitung der Filamente noch zu hoch, und müssen daher - wenn keine Strecktexturierung vorgesehen ist - in einem zweiten Verfahrensschritt weiter verstreckt werden, was naturgemäß einen beträchtlich erhöhten Aufwand an Maschinen und Bedienung erfordert.

Beim galettenlosen Schnellspinnen würde dieser Nachteil der Nachverstreckung an sich entfallen, allerdings macht sich hier jedoch bei Aufspulgeschwindigkeiten oberhalb 4000 m/min die stark ansteigende Fadenspannung auf 6,6 cN/dtex⁷) so störend bemerkbar, daß kein stabiler Spinnprozeß möglich ist. Neben der Zunahme der Fadenbrüche ist der Spulenaufbau gestört und letztlich fressen die Spinnspulen auf den Wickelaggregaten fest, so daß das resultierende Fadenmaterial für eine Weiterverarbeitung unbrauchbar ist.

Um dieses Problem der hohen Fadenspannungen zu beseitigen, wurden Aufspulmaschinen mit Umlenkgaletten entwickelt, die jedoch die hohen Fadenspannungen nur bis zu Abzugsgeschwindigkeiten von 4500 m/min verläßlich beherrschbar machten. Maschinentechnische Konstruktionen am Aufwickelorgan, wie Spulköpfe mit Doppelchangierung, die mit Kehrgewindewelle und Fadenführer sowie einer Nutwalze ausgerüstet sind, wobei durch die Voreilung der Nutwalze die Fadenspannung abgebaut werden kann⁸) oder auch aerodynamische Verwirbelung eingesetzt wurde⁹), konnten zwar die Gesamtsituation bis zu Abzugsgeschwindigkeiten von 6000 m/min verbessern, waren aber bei galettenloser Spannanordnung hinsichtlich Einzelspinntitern kleiner als 2 dtex nicht zielführend.

Weiterhin wurde versucht, mit besonderen Fadenführungen und mit einer Spinnschachtpräparation, bei welcher das Fadenbündel bereits nach der Anblasung und vor dem Eintritt in den Spinnschacht gebündelt und präpariert wird, eine Verringerung der Fadenspannung auf Werte zu erreichen, mit denen ein guter Spulenaufbau beim Einsatz marktgängiger Schnellwickler erhalten wird. Dabei ist jedoch eine aufwendige Bedienung in Kauf zu nehmen.

Dann versuchte man beim galettenlosen Schnellspinnen, wo besonders hohe Fadenspannungen entstehen und den Spinnverlauf stören, durch den Einbau eines Rohrspinnsystems den Anstieg der Aufspulspannungen herabzusetzen¹⁰). Die beschriebene Anordnung bewirkt eine Fadenbündelung und eine Herabsetzung des Luftreibungswiderstandes. Dies soll die Ursache für die Verminderung der Fadenspannung sein.

Eine andere Maßnahme, die Fadenspannung zu senken, ist das sogenannte Kompaktspinnverfahren¹¹),⁷). Hier wird durch bauliche Veränderungen der Fadenweg zwischen Düse und Aufspuleinheit von etwa 12 auf 7,5 m verringert, in deren Folge die Fadenspannung absinkt.

Vor kurzem konnte gezeigt werden, daß die Fadenspannung beim galettenlosen Spinnen auch bei Abzugsgeschwindigkeiten von 5500 m/min und einem Spinntiter von 90 dtex/32 f durch rasches Abkühlen der Fäden mit flüssigen Stickstoff auf Werte unter 0,08 cN/dtex gesenkt werden kann. Hierzu wird ein doppelwandiges Rohr, dessen Innenrohr ein Fujibon-Rohr¹²)¹) ist, in den Spinnweg eingebaut, wobei die Rohrlänge und damit die Strecke der Abkühlung zwischen 190 und 270 mm und der Rohrdurchmesser zwischen 60 und 75 mm variieren kann. Die unter den genannten Spinnbedingungen resultierenden Filamente entsprechen trotz dieser Abkühlmaßnahme mit Werten für die Reißfestigkeit von 3,32 cN/dtex und einer Reißdehnung von 62% und einer längsorientierten fibrillären Morphologie an der Fadenoberfläche und im Fadeninneren, dem üblichen Niveau schnellgesponnener PES-Filamente¹³), d. h. daß durch den Abkühlungsprozeß zwar die Fadenspannung herabgesetzt wird, dagegen die textilmechanischen Eigenschaften der Filamente - und damit ihr morphologischer Aufbau - nicht beeinflußt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Fäden mit einem neuartigen Eigenschaftsprofil - insbesondere niedriger Dehnung - bereitzustellen, das mit Hilfe eines galettenlosen Schnellspinnprozesses bei niedriger Fadenspannung arbeitet.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß können als flüssige Gase beispielsweise flüssiger Stickstoff, flüssiges Helium in seinen Modifikationen I-IV, flüssiges Freon 22 oder 13 und CO₂ oder auch Mischungen dieser flüssigen Gase eingesetzt werden.

Zur Verhinderung des Leidenfrostschen Phänomens¹⁴) ist es manchmal zweckmäßig, die Filamente vor der Abkühlung mit flüssigen Gasen wie Isopentan oder Propan vorzukühlen. Die erhaltenen Fäden mit neuartigem Eigenschaftsprofil, insbesondere einer Reißdehnung von z. B. 40%, können beispielsweise direkt in den Prozeß der Streckschärung eingesetzt werden.

Diese Filamente können aber auch nach den üblichen Verfahren nachverstreckt werden, wobei naturgemäß die Reißdehnung abnimmt und die Reißfestigkeit zunimmt.

Das Einbringen der verflüssigten Gase in den Spinnweg erfolgt durch die in Abb. 1 dargestellte Vorrichtung, die durch ihre besondere Konstruktion um ein bereits "spinnendes" Fadenbündel angeordnet werden kann, so daß Anspinn- und Spinnschwierigkeiten entfallen. Es sind dargestellt ein Überlaufschutz 1, die Schaumstoffisolation 2, ein Scharnier 3, ein Verschluß 4 und die Zuführung 5 für flüssigen N₂. Die Vorrichtung kann im Gegensatz zu dem Rohr leicht installiert und auch demontiert werden, somit ist eine große Flexibilität des Spinnverfahrens gewährleistet. Die besondere Form garantiert eine stets gleiche Füllhöhe mit flüssigen Stickstoff, wobei diese noch mit einem Füllstandsanzeiger, wie er aus dem Dauerbetrieb von geschlossenen Dewargefäßen bekannt ist, kontrolliert werden kann. Für die Zuführung der flüssigen Gase zum Filamentbündel kann gleichermaßen eingesetzt werden, ein Ringspalt oder ein geschlossener Ring mit Bohrungen, durch die die verflüssigten Gase austreten können, wobei diese Gase, wenn die Düsen ringförmig zentrisch angeordnet sind, auch mit Überdruck austreten können, wie bei einem cryo-jet-Verfahren¹⁵); es ist auch möglich, einen Ring aus Keramik einzusetzen, durch dessen punktförmige Öffnungen die verflüssigten Gase an das Fadenbündel geführt werden, wie bei einer zentrischen Anblasung und im Patent¹⁶) beschrieben.

Die Vorkühlung der Fäden zur Verhinderung des Leidenfrostschen Phänomens kann zusätzlich mit Hilfe der gleichen Kühlsysteme erfolgen, wobei als Kühlmittel Isopentan oder Propan eingesetzt werden können.

Überraschenderweise besitzen die erfindungsgemäß hergestellten PES-Fäden im Vergleich zu konventionell schnellgesponnenen PES-Filamenten¹) ein völlig anderes Eigenschaftsprofil. Die im folgenden beschriebenen Eigenschaftsänderungen beziehen sich auf PES-Fäden, die erfindungsgemäß bei einer Aufspulgeschwindigkeit von 5500 m/min gesponnen wurden. Die neuen Fäden zeigen einen bisher nicht bekannten morphologischen Aufbau, und zwar sowohl an der Fadenoberfläche als auch im Fadeninneren. Wird z. B. von der Fadenoberfläche in bekannter Weise ein Kohle/Platin-Direktabdruck hergestellt, so findet man im Transmissionselektronenmikroskop bei der Untersuchung der Abdrücke bereits an der Fadenoberfläche sehr kleine fibrilläre Einheiten, die aus nodulären Untereinheiten aufgebaut sind mit Abmessungen von 40-80 Å, siehe Abb. 2. Im Fadeninneren werden im Rasterelektronenmikroskop fibrilläre Einheiten sichtbar, die streng in Faserlängsrichtung angeordnet sind. Der Durchmesser dieser Einheiten beträgt z. B. bei einer Aufspulgeschwindigkeit der Fäden von 5500 m/min 0,22 µm, siehe Abb. 3. Zwischen diesen Mikrofibrillen befinden sich im Gegensatz zu konvenntionell schnellgesponnenen Polyethylenterephthalatfäden lamellare Einheiten, die eine seitliche Haftung der Mikrofibrillen bewirken, siehe Abb. 4.

Die anderen Eigenschaftsänderungen der erfindungsgemäßen PES-Filamente im Vergleich zu konventionell schnellgesponnenen PES-Fäden sind in folgender Tabelle zusammengestellt.

Es ist bekannt, daß das Gesamtschrumpfverhalten der Fäden entscheidende Auswirkungen auf den Färbeprozeß hat und die Gleichmäßigkeit der Färbungen beeinflussen kann, wobei sich die Färberesultate mit abnehmendem Schrumpf verbessern, wie z. B. in¹⁷) beschrieben ist.

Aufgrund der unter 50% liegenden Reißdehnung lassen sich die erfindungsgemäß herstellbaren Fäden direkt in den technisch wichtigen Streckschärprozeß einsetzen, was mit den konventionell schnellgesponnenen PES-Fäden mit einer Reißdehnung von über 68% nicht möglich ist. Selbstverständlich können die neuen PES-Fäden jedoch auch nachverstreckt werden, wobei um etwa die gleiche Reißfestigkeit wie bei konventionell schnellgesponnenen PES-Fäden (die eine Reißdehnung von etwa 60-75% aufweisen und daher, um auf 24% Reißdehnung zu kommen, etwa um den Faktor 1,6 verstreckt werden müssen) zu erhalten, nur eine Verstreckung um den Faktor 1 notwendig ist.

Beispiel 1

Polyethylenterephthalatstranggranulat, 0,4 Gew.-% TiO₂, h _rel = 1,39 gemessen in Phenol/Tetrachlorethan, 0,5 Gew.-%, 20°C, Schmelzpunkt 253°C, bestimmt durch Differentialthermoanalyse (DTA) bei einer Aufheizrate von 10°C/min).
Abmessungen des Granulates im Mittel, Länge = 5,15 mm, Breite = 4,92 mm, Höhe = 1,99 mm.

Davon wurden 30 kg in einem Taumeltrockner mit einem Fassungsvermögen von 50 kg mit einem Temperaturprogramm, Aufheizrate 0,5°C/min, 180°C/6 h Trockenphase und mit 1,7°C/min abgekühlt.

Das in dieser Weise getemperte PES-Granulat hatte einen Wassergehalt von kleiner als 0,005 Gew.-%.

Dieses Granulat wurde in einem Laborextruder aufgeschmolzen. Dessen Abmessungen waren Zylinder 30 mm, Schnecke mit Schraubengewinde Steigung 17,4 Grad, Kompression 1 : 2, Länge 20 D. Temperaturprogramm am Extruder, Zone I: 291°C; Zone II: 298°C; Zonne III: 287°C; Zone IV: 287°C. Das Düsenpaket bestand aus einem Fuji-Filter, Filtereinsätze = 5 Filterkerzen mit Drahtsiebbelegung Maschenweite 20 µm. Die Düse = 0,16 mm Lochdurchmesser, Anzahl der Löcher 32, Länge des Düsenkanals 1D. Die Aufwicklung der Fäden erfolgte mit einem Barmagschnellwickler SW 46 SSD.

Die Ausspritzgeschwindigkeit betrug 61,50 m/min, die Abzugsgeschwindigkeit 5500 m/min. Der Spinntiter war 92 dtex/32 f, Fadengleichmäßigkeit U = 0,7%.

Unter diesen Bedingungen und mit der Vorrichtung gemäß Abb. 1 unter Verwendung von N₂ bei Abkühlraten gemäß Abb. 5 beträgt die Fadenspannung 0,08 cN/dtex. Die Reißfestigkeit 3,21 cN/dtex, die Reißdehnung 45,52%. Die PES-Fäden haben einen thermomechanischen Schrumpf von konstant 1%, einen Heißluftschrumpf von ±0% (250°C), eine Schrumpfkraft von 4 mN/tex, eine Oberflächenmorphologie gemäß Abb. 2, eine Innenmorphologie gemäß Abb. 3 und 4, eine Reißfestigkeit von 2,80 cN/dtex, eine Reißdehnung von 40,2% und können direkt in den Streckschärprozeß eingesetzt werden.

Verstreckt man die erhaltenen Polyethylenterephthalatfäden in an sich bekannter Weise, z. B. durch Streckzwirnen auf eine Reißdehnung von 24%, dann erhält man Fäden mit einer Reißfestigkeit von 4,61 cN/dtex, die jedoch im Vergleich zu analogen konventionell gesponnenen Polyethylenterephthalatfäden besser, z. B. auch ohne Carrier, anfärbbar sind. Mit dem Dispersionsfarbstoff Resolinmarineblau GLS durchgeführte Färbungen bei Kochtemperatur (98°C) für 60 Minuten in 2% Flotte unter Zusatz von 3 g/l Dispergiermittel, z. B. Avolan und 1 g/l Egalisiermittel, z. B. Levegal HTN, Flottenlänge 1 : 50, aber ohne Carrier, so ergibt sich eine Farbtiefe, bestimmt durch den K/S-Wert von 1,13.

Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)

Ändert man analog Beispiel 1 nur die Aufspulgeschwindigkeit auf 4500 m/min, so erhält man eine Fadenspannung von 0,06 cN/dtex und Polyethylenterephthalatfäden mit einer Schrumpfkraft von 3 m N/tex, einem thermomechanischen Schrumpf von 8% (258°C), einem Heißluftschrumpf von -5% (250°C) einer Reißfestigkeit von 3,04 cN7dtex und einer Reißdehnung von 58%.

Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel)

Stellt man Polyethylenterephthalatfäden nach dem konventionellen galettenlosen Schnellspinnprozeß her, so erhält man bei einer Abzugsgeschwindigkeit von 5500 m/min eine Fadenspannung von 0,32 cN/dtex, und die Fäden haben erwartungsgemäß einen thermomechanischen Schrumpf, der sich zwischen 80°C und 258°C von 2 auf 5,2% erhöht, eine Schrumpfkraft von 7,2 mN/tex, einen Heißluftschrumpf von -3% bei 250°C und eine Reißfestigkeit von 3,65 cN/dtex und eine Reißdehnung von 68,2%, eine Oberflächenmorphologie gemäß Abb. 6 und eine Innenmorphologie gemäß Abb. 7, und die verstreckten Fäden haben eine Farbtiefe nach Färbungen analog Beispiel 1 von K/S = 0,82.

Literatur:

¹) High Speed Fiber Spinning Science and Engineering Aspects, Edited by A. Ziabicki u. H. Kawai, John Wiley & Sons New York 1985, S. 343.
²) v. Falkai, B. Gießler, W. Schultze-Gebhardt, F. Spielgies, G. in: Die angewandte makromolekulare Chemie 108 (1982), Nr. 1738, S. 9-39.
³) Perez, G. und Lecluse, G., High Speed Spinning of Polyethyleneterephthalate by Pneumatic Take up. Physical and Mechanical Properties of Filaments, Vortrag auf der 18. Internationalen Chemiefasertagung in Dornbirn vom 20.-22. Juni 1979.
⁴) Heuvel, H. M.; Huisman, R., Jornal of Applied Polymer Science 22 (1978), 2229-2243.
⁵) Landenberger, P., Chemiefasern/Textilindustrie 26/78 (1976), 516.
⁶) Matsui, M. in (1), S. 144.
⁷) Lückert, H.; Busch, M., Stand und Entwicklung der neuen Spinnanlage für Polyester- Filamente und Fasern, Vortrag auf der 22. Internationalen Chemiefasertagung in Dornbirn vom 22.-24. September 1982.
⁸) Bauer, K., Aufspulen von Filamenten mit hohen Geschwindigkeiten, Lenzinger Berichte, Folge 42 (1971), 98.
⁹) DE-OS 24 35 009; DE-OS 24 30 618.
¹⁰) Hoffmeister, R., Textiltechnik 30 (1980), 588; Chemiefasern/Textilindustrie 31/83 (1981), 915.
¹¹) DE-OS 30 23 845.
¹²) Fujibon-Rohr/Filter der Firma Fuji in Lizenz der Firma Bendix/Michigan/USA.
¹³) Gröbe, A.; Herlinger, H., Chemiefasern/Textilindustrie, April 1984, S. 251, 252.
¹⁴) Brockhaus ABC Physik, VEB Brockhaus Verlag Leipzig 1972, Band 1, S. 863.
¹⁵) Müller Martin, Nadine Meister und Hans Moor (1979), Balzers Report, Best. Nr. BB800 001 BE.
¹⁶) US 30 67 458.
¹⁷) Ludewig, H., Polyesterfasern, Chemie und Technologie, Akademie Verlag, 1965, S. 506.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von galettenlos schnellgesponnenen Polyethylenterephthalat-Fäden mit einer Aufspulgeschwindigkeit von mindestens 5500 m/min, bei dem die Fadenspannung durch Abkühlen der Fäden mit sehr hoher Abkühlrate unter Zuführung flüssiger Gase auf das Filamentbündel auf Werte von höchstens 0,08 cN/dtex abgesenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man, um Fäden mit

• - einer Oberflächenmorphologie mit sehr kleinen fibrillären- nodulären Einheiten,
• - einer Innenmorphologie mit fibrillären und lamellaren Einheiten mit einer Breite von 0,15- 0,25 µm,
• - einem Heißluftschrumpf von 1 bis Null % bei 250°C,
• - einer Schrumpfkraft von 1,3-4,0 mN/tex,
• - einer Reißfestigkeit von maximal 3,20 cN/dtex,
• - einer Reißdehnung von 40-50%,

zu erhalten, die Fäden in einem Abstand von 50-100 mm von der Düse innerhalb eines Bereiches von 10-20 mm kühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als verflüssigte Gase Stickstoff, Helium in seinen Modifikationen I-IV, Freon, CO₂ oder Mischungen verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Abkühlung mit verflüssigten Gasen die Fäden zur Verhinderung des Leidenfrostschen Phänomens vorgekühlt werden, beispielsweise mit Isopentan oder Propan.