DE3629731A1 - Vorrichtung zum abkuehlen und praeparieren von schmelzgesponnenem spinngut - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abkühlen, Stabilisieren und Präparieren von schmelzgesponnenen Fäden, mit einer Düsenplatte mit ringförmig angeordneten Düsenlöchern, mit einer Anblasvorrichtung und mit einer Präparationsvorrichtung. Zur Herstellung von Fäden und Fasern nach dem Schmelzspinnverfahren wird ein dosierter Schmelzstrom in Spinndüsen in eine Vielzahl schmelzflüssiger Einzelfäden aufgeteilt. Die Fäden werden durch Anblasen mit einem Kühlmedium unter den Erstarrungspunkt, vorzugsweise unter den Glasumwandlungspunkt abgekühlt, mit konstanter Geschwindigkeit abgezogen und nach Auftrag einer Spinnpräparation aufgespult oder als Kabel in Kannen abgelegt.

Wesentliche Voraussetzungen für die Herstellung einer guten und gleichmässigen Produktqualität sind sowohl eine möglichst weitgehende Homogenität der Schmelze als auch gleichmässige Abkühlbedingungen.

Die Schmelzehomogenität kann durch thermischen Abbau beeinträchtigt werden; der Schmelzefluss sollte daher möglichst gleichmässig sein und die Düsen keine Zonen mit vermindertem Durchfluss oder gar mit stagnierender Masse enthalten. Diese Forderung lässt sich am einfachsten und sichersten in radialsymmetrischen Runddüsen verwirklichen, die auch beim Schmelzspinnverfahren eine dominierende Rolle spielen und zunächst ausschliesslich eingesetzt wurden.

Ein Nachteil der Runddüsen ist, dass sich beim Einsatz im herkömmlichen Blasschacht mit Fadenabkühlung durch Queranblasen Düsendurchmesser und Anzahl der Spinnbohrungen pro Düsenplatte nicht beliebig steigern lassen, ohne in Konflikt zu geraten mit der Forderung nach gleichmässigen Abkühlbedingungen. Beim Queranblasen werden die auf der Blassiebseite der Düse austretenden Fäden etwas stärker und schneller abgekühlt als die Fäden, die auf der dem Blassieb abgewandten Seite der Düse austreten. Dieser Unterschied verstärkt sich mit zunehmender Anzahl und Flächendichte der Düsenbohrungen und bleibt schliesslich nicht ohne Auswirkungen auf die Streubreite wichtiger Fasereigenschaften wie: Streckverhalten, Reissdehnung, Schrumpfwerte und Verhalten bei Anfärbung.

Die Anzahl der Spinnbohrungen pro Düsenplatte und entsprechend die Durchsatzleistung pro Spinnposition kann unter Beibehaltung des Prinzips der Queranblasung erheblich gesteigert werden, wenn statt der Runddüsen mit ca. 600, maximal etwa 800 Bohrungen, Rechteckdüsen mit 2000 bis 3000 Bohrungen eingesetzt werden. Ein genügend gleichmässiger Schmelzefluss lässt sich durch geeignete Konstruktionsmassnahmen auch in Rechteckdüsen erreichen. Dagegen ist das Abdichten von Rechteck-Düsenpaketen grundsätzlich problematischer als das von Runddüsen; beim Spinnen mit Rechteckdüsen muss daher mit häufigerem Düsenwechsel gerechnet werden.

Die erwähnten Nachteile können weitgehend vermieden werden, wenn radialsymmetrische Rund- oder Ringdüsen mit grosser Bohrungszahl eingesetzt werden und die zur Fadenabkühlung benötigte Blasluft nicht einseitig quer sondern ebenfalls radialsymmetrisch zugeführt wird.

Die konstruktiv einfacher zu verwirklichende radialsymmetrische Blasluftführung mit Blasrichtung von aussen nach innen ist schon seit längerer Zeit bekannt und mehrfach beschrieben worden (z. B. in US Pat. 32 99 469).

Vom Spinnverfahren her interessanter ist jedoch die umgekehrte Blasrichtung von innen nach aussen. Dafür gibt es mindestens zwei Gründe. Einerseits wird das Fadenbündel unter der Einwirkung der Blasluft bei der Blasrichtung von aussen nach innen zusammengedrückt, der Abstand zwischen den Einzelfäden also vermindert. Mit zunehmender Intensität der Blasluft wächst die Gefahr, dass zwei oder mehrere noch nicht völlig erstarrte Einzelfäden einander berühren und miteinander verkleben oder verschmelzen ungleich stärker als bei der Blasrichtung von innen nach aussen, bei der das Fadenbündel primär aufgebläht und der Abstand zwischen den Einzelfäden vergrössert wird. Dazu wirkt die vom Fadenbündel in seiner beschleunigten Bewegung mitgerissene Aussenluft als Kühlluft-Teilstrom im Fall der Blasrichtung von aussen nach innen zwar schwach, jedoch im gleichen Sinn: Aussen/Innen-Effekte der Fadenabkühlung werden verstärkt. Bei der Blasrichtung von innen nach aussen wirkt der Aussenlufteinfluss kompensierend; die Blasluftwirkung wird dort verstärkt, wo sie am schwächsten ist.

Auch die Zentralanblasung mit Blasrichtung von innen nach aussen ist bekannt und gehört zum Stand der Technik; sie wird u. A. beschrieben in den US-Patentschriften Nr. 38 58 386, 39 69 462, 42 85 646 und in den Europäischen Patentanmeldungen Nr. 00 40 482 und 00 50 483.

Bei dieser Art der Anblasung gibt es jedoch Probleme mit der Blasluftzuführung. Dies dürfte der Grund dafür sein, dass das Verfahren trotz seiner sonstigen, offensichtlichen Vorzüge bisher noch keine breitere Anwendung gefunden hat.

Wird die Blasluft von unten her zugeleitet, dann kreuzt sich die Luftzuführung mit dem Fadenlauf. Man kann zwar durch Aufteilen der aus der Düse austretenden Fadenschar in zwei seitlich vorbeigeleitete Bündel erreichen, dass die frisch gesponnenen Fäden das Blasluftzuführrohr nicht berühren. Wie in der US-Patentschrift 42 85 646 (Spalte 2, Zeilen 6-68) ausgeführt wird, ist jedoch auch diese Massnahme mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. An der genannten Stelle nicht erwähnt sind die erheblichen Schwierigkeiten, die sich bei dem Versuch ergeben, unter Verwendung der als Stand der Technik beschriebenen Anblasvorrichtungen den Spinnprozess nach Unterbrechungen (durch Fadenriss, Düsenwechsel, Düsenreinigung etc.) wieder in Gang zu setzen. Die noch ungenügend verfestigten und klebrigen Fibrillen bleiben bei Berührung leicht an der Blaskerze hängen, reissen ab und verkleben rückstauend mit anderen Fibrillen, die dann ebenfalls reissen. Das Anspinnen wird dadurch zu einem selbst für geübtes Personal kaum noch beherrschbaren Prozess.

Als Ausweg wird in US Pat. 42 85 646 eine Blasluftzuführung von oben, zentral durch das Düsenpaket hindurch, vorgeschlagen. Entsprechende Vorrichtungen werden dann auch in den neueren Patentschriften beschrieben (EPA 0 40 482; 0 50 483). Aber auch diese Art der Luftzuführung bringt neue Probleme, beispielsweise mit der thermischen Isolation. Die Schmelze in der Düse darf durch die Blasluft nicht abgekühlt werden und die Blasluft sollte sich durch das beheizte Düsenpaket nicht erwärmen. Der für eine ausreichende Isolation erforderliche Platz kann nur durch eine entsprechende Vergrösserung des Düsendurchmessers geschaffen werden. Ausserdem wird aus der Runddüse eine Ringdüse mit nicht mehr zentralsymmetrischem Schmelzefluss.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zentralanblasung schmelzgesponnener Fäden mit Blasrichtung von innen nach außen, die die oben erwähnten Nachteile vermeidet.

Dieses Ziel wurde durch die Kombination folgender erfindungsgemäßer Massnahmen erreicht.

1. Das Kühl- oder Blasmedium, insbesondere in Form von Luft, wird von unten zugeführt. Damit wird Verwendung von Runddüsen mit radialsymmetrischem Schmelzefluss ermöglicht. Es gibt keine Isolationsprobleme im Düsenpaket. Das Umrüsten von Altanlagen ist ohne Aenderungen im Spinnbalken möglich.

2. Die Anblasvorrichtung wird nicht fest, sondern mobil montiert; sie kann vertikal abgesenkt und horizontal durch eine Schwenk-Drehbewegung oder lineare Schub- Zugbewegung aus dem Fadenlaufbereich ausgefahren, beziehungsweise in entgegengesetzter Bewegung beim Anspinnen eingefahren werden.

3. Beim Einfahren während des Anspinnens tritt aus einem Ringspalt am oberen Ende der Anblasvorrichtung, d. h. der Blaskerze, ein scharfer Luftstrahl aus, der beim Einschwenken und während des Hochfahrens der Anblasvorrichtung die Fäden von dieser Vorrichtung wegtreibt und damit ein Hängenbleiben, Ankleben und Reisen der Fäden verhindert. Beim Hochfahren trifft ein federnd gelagerter, eine flache Hutabdeckung am oberen Blaskerzenende durchstossender Zentrierdorn in eine entsprechende Vertiefung in der Mitte der Düsenplatte und rastet dort ein. Der Dorn wird entgegen der Federkraft in den Kerzenhut hineindrückt und betätigt dabei ein Ventil, das die Luftzufuhr zum Ringspalt abstellt sobald die Blaskerze ihre obere Endstellung erreicht hat. Die unter 2. und 3. genannten erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen ein problemloses Anspinnen.

4. Auf eine Teilung der Fadenschar in zwei Bündel wird verzichtet. Die Blasluft wird dem unteren Blaskerzenende im Bereich der Kreuzung mit dem Fadenlauf nicht über ein rundes Rohr zugeführt sondern über einen für die ganze Zentralanblasung als Schwenkarm gestalteten flachen Kanalarm mit geringer seitlicher und relativ großer vertikaler Ausdehnung. Die Oberkante des Kanals ist mit einem keramischen Überzug beschichtet oder trägt ein Keramikelement (Stab, Halbschale) als Fadenabweiser. Es gibt keine Störung der Blasluftsymmetrie und keine durch Spaltbildung in den Fadenbündeln verursachten Turbulenzen.

5. Der Auftrag der Spinnpräparation erfolgt am unteren Ende der Blaskerze jedoch oberhalb des Schwenkarms. Die wässrige Präparationslösung (üblicherweise rund 99% H₂O) wird dosiert mindestens einem Ringspalt zwischen zwei ringförmigen, keramikbeschichteten Lippen zugeführt, die von der Fadenschar nach dem Durchlaufen der Anblasstrecke berührt werden. Der Fadenlauf wird dadurch stabilisiert; die präparierten Fäden können problemlos gebündelt und umgelenkt werden (z. B. auch an der Oberkante des seitlichen Blasluftkanals). Da die Fäden als offene Fibrillenschar und nicht wie üblich als zusammengefaßter Spinnkabelstrang präpariert werden, kann bis zum Bündeln ein Teil des Präparationswassers verdampfen und damit zur Fadenabkühlung beitragen. Die Leitungen für den Präparationszulauf und die Rückführung von überschüssiger Präparation (gesammelt in einer unterhalb der unteren Lippe angebrachten ringförmigen Kehle) sind innerhalb des Blasluftkanals in dem Kanalarm angeordnet.

Eine in der Anordnung der unter 5. beschriebenen Präparationsvorrichtung ähnliche Fadenabkühl- und -benetzungsvorrichtung findet sich zwar in der US-Patentschrift 40 38 357. Die dort gezeigte Vorrichtung dient jedoch einem völlig anderen Zweck, nämlich der einseitigen, asymmetrischen Fadenabkühlung durch einen dünnen Flüssigkeitsfilm mit der Absicht, latent kräuselfähige Fäden herzustellen. Anstelle von Lippen und Ringspalt findet sich dort ein Sintermetallformstück mit relativ breiter Kontaktfläche. Die auf einer solchen Fläche unvermeidlich auftretende Reibung erhöht die Fadenspannung in einer für einen normalen Spinnprozess unzulässigen Weise, besonders wenn Abzugsgeschwindigkeiten angewendet werden, die wesentlich über der in den Beispielen der genannten Patentschrift angegebenen maximalen Abzugsgeschwindigkeit von rund 900 m/min (3000 ft/min) liegen.

Ringlippen mit offenem Ringspalt stellen jedoch nur eine bevorzugte Ausführungsform der Präparationsvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung dar, an deren Idee und Wirkungsweise sich nichts ändert wenn beispielsweise der Ringspalt verbreitert und mit einem als Docht wirkenden Material ausgefüllt oder auch wenn die Kontaktfläche an den Lippenrändern durch einen schmalen Sintermetallring ersetzt wird.

Die wesentlichen Teile einer bevorzugten Ausführungsform der Fadenabkühlvorrichtung gemäss vorliegender Erfindung sind in der Figur dargestellt.

Die Polymerschmelze tritt aus den Düsenbohrungen 10 in der Spinndüsenplatte 1 in Form von zunächst schmelzeflüssigen Fäden 6 aus, die unter der Einwirkung der aus der Blaskerze 5 austretenden Kühlluft abkühlen und erstarren. Nach dem Passieren der Präparationsvorrichtung 7, bestehend aus Ringschlitzen und Ringkehle, und dem tiefer angeordneten Schwenkarm (8), werden die Fäden durch einen Fadenführer 9 gebündelt und als Kabelstrang der Abzugsvorrichtung zugeführt.

Die Düsenbohrungen 10 sind vorzugsweise in mehreren Lochkreisen angeordnet und nicht, wie in der Abbildung wegen der besseren Uebersicht dargestellt, in nur einem Lochkreis.

Die Blaskerze 5 ist an ihrem oberen Ende durch einen flachen, kegelförmigen Hut 3 abgedeckt und in ihrer Lage fixiert durch einen Zentrierdorn 2, der in einer formentsprechenden Vertiefung in der Mitte der Spinndüsenplatte 1 einrastet.

Die Blaskerze 5 besteht aus einem porösen, jedoch mechanisch festen Material, beispielsweise aus Sintermetall, mehrlagigem Siebgewebe, Filtervlies mit Verstärkungseinlagen etc. Sie enthält in ihrem Inneren meist Verdrängerkörper oder sonstige Einbauten, die dem Erstellen eines bestimmten Blasluftprofils über der Kerzenlänge dienen sollen.

Beim Anspinnen wird die Anblasvorrichtung zunächst entfernt und erst wenn die frisch angesponnenen Fäden durch die Fadenführung 9 geführt sind und stabil abgezogen werden (mit Absaugpistole oder Abzugsvorrichtung) wieder eingeschwenkt und hochgefahren. Beim Einschwenken und Hochfahren tritt aus dem Ringschlitz 4 unter der Hutabdeckung 3 allseitig ein scharfer Luftstrahl aus, der die Fäden von der Anblasvorrichtung wegtreibt, sodass sie nicht daran hängenbleiben und abreissen können. Beim Erreichen der Endstellung wird der Luftstrahl durch das Einrasten des Zentrierstiftes 2 in die Düsenplatte 1 automatisch abgeschaltet.

Zum Verspinnen von stark oligomerhaltigem Material (z. B. von PA-6) sind Hut und Kerzenoberteil mit einer Heizvorrichtung versehen, die ein Kondensieren von Oligomeren auf der Blaskerze verhindert. Das gasförmige Kühlmedium wird der Blaskerze am unteren Ende über den flachen, seitlichen Kanalarm (8) zugeführt, der auch die Leitungen der übrigen Hilfsmedien in sich führt. Die beschriebene Anblasvorrichtung ist ungewöhnlich wirksam. Wie den nachfolgenden Beispielen zu entnehmen ist, können damit pro Spinnstelle mit noch konventionellen Abzugsgeschwindigkeiten Durchsatzleistungen von rund 2,5 t/Tag erreicht werden bei guter Faden- beziehungsweise Faserqualität.

Die Fäden sind beim Passieren der Fadenführung 9 genügend abgekühlt. Sie können unmittelbar anschliessend umgelenkt und seitlich abgezogen, das heisst in Kompaktfahrweise (ohne Fallschacht) verarbeitet werden.

Beispiele Beispiel 1:

Polyäthylenterephthalat-Granulat mit einer relativen Lösungsviskosität von 1,60 (gemessen als 1,0%ige Lösung in m-Kresol bei 20°C) wurde in einem 90 mm/24D Spinnextruder aufgeschmolzen und bei 293°C Schmelzetemperatur mit 996 g/min Durchsatzleistung ausgesponnen über eine Runddüse mit 1295 Rundbohrungen, angeordnet in 9 Lochkreisen. Der Bohrungsdurchmesser beträgt 0,4 mm.

Die Fäden wurden abgekühlt durch Innen-Zentralanblasen mit 450 kg/h Luft von 30°C und 65% rel. Feuchtigkeit über eine Sintermetall-Blaskerze mit 70 mm Innen- und 76 mm Aussendurchmesser, Kerzenlänge 530 mm, Huthöhe 30 mm (Verhältnis Luft- zu Schmelzedurchsatz 7,5:1,0).

Am Ende der Anblaszone passierten die Fäden einen Präparationsring von 180 mm Durchmesser und wurden dort mit 400 ml/min einer 0,5%igen Spinnpräparationslösung beaufschlagt. Die Fäden wurden anschliessend in einem Fadenführer 9 zusammengefasst, über Galetten mit 1500 m/min Geschwindigkeit abgezogen und über eine Haspel in Spinnkannen abgelegt.

Das Spinnkabel wurde auf der Faserstrasse mit einem Streckverhältnis von 1:3,5 verstreckt, fixiert, stauchgekräuselt, getrocknet und zu Faserstapeln von 38 mm Länge geschnitten.

Bei der Faserprüfung wurden folgende Ergebnisse erhalten: Titer: 1,53 dtex, Reissfestigkeit: 6,4 cN/dtex, Festigkeit bei 7% Dehnung: 2,2 cN/dtex, Reissdehnung: 20,4%.

Spinnprozess und Ablauf an der Faserstrasse waren störungsfrei. Die mobil gelagerte und mit einem Hilfs-Luftstrahl in Huthöhe gemäss der Beschreibung in der vorliegenden Patentanmeldung ausgerüstete Anblasvorrichtung konnte problemlos aus- und eingefahren werden.

Beispiele 2-5:

Gegenüber Beispiel 1 wurden in den Beispielen 2-5 folgende Bedingungen geändert:

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Abkühlen, Stabilisieren und Präparieren von schmelzgesponnenen Fäden, mit einer Düsenplatte mit ringförmig angeordneten Düsenlöchern, mit einer Anblasvorrichtung, und mit einer Präparationsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Anblasvorrichtung als parallel und rechtwinklig zur Spinnrichtung verschiebbare Zentralanblasvorrichtung für das gasförmige Kühlmedium in Form einer unter die Düsenplatte (1) zentral einschwenkbaren, am oberen Ende verschlossenen Filterkerze (5) ausgebildet ist, daß die Filterkerze (5) auf einem Kanalarm (8) angeordnet ist, und daß die Präparationsvorrichtung in Form eines Ringdüsenkopfes (7) mit einer Zuleitung für Spinnpräparationsmittel und einer Ableitung für überschüssiges Präparationsmittel unterhalb der Zentralanblasvorrichtung angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanalarm (8) mit Leitungen für das Kühlmedium und das Spinnpräparationsmittel versehen und an der Oberseite mit einem Fadenabweiser ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralblasvorrichtung an ihrem oberen Ende einen nach Beendigung des Einfuhrvorganges verschließbaren Ringschlitz (4) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des verschließbaren Ringschlitzes (4) radial oder schräg nach unten ausgerichtet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringdüsenkopf (7) aus mindestens einem Ringspalt und einer darunter liegenden Ringkehle besteht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterkerze (5) an ihrem oberen Ende einen Kerzenhut (3) aufweist, und daß der Kerzenhut (3) mit einer Heizvorrichtung ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem kegelförmigen Kerzenhut (3) der Filterkerze (5) ein Zentrierdorn (2) und an der Unterseite der Spinndüsenplatte (1) eine Vertiefung für den Zentrierdorn (2) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blaskerze (5) aus Sintermetall, mehrlagigem Siebgewebe, Filtervlies mit Verstärkungseinlagen oder dergleichen besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium Luft ist.