DE3729062A1 - Verfahren zur herstellung praeparationsfreier verstreckter fasern - Google Patents
Verfahren zur herstellung praeparationsfreier verstreckter fasernInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung
präparationsfreier Chemiefasern aus Hochpolymeren, mit
Glasübergangstemperaturen von über 100°C, durch
Schmelzspinnen und nachfolgende Verstreckung über beheizte
Galetten.
Eine unerläßliche Verfahrensmaßnahme bei der herkömmlichen
Herstellung von Chemiefasern und eine Voraussetzung für die
meisten Weiterverarbeitungsoperationen wie z.B. die
Herstellung von Filamentgarnen Spinnfasern und
Spinnfasergarnen ist das Aufbringen einer geeigneten
Präparation auf die Oberfläche der ersponnenen Filamente.
Diese Präparation hat sehr vielfältige und sich zum Teil
geradezu widersprechende Aufgaben im Herstellungs- und
Verarbeitungsprozeß zu erfüllen und die Fachwelt hat viel
Mühe aufgewendet, um Zubereitungen zu finden, die alle
diese Aufgaben in optimalem, ausgewogenem Maß erfüllen.
So sollen die Präparationen die Ausbildung elektrostatischer
Ladungen auf den Filamenten verhindern, die Reibung der
Filamente an den Fadenführungsorganen und auch die Faden/
Fadenreibung herabsetzen, gleichzeitig aber eine für den
Fadenschluß ausreichende Filamenthaftung gewährleisten, die
aber z.B. bei der Herstellung von Spinnfasern (Stapelfasern),
keinesfalls die Öffnung der Filamentpaketchen verhindern
darf, und sie muß last not least einen einwandfreien
Streckvorgang gewährleisten.
Üblicherweise werden daher Chemiefasern unmittelbar nach
dem Schmelzspinnen und noch vor einer eventuellen
Zwischenspulung bzw. der Verstreckung die über beheizte
Galetten erfolgt, mit einer Präparation versehen. Die
Substanzen und Substanzmischungen die alle die von
Präparationen geforderten Eigenschaften in hohem Maß
aufweisen, werden in der Regel entweder als wäßrige
Lösungen oder Emulsionen oder wasserfrei auf der Basis von
Mineralöl auf die Filamente aufgebracht. Der erste Auftrag
erfolgt in der Regel bereits vor oder beim ersten
Zusammenführen der ersponnenen Einzelfilamente durch
Präparationswalzen oder mit sogenannten
Präparationsfadenführungsorganen. Die auf die Filamente
aufgebrachte Präparation, bildet nach dem Verdampfen des
Wassers bzw. der flüchtigen Anteile der Mineralölphase im
Verlauf des Produktionsprozesses einen auf den Filamenten
verbleibenden Überzug, der ihnen die erforderlichen
Laufeigenschaften vermittelt.
Eine nicht ausreichende Präparationswirkung führt in aller
Regel bereits in der unmittelbar an die Präparationsstufe
anschließenden Produktionsstufe, dem Strecken der Filamente,
zu Schwierigkeiten. Wird auf einen Präparationsauftrag
völlig verzichtet, so ist nach bisher üblichen Verfahren
eine Faserproduktion nicht mehr möglich. Nach bisherigen
Verfahren hergestellte Chemiefasern weisen daher stets
einen Präparationsauftrag an ihrer Oberfläche auf.
Für spezielle Einsatzgebiete werden jedoch entgegen den
üblichen textilen und nicht-textilen Verwendungen
Chemiefasern ohne Präparationsauftrag gewünscht
(Chemiefasern soll hier als Oberbegriff für Filamente,
Spinnfasern und Garne verstanden werden.) Es ist daher
erforderlich, die in bisher üblicher Weise hergestellten
Chemiefasern anschließend mit Wasser (und
Waschmittelzusätzen) oder mit Lösungsmitteln zu waschen,
um sie von dem oberflächlichen Präparationsauftrag wieder
zu befreien. Die restlose Entfernung der Präparation von
der Faseroberfläche durch eine solche Nachbehandlung ist
nicht nur aufwendig, teuer und umweltbelastend, sondern
oftmals auch gar nicht vollständig möglich, weil bei den
hohen Temperaturen denen die Chemiefasern bei ihrer
Herstellung ausgesetzt sind, Präparationsbestandteile
fest mit der Faseroberfläche verbunden oder unlöslich
werden können.
Ein wichtiges Anwendungsgebiet von Chemiefasern, das noch
stets zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist ihre Verwendung
zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen. Speziell
für diesen Einsatz aber werden präparationsfreie
Faseroberflächen gefordert.
Auch wenn wegen der Anforderungen bei der Weiterverarbeitung
zu Garnen für den Textilsektor präparierte Fasern gewünscht
werden, kann es vorteihaft sein, die Filamente bis hinter
die letzte beheizte Galette frei von Präpration zu halten,
weil das Entstehen von Präparationsdämpfen und die
Ablagerung von Präparationsrückständen auf den beheizten
Galetten vermieden wird. In diesem Fall kann die
Präparation zwischen der letzten heißen Galette und der
Aufspulung aufgebracht werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur
Herstellung vollständig präparationsfreier Chemiefasern mit
hoher molekularer Orientierung und den gewohnten
textiltechnologischen Kennwerten, bei dem die Filamente aus
Hochpolymeren mit einer Glasübergangstemperatur von über
100°C, durch Schmelzspinnen und anschließendes Verstrecken
mit vorgegebenem Verstreckverhältnis über beheizte Galetten
hergestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Filamente vor dem Verstrecken mit einer Flüssigkeit
beaufschlagt werden, die während des Streckvorgangs
rückstandsfrei verdampfen kann und daß die Temperatur der
Vorwärmgalette mindestens 40°C höher gewählt wird, als
bei der üblichen Fahrweise mit Präparation.
Flüssigkeiten, die während des Steckvorgangs rückstandsfrei
verdampfen können sind solche, die einen Siedepunkt im
Bereich von etwa 80 bis 220°C, vorzugsweise 90 bis 180°C
aufweisen. Soll eine organische Flüssigkeit eingesetzt
werden, so wählt man zweckmäßigerweise eine solche, die
eine hohe Zündtemperatur hat und sich aus der Abluft leicht
und vollständig enfernen und ggf. zurückgewinnen läßt.
Beispiele für solche Substanzen sind z.B. aliphatische,
OH-Gruppen und/oder Ethergruppen enthaltende Verbindungen
mit 2 bis 8, vorzugsweise 3 bis 6 C-Atomen wie z.B.
Alkanole, Glykole, Glykolmonoether oder Diglykolmonoether.
Besonders bevorzugt als rückstandsfrei verdampfbare
Flüssigkeit ist Wasser.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich im Prinzip zur
Herstellung von Chemiefasern aus allen bekannten und
denkbaren schmelzspinnfähigen Hochpolymeren mit einer
Glasübergangstemperatur von < 100°C.
Bekannte schmelzspinnfähige Hochpolymere, die eine
Glasübergangstemperatur von über 100°C (über 373°K)
aufweisen und die somit nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren zu schlichtefreien Chemiefasern versponnen werden
können, finden sich in vielen Gruppen von polymeren
Substanzen und Kondensationspolymeren, die aus der
einschlägigen Literatur (z.B. Encyclopedia of Polymer
Science and Engineering, Verlag John Wiley & Sons (1986),
Bd. 6, S. 707 bis 725; Kirk-Othmer Encyclopedia of
Chemical Technology, John Wiley & Sons, 3. Auflage, Bd. 18,
S. 595 bis 611; Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie,
Verlag Chemie, Weinheim/Bergstr., 4. Auflage, Bd. 11.
S. 206/207, 291 ff.) bekannt sind, z.B. in den Gruppen
der Polyester und Polyamide mit überwiegend aromatischen
Bausteinen, der vollaromatischen Polyether, der aromatischen
Polyurethane, der Polyarylensulfide, der Polybenzimidazole,
der Polyetherketone, der Polyethersulfone und der
Polyetherimide.
Technisch besonders wertvolle Hochpolymere, die nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren zu schlichtefreien Chemiefasern
verarbeitet werden können, sind solche der Reihe der
Polyetherketone, Polyethersulfone und Polyetherimide.
Anhand vorliegender Literatur (z.B. J. Brandrup, E. H.
Immergut, Polymer Handbook, Verlag Johon Wiley & Sons
(1975), Tab. S. III-139 bis III-179) oder durch einfache
bekannte analytische Untersuchung, können aus den
obengenannten Gruppen von schmelzspinnbaren Hochpolymeren,
solche ausgewählt werden, deren Glasübergangstemperatur
größer als 100°C ist. In gleicher Weise kann der Fachmann
feststellen, ob ein von ihm unter anderen Gesichtspunkten
ausgewähltes schmelzspinnbares Hochpolymer eine
Glasübergangstemperatur von < 100°C aufweist und somit nach
dem erfindungsgen Verfahren vorteilhaft zu schlichtefreien
Chemiefasern verarbeitet werden kann.
Es war überaus überraschend, daß es in technisch so
einfacher Weise gelingt, präparationsfreie Chemiefasern
ohne Durchführung eines aufwendigen Wasch- und
Reinigungsprozesses herzustellen.
Dies geht nicht nur daraus hervor, daß trotz der
offensichtlichen wirtschaftlichen Unsinnigkeit, zunächst
eine ausgefeilte Präparation auf die Fasern aufzubringen,
nach Fertigstellung des Fasermaterials diese Präparation
wieder mühsam abzuwaschen und schließlich auch noch das
Waschwasser in ökologisch unbedenklicher Weise
aufzubereiten, für die Herstellung präparationsfreier
Chemiefasern bisher kein einfacherer Weg beschritten wurde,
sondern es wird auch deutlich, wenn man den bisherigen
Chemiefaser-Herstellungsprozeß betrachtet und seine Reaktion
auf Änderungen der Verfahrensbedingungen beobachtet.
Wenn in üblicher Weise präparierte Chemiefasern aus
schmelzspinnbaren Hochpolymeren mit Hilfe von
Galettenpaaren (oder Einzelgaletten mit Verlegerollen)
verstreckt werden sollen, so werden sie normalerweise vor
der Verstreckung über ein beheiztes Galettenpaar geführt
und daran anschließend über mindestens ein weiteres
Galettenpaar, dessen Oberflächengeschwindigkeit um das
gewünschte Verstreckverhältnis über der
Oberflächengeschwindigkeit des ersten Galettenpaares liegt
und das gegebenenfalls beheizt sein kann. Der Fachmann
weiß, daß für eine störungsarme Verstreckung die
Oberflächentemperatur des ersten Galettenpaares etwa in der
Größenordnung der Glasübergangstemperatur (T g) des
Polymeren eingestellt werden muß und nicht stark von dieser
Temperatur nach oben abweichen darf. Die Einstellung
wesentlich höherer Oberflächentemperaturen führt dazu, daß
der Verstreckvorgang gestört wird, weil das Garn oder
einzelne Filamente an der Galettenoberfläche kleben. Auch
wird bei einer Oberflächentemperatur, die mehr als etwa 30°C
über der Glasübergangstemperatur des Polymeren liegt, bei
gegebenem Vertreckverhältnis nicht mehr eine gleich hohe
Orientierung erreicht, wie bei Wahl einer
Oberflächentemperatur zwischen T g und T g+30°C.
Die Temperatur der Vorwärmgalette, bei der sich eine
einwandfreie Verstreckung präparierter Fasern ergibt,
hängt in gewissem Ausmaß noch von den übrigen
Verfahrensbedingungen und von maschinellen Gegebenheiten
ab. Die Galettentemperatur zur Verstreckung präparierter
Fasern wird daher im Einzelfall routinemäßig optimiert.
Wenn man zur Herstellung präparationsfreier Chemiefasern,
insbesondere aus Hochpolymeren mit Glasübergangstemperaturen
über 100°C die üblicherweise verwendete Präparation
(entweder auf wäßriger Basis oder wasserfrei auf der Basis
von Mineralölen) durch eine Flüssigkeit ersetzt, die bei
der Strecktemperatur rückstandsfrei verdampfen kann,
z.B. durch reines Wasser, so beobachtet man bei
unveränderter Einstellung der Streckeinrichtung eine starke
Verschlechterung der Laufeigenschaften. Die Streckkraft
steigt stark an und beginnt sehr stark zu schwanken und
es treten sehr viele Brüche von Einzelfilamenten auf, bzw.
das gesamte Garn reißt.
Diese Verschlechterung des Laufverhaltens ist auch durch
eine mäßige Veränderung der Temperatur der Vorwärmgalette,
z.B. um 10 bis 20°C nach oben oder unten, nicht zu beheben.
Überraschenderweise hat sich nun aber gezeigt, daß
durch eine sehr starke Erhöhung dieser Temperatur, nämlich
um 40 bis 70°C, über die für das Verstrecken mit Präparation
optimale Temperatur hinaus, das Verstreckverhalten wieder
so verbessert werden kann, daß kein Unterschied mehr zur
Fahrweise mit Präparation besteht.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann die Wahl der
optimalen Galettentemperatur aus der Beobachtung des
Verstreckvorgangs erfolgen, der über lange Zeiträume
störungsfrei verlaufen soll oder durch Messung der
Flusenzahlen mit Hilfe handelsüblicher Meßgeräte. Bevorzugt
und exakter wird die Galettentemperatur aber so hoch
eingestellt, daß die Verstreckspannung bei gleichem
Verstreckverhältnis so hoch liegt, wie sie bei einer
Verstreckung mit Präparationsauftrag lag.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet also mit geringem
Aufwand die Herstellung präparationsfreier Fasern ohne
aufwendige Waschprozesse und zeigt einen Weg, die
Entstehung unerwünschter Präparationsdämpfe und Ablagerungen
beim Verstrecken über beheizte Galetten zu vermeiden.
Die folgenden Ausführungsbeispiele veranschaulichen die
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich
zum herkömmlichen.
Dieses Vergleichsbeispiel beschreibt die Verstreckung von
Fäden aus einem aromatischen Polyetherketon, die in
üblicher Weise nach dem Spinnen mit einer Präparation
versehen wurden: Ein handelsübliches aromatisches
Polyetherketon (® Victrex PEEK der Fa. ICI) wurde zu einem
Multifilament mit 50 Einzelfilamenten versponnen und
unmittelbar nach dem Verspinnen in üblicher Weise mit
einer Präparation benetzt, die aus einer Emulsion von
6 Gew.-% Mineralöl und 9 Gew.-% nicht-ionogenen und
anionaktiven Emulgatoren in 85 Gew.-% Wasser besteht,
derart, daß etwa 1% (bezogen auf das Fasergewicht)
nicht wäßrige Präparationsbestandteile auf dem Spinnfaden
vorhanden waren.
Der so präpararierte Faden wurde über ein Streckwerk aus
4 Galettenpaaren verstreckt. Sie hatten die aus Tabelle 1
ersichtlichen Umfangsgeschwindigkeiten, Temperaturen und
Umschlingungszahlen:
Unter diesen Bedingungen war eine einwandfreie Verstreckung
möglich. Der verstreckte Faden hatte etwa 27 cN/tex
Reißfestigkeit und 40% Reißdehnung.
Das Vergleichsbeispiel 1 wurde wiederholt mit dem
Unterschied, daß anstelle der dort verwendeten Präparation
nur entsalztes Wasser auf die Filamente aufgebracht wurde.
Bei unveränderter Einstellung des Streckwerks traten so
viele Fadenbrüche auf, daß eine kontinuierliche Verstreckung
nicht möglich war. Auch eine Veränderung der Temperatur des
zweiten Galettenpaares von bis zu 20°C nach oben oder
unten, verbesserte den Streckverlauf nicht merklich.
Das Beispiel 2 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß
die Temperatur des zweiten Galettenpaares von 160°C auf
220°C erhöht wurde. Alle anderen Einstellungen wurden
beibehalten.
Unter diesen Bedingungen war wieder eine einwandfreie
Verstreckung möglich. Der verstreckte Faden hatte 28 cN/tex
Reißfestigkeit und 41% Reißdehnung.
In diesem Vergleichsbeispiel wurde die Maschineneinstellung
des Beispiels 3 beibehalten, der Spinnfaden wurde aber wieder
mit der in Beispiel 1 beschriebenen Präparation präpariert.
Unter diesen Bedingungen war eine kontinuierliche
Verstreckung wieder nicht möglich, weil sich der Faden auf
dem zweiten Galettenpaar längte, auf der Oberfläche haftete
und abriß.
In Tabelle 2 sind die wesentlichen Aussagen der Beispiele
nochmals zusammengefaßt.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung präparationsfreier
Chemiefasern durch Schmelzspinnen von Hochpolymeren
mit einer Glasübergangstemperatur von über 100°C und
anschließendes Verstrecken der Filamente mittels
Vorwärmgaletten und bei einem vorgegebenen
Verstreckverhältnis, dadurch gekennzeichnet, daß die
Filamente vor dem Verstrecken mit einer Flüssigkeit
beaufschlagt werden, die während des Streckvorgangs
rückstandsfrei verdampfen kann und daß die Temperatur
der Vorwärmgalette mindestens 40°C höher gewählt wird,
als bei der üblichen Fahrweise mit Präparation.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als rückstandsfrei verdampfende Flüssigkeit eine
aliphatische, OH-Gruppen und/oder Ethergruppen
enthaltende Verbindung mit 2 bis 8 C-Atomen oder Wasser
eingesetzt wird.
3. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß als rückstandsfrei
verdampfende Flüssigkeit reines Wasser eingesetzt wird.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der
Vorwärmgalette mindestens 50°C über der
Glasübergangstemperatur gewählt wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der
Vorwärmgalette so hoch eingestellt wird, daß die
Verstreckspannung bei vorgegebenem Verstreckverhältnis
derjenigen für präparierte Filamente entspricht.
6. Die nach dem Verfahren des Anspruch 1 hergestellten
Chemiefasern.
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