DE3904541A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung kuenstlicher faeden nach dem nassspinnverfahren mit spinnrohr - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur herstellung kuenstlicher faeden nach dem nassspinnverfahren mit spinnrohrInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung künst
licher Fäden aus Spinnlösungen nach dem Naßspinnverfahren,
bei dem wenigstens ein Teil des Spinnbads fadenbegleitend
durch ein Spinnrohr geführt wird, sowie eine hierzu geeig
nete Vorrichtung.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der Deutschen
Patentschrift 11 05 104 zur Herstellung von feintitrigen
Kunstseidefäden einerseits und Fäden mit hohem Titer
andererseits beschrieben. Es wird zur gezielten Beein
flussung der Hydrodynamik des Fadenbildungsprozesses einge
setzt, um den Reibungswiderstand zwischen dem sich bildenden
Faden und dem Spinnbad zu verringern.
Dies ist von besonderer Bedeutung bei der Herstellung hoch
fester Fäden aus regenerierter Cellulose, z. B. gemäß der
Deutschen Auslegeschrift 10 13 829. Das dort verwendete
Spinnbad wirkt sehr mild, so daß der sich bildende Faden
zunächst eine noch sehr geringe Festigkeit besitzt. Selbst
niedrige Abzugsgeschwindigkeiten können einen Fadenabriß
infolge der Reibungswirkung im Spinnbad nicht zuverlässig
verhindern.
Außerdem bewirkt eine Steigerung der Spinngeschwindigkeit
eine grundlegend andere Morphologie des ersponnenen Fadens,
die seine Eigenschaften zum Nachteil verändert. So sind aus
geprägte Mantel-Kern-Effekte zu beobachten, die durch eine
hohe Kristallinität im Außenbereich des Fadens charakteri
siert sind. Dies beeinträchtigt erheblich die Verarbeitbar
keit des Fadens, so verschlechtert sich z. B. die Anfärbbar
keit hinsichtlich Schnelligkeit und Gleichmäßigkeit.
Zur Lösung dieses Problems findet sich u.a. in der Literatur
(Götze, K., Chemiefasern nach dem Viskoseverfahren,
Springer-Verlag Berlin/Heidelberg/New York, 3. Auflage,
1967, S. 631) der Hinweis, das Spinnbad fadenbegleitend
durch ein Spinnrohr zu leiten, und zwar mit derselben Ge
schwindigkeit, mit der sich der zwischen Spinndüse und
erstem Abzugsorgan befindliche Faden fortbewegt. Reibungs
kräfte zwischen Faden und Spinnbad lassen sich auf diese
Weise weitgehend eliminieren und die Spinngeschwindigkeit
kann ohne Gefahr eines Fadenabrisses gesteigert werden.
Außerdem läßt sich eine Gleichmäßigkeit der Fadeneigen
schaften erzielen, die bei Spinnverfahren mit ruhendem
Spinnbad nicht möglich war.
In einer weiteren Publikation (Gribanenkov, A.V., Serkov,
A.T., Erspinnen von Viskosefasern nach dem Rohrspinnver
fahren, Lenzinger Berichte, Heft 59, August 1985) werden auf
der Basis grenzschichttheoretischer Untersuchungen Be
ziehungen zur Bestimmung des Reibungswiderstandes zwischen
Faden und Spinnbad in einem Spinnrohr abgeleitet. Hiermit
ist es theoretisch möglich, durch geeignete Wahl des Durch
messers des zylindrischen Spinnrohres den Reibungswiderstand
zwischen Faden und Spinnbad exakt auf den Wert Null zu
bringen. Dieser Wert wird als optimal bezeichnet, da dann
keine Scherkräfte auf den Faden ausgeübt werden.
Nun hat es sich aber gezeigt, daß sich auf diese Weise zwar
die Spinngeschwindigkeit gegenüber dem bisher praktizierten
Verfahren des freien Fadenabzugs aus dem ruhenden Spinnbad
wesentlich steigern läßt. Der Nachteil der o. g. Rohrspinn
verfahren besteht u. a. jedoch darin, daß eine sehr hohe,
kaum beherrschbare Menge an Spinnbad umgewälzt werden muß,
damit die erforderliche Spinnbadgeschwindigkeit im
Strömungskanal des Spinnrohres erreicht werden kann.
Gleichzeitig muß die Spinnbadgeschwindigkeit möglichst exakt
auf dem gewünschten Wert gehalten werden, um Schwankungen
der Struktur längs des ersponnenen Fadens zu vermeiden. Dies
stellt hohe Anforderungen an die Konstanz des Lieferdrucks
der eingesetzten Spinnbadpumpen und deren Regeleinrich
tungen.
Zusätzliche Probleme treten während des Anspinnvorgangs auf.
Üblicherweise wird ohne zusätzliche Hilfsmittel unmittel
bar von der Spinndüse in das Spinnrohr ausgespritzt, so daß
der sich bildende Faden von der Spinnbadströmung mitgenommen
und zum Spinnrohraustritt transportiert wird. Von dort wird
er auf die Fadenabzugsorgane geführt.
Häufig tritt jedoch der Fall ein, daß sich unmittelbar am
Spinndüsenaustritt eine sog. Viskoseglocke bildet, deren
Querschnitt größer ist als der Querschnitt des Strömungs
kanals des Spinnrohres und somit ein Durchtritt durch das
Spinnrohr nicht mehr möglich ist. Der Anspinnvorgang muß
abgebrochen und nach Austausch der Apparatur erneut ge
startet werden.
Besondere Schwierigkeiten treten bei feintritrigen Fäden
auf, bei denen Spinnrohre mit engen Querschnitten verwendet
werden. Hier genügen bereits kleinste Turbulenzen in der
Spinnbadströmung vor dem Eintritt in das Spinnrohr, um ein
sicheres Anspinnen und einen optimalen stationären Betrieb
zu verhindern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein
gattungsgemäßes Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem
die geschilderten Nachteile nicht mehr auftreten. Insbe
sondere sollte ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden,
das es erlaubt, nach dem Rohrspinnverfahren einen Faden mit
morphologischen Eigenschaften, vergleichbar denen eines aus
einem ruhenden Spinnbad mit niedriger Geschwindigkeit er
sponnenen Fadens, herzustellen. Weiterhin sollten Verfahren
und eine Vorrichtung hierzu erarbeitet werden, die ein
sicheres und einfaches Anspinnen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird bei den gattungsgemäßen Verfahren durch
die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1, 8 und 9, sowie
bei der gattungsgemäßen Vorrichtung durch das kennzeichnende
Merkmal des Anspruchs 10 gelöst.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, entgegen aller
bisher praktizierten Techniken zur Eliminierung des
Reibungswiderstandes zwischen Faden und Spinnbad nunmehr ge
zielt einen definierten, gleichbleibenden Reibungswiderstand
zu erzeugen. Dies gelingt am einfachsten dadurch, daß im
Strömungskanal eine Relativbewegung zwischen Faden und
Spinnbad realisiert wird, wobei die Strömungsgeschwindigkeit
des fadenbegleitenden Spinnbads niedriger ist als die Ab
zugsgeschwindigkeit des ersponnenen Fadens. Diese Relativ
bewegung bewirkt am Faden eine der Abzugsrichtung entgegen
gesetzte Kraft, die bei entsprechender Wahl der Geschwin
digkeitsverhältnisse zu einer Morphologie des Fadens führt,
die derjenigen entspricht, die man bei den eingangs er
wähnten Naßspinnverfahren mit freiem Abzug aus dem ruhenden
Spinnbad bei niedriger Geschwindigkeit erhält.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht, wenn das Verhältnis von
Badgeschwindigkeit zu Fadenabzugsgeschwindigkeit einen Wert
zwischen 0,15 und 0,95 aufweist.
Damit reduziert sich auch vorteilhafterweise die umzuwäl
zende Spinnbadmenge und macht das erfindungsgemäße Verfahren
für den industriellen Einsatz besonders interessant.
Unter dem Begriff Badgeschwindigkeit soll in diesem Zu
sammenhang der Quotient aus dem durch den Strömungskanal
geleiteten Volumenstrom des fadenbegleitenden Spinnbads zur
Querschnittsfläche des Strömungskanals des Spinnrohres am
Spinnrohraustritt verstanden werden, wobei die Querschnitts
ebene senkrecht zur Achse des Strömungskanals verläuft.
Der Begriff Fadenabzugsgeschwindigkeit bedeutet in diesem
Zusammenhang die Geschwindigkeit, mit der der ersponnene
Faden am ersten Abzugsorgan abgezogen wird.
Für beide Geschwindigkeitswerte gilt, daß diese in Abhän
gigkeit der gewählten Konfiguration beim Durchgang durch das
Spinnrohr nicht zwangsläufig konstant bleiben. So wird die
Badgeschwindigkeit u. a. vom Querschnittsverlauf des
Strömungskanals und von der Grenzschichtentwicklung an den
Kanalwänden und am Faden geprägt. Weiterhin erfährt der
Faden auf dem Weg von der Spinndüse zum Aufwickelorgan eine
Geschwindigkeitsänderung u. a. dadurch, daß er durch
chemische Reaktion während des Fadenbildungsprozesses
schrumpft und infolge des Reibungswiderstandes im Spinnbad
einen Verzug erfährt.
Vorteilhafterweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren das
Spinnrohr vertikal angeordnet und die Spinndüse unterhalb
des Spinnrohres plaziert, so daß senkrecht von unten nach
oben gesponnen wird. Dadurch wird erreicht, daß alle Kraft
einwirkungen auf den ersponnenen Faden symmetrisch wirken.
Dies ist beim erfindungsgemäßen Verfahren besonders wichtig,
da die gewünschte Morphologie nur über die gezielte Ein
stellung der Reibungskräfte am Faden möglich ist. Eine von
der vertikalen abweichende Anordnung bewirkt asymmetrische
Auftriebswirkungen des Fadens im Spinnbad mit der Folge, daß
der Faden zum einen ausgelenkt wird und andererseits, be
zogen auf den Fadenquerschnitt, eine Asymmetrie der Eigen
schaften durch asymmetrischen Kraftangriff auftreten kann.
Ein weiterer Vorzug dieser Fahrweise besteht darin, daß sich
der Anspinnvorgang ohne aufwendige Hilfsmittel durchführen
läßt, da der ersponnene Faden, vom begleitenden Spinnbad
mitgeführt, von selbst zur Oberfläche des Spinnbades auf
schwimmt und von dort auf einfache Weise dem Abzugsorgan
zugeführt werden kann.
Bei der Fahrweise mit vertikalem Rohr und einer Spinn
richtung von unten nach oben wird der für die Spinnbad
strömung im Strömungskanal des Spinnrohres erforderliche
Druck vorteilhafterweise über eine Niveaudifferenz erzeugt
und konstant gehalten.
Dies kann z. B. dadurch realisiert werden, daß das im Spinn
badreservoir befindliche Spinnrohr im Eintrittsbereich
Öffnungen aufweist und der Austrittsbereich gegenüber dem
Spinnbadreservoir abgedichtet und mit einem Spinnbadüberlauf
versehen ist, der in einem Sammelbehälter mündet.
Der Pegel im Spinnbadreservoir liegt höher als der Spinnbad
überlauf, so daß eine hydrostatische Druckdifferenz vor
handen ist. Diese bewirkt eine Spinnbadströmung aus dem
Spinnbadreservoir durch die Öffnungen im Eintrittsbereich
des Spinnrohres in den Strömungskanal des Spinnrohres hinein
und von dort weiter über den Spinnbadüberlauf in den Sammel
behälter. In Abhängigkeit der hydrostatischen Druckdifferenz
ist die Strömungsgeschwindigkeit im Spinnrohr auf einfache
Weise zu regulieren. Wichtig ist, daß der Pegel im Spinnbad
reservoir bzw. die hydrostatische Druckdifferenz konstant
gehalten werden. Es versteht sich von selbst, daß durch ge
eignete Maßnahmen die ablaufende Spinnbadmenge im Spinnbad
reservoir ersetzt werden muß. Dies kann beispielsweise durch
Zufuhr frischen Spinnbads und/oder Spinnbadrückführung er
folgen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die
Fadenabzugsgeschwindigkeit auf Werte über 100 m/min bis zu
500 m/min zu steigern, ohne die bisher damit verbundenen
Nachteile einer verschlechterten Morphologie des Fadens in
Kauf nehmen zu müssen. Versuche haben ergeben, daß eine
weitere Steigerung der Fadenabzugsgeschwindigkeiten auf
Werte über 500 m/min möglich ist, wenn entsprechende
Abzugsorgane verfügbar sind.
Es hat sich gezeigt, daß sich bei den genannten hohen Faden
abzugsgeschwindigkeiten eine Verbesserung der Spinnsicher
heit dadurch erzielen läßt, daß die Ausspritztemperatur der
Spinnlösung an der Düse mindestens auf die Temperatur des
Spinnbads eingestellt wird. Insbesondere bei sehr hohen
Fadenabzugsgeschwindigkeiten kann es von Vorteil sein, die
Ausspritztemperatur höher als die Spinnbadtemperatur zu
wählen.
Bei der Formgebung des Strömungskanals des Spinnrohres ist
darauf zu achten, daß möglichst konstante bzw. sich nur
langsam und kontinuierlich ändernde Reibungskräfte zwischen
Faden und Spinnbad ergeben.
Gute Erfolge wurden bei der Verwendung eines Spinnrohres mit
einem zylindrischen Querschnittsverlauf des Strömungskanals
erzielt. Dieser hat den Vorteil einer äußerst einfachen
Herstellung in Form einer Bohrung.
Für den Fall, daß eine absolute Konstanz der Badgeschwindig
keit im Strömungskanal des Spinnrohres erreicht werden soll,
ist die Verdrängungswirkung der Grenzschichten zu berück
sichtigen. So entwickelt sich eine Grenzschicht an der
Wandung des Strömungskanals sowie an der Kontaktfläche
zwischen Spinnbad und Faden. Die Verdrängungswirkung beider
Grenzschichten bewirkt eine scheinbare Verengung der Quer
schnittsfläche des Strömungskanals, die dadurch kompensiert
werden kann, daß sich der Querschnitt des Strömungskanals in
Strömungsrichtung entsprechend der Verdrängungswirkung
stetig erweitert. Dabei sind ggf. auch die Querschnitts
änderungen des ersponnenen Fadens beim Durchgang durch das
Spinnrohr mit zu berücksichtigen.
Zur Vereinfachung des Anspinnvorgangs bei derartigen Spinn
verfahren wird erfindungsgemäß die Querschnittsfläche des
Strömungskanals des Spinnrohres vorübergehend vergrößert
bzw. das Spinnrohr in seiner Längserstreckung vorübergehend
geöffnet.
Bei der erstgenannten Verfahrensvariante kann die Ver
größerung des Querschnitts des Strömungskanals beispiels
weise dadurch erreicht werden, daß ein Reduziereinschub aus
dem Spinnrohr entfernt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Hälfte des
Strömungskanals durch den Reduziereinschub gebildet. Bei
entferntem Reduziereinschub steht ein erweiterter Strömungs
kanal zur Verfügung, der ein sicheres und problemloses An
spinnen ermöglicht. In vielen Fällen ist es ausreichend, den
Querschnitt auf das Doppelte zu vergrößern.
Nach dem Erreichen stabiler Spinnbedingungen wird der
Reduziereinschub in das Spinnrohr langsam eingeführt, so daß
der Faden in den sich verengenden Strömungskanal gezwungen
wird. Nach Beendigung des Einschubvorgangs läuft der Faden
stationär im Strömungskanal.
ln der zweiten Verfahrensvariante wird erfindungsgemäß für
den Anspinnvorgang das Spinnrohr in seiner gesamten Längs
erstreckung vorübergehend geöffnet. Das Anspinnen erfolgt
somit unter ähnlichen Bedingungen wie bei Naßspinnverfahren
mit ruhendem Spinnbad. Durch das freie Ausspinnen in das
Spinnbad wird die Fadenbildung erleichtert, der ersponnene
Faden kann trotz eventueller Verdickungsstellen ungehindert
zur Spinnbadoberfläche aufschwimmen. Von dort wird der Faden
der Abzugseinrichtung zugeführt.
Nachdem sich stationärer Zustand eingestellt hat, wird das
Spinnrohr geschlossen, der Faden läuft nunmehr durch das
Spinnrohr.
Durch diese Verfahrensvariante lassen sich die für Rohr
spinnverfahren typischen Anspinnprobleme auf einfache Weise
lösen. In vielen Fällen ermöglicht das erfindungsgemäße
Verfahren erstmalig die Realisierung optimaler Verfahrens
parameter. Insbesondere ist es nunmehr möglich, Spinnrohre
mit sehr engen Strömungskanälen zu verwenden.
Zur Durchführung des Verfahrens hat sich eine Vorrichtung
als besonders geeignet erwiesen, bei der das Spinnrohr in
seiner gesamten Längserstreckung zweigeteilt ist. Es können
geeignete, dem Fachmann ohne weiteres geläufige Führungs
mittel vorhanden sein, durch die das für den Zeitraum des
Anspinnvorgangs zu entfernende Teil des Spinnrohres auf
einer definierten Bahn bewegt wird. Dies erleichtert ins
besondere das Zusammenführen beider Teile des Spinnrohres
nach dem Anlegen des Fadens, da eine Berührung zwischen
Faden und Spinnrohr, beispielsweise durch unbeabsichtigtes
Verkanten eines Spinnrohrteils, vermieden werden muß.
Die Führungsmittel können vorteilhafterweise so gestaltet
sein, daß in der jeweiligen Endstellung das Spinnrohrteil
gegen Verschiebungen gesichert ist. Insbesondere muß sicher
gestellt sein, daß das Spinnrohr im stationären Spinnbetrieb
geschlossen bleibt und nicht durch Reibungskräfte des
strömenden Spinnbades geöffnet wird.
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung künstlicher Fäden aus Spinn
lösungen nach dem Naßspinnverfahren, bei dem wenigstens
ein Teil des Spinnbads fadenbegleitend durch ein Spinn
rohr geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver
hältnis der Geschwindigkeit des fadenbegleitenden
Spinnbads (Badgeschwindigkeit) zur Geschwindigkeit des
ersponnenen Fadens (Fadenabzugsgeschwindigkeit) einen
Wert im Bereich von 0,15 bis 0,95 aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
bei im wesentlichen vertikaler Anordnung des Spinnrohres
von unten nach oben gesponnen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der für die Spinnbadströmung im Strömungskanal des
Spinnrohres erforderliche Druck über eine Niveau
differenz des Spinnbades erzeugt und konstant gehalten
wird.
4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenabzugsgeschwindig
keit zwischen 100 und 500 m/min liegt.
5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ausspritztemperatur der
Spinnlösung in die Nähe der Temperatur des Spinnbads
angehoben wird.
6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Spinnrohr mit
zylindrischem Strömungskanal verwendet wird.
7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Spinnrohr mit einem sich
in Strömungsrichtung stetig erweiternden Strömungskanal
verwendet wird.
8. Verfahren zur Herstellung künstlicher Fäden aus Spinn
lösungen nach dem Naßspinnverfahren, bei dem wenigstens
ein Teil des Spinnbads fadenbegleitend durch ein Spinn
rohr geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum An
spinnen die Querschnittsfläche des Strömungskanals des
Spinnrohres vorübergehend vergrößert wird.
9. Verfahren zur Herstellung künstlicher Fäden aus Spinn
lösungen nach dem Naßspinnverfahren, bei dem wenigstens
ein Teil des Spinnbads fadenbegleitend durch ein Spinn
rohr geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum An
spinnen das Spinnrohr in seiner gesamten Längser
streckung vorübergehend geöffnet wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Spinnrohr in
seiner gesamten Längserstreckung zweigeteilt ist.
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