DE4002299A1 - Pan-trockenspinnverfahren aus dmac-loesungen bei erhoehter spinnschachtleistung mittels ueberhitztem dampf - Google Patents
Pan-trockenspinnverfahren aus dmac-loesungen bei erhoehter spinnschachtleistung mittels ueberhitztem dampfInfo
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- D01F6/02—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
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- D01D5/04—Dry spinning methods
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Trockenspinnen
von Dimethylacetamid DMAC-Lösungen, enthaltend
synthetische Polymere, insbesondere zu PAN-Fäden mit
mehr als 85 Gew.-% Acrylnitril in PAN- (Co)-Polymeren,
mit hohen Spinnschachtleistungen von mindestens 20 kg
PAN-Feststoff pro Spinnschacht und Stunde, unter Verwendung
von überhitztem Wasserdampf als Spinngas und
unter In-Schacht-Präparierungen mit Wasser oder wäßrigen
Präparationen.
Beim üblichen Trockenspinnen von PAN-Fasern (mit mehr
als 85 Gew.-% PAN, vorzugsweise mehr als 92 Gew.-% PAN)
wird die Spinnlösung (in hochpolaren Lösungsmitteln wie
Dimethylformamid oder Dimethylacetamid) durch Düsen in
senkrecht stehende Spinnschächte versponnen. Die Spinnlösung
wird dabei kurz vor den Düsen auf Temperaturen
zwischen 100-150°C erhitzt. Die Schachtwände sind auf
150-220°C geheizt. In Richtung der Fäden oder auch quer
dazu wird Heißluft vorbeigeführt. Der Gehalt an Sauerstoff
im Spinngas soll möglichst niedrig sein, um eine
Verfärbung der Spinnfäden und eine Zersetzung des hochpolaren
Spinnlösungsmittels, z. B. Dimethylformamid oder
Dimethylacetamid zu vermeiden. Im Spinnschacht verdampft
ein Großteil des Lösungsmittels (z. B. Dimethylacetamid)
und wird zusammen mit dem Spinngas unten am Schachtende
abgesaugt. Je nach Feinheit des Fadens werden Düsen mit
200-2000 Bohrungen verwendet. Bevorzugt werden dabei
Ringdüsen mit gleichmäßiger Flächenbelegung verwendet.
Die verfestigten, trockenen Spinnfäden werden mit einer
Geschwindigkeit von 200-500 m/min abgezogen. Das Spinngut
wird unterhalb des Spinnschachtes mit einer wäßrigen,
oder im Falle der Filamentherstellung, mit einer
öligen Avivage präpariert und auf Spulen aufgewickelt.
Die Leistung eines solchen Trockenspinnschachtes wird
letztlich von der Geometrie der technischen Vorrichtung
und von der Wärmemenge bestimmt, die den Spinnfäden über
das heiße Spinngas und die Strahlung der beheizten
Schachtwände zugeführt wird (vgl. Ullmanns Enzyclopädie
Band 11, Seite 329, rechte Spalte).
In der Regel werden beim Trockenspinnen von PAN-Fasern
Spinnschachtleistungen von ca. 8-15 kg PAN-Feststoff pro
Spinnschacht und Stunde erzielt. Spinnschachtleistungen
von über 20 kg/Std. sind beim Trockenspinnen zwar bereits
in DE-AS 17 60 377 bekannt geworden, bei dem zitierten
Verfahren wird jedoch ein maximaler Ausstoß von
32 kg/h nur mit einem speziellen Spinnkopf erzielt. Die
aus einer zylindrisch und konzentrisch unterteilten Düse
mit jeweils 1000 Spinnöffnungen austretenden Spinnlösungsstrahlen
werden dabei mit einem nach innen zur
Mitte der Spinndüse gerichteten Gasstrom aus Kemp-Gas
angeblasen, wobei vorzugsweise mit unterschiedlichen
Temperaturen durch getrennte Aufheizung der Spinnlösung
gefahren wird und die Spinnlösungsstrahlen mit unterschiedlichen
Temperaturen aus den Spinndüsensegmenten
ausgetragen werden. Offensichtlich lassen sich bei diesen
hohen Spinnschachtleistungen Spinnfehler nur durch
den komplizierten Spinnkopf mit unterschiedlichen Strömungsverhältnissen
des Spinngases in Düsennähe und den
unterschiedlichen Spinnlösungstemperaturen, vermeiden.
Die Spinnschachtleistung L läßt sich aus dem Gesamtspinntiter
GST (dtex) wie folgt berechnen:
Der Gesamtspinntiter GST (dtex = g/10 000 m) läßt sich
nach folgender Gleichung errechnen:
mit
GST = Gesamtspinntiter (dtex)
P = Pumpenvolumen (cm³)
U = Umdrehungen pro Minute (min-1)
K = Konzentration der Spinnlösung (g/cm²)
A = Abzugsgeschwindigkeit (m/min)
GST = Gesamtspinntiter (dtex)
P = Pumpenvolumen (cm³)
U = Umdrehungen pro Minute (min-1)
K = Konzentration der Spinnlösung (g/cm²)
A = Abzugsgeschwindigkeit (m/min)
In letzter Zeit sind mehrere Verfahren zur kontinuierlichen
Herstellung von PAN-Fasern nach der Trockenspinnmethode
bekanntgeworden (vgl. z. B. DE 33 08 657, DE
32 25 266 und DE 36 30 245).
Nach diesen Verfahren der kontinuierlichen Nachbehandlung
war es daher sehr wünschenswert, die Kapazität bei
der Trockenverspinnung diesen neuen Nachbehandlungsschritten
anzupassen und möglichst zu erhöhen, d. h. die
spezifische Spinnschachtleistung der Nachbehandlungsverfahren
anzupassen.
Wie dem Fachmann bekannt, läßt sich eine Kapazitätssteigerung
im Spinnschacht vornehmlich über die Düsenlochzahl,
den Spinnabzug und die Durchsatzmenge sowie über
die den Fäden zur Verfügung gestellte Wärmemenge erzielen.
Einer Erweiterung dieser Parameter sind nun aber
technische Grenzen gesetzt. So kann man z. B. bei vorgegebener
Schachtgeometrie (Schachtlänge und Schachtdurchmesser)
die Düsenlochzahl nicht beliebig erhöhen bzw.
den Spinnabzug und Spinnlösungsdurchsatz steigern, weil
dann die Spinnfäden nicht mehr trocken werden bzw. verkleben.
Einer Erhöhung der Spinngasmenge sind wegen auftretender
Schwingungen und Turbulenzen im Spinnschacht
ebenfalls Grenzen gesetzt. Die Spinngastemperaturen lassen
sich im Falle von Luft als Spinngas nicht wesentlich
über 400°C steigern, weil man dann in den Bereich der
Selbstentzündung von Luft/DMF-Gemischen im Explosionsbereich
gelangt und somit sicherheitstechnische Grenzen
vorgegeben sind. Schachtoberflächentemperaturen über
220°C verursachen durch thermische Zersetzung des PAN,
das in Kontakt mit der Schachtinnenwand gekommen ist,
eine Zündquelle, die ein Luft/DMAC-Gemisch im Explosionsbereich
zündet. Ferner treten durch hohe Temperaturbelastungen
der Fäden bei Eintritt in die Umgebungsluft Rohtonprobleme
auf. Eine weitere Möglichkeit besteht darin,
die Schachtdimensionen zu vergrößern (längere und breitere
Spinnschächte) und damit die spezifische Gas- und
Energiezufuhr zu erhöhen, um zu höheren Spinnschachtleistungen
zu gelangen. Doch auch dieser Möglichkeit sind
natürliche Grenzen gesetzt. Einerseits müssen derartige
Trockenspinnvorrichtungen her einfach und unkompliziert
vom Personal zu bedienen sein, beispielsweise im Falle
des Anspinnens, beim Spinndüsenwechsel und bei der Beseitigung
von Spinnstörungen, andererseits müssen auch
bestimmte Sicherheitsvorschriften, z. B. in bezug auf
Schachtbrand- und Verpuffungsgefahr, eingehalten werden.
Aus all diesen Überlegungen geht hervor, in wie vielfältiger
Weise eine Erhöhung der Spinnschachtkapazität
von den gegebenen Randbedingungen abhängt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Trockenspinnverfahren
für PAN-Fasern (Homo- und (bevorzugt) Co-Polymerisate
mit mehr als 85 Gew.-%, besonders mit
92 Gew.-% Acrylnitrilanteil im Polymeren) und mit Dimethylacetamid
als Lösungsmittel, mit erhöhten Spinnschachtleistungen
von mindestens 20 kg PAN-Feststoff pro
Spinnschacht und Stunde zur Verfügung zu stellen, welches
möglichst sicher zu führen ist und Fäden mit sehr gutem
Rohton - trotz hoher Spinnleistungen - ergibt, ferner
eine verminderte Zersetzung von Dimethylacetamid bei den
Spinnbedingungen ergibt.
In den nicht vorveröffentlichten, eigenen deutschen Anmeldungen
P 38 32 871.2 und P 39 26 857.8 (mit innerer
Priorität angemeldet) wurden bereits die Ergebnisse für
Dimethylformamid als Lösungsmittel niedergelegt.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß man die
vorstehende Aufgabe lösen kann, wenn man überhitzten
Wasserdampf als Spinngasmedium zuführt und bei vorgegebener
Spinnschachtgeometrie mindestens 0,09 kWh pro
m² beheizter Schachtwand und pro kg PAN-Feststoff an
Energie den Spinnfäden zuführt. Dieser spezifische
Energieverbrauch setzt sich aus der Energie des zugeführten
Spinngases und der elektrischen Energie, die zum
Aufheizen des Spinnschachtes benötigt wird, zusammen.
Beide Energieverbräuche lassen sich durch Abgreifen mittels
Stromzangen an den entsprechenden Aggregaten in
Kilowatt (kW) angeben. Im Falle der Ermittlung der
Spinngasenergie erfolgt die Messung unmittelbar nach dem
Wärmetauscher, der zum Aufheizen des Dampfes dient. Die
Spinndampfmenge wird über entsprechende Meßblenden ermittelt.
Die beheizte Fläche der Schachtwand (in m²) errechnet
sich im Falle der verwendeten Rundschächte nach
der Formel für eine zylindrische Fläche aus Schachtlänge
(m) × Schachtdurchmesser (m) × π. Der angegebene spezifische
Energieverbrauch von 0,09 kWh pro m² beheizter
Schachtwand und pro kg durchgesetztem PAN-Feststoff
stellt die Untergrenze dar, bei der noch ein verklebungsfreies
Spinnen aus noch näher erläuterten Spinndüsen
mit Schachtleistungen von mindestens 20 kg PAN-Feststoff
pro Spinnschacht und pro Stunde möglich ist. Bei
geringerer spezifischer Energiezufuhr (vgl. Tabelle 1,
Beispiele Nr. 12 und 15) steigt die Fehlerrate im Spinngut
erheblich an. Die Qualität des Spinngutes wurde in
Anzahl Spinnfehler pro 100 000 Spinnkapillaren ermittelt.
Liegt die Anzahl der Spinnfehler unter 10 pro 100 000
Kapillaren, so kann man von einem guten Spinnbild sprechen.
Beim normalen Trockenspinnen mit Spinnschachtleistungen
von ca. 10 kg PAN-Feststoff pro Spinnschacht und
Stunde liegt der spezifische Energieverbrauch im Falle
von Luft als Spinngasmedium bei ca. 0,05 kWh pro m²
Heizfläche und pro kg PAN-Feststoff.
Aus der eingangs aufgezeigten Problematik hinsichtlich
der Schachtbrand-Verpuffungs- und Pyrolysegefahr bei
Überhitzung von PAN-Fäden, läßt sich nun die Energiezufuhr
nicht in dem gewünschten Maße einfach anheben, um
die Spinnschachtkapazität auf 20 kg PAN-Feststoff/Stunde
zu steigern. Einzelheiten über das Brennverhalten und
den Brennmechanismus von PAN-Fasern werden z. B. in Melliand
Textilberichte 53 (1972), Seiten 1395-1402, insbesondere
Seite 1400 und 58 (1977), Seiten 52-59, insbesondere
Seite 55 näher beschrieben. So liegt z. B. die
Zündtemperatur von PAN-Fasern bei 245°C (vgl. Chemiefasern/Text.-industrie
Juli 1972, Seite 611, rechte Spalte:
Thermische Kennwerte von Faserstoffen). Hierbei
tritt langsame Zersetzung von PAN-Fasern ein, wobei auch
giftige Pyrolyseprodukte entstehen.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß man trotz
hoher spezifischer Energiezufuhr von mindestens
0,09 kWh/m² Heizfläche pro kg PAN, was aus den oben erwähnten
Gründen zunächst nicht vernünftig technisch
realisierbar erscheint, trotzdem mit hoher Spinnschachtkapazität
von mindestens 20 kg PAN-Feststoff/Stunde
Trockenspinnen kann, wenn man nicht nur mit überhitztem
Wasserdampf als Spinngas arbeitet, sondern auch die
Fadentemperatur der Spinnfäden noch innerhalb des heißen
Spinnschachtes, vorzugsweise im unteren Schachtbereich
durch Beaufschlagen mit Wasser oder einer wäßrig-ölhaltigen
Präparation soweit senkt, daß die Temperatur der
Spinnfäden, bevor sie den Schacht verlassen und mit
Luftsauerstoff in Berührung kommen, unterhalb 135°C,
vorzugsweise unterhalb 130°C, liegt und als Spinngas
überhitzten, praktisch tröpfchenfrei aufbereiteten
Wasserdampf in bestimmten Mengen benutzt. Normalerweise
erfolgt die Erstpräparation beim PAN-Trockenspinnverfahren
außerhalb des Schachtes vor Ablage in der Spinnkanne.
Vergleiche hierzu R. Kleber: Avivagen und Avivierungsmethoden
bei Chemie-Schnittfasern und -kabeln, Melliand
Textilberichte 3/1977, Seiten 187-194, insbesondere
Seite 188 oben. Eine geeignete Vorrichtung zur
Präparation der Spinnfäden ist z. B. in der Anmeldung
DE 35 15 091 näher beschrieben. Die Mindestmenge an
Feuchte, die notwendig ist, um die Fäden auf Temperaturen
unterhalb 135°C abzukühlen und noch einen brauchbaren
Bandschluß der Einzelfäden für die Weiterverarbeitung,
z. B. in einem Kontiverfahren bzw. für die Aufwicklung
auf einer Spule zu erreichen, beträgt mehr als
10,0 vorzugsweise 11-20 Gew.-%, bezogen auf PAN-Feststoff.
Bei niedrigeren Feuchtemengen erhält man
flusiges Material, welches zur Wickelbildung neigt.
(Nähere Einzelheiten vergleiche Tabelle 2).
Wird, wie oben erwähnt, die Fadentemperatur des Spinngutes
nicht unter 135°C abgesenkt, so beobachtet man bei
höheren Fadentemperaturen das Auftreten von Verklebungen,
wie oben geschildert. Bei weiterem Anstieg der
Fadentemperaturen tritt (bei Austritt an Luft) eine
starke Vergilbung und gegebenenfalls anschließende
Selbstentzündung ein.
Die Temperatur der Spinnfäden wurde berührungslos mit
dem Strahlungsthermometer KT 15 (Hersteller Fa. Heimann
GmbH, Wiesbaden, BRD) unmittelbar nach Austritt der
Fäden aus dem Spinnschacht gemessen. Die Herstellung
von PAN-Fäden nach dem Trockenspinnverfahren mit überhitztem
Wasserdampf ist zwar schon früh im Stand der
Technik (DE-AS 10 12 027) erwähnt worden. Eine Regel für
technisches Handeln zur Herstellung von PAN-Fasern mit
einer Mindestschachtkapazität von 20 kg PAN-Feststoff
pro Stunde läßt sich aus dem bekannten Verfahren aber
nicht ableiten, da die zitierte Auslegeschrift keinerlei
Beispiele enthält. Ferner konnte das Verfahren nach der
Lehre von Hauptanspruch 1 nicht nachvollzogen werden,
da es beim Trockenspinnen von PAN-Fäden in überhitzter
Dampfatmosphäre zu Verkohlungen und statischer Aufladung
der Fäden beim Bündeln oder Berühren mit Metallteilen
des Schachtes kommt. Dieses Manko und die nicht unproblematische
Behandlung des Spinngutes läßt sich nun
überraschenderweise durch die beanspruchte Präparierung
und Feuchtemenge des Spinngutes innerhalb des Schachtes
vor Kontakt der Spinnfäden mit Luftsauerstoff, unter
Abkühlung der Spinnfäden auf Fadentemperaturen unterhalb
135°C, vorzugsweise unterhalb 130°C, vermeiden.
Es ist mit DE-A-27 13 456 ein Dampfspinnverfahren bekannt
geworden, das zur Herstellung hydrophiler PAN-Fasern
geeignet ist, welches aber mit gesättigtem Wasserdampf
(nicht wie erfindungsgemäß beansprucht mit
überhitztem Wasserdampf) arbeitet. Bei dem zitierten
Verfahren erhält man aber mattierte, hydrophile, Kern-Mantelstruktur
aufweisende Fäden mit rundem Querschnitt,
anstelle der sonst beim Trockenspinnen üblichen Hantelform
und kompakten Fasern. Setzt man den gesättigten
Wasserdampf ein, so wirkt der Dampf bei niedrigen Energiebedingungen
im Schacht (niedrige Schacht- und Lufttemperatur)
nicht nur als Spinngas zur Aufnahme von DMF
aus der PAN-Spinnlösung, sondern auch als Fällungsmittel
für das Polyacrylnitril, da Wasser ein Nichtlösungsmittel
für Polyacrylnitril ist. Es entsteht an der Fadenaußenfläche
ein Mantel höherer Dichte infolge Polyacrylnitrilfällung,
so daß weiteres Spinnlösungsmittel aus
dem Fadeninnern nur erschwert nach außen in den Schacht
diffundiert. Die stark lösungsmittelhaltigen Kern-Mantelstruktur
aufweisenden Fäden müssen durch Wässerung
vom Lösungsmittel befreit werden.
Das Spinnen in durch Zuführung überhitzten Wasserdampfs
und auch weiterhin in überhitzter Wasserdampfatmosphäre
weist noch weitere Vorteile auf, die erfindungsgemäß zur
Erhöhung der Spinnschachtkapazität benutzt worden sind:
- a) Beim Trockenspinnen mit überhitztem Dampf ist bei gleichem Spinngasvolumen im Vergleich zu Luft eine höhere Energiezufuhr möglich.
- b) Infolge Sauerstoffabwesenheit im Spinnschacht sind höhere Spinngas- und Schachttemperaturen möglich (z. B. Spinndampftemperaturen < 360°C, bevorzugt 400°C, Schachttemperaturen 240°C, während sonst Schachttemperaturen < 220°C bereits zu Entzündungsgefahren für das Polymere führen).
- c) Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden extrem niedrige Rest-Lösungsmittelgehalte beim Dampfspinnen, trotz der sehr hohen Spinnschachtleistungen von mindestens 20 kg PAN-Feststoff pro Stunde und Schacht erhalten. Hierdurch erhält man erfindungsgemäß trotz des Hochleistungs-Spinnens eine sehr niedrige Spinnfehlerquote. Lösungsmittelreichere Fäden nach dem Stand der Technik, aus hohen Lochzahlen gesponnen, neigen dagegen stark zu Verklebungen. Wasserdampf zeigt hier definierte Vorteile über Luft oder Stickstoff oder andere inerte Gase.
Beim Trockenspinnen erfolgt die Spinngaszufuhr im allgemeinen
oberhalb der Spinndüse in Parallelströmung zu
den Spinnfäden. Wie Spinnversuche mit Spinnschachtleistungen
von mindestens 20 kg PAN-Feststoff/Stunde zeigten,
sind bei diesen Spinnschachtleistungen Dampfmengen
von mindestens 50 kg/Stunde erforderlich, um die Fehlerrate
beim Spinnen kleiner 10 pro 100 000 Kapillaren zu
halten (vgl. Tabelle 1, Beispiel 9).
Die Verspinnung erfolgt im allgemeinen über Düsen mit
hohen Lochzahlen, vorzugsweise Ringdüsen mit auf mehreren
Lochkränzen verteilten Bohrungen.
Einen weiteren Einfluß beim Trockenspinnen spielt die
Lochdichte L. Die Lochdichte L ist definiert als Anzahl
der Düsenlöcher pro cm² Düsenfläche. Je geringer der
Lochabstand auf der Düsenfläche ist, um so schwieriger
gelangt das Spinngasmedium an die einzelnen Fäden. Überraschenderweise
ließen sich beim Spinnen mit überhitztem
Dampf noch Ringspinndüsen mit einer Lochdüse einer Lochdichte
L von 10,5/cm² erfolgreich einsetzen. Normalerweise
sind beim Trockenspinnen aus Ringdüsen Lochdichten
L zwischen 4-6-Löcher/cm² üblich.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des
Trockenspinnens wird das Spinngas im oberen Teil des
Schachtes zugeführt und strömt anschließend über einen
zylindrischen Gasverteiler mit gasdurchlässiger Zylinderwand
die Fäden von innen nach außen an (vgl. DE-A-34 24 343).
Wie entsprechende Spinnversuche mit Luft als
Spinngas zeigten, treten bei Ringdüsen mit mehr als ca.
1200-Loch und Lochdichten größer 6-Loch/cm² erhebliche
Spinnstörungen in Form von Titerschwankungen, Verklebungen
und Dick-, Dünnstellen an den Filamenten auf,
wenn man die Spinnschachtleistung auf < 20 kg/Stunde
erhöhen will (vgl. die gleichzeitig eingereichte Patentanmeldung
Le A 25 998 (P 38 32 872.0)).
Führt man nun entsprechende Spinnversuche mit überhitztem
Wasserdampf (entsprechend der Erfindung) anstelle
von Luft durch, so kann man völlig unerwarteterweise
feststellen, daß man auch beim Spinnen mit zylindrischen
Gasverteilern aus Spinndüsen sehr hoher Lochzahl (z. B.
1638-Loch; vgl. Beispiel 2) und wesentlich höherer Lochdichte
zu Spinnschachtleistungen oberhalb 20 kg PAN-Feststoff
pro Stunde und Schacht bei einem sehr guten
Spinnbild gelangen kann. Wird der überhitzte Spinndampf
quer zur Fadenrichtung auf die Spinnfäden geblasen (vgl.
Tabelle 1, Beispiel 13), so reichen bereits 40 kg/h
überhitzter Wasserdampf aus, um ein einwandfreies Spinnbild
zu erzielen. Die Tatsache, daß man beim Spinnen mit
Queranblasung der Spinnfäden mit weniger Spinndampf auskommt,
beruht mit auf der intensiven Anblasung der
Spinnfäden bei Queranströmung, wie dies aufgrund von
Temperatur- und DMF-Gehalts-Messungen am Spinngut im
folgenden noch näher begründet wird.
Beim Dampfspinnen von PAN-Fasern und -fäden ist ferner
darauf zu achten, daß der eingesetzte überhitzte Spinndampf
völlig wasserfrei ist. Wassertropfen stören den
Spinnprozeß und führen zu büschelweisen Abrissen von
Fadenscharen unterhalb der Düse. Tröpfchenfreien Spinndampf
erhält man, indem man z. B. 15 bar-Netzdampf entwässert,
reduziert, anschließend über Wärmetauscher
schickt und dann erst dem Spinnschacht zuführt. Neben
diesem verbesserten Spinnverhalten bei hoher Spinnschachtkapazität
stellt man in überhitzter Wasserdampfatmosphäre
gegenüber dem normalen Trockenspinnen als
weiteren Vorteil erheblich niedrigere Lösungsmittel-Werte
(Dimethylacetamid-(DMAC)-Werte) im Spinngut fest.
Trotz hoher Spinnschachtleistungen von über 20 kg PAN-Feststoff
pro Stunde liegen die DMAC-Werte im Spinngut
unterhalb 30 Gew.-% vorzugsweise < 20 Gew.-%. Wie Temperaturmessungen
in Düsennähe bei laufenden Spinnversuchen
gleicher Versuchseinstellungen ergaben, liegt die Temperatur
des Spinndampfes bei Verwendung der zylindrischen
Gasverteiler mit gasdurchlässiger Zylinderfläche 30-40°C
niedriger bei Queranströmung des Spinngases als beim
Spinnprozeß mit Spinndampfeinspeisung parallel zur Fadenlaufrichtung.
So kühlt sich z. B. der 400°C heiße
Spinndampf, gemäß Beispiel 1, in Düsennähe nach DMAC-Sättigung
auf ca. 170°C bei Parallelanströmung der Fäden
ab, während bei Queranströmung der Fäden nur noch 135°C
gemessen werden. Dieses Phänomen kann man sich so erklären,
daß bei Queranblasung der Fäden eine intensivere
DMAC-Entfernung aus den Spinnfäden stattfindet. Deshalb
kühlt das Spinngasmedium entsprechend stärker ab. Dieser
Befund ist deshalb von so großer Bedeutung, weil bei hohen
DMAC-Werten im Spinngut es sehr leicht zu Verklebungen
einzelner Kapillaren in Form von sogenannten Borsten
kommen kann. Beim Spinnen hoher Schachtleistungen
aus hohen Lochzahlen muß man, wie dem Fachmann bekannt,
zwangsläufig mehr Spinnlösungsmittel verdampfen. Aufgrund
der intensiveren DMAC-Austreibung mit Spinndampf
statt Luft lassen sich daher trotz der sehr hohen
Spinnschachtleistungen nunmehr Fäden mit niedrigeren
Fehlerraten erzeugen.
Gegenstand der Erfindung ist somit insbesondere ein Verfahren
zur Herstellung von Polyacrylnitril-Fasern nach
der Trockenspinnmethode mit Wasserdampf als Spinngasmedium,
dadurch gekennzeichnet, daß zu verbesserten
Spinnschachtleistungen von mindestens 20 kg PAN-Feststoff
pro Spinnschacht und Stunde aus Düsen mit hohen
Lochzahlen, mit Spinngasanblasung von oben nach unten,
parallel oder quer zur Richtung der Fadenschar, bei
Spinnfehlerraten unter 10 pro 100 000 Filamenten und
DMAC-Gehalten im Spinngut < 30 Gew.-%, vorzugsweise
< 20 Gew.-%, aus Dimethylacetamid-Lösungen gesponnen
wird, wobei
- a) die Lochdichte der Ringspinndüsen maximal 10,5 Loch pro cm² Ringdüsenfläche ist,
- b) der Lochabstand der Ringdüse mindestens 2,8 mm ist,
- c) die Schachtwandtemperatur mindestens 225°C, vorzugsweise mindestens 240°C ist,
- d) der spezifische Energieverbrauch mindestens 0,09 kWh pro kg PAN-Feststoff pro m² Heizfläche ist,
- e) der in den Spinnschacht eingeführte überhitzte Wasserdampf eine Temperatur von mindestens 400°C aufweist und der überhitzte Wasserdampf praktisch tröpfchenfrei aufbereitet ist,
- f) die eingesetzte Dampfmenge mindestens 40 kg/h bei Queranblasung mit überhitztem Wasserdampf und bei paralleler Einführung des Wasserdampfes mindestens 50 kg/h ist,
- g) die Präparierung der Fäden bereits innerhalb des Spinnschachtes vorzugsweise mit Wasser oder einer wäßrig-ölhaltigen Avivage erfolgt,
- h) die Mindestmenge an Feuchtigkeit mehr als 10 Gew.-%, bezogen auf PAN-Feststoff ist, wobei die Befeuchtung der Fäden bei der Bündelung zwecks Bandschluß erfolgt und
- i) die Temperatur der Spinnfäden, gemessen am Schachtausgang unterhalb 135°C, vorzugsweise unterhalb 130°C, liegt.
Die folgenden Beispiele dienen der näheren Erläuterung
der Erfindung, ohne sie selbst einzuschränken. Alle
Prozentangaben beziehen sich, falls nicht anders vermerkt,
auf das Gewicht.
Der Weißgrad nach Berger WB wurde durch Messung der
Normfarbwerte X, Y, Z am Hunter-Dreifilterphotometer
bestimmt. Es gilt folgende Beziehung:
Wb = Ry + 3 (Rz - RX)
X = 0,783 Rx + 0,198 Rz
Z = 1,182 RZ
X = 0,783 Rx + 0,198 Rz
Z = 1,182 RZ
Ein Acrylnitrilcopolymerisat vom K-Wert 83, aus
93,6 Gew.-% Acrylnitril, 5,7 Gew.-% Acrylsäuremethylester
und 0,7 Gew.-% Natriummethallylsulfonat, wird bei
90°C in Dimethylacetamid gelöst, so daß eine 26,0%ige
Spinnlösung (Feststoff bezogen auf Lösungsmenge) entsteht.
Die Spinnlösung wurde auf 135°C in einem Vorwärmer
erwärmt und aus einer Ringspinndüse mit 1638-Löchern,
verteilt auf 13 Kränzen, zu je 126 Loch versponnen.
Der minimale Lochabstand beträgt 3,2 mm. Die
Lochdichte L beträgt 8,6 Löcher pro cm² und die runden
Düsenbohrungen wiesen einen Durchmesser von 0,2 mm auf.
Die Spinnfäden wurden mit 400°C heißem, überhitztem Wasserdampf
parallel zur Fadenlaufrichtung angeströmt. Es
wurden 50 kg überhitzter Wasserdampf pro Stunde als
Spinngas in und durch den Spinnschacht geschickt. Die
beheizte Spinnschachtfläche beträgt 7,6 m². Gesponnen
wurde bei 240°C Schachttemperatur. Es wurden 1590 cm³/min
Spinnlösung durch den Schacht gedrückt. Die Fäden
wurden mit 250 m/min abgezogen und noch innerhalb
des Spinnschachtes über 2 Y-förmige Gabeln, die einander
gegenüberstehen und höhenversetzt sind (nach DE-A-34 24 343),
gebündelt und gleichzeitig mit Wasser derart
benetzt, daß die Feuchte der Fäden 20,5 Gew.-%, bezogen
auf den Feststoffgehalt, ausmacht. Die Spinnfäden verlassen
den Spinnschacht mit einer Fadentemperatur von
rund 102°C. Die Spinnschachtleistung für den erzielten
Spinntiter von 9,5 dtex lag bei 23,3 kg PAN-Feststoff
pro Stunde. Das Spinngut hatte bis 20 Messungen weniger
als 5 Fehler pro 100 000 Kapillaren, wobei als Fehler
gewertet wurden: Verklebungen, dicke und dünne Filamente.
Der DMAC-Gehalt im Spinngut lag bei 12,1%. Der
Weißgrad nach Berger beträgt 47,7. Der Energieverbrauch
des Spinngases, gemessen nach dem Lufterhitzer vor Eintritt
in den Spinnschacht, beträgt 8,5 kWh und der Energieverbrauch
der beheizten Schachtwände wurde mit
8,8 kWh gemessen. Hieraus leitet sich ein spezifischer
Energieverbrauch von 0,097 kWh pro kg PAN-Feststoff und
pro m² beheizter Spinnschachtfläche ab.
Eine PAN-Spinnlösung, hergestellt gemäß Beispiel 1, wird
wiederum aus einer Ringspinndüse mit 1638-Löchern und
einer Lochdichte von 8,6 Löcher pro cm² versponnen. Die
Spinnfadenstrahlen wurden unterhalb der Düse mit 400°C
heißem, überhitzt in den Spinnschacht eingeführten Wasserdampf,
jedoch quer von innen nach außen, angeströmt,
wobei zur Spinngasverteilung ein Hohlzylinder mit gasdurchlässiger
Zylinderfläche diente, der einen Durchmesser
von 85 mm und eine Länge von 95 mm aufwies. Der
Boden des Zylinders war mit einer Metallplatte verschlossen.
Es wurden 51 kg überhitzter Wasserdampf pro
Stunde als Spinngas eingesetzt. Die beheizte Spinnschachtfläche
beträgt 7,6 m². Gesponnen wurde wiederum
bei 240°C Schachttemperatur. Es wurden 1840 cm³/min
Spinnlösung durch den Schacht gedrückt. Die Fäden wurden
mit 300 m/min abgezogen und noch innerhalb des Spinnschachtes,
wie in Beispiel 1 beschrieben, mit Wasser
derartig benetzt, daß die Feuchte der Fäden 15,5 Gew.-%,
bezogen auf den Feststoffgehalt, ausmacht. Die Spinnfäden
verließen den Spinnschacht mit einer Fadentemperatur
von ca. 122°C. Die Spinnschachtleistung für den
erzielten Spinntiter von 9,1 dtex lag bei 27,0 kg PAN-Feststoff
pro Stunde. Das Spinngut hatte (bei 20 Messungen)
weniger als 10 Fehler pro 100 000 Kapillaren.
Der DMAG-Gehalt im Spinngut lag trotz höherer Spinnschachtleistung
im Vergleich zu Beispiel 1 nur bei
10,9%. Der Weißgrad nach Berger beträgt 51,0. Der Energieverbrauch
des Spinngases lag wieder bei 8,5 kWh und
der Energieverbrauch der beheizten Schachtwände wurde
mit 13,4 kWh gemessen. Hieraus leitet sich ein spezifischer
Energieverbrauch von 0,107 kWh pro kg PAN-Feststoff
pro m² beheizter Spinnschachtfläche ab.
In der folgenden Tabelle 1 sind weitere Spinnversuche
aufgeführt, wobei eine Polyacrylnitrilspinnlösung,
gemäß Beispiel 1, und Spinnvorrichtungen, gemäß Beispiel
1 oder 2, benutzt wurden. Die gegenüber den Beispielen
1 und 2 geänderten Parameter gehen aus der Tabelle hervor.
Wie man Tabelle 1 entnehmen kann, ist das Verfahren zur
Herstellung der verschiedensten Spinntiter (vgl. Beispiele
1, 2, 5 und 6) geeignet. Bei Spinntitern bis ca.
10 dtex sind Lochzahlen oberhalb 1000, vorzugsweise
oberhalb 1500 (bis etwa 2500), besonders bevorzugt. Bei
Spinntitern bis ca. 20 dtex werden Lochzahlen oberhalb
1000 (bis etwa 2000) und bei Spinntitern oberhalb
30 dtex Lochzahlen < 500 (bis etwa 1500) bevorzugt eingesetzt.
Beispiel 4 zeigt, daß sich Spinnschachtleistungen
von z. B. über 30 kg PAN-Feststoff/Stunde ohne weiteres
realisieren lassen. Beispiel 7 zeigt, daß bei zu geringem
Lochabstand (2,5 mm) trotz niedriger Lochdichte
die Zahl der Verklebungen stark ansteigt (möglicherweise,
weil das Spinngas nicht mehr alle Spinnfäden
erreicht). In Beispiel 8 wird demonstriert, daß bei genügend
großem Lochabstand (= 2,8 mm) aber zu hoher Lochdichte
L (L = 11,5) ebenfalls kein gutes Spinnbild erreicht
wird. In Beispiel 9 reicht die Spinngasmenge von
40 kg/Stunde nicht mehr aus, um Spinnschachtleistungen
größer 20 kg PAN-Feststoff/Stunde herzustellen (Zunahme
der Spinnfehlerquote). Im Falle von Beispiel 10 wird gezeigt,
daß bei zu niedriger Spinngastemperatur die Zahl
der Spinnfehler, in Form von Verklebungen, stark zunimmt.
Entscheidend sind offenbar die Verhältnisse in
Düsennähe bei der Fadenbildung. Bei weiterer Steigerung
der Spinngastemperatur läßt sich nämlich das Spinnbild
ganz entscheidend verbessern (vgl. Beispiel 11). Im
Falle von Beispiel 12 ist der spezifische Energieverbrauch
mit 0,075 kWh pro kg PAN-Feststoff und pro m²
Heizfläche nicht mehr ausreichend, um ein einwandfreies
Spinnverhalten zu erzeugen. Beispiel 13 mit Queranblasung
des Spinndampfes zur Fadenschar demonstriert, daß
man auch mit 40 kg Spinndampf pro Stunde bei Spinnen mit
dieser Vorrichtung noch Spinnschachtleistungen größer
20 kg PAN-Feststoff pro Stunde bei gutem Spinnverlauf
erzielen kann. Beispiel 14 zeigt, daß bei zu hoher Lochdichte
L/cm² = 11,5 auch hier die Anzahl der Verklebungen
stark ansteigt, weil das Spinngas nicht mehr alle
Fäden erreicht. In Beispiel 15 schließlich wird dargelegt,
daß bei zu geringer Spinngasmenge die Spinnfehlerquote
sehr hoch liegt.
- a) Eine PAN-Spinnlösung, hergestellt nach Beispiel 1, wurde wie dort beschrieben, versponnen. Die Spinnfäden wurden jedoch nicht im Spinnschacht am unteren Ende mit Wasser präpariert. Die Fäden verfärbten sich gelbbraun an der Luft und begannen auf der Wickelvorrichtung zu glimmen. Gleichzeitig traten ständig Fadenabrisse auf. Die Kapillaren waren rauh und hart und wiesen eine hohe Bandstarre auf. Die Fadentemperatur lag bei 158°C. Die glimmende Spule entwickelte einen beißenden und stechenden Geruch nach Essigsäure und wurde sofort mit Wasser abgelöscht.
- b) Fäden, gemäß Beispiel 3a, wurden außerhalb des Spinnschachtes mit Wasser präpariert, bzw. mit einer wäßrig ölhaltigen Avivage. Es traten ständig Fadenabrisse und Aufschiebungen zwischen Schachtende, Präparations- und Wickelvorrichtung auf. Gleichzeitig waren die Fäden untereinander teilweise verklebt.
- c) In einer weiteren Versuchsreihe wurde an Spinnfäden, hergestellt nach Beispiel 1, die Präparationsmenge an Wasser bzw. einer wäßrigen, ein Antistatikum und Gleitmittel enthaltenden Präparation bestimmt und die Fadentemperatur unmittelbar nach Verlassen des Spinnschachtes gemessen. Ferner wurde der Spinnverlauf beurteilt. Als Präparation wurde eine Mischung aus einem Gleitmittel und einem Antistatikum mit einer Konzentration von 40 g/l verwendet. Geeignete Gleitmittel sind z. B. Glykole, Silicone oder ethoxylierte Fettsäuren, -alkohole, -ester, -amide und -alkylethersulfate. Geeignete Antistatika sind z. B. kationen-, anionenaktive oder nichtionogene Verbindungen wie z. B. langkettige, ethoxylierte, sulfierte und neutralisierte Alkohole.
Weitere Beispiele laut Tabelle 1 sind dort unter der Bezeichnung
Zahl plus Suffix (t1) aufgeführt.
Wie man der Tabelle 2 (Versuche mit Suffix t2) entnehmen
kann, sollte der Feuchtegehalt der Spinnfäden zwecks
guter Weiterverarbeitung bei mehr als 10 Gew.-%, bezogen
auf PAN-Feststoff, liegen. Wie Spinnversuche mit anderen
Titern, gemäß den Beispielen 5t2 und 6t2 nach Tabelle
2, zeigen, ist diese Mindestmenge an Präparationsmittel
immer erforderlich, um einen guten Spinnverlauf mit
Bandschluß ohne Aufschiebungen und Kapillarbrüche zu
erzielen. Bei Fadentemperaturen oberhalb 135°C tritt
verstärkt Bandstarre auf. Die Kapillaren werden rauh,
verspröden und es liegt kein Bandschluß mehr vor. Unter
Bandschluß der Kapillaren wird dabei derjenige Zustand
verstanden, bei dem die einzelnen Kapillaren nach Benetzung
und anschließender Bündelung im Spinnschacht als
geschlossener, homogener Verband ohne Wirrlage der einzelnen
Fäden vorliegen und ohne daß Einzelfäden beim Abspulen
oder Umlenken abspleißen.
Die als Bandschluß charakterisierte Aufmachung der
Spinnfäden in homogenen, parallelen Lagen zueinander
innerhalb des Spinnbandes, ohne Wirrlagen, ist von großer
technischer Bedeutung. Dies geht z. B. auch aus der
DE-A-37 26 211 hervor, wo ein spinnfeuchtes, naßgesponnenes
Acrylkabel nach dem Fällprozeß unter 5-15%
Schrumpfzulassung auf 100-10 Gew.-% Feuchte unter Beibehaltung
der Gelstruktur der Fäden herunter getrocknet
wird, um sich anschließend besser ohne Fadenbrüche zu
Kohlenstoffasern weiter nachbehandeln zu lassen. Im
Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren sind die Fäden
beim Naßspinnen jedoch seit ihrer Entstehung immer
spinnfeucht und nicht trocken, so daß sie auch nicht in
Wirrlagen vorliegen, bzw. untereinander durch Spinnlösungsmitteleinflüsse
verkleben können.
Beim Trockenspinnen hingegen erfolgt erfindungsgemäß
eine Befeuchtung der vorher trockenen, nur restlösungsmittelhaltigen
Fäden vor der Bündelung, um Fadenaufschiebungen,
Abrieb und elektrostatische Aufladungen zu
verhindern. Erschwerend kommt die Tatsache hinzu, daß
bei der Bündelung der Fäden ohne vorherige Befeuchtung
infolge der nunmehr möglichen hohen Energiedaten beim
erfindungsgemäßen Verfahren (z. B. bei Schachttemp. =
240°C, Dampftemp. = 400°C) es sehr leicht zu Verklebungen
der Fäden untereinander unter Borstenbildung kommen
kann, wobei das restliche Spinnlösungsmittel wie ein
Haftmittel für die Fadenschar wirkt. Dies wird erfindungsgemäß
dadurch verhindert, daß man die Befeuchtung
der Spinnfäden vor der eigentlichen Bündelung bereits
im Spinnschacht vornimmt.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung von PAN-Fasern nach der
Trockenspinnmethode mit Wasserdampf als Spinngasmedium,
dadurch gekennzeichnet, daß zu verbesserten
Spinnschachtleistungen von mindestens 20 kg PAN-Feststoff
pro Spinnschacht und Stunde aus Düsen mit
hohen Lochzahlen, mit Spinngasanblasung von oben
nach unten, parallel oder quer zur Richtung der
Fadenschar, bei Spinnfehlerraten unter 10 pro
100 000 Filamenten und DMAC-Gehalten im Spinngut
< 30 Gew.-%, vorzugsweise < 20 Gew.-%, aus Dimethylacetamid-Lösungen
gesponnen wird, wobei
- a) die Lochdichte der Ringspinndüsen maximal 10,5 Loch pro cm² Ringdüsenfläche ist,
- b) der Lochabstand der Ringdüse mindestens 2,8 mm ist,
- c) die Schachtwandtemperatur mindestens 225°C, vorzugsweise mindestens 240°C ist,
- d) der spezifische Energieverbrauch mindestens 0,09 kWh pro kg PAN-Feststoff pro m² Heizfläche ist,
- e) der überhitzte Wasserdampf eine Temperatur von mindestens 400°C aufweist und der überhitzte Wasserdampf praktisch tröpfchenfrei aufbereitet ist,
- f) die eingesetzte Dampfmenge mindestens 40 kg/h bei Queranblasung mit überhitztem Wasserdampf und bei paralleler Einführung des Wasserdampfes mindestens 50 kg/h ist,
- g) die Präparierung der Fäden bereits innerhalb des Spinnschachtes vorzugsweise mit Wasser oder einer wäßrig-ölhaltigen Avivage erfolgt,
- h) die Mindestmenge an Feuchtigkeit mehr als 10 Gew.-%, bezogen auf PAN-Feststoff ist, wobei die Befeuchtung der Fäden bei der Bündelung zwecks Bandschluß erfolgt und
- i) die Temperatur der Spinnfäden, gemessen am Schachtausgang unterhalb 135°C, vorzugsweise unterhalb 130°C, liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der eingesetzte Dampf nach Entwässerung,
(Teil)Entspannung und Nacherhitzung über Wärmetauscher,
vor Eintritt in den Spinnschacht praktisch
tröpfchenfrei ist.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß man bei Spinntitern bis 10 dtex Ringdüsen
mit Lochzahlen < 1500 bis 2500, bei Spinntitern
bis 20 dtex Lochzahlen < 1000 bis 2000 und
bei Spinntitern < 30 dtex Lochzahlen < 500 bis 1500
verwendet.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spinngasanblasung quer zur Fadenschar
im Spinnschacht erfolgt.
5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der DMAC-Gehalt der Spinnfäden nach
Verlassen des Spinnschachtes < 30 Gew.-%, insbesondere
10 bis 20 Gew.-%, bezogen auf PAN-Feststoff,
ist.
6. Fäden nach den Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Weißgrad nach Berger,
gemessen am Spinngut, größer als 40 insbesondere
größer als 45 ist.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1991
- 1991-01-22 JP JP2041791A patent/JPH04222209A/ja active Pending
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