DE4220915A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung synthetischer Endlosfilamente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Spinnen und Abkühlen von synthetischen, multifilen, spinnorientierten Endlos­ filamenten mittels einer Spinneinrichtung mit Düsenplatten enthaltenden Spinnköpfen und Abkühlschächten mit luftdurchlässiger Wandung, durch die ausschließlich aufgrund einer Reibungsmitnahme der Luft durch die Filamente ein Luftstrom in das Innere der Abkühlschächte gesaugt wird.

Multifile Endlosfilamente aus synthetischem Polymer werden aus der Spinntemperatur aufweisenden Schmelze mittels einer Spinneinrichtung hergestellt. Die Schmelze wird durch Bohrungen einer Düsenplatte gepreßt, die ausgepreßten Schmelzeströme anschließend abgekühlt und zu einem Filamentbündel zusammengefaßt, das mit einer Spinnpräparation versehen und mit einer Fadenabzugseinrichtung abgezogen und schließlich aufgespult wird.

Dem Abkühlen kommt eine besondere Bedeutung zu. Die Gleichmäßigkeit des Abkühlens beeinflußt direkt die physikalischen Kenndaten der Filamente, wie Gleichmäßigkeit der Filamentstärke (Uster) oder der Anfärbung. Störungen werden durch nicht laminare oder turbulente Strömung der Kühlluft verursacht. Bevor die mit hoher Spinntemperatur ausgepreßten Schmelzeströme nicht unter den Erstarrungspunkt abgekühlt sind, dürfen sie nicht zusammenstoßen oder mit Fadenführern berührt werden, da sie sonst verkleben.

Systeme mit Kühlluftaufbereitung in einer Klimaanlage, Zuführung über Luftkanäle zu Abkühlschächten und Einblasen mittels des von Ventilatoren erzeugten Vordrucks in den Bereich der Schmelzeströme unterhalb der Düsenplatten haben sich bewährt. Aufwendige Luftverteilungs-, Regelungs- und Homogenisierungseinrichtungen müssen jedoch angewendet werden, um die turbulente Kühlluft gerichtet und laminarisiert zuzuführen.

Ausführungsbeispiele sind solche mit Queranblasung (cross flow), d. h. im wesentlichen rechtwinklige Durchblasung der Filamente und direkte Abfuhr der Schmelzwärme leeseitig (US-A 4529368), sowie solche mit Radialanblasung, d. h. Luftrichtung von außen in das Filamentbündel gerichtet und Wärmeabfuhr im wesentlichen in Filamentlaufrichtung (US-A 4712988 und DE-A 34 06 347).

Eine andere Methode der Erzeugung eines Kühlluftstroms besteht darin, die Filamente durch Unterdrucksysteme zu leiten, in denen aufgrund des Unterdrucks der Kühlluftstrom erzeugt wird (US-A 4496505 und WO 90-02222A).

Das Anblasen von Schmelzeströmen entweder durch Überdruck oder Unter­ druck ist jedenfalls die heute übliche Technik der notwendigen Kühlung der Schmelzeströme, um diese anschließend zu einem Filamentbündel zusammenzufassen und weiterverarbeiten zu können.

Es ist weiterhin aus der DE-A 19 14 556 eine Vorrichtung zum Spinnen und Abkühlen von synthetischen Endlosfilamenten bekannt geworden, bei der der erforderliche Kühlluftstrom innerhalb eines mit einer Vielzahl von Perforationen versehenen Schachtes, durch den ein aus einer Düsenplatte ausgepreßtes Bündel von Schmelzeströmen geführt wird, erzeugt wird. Der Schacht besteht dabei ausdrücklich in seinem an den Spinnkopf anschließenden Bereich über eine Länge von 300 bis 500 mm aus einem Luftabsperrschacht ohne Perforationen und in dem daran anschließenden Bereich über die gesamte restliche Länge aus einem strömungsgesteuerten Schacht mit Ventilationsöffnungen. Die in Fig. 5 gezeigte kurze, nicht perforierte Zone am unteren Ende des Schachtes wird in der Beschreibung nirgends erwähnt und dürfte ausschließlich der mechanischen Stabilität des Kühlschachtes dienen. Durch den an den Spinnkopf anschließenden Luftabsperrschacht wird ein Zutritt von Außenluft in den dahinterliegen­ den Bereich des Schachtes ausdrücklich ausgeschlossen. Die Schmelzeströme sollen also unmittelbar nach dem Verlassen des Spinnkopfes zunächst keiner Kühlung unterworfen werden. Die Folge davon ist eine entsprechende Verlängerung der erforderlichen Kühlstrecke, zum Beispiel auf etwa 2000 mm.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Spinnen und Abkühlen von synthetischen Endlosfilamenten zu schaffen, das bzw. die mit geringem Energieverbrauch und einem minimalen apparativen und regelungstechnischen Aufwand auskommt und insbesondere für hohe Abzugsgeschwindigkeiten geeignet ist. Diese Aufgabe wird unter Zugrundelegung des eingangs geschilderten Verfahrens dadurch gelöst, daß der Luftstrom bei Abzugsgeschwindigkeiten der Filamente von mindestens 2400 m/min unmittelbar an der Unterseite der Spinnköpfe in die Abkühlschächte eingesaugt wird, deren Wandungen in Längsrichtung in zwei unterschiedlich ausgeführte Zonen unterteilt sind. Dabei ist die Wandung der ersten, an den Spinnkopf anschließenden Zone luftdurchlässig und die der zweiten Zone geschlossen.

In Abkehr von den Lehren der vorstehend zitierten DE-A 19 14 556 wird also von der Außenluft her den Schmelzeströmen unmittelbar an der Unterseite der Spinnköpfe Kühlluft zugeführt, und zwar eingesaugt durch die Reibung zwischen der Luft und den durch den betreffenden Abkühlschacht geführten Filamenten, was in gewisser Weise mit einer Injektorwirkung zu verglei­ chen ist. Dieser Mitnahmeeffekt erstreckt sich auf die gesamte Länge des Abkühlschachtes, auch auf den Bereich unmittelbar an der Unterseite der Spinnköpfe, so daß die zu kühlenden Schmelzeströme sofort nach Verlassen des Spinnkopfes einer Kühlung unterworfen werden. Dabei bewirkt die Unterteilung des Abkühlschachtes in zwei Zonen eine Kanalisierung der strömenden Luft längs der Richtung der Filamente derart, daß über die Länge der ersten Zone Luft durch die Wandung eingesaugt und dem gerich­ teten Strom zugeführt wird, während über die Länge der zweiten Zone ein konvektiver Wärme- und Strömungsaustausch durch die Wandung unterbunden ist.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß eine durch die vorstehend beschriebene Injektorwirkung erzeugte Kühlung im Sinne der Erfindung besonders bei hohen Abzugsgeschwindigkeiten zu Filamenten führt, die zum einen wegen der hohen Abzugsgeschwindigkeit eine Spinnorientierung aufweisen, die bei der Anwendung der Vorrichtung gemäß der DE-A 19 14 556 wegen der in dieser Druckschrift bevorzugt angegebenen Abzugsgeschwindig­ keit von 1000 m/min nicht entstehen kann, und zum anderen eine Filamentgleichmäßigkeit besitzen, die bei Anwendung der Vorrichtung der DE-A 19 14 556 in Verbindung mit Abzugsgeschwindigkeiten von über 2400 m/min nicht erzielbar ist. Die gemäß der Erfindung sich ergebende gleichmäßige Kühlung vom Bereich unmittelbar unterhalb der Spinnköpfe ab, führt dazu, daß die so erzeugten Einzelfilamente eine hohe Gleichmäßig­ keit über die Länge und von Einzelfilament zu Einzelfilament aufweisen. Insbesondere bei Anwendung von Abzugsgeschwindigkeiten über 4500 m/min war der Spinnablauf weniger gestört, d. h. es traten weniger Abrisse von Einzelfilamenten auf, die durch eine Störung des Verzugs der Filamente bedingt waren. Der Ausschluß von konvektivem Wärme- und Strömungs­ austausch durch die Wandung der zweiten Zone puffert äußere Störungen, richtet die Strömung in Filamentrichtung aus und verzögert die abschließende Abkühlung. In diesem Bereich sind die Filamente bereits hoch verzogen, d. h. haben bereits eine Geschwindigkeit nahe der Abzugsgeschwindigkeit. Das Zusammenwirken von diesen Bedingungen ergibt offenbar Verhältnisse, die sonst nur durch aktive Wärmezufuhr von außen, z. B. mit Hilfe eines beheizten Spinnschachtes, wie er in der DE-A 21 17 659 beschrieben wurde, erreicht werden.

Darüber hinaus ergibt sich der wesentliche Vorteil für die Praxis, daß gegenüber den herkömmlichen Kühlsystemen mit Anblasen durch Überdruck oder Unterdruck, die einen erheblichen technischen Aufwand, insbesondere Ventilatoren erfordern, dieser Aufwand vollständig vermieden wird, so daß durch das erfindungsgemäße Verfahren, das in praktikabler und vorteil­ hafter Weise die Herstellung von Filamenten gestattet, eine besonders hohe Wirtschaftlichkeit ermöglicht wird. Separate und energieaufwendige Klimaanlagen zur Aufbereitung der Kühlluft, Zufuhrkanäle und Homogeni­ sierungseinrichtungen zur Laminarisierung der turbulenten Luft sowie Heizeinrichtungen zur Fadennachbehandlung können entfallen.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann wegen der dabei entstehenden besonderen Gleichmäßigkeit des Luftstromes sowie der schnellen Abkühlung der Filamente der mittlere Abstand der Einzel­ filamente eines Filamentbündels bei Austritt aus dem Abkühlschacht unter 6 mm liegen. Vorteilhafterweise kann ein Bündelungsfadenführer eingesetzt werden, der die Filamente zu einem Faden zusammenfaßt. Der Bündelungsfadenführer kann unmittelbar am Austritt des Abkühlschachtes plaziert werden. Dies ermöglicht kurze Spinnlängen, die bei Anwendung hoher Abzugsgeschwindigkeiten geringe Fadenspannungen und eine vorteil­ hafte Gestaltung der Spinnapparatur erlauben.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich bevorzugt zur Herstellung von Einzelfilamenttitern von 0,3 bis 3,0 dtex bei Abzugsgeschwindigkeiten von 2400 bis 8000 m/min.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist so gestaltet, daß die Abkühlschächte direkt an der Unterseite der Spinnköpfe angeschlossen sind, die Wandung der Abkühlschächte über die Länge der ersten Zone mit Durchbrüchen für den Luftzutritt versehen ist und über die Länge der zweiten Zone geschlossen ausgeführt ist.

Die luftdurchlässige Wandung kann mit Hilfe eines Siebgewebes oder mit kleinen Löchern und Schlitzen perforiert ausgeführt sein.

Die Länge des Abkühlschachtes beträgt mindestens 200 mm und normalerweise maximal 1500 mm. Die zweite Zone ist nicht wesentlich kürzer als die erste; vorteilhafterweise ist sie gleich oder doppelt so lang wie die erste Zone. Anders ausgedrückt, die Länge der zweiten Zone beträgt etwa 80 bis 200% der Länge der ersten Zone.

Vorteilhaft wird die Vorrichtung so gestaltet, daß der Abkühlschacht mit zwei aufeinandersitzenden und zueinander in Längsrichtung verschiebbaren Wandungen ausgeführt ist, wobei die eine Wandung perforiert ist und die erste Zone bildet, wogegen die Wandung der zweiten Zone geschlossen ist. Durch einfaches Ineinanderschieben kann somit das Längenverhältnis der beiden Zonen und die Gesamtlänge einfach eingestellt werden. Die Form des Abkühlschachtes orientiert sich zweckmäßigerweise an der Form der Düsenplatten, die rund, oval oder rechteckig sein können. Entsprechend weist der Abkühlschacht einen kreisförmigen, ovalen oder rechteckigen Querschnitt auf, der vorzugsweise um 10 bis 60 mm größer ist als derjenige des Lochfeldes der Düsenplatte. Bei kreisförmigen Düsenplatten sind der Abkühlschacht bzw. dessen Wandungen zylindrisch ausgeführt und umgeben das Filamentbündel konzentrisch.

Fig. 1 zeigt schematisch, als Beispiel, einen direkt an der Spinnkopf- Unterseite (1) angeordneten Abkühlschacht, der die aus dem Spinnkopf austretenden Filamente (5) konzentrisch umgibt und im wesentlichen aus einem Metallzylinder (3) besteht.

Der Metallzylinder (3) weist über die Wandung der ersten Zone (2) gleichmäßig verteilte Öffnungen auf, wobei die Luftdurchlässigkeit in weiten Bereichen wählbar ist. Allerdings sollte der Luftwiderstand nicht zu groß werden, um den Sogeffekt nicht zu beeinträchtigen. Auch zu große Öffnungen sollten vermieden werden, um Luftbewegungen in der Umgebung zu puffern. Bewährt hat sich ein Anteil an freien Öffnungen (Löcher) von maximal 50% der Gesamtfläche.

Da jedes Fadenbündel separat von der Wandung (3) des Abkühlschachtes umgeben ist, ist die durch die Sogwirkung der Filamente angesaugte Kühlluft (Pfeile) im wesentlichen radial von außen nach innen gerichtet. Sie wird der Umgebung entnommen und hat daher eine Temperatur entspre­ chend der des Spinnraumes.

Die Wandung der zweiten Zone (4) ist geschlossen, so daß Luft nur von der Filamenteintritts- zur Austrittsseite die Zone durchströmen kann.

Unterhalb des Abkühlschachtes befindet sich eine hier nicht gezeigte Fadenölereinrichtung oder ein anderer Fadenführer zum Bündeln der abgekühlten Filamente zu einem Faden, der danach einer Abzugseinrichtung zugeführt wird.

Der in Fig. 2 schematisch dargestellte Abkühlschacht ist ähnlich aufgebaut wie der der Fig. 1. Ein mit festem Abstand konzentrisch zum ersten (3) angeordneter zweiter Metallochzylinder (6) im Bereich der luftdurchlässigen Wandung der ersten Zone ermöglicht es, eventuelle Luftbewegungen im Spinnraum, z. B. beim Öffnen und Schließen von Türen, zusätzlich zu puffern. Ein Wandungsabstand der beiden Metallochzylinder von maximal 20 mm ist zu empfehlen.

Beispiel

PET-Schnitzel einer Viskosität I. V. = 0,63 dl/g wurden aufgeschmolzen und die Schmelze wurde bei einer Temperatur von 294°C durch die Bohrungen einer Düsenplatte gepreßt. Die Düsenplatte hatte einen Durchmesser von 80 mm; der Lochfelddurchmesser betrug 70 mm, der Bohrungsdurchmesser = 0,25 mm, L = 2 D. Die Anzahl der Bohrungen in der Düsenplatte betrug 34.

Die Fördermenge betrug 39,5 g/min, so daß ein Nominaltiter von dtex 76f34 entsprechend einem Spinntiter pro Filament von 2,24 dtex resultierte.

An den Spinnkopf direkt anschließend befand sich der Abkühlschacht in Form eines Metallzylinders von 100 mm Durchmesser. Die Länge der ersten Zone betrug 500 mm und war perforiert. Der Lochdurchmesser betrug 5 mm. Die Löcher (2730 Löcher) waren gleichmäßig über die Wandung verteilt. Deren freie Fläche betrug 34%. Die Länge der zweiten Zone betrug 500 mm und war mit geschlossener Wandung ausgeführt.

Der Abkühlschacht ist von Raumluft mit einer Temperatur von 29°C umgeben. Die Filamente werden in einem Fadenöler gebündelt und mit Präparation versehen, der einen Abstand von 100 mm zum Kühlzylinder aufwies.

Danach wurde das Filamentbündel direkt von einem Wickelaggregat, das mittels einer mit einer Voreilung von 6% betriebenen Nutwalze zur Spannungskompensation ausgerüstet war, mit einer Geschwindigkeit von 5200 m/min abgezogen und aufgespult.

Die Fadenkenndaten und Gleichmäßigkeitswerte waren wie folgt:
Titer (dtex) 76,1
Reißlast (cN) 256,6
CV-Reißlast (%) 1,8
Reißfestigkeit (cN/tex) 33,7
Reißdehnung (%) 62,8
CV-Reißdehnung (%) 3,0
Uster-half inert (%) 0,32
Einzelfilament- CV-Titer (%) 3,1.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung spinnorientierter Filamente bei Abzugs­ geschwindigkeiten von mehr als 2400 m/min, wobei die aus den Düsen der Spinnköpfe extrudierten Filamente in Abkühlschächten allein durch die von der Sogwirkung der Filamente mitgerissene Umgebungs­ luft abgekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Filamente direkt unterhalb des Spinnkopfes in den Abkühlschacht eintreten und zuerst eine Zone durchlaufen, in der sie von durch die luft­ durchlässige Wandung dieser Zone zuströmender Umgebungsluft abgekühlt werden, und anschließend eine zweite Zone durchlaufen, in der sie mit der an der Filamenteintrittsseite mitgeführten Luft, ohne Austausch der Luft über die Wandung dieser Zone, behandelt werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filamente nach Austritt aus der zweiten Zone des Abkühlschachtes gebündelt, mit Präparation versehen, abgezogen und aufgespult werden.

3. Vorrichtung zur Herstellung spinnorientierter Filamente bei Abzugs­ geschwindigkeiten von mehr als 2400 m/min, wobei die aus den Düsen der Spinnköpfe extrudierten Filamente in Abkühlschächten allein durch die von der Sogwirkung der Filamente mitgerissene Umgebungs­ luft abgekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß direkt unterhalb der Spinnköpfe je ein Abkühlschacht angeordnet ist, der aus zwei Zonen besteht, wobei die von den Filamenten zuerst durchlaufene Zone mit einer luftdurchlässigen Wandung ausgerüstet ist, und die anschließende zweite Zone eine geschlossene periphere Wandung bei freier Filamenteintritts- und Austrittsseite aufweist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone des Abkühlschachtes nicht wesentlich kürzer bis doppelt so lang wie die erste Zone ist.