DE60111724T2

DE60111724T2 - Poly(trimethylene) terephthalate textil stapelfaserherstellung

Info

Publication number: DE60111724T2
Application number: DE60111724T
Authority: DE
Inventors: Karol Paul CASEY; Kailash Dangayach; Harvey Linda OLIVERI; Albert Donald SHIFFLER
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2001-03-15
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2021-03-16
Also published as: MXPA02009026A; ES2243474T3; WO2001068962A3; ATE298810T1; EP1264019A2; KR100688822B1; PL357910A1; CA2402533C; AU2001247437A1; EP1264019B1; KR20020091131A; CN1179074C; WO2001068962A2; CN1425082A; BR0109290A; CA2402533A1; DE60111724D1; JP2003527497A

Description

Gebiet der Erfindung
Poly(trimethylenterephthalat)polymer ist ein neues Polyesterharz, das zur Anwendung auf dem Teppichsektor, Textilsektor und für andere Anwendungsarten von thermoplastischem Harz geeignet ist (siehe beispielsweise EP 0 949 363 A ). Chemisch gesehen ist Poly(trimethylenterephthalat)(PTT) ein aromatisches Polyesterharz, das durch die Polykondensation von 1,3-Propandiol (PDO) mit Terephthalsäure hergestellt wird. Die Herstellung von Textilstapelfaser aus PTT kann auf einer Vielzahl von handelsüblichen Verarbeitungsanlagen erfolgen.
Hintergrund der Erfindung
Die Herstellung von PET-Synthesestapelfaser erfolgt häufig in einem entkuppelten Zweistufenverfahren. Die erste Stufe sieht die Extrusion von unverstrecktem Garn vor, das für eine Streckverarbeitung in der zweiten Stufe gelagert wird. In der Stapelfaserproduktion gibt es zwei Haupttypen von Streckverfahren, die angewendet werden, nämlich Draw-Relax und Draw-Anneal. Der grundlegende Unterschied zwischen diesen beiden Verfahren besteht darin, wie das Faserschrumpfen bewerkstelligt wird. In der Draw-Relax-Stapelfaserherstellung besteht die Schrumpfstrategie darin, die Fasern nach einem Kräuseln auf angestrebte Leistung und Eigenschaften in einem Ofen vorzuschrumpfen. In der Draw-Anneal-Stapelfaserproduktion besteht die Schrumpfstrategie in einem Erhitzen der Fasern, was eine Kristallisation auf konstante Länge ermöglicht, vor dem Kräuseln.
Aus Polyethylenterephthalat (PET) werden Stapelfasern hergestellt, und dafür gibt es gut etablierte Verfahren. Es wäre wünschenswert, PTT-Stapelfasern auf bestehenden Anlagen her stellen zu können. Es bestehen jedoch zahlreiche Unterschiede zwischen den beiden Polymeren, die eine Herstellung von kommerziell brauchbarer Stapelfaser aus PTT auf existierenden Stapelfaserproduktionsanlagen schwierig oder unwahrscheinlich machen. Um zu verstehen, wie PTT-Stapelfasern auf existierenden Anlagen produziert werden können, muß eine Reihe von Verfahrensfragen angesprochen werden:
Wie wird das Streckverhalten von unverstrecktem Garn charakterisiert? Wie ändert sich das Streckverhalten von unverstrecktem Garn gegen die Zeit? Wie in Beispiel 2 und 3 beschrieben.
Wie werden die Eigenschaften von unverstrecktem Garn während der Extrusion geregelt? Wie in Beispiel 2 beschrieben.
Was ist das typische Streckverhalten für das unverstreckte Garn? Wie in Beispiel 1 und Beispiel 2 beschrieben.
Wie wird das Faserschrumpfen während der Herstellung von unverstrecktem Garn und während der Lagerung beherrscht? Wie in Beispiel 2 und 5 beschrieben.
Wie wird das Faserschrumpfen während des Stapelfaserstreckens und in den Stapelfaserendprodukten beherrscht? Wie in Beispiel 3 beschrieben.
Wie wird die Faser gekräuselt, um Textur und Kohäsion in nachfolgenden kommerziellen Verfahren für Stapelfaser-Textilspinngarne und Non-Woven-Artikel zu ergeben? Wie in Beispiel 3 beschrieben.
Wie werden der Young-Modul und die Streckeigenschaften der Stapelfaser hitzefixiert und beherrscht? Wie beeinflussen die Stapelfasereigenschaften die Eigenschaften von Spinngarnen? Wie in Beispiel 3 beschrieben.
Was ist ein Grundverfahren zur Herstellung von Stapelfaser auf existierenden Anlagen, das die interdependente Natur der ersten sechs oben erörterten Verfahrensfragen anspricht? Ein solches Verfahren wird durch die vorliegende Erfindung geschaffen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein zweistufiges Stapelfaserherstellungsverfahren unter Einsatz von PTT. Die erste Stufe ist die Extrusion von unverstrecktem Garn (undrawn yarn, UDY). In der zweiten, der Verstreckungsproduktionsstufe, wird UDY zu einem Stapelfaserprodukt umgewandelt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Textilstapelfaser aus Polytrimethylenterephthalat (PTT) auf existierenden PET-Textilstapelfaser-Herstellungsanlagen geschaffen, welches Verfahren umfaßt: (a) Schmelzextrudieren von PTT-Polymer bei 245 bis 253°C, vorzugsweise 245 bis 250°C, (b) Spinnen des extrudierten PTT zu einem Garn unter Verwendung wenigstens einer Spinndüse, (c) Bewegen des gesponnenen Garns zu einer ersten Aufnahmespule, wobei der Abstand von der Spinndüse zur ersten Aufnahmespule 4,88 bis 6,10 m (16 bis 20 Fuß) beträgt, (d) Abkühlen des gesponnenen Garnes auf unter 31°C, vorzugsweise unter 25°C, noch stärker bevorzugt auf unter 20°C, bevor es die erste Aufnahmespule erreicht, (e) gewünschtenfalls Lagern des gesponnenen Garnes in einem klimageregelten Raum bei einer Temperatur von nicht über 31°C (sowohl dieser Schritt als auch der vorhergehende Schritt werden ausgeführt, um ein vorzeitiges Schrumpfen des unverstreckten Garnes vor dem Streckverarbeiten zu minimieren), (f) Vorkonditionieren des Garnes unter Spannung bei einer Tempera tur von wenigstens 60°C, vorzugsweise bei 60 bis 100°C vor dem Streckprozeß, (g) Strecken des Garnes bei einer Temperatur von wenigstens 60°C, vorzugsweise 60 bis 100°C, mit einem fakultativen bevorzugten zweiten Strecken, wobei der Hauptteil des Gesamtstreckens im ersten Streckdurchgang erfolgt, stärker bevorzugt 80 bis 85% des Gesamtverstreckens, und worin das zweite und nachfolgende Streckvorgänge bei einer Temperatur über der Temperatur des ersten Streckvorganges bis zu einem praktischen Maximum des Schmelzpunktes des Garnes vorgenommen werden, vorzugsweise bei 60 bis 160°C, am meisten bevorzugt bei einer Temperatur von 80 bis 100°C, (h) Erholenlassen des verstreckten Garnes bei einer Temperatur von bis zu 190°C, vorzugsweise 100 bis 140°C (die Relaxation kann von 2 bis 25% oder gegebenenfalls darüber betragen, beträgt aber vorteilhaft 2 bis 10%), um eine Zunahme des Young-Anfangsmoduls des verstreckten Garnes zu erzielen, und (i) Kräuseln des gestreckten Garnes bei einer Temperatur von 70 bis 120°C, vorzugsweise 80 bis 120°C, wenn die Relaxationsstufe angewandt wird, und 70 bis 100°C, wenn sie nicht angewandt wird, und Vermindern des Zuführungsdeniers des verstreckten Garnes zum Kräusler um 10 bis 60% nach Denier, vorzugsweise 40 bis 60% gegenüber dem zur Herstellung von vergleichbarer PET-Stapelfaser in der existierenden Anlage verwendeten Zuführungsdenier für gestrecktes Garn. Auch kann, alternativ oder in Kombination, das Volumen des Kräuslers um 10 bis 50, vorzugsweise 20 bis 35% gegenüber dem zur Herstellung von PET in der existierenden Anlage verwendeten Volumen der Kräuselvorrichtung erhöht werden. Vorzugsweise wird die Auswahl der Bedingungen auf die spezielle Anlage und die angestrebte Ausbeute abgestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr beispielhaft unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben werden, worin:
1 ein Schema der Verfahrensschritte vom Harz bis zur in Ballen vorliegenden Faser ist, wobei die kritischen Verfahrenselemente beschrieben werden;
2 die Zähigkeits/Dehnungs-Gleichgewichtskurve ist, die zur Abschätzung des möglichen Bereiches von Stapelfasereigenschaften für PTT von Nutzen ist;
3 eine typische Spannungs/Dehnungskurve für Garnbündel im Spinnzustand zeigt;
4 den Einfluß der Extrusionstemperatur auf das Faserstreckvermögen zeigt;
5 das Schrumpfen des unverstreckten Garns in Wasser bei verschiedenen Temperaturen als eine Funktion der Spinnbedingungen von unverstrecktem Garn zeigt;
6 das Orientierungsschema zeigt, unter Beschreibung des Effektes der Faserschrumpfung;
7 den Einfluß der Streckbadtemperatur und des Gesamtorientierungsparameters auf das Boil off-Schrumpfen zeigt;
8 die Auswirkung der Streckbadtemperatur und des Gesamtorientierungsparameters auf das Trockenhitzeschrumpfen bei 125°C zeigt;
9 die Auswirkung der Streckbadtemperatur und des Gesamtorientierungsparameters auf das Trockenhitzeschrumpfen bei 140°C zeigt;
die 10 die Auswirkung der Streckbadtemperatur und des Gesamtorientierungsparameters auf das Trockenhitzeschrumpfen bei 175°C zeigt;
11 die Auswirkung der Streckbadtemperatur und des Gesamtorientierungsparameters auf das Trockenhitzeschrumpfen bei 197°C zeigt;
12 die Auswirkung der Streckverhältnisses und der Streckbadtemperatur auf den Streckprozeß-Relaxationsfaktor zeigt;
die 13 das erwartete Trockenhitzeschrumpfen als eine Funktion von Trockenofen (Relaxer)-Temperatur für einen Gesamtorientierungsparameter von 1,4 und einer Streckbadtemperatur von 75°C für ein freies Relaxieren zeigt;
14 die Auswirkung der Relaxierofentemperatur und der angewandten Garnverstreckung auf das Trockenhitzeschrumpfen bei 175°C für 100% PTT-Garne zeigt;
15 die Auswirkung der Relaxierofentemperatur und der vorgenommenen Garnverstreckung auf das Trockenhitzeschrumpfen bei 175°C für 100% PET-Garne zeigt;
16 den Vergleich des Trockenhitzeschrumpfens bei 175°C für PTT- und PET-Spinngarn bei zwei Garnhitzeverfestigungstemperaturen zeigt;
17 die die Auswirkung der Relaxierofentemperatur und der angelegten Garnverstreckung auf das Trockenhitzeschrumpfen bei 175°C für 50:50 PTT:Baumwollgarne zeigt;
18 den Vergleich des Boil off-Schrumpfens für PTT- und PET-Spinngarn bei zwei Hitzeverfestigungstemperaturen zeigt;
19 den Vergleich der Last bei 5% Spannung von PTT- und PET-Spinngarn bei zwei Garnhitzeverfestigungstemperaturen zeigt;
20 den Vergleich des prozentuellen 2 Minuten-Spannungsabfalls von PTT- und PET-Spinngarn bei zwei Spinngarnhitzeverfestigungstemperaturen zeigt; und
21 die prozentuelle Spannungserholung (2 Minuten Dehnung) von PTT- und PET-Spinngarn bei zwei Spinngarnhitzeverfestigungstemperaturen zeigt.
Sämtliche Temperaturen in dieser Beschreibung sind in °C angegeben.
Eingehende Beschreibung der Erfindung
Polymertextilstapelfasern können unter Anwendung existierender Anlagen hergestellt werden. Da die von verschiedenen Gesellschaften verwendeten Anlagen stark variieren, existieren Unterschiede, wie die Verfahren ausgeführt werden. Sobald der Stapelfaserhersteller die Einstellungen auf die einzigartigen Eigenschaften von PTT ausgerichtet hat, kann eine breite Vielfalt von Stapelfaserprodukten hergestellt werden, die zur Anwendung in Spinngarn und in ungewebten Textilien geeignet sind. Aus PTT hergestellte Textilstapelfasern zeigen hervorragendes Volumen und Fallvermögen und führen zu Weichheit, Bauschigkeit, Verträglichkeit in Gemischen, Pflegeleichtigkeit und Formhaltigkeit in Textilprodukten.
1.0 Polymerschmelzen
1.1 Harztransfer und Trocknen
Niedrigenergie-Lufttransportsysteme minimieren eine Staubbildung beim Transfer von Harz auf Versandbehältern, Verarbeitungsanlagen und Lagerräume. Vor der Extrusion sollte das PTT-Harz auf einen konstanten Feuchtigkeitsgehalt von 50 ppm oder darunter getrocknet werden. Diese Feuchtigkeitsspezifizierung minimiert den Einfluß von Harzabbau durch Hydrolyse während des Schmelzspinnens. Viele Arten von kommerziellen Trocknern unter Anwendung von entfeuchteter Luft genügen in erfolgreicher Weise dieser Forderung. Mit Molekularsieben (13 X & 4 Å) ausgestattete Trockner, Vakuumsysteme und Lithiumchloridtrocknungsmittel entsprechen den Feuchtigkeitsanforderungen in der kommerziellen Herstellung. Falls möglich, ist es vorzuziehen, das Polymer unter Anwendung von mit 13 X Molekularsieb getrockneter Luft (Taupunkt –40°C oder darunter), erhitzt auf 130°C, mit 4–6 Stunden Trocknungsdauer zu trocknen. Die Anwendung von trockener Luft beim Transferieren von getrocknetem Harz aus dem Trockner zum Extruder ist wesentlich, um eine Hyrolyse während des Schmelzspinnens zu minimieren.
In großen kommerziellen Trocknern kann das Trocknen von PTT mit Geschwindigkeiten, die mit dem Extrusionsdurchsatz Schritt halten können, eine herausfordernde Aufgabe sein. In dieser Situation können höhere Trocknertemperaturen erforderlich werden. Die PTT-Trockner-Lufttemperatur sollte 165°C nicht überschreiten. Die Trocknerverweilzeit sollte nicht über 4 Stunden liegen, wenn Luft mit 165°C angewendet wird.
1.2 Extrusion von unverstrecktem Garn (UDY)
Ein typisches Schmelzebereitungssystem schließt einen Extruder, Spinnbalken, Schmelzepumpe und Spinnpackung ein. Der Schlüssel liegt darin, eine gleichmäßige, optimale Polymerschmelzviskosität durch Minimieren der Schmelzprozeßtemperatur und der Verweilzeit zu etablieren. Eine kommerzielle Produktion von PTT-UDY erfolgt sowohl mit Doppelschneckenextrudern als auch mit Einfachschneckenextrudern in einfacher Weise. In Doppelschneckenextrudern kann es erforderlich sein, den Extruderschmelzdruck um bis zu 25 bis 50% (gegenüber PET-Bedingungen) zu vermindern, um einen übermäßigen Scherungsabbau der Polymerschmelze zu vermeiden. Die kommerzielle Produktion von PTT-UDY wendet Extruderschmelztemperaturen im Bereich von 245°C bis 270°C an. Bei Herstellung von PTT-UDY bei Schmelz temperaturen zwischen 260 und 270°C muß darauf geachtet werden, einen übermäßigen Abbau von Polymerschmelze und in der folge von UDY-Eigenschaften zu vermeiden. Die optimale Stapelfaserextrusionsschmelztemperatur für PTT ist 245 bis 253°C, vorzugsweise 245 bis 250°C. Künftige PTT-Harze mit niedrigerer Grenzviskosität werden vermutlich niedrigere Temperaturen erfordern. Die 4 zeigt, daß ein besseres Streckvermögen erreicht wird, wenn das Polymer bei 250°C statt bei 240°C oder 260°C extrudiert wird.
2.0 Spinnen von unverstrecktem Garn (UDY)
2.1 Spinnbalken, Pumpen und Packungen
Unter Verwendung von Einkomponenten- und Bikomponenten-Extrusionssystemen ausgeführte Versuche zur Herstellung von PTT-Stapelfaser-UDY verliefen erfolgreich. Für PET ausgelegte Spinnpumpenvolumina und Umdrehungssteuerungssysteme genügen üblicherweise den niedrigeren Durchsatzanforderungen für PTT-Stapelfasern. Die Filtrationsmedien sollten eine minimale Porengröße von 30 μm aufweisen. Häufig kommt in kommerziellen Spinnpackungen ein Mindestmenge an Filtrationsmedien zur Anwendung. Im Anfangsstadium der Entwicklung eines PTT-Stapelfaserherstellungsverfahrens wird es bevorzugt, eine Standardfiltrationstiefe von mittlerem/grobem Sand zu verwenden (90/120 mesh). Die Bewertung der Filamentdurchmessergleichmäßigkeit wird die Entscheidung erleichtern, ob die Spinnpackungsfiltration oder der Extrusionssystemschmelzdruck eine Optimierung bedürfen.
Stapelfaserextrusionssysteme sind für einen spezifischen Bereich von Harzviskosität, Durchsatz, Schmelzetemperatur und Verweilzeit ausgelegt. Im allgemeinen ist der zur Herstellung von PTT-Stapelfaser erforderliche Lochdurchsatz üblicherweise um 20 bis 30% niedriger als derjenige für PET-Produkte mit vergleichbarem Denier. Dies ergibt eine erhebliche Zunahme der Verweilzeit für PTT, das mit einer PET-Stapelfaserproduktionsanlage extrudiert wird.
Die Zunahme der Schmelzverweilzeit kann zu einem Abbau führen, wenn die Schmelztemperaturen über 260°C liegen. Die Transferleitungs- und Spinnbalkenheizsysteme sollten nach Möglichkeit der Extruderauslaß-Polymertemperatur gleich sein.
2.2 Spinndüsen
Die Auswahl der Spinndüsen hängt von dem angestrebten Produktdenier ab und wird durch den Grenzdurchsatz pro Loch-Minute für ein stabiles Schmelzspinnen bestimmt. Im allgemeinen kann die PTT-Stapelfaser Standard-PET-Spinndüsenkostruktionen für ähnliche Produkte benützen. Die PTT-Stapelfasern benötigt jedoch im allgemeinen kleinere Kapillardurchmesser für Produkte mit niedrigem Denier, verglichen mit einer PET-Stapelfaserproduktion. PTT-Harze weisen eine obere Schergeschwindigkeitsgrenze von 7.500 bis 9.000 reziproken Sekunden für runde Querschnitte auf, abhängig von den Schmelzextrusionsbedingungen.
In Tabelle I wird die Auswahl der Spinndüse, basierend auf dem angestrebten Stapelfaserprodukt-Denier, dargestellt.
Tabelle I: Darstellung der Spinndüsenauswahl
Es ist wichtig, daß eine lange Faserkulminierungszone (der Abstand von der Spinndüse zur Aufnahmespule) angewendet wird. Dies bedeutet, daß die Zone 4,88 bis 6,10 m (16 bis 20 Fuß) lang sein soll, gegenüber dem Standard von 2,44 bis 3,66 m (8 bis 12 Fuß) für PET. Das Schrumpfen von PTT-UDY im Prozeß ist verhältnismäßig hoch, sodaß das Verfahren der Faser die Ausbildung einer stabilen Molekularstruktur ermöglichen muß, bevor sämtliche Filamente zu einem großen Speisegarn für den Verstreckungsprozeß zusammengeführt werden. In der Herstellung von PET-Stapelfaser stellt dies nicht ein signifikantes Problem dar. PTT weist eine elastischere kristalline Morphologie auf, sodaß die längere Faserkulminierungszone dazu beiträgt, das Garn zu stabilisieren, was eine Herstellung unter Vermeidung zusätzlicher Luftklimatisierungskosten ermöglicht.
2.3 Abschrecken
Unter Verwendung von Kreuzstrom- und Radial-Abschrecksystemen ausgeführte Versuche waren erfolgreich. Radial-Abschrecksysteme mit sowohl innen nach außen- als auch außen nach innen- Luftstrom sind erfolgreich angewendet worden. Das Faserbündel sollte rasch und gleichmäßig abgeschreckt werden, um ein UDY-Schrumpfen in den Spinnvorratskammern zu vermeiden. Es wurden Abschrecktemperaturen im Bereich von 8 bis 35°C angewendet, wenngleich Temperaturen von 8 bis 25°C bevorzugt werden. Generell werden die Abschreck-Luftstromgeschwindigkeitem durch die Operabilität des UDY-Fadenweges begrenzt. Die Filamentanzahl pro Position betrug von 350 bis 3.500 Filamente pro Position. In der Feindenier-Stapelfaserproduktion kann mit modernen Radial-Abschrecksystemen von 6.250 Filamenten pro Position aufwärts gearbeitet werden. Die Optimierung der Abschrecksysteme umfaßt ein Ermitteln, welche Bedingungen die beste Ausführbarkeit bieten und die größte prozentuelle Dehnung für die angestrebten UDY-Gattereigenschaften ergeben.
2.4 Spinnzusätze
In dieser Beschreibung werden sämtliche Überzüge, die auf die PTT-Faser während der Stapelfaserextrusion und des Verstreckungsvorganges aufgebracht werden, als Spinnzusätze definiert. Spinnzusätze sind Faserüberzüge, die der PTT-Faser während der Stapelfaserherstellung und der nachfolgenden Verarbeitung Gleitvermögen, Kohäsion und Additivschutz verleihen. In der Herstellung von PTT-Stapelfaser sind sowohl Zusätze auf Mehrkomponentenphosphatbasis als auch auf Mineralölbasis erfolgreich angewendet worden. Erprobte PET-Spinnzusatzchemismen und Auftragungsmethoden werden für PTT-Stapelfaseranfangsprodukte zufriedenstellend sein. Die Spinnzusatzformulierungen und die Auftragungsmethoden können dann geändert werden, unter Berücksichtigung der Kundenrückmeldung zur Stapelfaserverarbeitung.
2.5 Aufnahme
Aufnahmegeschwindigkeiten im Bereich von 900 bis 1.250 Meter pro Minute sind für die kommerzielle PTT-UDY-Produktion angewendet worden. An Versuchsanlagen haben Aufnahmegeschwindigkeiten für UDY von 500 bis 2.250 Meter pro Minute betragen. Es ist nützlich, zwischen den Aufnahmespulen und dem Sunflower wheel eine gesteuerte Relaxation vor dem Einbringen in die Kabelkanne auszuführen. Ein Abkühlen sämtlicher Filamente in einer einzigen Position auf unter 25 bis 30°C ist erforderlich, um ein UDY-Schrumpfen in der Kabelkanne zu minimieren.
3.0 Kabelverstrecken und Finishen
3.1 UDY-Lagerung
Unter normalen Lagerungsbedingungen schließt das PTT-UDY über 90% seines Alterungsprozesses innerhalb von 8 Stunden nach der Extrusion ab. Die UDY-Verstreckeigenschaften stabilisieren sich innerhalb 24 Stunden, und nach 2 bis 4 Monaten Lagerung bei konstanter Temperatur wird keine signifikante Änderung der Verstreckeigenschaften beobachtet. PTT-UDY hat das Potential zum leichteren Schrumpfen und bei niedrigeren Temperaturen als PET-UDY. Lagerungsbedingungen von wärmer als 25 bis 30°C sollten vermieden werden, weil sie ein UDY-Schrumpfen auslösen. Im Idealfall wird die PTT-UDY-Spule in einer klimatisierten Umge bung gelagert, um zur Vermeidung eines Schrumpfens beizutragen. Die genaue Temperatur, die ein PTT-UDY-Schrumpfen auslöst, hängt von den UDY-Extrusions-, Abschreckungs-, Aufnahme- und Lagerungsbedingungen ab. Selbst wenn das PTT-UDY schrumpft, ist es möglich, dieses UDY zu einem erstklassigen kommerziellen Stapelfaserprodukt während des Verstreckens mit geringer Auswirkung auf die Produktqualität umzuwandeln.
3.2 Spulengröße
Die Spulengröße für PTT-Stapelfaser wird durch die Größe der Kräuselanlage für die Produktion bestimmt. Im allgemeinen beträgt die Spulengröße für PTT-Stapelfaser rund 60% eines äquivalenten PET-Stapelfaserproduktes, infolge der höheren Bauschigkeit von PTT-Fasern. Ein auf 600.000 Denier verstrecktes Kabel wird in zufriedenstellender Weise eine 110 breite mal 20 mm hohe Kräuselanlage speisen. Dies kann mit zunehmender Größe der Kräuselanlage und/oder mit steigenden Verstreckungsgeschwindigkeiten über 100 bis 130 m pro Minute sich ändern. Da die meisten Verstreckungsproduktionslinien eine maximal Liniengeschwindigkeit von 250 bis 300 m/min aufweisen, stellt ein Erhöhen des Volumens der Kräuselkammer einen weiteren Weg zur Verbesserung der Produktivität der Verstreckungslinie dar.
3.3 Spulen- und Kabelherstellung
Ein Erwärmen des PTT-UDY über 25°C soll vermieden werden, bis das UDY-Kabel unter gleichmäßiger Spulenspannung steht. Dies wird das Schrumpfen von PTT minimieren, das den Streckprozeß speist, und eine gleichmäßige Faserspannung an allen Punkten im Kabelquerschnitt während des Verstreckens aufrecht erhalten. Wenn ein unkontrolliertes, ungleichmäßiges UDY-Schrumpfen gestattet wird, wird die Variation von Kanne zu Kanne die Gleichförmigkeit des Streckprozesses begrenzen.
Anfeuchtungsbäder vor dem Verstrecken werden bevorzugt, aber die Temperatur sollte 25°C überschreiten, soferne nicht Treib- und Quetschwalzen vorgesehen werden, um die Spannung in dem Verstreckzuführabschnitt zu minimieren. Wenn Treibwalzen nicht verfügbar sind, sollte das Bad sich auf der niedrigstmöglichen gleichmäßigen Temperatur befinden.
3.4 Verstreckprozeß
PTT-Stapelfasern wurden auf Draw-Relax- und Draw-Anneal-Verfahrenskonfigurationen hergestellt. Im Draw-Relax-Verfahren wird die Stapelfaser wärmebehandelt und unter Nullspannung getrocknet, um das Schrumpfen zu vermindern. Dieses Verfahren ergibt eine Faser mit niedrigem Modul, geeignet für PTT-Spinngarne und für ein Mischen mit Fasern mit niedrigem Modul wie Wolle und Acryl. Das Draw-Anneal-Verfahren sieht eine Wärmebehandlung des Kabels auf Spulen unter hoher Spannung vor und führt zu einer Faser mit höherem Modul, die besser zum Mischen mit kleinen Mengen an Rayon, Baumwolle oder anderen Fasern mit höherem Modul geeignet ist.
Der Anfangsverstreckpunkt des UDY-Kabels in der ersten Verstreckungsstufe sollte unter Wasser erfolgen, das auf mindestens 60°C, vorzugsweise auf 60 bis 100°C erhitzt ist. Das Warmhalten des Verstreckungspunktes verbessert das Verhalten im Verstreckungsprozeß, indem die Auswirkung der Extrusionsbedingungen auf die Verstreckungsverhältnisse signifikant vermindert wird. Gewünschtenfalls ist die zweite Verstreckungsstufe heißer als die erste Verstreckungsstufe bis zu einem praktischen Maximum des Schmelzpunktes des Garnes, vorzugsweise 60 bis 160°C, am meisten bevorzugt 80 bis 100°C. Im Gegensatz zu PET wird PTT in erhitzten Verstreckungsbädern nicht hart werden. Zusätzliche Verstreckungsbereiche sind fakultativ und vergrößern üblicherweise das gesamte Maschinenverstrec kungsverhältnis geringfügig. Das Hauptverstreckungsverhältnis sollte in der ersten Stufe vorgenommen werden.
Ein Anlassen oder Relaxieren von PTT-Stapelfaserkabel mit einer 3%-Spulenrelaxation über einen Satz von Kalanderwalzen mit 100 bis 130°C erhöht den Anfangsmodul der PTT-Endstapelfaser um 12–14%. Dieser Vorgang ergibt eine Faser mit hohem Modul, die für PTT-Spinngarne und für ein Mischen mit Fasern mit hohem Modul wie Baumwolle, Rayon und PET geeignet ist. Der Anfangsmodul nimmt um etwa 4% für jeweils 10°C von 130 bis 150°C zu, wenn die Relaxation über die Walzenanordnung auf 3% gehalten wird. Ein Anlassen von PTT-Kabel über 150°C kann ein Erhöhen der Relaxation über die Kalanderwalzen erfordern, um einen exzessiven Filamentbruch zu vermeiden. Häufig werden Spinnzusätze aufgebracht, um den Verlust an Spinnzusätzen im Streckprozeß auszugleichen, unter Anwendung eines Tauchbades oder durch Front/Rückseiten-Walzenauftrag unmittelbar vor der Kräuselungsstufe.
3.5 Kräuselung
Zufolge seines niedrigen Biegemoduls biegt sich ein PTT-Kabel sehr leicht, verglichen mit PET-Kabel. Dieser niedrige Modul verleiht dem PTT auch einen hervorragenden Handgriff und Weichheit. Darüber hinaus ist PTT viel bauschiger als PET. Der niedrige Biegemodul und die höhere Bauschigkeit erfordern die folgenden Änderungen in den Kräuselungsbedingungen:

• Dancerwalze und Kräuselungswalze werden verringert, um eine bessere Kontrolle der Kräuselungsgeometrie zu ergeben.
• Der Denier des Speisekabels muß verringert oder das Kräuslervolumen muß erhöht werden, und zwar wegen der höheren Bauschigkeit von PTT. Der erhöhten Bauschigkeit von PTT kann entweder durch Verringern des Deniers des der Kräuselungsvorrichtung zugeführten Kabels um bestenfalls 10 bis 60%, vorzugsweise 40 bis 60%, jeweils nach Denier, Rech nung getragen werden. Ein anderer Weg besteht in der Volumensvergrößerung der Kräuselungsvorrichtung um 10 bis 50%, vorzugsweise 20 bis 35%, jeweils nach Volumen. Es kann auch eine Kombination dieser beiden Methoden angewendet werden.
• Im Idealfall sollte die Kräuselungsvorrichtung mit einer Dampf- und Spinnzusatzeinspeisung ausgerüstet sein, um die Temperatur der Kräuselungskammer besser zu regeln.
• Es kann erforderlich sein, die Genauigkeit der Druck- und Temperaturregelung in der Kräuselungskammer zu verbessern.

Die Kräuselungsstabilität und die Aufnahme werden signifikant verbessert, wenn sich die Kräuselungskammer auf wenigstens 85°C und auf 300 kPa (3 bar) Einlaßdruck befindet. Die Kräuselungsfrequenz kann höher und die Kräuselungsamplitude geringer sein als bei vergleichbarer PET-Stapelfaser. Die Kräuselungsstabilität und die Aufnahme verbessern sich mit steigender Temperatur der Kräuselungsvorrichtung. Die Kräuselungsvorrichtung sollte nicht zu viel erhitzt werden, weil mit zunehmender Kräuselungsstabilität auch die Stapelfaserkohäsion zunimmt, was zu erhöhten Defekten beim Kardieren führen kann.
3.6 Trocknen, Schneiden und Verpacken
Das Entspannen (Trocknen) von PTT-Stapelfaser in konventionellen Bandöfen ist unkompliziert. Sowohl die Kräuselungsgeometrie als auch die Schrumpfeigenschaften ändern sich jedoch, wenn die Ofentemperatur über die heißeste Temperatur im vorangegangenen Streckprozeß gesteigert wird. In der Draw-Relax-Stapelfaserproduktion nehmen sowohl die Stapelfaser- als auch die anschließende Spinngarn-Trockenhitzeschrumpfung ab, wenn die Trocknertemperatur erhöht wird.
In der Draw-Anneal-Stapelfaserproduktion wird der Relaxationsofen als ein Trockner verwendet. Die Luftstromgeschwindigkei ten sind verhältnismäßig hoch und die Lufttemperatur ist verhältnismäßig niedrig (75 bis 90°C), um das Trocknen des Kabels zu erleichtern. Diese Bedingungen sind nicht heiß genug, daß sich die Stapelfaserrelaxation oder die Kräuselungsgeometrie ändern könnten. Das Stapelfaserkabel wurde in der kommerziellen Herstellung unter Anwendung von sowohl Rotationsschneidanlagen als auch Schneidanlagen vom Pacific-converter-Typ ohne Änderungen verwendet. In kommerziellen Versuchen haben sowohl Schwerkraftverpackungsanlagen als auch luftbewegte Stapelverpackungsanlagen PTT-Stapelfasern verpacken können.
4.0 Allgemeine Rezepturen für Stapelfasern mit 1,7, 2,5 und 3,33 dtex (1,5, 2,25 und 3 dpf)
In der nachfolgenden Tabelle werden Rezepturvorschläge für drei typische Stapelfaserprodukte kurz dargestellt. Jede Stapelfaserproduktionsanlage ist verschieden. Es erfordert üblicherweise 2 bis 3 Versuche auf einer kommerziellen Herstellungslinie, um ein kommerzielles Verfahren für PTT-Stapelfasern zu identifizieren. Diese Rezepturen wurden auf einer kleinen Anlage für eine kommerzielle Produktion entwickelt. Sie können sich geringfügig ändern, wenn Verfahren für größere Anlagen und höhere Produktsgeschwindigkeiten vergrößert werden. Das UDY wird unter Anwendung einer Schmelztemperatur von 253°C mit 1.100 m/min hergestellt. Zur Erreichung dieser Verstreckungsverhältnisse müssen so gleichmäßige Extrusionsbedingungen eingehalten werden, daß der Variationskoeffizient des Filamentdurchmessers in allen Spinnpositionen zwischen 3 und 5% beträgt. Weiterhin werden diese Verstreckungsverhältnisse in sehr gut geregelten modernen Verfahrensanlagen erreicht. Es ist nicht unüblich, daß ältere Anlagen nur 75 bis 85% dieser Verstreckungsverhältnisse erreichen.
Die Rezepturen in Tabelle II geben auch eine Rezeptur mit hohem und niedrigem Schrumpfen für jeden Stapelfaser-Zieldenier an. Das Ausmaß an Verstreckungsproduktionsschrumpfen nimmt deutlich ab, wenn die Badtemperatur der ersten Verstreckungsstufe über 60°C erhöht wird. Darüber hinaus nimmt das Ausmaß des Verstreckungsproduktionsschrumpfens mit steigendem Verstreckungsverhältnis geringfügig ab. Schließlich werden das Verstreckungsproduktionsschrumpfen im Kräusler und Trockner weiter verringert, wenn Kalanderwalzen zum Anlassen der Faser verwendet werden. Es wurde kommerzielle Produktverstreckungsproduktionsgeschwindigkeiten von 100 bis 130 Meter pro Minute und Entwicklungsverstreckungsgeschwindigkeiten mit einem so hohen Wert wie 225 m/min angewendet. Das kommerzielle Draw-Relax-Verfahren wendet typisch eine Temperatur von 70°C beim ersten Verstrecken und eine Temperatur von 100°C beim zweiten Verstrecken an. Der kommerzielle Anlaß-Stapelfaserprozeß sieht typisch eine Temperatur von 70°C im ersten Verstrecken, eine Temperatur von 100°C im zweiten Verstrecken und eine Temperatur von 130°C der Kalanderwalzen mit einer Relaxation von 0,95 vor.
4.1 Eigenschaften der Stapelfaser
Diese Diskussion der Zugfestigkeitseigenschaften nimmt an, daß der Spulenstock auf innerhalb 90% des Kabeldurchbruchs verstreckt wird. Eine typische Draw-Relax-PTT-Stapelfaser wird üblicherweise eine Zähigkeit von 2,7 bis 3,0 cN/dTex und eine Dehnung von 80 bis 90% aufweisen. Eine typische kommerzielle Draw-Anneal-Stapelfaser wird 3,4 bis 3,5 cN/dTex und eine Dehnung von 60 bis 65% aufweisen. Die nachfolgende Zähigkeit/Dehnung-Gleichgewichtskurve (2) ist von Nutzen, um den möglichen Bereich von Stapelfasereigenschaften für PTT abzuschätzen. Eine PTT-Stapelfaser mit hoher Zähigkeit und niedriger Dehnung stellt in der Produktion eine große Herausforderung dar, zufolge der raschen Relaxation von PTT-Kabel unter Kräuselungsbedingungen. Die Testergebnisse am Einzelfilament auf R&D-Anlagen ergeben so hohe Faserzähigkeiten wie 4 cN/dTex mit 45% Dehnung. Es kann eine PTT-Stapelfaser mit Zähigkeiten von über 3,5 cN/dTex auf einem weitgehend optimierten Draw-Anneal-Prozeß hergestellt werden. In diesem Versuch wird die Regelung der Kräuselungsbedingungen kritisch sein.
Beispiel 1: Beherrschen des Schrumpfens von unverstrecktem Garn während Extrusion und Lagerung
Es wird das Schrumpfen des unverstreckten Garnes von PTT-UDY, das an zwei verschiedenen Stellen unter stark variierenden unterschiedlichen Bedingungen versponnen wird, bewertet. Die Testergebnisse zeigen, daß das PTT-UDY am besten unter 31°C gelagert wird, um ein exzessives Schrumpfen von größer als 2 bis 3% zu vermeiden, wie in 5 gezeigt. Diese Tabelle zeigt das prozentuelle Schrumpfen in unverstrecktem Garn, das in Wasserbäder bei einigen Temperaturen, nämlich 30°C, 31°C, 32°C und 35°C, eingetaucht wurde. Die Spinnbedingungen deckten einen Bereich von Denier per Filament (dpf) von 0,8 bis 4,5 dpf am verstreckten Produkt und den Operationsbereich von Durchsatz und Aufnahmegeschwindigkeit für verschiedene Stapelfaser-Entwicklungsproduktionslinien ab, eine an Ort A und eine weitere an Ort B. Diese Tabelle zeigt auch, daß das PTT-UDY-Schrumpfen mehr eine Funktion der Spinnbedingungen als der Luftabschrecktemperatur ist. Am Ort A wird eine Abschreckluft mit 25°C angewendet, am Ort B eine Abschreckluft mit 16°C. Ein exzessives Schrumpfen von unverstrecktem Garn ist unerwünscht, weil es zu einer Zunahme der Schwankungen des Stapelfaserproduktes führen kann, wenn es nicht richtig beherrscht wird.
Beispiel 2: Schrumpfen von im Stapelfaserverfahren verstreckten PTT-Bändchen
Zusammenfassung und Schlüsse:
Ein Verstrecken in Bädern von 60°C oder darüber eliminiert jeglichen Effekt von durch das Spinnen induzierter Struktur auf das Faserschrumpfen im verstreckten Zustand.
Das Schrumpfen der verstreckten Faser nimmt mit zunehmender Streckbadtemperatur ab, aber der Effekt ist bei Temperaturen über 60°C ziemlich klein. Das Schrumpfen nimmt auch mit zunehmender Gesamtorientierung ab (Streckverhältnis), aber der Effekt ist äußerst gering bei den höheren Streckbadtemperaturen. Wenn das Schrumpfen im verstreckten Zustand gegenüber den Spinn- und Streckeinstellungen unempfindlich ist, wird das Kräuseln stabiler und das Produkt weist weniger Schwankungen auf. Ein Verstrecken bei Temperaturen über 60°C wird empfohlen und sollte eine stabile Kräuselung ergeben.
Aus den Schrumpfungswerten wurden erwartete Relaxationsfaktoren für das Kräuseln und Trocknen/Relaxieren als eine Funktion von Trockner/Relaxationstemperatur hergeleitet. Wenngleich die Kurvenform korrekt ist, und zur Extrapolation von bekannten Daten verwendet werden kann, scheint die Größenordnung des Faktors zu hoch zu sein.
Es dürfte unmöglich sein, daß das Produktschrumpfen als eine Funktion von Trockner/Relaxationstemperatur aus den Schrumpfungsdaten für PTT vorhergesagt werden kann.
Einführung
Der Bereich der Spinnbedingungen, die an der hier verwendeten Pilot-Verstreckungslinie überprüft wurden, waren wie folgt:

• Blocktemperatur 240 bis 260°C
• 0,432 bis 0,865 g/Loch × min (0,4 mm-Kapillare)
• Spinngeschwindigkeit 1.000 bis 2.000 m/min

Diese Materialien wurden mit drei Streckverhältnissen verstreckt:

• Durchbruchstreckverhältnis (Breakout Draw Ration, BODR) minus 0,1
• BODR –0,2
• BODR –0,4

In Verbindung mit der großen Variation in der Spinnorientierung ergibt dies einen großen Bereich von Spinnorientierung.
Es wurden drei Streckbadtemperaturen für die Stapelfasern verwendet:

• 40°C
• 55°C
• 70°C

Für die Anlage stellte dies den maximalen praktikablen Betriebsbereich dar.
Die verstreckten Bändchen wurden vollständig charakterisiert. Die Schrumpfungsergebnisse werden in der Folge analysiert.
Im Gegensatz zu Zähigkeit und Dehnung, die bei PTT, PET und anderen aus der Schmelze versponnenen Polymeren hauptsächlich eine Funktion der Gesamtorientierung sind, ist das Schrumpfen eine viel kompliziertere Sonde für die Faserstruktur, und wird durch Orientierung und, noch wichtiger, durch Kristallinität beeinflußt.
Das Ziel dieses Teiles der Versuche ist eine Beantwortung der folgenden Fragen zum Schrumpfen, die in der Reihenfolge ihrer Bedeutung für die Verfahrensentwicklung präsentiert werden.

1. Bleiben Unterschiede in der Spinngarnstruktur über das Verstrecken bestehen, oder beseitigt sie der Verstreckungsvorgang? Dies hat bedeutende Implikationen in der Entwicklung von Spinnverfahren und Spinnprozeduren zur Folge.
2. Wie beeinflußt die Streckbadtemperatur das Schrumpfen? Ein Restschrumpfen nach dem Verstrecken ist ein Hauptfaktor dafür, wie leicht eine Faser gekräuselt werden kann. Generell werden Fasern mit einem hohen Schrumpfen leicht gekräuselt. Wenn das Schrumpfen eine starke Funktion von Streckbadtemperatur und Orientierung ist, muß die Kräuselvorrichtung häufig wieder ausgeglichen werden, um die geänderten Verstreckbedingungen auszugleichen, und das Kräuseln ist weniger gleichförmig.
3. Wie viel Schrumpfen wird eintreten, wenn eine Faser verstreckt und gekräuselt wird, und wie wird es durch die Spinn- und Streckbedingungen beeinflußt? Diese Information wird zur Berechnung des Relaxationsfaktors im Spinnmodell verwendet.
4. Welches zusätzliche Produktschrumpfen wird bei höheren Temperaturen auftreten, wenn die Faser in einem Ofen bei einer vorgegebenen Temperatur frei relaxiert wird?

Ein Modell, daß sich für PET als geeignet erwiesen hat, geht von den folgenden Voraussetzungen aus:
Bei Erhitzen über die Glasübergangstemperatur wird, soferne nicht unter Spannung, eine Faser schrumpfen, bis der gesamte amorphe Bereich desorientiert ist.
Wird die Temperatur über die Glasübergangstemperatur erhöht, erscheinen weitere orientierte amorphe Bereiche als Kristallschmelzen. Diese neu geschaffenen amorphen Bereiche werden dann desorientieren, wodurch es zu einem weiteren Schrumpfen kommt. Generell wird somit das Schrumpfen um so stärker sein, je höher die Temperatur ist.
Einige Definitionen, die der Natur nach etwas in Kreis gehen, werden nunmehr benötigt. Die Glasübergangstemperatur ist als jene Temperatur definiert, bei der ohne Spannung vorliegende amorphe Ketten frei zum Desorientieren sind, entsprechend dem zweiten thermodynamischen Gesetz. Amorphe Bereiche sind solche, die nicht kristallin sind.
Kristalline Bereiche sind solche, die bei dieser Temperatur nicht desorientiert werden. Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten zum Definieren von kristallinen Bereichen in Form von TGA-Kurven, Röntgenstrahlenverhalten, Dichte usw., und alle geben mehr oder weniger verschiedene, aber ähnliche Antworten in Prozent Kristallinität. Für die Zwecke der vorliegenden Erörterung werden Kristalle hinsichtlich ihres Vermögens definiert werden, die Orientierung bei einer Temperatur beizubehalten.
Inhärent in diesem Modell ist die Annahme, daß ein Wärmebehandeln eines Kabels nur zum kristallinen Schmelzen und zur Faserdesorientierung führt. Für PET-Garne, die in Verfahren mit kurzen Haltezeiten relaxiert werden, ist dieses Modell gut ge eignet. Es paßt ziemlich gut für Stapelfaserverfahren, die Haltezeiten von mehreren Minuten vorsehen, dessen Gültigkeit für PTT war jedoch vor dieser Arbeit unbekannt.
Zur Erläuterung des Verfahrens kann das Länge-Orientierungsdiagramm in 6 herangezogen werden. Dieses Diagramm stellt dar, was geschieht, wenn eine Faser von ihrer Länge bei Doppelbrechung 0 auf die Probenfaserlänge, l_f, verstreckt wird. Wenn diese Faser auf die Temperatur T₁ erhitzt wird, verliert sie an Länge auf l₁, weil sämtliche amorphen Bereiche desorientieren und alle Kristalle, die gegenüber der Temperatur T₁ nicht beständig sind, schmelzen und ebenfalls desorientieren.
Die Faser desorientiert nicht vollständig, weil es noch immer Kristalle gibt, die bei T₁ beständig sind. Wird die Temperatur auf T₂ gesteigert, schmelzen weitere Kristalle, werden amorph, desorientieren, und die Länge nimmt weiter ab. Man könnte denken, daß es möglich wäre, vollständig auf das Doppelbrechung 0-Streckverhältnis 1,0 zu schrumpfen, aber in der Praxis gibt es einige Kristalle, die bis zum Schmelzpunkt und darüber hinaus beständig sind (was in der PET-Polymerisation Probleme verursacht). Diese desorientieren nicht, und daher kann eine Reorientierung niemals vollständig sein.
Mit der vorstehenden Einführung im Kopf können nunmehr die experimentellen Fragen angesprochen werden.
Bleiben Unterschiede in der Spinngarnstruktur über das Verstrecken hinaus bestehen?
Man würde erwarten, daß das Schrumpfen eine strenge Funktion des Streckverhältnisses wäre, weil dieses die Orientierung herbeiführt, die verloren geht. Bei PET ist dies in bestimmtem Ausmaß richtig, aber der Effekt wird stark von der Tatsache überschattet, daß mit zunehmender Orientierung das Vermögen zur Ausbildung von kristallinen Bereichen zunimmt, sodaß es einander widerstrebende Effekte von Orientierungszunahme gibt. Ebenso wird bei PET, bei erhöhten Streckbadtemperaturen, das gesamte Spinngedächtnis ausradiert, soweit das Schrumpfen betroffen ist. Die Orientierung kann als der Gesamtorientierungsparameter (total orientation parameter, TOP) (Denierstreckverhältnis/natürliches Streckverhältnis) approximiert werden.
Zur Berechnung des natürlichen Streckverhältnisses ist es erforderlich, die richtige Spannungsrate für die Laboreinrichtung und die Eigenschaften zu bestimmen, die zu reproduzierbaren Resultaten führen würden. Ein Einzelschlauch, gesponnen bei 40 #/h, 240°C und 1.500 m/min, wurde bei Spannungsraten von 200 bis 800% pro Minute getestet. Es wurden drei Wiederholungsmessungen vorgenommen und die Kurven wurden auf einen einzigen Graph gezeichnet. Die Ergebnisse waren bei allen Spannungsraten durchaus reproduzierbar, was auf gute Laboreigenschaften und -einrichtungen hinwies. Alle Bestimmungen ergaben die in 3 veranschaulichte charakteristische Kurve. Das natürliche Streckverhältnis kann leicht aus diesen Kurven wie folgt berechnet werden: NDR = 1 + (Sn/100) (1),worin S_n für % Spannung beim natürlichen Streckspannen steht.
Dies ist äquivalent zu der klassischen Definition von NDR: NDR = ld/ls (2),worin l_d die Länge am Wendepunkt der natürlichen Verstreckung ist und l_s die Länge der Spinnprobe bedeutet.
Der erste Schritt besteht darin, festzustellen, welche Variablen statistisch signifikant für die Vorhersage des Schrump fens bei einer gegebenen Temperatur sind. Die Prozedur bestand darin, die stufenweise Vorwärts- und Rückwärtsregressionsmethoden in Sigma Stat 2.0 anzuwenden, mit F > 4,0 und P < 0,05.
Die in Tabelle III zusammengefaßten Ergebnisse zeigen an:

• Beide Vorgangsweisen stimmten generell überein
• Bei Verstreckungstemperaturen von 60°C oder darüber spielen die Spinnvariablen keine signifikante Rolle im Schrumpfen von verstreckter Faser
• Der Gesamtorientierungsparameter und überraschenderweise die Blocktemperatur waren schwach signifikante Faktoren für das Schrumpfen bei der Verstreckungstemperatur von 45°C.

Daraus wird geschlossen, daß Verstreckungstemperaturen von 60°C oder darüber angewendet werden sollten, um etwaige Spinnauswirkungen auf das Schrumpfen des Produktes auszulöschen. Diese Taten stützen die Hypothese, daß, wie bei PET, die Spinnstruktur ausgelöscht ist, wenn eine Verstreckungstemperatur deutlich über der T_g angewendet wird. Die Regressionsgleichungen für Korrelationen mit r² > 0,5 sind in der nachfolgenden Tabelle angeführt. Bemerkt sei, daß es für T >= 60°C keine solchen Werte gibt.
Wie beeinflußt die Streckbadtemperatur das Schrumpfen?
Die 7 bis 11 zeigen das Boil Off-Schrumpfen und das Trockenhitzeschrumpfen bei 125, 140, 175 und 197°C für die drei angewandten Streckbadtemperaturen. Es ist klar, daß es einen starken Mechanismuswechsel zwischen 45 und 60°C, der nächsthöheren getesteten Temperatur, gibt. Bei Temperaturen von größer als 60°C ist das Schrumpfen nahezu unabhängig von der Orientierung und verhältnismäßig unempfindlich gegenüber der Badtemperatur.
Höhere Badtemperaturen vermindern tatsächlich das Schrumpfpotential um einen kleinen Betrag, aber nicht signifikant hinsichtlich Kräuselungspotential oder wahrscheinlicher Produktqualität.
Ein Arbeiten bei Temperaturen von 60°C oder darüber wird empfohlen, weil der Betrieb der Kräuselungsvorrichtung stark vereinfacht wird. Unter diesen Bedingungen werden Anpassungen der Kräuselungsvorrichtung nicht benötigt, außer zur Kompensation der Denierdichte in den Kräusler (Denier/Crimper-Linearzoll, dTex/Crimper-Linearzentimeter).
Wie beeinflussen die Spinntemperatur und die Streckbadtemperatur den Relaxationsfaktor? Die 7 bis 11 und die Varianzanalyse zeigen an, daß das Schrumpfpotential von verstrecktem Kabel unabhängig von den Spinnbedingungen ist und nur schwach von der Orientierung abhängig ist, mit Ausnahme für die niedrigste überprüfte Temperatur, 45°C.
Die 12 zeigt die Beziehung zwischen Ofentemperatur und Relaxationsfaktor für verstreckte Kabel. Bei Streckbadtemperaturen von über 60°C sollte eine Linie durch die Topgruppierung von Datenpunkten sich dem Relaxationsfaktor annähern. Dies ist ein guter Ausgangspunkt, der Wert könnte aber zu hoch sein (Schrumpfen zu gering), weil die Schrumpfmethode ein kleines Gewicht an der Probe anwendet, sodaß diese nicht völlig frei relaxieren kann, wie dies in einem typischen Anlagentrockner/Relaxierer der Fall wäre.
Die Kurve sollte jedoch die korrekte Form aufweisen und wäre daher ausreichend gut zum Extrapolieren des Temperatureffektes, wenn mehr an maschinenspezifischen Daten erhalten wird.
Kann das Schrumpfen des relaxierten Produktes aus den Bändchenschrumpfdaten vorhergesagt werden?
Bezugnehmend auf 3 und das einfache Schrumpfmodell für PET zeigt sich, daß dann, wenn eine Faser mit l_f in einen Ofen bei T₁ eingebracht wird, sie amorphe Orientierung verlieren wird und einige Kristalle schmelzen und desorientieren werden und die Länge der Faser auf l₁ abnehmen wird. In ähnlicher Weise wird dann, wenn eine Probe mit der Länge l_f in einen Ofen bei T₂ eingebracht wird, die höher ist als T₁, die Faser stärker schrumpfen, weil mehr von dem kristallinen Material bei der höheren Temperatur schmelzen wird, und die Faser wird zur Länge l₂ schrumpfen.
Mathematisch kann das Schrumpfen in folgender Weise ausgedrückt werden: Annahme: Φ1 = % Schrumpfen bei T1/100 (1) Φ2 = % Schrumpfen bei T2/100 (2)
Dann folgt aus der Definition des Trockenhitzeschrumpfens: Φ1 = (lf – l1)/lf = 1 – l1/lf (3) Φ2 = 1 – l2/lf (4)
Was würde passieren, wenn die bei T₁ frei relaxierte Probe auf ein Schrumpfen bei T₂ getestet werden würde? Wenn kein kri stallines Wachstum oder andere Änderungen als Schmelzen und Desorientieren während des ersten Schrumpfprozesses erfolgen, sollte die Probe auf l₂ schrumpfen.
Das erste Schrumpfen ist somit das, was die Faser im Relaxer erfährt, und das zweite Schrumpfen ist das Restschrumpfen im relaxierten Produkt. PET entspricht diesen Annahmen in gewissem Grad, sodaß es möglich ist, das Schrumpfen im relaxierten Produkt aus dem Trockenhitzeschrumpfen von verstreckten Bändchen abzuschätzen.
Was dafür berechnet werden muß ist das Schrumpfen, wenn das bei T1 geschrumpfte Produkt ein zweites Mal bei T₂ geschrumpft wird. Dies kann unter Anwendung der Definition des Schrumpfens und der 3 wie folgt vorgenommen werden: Φps = (% Schrumpfen der bei T1 geschrumpften Probe bei einem Schrumpfen bei T2)/100 (5) Φps = (l1 – l2)/l1 = 1 – l2/l1 (6)
Wenn die Gleichungen 3 und 4 zur Eliminierung von l₁ und l₂ als die gemessenen Trockenhitzeschrumpfungen bei den beiden verschiedenen Temperaturen herangezogen werden, führt dies zu: Φps = 1 – (1 – Φ2)/(1 – Φ1) (7)
Aus dieser Gleichung und den ermittelten Schrumpfungen kann das erwartete Produktschrumpfen bei T₂ nach einer Ofenrelaxation bei T₁ berechnet werden.
Die 13 ist eine Darstellung des erwarteten Schrumpfens für den technisch brauchbaren Fall einer hohen Orientierung und einer hohen Badtemperatur. Es scheint, daß die erwarteten Faserschrumpfungen nach einer gegebenen Ofenrelaxation viel zu niedrig liegen. Dies ist ein Hinweis darauf, daß ein signifi kanter Kristallinitätswechsel zusätzlich zu einer einfachen Desorientierung in dem Trockner/Relaxer stattfindet.
Beispiel 3: Bewertung der PTT-Stapelfaser-Hitzeverfestigung an den Eigenschaften von PTT-Spinngarneigenschaften unter Hitzspannungsbedingungen: Bewertete Garne umfaßten PTT, PTT/PET-Mischung, PTT/Baumwolle-Mischung und PET (Tabelle IV)
Ein Filamentbruch während der Extrusion von synthetischen PTT-Fasern beschränkt ernsthaft die Produktionsproduktivität und die Produktqualität. PTT-Harze mit einer Grenzviskosität (IV) im Bereich von 0,55–1,0 werden bevorzugt, stärker bevorzugt jene mit einem IV-Bereich von 0,675–0,92 und am meisten bevorzugt jene mit einem IV-Bereich von 0,72–0,82. Die Herstellung von PTT-Synthesefasern mit einem Grenzviskositätsbereich von 0,72–0,82 trägt zur Verbesserung der Ausführbarkeit der Synthesefaserproduktion und der Produktqualität ohne signifikante Verminderung der Faserendeigenschaften bei.
Ein Vermindern der Grenzviskosität von PTT hilft:

1. Vermindert das Ausmaß der Viskositätsänderung vom Chip im Vergleich zur Viskosität der extrudierten Faser.
2. Verbessert die Homogenität der Polymerschmelze im Spinnpack. Ein PTT-Harz mit einer IV von 0,92 erfordert viel strengere Spinnpackfiltrationssysteme, um marginale Ausbeuten in der Extrusion beizubehalten.
3. Verbesserung der Produktionsausführbarkeit durch Reduzieren der Filamentbrüche während der Herstellung.
4. Das Produkt kann mit kühleren Extrusionstemperaturen für extrudierte Filamente mit weniger als 2 Denier pro Filament betrieben werden. Es ist bekannt, daß PTT bei Schmelzextrusionstemperaturen von über 260°C abgebaut wird. Bei Herstellung von synthetischen Filamenten mit feinem Denier (Filamente mit weniger als 2 dpf) unter Verwendung eines Harzes mit einer IV von 0,92 muß die Schmelzextrusionstemperatur erhöht werden, um die Schmelzviskosität ausrei chend zu erniedrigen, um übermäßige Schmelzflußturbulenz und Schmelzeabbau zu vermeiden, die einen Filamentbruch während der Extrusion verursachen.
5. Ein Vermindern des Ausmaßes des Schrumpfens in der Produktfaser macht Verstreckungsprozesse und/oder das Aufspulen zu stabilen Garnpaketen einfacher.

Aus PTT hergestellte Stapelfasergarne sind überraschend elastisch – sie zeigen eine wiedergewinnbare Elastizität, wenn sie bis zu 15 bis 25% der ursprünglichen Garnlänge gedehnt werden. Diese Elastizität liegt auch in Stapelfasergarnen vor, die aus innigen und nicht-innigen Fasergemischen hergestellt werden, worin PTT die Faserhauptkomponente nach Gewicht und/oder Länge ist. Darüber hinaus ist diese Elastizität nach mehreren hundert Zyklen wiedergewinnbar. Die Elastizität ist ausreichend hoch, um die Formretentionseigenschaften von aus PTT-Stapelfasergarnen und gemischten Stapelfasergarnen hergestellten Textilgeweben zu steigern. Richtig aufgebaute und ausgerüstete Gewebe, die eine Hauptmenge an PTT-Stapelfaserspinngarn (nach Prozent Längengewicht) enthalten, können überraschend eine hohe elastische Erholung in gewebten und gewirkten Geweben aufweisen (getestet mit über 500 Handzyklen und 200 Maschinzyklen). Die vorliegende Erfindung umfaßt die Ausbildung von Stapelfaserspinngarnen durch Umwandlung von Stapelfasern in eine verdrillte Garnstruktur nach einer beliebigen Methode. Das Spinngarn kann von Hand aus, mit dem Spinnrad, durch Ringspinnen, Offenendspinnen, Luftstromspinnen oder andere Arten von Stapelfaser-Garn-Umwandlungsanlagen erhalten werden.
Aus Baumwolle, Wolle, Acryl oder PET hergestellte Stapelfasergarne sind nicht elastisch. Um aus diesen Fasern Stapelfasergarne zu produzieren, die elastisch sind, muß die Industrie üblicherweise ein elastisches kontinuierliches Filament entweder direkt dem Garn oder dem Gewebe zusetzen, um dem Textilendprodukt elastische Eigenschaften zu verleihen. Diese Lösungen sind kostspieliger als ein aus PTT hergestelltes Stapelfa ser-Grundspinngarn. Der Wert der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß Firmen mit Stapelfaserspinngarn-Grundtechnologien ein elastisches Spinngarn mit kommerziellem Wert herstellen können, ohne in kostspieligere Kern-Spinngarnanlagen investieren oder elastische kontinuierliche Filamente in die Gewebestrukturen aufnehmen zu müssen, was dann beim Färben und Ausrüsten des Gewebes zu Komplikationen führt.
Es wurde der Versuch unternommen, kurz darzustellen, wie die Stapelfaser-Wärmeverfestigungseigenschaften sich auf das Verhalten von aus PTT-Stapelfasern und mit Baumwolle gemischten PTT-Stapelfasern und auf mit PET-Stapelfasern gemischte PTT-Stapelfasern auswirken. Wie in Tabelle IV angegeben, wurden die PET- und Baumwoll-Mischgarne aus mehreren PTT-Stapelfaserproduktionen hergestellt, die mit unterschiedlicher Relaxertemperatur ausgebildet worden waren und deutlich verschiedene Kräuselung aufweisen. So kann die Auswirkung des Mischens mit anderen Fasern nicht definitiv zugeordnet werden. Vorsicht sollte daher angewendet werden bei der Folgerung von präzisen Mischeffekten aus diesen Versuchen. Dieses Experiment untersucht jedes Beispielgarn hinsichtlich Schrumpfen, Modul, Spannungsabbau und Erholung. Diese Faktoren sind generell unabhängig und wurden in dieser Arbeit getrennt überprüft.
Tabelle IV: Fasereigenschaften
Zusammenfassung und Schlußfolgerungen
Für Spinngarn-Trockenhitzeschrumpfen bei 175°C:

• Das Trockenhitzeschrumpfen für Spinngarn nahm mit der Ofentemperatur für alle getesteten Mischungen ab (100% PTT, 100% PET, 50/50 PTT/PET und 50/50 PTT/Baumwolle).
• Das Trockenhitzeschrumpfen nimmt um ungefähr ½% für jedes % angelegte Verstreckung (oder Relaxation) für alle getesteten Mischungen zu.
• Das Schrumpfen für PTT-Spinngarne war um 2 bis 2½% kleiner als für PET-Garne.
• Die PTT-Werte entsprachen eng dem amorphen Desorientierungsmodell für das Schrumpfen.

Boil off-Schrumpfen für Spinngarn:

• Das Boil off-Schrumpfen nahm mit der Ofentemperatur für alle getesteten Mischungen ab.
• Das Boil off-Schrumpfen steigt um etwa 0,4% für jeweils 1% angelegtes Verstreckung für alle getesteten Mischungen.
• Die PTT-Spinngarne zeigten etwa 1% niedrigeres Boil off-Schrumpfen als PET-Garne, weil sie nach dem Draw-Relax-Verfahren hergestellt wurden, wogegen die PET-Probe nach dem Draw-Anneal-Verfahren erhalten worden war.

Für Spinngarnlast bei 5% Spannung (Stretch):
Gewebe werden als "streckbar" wahrgenommen, wenn sehr wenig Kraft benötigt wird, um ihre Länge um einen signifikanten Betrag zu ändern. In dieser Versuchsreihe wurde zur Charakterisierung von Stretch die zur Herbeiführung einer Spannung des Gewebes von 5% erforderliche Kraft charakterisiert. Die sämtlichen getesteten Mischungen am meisten beeinflussende Variable war die angelegte Spannung. Die Ofentemperatur war viel weniger von Bedeutung, sodaß diese Bewertung folgendes anzeigt:

• PTT erforderte um 3 bis 4 Mal weniger Kraft, um eine Dehnung von 5% (größer Streckung) herbeizuführen, als PET.
• Das Ausmaß von PTT-Stretch nimmt mit der angelegten Spannung ab, wenn diese ein Zehntel derjenigen von PET ist (0,01 gpd Zunahme/1% Stretch gegenüber 0,1). Für PTT kann daher die angelegte Spannung zum Modifizieren der Garneigenschaften ohne großen Garnstreckungsnachteil verwendet werden.
• Das Strecken von 100% PTT-Garn war verhältnismäßig unempfindlich gegenüber den Wärmeverfestigungsbedingungen.

Spannungsabbau von Spinngarn
Wie sehr sich ein Garn oder Gewebe nach einer Einwirkung einer festgelegten Spannung während einer gegebenen Zeitdauer erholen wird, hängt von zwei Faktoren ab:

1. Wie viel Belastungsabbau erfolgt, während die Spannung aufrechterhalten wird.
2. Das Ausmaß der Erholung nach dem Absetzen der Spannung.

Diese Faktoren sind generell unabhängig und wurden in dieser Arbeit getrennt überprüft:

• Der PTT-Spannungsabfall war unabhängig von der Hitzeverfestigungstemperatur und nahm linear mit zunehmender aufgebrachter Dehnung ab (0,5% Reduktion im Spannungsabfall/1% aufgebrachte Dehnung beim Hitzeverfestigen).
• Der PET-Spannungsabfall nahm mit zunehmender Ofentemperatur und linear mit steigender aufgebrachter Dehnung ab. Der aufgebrachte Dehnungseffekt ist deutlich stärker als bei PTT (–0,9% pro % aufgebrachter Dehnung).
• PTT und PET zeigten grob gesprochen das gleiche Ausmaß an Spannungsabfall.
• PTT/PET-Mischgarne verhielten sich etwa mittig zwischen den entsprechenden Reingarnen mit einer Abnahme um –0,7% pro % aufgebrachter Dehnung.
• PTT/Baumwolle-Mischgarn-Spannungsabbau war unabhängig von den Hitzeverfestigungsbedingungen.

Spinngarn-Erholung
Die Erholung für die PTT-Garne aus diesem Probensatz war viel geringer als für das unlängst getestete vorkommerzielle Garnmuster mit 98% Erholung. Der Grund dafür mag der in der Faserverarbeitung eingesetzte 100°C-Trocknungsofen sein. Die vorwiegende Hitzeverfestigungsvariable, die die Erholung für sämtliche getesteten Proben beeinflußt, war die aufgebrachte Dehnung, wobei zunehmende aufgebrachte Dehnung zu einer steigenden Erholung führt:

• Die PTT-Erholung nimmt um 0,9% pro 1% aufgebrachter Dehnung zu
• PTT hat generell eine um 5 bis 10% höhere Erholung als PET
• Die PTT/Baumwollmischungswerte waren sehr erratisch, zeigten aber die gleichen generellen Trends wie die Reingarne.

Grundbemerkungen zum Schrumpfen
In einer halbkristallinen Polymerfaser mit signifikanter Orientierung beruht die Orientierung auf zwei Bereichen, den kristallinen Bereichen und den die kristallinen Domänen verbindenden amorphen Bereichen. Üblicherweise gibt es einen Bereich von Kristallgrößen, und die Orientierung von kristallinen Bereichen kann variieren.
Wird eine Faser Temperaturen unter der Glasübergangstemperatur ausgesetzt, erfolgt eine Längenänderung sehr langsam und wird als Kriechen bezeichnet. Im allgemeinen zeigen brauchbare Textilfasern in Abwesenheit von Last immer niedrige Kriechgeschwindigkeiten. Wird die Faser auf Temperaturen über der Tg erwärmt, werden die amorphen Bereiche beweglich, und in Abwesenheit einer Rückhaltekraft desorientiert sie so nahe als möglich zum isotropen Zustand (keine bevorzugte Orientierung).
Der isotrope Zustand wird durch das zweite thermodynamische Gesetz begünstigt. Dies führt üblicherweise zu einem Schrumpfen, in seltenen Fällen kollabieren jedoch die kristallinen Bereiche auf sich selbst und es gibt eine "negative" Orientierung, sodaß die Faser wächst. Derartige Fasern werden selbstverlängerbar genannt. Es ist nicht bekannt, ob sie aus PTT hergestellt werden können. Die kristallinen Bereiche sind nicht mobil, und sie desorientieren nicht.
Wird die Temperatur der Faser weiter erhöht, schmelzen kleinere Kristalle und ihre Domäne wird amorph. Sie desorientieren nun, und es tritt ein weiteres Schrumpfen auf. Dies ist der Grund dafür, daß das Schrumpfen generell mit der Temperatur für ein halbkristallines Polymer zunimmt. Es gibt somit zwei Strategien, um das Faserschrumpfen zu vermindern:

1. Vorschrumpfen auf die Temperatur, bei der die Faser stabil sein soll
2. Kristallisieren unter Hitze und Spannung bei einer Temperatur, die zu Kristallen führt, die bei der Temperatur stabil sind, bei der die Faser nicht schrumpfen soll.

Für PET-Massenwarefaser, wo die Probleme die Spinn- und Webeffizienz und die Garnfestigkeit sind, wird ausschließlich der zweite Weg angewandt, weil, wie nachfolgend ersichtlich, ein Vorschrumpfen den Fasermodul verringert. Bei Spezialfasern, insbesondere für Mischungen mit Wolle, wird der erste Weg eingeschlagen, weil Festigkeit und Modul keine wichtigen Probleme sind, sondern die durch den Weg 1 erreichbare bessere Anfärbbarkeit einen Vorteil darstellt. Zur Zeit ist nicht klar, welcher der bessere Weg für PTT ist.
Wird eine Faser gestreckt, so nimmt ihre amorphe Orientierung zu, ebenso das Schrumpfen. Im unverdrillten kontinuierlichen PET-Filamentgarn gibt es häufig ein Verhältnis von nahezu 1:1 (5% Dehnung erhöht das Schrumpfen um 5%).
Bisher wurden ungekräuselte Einzelfasern erörtert. Die Situation für Spinngarne ist komplexer, weil:

• Fasern mit einem Schrägungswinkel verdrillt werden, was den Effekt des Faserschrumpfens auf das Garn verringert
• Fasern von der Außenseite zur Garnmitte wandern
• Fasern im Garn gleiten können
• Das Vorliegen von Mischfasern mit unterschiedlichem Schrumpfen das Schrumpfen der Gesamtanordnung verändern kann.

Selbst bei diesen Komplexitäten kann das einfache Modell herangezogen werden, um die Reaktion eines Spinngarnes auf die Hitzeverfestigungsbedingungen vorherzusagen:

1. Wenn das Garn erhitzt und frei relaxieren gelassen wird, sollte es desorientieren und die Kristallinität sollte zunehmen. Beide Faktoren vermindern das Schrumpfen. Bei einer konstanten Ofentemperatur sollte die Schrumpfabnahme linear mit der Relaxation sein. Das Schrumpfen sollte mit zunehmender Ofentemperatur abnehmen.
2. Wenn ein Garn erhitzt und auf konstanter Länge gehalten wird, gibt es keine Desorientierung. Das Schrumpfen nimmt mit steigender Ofentemperatur so lange ab, als die Garnbehandlungsofentemperatur höher ist als jene Temperatur, der die Faser während der Freirelaxationsstufe in der Faserherstellung ausgesetzt war.
3. Wenn ein Garn erhitzt und verstreckt wird, nimmt die Orientierung zu, und daher sollte das Schrumpfen ebenfalls zunehmen. Das Schrumpfen sollte linear mit der aufgebrachten Dehnung zunehmen, und mit steigender Ofentemperatur abnehmen, vorausgesetzt, daß sie höher ist als die während der Faserverarbeitung erfahrene Temperatur.

Mit diesen Grundanmerkungen im Kopf kann nunmehr der Effekt von Hitzeverfestigungsbedingungen auf das Garnschrumpfen analysiert werden.
175°C-Spinngarn-Trockenhitzeschrumpfen
Wie in 14 dargestellt, ist PTT ein wundervolles Substrat, das sämtlichen Regeln des Gesamtorientierungsmodells folgt.
Bei 0% aufgebrachter Dehnung hat die Kontrollprobe, die bei 100°C relaxiert wurde, genau das gleiche Schrumpfen wie das bei 100°C behandelte Garn. Erfolgt die Behandlung bei höheren Temperaturen, stets bei konstanter Länge, nimmt das Schrumpfen ab.
Wird die Länge durch aufgebrachte Dehnung, oder Schrumpfen, geändert, nimmt das Schrumpfen linear mit aufgebrachter Dehnung zu, und die Anstiege sind ungefähr konstant mit der Ofentemperatur. Bei einer gegebenen Ofentemperatur von 176°C nimmt das Trockenhitzeschrumpfen um etwa 0,46% pro 1% aufgebrachter Dehnung zu.
PET verhält sich in ähnlicher Weise, 15. Da es sich um eine angelassene und nicht um eine relaxierte Faser handelt, nimmt das Schrumpfen des Vergleichsgarns mit steigender Ofentemperatur selbst bei 100°C ab. Das es sich um eine Hochmodulfaser handelt, dehnen sich die Fasern bei hoher Verstreckung und niedriger Ofentemperatur nicht, sondern gleiten in den Garnen, sodaß die Schrumpfzunahme nicht so groß ausfällt wie für PTT. Für Ofentemperaturen von über 130°C nimmt das PET-Trockenhitzeschrumpfen um etwa 0,55% pro 1% aufgebrachter Dehnung zu. Dies ist etwas größer als bei PTT, aber eine gute Daumenregel für beide besagt eine ½%-ige Schrumpfungszunahme für jedes % Dehnung.
Die 16 vergleicht das PTT- und PET-Garnschrumpfen für die höchsten und niedrigstem Wärmeverfestigungstemperaturen. PTT hat ein um etwa 2 bis 2,5% niedrigeres Trockenhitzeschrumpfen als PET für äquivalente Ofenbedingungen. Wie zuvor erwähnt, zeigen beide etwa die gleiche Schrumpfzunahme mit aufgebrachter Dehnung.
Die PTT/Baumwollmischung ist ähnlich der PET-Mischung (17), wobei das Schrumpfen mit abnehmender Ofentemperatur und steigender aufgebrachter Dehnung zunimmt. Die Zunahme mit aufgebrachter Dehnung ist ziemlich linear, und das Schrumpfen nimmt um etwa 0,47% pro 1% aufgebrachter Dehnung zu. Das Schrumpfen der Baumwollmischungen ist um ungefähr 1% geringer als für die PET-Mischung für gleiche Bedingungen. Für diesen Probensatz kann als gute Daumenregel gelten, daß 1% aufgebrachte Dehnung das Trockenhitzeschrumpfen um ½% erhöht.
Spinngarn-Boil Off-Schrumpfen
Das Boil Off-Schrumpfen verhält sich in gleicher Weise wie das Trockenhitzeschrumpfen, außer daß die verfügbare amorphe Orientierung diejenige ist, die in der Faser zugegen ist, plus alle Kristalle, die zwischen der Glasübergangstemperatur und 100°C schmelzen, sodaß es viel geringer ist als das Trockenhitzeschrumpfen. In einigen Fasern, wo die plastifizierende Wirkung von Wasser hoch ist, kann dieses Schrumpfen beträchtlich sein. Nach einem Draw-Relax-Verfahren mit Relaxationstemperaturen von über 100°C hergestellte Fasern weisen generell sehr niedrige Boil Off-Schrumpfungswerte auf. Angelassene Fasern zeigen generell ein verhältnismäßig hohes Boil Off-Schrumpfen, weil sie unter Spannung erhitzt werden und es stets eine amorphe Orientierung gibt.
Diese Proben folgten generell diesen Prinzipien. Alle Mischungen verhielten sich ähnlich zum Trockenhitzeschrumpfen, mit abnehmendem Schrumpfen bei steigender Ofentemperatur und mit zunehmendem Schrumpfen mit angelegter Dehnung.
Das PTT-Kontrollgarn hatte ein Schrumpfen von 2%, obwohl die Fasern, die in das Garn eingingen, bei 100°C im Ofen relaxiert worden waren. Dies ist ein Hinweis darauf, daß während der Verarbeitung ein gewisses Kaltverstrecken erfolgte, möglicherweise während des Kardierens. Dies ist nicht überraschend, in Anbetracht des niedrigen Moduls von PTT. Das PTT-Garnschrumpfen nahm um etwa 0,38% pro 1% aufgebrachter Dehnung zu. Das PET-Kontrollgarn hatte ein erheblich höheres Schrumpfen als PTT (4,5 gegenüber 2%), weil es nach dem Anlaßverfahren hergestellt wird. Das Garnschrumpfen nahm um 0,47% pro 1% angelegter Dehnung zu. Generell haben PTT-Garne ein ungefähr 1% kleineres Trockenhitzeschrumpfen als PET-Garne, unter gleichen Garn-Hitzeverfestigungsbedingungen (18).
Die PTT/PET-Mischgarne zeigten eine Schrumpfzunahme von 0,44% pro 1% aufgebrachter Dehnung, und das PTT/Baumwollgarn hatte eine Zunahme um 0,417. Eine gute Daumenregel für das Boil Off-Schrumpfen ergibt eine Zunahme von etwa 0,4% pro 1% aufgebrachter Dehnung für alle getesteten Bedingungen.
Für 100% PTT-Spinngarne ist die Last bei 5% Spannung nahezu unabhängig von der Ofentemperatur, und sie steht in linearer Beziehung zur aufgebrachten Dehnung, mit einer Zunahme von 0,01 gpd pro 1% Zunahme in aufgebrachter Dehnung. Dies bedeutet, daß die Garndehnung abnimmt, wenn das Garn während der Hitzeverfestigung verstreckt wird. Zu den PTT-Werten sei angemerkt, daß das Kontrollgarn, das aus bei 100% relaxierten Fasern hergestellt worden war, im wesentlichen die gleiche Last bei 5% Spannung aufwies wie das bei 0 Dehnung und 100% hitzeverfestigte Garn.
PET-Garne verhielten sich in ähnlicher Weise. In diesem Fall gab es eine erhebliche Änderung für Kontrollgarn gegenüber bei 100°C und 0 aufgebrachter Dehnung hitzeverfestigtem Garn, weil die Speisefasern angelassen, nicht relaxiert waren. Die PET-Last bei 5% Dehnung nimmt um eine Größenordnung mehr als PET mit der aufgebrachten Dehnung zu, 0,1 gpd/1% aufgebrachte Dehnung.
Die 19 vergleicht das Verhalten von PTT und PET, und der PTT-Dehnungsvorteil ist auffallend ersichtlich. Nicht nur ist die für 5% Spannung erforderliche Kraft um einen Faktor von 3 kleiner bei keiner aufgebrachten Dehnung, das Verhalten auf aufgebrachte Dehnung ist viel geringer, was bedeutet, daß aufgebrachte Dehnung beim Warmverfestigen von PTT-Garnen angewendet werden kann, ohne einen übermäßigen Preis in Garndehnung zahlen zu müssen. Interessanterweise erfordert die PTT-Probe mit der höchsten aufgebrachten Dehnung (7,5%) um 45% weniger Kraft bei 5% Spannung als eine PET-Probe, die um 7,5% relaxiert wurde.
Spinngarn-Spannungsabfall
Wie viel Spannung ein Garn oder Gewebe wiedererlangt, nachdem es unter Spannung gesetzt und eine Zeit lang auf konstanter Länge gehalten worden war, hängt von zwei Faktoren ab:
Wie viel Spannungsabbau erfolgt, während die Probe auf konstanter Länge gehalten wird? Im Extremfall, wenn die gesamte Spannung verloren geht, wird die Erholung 0 betragen.
Wie viel Spannung wird nach der Versuchsdauer wieder erlangt?
Dieses Spinngarn-Spannungserholungsexperiment umfaßte ein Dehnen des Garnes um 5%, dann ein Längenhalten des Spinngarns während 2 Minuten und ein Erholenlassen des Garns auf 0 Spannung. Der Spannungsabfall wurde manuell aus den Testergebnissen berechnet, und ist etwas weniger genau als maschinenberechnete Zahlen aus computerisierten Analysenmethoden. Der Spannungsabbau und die Erholung sind zwei getrennte Phänomene, und werden gesondert diskutiert.
Der Spannungsabbau von 100% PTT-Garnen war unabhängig von der Ofentemperatur und nahm linear mit der aufgebrachten Dehnung ab. Während intuitiv angenommen wird, daß der Spannungsabbau mit der aufgebrachten Dehnung zunehmen sollte, ist der r2-Wert für die Korrelation ziemlich hoch. Der PTT-Spannungsabbau nimmt um etwa 0,5% pro % aufgebrachter Dehnung ab. PET-Garn verhielt sich ähnlich, wenngleich es hier definitiv einen Ofentemperatureffekt gibt, und die Abnahme pro Einheit aufgebrachter Dehnung (0,9% Abnahme/1% aufgebrachte Dehnung) ist nahezu der doppelte Wert für PTT. Die 20 vergleicht den PTT- und PET-Spannungsabfall. Generell ist PET höher bei niedriger aufgebrachter Dehnung, und niedriger als PTT bei hoher Ofentemperatur und aufgebrachter Dehnung. Das Verhalten der PTT/PET-Mischung liegt in der Mitte zwischen den beiden Reinfasern, mit weniger Ofentemperaturempfindlichkeit und einer 0,7%-igen Abnahme des Spannungsabbaus pro 1% aufgebrachter Dehnung. Der Spannungsabfall für die PTT/Baumwollmischungen war unabhängig von den Hitzeverfestigungsbedingungen.
Spinngarnerholung
Die PTT-Erholung wurde durch die Ofentemperatur nicht beeinträchtigt und nahm linear mit zunehmender aufgebrachter Dehnung (0,9% Erholung pro 1% aufgebrachter Dehnung) zu. Die PET-Erholung nahm marginal mit steigender Ofentemperatur zu, aber der Haupteffekt war die aufgebrachte Dehnung. Deren Antwort ist viel ausgeprägter als für PTT mit einer Zunahme von 2,2% Erholung für jedes 1% aufgebrachte Dehnung. Wie in 21 angegeben, hat PTT generell eine um 5 bis 10% höhere Erholung als PET, außer dort, wo PET ein hohes Ausmaß an aufgebrachter Dehnung in einem Hochtemperaturofen erfahren hatte. Das PTT/PET-Mischgarn verhielt sich wie reines PTT mit keiner Ofentemperaturabhängigkeit und einer starken Antwort auf aufgebrachte Dehnung (1,7% Anstieg der Erholung für je 1% aufgebrachte Dehnung). Die Resultate für PTT/Baumwollgemische waren erratisch, wobei sowohl eine höhere Ofentemperatur als auch eine höhere aufgebrachte Dehnung die Erholung vergrößerten.
Eigenschaftenabstimmung in Spinngarn-Hitzeverfestigung
Einer der Hauptgründe für die Ausführung dieser Arbeit ist die Beantwortung der Frage: "Wenn ein Hitzeverfestigen des Garnes zur Verminderung seines Schrumpfens vorgenommen wird, wie sehr verschlechtern sich dann Dehnung, Erholung und Spannungsabbau?". Zur Beantwortung dieser Frage für den vorliegenden Datensatz ist es erforderlich, diese Variablen gegeneinander aufzutragen. Da alle Variablen abhängige Variablen sind, treffen die Beziehungen nur für diesen Datensatz und für andere zu, in denen die abhängigen Variablen in gleicher Weise verändert wurden, wie dies hier geschah. Mit dieser Warnung können die folgenden Antworten gegeben werden:
Für den Dehnungs/Trockenhitzeschrumpf-Ausgleich nimmt die Dehnung (Last bei 5% Spannung nimmt ab) zu, wenn das Trockenhitzeschrumpfen verringert wird. Dies ist ein vorteilhafter Tausch, weil es kein Dehnungspönale zu zahlen gibt, durch Vermindern des Schrumpfens durch Schrumpfenlassen des Garnes. Obwohl der r2-Wert mit 0,47 ziemlich niedrig ist, unter Berücksichtigung, daß jeder Punkt eingeschlossen ist, ist dieser Wert vermutlich ein verläßlicher Trendführer. Die Last bei 5% nimmt um 0,01 gpd für jedes 1% Schrumpfverminderung ab.
Der Erholung/Trockenhitzeschrumpfen-Abtausch ist ungünstig. Die Erholung nimmt um 1,3% für je 1% Verringerung im Trockenhitzeschrumpfen ab. Der r2-Wert für diese Daten betrug beträchtliche 0,64.
Der Spannungsabbau/Trockenhitzeschrumpfen-Abtausch ist ungünstig, mit einer Zunahme des Spannungsabbaus um 0,9% für je 1% Verringerung im Trockenhitzeschrumpfen. Es wird angenommen, daß diese Zunahme im Spannungsabbau für die Verringerung der Erholung verantwortlich ist. Auf jeden Fall sollte das Trockenhitzeschrumpfen nur um die vom Endverbraucher benötigte Minimalmenge verringert werden.
Beispiel 4: Vermindern der PTT-Harz-IV von 0,92 aus 0,82 ergibt eine verbesserte Extrusionszuverlässigkeit in der PTT-Stapelfaserproduktion
Ein Filamentbruch während der Extrusion von synthetischen PTT-Fasern schränkt ernsthaft die Produktivität und Produktqualität ein. Die Herstellung von synthetischen PTT-Fasern mit einem Grenzviskositätsbereich von 0,72 bis 0,82 trägt zu einer Verbesserung der Ausführbarkeit der Synthesefaserproduktion und der Produktqualität ohne signifikante Verschlechterung der Endfasereigenschaften bei.
Ein Verringerung der Grenzviskosität von PTT hilft, das Ausmaß der Viskositätsänderung des Chips im Vergleich zur Viskosität der extrudierten Faser zu verringern. Es verbessert auch die Homogenität der Polymerschmelze in der Spinnpackung. Ein PTT-Harz mit einer IV von 0,92 erfordert strengere Spinnpackfiltrationssysteme, um marginale Ausbeuten in der Extrusion aufrechtzuerhalten. Es hilft auch, die Produktionsausführbarkeit zu verbessern, indem die Anzahl von Filamentbrüchen während der Herstellung verringert wird. Es ermöglicht ein Ausführen der Produktion mit kühleren Extrusionstemperaturen für extrudierte Filamente mit weniger als 2 Denier pro Filament. Es ist bekannt, daß PTT bei Schmelzextrusionstemperaturen von über 260°C abgebaut wird. Bei Herstellung von synthetischem Filament mit feinem Denier (Filamente mit weniger als 2 dpf) unter Einsatz eines Harzes mit einer IV von 0,92 muß die Schmelztemperatur erhöht werden, um die Schmelzviskosität ausreichend zu verringern, daß übermäßige Schmelzflußturbulenzen und ein Abbau der Schmelze verhindert werden, die zu einem Filamentbruch während der Extrusion führen. Es verringert auch das Schrumpfausmaß in der Produktfaser, wodurch der Streckprozeß und/oder das Aufwickeln zu stabilen Garnpaketen erleichtert werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Textilstapelfaser aus Polytrimethylenterephthalat (PTT) mit einer Grenzviskosität von 0,55 bis 1,0 auf existierenden PET-Textilstapelfaser-Herstellungsanlagen, welches Verfahren umfasst: (a) Schmelzextrudieren von PTT-Polymer bei 245 bis 253°C, (b) Spinnen des extrudierten PTT zu einem Garn unter Verwendung wenigstens einer Spinndüse, (c) Bewegen des gesponnenen Garnes zu einer ersten Aufnahmespule, wobei der Abstand von der Spinndüse zur ersten Aufnahmespule 4,88 bis 6,10 m (16 bis 20 ft) beträgt, (d) Abkühlen des gesponnenen Garnes auf unter 31°C, bevor es die erste Aufnahmespule erreicht, (e) gewünschtenfalls Lagern des gesponnenen Garnes bei einer Temperatur von nicht über 31°C, (f) Vorkonditionieren des Garnes unter Spannung bei einer Temperatur von wenigstens 60°C vor dem Streckprozeß, (g) Strecken des Garnes bei einer Temperatur von wenigstens 60°C, (h) gegebenenfalls Erholenlassen des gestreckten Garnes bei einer Temperatur von bis zu 190°C und (i) Kräuseln des gestreckten Garnes bei einer Temperatur von 70 bis 120°C und Vermindern des Zuführungsdeniers des gestreckten Garnes um 10 bis 60% nach Denier gegenüber dem zur Herstellung von vergleichbarem PET verwendeten Zuführungsdenier für gestrecktes Garn.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Grenzviskosität des PTT von 0,72 bis 0,82 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das gesponnene Garn auf unter 25°C abgekühlt wird, bevor es die erste Aufnahmespule erreicht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der Erholungsschritt nicht angewendet wird und die Kräuselungstemperatur 70 bis 100°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Erholungsschritt vorgenommen wird und die Kräuselungstemperatur 80 bis 120°C beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der Schritt (i) zusätzlich ein Anwenden eines um 10 bis 50% größeren Kräuselungsvolumens als das Kräuselungsvolumen der zur Herstellung von vergleichbarem PET verwendeten Kräuselvorrichtung umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der Zuführungsdenier des gestreckten Garnes um 40 bis 60% verringert ist.
Verfahren zur Herstellung von Textilstapelfaser aus Polytrimethylenterephthalat (PTT) mit einer Grenzviskosität von 0,55 bis 1,0 auf einer existierenden PET-Textilstapelfaser-Herstellungsanlage, welches Verfahren umfasst: (a) Schmelzextrudieren von PTT-Polymer bei 245 bis 253°C, (b) Spinnen des extrudierten PTT zu einem Garn unter Verwendung wenigstens einer Spinndüse, (c) Bewegen des gesponnenen Garnes zu einer ersten Aufnahmespule, wobei der Abstand von der Spinndüse zur ersten Aufnahmespule 4,88 bis 6,10 m (16 bis 20 ft) beträgt, (d) Abkühlen des gesponnenen Garnes auf unter 31°C, bevor es die erste Aufnahmespule erreicht, (e) gewünschtenfalls Lagern des gesponnenen Garnes bei einer Temperatur von nicht über 31°C, (f) Vorkonditionieren des Garnes unter Spannung bei einer Temperatur von wenigstens 60°C vor dem Streckprozeß, (g) Strecken des Garnes bei einer Temperatur von wenigstens 60°C, (h) gegebenenfalls Erholenlassen des gestreckten Garnes bei einer Temperatur von bis zu 190°C und (i) Kräuseln des gestreckten Garnes bei einer Temperatur von 70 bis 120°C und Anwenden eines um 10 bis 50% größeren Kräuselungsvolumens als das Kräuselungsvolumen der zur Herstellung von vergleichbarem PET verwendeten Kräuselvorrichtung.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der Schritt (g) wenigstens zwei Streckvorgänge vorsieht, wobei der erste bei wenigstens 60°C ausgeführt wird und der zweite und eventuell anschließende Streckvorgänge bei einer höheren Temperatur als der erste Streckvorgang bis zum Schmelzpunkt des Garnes vorgenommen werden.