Beschreibung
Technisches Gebiet
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Diese Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur
Herstellung von Fasern aus aromatischen Polyamiden, deren
Kettenverlängerungsbindungen koaxial oder parallel und einander
entgegengesetzt gerichtet sind. Das Verfahren betrifft hauptsächlich die
Behandlung solcher Fasern nach dem Spinnen, die im folgenden als
"Para-Aramidfasern" bezeichnet werden.
Stand der Technik
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In dem USA-Patent 3,767,756 wird ein Verfahren zum Spinnen von
Para-Aramidfasern beschrieben, mit dem Fasern mit sehr guter
Festigkeit, einem sehr guten Modul und sehr guter Reißdehnung in
gesponnenem Zustand entstehen. Die mit dem oben bezeichneten
Spinnverfahren hergestellten Para-Aramidfasern besitzen sehr gute
Eigenschaften, jedoch ist oft eine weitere Verbesserung der Festigkeit
und des Moduls erwünscht. In dem USA-Patent 3,869,429 wird
erläutert, daß ein Trocknen der Para-Aramidfasern, die unter Anwendung
von solchen Verfahren entstehen, unter Spannungen von weniger als
etwa 0,3 gpd bevorzugt wird, daß sich jedoch beim Trocknen der
Fasern mit mehr als 0,3 gpd die Reißdehnung der Fasern verringert,
während sich der Modul erhöht.
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In der offengelegten Japanischen Patentanmeldung 98,415/78
(Kokai) wird ein Trocknungsverfahren für Para-Aramidfasern nach
dem Spinnen offenbart, worin die Fasern unter einem konstanten
Streckverhältnis von etwa 20 - 90 % der Endreißdehnung der Fasern
bei einer Temperatur von weniger als etwa 200 ºC in einem einzigen
Schritt getrocknet werden.
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In der Japanischen Patentveröffentlichung 11763/80 wird eine
Faserbehandlung von Para-Aramidfasern nach dem Spinnen offenbart,
worin die Fasern bei einer Temperatur von weniger als 100 ºC um
etwa 20 - 80 % der maximalen Dehnung gestreckt werden, wobei sie
den Spinnlösungsmittelrest in einer Menge von 100 % des Gewichts
der trockenen Faser beibehalten; zur Beseitigung des
Spinnlösungsmittelrests gewaschen werden, und unter Spannung bei einer
Temperatur von mehr als 300 ºC unter Spannung getrocknet und
wärmebehandelt werden, wodurch eine konstante Länge entsteht.
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In der Japanischen Patentveröffentlichung 11764/80 wird
eine Faserbehandlung von Para-Aramidfasern nach dem Spinnen
offenbart, worin die Fasern in Wasser gewaschen werden, in nassem
Zustand und in Sattdampf bei einer Temperatur von mehr als 100 ºC um
etwa 20 - 90 % der maximalen Dehnung gestreckt werden und unter
Spannung bei einer Temperatur von mehr als 300 ºC getrocknet und
wärmebehandelt werden, wodurch eine konstante Länge ensteht.
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In der offengelegten Japanischen Patentanmeldung 88,117/85
(Kokai) wird ein Trocknungsverfahren für Para-Aramidfasern nach dem
Spinnen offenbart, worin die Fasern mit mehr als 50 % Wasser durch
Aufbringen einer Spannung von 1 - 10 gpd gestreckt werden und
danach getrocknet werden, worin die gleiche Länge wie bei
aufgebrachter Spannung insgesamt bei einer Temperatur von weniger als 200 ºC
erhalten bleibt.
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In der offengelegten Japanischen Patentanmeldung 167,015/86
(Kokai) wird ein Trocknungsverfahren für Para-Aramidfasern nach dem
Spinnen offenbart, worin die Fasern ohne eine Spannung vorläufig
entwässert werden, um den Wassergehalt auf etwa 20 - 80 % zu
reduzieren, und dann unter einer konstanten Spannung von 5 - 15 gpd und
bei einer Temperatur von 50 - 150 ºC in einem einzigen Schritt
getrocknet werden.
Zusammenfassung der Erfindung
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Mit dieser Erfindung wird ein verbessertes Verfahren zur
Herstellung von hochmoduligen Para-Aramidfasern mit einer hohen
Festigkeit nach dem Spinnen geschaffen, worin die Fasern gewaschen
werden, bei einer Dauer von mehr als 3 Sekunden bei einer ersten
konstanten Spannung bei einer Temperatur von weniger als 50 ºC auf
40 bis 95 % der Faserbruchbelastung gestreckt werden, wobei sie
mindestens 15 % Wasser enthalten, und bei einer zweiten konstanten
Spannung, die 10 - 100 % der ersten konstanten Spannung beträgt,
bei einer Temperatur, die höher ist als die Temperatur bei dem
ersten Streckvorgang und weniger als 350 ºC beträgt, getrocknet
werden. Das Trocknen ist abgeschlossen, wenn die Fasern 2 bis 10 %
Wasser enthalten, basierend auf dem Gewicht des trockenen Polymers.
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Durch die Erfindung ergeben sich Fasern mit einem sehr hohen
Modul mit einer Festigkeit, die um höchstens 15 % geringer ist,
als die Festigkeit betragen hätte, wenn keine Behandlung nach
dem Spinnen erfolgt wäre. Das Verfahren ist dadurch
gekennzeichnet, daß es ein zweistufiges Verfahren ist, worin in der ersten
Srufe die Moleküle des Polymers durch Strecken bei einer hohen,
konstanten Spannung, einer niedrigen Temperatur und in nassem,
nicht zusammengefallenen Zustand orientiert werden, und worin in
der zweiten Stufe die Faser bei einer konstanten Spannung, die
nicht höher ist als die Streckspannung, getrocknet wird.
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Damit die Fasern orientiert und dadurch gefestigt werden
können, müssen zu einem Zeitpunkt bei ihrer Herstellung ziemlich hohe
Spannungen auf sie einwirken. Mit Hilfe des zweistufigen
Verfahrens gemäß dieser Erfindung werden die Fasern der hohen Spannung
bei einer niedrigen Temperatur unterworfen, wenn sie noch vom
Wasser aufgeouollen sind und während sie nicht so leicht beschädigt
werden wie dann, wenn die Fasern bei höheren Temperaturen
getrocknet werden. Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung
besteht in der Erkenntnis, daß durch die beiden Stufen auf die
Fasern die höchste Spannung bei Temperaturen einwirkt, die sehr viel
niedriger sind als die Trocknungstemperaturen, und damit unter
Bedingungen, unter denen die Fasern viel weniger bruchanfällig sind.
Die Spannung und die Bedingungen in der ersten Stufe sind so, daß
die Moleküle in der Faser längs der Streckungsachse orientiert
werden, und die Spannung und die Bedingungen in der zweiten Stufe
sind so, daß die Fasern mit einer Kombination aus Spannung und
Wärme getrocknet werden, wodurch sich ein Minimum an Schaden an
den Fasern einstellt. In der zweiten Stufe gibt es einen
bevorzugten Bereich für die Spannung und einen bevorzugten Bereich für die
Temperatur. Wird eine Spannung an dem oberen Ende des Bereiches
aufgebracht, ist die Temperatur an dem unteren Ende des Bereiches
dazu geeignet, Schäden an der Faser zu vermeiden.
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Die Para-Aramidfaser ist vorzugsweise aus
Poly(p-phenylenterephthalamid), es kann jedoch jede Para-Aramidfaser verwendet
werden, solange sie mit dem sogenannten Luftspaltspinnverfahren, wie
es in U.S. 3,767,756 beschrieben ist, aus einer anisotropen
Spinnlösung ersponnen wurde. Dieses Verfahren umfaßt das Extrudieren
einer anisotropen Lösung von aromatischem Polyamid in 98,0- bis
100,2 %-iger Schwefelsäure mit einer Polyamidkonzentration von
mindestens 30 g Schwefelsäure pro 100 ml durch eine Schicht aus einem
nichtkoagulierenden Fluid in ein Koagulierbad, so daß Fasern
entstehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine grafische Darstellung der Verbesserung des
Filamentmoduls, die zustandekommt durch das Aufbringen einer
konstanten Spannung beim Trocknen der Fasern, im Vergleich zum Trocknen
der Fasern bei konstanter Länge.
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Fig. 2 ist eine grafische Darstellung der Vorteile dieses
Verfahrens beim Zustandebringen von höheren Filamentmodulen durch das
Strecken der Fasern in nassem Zustand unter hoher Spannung, worauf
diese unter hoher Spannung beim Trocknen der Fasern gestreckt
werden.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann an allen
ungetrockneten Para-Aramidfasern vollzogen werden, die aus einem
polymeren Para-Aramidmaterial hergestellt wurden (gemäß den
Erläuterungen hierin ersponnen wurden). Es wird ein Homopolymer von
Poly-p-phenylenterephthalamid bevorzugt, und mit
"Poly-p-phenylenterephthalamid" sind das Homopolymer gemeint, das aus der molweisen
Polymerisation von p-Phenylendiamin und Terephthaloylchlorid
entsteht, wie auch Copolymere, die durch die Inkorporation von kleinen
Mengen von anderem aromatischem Diamin in das p-Phenylendiamin und
von kleinen Mengen von anderem aromatischem Diacidchlorid in das
Terephthaloylchlorid entstehen. Als allgemeine Regel gilt, daß auch
andere aromatische Diamine und andere aromatische Diacidchloride in
Mengen bis zu nicht weniger als 10 Molprozent des p-Phenylendiamins
oder des Terephthaloylchlorids oder vielleicht noch etwas mehr
verwendet werden können, nur unter der Voraussetzung, daß die anderen
Diamine und Diacidchloride keine Reaktivgruppen enthalten, die die
Polymerisationsreaktion beeinträchtigen. Die Fasern können jeden
beliebigen Denier-Wert aufweisen.
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Das Strecken der Fasern in nassem Zustand, das vor dem
Trocknen erfolgt, findet bei Umgebungstemperaturen von weniger als 50 ºC
statt. Die in dieser Stufe auf das Garn aufgebrachte Zugbelastung
stung sollte größer sein als 40 % der Bruchbelastung, sollte
jedoch nicht so groß sein, daß das Garn reißt oder in anderer Weise
mechanisch beschädigt wird. Zugbelastungen im Bereich von 40 % bis
95 % der Faserbruchbelastung werden als geeignet befunden, und
Zugbelastungen im Bereich von 50 % bis 80 % der
Faserbruchbelastung werden bevorzugt. Für die Zwecke dieser Erfindung ist die
Bruchbelastung die Spannung, bei der die in Behandlung befindliche
Faser, wie festgestellt wurde, unter den Bedingungen der
Behandlung bricht. Das Strecken muß an aufgequollenen, nicht
zusammengefallenen Fasern erfolgen und kann an Fasern stattfinden, die eine
beliebige Menge an Wasser oder gleichwertiger Flüssigkeit
enthalten, die größer ist als die minimale Menge, die zur Bewahrung
einer nicht zusammengefallenen Struktur notwendig ist. Allgemein
gilt die Regel, daß zu streckende Fasern 15 bis 100 Gew.-% Wasser
enthalten, basierend auf dem trockenen Fasermaterial, und daß
mindestens 20 Prozent Wasser gewöhnlich bevorzugt werden. Bei Bedarf
oder Notwendigkeit zu einem speziellen Zweck kann das Strecken in
wäßriger Säure oder anderer Flüssigkeit erfolgen, wie in dem
Faserkoagulierbad anzutreffen sein kann. Das Strecken erfolgt, wenn
die Faserkoagulierung abgeschlossen ist und bevor die Fasern
infolge des Trocknens zusammengefallen sind.
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Die optimale Zugbelastung für das Trocknen richtet sich nach
dem angewandten Gesamtbedingungen. In jedem Falle wird eine
Schädigung der Fasern minimiert, indem die Zugbelastung beim Trocknen
auf einem Maße von nicht mehr als der beim Strecken aufgebrachten
Zugbelastung gehalten wird. Die Zugbelastungen beim Trocknen
betragen 10 bis 100 % der Zugbelastung beim Strecken, und die
Zugbelastungen beim Trocknen betragen vorzugsweise 20 bis 60 % der
Zugbelastung beim Strecken. Beim Trocknen kommt es vorzugsweise zu
keinem direkten Kontakt mit festen Flächen. Das Trocknen erfolgt
bei Temperaturen, die so niedrig wie praktisch sind und in
Einklang stehen mit der Aufgabe, die Faser bei einem Minimum an
Schädigung zu trocknen. Das Trocknen erfolgt gewöhnlich bei
Temperaturen, die höher als die Temperaturen beim Strecken und niedriger
als 350 ºC sind, vorzugsweise niedriger als 200 ºC.
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Für die Praxis dieser Erfindung ist es wichtig und
entscheidend,
daß das Strecken und das Trocknen bei konstanter Spannung
erfolgen und nicht bei konstanter Länge. Es wurde festgestellt,
daß eine Verbesserung im Filamentmodul in enger Beziehung steht zu
der Spannung, die in der Streck- und der Trockenstufe während der
Herstellung der Faser aufgebracht wird. Beim Trocknen bei
konstanter Länge kommt es zu einem starken Nachlassen der Spannung, und
der Grad der Entspannung ist je nach der anfänglichen
Spannungsbelastung, der Trocknungstemperatur und dem Wassergehalt der Faser
verschieden. Infolge dieser Entspannung ist beim Trocknen bei
konstanter Länge eine viel geringere Kontrolle der Eigenschaften des
Faserprodukts möglich als beim Trocknen bei konstanter Spannung.
Beim Trocknen bei konstanter Länge wurden Entspannungsgrade von
nicht weniger als 50 % gegenüber der Anfangsspannung festgestellt.
Wird eine konstante Spannung gemäß dieser Erfindung
aufrechterhalten, werden ein kontinuierliches Strecken und eine damit
einhergehende Verbesserung der Molekülorientierung und eine Konsolidierung
der Struktur ermöglicht, die zu einer optimalen Orientierung und
zu optimalen Eigenschaften führen. Die Herstellung von
Para-Aramidfasern mittels einer Kombination aus einem Streckvorgang bei
konstanter Spannung und einem Trocknungsvorgang bei konstanter
Spannung führt zu Fasern, die überraschend bessere Eigenschaften
aufweisen im Vergleich zu Para-Aramidfasern, bei deren Herstellung
das Strecken oder das Trocknen bei konstanter Länge erfolgt ist.
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Die konstante Spannung an den Fasern wird vorzugsweise bewahrt
durch eine geeignete Kontrolle der oberflächengeschwindigkeit der
zum Zuführen der Fasern eingesetzten Walzen. Um die Spannung
aufrechtzuerhalten, können auch weitere Einrichtungen wie
Fadenbremsen oder Überlaufrollen und dergleichen eingesetzt werden.
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Die Spannung in der Streckstufe ist vorzugsweise so hoch, wie
sie gewählt werden kann, ohne daß sie einen hohen Faserbruch
bewirkt, und liegt allgemein im Bereich von 40 - 95 % der
Bruchbelastung. Die Spannung in der Trockenstufe ist ebenfalls vorzugsweise
so hoch, wie sie gewählt werden kann, ohne daß sie die Fasern
beschädigt, ist jedoch entscheidenderweise eine Funktion der
Temperatur beim Trocknen.
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Nach dem Trocknen können die Fasern in jeder gewünschten Weise zu
zu Garnkörpern geformt werden, wie zum Beispiel durch das
Aufwikkein des getrockneten Garns auf eine Hülse oder Spule. Vor dem
Formen zu einem Garnkörper können auf die Fasern eine Appretur oder
Wasser aufgebracht werden.
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Das Verfahren gemäß dieser Erfindung kann als kontinuierliches
oder als partieweises Verfahren vollzogen werden. Auch wurde
festgestellt, daß dieses zu Fasern mit guter Hydrolysebeständigkeit und
langer Dauerbiegefestigkeit führt.
Tests
Wasseraehalt im Garn
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Diese Bestimmung ist zwar in jeder Stufe geeignet, wird jedoch
gewöhnlich sofort dann an Garn angewandt, wenn dieses aus einer
Trockenstufe kommt, so daß sich die Effektivität der Trocknung
messen läßt. Das Garn wird ohne Appretur in getrocknetem Zustand auf
eine Spule aufgewickelt, wobei so viele Changierbewegungen
erfolgen, daß vier oder noch mehr Garnlagen entstehen. Beim Abziehen von
der Spule wird seine Oberflächenlage abgestreift, es wird eine
Probe genommen, die so lang ist, daß sie mindestens 0,5 g wiegt, und
sofort in einen Beutel aus Polyethylen eingelegt, der mit Band
versiegelt wird. Das Gewicht des Beuteis, des Bandes und der Probe
wird als W&sub1; registriert. Die Probe wird in eine Aluminiumschale
gelegt und 30 Minuten lang bei 135 bis 140 ºC in einem Ofen erhitzt.
Inzwischen wird das Gewicht des Beuteis und des Bandes als W&sub2;
verzeichnet, so daß W&sub1; - W&sub2; das Gewicht der nassen Probe ergibt. Die
erhitzte Probe wird in ihrer Aluminiumschale nach dem Herausnehmen
aus dem Ofen sofort in einen Entfeuchter mit einem
Stickstoffpolster gebracht und 5 Minuten lang abgekühlt. Dann wird die trockene
Garnprobe gewogen, um W&sub3; zu ermitteln. Der prozentuale Wassergehalt
(% MOY) an (oder in) dem Garn im entnommenen Originalzustand wird
errechnet aus:
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% MOY = 100 x (W&sub1; - W&sub2;) - W&sub3; / W&sub3;
Zugeigenschaften
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Die Festigkeit (Reißfestigkeit), die Dehnung (Reißdehnung) und
der Modul werden bestimmt, indem Testfilamente an einem
Instron-Prüfgerät
(Instron Engineering Corp., Canton, Mass.) zerrissen
werden.
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Die Festigkeit wird verzeichnet als die Reißspannung eines
Filaments, dividiert durch die lineare Dichte des Filaments. Der
Modul wird verzeichnet als die Schräge der anfänglichen Spannungs-
Dehnungs-Kurve mit 0,1 bis 0,4 % Dehnung, umgerechnet in die
gleichen Einheiten wie für die Festigkeit. Die Dehnung ist die
prozentuale Längenzunahme beim Reißen. (Sowohl die Festigkeit als auch
der Modul werden zuerst in Einheiten von g/Denier errechnet, die
bei einer Multiplikation mit 0,8826 Einheiten in dN/tex ergeben).
Jede verzeichnete Messung ist das Mittel aus 10 Reißvorgängen.
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Die Zugeigenschaften der Filamente werden bei 21 ºC und
50 -60 % relativer Feuchtigkeit gemessen, nachdem diese mindestens 14
Stunden lang unter Testbedingungen konditioniert worden sind. Es
kommt eine Einspannlänge von 2,54 cm mit einer
Dehnungsgeschwindigkeit von 0,25 cm pro Minute zur Anwendung. Die
Zugeigenschaftswerte der Filamente sind normalerweise mindestens so groß wie die
Eigenschaftswerte von Garnen, und die Festigkeitswerte sind oft um
nicht weniger als 3 gpd (2,6 dN/tex) größer. Die in den Beispielen
hierin angegebenen Zugeigenschaftenswerte gelten für Filamente.
Lineare Dichte
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Der Denier-Wert oder die lineare Dichte eines Filaments wird
errechnet aus dessen grundsätzlicher Resonanzfrequenz, die
ermittelt wird, indem ein 2 bis 4 cm langes Filamentstück unter
Spannung mit wechselnder Frequenz in Schwingung versetzt wird (ASTM
D1577-66, Teil 25, 1968).
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Der Denier-Wert oder die lineare Dichte eines Garns wird be
stimmt, indem eine bekannte Länge des Garns gewogen wird. Der
Denier-Wert ist definiert als das Gewicht von 9000 Metern des Garns
in Gramm.
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In der gegenwärtigen Praxis werden der gemessene Denier-Wert
einer Probe, die Testbedingungen und die Probenkennzeichnung in
einen Computer eingegeben, bevor ein Test beginnt; der Computer
registriert die Last-Dehnungs-Kurve der Probe, wenn diese gerissen
ist, und errechnet dann die Eigenschaften.
Logarithmische Viskositätszahl
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Die logarithmische Viskositätszahl (ηinh) wird gemessen bei
30 ºC und errechnet aus
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ηinh = 1n (t&sub1; /t&sub2;)/c wobei
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t1 = Lösungsfließzeit im Viskosimeter
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t&sub2; = Lösungsmittelfließzeit im Viskosimeter
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c = Polymerkonzentration von 0,5 g/dL, und
das Lösungsmittel ist konzentrierte Schwefelsäure (95 - 99 Gew.-%).
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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Herstellung des Polymers von Poly-p-phenylenterephthalamid (PPD-T):
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Das Polymer von Poly-p-phenylenterephthalamid wurde
hergestellt durch Lösen von 1 728 Teilen p-Phenylendiamin (PPD) in einem
Gemisch aus 27 166 Teilen N-methylpyrrolidon (NMP) und 2 478 Teilen
Calciumchlorid, Abkühlen auf 15 ºC in einem Polymerkessel mit einem
Stickstoffpolster und anschließendes Zusetzen von 3 243 Teilen
geschmolzenem Terephthaloylchlorid (TC1) unter raschem Umrühren. Die
Lösung gelierte in 3 bis 4 Minuten. Es wurde 1,5 Stunden lang
weiter umgerührt, wobei so gekühlt wurde, daß die Temperatur unter
25 ºC blieb. Aus der Reaktionsmasse bildete sich ein krümeliges
Produkt. Das krümelige Produkt wurde zu kleinen Teilchen zermahlen,
die dann mit einer 23 %-igen NAOH-Lösung, einer aus 3 Teilen Wasser
und einem Teil NMP hergestellten Waschlauge und schließlich mit
Wasser aufgeschlämmt wurden.
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Die Schlämme wurde dann ein letztes Mal mit Wasser gespült,
und das gewaschene Polymerprodukt wurde entwässert und bei 100 ºC
in trockener Luft getrocknet. Das trockene Polymerprodukt wies
eine logarithmische Viskositätszahl (IV) von 6,3 auf und enthielt
weniger als 0,6 % NMP, weniger als 440 ppm Ca&spplus;&spplus;, weniger als
550 ppm C1&supmin; und weniger als 1 % Wasser.
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Herstellung von Fasern aus PPD-T:
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Es wurde eine anisotrope Spinnlösung hergestellt, indem das
Polymer in 100,1 %-iger Schwefelsäure gelöst wurde, so daß eine
Lösung von 19,3 Gew.-% (44,3 g Schwefelsäure pro 100 ml) entstand.
Die Spinnlösung wurde bei 74 ºC durch eine Mehrlochdüse bei 74 ºC
in einen 4 mm messenden Luftspalt extrudiert, worauf ein
Koagulierbad aus einer 10 %-igen wäßrigen Schwefelsäure folgte, das auf
einer
Temperatur von 3 ºC gehalten wurde und in dem überströmende
Laugenflüssigkeit zusammen mit den Fasern durch eine Öffnung nach
unten lief. Die Mehrlochdüse wies Löcher mit 0,064 Millimeter
Durchmesser auf, so daß Garn von 220 dtex (200 Denier) entstand.
Die Fasern standen 0,025 Sekunden lang in Kontakt mit der
Koagulierbadflüssigkeit. Die Fasern wurden von der Koagulierflüssigkeit
getrennt, mit 366 m/min (400 ypm) weiterbefördert und in zwei
Stufen gewaschen. In der ersten Stufe wurde Wasser mit einer
Temperatur von 15 ºC auf die Garne aufgesprüht, um die Säure größtenteils
zu entfernen. In der zweiten Stufe wurde eine wäßrige
Natriumhydroxidlösung auf die Garne aufgesprüht, worauf ein Besprühen mit
Wasser folgte. In der zweiten Stufe betrug die Temperatur der
Sprühflüssigkeit 15 ºC. Außen von den Garnen wurde überschüssiges
Wasser entfernt, und die Garne wurden ohne Trocknen aufgewickelt
(Wassergehalt der Garne etwa 85 %).
Beispiel 1
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In diesem Beispiel wurden die oben hergestellten nassen Fasern
unter konstanter Spannung mit dem zweistufigen Verfahren gemäß
dieser Erfindung behandelt.
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Für jeden Testlauf in diesem Beispiel wurde ein Stück des
nicht getrockneten Garns von 220 dtex (200 Denier) durch ein mit
Stickstoff ausgespültes Schachtrohr zwischen die Klauen eines
Instron-Zugspannungsprüfgerätes geführt. Bei einer auf 20 - 30 ºC
eingestellten Temperatur des Stickstoffs wurde eine erste Spannung
von 12,4dn/tex (14 gpd) auf die nassen Fasern aufgebracht und 10 -
Sekunden lang konstant gehalten. Die Bruchbelastung bei den
statischen Bedingungen dieser Behandlung wurde als 15,9 dN/tex (18
gpd) betragend festgestellt, und die erste Spannung betrug 77,8 %
davon.
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Dann wurde die Spannung auf eine zweite Spannung verringert,
die beim Trocknen 6 Minuten lang unter den Bedingungen einer
geringen Erhitzung von 175 ºC konstant gehalten wurde.
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Die zweite Spannung bei diesen Experimenten wurde zwischen
2,6 und 8,8 dN/tex (3 und 10 gpd) (20 bis 71 % der ersten Spannung)
verändert, jedoch bei jedem Experiment konstant gehalten. Die
zweite Spannung und die Zugeigenschaften der in diesem Beispiel
hergestellten
Fasern sind in TABELLE 1 aufgeführt. Die
"Kontroll"eigenschaften gelten für die gleichen Fasern, die ohne Spannung bei
Zimmertemperatur getrocknet wurden.
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Als Vergleichsexperiment wurden diese gleichen, nicht
getrockneten Fasern mit einem Verfahren ähnlich dem in der offengelegten
Japanischen Patentanmeldung 88,117/85 (Kokai) behandelt, wobei die
Fasern unter einer Anfangsspannung bei konstanter Länge in dem
gleichen Ofen bei 20 - 30 ºC zwischen die Klauen eines Instron-
Geräts gespannt wurden und dann bei dieser konstanten Länge, und
nicht bei konstanter Spannung, getrocknet wurden. Die
Anfangsspannung wurde zwischen 2,6 und 8,8 dN/tex (3 und 10 gpd) verändert,
und die entstandene Länge wurde beim Trocknen bei 175 ºC etwa
sechs Minuten lang aufrechterhalten. Die Zugeigenschaften der
Filamente aus den in den Vergleichsexperimenten hergestellten Garnen
sind in TABELLE 1 als Testlauf "C" wiedergegeben.
TABELLE 1
Testlauf Nr.
Zweite Spannung
Festigkeit
Dehng.
Modul
dN/tex
(gpd)
Kontrolle
Anfangsspannung
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In Fig. 1 sind die Fasern gemäß dieser Erfindung als "2
Stufen" bezeichnet, und die Fasern des Vergleichsexperiments sind als
"Konst. L." bezeichnet. Es ist zu erkennen, daß der Modul bei den
gemäß dieser Erfindung hergestellten Fasern höher ist als der
Modul bei den Fasern, die in dem gesamten Bereich der
Trocknungsspannungen mit einer konstanten Länge hergestellt wurden.
Beispiel 2
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In diesem Beispiel wurden weitere oben hergestellte, nasse
Fasern in einer dynamischen Ausführungsform unter konstanter
Spannung mit dem zweistufigen Verfahren gemäß dieser Erfindung
behandelt.
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Das ungetrocknete Garn von 220 dtex (200 Denier) wurde durch
eine Reihe von Magnetbremsen und dann zu einer Antriebswalze
geführt, zwischen denen eine Spannung unter Umgebungsbedingungen auf
das mit Wasser aufgequollene Garn aufgebracht werden konnte. Das
von dieser ersten Antriebswalze kommende Garn wurde durch einen
Rohrofen geführt, durch den erhitzter Stickstoff zum Trocknen des
Garns hindurchgeleitet wurde. Eine zweite Antriebswalze im Anschluß
an den Rohrofen diente zur Kontrolle der Verweilzeit und der
Garnspannung in dem Trockenofen.
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Die erste Spannung wurde bei weniger als 50 ºC aufgebracht und
wurde auf zwei relativ hohen Pegeln aufgebracht und beibehalten.
Die zweite Spannung wurde aufgebracht und das Trocknen erfolgte
über einen Zeitraum von 15 Sekunden bei 175 ºC, und die konstante
Spannung wurde von Testlauf zu Testlauf in dem gesamten Beispiel
verändert. Auch wenn die statische Bruchbelastung an den Fasern
15,9 dN/tex (18 gpd) nach der Darstellung in Beispiel 1 betrug,
betrug die Bruchbelastung bei den dynamischen Bedingungen der
Behandlung in diesem Beispiel 13,3 dN/tex (15 gpd). Die
Zugeigenschaften der in diesem Beispiel hergestellten Filamente sind in
TABELLE 2 wiedergegeben. Die "Kontroll" eigenschaften gelten für
Proben der gleichen Fasern, die ohne Spannung bei Zimmertemperatur
getrocknet worden waren. Die Kontrollfaser wies Spannungs-,
Dehnungs- und Modulwerte von 28,2 bzw. 4,2 bzw. 605 auf.
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Bei einer zweiten Serie von Experimenten, bei denen ebenfalls
eine relativ hohe erste Spannung und sich ändernde zweite
Spannungen angewandt wurden, wurden die gleichen Fasern analysiert, die
Sekunden lang bei 350 ºC getrocknet worden waren. Die Testläufe
der zweiten Serie sind in TABELLE 2 mit Indexstrichen bezeichnet,
wie z. B. als "2'n".
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Bei einem Vergleichsexperiment wurden diese gleichen
ungetrockneten Fasern mit einem Verfahren behandelt, worin die erste
Spannung sehr gering war und die zweite Spannung entweder sehr
gering war oder größer war als die erste Spannung. Die
Zugeigenschaften der in den Vergleichsexperimenten hergestellten Filamente sind
in TABELLE 2 als Testläufe "C" wiedergegeben.
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In Fig. 2 sind die Fasern gemäß dieser Erfindung dargestellt durch
die beiden oberen Kurven, die Erststufenspannungen von 8,8 und 10,6
dN/tex (10 und 12 gpd) darstellen sollen, und die Fasern in dem
Vergleichsexperiment sind dargestellt durch die beiden unteren
Kurven, die Erststufenspannungen von nur 1,8 und 3,5 dN/tex bezeichnen
sollen. Es ist darauf hinzuweisen, daß sich geringe Festigkeiten
und niedrige Module durch die geringen zweiten Spannungen ergeben,
verbunden mit geringen ersten Spannungen in den
Vergleichstestläufen, während durch die hohen ersten Spannungen gemäß der Erfindung
hohe Festigkeiten und Module in einem weiten Bereich von
Trockenspannungen ermöglicht werden.
Beispiel 3
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In Beispiel 1 wurde die Praxis gemäß dieser Erfindung demon
striert durch eine Serie von Experimenten mit einer einzigen,
ersten konstanten Spannung und einer Vielzahl von zweiten konstanten
Spannungen. In Beispiel 2 wurden zwei Pegel einer ersten konstanten
Spannung und eine Vielzahl von zweiten konstanten Spannungen
demonstriert. In diesem Beispiel werden Fasern analysiert, die mit
mehreren ersten konstanten Spannungen und einem engen Bereich von
zweiten konstanten Spannungen behandelt wurden.
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Es wurden die oben hergestellten, nassen Fasern unter
konstanter Spannung mit dem zweistufigen Verfahren gemäß dieser Erfindung
behandelt.
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Die Magnetbremsen, die Antriebswalzen und der Ofen waren die
gleichen, die in Beispiel 2 benutzt wurden.
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Die erste Spannung wurde bei weniger als 50 ºC aufgebracht,
und die konstante Spannung wurde von Testlauf zu Testlauf in dem
gesamten Beispiel verändert. Die zweite konstante Spannung wurde
aufgebracht und die Trocknung erfolgte über einen Zeitraum von 15
Sekunden bei 175 CC, und die konstante Spannung wurde in einem
engen Bereich von 2,4 - 3,1 dN/tex (2,7 - 3,5 gpd) aufrechterhalten.
Die Bruchbelastung an den nicht getrockneten Fasern in diesem
Beispiel betrug 13,3 dN/tex (15 gpd) unter den Bedingungen der ge
nannten Behandlung. Die Zugeigenschaften der in diesem Beispiel
hergestellten Filamente sind in TABELLE 3 wiedergegeben.
TABELLE 2
1. Spannung
Dehnung
Modul
Testlauf
dN/tex
(gpd)
% Bruchb.
% v.1.
Kontrolle
TABELLE 3
Testlauf
1. Spannung
Dehng.
Modul
dN/tex
(gpd)
Bruchb.
v.1.Die Testläufe 3-1 und 3-2 sind Vergleichslaufe.
Beispiel 4
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In diesem Beispiel wurden Fasern analysiert als Funktion der
zu ihrem Trocknen benutzten Temperaturen.
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Die oben hergestellten nassen Fasern wurden unter konstanter
Spannung mit dem zweistufigen Verfahren gemäß dieser Erfindung
behandelt.
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Die Magnetbremsen, die Antriebswalzen und der Ofen waren die
gleichen, die in den vorhergehenden Beispielen benutzt wurden.
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Eine erste konstante Spannung von 11,0 dN/tex (12,5 gpd) wurde
bei weniger als 50 ºC auf die nicht getrockneten Fasern aufgebracht
und 10 bis 15 Sekunden lang aufrechterhalten. Die zweite konstante
Spannung wurde aufgebracht und das Trocknen erfolgte über einen
Zeitraum von 15 Sekunden bei sich ändernden Temperaturen, und die
konstante Spannung wurde in einem engen Bereich von 2,2 - 3,1 dN/
tex (2,5 - 3,5 gpd) aufrechterhalten, nur dort nicht, wo die hohen
Temperaturen eine geringere Spannung erforderten, um den Faserbruch
zu verringern. Die Bruchbelastung an den nicht getrockneten Fasern
in diesem Beispiel betrug etwa 13,3 dN/tex (15 gpd) unter den
Bedingungen der genannten Behandlung, und die erste konstante
Spannung betrug 83 % dieser Bruchfestigkeit. Die Zugeigenschaften der
in diesem Beispiel hergestellten Filamente sind in TABELLE 4
wiedergegeben.
TABELLE 4
Testlauf
Trockn. temp(ºC)
Spanng
Dehng
Modul
dN/tex
(gdp)
% v.1.