DE69107303T3

DE69107303T3 - Schmelzspinnen von ultraorientierten kristallinpolymeren.

Info

Publication number: DE69107303T3
Application number: DE69107303T
Authority: DE
Inventors: Gao-Yuan Midlothian Virginia 23112 Chen; John A. Box 8302 College Of Textiles Raleigh Nc 27695-8302 Cuculo; Ferdinand Box 8302 College Of Textiles Raleigh Nc 27695-8302 Lundberg; Paul A. Box 8302 College Of Textiles Raleigh Nc 27695-8302 Tucker
Original assignee: North Carolina State University; University of California
Current assignee: North Carolina State University; University of California
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1991-05-15
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2011-05-16
Also published as: WO1991018133A1; DE69107303D1; CA2083291A1; DE69107303T2; EP0528992B1; AU650886B2; BR9106470A; US5149480A; AU7996191A; KR0133562B1; EP0528992A1; CA2083291C; ES2071998T5; ES2071998T3; EP0528992B2; JPH05508443A; JP2755820B2; ATE118254T1; AR244815A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Schmelzspinnverfahren zur Herstellung von vollständig orientierten, kristallinen, synthetischen Spinnfäden mit hochwertigen mechanischen Eigenschaften. Die vorliegende Erfindung schafft genauer ein verbessertes Verfahren für schmelzgesponnene, faserbildende, synthetische Polymere, die Spinnfäden mit einem sehr hohen Orientierungsgrad, hoher Kristallinität, geringem Einlaufen und hoher Zugfestigkeit hervorbringen.
Die üblichen Verfahren bei der Herstellung von Spinnfäden oder Fasern aus synthetischen, faserbildenden Polymeren können als Zweischrittverfahren charakterisiert werden. Das geschmolzene Polymer wird zum Bilden von Spinnfäden durch Spinndüsen extrudiert und dann werden in einem getrennten Schritt entweder fertigungstechnisch gekoppelt mit dem Extrudierschritt oder in einem getrennten nachfolgenden Arbeitsgang die Spinnfäden gestreckt oder gezogen, um die Orientierung zu erhöhen und die gewünschten physikalischen Eigenschaften zu verleihen. Beispielsweise wurden handelsübliche Polyesterspinnfäden wie Polyethylenterephtalat (PET) seit vielen Jahren in einem Zweischrittverfahren hergestellt, bei dem die Polymerschmelze zum Bilden von Spinnfäden durch eine Spinnöffnung extrudiert werden, und bei dem nach der Erstarrung die Spinnfäden mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 1000 bis 1500 m/min aufgewunden werden. Die so gesponnenen Fasern sind dann bei Geschwindigkeiten im Bereich von 400 bis 1000 m/min einem Ziehen und Tempern unterworfen. Das Durchführen, der Energieverbrauch sowie die Stellungskosten für derartige Zweischrittprozesses tragen wesentlich zu den Gesamtherstellungskosten bei.
Um die Herstellungskosten zu reduzieren und die Produktionsrate zu erhöhen, wäre es erwünscht, ein Verfahren zum Herstellen von vollständig orientierten kristallinen PET-Fasern in einem einzigen Schritt zu entwickeln, deren Eigenschaften zu denen bei einem herkömmlichen Zweischrittverfahren hergestellten äquivalent oder besser wären. Zu diesem Zweck haben eine Anzahl von Forschern eine auf dem Hochgeschwindigkeitsspinnen basierende Technologie untersucht. Im Jahr 1979 stellte DuPont (R.E. Frankfort und B.H. Knox, US-Patent 4,134,882) ein Verfahren vor, das auf der Hochgeschwindigkeitsspinntechnologie bei Geschwindigkeiten bis 7000 m/min basiert und in einem einzigen Schritt orientierte, kristalline PET-Spinnfäden mit guter thermischer Stabilität und guten Färbeigenschaften schafft. Allerdings weisen die Fasern mechanische Eigenschaften auf, die unter denen von durch den herkömmlichen Zweischrittprozeß hergestellten gezogenen Garnen liegen.
Parallel zu der oben genannten Studie können Berichte über Forschung zum Hochgeschwindigkeitsspinnen in der Literatur seit Ende der 70er Jahre dieses Jahrhunderts gefunden werden. Eigenschaften und Struktur von hochgeschwindigkeitsgesponnenen PET-Fasern sind gut charakterisiert. Typische Eigenschaften von hochgeschwindigkeitsgesponnenen Fasern sind geringe Zugfestigkeit, kleines Young-Modul und größere Dehnbarkeit verglichen mit herkömmlichen vollständig orientierten Garnen (T. Kawaguchi in "High Speed Fiber Spinning", A. Ziabicki und H. Kawai, Verlag John Wiley & Sons, New York, 1985, Seite 8). In neuerer Zeit wurde eine Aufwickelgeschwindigkeit bis zu 12000 m/min für gesponnenes PET berichtet. Allerdings war es bis jetzt nicht möglich, derart gesponnene PET-Fasern durch Höchstgeschwindigkeitsspinnen herzustellen, deren Eigenschaften zu denen von in einem Zweischrittverfahren gesponnenen Fasern äquivalent sind. Überdies erreichen die Orientierung und Kristallinität von derart gesponnenen Fasern jeweils Maximalwerte bei bestimmten kritischen Geschwindigkeiten, oberhalb denen sich schwerwiegende Strukturdefekte wie hohe radiale Inhomogenität und Mikroblasen bilden, welche materialmäßig den Erhalt von qualitativ hochwertigen Fasern verhindern.
Unser Ziel bei der vorliegenden Erfindung ist ähnlich wie das der oben genannten Forscher, nämlich ein Verfahren zum Herstellen von vollständig orientierten, kristallinen Fasern in einem einzigen Schritt zu schaffen, deren Eigenschaften zu den bei einem herkömmlichen Zweischrittverfahren hergestellten äquivalent oder besser sind. Allerdings haben wir zum Erreichen dieses Zieles den von den oben genannten Entwicklern eingeschlagenen Pfad verlassen. Anstatt die Untersuchung des Hochgeschwindigkeitsspinnens fortzusetzen, modizifiziert die vorliegende Erfindung die Fadenliniendynamik bei dem Spinnverfahren, um in einem Einschrittverfahren qualitativ hochwertige Fasern zu schaffen.
Bei unserer früheren Arbeit (Cuculo et al., US-Patent 4,909,976, erteilt am 20. März 1990) hat sich herausgestellt, daß die Entwicklung der Faserstruktur (Orientierung und Kristallinität) entlang der Fadenspinnlinie durch Optimierung des Fadenlinientemperaturprofils deutlich verbessert werden kann. Dies wurde durch das Schaffen einer Abkühlzone und einer Zonenheiztechnik erzielt, um das Temperaturprofil der Fadenspinnlinie zum Verbessern der Strukturbildung zu verändern. Die Auf wickelbelastung blieb im Vergleich zu dem herkömmlichen Spinnen im wesentlichen unverändert.

Zusammenfassung der Erfindung

Im Gegensatz zu unserer früheren Arbeit verändert das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gleichzeitig sowohl die Spannung als auch die Temperaturprofile der Fadenspinnlinie. Die Belastung wird in dem Bereich der Spinnlinie ausgeübt, in dem sich die Struktur der Spinnfäden zum Erzielen eines hohen Orientierungsgrades in den Spinnfäden entwickelt. Weiterhin ist die Spinnlinie in diesem Bereich bei einer für optimale Kristallinität und radiale Gleichmäßigkeit ausgewählten Temperatur gehalten. Die somit hergestellten Spinnfäden besitzen zwei typische Eigenschaften: hohe, auf einen hohen Grad von molekularer Orientierung hinweisende Doppelbrechung und eine radial gleichmäßige Feinstruktur. Spinnfäden mit diesen Eigenschaften besitzen hohe Zugfestigkeitswerte, niedrige Bruchdehnung und niedriges Einlaufen bei Erwärmung.
Die vorliegende Erfindung ist ein Einschrittverfahren, das ultraorientierte Fasern mit hoher Zugfestigkeit aus faserbildenden thermoplastischen Polymeren wie Polyethylenterephtalat (PET) schafft. Geschmolzenes, faserbildendes, thermoplastisches Polymer ist in die Form von Spinnfäden extrudiert und die Spinnfäden sind in ein Flüssigkeitsbad geleitet, das bei einer Temperatur von wenigstens 30 Grad Celsius über der Erstarrungstemperatur des thermoplastischen Polymers gehalten ist, um isotherme Kristallisationsbedingungen für die Spinnfäden in dem Bad zu schaffen. Die Fäden werden aus dem Bad herausgezogen und bei Geschwindigkeiten im Bereich von 3000 bis 7000 m/min aufgewickelt. Die Spinnfäden be sitzen eine kristalline Struktur und eine Doppelbrechung im Bereich von 0,20 bis 0,22 bei einer hohen Zugfestigkeit von 6 bis 8 g/dtex (7 bis 9 g/d), einer Bruchdehnung von 14 bis 30 Prozent und einem Erwärmungseinlaufen von 5 bis 10 Prozent. Die Spinnfäden sind weiterhin durch einen hohen Grad von radialer Gleichmäßigkeit und insbesondere einer hohen radialen Gleichmäßigkeit der Doppelbrechung gekennzeichnet.
Im Zusammenhang mit anderen vorbekannten Verfahren in Verbindung mit Schmelzspinnarbeitsschritten wurden flüssige Abschreckbäder verwendet, allerdings weicht die Funktion des flüssigen Abschreckbades in der vorliegenden Erfindung und die mit der vorliegenden Erfindung erzielten Ergebnisse wesentlich von den vorbekannten Verfahren ab. Beispielsweise wird in dem US-Patent 4,425,293 (1984) von Vassilatos ein flüssiges Abschreckbad aus Wasser bei Raumtemperatur verwendet, um ein schnelles Abschrecken zum Unterdrücken der Polymerkristallisation zu erzielen. Im Gegensatz dazu ist das Flüssigkeitsbad gemäß der vorliegenden Erfindung bei Bedingungen gehalten, die zum Verhindern eines schnellen Abschreckens ausgelegt sind, so daß eine isotherme Bedingung für eine maximale Kristallinität in der Spinnlinie sichergestellt ist.
Koschinek et al. offenbaren in dem US-Patent 4,446,299 (1984) ein Verfahren, bei dem die Spinnfäden zuerst auf eine Temperatur unterhalb der Adhäsionsgrenze (normalerweise äquivalent zu Tg) abgekühlt, dann zu einem Bündel zusammengefaßt und anschließend in eine sogenannte "Reibungsspannungserhöhungsvorrichtung" eingebracht werden, die entweder strömende oder ruhende Luft verwendet. Die Spinnfäden werden dann in einer getrennten Hochtemperaturbeeinflussungszone behandelt. Die vor liegende Erfindung erfordert nicht das Abkühlen der aufgeschmolzenen Spinnfäden unterhalb der Adhäsionsgrenze vor dem Eintritt in das Bad. Stattdessen wird der Spinnfaden in ein flüssiges Medium bei hoher Temperatur eingetaucht, während er noch im aufgeschmolzenen Zustand ist (oder wenigstens 30 Grad oberhalb Tg). Eine zusätzliche Beeinflussungszone ist gemäß der vorliegenden Erfindung nicht verwendet. Zudem ist die bei dem Verfahren nach Koschinek et al. erzielte Spinnspannung lediglich wenige Prozent der durch die gemäß der vorliegenden Erfindung erreichten. Überdies sind die gemäß der vorliegenden Erfindung erzielten ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften bei diesem vorbekannten Verfahren nicht erreicht.
J.J. Kilian verwendet in dem US-Patent 3,002,804 ein bei einer Temperatur von 80 bis 90 Grad Celsius gehaltenes Wasserbad, um die soeben gesponnenen Spinnfäden in gleichförmig orientierte Spinnfäden zu ziehen. Die Spinnfäden werden aufgrund des Kaltzieheffektes orientiert. Allerdings wird die Kristallisation der Spinnfäden durch die Flüssigkeit in dem gegebenen Temperaturbereich unterdrückt. Ein orientierter Spinnfaden ohne Kristallinität hat üblicherweise eine, geringe thermische Stabilität wie ein hohes Erwärmungseinlaufen und benötigt eine Nachbehandlung, bevor er verwendbar ist. Obwohl Kilian eine maximale Zugfestigkeit von 7 g/dtex (7,7 g/d) bei einer außerordentlich großen Tiefe (10 feet) des Wassers bei 88 Grad Celsius erzielt, sind die mechanischen Eigenschaften der meisten seiner Produkte geringwertiger als die von herkömmlichen vollständig gezogenen Garnen.
Andererseits schafft die vorliegende Erfindung kristalline PET-Spinnfäden mit einer dem intrinsischen Wert von PET-Kristallen angenäherter Doppelbrechung. Die Spinnfäden sind bei einem kleinen Erwärmungseinlaufgrad stabil und können unmittelbar in textilen Anwendungen ohne das Erfordernis einer Nachbehandlung verwendet werden, bei denen Fasern mit einer hohen Zugfestigkeit erforderlich sind.

Beschreibung der Zeichnungen

Weitere, über die bisher genannten Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung hinausgehenden Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, bei denen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer zum Durchführen des Verfahrens und Herstellen des Produktes der vorliegenden Erfindung eingerichteten Vorrichtung ist und
Fig. 2 bis 6 Schaubilder sind, die die radiale Gleichmäßigkeit des Brechungsindex, der Doppelbrechung und der Lorentzdichte von entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellten Spinnfäden zeigen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein Verfahren, das von dem herkömmlichen Schmelzspinnen unterschiedlich ist. Herkömmliches Schmelzspinnen beinhaltet das Extrudieren einer Polymerschmelze durch Spinndüsen, Abkühlen des Extrudats mit Abschreckluft auf Raumtemperatur und Aufwickeln des erstarrten Spinnfadens für eine Nachbehandlung zum Erzielen der erforderlichen Eigenschaften. Diese Erfindung verwendet ein isothermes Flüssigkeitsbad in der Spinnlinie in einer Anordnung unterhalb des Spinnaustrittes.
Das Extrudat wird in das isotherme Flüssigkeitsbad eingebracht, während es noch in einem aufgeschmolzenen Zustand oder wenigstens 30 Grad oberhalb der Einfriertemperatur des Polymers ist. Die Badtemperatur ist bei einer Temperatur von wenigstens 30 Grad oberhalb der Polymererstarrungstemperatur (Tg) gehalten, um zur nachfolgenden Kristallisation eine ausreichende Mobilität der Moleküle sicherzustellen.
Die Spinnfäden in dem Bad unterliegen einer isothermen Orientierung mit einer hohen Rate. Das flüssige Medium in dem Bad schafft nicht nur eine isotherme Kristallisationsbedingung, die zu der radialen Gleichmäßigkeit der Spinnfadenstruktur beiträgt, sondern erhöht auch den Reibungswiderstand, so daß eine Aufwickelzugspannung auf die laufenden Spinnfäden ausgeübt ist, die zu einer hohen molekularen Orientierung beiträgt. Die Stärke der Aufwickelzugspannung entlang der Fadenlinie hängt von mehreren Parametern wie Flüssigtemperatur, Viskosität, Tiefe und Relativgeschwindigkeit zwischen den Fäden und dem flüssigen Medium ab. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Aufwickelzugspannung vorzugsweise in dem Bereich zwischen 0,6 bis 6 g/d (Gramm pro Denier) und insbesondere in dem Bereich zwischen 1 bis 5 g/d gehalten.
Tabelle I zeigt Daten, die die Aufwickelzugspannung bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Flüssigkeitstiefen angeben. Der Grad der Aufwickelzugspannung des Spinnens mit dem Flüssigkeitsbad ist wesentlich höher als der bei dem Spinnen mit lediglich einem Luftmedium (keine Flüssigkeitstiefe). Die Aufwickelzugspannung (Verhältnis der Zugkraft zu Spinnfadendurchmesser oder linearer Dichte) bei 3000 m/min erreicht 3,2 g/d (oder 2,88 g/dtex) bei einer Flüssigkeitsbadlänge von 40 cm verglichen mit einem Wert von 0,22 g/d (oder 0,198 g/dtex) bei einem Spinnen ohne das Flüssigkeitsbad, das heißt lediglich mit Luft als Reibungsmedium. Dies impliziert, daß die Aufwickelzugspannung in der Spinnlinie mit dem Flüssigkeitsbad im wesentlichen durch den Flüssigkeitswiderstand erzeugt ist. Wegen des hohen Reibungseffektes sowie der hohen Dichte, der hohen Wärmekapazität und dem hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten verglichen mit Luft als Medium ist ein Flüssigkeitsmedium häufig als ein effizientes Mittel für schnelles Abschrecken oder Erhitzen oder Ausüben von hohen Reibungskräften bei einem laufenden Spinnfaden beim Schmelzspinnen oder in einem Ziehprozeß verwendet. Tabelle I
* 0,95 IV PET, Flüssigkeit bei 120 Grad Celsius, 5,0 Denier
Eine typische Anordnung eines experimentellen Aufbaus der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Thermo plastische Polymere wie PET werden geschmolzen und durch eine Spinnöffnung 1 mit einer oder mehreren Düsen extrudiert. Nachdem das Extrudat 2 durch einen Luftspalt durchgetreten ist, während es immer noch im aufgeschmolzenen Zustand oder bei einer Temperatur von wenigstens 30 Grad oberhalb Tg ist, wird es nachfolgend in ein isothermes Flüssigkeitsbad 3 geleitet. Das Flüssigkeitsbad wird bei einer Temperatur von wenigstens 30 Grad oberhalb der Einfriertemperatur (Tg) des Polymers gehalten. Für PET ist der bevorzugte Bereich 120 bis 180 Grad Celsius. Der auskristallisierte, feste Spinnfaden wird dann durch eine Öffnung mit einem Gleitventil 4 auf dem Boden des isothermen Flüssigkeitsbades herausgezogen, durchläuft eine geschlossene Flüssigkeitsauffangvorrichtung 5, durch Führungen 6, 7, um eine Galette 8 und wird schließlich mit einer Aufwickelvorrichtung 9 mit einer Aufspulgeschwindigkeit von wenigstens 3000 m/min aufgewickelt. Das Gleitventil 4 ist so ausgelegt, daß es für eine schnelle Abfuhr der Flüssigkeit von dem flüssigen isothermen Bad 3 zu einem Behälter 10 geöffnet werden kann und ist zum Erleichtern des freien Durchlaufs der Spinnfäden durch das Bad vor dem Aufwickeln auf den Aufwickler 9 eingerichtet. Nachdem die Spinnfäden eingefädelt und durch den Aufwickler 9 aufgenommen worden sind, wird das Ventil 4 geschlossen, wobei in der Mitte eine Ausnehmung gelassen ist, die groß genug ist, um das Spinnfadenbündel frei passieren zu lassen. Das isotherme Flüssigkeitsbad 3 wird dann mit einer ausgewählten Flüssigkeit gefüllt, die in dem Behälter 10 vorerwärmt ist. Die Flüssigkeit wird dann in dem isothermen Flüssigkeitsbad 3 auf einer gewünschten Höhe und bei konstanter Temperatur gehalten. Die Flüssigkeitsauffangvorrichtung 5, welche direkt unterhalb des isothermen Flüssigkeitsbades angeordnet ist, kann in einfacher Weise hin- und herbewegt werden, um das Einfädeln des Spinnfadens zu erleichtern, und kann zum Auffangen des dünnen Strahls und schwebender Tropfen der heißen, entlang des Spinnfadenbündels durch die Bodenöffnung eingebrachten Flüssigkeit geschlossen werden. Die derart gesponnenen, unter den oben genannten Bedingungen erhältlichen PET-Fasern weisen einen Doppelbrechungswert von 0,20 bis 0,22, eine Zugfestigkeit von 6,4 bis 8,2 g/dtex (7,0 bis 9,0 g/d), eine Bruchdehnung von 10 bis 30 Prozent, einen Startspannungswert von 68 bis 82 g/dtex (75 bis 90 g/d) und ein Einlaufen bei Erwärmung von 5 bis 10 Prozent auf.

Charakterisierungsmethoden

In den nachfolgenden Beispielen wurden die nachstehenden Charakterisierungsmethoden zum Bestimmen der berichteten physikalischen Eigenschaften angewendet.
(a) Doppelbrechung. Die Doppelbrechung wurde mittels eines auf einem Polarisierungsmikroskop von Nikon angebrachten Drehkompensator 20. Ordnung bestimmt. Für jede Probe wurde ein Mittel von fünf einzelnen Messungen genommen.
(b) Festigkeitstest. Festigkeitstests wurden an einem Instronapparat Modell 1123 mit einzelnen Spinnfäden bei einer Meßlänge von 25,4 mm und einer Dehnungsrate von etwa 100 Prozent Verlängerung pro Minute durchgeführt. Mittlere Zugfestigkeit, Spannungswert und Bruchdehnung von fünf einzelnen Tests wurden unter Verwendung der in der Testmethode ASTM D3822-82 beschriebenen Methode durchgeführt.
(c) Erwärmungseinlaufen (BOS). Das Einlaufen bei Erwärmung wurde durch Eintauchen von Faserproben in kochendes Wasser über fünf Minuten ohne Zugbelastung bestimmt. Die mittlere BOS von etwa zehn Spinnfäden wurde entsprechend der in der Testmethode ASTM D2102-79 beschriebenen Methode berechnet.
(d) Röntgenbeugung. Von einem Bündel von parallel zueinander ausgerichteten Fasern wurden mit einem Siemens Typ F Röntgendifraktometersystem Äquatorialschnitte aufgenommen. Kristalline PET-Fasern zeigen aufgelöste Beugungssignale, während dies bei amorphen Proben nicht auftritt.
(e) Aufwickelspannung. Die Aufwickelkraft wurde bei einem Punkt nahe der Aufwickelvorrichtung unter Verwendung eines auf einen Vollausschlag bei 50 Gramm kalibriertes Rothschild-Spannungsmeter gemessen.
Die vorliegende Erfindung ist weiterhin durch die nachfolgenden Ausführungsbeispiele erläutert.

Beispiele 1 bis 5

Ein Polyethylenterephtalat (IV von 0,95) von industrieller Qualität mit einer hohen intrinsischen Viskosität (IV) wurde bei 295 Grad Celsius durch eine hyperbolische Ziehdüse mit 0,6 mm Ausgangsdurchmesser schmelzextrudiert. Der Polymerausstoß wurde mit der Aufwickelgeschwindigkeit variiert, um eine konstante lineare Dichte von etwa 5,0 Denier pro Spinnfaden zu erhalten.
Die Beispiele 1 und 2 wurden mit einer Vorrichtungsanordnung der schematisch in der Zeichnung dargestellten Art hergestellt. 1,2-Propandiol (Propylenglykol) wurde als flüssiges Medium für das isotherme Flüssigkeitsbad verwendet, welches bei Temperaturen von jeweils 110 Grad Celsius und 136 Grad Celsius für die Spinnbeispiele 1 und 2 gehalten wurde. Bei dem Beispiel 1 wurde mit einer Geschwindigkeit von 3000 m/min und bei dem Beispiel mit 4000 m/min aufgewickelt.
Das Vergleichsbeispiel 3 wurde unter den gleichen Bedingungen wie in den Beispielen 1 und 2 ausgeführt, außer daß als flüssiges Medium Wasser bei Raumtemperatur verwendet wurde. Die Vergleichsbeispiele 4 und 5 wurden mit der gleichen Vorrichtung hergestellt, außer daß kein Flüssigkeitsbad verwendet wurde, das heißt die Spinnspannung wurde durch den üblichen oder Normalwiderstand von die Spinnfadenoberfläche umgebender Luft erzeugt.
Die Eigenschaften der oben genannten Beispiele sind in Tabelle II aufgeführt. Die Beispiele 1 und 2 genügen den oben genannten Spezifikationen der vorliegenden Erfindung. Das Beispiel 3 zeigt eine verhältnismäßig hohe Doppelbrechung, welche auf den großen Widerstandseffekt von Wasser zurückzuführen ist. Allerdings ist die Faser im wesentlichen amorph, wie durch die Röntgenbeugung angedeutet und durch den hohen Wert des Erwärmungseinlaufens bestätigt wird. Zugfestigkeitseigenschaften dieser Probe genügen nicht den Spezifikationen der vorliegenden Erfindung. Das Vergleichsbeispiel 4, welches im Luftmedium bei 3000 m/min gesponnen wurde, zeigt ein typisch amorphes Röntgenbeugungsbild, einen niedrigen Grad an molekularer Orientierung und qualitativ minderwertige mechanische Eigenschaften. Das Vergleichsbeispiel 5, welches in Luft bei 6000 m/min hergestellt wurde, zeigt bei Röntgenbeugung ein kristallines Bild, hat aber einen kleinen Doppelbrechungswert. Die Spannungseigenschaften genügen nicht den Spezifikationen des Produktes der vorliegenden Erfindung. Tabelle II Eigenschaften von aus 0,95 IV PET gesponnenen Spinnfäden
* LIB = isothermes Flüssigkeitsbad
** X = kristallin, Am = amorph

Beispiele 6 bis 10

In der Serie dieser Beispiele wurde ein PET textiler Qualität mit einem niedrigen Molekulargewicht unter ähnlichen Bedingungen wie bei den Beispielen 1 bis 5 benutzt gesponnen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle III dargestellt. Die Beispiele 6 und 7 wurden unter der Verwendung von 1,2-Propandiol (Propylenglykol) in einem isothermen Flüssigkeitsbad bei einer Temperatur von 120 Grad Celsius, einer Temperatur von etwa 45 Grad Celsius oberhalb Tg hergestellt, wobei Spinnfäden entsprechend der vorliegenden Erfindung erzielt worden sind, welche durch eine kristalline Struktur und hohe Doppelbrechung, hohe Zugfestigkeit, niedrige Dehnung und Erwärmungseinlaufen charakterisiert sind. Das Vergleichsbeispiel 8 wurde unter Verwendung eines Wasserbades bei 90 Grad Celsius, einer Temperatur unterhalb (Tg + 30) Grad Celsius hergestellt, welches eine amorphe Struktur mit thermischer Instabilität und mechanischen Eigenschaften zeigt, welche schlechter als die der vorliegenden Erfindung sind, auch wenn es aufgrund des Reibungsziehens bei der gegebenen Temperatur hoch orientiert ist. Die Vergleichsbeispiele 9 und 10, welche in Luft ohne die Verwendung eines Flüssigkeitsbades hergestellt sind, weisen Eigenschaften auf, welche nicht die Spezifikationen für das Produkt gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllen. Tabelle III Eigenschaften von aus 0,57 IV PET gesponnenen Spinnfäden
* LIB = isothermes Flüssigkeitsbad
** X = kristallin, Am = amorph

Radiale Gleichmäßigkeitsmessungen

Die radiale Doppelbrechung von Spinnfäden gemäß Beispiel 7 wurde unter Verwendung eines Jena-Interferenzmikroskopes bestimmt. Die lokalen Brechungsindizes, n und n , jeweils parallel und rechtwinklig zu der Faserachse, wurden unter Verwendung eines Schalenmodelles zum Bestimmen der radialen Doppelbrechungsverteilung be rechnet. Stranggemittelte Brechungsindizes und Doppelbrechung sind ebenfalls angegeben. Die optische Lorentzdichte kP wurde entsprechend der nachfolgende Gleichung
wobei
ist. Die Analyse der Interferenzringe wurde durch einen vollständig automatisierten Vorgang durchgeführt.
Fig. 2 zeigt die radiale Verteilung von zwei Brechungsindizes, n und n , jeweils parallel und rechtwinklig auf die Achsen der Faser gemäß Beispiel 7, das aus 0,57 IV PET bei 3500 m/min mit einem isothermen Flüssigkeitsbad bei 120 Grad Celsius gesponnen wurde. Die radialen Verteilungen von n und n auf die Faser sind im wesentlichen flach. Die radiale Verteilung der Doppelbrechung ist in Fig. 3 dargestellt. Die ausgefüllten Kreise sind die stranggemittelte Doppelbrechung und die offenen Kreise ist die unter Benutzung des Schalenmodells berechnete "wahre" lokale Doppelbrechung. Fig. 4 zeigt die radiale Verteilung der Lorentz- (optischen) Dichte in den gesponnenen Spinnfäden. Da die Lorentzdichte proportional zu der Normaldichte oder Kristallinität ist, impliziert das flache Profil, daß eine gleichmäßige Dichte oder Kristallinität über den Querschnitt der Spinnfäden vorliegt.
Fig. 5 zeigt die radialen Verteilungen der Doppelbrechung von zwei Fasern, die mit isothermen Flüssigkeitsbädern bei zwei verschiedenen Temperaturen gesponnen worden sind. Die verwendete Aufwickelgeschwindigkeit betrug 3000 m/min. Die radialen Verteilungen der optischen Lorentzdichten sind in Fig. 6 dargestellt. Es zeigt sich, daß die Doppelbrechung und die optische Dichte in beiden Beispielen radial gleichförmig ist. In Konsistenz mit der Normaldichtenmessung zeigen die bei der hohen Temperatur des isothermen Flüssigkeitsbades gesponnenen Spinnfäden eine geringere optische Dichte als die bei der geringen Badtemperatur gesponnenen Muster, obwohl die Doppelbrechungen der beiden Muster in etwa gleich sind. Diese Beobachtungen zeigen wiederum, daß das Spinnen mit einem isothermen Flüssigkeitsbad nicht nur Spinnfäden mit einem hohen Grad der molekularen Orientierung sondern auch mit einer sehr gleichmäßigen radialen Struktur herstellbar sind.
Diese Daten bestätigen, daß bei Abwesenheit eines radialen Temperaturgradienten im Bereich der sich entwicklenden Faserstruktur zu der Eliminierung des Außenhaut-Kern-Effektes führt, der üblicherweise bei normalem Hochgeschwindigkeitsspinnenauftritt. Obwohl bis zu einem gewissen Maß ein radialer Temperaturgradient im oberen Bereich der Spinnlinie vor dem Eintritt des Spinnfadens in das isotherme Flüssigkeitsbad vorhanden sein kann, entwickelt sich in diesem Bereich aufgrund der geringen Stärke der Spinnspannung im wesentlich eine kleine Struktur. Nach Eintritt des Spinnfadens in die Flüssigkeit kann er die Flüssigkeitstemperatur sehr schnell annehmen und ist während der Entwicklung der Faserstruktur in dem Flüssigkeitsbad einer isothermen Bedingung unterworfen. Das Fehlen des radialen Tempera turgradienten in der Strukturentwicklungszone führt zu einer radial gleichmäßigen Faserstruktur.
Die vorliegende Erfindung ist nicht durch die oben genannten speziellen Beispiele beschränkt. Die Ausgestaltungen der Erfindung sind ebenso auf Faserspinnen von anderen synthetischen Polymeren als PET auf der Grundlage des ähnlichen Prinzips der Polymerkristallisation in der Hochspannungsspinnlinie anwendbar. Nylon und Polyolefine sind zwei typische Beispiele, die für Fachleute auf diesem Gebiet offensichtlich sind.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von schmelzgesponnenen thermoplastischen Polymerfäden mit einem hohen Orientierungsgrad und einer hohen Zugfestigkeit mit den Schritten des Extrudierens von geschmolzenem, Fäden bildenden thermoplastischen Polymer in die Gestalt von Fäden, des Einführens der Fäden in ein Flüssigkeitsbad, während sie noch bei einer Temperatur von wenigstens 30 Grad Celsius über der Einfriertemperatur des Polymers sind, des Haltens des Flüssigkeitsbades bei einer Temperatur von wenigstens 30 Grad über der Einfriertemperatur des thermoplastischen Polymers zum Erzielen von isothermen Kristallisationsbedingungen für die Fäden in dem Bad und des Herausziehens der Fäden aus dem Bad mit einer Geschwindigkeit von 3000 Metern pro Minute oder höher zum Belasten der Fäden bei Durchlauf durch das Bad.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Fäden bei einer Geschwindigkeit herausgezogen werden, die einen Aufwickelbelastung von 0,5 bis 5 g/dtex (0,6 bis 6 g/d) in den Fäden hervorrufen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das faserbildende Polymer Polyethylen-Terephtalat ist und der Schritt des Haltens das Halten des Bades bei einer Temperatur von wenigstens 110 Grad Celsius umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Bad bei einer Temperatur von etwa 130 Grad Celsius gehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt des Überwachens des Zustandes des Flüssigkeitsbades und der Geschwindigkeit beim Herausziehen der Fäden aus dem Bad aufweist, um ein kristallines Röntgenbeugungsbild der Fäden und eine Doppelbrechung von 0,20 oder höher zu erzielen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Schritt des Überwachens des Zustandes des Flüssigkeitsbades und der Geschwindigkeit beim Herausziehen der Fäden aus dem Bad das Halten des Flüssigkeitsbades bei einer Temperatur von wenigstens 110 Grad Celsius und ein Herausziehen der Fäden aus dem Bad mit einer Geschwindigkeit zwischen 3000 bis 7000 Metern pro Minute aufweist, um auf die Fäden eine Aufwickelbelastung beim Durchlauf durch das Bad auszuüben.

7. Schmelzgesponnene thermoplastische Polymerfäden mit einer Zugfestigkeit von 7 g/dtex (8 g/d) oder höher, einer Doppelbrechung von 0,20 oder höher, einer Dehnbarkeit von höchstens 20 Prozent und einem kristallinen Röntgenbeugungsbild, die nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt sind.

8. Fäden nach Anspruch 7, die aus Polyethylen-Terephtalat mit einer Industrieklasse IV hoch gebildet sind und eine Zugfestigkeit von 7 g/dtex (8 g/d) oder höher aufweisen.

9. Fäden nach Anspruch 7, die aus einem Polyethylen- Terephtalat mit einer Industrieklasse IV niedrig ge bildet sind und eine Zugfestigkeit von 6 g/dtex (7 g/d) oder höher aufweisen.

10. Fäden, die aus einem Polyethylen-Terephtalat-Polymer mit einer Industrieklasse IV hoch gebildet sind und eine Zugfestigkeit von 7 g/dtex (8 g/d) oder höher, eine Doppelbrechung von 0,20 oder höher, eine Dehnbarkeit von höchstens 20 Prozent und ein kristallines Röntgenbeugungsbild aufweisen, wobei sie nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt sind.

11. Fäden, die aus einem Polyethylen-Terephtalat-Polymer mit einer Textilklasse IV niedrig gebildet sind und eine Zugfestigkeit von 6 g/dtex (7 g/d) oder höher, eine Doppelbrechung von 0,20 oder höher, eine Dehnbarkeit von höchstens 20 Prozent und ein kristallines Röntgenbeugungsbild aufweisen, wobei sie nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt sind.