DE69109476T2 - Polymer-Extruder. - Google Patents
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Description
- Diese Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Apparatur zum Schmelzspinnen von Fäden aus synthetischen Polymeren. Schmelzgesponnene Fäden aus Polymeren, wie Polyester, Polyamide und Polyolefine usw., werden im allgemeinen durch Extrudieren eines geschmolzenen Polymers durch einen Filter und eine Spinndüse hergestellt, und die so gebildeten Fäden werden zur Verhinderung von Zusammenkleben abgekühlt und dann auf einer Spule aufgewickelt oder anderen Verfahrensschritten unterworfen. Die Weise, auf die die Fäden, die die Spinndüse verlassen, abgekühlt werden, hat einen großen Einfluß auf deren Eigenschaften, und man geht im allgemeinen davon aus, daß irgendeine Form eines auferlegten Abkühlens benötigt wird, wenn Gleichmäßigkeit beim Abkühlen der Fasern erreicht werden soll.
- Es wurden Versuche unternommen, verdichtete Luftströme zum Abkühlen der Fäden zu verwenden. Es ist jedoch wichtig, daß den Fäden keine Vibrationen während des Vorganges des Abkühlens vermittelt werden, da sonst die Eigenschaften der Fäden ungünstig beeinflußt würden. Es wurden zahlreiche, verschiedene Verfahren und Apparaturen zum Abkühlen der Fäden vorgeschlagen. Eine solche Vorrichtung ist im U.S. Patent 4,259,048 offenbart, das das Abkühlen der Fäden mit einem einzelnen, laminaren, zentrifugalen, scheibenförmigen Luftstrahl lehrt, der senkrecht gegen die gerade extrudierten Fäden in der Nähe der Düsenöffnungen der Spinndüse auftrifft.
- Noch genauer offenbart diese Patentschrift, auf der der Oberbegriff des Hauptanspruches basiert, ein Verfahren zum Schmelzspinnen einer Vielzahl von Fäden durch eine kreisförmige Spinndüse zu einer zylindrischen Anordnung von Fäden. Ein Kühlkopf befindet sich innerhalb dieser zylindrischen Anordnung und besitzt einen ringförmigen Spalt, durch den ein Kühlgas längs einer Richtung geblasen wird, die senkrecht zur Bewegungsrichtung der Fäden steht.
- Ein weiterer Versuch, die Fäden abzukühlen, ist im U.S. Patent 3,969,462 offenbart, das das Führen der extrudierten Fäden zunächst durch eine aufgeheizte Zone offenbart, die die Fäden streckenweise unterhalb des Bodens der Spinndüse geschmolzen hält, und das anschließende Abkühlen der Fäden mittels eines radialen Ausflusses von Kühlgasen. Die Kühlgase passieren einen Kühlstab, der vorzugsweise aus porösem Material besteht, wie z.B. Keramik oder gesintertem Metall, um so die Kräfte zu minimieren, die auf die Fäden während des Vorgangs des Abkühlens einwirken.
- Noch ein weiterer Versuch, die Fäden beim Schmelzspinnen von synthetischen Fasern abzukühlen, ist im U.S. Patent 4,045,534 offenbart, das das Führen der Fäden direkt durch einen erhitzten Mantel mit durchlöcherten Wänden und das darauf folgende Leiten der Fäden in eine Kühlkammer lehrt, in der sie abgekühlt werden.
- Die Erfindung umfaßt ein Verfahren und eine Apparatur zum Extrudieren von geschmolzenem polymerem Material zu Fäden, wie Polypropylen, Polyester und Nylon. Das geschmolzene polymere Material wird durch eine beliebige, geeignete Quelle einem Paar von Kanälen zugeführt, die in den Verteilplatten bereitgestellt sind, die ein Teil des Blocks bilden. Das Paar von Kanälen erstreckt sich längs eines halbkreisförmigen Pfades und biegt dann radial nach innen zur Mitte der Verteilplatte. Von hier ab erstrecken sich die Kanäle längs ungefähr 90 Grad zu den Quadranten bei 90 und 270 Grad, wo sie sich in vier Kanäle aufspalten, die ihrerseits mit den Speisungskanälen verbunden sind, die das geschmolzene Material zu Löchern führen, die längs des Umfangs und in der Verteilplatte bereitgestellt sind.
- Solche Fließwege für das geschmolzene Material erzeugen eine gleichmäßige Erwärmung und einen gleichmäßigen Druck innerhalb der Verteilplatten, durch Bereitstellen von im wesentlichen gleichen Wegstrecken für das geschmolzene polymere Material zu allen Öffnungen in der Verteilplatte. Das geschmolzene Material passiert dann eine kreisförmige Spinndüse, die eine Vielzahl von Löchern oder Kapillaren darin besitzt, durch die die Fäden extrudiert werden. Die extrudierten Fäden werden bei ihrem Austreten aus der Spinndüse durch drei Luftströme abgekühlt, die aufsteigend auf die Austrittsöffnung der Spinndüse mit stumpfen Winkeln bezüglich der Fäden, die extrudiert werden sollen, gerichtet sind.
- Der Kühlkopf wird innerhalb der zylindrischen Anordnung gehalten, die durch die Fäden, die die Spinndüse verlassen, gebildet wird, und besitzt drei Naben, die zum Steuern der Rate und des Volumens der Luft, die durch die geneigten Schlitze strömt, zum Richten der Luft gegen die Fäden, die extrudiert werden, rotiert werden können. Der gesamte Kühlkopf kann bezüglich des Bodens der Spinndüse angehoben oder gesenkt werden, um den Effekt der Kühlluft zu steuern.
- Daher besteht ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren und eine Apparatur zum Extrudieren eines geschmolzenen polymeren Materials in Form von Fäden bereitzustellen.
- Ein weiterer wichtiger Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Apparatur zum Extrudieren polymerer Fäden mit gleichmäßigen physikalischen Eigenschaften bereitzustellen.
- Ein weiterer wichtiger Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Apparatur zum Beibehalten gleichmäßiger Druck- und Temperaturbedingungen eines geschmolzenen polymeren Materials bereitzustellen, wenn es zu einer Vielzahl von Fäden extrudiert wird.
- Noch ein weiterer wichtiger Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Apparatur zum Abkühlen von Fäden aus geschmolzenem polymerem Material auf eine Weise bereitzustellen, die Turbulenzen in der Kühlluft und Vibrationen in den Fäden vermeidet.
- Noch ein weiterer wichtiger Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Kühlungssystem bereitzustellen, worin Luftströme unterschiedlicher Geschwindigkeit und Volumens zum Kühlen der Fäden, die extrudiert werden, verwendet werden können.
- Diese und andere Gegenstände der Erfindung, die durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Apparatur gemäß Anspruch 4 erreicht werden, werden dem Fachmann aus der folgenden Beschreibung der Erfindung augenscheinlich werden.
- Abbildung 1 ist eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt und teilweise als Schema, die eine Apparatur zum Extrudieren polymerer Fäden im Einklang mit der Erfindung darstellt.
- Abbildung 2 ist eine Draufsicht, die die Kanäle zum Steuern des Flusses des geschmolzenen polymeren Materials durch die untere Verteilplatte darstellt.
- Nun unter detaillierter Bezugnahme auf die Abbildungen 1 und 2 der Zeichnungen, ist dort eine Apparatur zum Düsenspinnen gezeigt, die eine beliebige herkömmliche Schmelze aus polymerem Material verwendet, das zu einzelnen Fasern gesponnen werden soll. Eine für das Spinnen geeignete Schmelze ist ein Polyester. Die Apparatur umfaßt ein Tragegerüst 10, das einen Block 12, darin befestigt, umfaßt. Das erhitzte, geschmolzene polymere Material wird laufend durch einen Kanal 14 einer Zweistrom- Zahnradpumpe 16 zugeführt, die auf der Seite des Rahmens 10 getragen wird. Der Auslaß der Zweistrom-Zahnradpumpe steht über die Kanäle 18 und 20 mit dem Block 12 in Verbindung, um die Schmelze, die in Form von Fäden 22 extrudiert werden soll, dem Block zuzuführen. Die Schmelze, die durch den Block zugeführt wird, wird durch Öffnungen extrudiert, die in der Spinndüse 24 bereitgestellt sind. Wenn die Fäden die Spinndüse 24 verlassen, werden sie durch einen Kühlkopf 26 abgekühlt. Luft wird dem Kühlkopf 26 zum Abkühlen der Fäden mittels eines Ventilators 28 zugeführt, der Luft abwärts durch ein sich vertikal nach unten erstreckendes, röhrenförmiges Gehäuse 30 bläst, dessen unteres Ende mit dem Kühlkopf 26 verbunden ist. Als Ergebnis kann der Kühlkopf mittels eines Zahnstangentriebs, der sich auf der Außenseite des röhrenförmigen Gehäuses befindet, und ein durch einen Motor 36 gesteuertes Zahnrad 34 angehoben und gesenkt werden.
- Die Stellung des Kühlkopfes bezüglich des Bodens der Spinndüse kann durch Drehen des Zahnrades in eine beliebige Richtung zum Anheben oder Senken des röhrenförmigen Gehäuses 30 verändert werden.
- Das röhrenförmige Gehäuse 30 wird in einem röhrenförmigen Gestellteil 38 getragen, das am Rahmen 10 mittels eines Bolzens 40 befestigt ist, der sich durch einen Flansch 42 erstreckt. Das Zahnrad 34 und der Motor 36 sind ebenso auf einem beliebigen, befestigten Gestellteil montiert, wie z.B. bei 44 dargestellt ist.
- Der Block 12 umfaßt eine obere Verteilplatte 46 und eine untere Verteilplatte 48, in die die Schmelze durch die Kanäle 18 und 20 eingeleitet wird. Unterhalb der unteren Platte 48 befindet sich ein herkömmliches Filtriersieb 50, durch das die Schmelze von der unteren Verteilplatte zu einer Pseudospinndüse 52 fließt, die auf der Spinndüse 24 getragen wird. Die Filterplatte 50, die Pseudospinndüse 52 und die Spinndüse 24 können beliebige herkömmliche Teile sein, die in einem herkömmlichen inneren Tragering 54 und einem äußeren Tragering 56 getragen werden. Die Bolzen 58 befestigen den ganzen Block 12 innerhalb des Hohlraumes, der im Gestell 10 bereitgestellt ist.
- Um die Verteilung des Druckes und der Hitze innerhalb der Schmelze bei ihrem Fließen durch den Block gleichmäßig zu halten, besitzt die obere und die untere Verteilplatte 46 und 48 eine Vielzahl von Kanälen, die darin bereitgestellt sind, so daß die Wegstrecken der Schmelze bei ihrem Fließen durch die Verteilplatten 46 und 48 zu den Löchern 60, die in der unteren Verteilplatte bereitgestellt sind, gleich sind. Als Ergebnis herrscht beim Fließen der Schmelze durch die Verteilplatten eine gleichmäßige Verteilung der Wärme und des Druckes über den Verteilplatten. Die Löcher 60, die in der unteren Verteilplatte bereitgestellt sind und die mit dem unmittelbar darunter liegenden Sieb in Verbindung stehen, sind gleichmäßig längs eines Pfades entlang des Umfangs verteilt, wie es in Abbildung 2 dargestellt ist.
- Die zwei Kanäle 18 und 20, die in die Verteilplatte münden, haben zu den Löchern 60 identische Wegstrecken. Der Kanal 20 erstreckt sich zunächst durch die Wand der Verteilplatte 48 längs einer radialen Richtung 62, die in einen bogenförmigen Kanal 64 mündet, der zirka 180 Grad beschreibt und sich zur entgegengesetzten Seite der Verteilplatte bezüglich der Einlaßkanäle 18 und 20 hin erstreckt. Hier biegt er radial nach innen ein, längs eines Pfades 66 zu einem inneren bogenförmigen Pfad, der zum Einlaßkanal 20 über zirka 90 Grad hinweg zurückkehrt. Er biegt dann radial nach außen durch den Kanal 70 zu einem Paar geteilter Kanäle 72 und 74 ab. Der geteilte Kanal 72 erstreckt sich längs eines bogenförmigen Pfades über zirka 45 Grad in der einen Richtung, während sich der geteilte Kanal 74 über zirka 45 Grad in die entgegengesetzte Richtung erstreckt. Der Kanal 72 teilt sich dann in zwei kleinere bogenförmige Pfade 76 und 78 auf, die sich ihrerseits in zwei noch kleinere bogenförmige Pfade 80 und 82 aufteilen, die direkt mit den Löchern 60 in Verbindung stehen. Wenn man den Pfad der Schmelze verfolgt, die durch die Verteilplatten 46 und 48 zu den Löchern 60 fließt, kann man feststellen, daß der Pfad der Schmelze gleichmäßig über die ganze Fläche der Verteilplatten hinweg verteilt ist und für jedes der Löcher 60, die in der Verteilplatte bereitgestellt sind, gleich lang ist. Da der Pfad der Schmelze gleichmäßig über die Verteilplatte hinweg verteilt ist und eine konstante Länge besitzt, hält dieser Umstand einen konstanten Druck auf die Schmelze, die durch die Verteilplatte fließt, und erzeugt eine gleichmäßige Verteilung der Wärme über die Verteilplatte hinweg. Das verbessert die Qualität der Fäden, die durch die Spinndüse 24 extrudiert werden.
- Eine wichtige Eigenschaft der Düsenspinnmaschine ist das Verfahren zum Abkühlen des geschmolzenen Polymers bei seinem Austritt aus den Löchern der Spinndüse. Bei Düsenspinnmaschinen müssen die Fäden in einer sehr viel geringeren Kühlzone abgekühlt werden, als es für herkömmliche Spinnsysteme benötigt wird.
- Beim Abkühlen der Fäden sollten das Volumen und der Luftfluß zum Vermeiden gefährlicher Turbulenzen gesteuert werden. Turbulenzen können das Berühren der Fäden untereinander bewirken, bevor diese ausreichend ausgehärtet sind und so aneinander haften. Aneinander haftende Fäden (manchmal "verheiratete" Fäden genannt) werden als Mangel in der darauf folgenden Endverwendung angesehen.
- Die Ausdehnung der Kühlzone sollte für besten Durchsatz und Produktqualität einstellbar sein. Beim Erzeugen von Fäden mit feinen und schweren Deniers, mit Polymeren von niedriger bis hoher Viskosität und Polymeren mit großer Schmelztemperaturspanne, ist es wichtig, daß die Kühlzone für ein optimales Ergebnis variabel ist.
- Daher stellt der Kühlkopf, der im Einklang mit der vorliegenden Erfindung entworfen wurde, flexible Kühlgeschwindigkeiten und Volumen der Kühlluft bereit, die zum Abkühlen der Fäden verwendet werden.
- Der Kühlkopf umfaßt einen zentral angebrachten Hauptkörper 84, der mittels Bolzen 85 am unteren Ende des röhrenförmigen Gehäuses 30 angebracht ist. Der Hauptkörper umfaßt eine Kammer, die von einer Wand umgeben ist, die untereinander längs ihres Umfanges versetzte Durchlässe 86 darin bereitgestellt besitzt. Der Boden der Kammer besitzt die Form einer Luftablenkplatte oder -fläche, die einen konischen zentralen Teil 90 besitzt, der sich radial zu allen Seiten in eine konkave Luftablenkfläche 92 hinein erstreckt. Die untere Platte 87 lenkt die Luft, die im röhrenförmigen Gehäuse 30 herunter steigt, zurück zu den Durchgängen 86, dabei sanfte Figuren beschreibend, um so Luftwirbel zu minimieren. Eine Vielzahl von Naben 94, 96 und 98 sind auf dem Hauptkörper aufgeschraubt, so daß die konzentrischen Naben 94, 96 und 98 zum Variieren der Stellung der Naben auf dem Hauptkörper längs einer vertikalen Richtung gedreht werden können. Jede der Naben 94, 96 und 98 definiert Durchlässe für den Luftfluß 100, 102 und 104, die mit den im Hauptkörper bereitgestellten Durchgängen 86 in Verbindung stehen. Die oberen Abschnitte 100a, 102a und 104a der Durchgänge 100, 102 und 104 sind aufwärts zum Fuß der Spinndüse hin geneigt, dabei geneigte Spalte zum Führen der Luft, die aus dem Kühlkopf austritt, zum Fuß der Spinndüse zum Abkühlen der Fäden 22 definierend, die durch diese extrudiert werden. In einer speziellen Ausführungsform beträgt der Winkel des geneigten Spaltes 100a 30 Grad bezüglich der Horizontalen, der Winkel des Spaltes 102a beträgt 27 Grad bezüglich der Horizontalen und der Winkel des dritten Kühlspaltes 104a beträgt 25 Grad bezüglich der Horizontalen. In einer anderen Ausführungsform reichen die Winkel der Spalte 100a, 102a und 104a von 10 bis 30 Grad.
- Durch Drehen der Naben 94, 96 und 98 auf dem Hauptkörper 84 kann die Breite der Spalte 100, 102 und 104 zum Steuern des Flusses der Kühlluft dadurch verändert werden, so daß die Turbulenzen in der Luft, die auf die Fäden während des Vorgangs des Kühlens auftrifft, auf ein Minimum reduziert werden. Das Volumen und die Rate der Luft, die durch die Spalte fließt, wird je nach dem besonderen Polymer variieren, das extrudiert wird. Das Luftvolumen, das durch die Spalte fließt, kann ebenso durch den Ventilator 28 gesteuert werden.
- Jede der Naben 94, 96 und 98 ist konzentrisch zum Hauptkörper 84. Die Möglichkeit, die Kühlwirkung einzustellen, ist wichtig, weil im Falle einer zu raschen Kühlung die Fäden zufällig aushärten und sich auch Leerräume in der Mitte der Fäden bilden könnten.
- Während der Inbetriebnahme wird zunächst die Stellung des Kühlkopfes längs einer vertikalen Richtung bezüglich des Bodens der Spinndüse 24 eingestellt, mittels des Zahnstangentriebes 32 und des Zahnrades 34 zum Anheben und Senken des röhrenförmigen Gehäuses 30. Wenn die Stellung des Kühlkopfes 26 bezüglich der Spinndüse eingestellt ist, werden die Naben 94, 96 und 98 relativ zueinander gedreht, um den gewünschten Luftfluß durch die Spalte 100a, 102a und 104a für den Faden mit dem bestimmten Denier und für das bestimmte Polymer, das extrudiert wird, zu erhalten.
- Dann wird Schmelze durch die Zweistrom-Zahnradpumpe 16 durch die Kanäle 18 und 20 in den Verteilplatten zugeführt. Die Schmelze gelangt durch die Kanäle zu den Löchern 60. Sie passiert dann das Filtriersieb 50 und die Pseudospinndüse 50 durch die Öffnungen, die in der Spinndüse 24 bereitgestellt sind. Wenn die Fäden durch die Spinndüse extrudiert werden, kühlt die Kühlluft, die durch die kreisförmigen Spalte 100a, 102a und 104a strömt, die Fäden ab.
- Es wird für den Fachmann offenbar sein, daß, ohne sich vom Geist der Erfindung zu entfernen, verschiedene Veränderungen durchgeführt werden können, die nicht auf das, was in den Zeichnungen dargestellt und in der Patentbeschreibung beschrieben ist, beschränkt ist, sondern nur durch das, was in den beigefügten Patentansprüchen dargelegt ist.
Claims (8)
1. Ein Verfahren zum Extrudieren eines polymeren Materials in Form von
Fäden, umfassend:
das Zuführen von geschmolzenem polymeren Material zu einem Körper (12)
durch eine kreisförmige Spinndüse (24) zu einer kreisförmigen Anordnung
von Fäden (22),
des Ausrichtens eines Kühlkopfes (26) innerhalb dieser zylindrischen
Anordnung von Fäden,
dadurch gekennzeichnet, daß dieses Verfahren weiterhin die Stufen
umfaßt:
des Zuführens von Luft in diesen Kühlkopf (26) durch eine Vielzahl von
ringförmigen, longitudinal versetzten Schlitzen (100a, 102a, 104a), die sich
nach oben zum Boden dieser Spinndüse, durch die diese Fäden (22)
extrudiert werden, hinneigen, zum Kühlen dieser Fäden (22), und
des Einstellens der Breite dieser Schlitze (100a, 102a, 104a), um so
geneigte Luftströme mit vorgeregeltem Volumen zum Stabilisieren von
Vibrationen in diese Fäden (22) zu leiten, wenn diese Fäden durch diese
Vielzahl von Luftströmen gekühlt werden.
2. Das Verfahren zum Extrudieren eines geschmolzenen polymeren
Materials in Form von Fäden nach Anspruch 1, worin drei Luftströme gegen
diese Spinndüse mit einem Winkel zwischen 10 und 30 Grad gerichtet
werden.
3. Das Verfahren zum Extrudieren eines geschmolzenen polymeren
Materials in Form von Fäden nach Anspruch 1, weiterhin umfassend das
individuelle Einstellen des Luftvolumens in diesen Luftströmen, um so
Vibrationen in diesen Fäden, die extrudiert werden, auf ein Minimum zu
reduzieren.
4. Eine Maschine zum Extrudieren eines geschmolzenen polymeren
Materials zu einer Vielzahl von Fäden, mittels eines Verfahrens nach
Anspruch 1, umfassend:
einen Körper umfassend:
(a) eine Verteilerplatte, und
(b) eine kreisförmige Spinndüse, die unterhalb dieser Verteilerplatte
angebracht ist,
eine Vorrichtung zum Zuführen von geschmolzenem polymeren Material
durch diese Verteilerplatte zu dieser kreisförmigen Spinndüse, zum
Erzeugen einer zylindrischen Anordnung von Fäden,
einen Kühlkopf, der innerhalb dieser zylindrischen Anordnung von Fäden
angebracht ist,
dabei umfaßt dieser Kühlkopf
(i) einen röhrenförmigen zylindrischen Hauptkörper,
(ii) eine Vielzahl von konzentrischen Naben auf diesem Hauptkörper,
(iii) dabei besitzt jede dieser konzentrischen Naben eine geneigte Wand, die
eine Wand eines geneigten ringförmigen Schlitzes definiert,
(iv) eine Vorrichtung zum Einstellen der vertikalen Position jeder dieser
geneigten Wände dieser konzentrischen Naben, die ringförmige Schlitze mit
einer vorbestimmten Breite bereitstellen, und
eine Vorrichtung zum Zuführen von Kühlluft zu diesem zylindrischen
röhrenförmigen Hauptkörper und durch diese geneigten Schlitze, zum
Kühlen dieser Fäden, die durch diese Spinndüse hergestellt werden.
5. Die Maschine nach Anspruch 4, weiterhin umfassend:
diese konzentrischen Naben, die untereinander durch Gewinde gesichert
sind, so daß durch Drehen der Naben die Breiten dieser ringförmigen
Schlitze verändert werden können.
6. Die Maschine nach Anspruch 5, diese Vorrichtung zum Zuführen von
Kühlluft zu diesem zylindrischen röhrenförmigen Hauptkörper umfassend:
eine verlängerte, sich vertikal erstreckende Leitung mit einem oberen Ende
und einem unteren Ende,
eine Luftquelle, die an diesem oberen Ende dieser sich vertikal
erstreckenden Leitung angebracht ist,
dabei ist dieses untere Ende dieser verlängerten, sich vertikal erstreckenden
Leitung mit diesem röhrenförmigen Hauptkörper verbunden,
eine Luftablenkplatte in diesem Hauptkörper zum Ablenken der Luft, die in
diesen zylindrischen röhrenförmigen Hauptkörper durch diese geneigten
Schlitze strömt.
7. Die Maschine nach Anspruch 6, weiterhin umfassend:
diese Luftablenkplatte mit einem zentralen Bereich mit einer konischen
Form, der sich in einen konkaven Bereich hinein erstreckt, um so Luft, die
durch dieses untere Ende dieser sich vertikal erstreckenden Leitung strömt,
nach oben durch diese geneigten Schlitze zu lenken.
8. Die Maschine nach Anspruch 4, weiterhin umfassend:
eine Vorrichtung zum Einstellen der Position dieses Kühlkopfes bezüglich
dieser Spinndüse längs der Fließrichtung dieser Fäden.
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