DE69506264T2

DE69506264T2 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung von strängen aus hochorientierten flash-gesponnenen kontinuierlichen fasern

Info

Publication number: DE69506264T2
Application number: DE69506264T
Authority: DE
Inventors: Ashok Harakhlal Chesterfield Va 23832-7812 Shah
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1995-08-01
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2015-08-02
Also published as: EP0775220A1; CA2196759A1; DE69506264D1; WO1996005339A1; KR970704920A; ES2126309T3; JPH10503813A; EP0775220B1; KR100343091B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf das Sammeln von hochorientierten schmelzgesponnenen kontinuierlich aufwickelbaren Fasern aus einer Spinndüse in Form eines stabförmigen Faserflors, welches allgemein als Stab bezeichnet wird.

Hintergrund und Zusammenfassung der Erfindung

Früher war es wünschenswert, schmelzgesponnene kontinuierliche Fasern aus einer Spinndüse in Form eines stabförmigen Faserflors, welches allgemein als Stab bekannt ist, zu sammeln, wobei die Faser in dem Flor von dem Ende abgewickelt wird, welches von der Faser, welche in das Flor geführt wird, entgegengesetzt ist. Dies ist allgemein bekannt als von hinten wickelbar bekannt. Beispielsweise offenbaren die US- Patente 3,413,185; 3,417,431 und 3,600,483 alle Verfahren zum Ausbilden derartiger Stäbe. Kurz gesagt, das Verfahren zum Ausbilden derartiger Stäbe enthält allgemein das Sammeln von Fasern aus einer Spinndüse in einer kreisförmig geformten, perforierten Sammelleitung. Sobald die Faser darin gesammelt ist, nimmt sie die Form der Leitung, beispielsweise ein stabförmiges Flor, ein. Das Lösungsmittel, welches von der Spinndüse mit den Polymerfasern ausgestoßen wird, verdampft schnell und expandiert in der Leitung, welche die Faser zu dem Stab zusammendrückt, drückt den Stab in Richtung der Leitung nach vorne und verflüchtigt sich über die Gasfreigabeanschlüsse in dem Umfang der Leitung.
Bei den vorausgehenden Referenzen sollte hervorgehoben werden, daß die Spinndüse keinen Tunnel bzw. keine Röhre an deren Ende aufweist. Wie in dem US- Patent 3,081,519 (Blades et al.) und 3,227,794 (Anderson et al.) offenbart ist, besitzt ein Tunnel einen signifikanten Effekt an Faserfestigkeit bzw. -zähigkeit. In dem US-Patent 4,352,650 (Marshall) wird die Optimierung der Tunnelkonfiguration zur Erhöhung der Faserfestigkeit von ungefähr 4,2 gpd (3,7 dN/tex) zu ungefähr 5,2 gpd (4,6 dN/tex) diskutiert, wobei die Faserfestigkeit so dargestellt wird, daß sie um ungefähr 1,3 bis 1,7 mal vergrößert wird bei der Verwendung eines geeigneten dimensionierten Tunnels am Ausgang der Spinndüse. Demgemäß ist es sehr wünschenswert, einen Tunnel zu verwenden und eine höhere Faserfestigkeit des stabförmigen Faserflors zu erhalten.
Allerdings, wenn die Faser zu einem Stab gesammelt wird, wurde lange Zeit geglaubt, daß dem sich ausdehnenden Strahl des Lösungsmitteldampfs ermöglicht werden muß, vollständig und schnell zu expandieren, um so die Turbulenzen zu reduzieren bzw. zu vermeiden, welche durch die Hochgeschwindigkeitsgase stromabwärts der Spinndüse erzeugt werden. Derartige Turbulenzen tendieren dazu, die Fasern in sich zusammenbrechen zu lassen, bevor die Fasern zu einen Stab gesammelt werden, und die Fasern zu deorganisieren, sobald sie gesammelt werden. Die Fasern sind somit ausreichend verwickelt bzw. verheddert, so daß der sich ergebende Stab schwierig aufzuwickeln ist. Es ist somit für die Faser besonders vorteilhaft, daß sie im expandierten Zustand gesammelt wird, um so einen organisierteren Stab auszubilden, welcher weitaus einfacher aufzuwickeln ist.
Ein weiterer Nachteil des herkömmlichen Verfahrens zur Stabherstellung ist, daß teilweise häufig die Fasern zusehends aus den Gasaustrittsanschlüssen, welche entlang der Fasersammelröhre angeordnet sind, mit dem sich ausdehnenden Gas austreten. Diese Voraussetzung beschädigt die Kontinuität der plexifadenförmigen Struktur der schmelzgesponnenen Fasern, welcher häufige Fadenbrüche während des Aufwickelns der zur Herstellung des Stabs verwendeten, schmelzgesponnenen Fasern hervorruft. Vielmehr hinterlassen die Fasern, welche die Gasaustrittsanschlüsse verlassen haben, kontinuierliche Markierungen in Form von tiefen axialen Rippen auf der Oberfläche des resultierenden Stabs. Diese axialen Rippen verändern den Widerstand der Stabbewegung durch die Sammelröhre in einer unvorhersehbaren Art. Aufgrund dieser Voraussetzung sind die produzierten Stäbe in der Qualität nicht konstant.
Ein weiteres Problem der herkömmlichen Anordnung zur Stabherstellung ist das mechanische Gatter an dem Sammelröhrenausgang, um das stabherstellende Verfahren zu initiieren. Das Gatter fängt während der Anfangsphase häufige Fasern ein, was Anlaufunterbrechungen hervorruft und die Produktionskosten erhöht.
Ein weiteres Problem der bisherigen Anordnung ist das mechanische Reibungselement, beispielsweise eine Gummidichtung, welche einen Widerstand dem Stab auferlegt, der aus der Sammelröhre austritt. Es ist klar, daß es für die Stäbe vorteilhaft ist, aus der Sammelröhre in einer glatten, kontinuierlichen und fortschreitenden Weise ausgestoßen zu werden. Allerdings sind derartige mechanische Vorrichtungen primitiv, unzuverlässig und für ein Einstellen oder Modifizieren der Ausstoßrate während des Betriebsvorgangs in der Sammelanordnung nicht angepaßt.
Klarerweise wird somit eine Vorrichtung und ein Verfahren benötigt, welche die Probleme und die Nachteile, welche dem Stand der Technik innewohnen, umgeht. Insbesondere wird eine Vorrichtung zur Stabherstellung benötigt, welche starke, hochorientierte, schmelzgesponnene, kontinuierliche, aufwickelbare Fasern produziert, wenn sie zu Stäben gebildet werden. Weitere Aufgaben und Vorteile der folgenden Erfindung werden für die auf den Gebieten tätigen Fachmänner unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung der Erfindung, welche hiernach folgt, deutlich.
Die Aufgaben der folgenden Erfindung werden durch das Bereitstellen einer Vorrichtung zum Sammeln kontinuierlicher Fasern erreicht, welche in einem Strom von Gasen mit relativ hoher Geschwindigkeit in einem Düsenabschnitt bewegt werden, der so zur Aufnahme der Fasern und Hochgeschwindigkeitsgase angeordnet ist, um die Gase und Fasern vor dessen Sammlung in einer Sammelröhre zu verlangsamen. Der Düsenabschnitt weist eine divergierende Innenkontur auf, wobei er einen divergierenden Halbwinkel von weniger als oder gleich ungefähr 20 Grad aufweist und das Sammelrohr so angeordnet ist, um die Gase über den Umfang auszustoßen bzw. abzulassen und die Fasern in einen stabförmigen Faserflor in dessen zentralen Durchgang zu sammeln.
Die Aufgaben der folgenden Erfindung werden ebenso erreicht durch die Bereitstellung einer Vorrichtung zum Sammeln von kontinuierlichen Fasern, welche mit einem Strom von Gasen mit relativ hoher Geschwindigkeit darin in einem Sammelrohr bewegt werden. Die Fasern werden in einem stabförmigen Faserflor in dessen zentralen Durchgang gebildet und eine Vorrichtung zum Einengen ist mit dem Ausgang des Sammelrohrs verbunden, um den zentralen Durchgang einzuengen bzw. zu beschränken, um die Rate zu kontrollieren bzw. zu regeln, mit der das stabförmige Faserflor sich hindurchbewegt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das Verständnis der oben und anderen Aufgaben der vorliegenden Erfindung wird durch eine detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform verständlich. Die beigefügten Zeichnungen können in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung ein klareres Verständnis der Erfindung zur Verfügung stellen. In den Zeichnungen ist
Fig. 1 eine longitudinale Querschnittsansicht einer Vorrichtung zur Stabherstellung, welche für den Stand der Technik typisch sein dürfte;
Fig. 2 eine longitudinale Querschnittsansicht, welche ähnlich zu Fig. 1 ist, außer der bevorzugten Ausführungsform der verbesserten Vorrichtung zur Stabherstellung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 3 eine vergrößerte longitudinale Querschnittsansicht des Düsenabschnitts der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 4 eine transversale Querschnittsansicht der verbesserten stabherstellenden Vorrichtung zur Stabherstellung, welche entlang der Linie 3-3 in Fig. 2 genommen wurde; und
Fig. 5 eine fragmentare perspektivische Ansicht des Endes des Ausstoßabschnitts mit entfernten Teilen, um besondere Merkmale der folgenden Erfindung offenzulegen.

Beschreibung der Vorrichtung gemäß Stand der Technik

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 der Zeichnungen ist die generell mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeichnete Vorrichtung repräsentativ für die herkömmlichen Vorrichtungen. Dir Vorrichtung 50 enthält allgemein eine kreisförmige Sammelkammer 55, welche eine Vielzahl von Gasaustrittsanschlüssen 57 aufweist. Die Faser wird von einer Spinndüse 41 über einen breit divergierenden, konisch gebildeten Übergangsabschnitt 42 in die Sammelkammer 55 transportiert. Die Fasersammlung wird von einem mechanischen Gatter 61 bzw. Verschluß initiiert, welcher nach unten schwingt, um den Ausgang der Sammelkammer 55 zu blockieren. Sobald das Faserflor gebildet wurde, wird das Gatter 61 geöffnet, um dem Flor zu erlauben, aus dem Ausgang des Sammelrohrs 55 auszutreten. In der Praxis ist die Bildung des Flors schneller als die Rate, mit der das mechanische Gatter 61 für eine zufriedenstellende Initiierung des Flors geöffnet werden kann.
Die Austrittsbewegung des Flors aus dem Rohr 55 wird durch eine Reihe von Gummidichtungen 65, welche geringfügig kleiner als das Innere des Sammelrohrs 55 sind, verlangsamt. Allerdings kann der Stab in Abhängigkeit der Größe und Ebenheit des Stabs bei verschiedenen Geschwindigkeiten bzw. Raten aus dem Sammelrohr 55 austreten.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Unter Bezugnahme insbesondere auf die Fig. 2, 3 und 4 der Zeichnungen wird eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von schmelzgesponnenen kontinuierlichen aufwickelbaren Fasern mit den Zeichen 100 gekennzeichnet. Die Vorrichtung 100 wird an den Ausgangstunnel 92 an der Spinndüse 91 einer herkömmlichen Schnellspinnvorrichtung 90 befestigt. Die Vorrichtung weist allgemein drei Abschnitte auf: (1) einen Düsenabschnitt, welcher allgemein mit dem Zeichen 120 gekennzeichnet ist; (2) einen Sammelabschnitt bzw. Abschnitt zum Sammeln, der allgemein mit dem Zeichen 150 gekennzeichnet ist; und (3) einen Ausstoßabschnitt, welcher allgemein mit dem Zeichen 180 gekennzeichnet ist. Die drei Abschnitte 120, 150 und 180 sich vorzugsweise koaxial Stoß auf Stoß so verbunden, daß die Faser an der Spinndüse 91 gesponnen wird, durch den Tunnel 92 hindurchtritt und in die Vorrichtung 100 über den Düsenabschnitt 120, über den Sammelabschnitt 150 und schließlich über den Ausstoßabschnitt 180 hindurchtritt.
Der Düsenabschnitt 120 weist allgemein ein Rohr 121 mit offenem Ende auf, welches ein offenes Inneres 122 aufweist, und allgemein koaxial mit dem Tunnel 92 ausgerichtet ist. Der Düsenabschnitt 120 ist mit geeigneten Flanschen 125 und 126 an dessen Ende zur Befestigung der Schnellspinnvorrichtung 90 und der Sammelabschnitte 150 jeweils vorgesehen. Das offene Innere 120 weist allgemein einen kreisförmigen Querschnitt entlang dessen Länge über den Düsenabschnitt 120 auf, wobei das Innere 122 an dem Ausgangsende 132 größer ist als das Eingangsende 131. Der Düsenabschnitt weist vorzugsweise eine Länge von mindestens 1,5 mal dessen Durchmesser am Einlaßende auf und eine innere Kontur, welche vorzugsweise von dem Einlaß zum Auslaß divergiert. Wie unten beschrieben wird, ist die divergierende Kontur nicht notwendigerweise kontinuierlich oder immer divergierend, sondern enthält vorzugsweise einige Abschnitte mit reduziertem Durchmesser.
Das offene Innere 122 enthält eine besondere Geometrie, welche zwei Stufen bzw. Bedingungen 135 und 140 aufweist. Die erste Stufe 135 ist allgemein zylindrisch und erstreckt sich um ungefähr 0,5 bis 10 mal von dessen Durchmessers. Der Durchmesser der ersten Stufe 135 ist vorzugsweise größer als der Durchmesser des Tunnels 92, so daß die den Tunnel 92 verlassenen Fasern eine Stufenveränderung in dem Durchmesser des Durchgangs von der Spinndüse 91 in den Düsenabschnitt 120 "sieht". Es sollte hervorgehoben werden, daß eine derartige Stufenänderung vorzugsweise eine 90º-Stufe ist, wie in den Zeichnungen dargestellt ist. Allerdings kann es akzeptabel sein, eine Stufenänderung derart anzuordnen, daß der Winkel zu der Achse oder Mittellinie der Vorrichtung bemerkenswerterweise kleiner als 90º ist. Mit anderen Worten, die Stufe kann einen kurzen Abschnitt aufweisen, welcher eine Gestalt aufweist, die sich möglicherweise 45º relativ zu der Vorrichtungsachse 100 erstreckt.
Die Stufenveränderung wird vorzugsweise durch Vergleich der Querschnittsbereiche der geradlinigen ersten Stufe 135 zu dem Tunnelausgang in Betracht gezogen. Es wurde festgestellt, daß der Querschnittsbereich der ersten Stufe 35 mindestens 1,05X aber nicht mehr als 3X des Tunnelausgangsquerschnittsbereichs sein sollte. Es wird bevorzugt, daß die Stufenerhöhung im Querschnittsbereich 1,1X bis 1,8X des Tunnelausgangsquerschnittsbereichs ist.
Es wird angenommen, daß die Stufenerhöhung zwischen dem Tunnel 92 und der ersten Stufe 135 des Düsenabschnitts 120 zumindest zwei Vorteile bereitstellt. Erstens es behindert nicht die Expansion des Strahls, der den Tunnel verläßt. Ab und zu liegt ein nicht vollständig expandierter Strahlzustand aufgrund der kleinen zeitlichen Fluktuationen der Lösungsflußrate vor. Jede Behinderung auf diesen nicht vollständig expandierten Strahl beim Ausgang des Tunnels 92 kann plexifadenförmige Strukturen der gesponnenen Fasern in einem negativen Sinn beeinflussen, beispielsweise als stark und schlecht feinfaserige Linien und schlechte bzw. kleine gemeinsame Anschlüsse in der plexifadenförmigen Struktur.
Zweitens wird angenommen, daß die Druckfluktuationen stromabwärts des Tunnels durch die Stufenänderungen gedämpft werden, bevor derartige Fluktuationen zurück zu dem Tunnel 92 übertragen werden. Die Druckpulse in dem Tunnel 92 tendieren dazu, unregelmäßige sowie irreguläre Faserqualitäten zu hinterlassen. Diese beiden Vorteile ergeben eine Herstellung von "Stäben" mit konsistenter Faserqualität, ohne die nicht erwünschten Defekte beispielsweise der oben beschriebenen starken und schlechten feinfaserigen Linien in der plexifadenförmigen Struktur der gesponnenen Fasern.
Bewegt man sich entlang des Düsenabschnitts 120, führt die geradlinige erste Stufe 135 des Zwei-Stufen-Düsenabschnitts 120 den Strahl des Lösungsmitteldampfs, welcher den Tunnel 92 verläßt, zu der zweiten Stufe 140 des Zweistufen- Düsenabschnitts 120 ohne die Ausrichtung und Stabilität der axialen Strahlbewegung zu stören. Die Länge der geradlinigen zylindrischen erste Stufe 135 ist nahezu 0,5X bis 10X des Ausgangsdurchmessers des Tunnels 92 und vorzugsweise 1X bis 4X des Ausgangsdurchmessers des Tunnels 92.
Die zweite Stufe 140 des Zweistufen-Düsenabschnitts 120 weist eine divergierende konische Form auf, welche sich von der im wesentlichen zylindrischen ersten Stufe 135 zu dem Ausgangsende 132 des Düsenabschnitts 120 erstreckt. Für den divergierenden Winkel α der zweiten Stufe 140 wurde festgestellt, daß er geeigneterweise zwischen 1 oder ungefähr 20 Grad bezüglich der Achse oder Mittellinie der Vorrichtung 100 (welche ebenso als Halbwinkel benannt wird) ist, aber vorzugsweise im Bereich von 4 bis 12 Grad. Der Ausgangsquerschnittsbereich der divergierenden zweiten Stufe 140 (am Ausgangsende 132) ist zumindest nur 0,1X des Querschnittsbereichs des Sammelabschnitts 140 stromabwärts, aber nicht größer als der Querschnittsbereich des Sammelabschnitts 150. Der bevorzugte Querschnittsabschnittsbereich am Ausgang des divergierenden Abschnitts ist 0,2X bis 0,75X des Querschnittsabschnittsbereichs des Sammelabschnitts 150. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Winkel der divergierenden zweiten Stufe 140 derart, daß falls die divergierende zweite Stufe 140 in die Richtung des Tunnels 92 zeigt, sie nahezu die gleichen Ausmaße bzw. Dimensionierung aufweist, wie der Ausgang des Tunnels 92 an dem Ausgang des Tunnels. In anderen Worten, die divergierende zweite Stufe 140 bei der bevorzugten Ausführungsform ist so angeordnet, daß eine Ausdehnung bzw. eine Erstreckung der konischen Form den Tunnelausgang mit einem Querschnittsbereich unterbrochen bzw. durchtrennten wird, welcher im wesentlichen dem Querschnittsbereich des Tunnelausgangs entspricht.
Der Düsenabschnitt 120 erlaubt die Fortführung und Vervollständigung des Aufblitzens des Lösungsmittels, indem eine allmähliche Verlangsamung des Jets ermöglicht wird. Bei einer derartigen Anordnung wurde festgestellt, daß die turbulenten Kräfte nicht so stark sind und die Faser zu einem akzeptablen Stab gebildet wird. Bei einer verbesserten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist dort ebenso eine Verbesserung des Sammelabschnitts 150 vorhanden.
Der Sammelabschnitt 150 ist wie in den herkömmlichen Anordnungen eine im wesentlichen zylindrische Röhre 151 mit einer Vielzahl von Gasaustrittsanschlüssen 152 in dessen Umfangswand. Die Anschlüsse 152 werden in geeigneter Weise beabstandet und so dimensioniert, um dem Lösungsmitteldampf zu ermöglichen, auszutreten, indem im wesentlichen verhindert wird, daß die Faser dadurch austritt. Allerdings enthält erfindungsgemäß der Sammelabschnitt 150 ein Drahtgewebesieb 155, welches das Innere der zylindrischen Bohrung so auskleidet, um die Faser davon abzuhalten, einfach aus dem Inneren der Röhre 151 auszutreten. Dadurch wird dem Lösungsmitteldampf erlaubt, aus den Anschlüssen 152 mit im wesentlichen der gleichen Rate wie beim Stand der Technik auszutreten, wodurch aber die Fasern weniger die Möglichkeit haben, wegen der effektiven Reduzierung der Größe der Anschlüsse 152 hindurch auszutreten. Das verwendete Sieb weist eine Maschenbreite von 10 bis 200, vorzugsweise 35 bis 100, auf. Details hinsichtlich der Siebe von speziellen Maschenweiten sind in "Chemical Engineers' Handbook" von R. H. Perry und C. H. Chilton, 5. Edition, Tabelle 21-12 gegeben. Das Sieb 155 stellt einen genügend großen Bereich für Gase zum Austritt bereit, ohne einen unakzeptierbaren Druckabfall, wobei zur gleichen Zeit den Fasern verhindert wird, aus den Öffnungen in dem Sieb 155 zusammen mit den Gasen auszutreten. Dieses eliminiert den mechanischen Schaden an Fasern, welcher beim Weglassen des Siebs aufgrund der Faser vorhanden sein könnte, die zusehends die Gasaustrittsanschlüsse auf der Sammelröhre verlassen. Vorzugsweise wird das Sieb aus einem Teflon-imprägnierten Nickel hergestellt, um eine starke und mit geringer Reibung versehene Oberfläche für den Stab bereitzustellen, der sich durch den Sammelabschnitt 150 bewegt.
Aus dem Sammelabschnitt 150 bewegt sich der nun gebildete Faserstab in den Ausstoßabschnitt 180 hinein. Der Ausstoßabschnitt 180 wird aus einem kreisförmigen Abschnitt 181 gebildet, welcher eine im wesentlichen nicht perforierte elastomerische Blase aufweist, welche so angeordnet ist, um das Innere des kreisförmigen Abschnitts 181 auszukleiden. Die Abschlußkanten bzw. Grenzschichtränder der kreisförmig gestalteten Blase 185 sind geeigneterweise mit dem kreisförmigen Abschnitt 181 so abgedichtet, daß der kreisförmige Bereich 188 zwischen der Blase und dem röhrenförmigen Abschnitt 181 Luft oder ein anderes Fluid über den Nippel 189 aufnimmt und hält, um die Dimensionierung bzw. Ausdehnung der Blase 185 innerhalb des röhrenförmigen Abschnitts 181 zu ändern. Sobald der kreisförmige Bereich 188 mit dem Fluid versehen ist, schränkt bzw. engt die Blase 185 den Durchgang ein und ändert im wesentlichen den Innendurchmesser des Ausstoßabschnitts 180. Um eine schnelle Evakuierung des Fluids zu erleichtern, ist ein Netzwerk oder Matrix von Nuten 191 in die Innenoberfläche des röhrenförmigen Abschnitts 181 so eingeschnitten, daß das Fluid in Richtung des Nippels 189 bewegt wird, selbst wenn die Blase 185 vollständig gegen die Innenoberflächen des röhrenförmigen Abschnitts 181 gepreßt wird.
Die Stabformation wird durch Kollabieren der Blase mittels eines Impulses von Hochdruckluft über den Nippel 189 initiiert bzw. in Gang gesetzt. Sobald die "Stab"- Formation initiiert wurde, wird der Blase erlaubt, schnell auf ihre Anfangsdimension durch Freigeben des Luftdrucks zurückzukehren. Der Widerstand der "Stab"-Bewegung durch die Blase wird danach durch Aufpumpen der Blase auf einen bestimmten Pegel während des Verfahrens gesteuert, wodurch die Rate, mit der der Stab den Sammelabschnitt 150 verläßt, geregelt wird.
Der Gasdruck in dem Sammelabschnitt 150 hängt in einigen Teilen von der Größe und Anzahl der Anschlüsse 152 ab, durch welche der Lösungsdampf davon austreten kann. Die Anzahl der Anschlüsse 152, welche offen sind, hängt davon ab, wo das Ende des Stabes in dem Sammelabschnitt 150 ist. Falls das beginnende Ende (das Ende des Stabes, mit welchem die Faser eingeführt wird) nahe dem Düsenausgang ist, wird der Druck (oder der Hinterdruck) viel höher sein, als falls das Ende des Stabes nahe dem Ausstoßabschnitt 180 ist. Dementsprechend stellt im wesentlichen der Sammelabschnitt 150 eine Regelung des Gegendrucks in dem Sammelabschnitt 150 durch Steuerung der Rate dar, mit der dem Stab erlaubt wird auszutreten.
Der Gegendruck hat einen signifikanten Effekt auf die Faserqualität und es ist vorteilhaft, den Gegendruck auf einen erwünschten Pegel während des Verfahrens zu regeln, um die Qualität der Faser beizubehalten. Falls der Gegendruck zu gering ist, sind die produzierten "Stäbe" zu weich zu bearbeiten bzw. zu handhaben. Falls der Gegendruck zu hoch ist, sind die schmelzgesponnenen Fasern nicht ausreichend feinfaserig und das Verfahren neigt dazu, aufgrund der Fasern, welche über die Gasaustrittsanschlüsse an dem Sammelrohr ausgeblasen werden, zu versagen bzw. zu unterbrechen.
Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung eine signifikante Verbesserung gegenüber den herkömmlichen Anordnungen, indem der Industrie nunmehr die Möglichkeit gegeben wird, aufwickelbare Fasern zu produzieren, welche eine höhere Festigkeit und eine höhere Stärke aufweisen. Aufwickelbare Faserstäbe können nun hergestellt werden, indem ein Tunnel derart verwendet wird, welcher lange Zeit bekannt gewesen ist, um größere Festigkeitsstärken bereitzustellen.
Nachdem nun die Vorrichtung 100 der Erfindung dargestellt wurde, wird nun das Verfahren, welches die Vorrichtung verwendet, beschrieben. Wie oben herausgestellt ist, dient die Vorrichtung als Ersatz für herkömmliche faseraufnehmende und stabbildende Anordnungen. Die Vorrichtung zum Spinnen der Faserstränge ist im wesentlichen die gleiche wie in den Patenten des Standes der Technik. Allerdings enthält im Gegensatz zu den herkömmlichen stabherstellenden Anordnungen die Spinndüse einen Tunnel an dessen Ausgang, um die Beschleunigung des schnell auftretenden verwahrenden Lösungsdampfes zu erhöhen und eine erhöhte Festigkeitsstärke der geschmolzenen Fasern zu schaffen. Der Faserstrang bewegt sich vom Tunnel in den Düsenabschnitt 120, wo sich die seitliche Ausdehnung in eine divergierende, kontinuierlich ausdehnende Anordnung fortsetzt, um den sich ausdehnenden Strahl des Lösungsdampfes allmählich zu verlangsamen.
Sobald der Faserstrang aus dem Düsenabschnitt 120 austritt und in den Sammelabschnitt 150 eintritt, wird der Lösungsmitteldampf beträchtlich verlangsamt, so daß die Faser gesammelt werden kann. Der Sammelabschnitt 150 enthält die Anschlüsse 152, welche dem Lösungsmitteldampf erlauben, von dem Sammelabschnitt auszutreten. Der Faserstrang wird in dem Stab mit ausreichender Kraft gesammelt, um einen stabilen und geeigneten Stab auszubilden. Die Abschnitte der Faser, welche sich zu dem Umfang der Sammelleitung bewegen, werden von dem Maschensieb darin zurückgehalten, wobei das Maschensieb nicht im wesentlichen einen übermäßigen Gegendruck in der Düse und im Tunnel erzeugt. Der Stab tritt dann langsam aus der Leitung aus und in den Ausstoßabschnitt ein. Die Blase wird so angeordnet, um den Ausstoß des Stabes basierend auf den physikalischen Eigenschaften des Stabes und der darin befindlichen Fasern zu regeln und auf der Rate, bei der die Faser in die Vorrichtung geschickt bzw. die Vorrichtung beschickt wird.
Da die Erfindung als eine Kombination von zumindest drei Verbesserungen der herkömmlichen Vorrichtungen beschrieben wird, sollte klar verständlich sein, daß nicht alle beschriebenen Verbesserungen notwendigerweise zusammenwirken müssen. Da es vorteilhaft ist, daß alle in Verbindung miteinander zusammen verwendet werden können, um die bevorzugte Vorrichtung, wie beschrieben und in Fig. 2 dargestellt ist, auszubilden, kann jede unabhängig von den anderen verwendet werden, um den Arbeitsvorgang der herkömmlichen Vorrichtung zu verbessern.
Die oben beschriebene Erfindung wird nun mit den nachfolgenden nicht beschränkenden Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Eine Lösung von 12 Gew.-% eines hochdichten Polyethylens (HDPE- Schmelzindex 0,75, Spannungsexponent 1,45; Rheologie-Nr. 46; spezifische Dichte 0,957; mittlere Molekulargewichts-Nr. 28.000 und mittleres Molekulargewicht 135.000) wurde in Freon-11-Lösungsmittel bei 180ºC und 1.500 psi (10.342 kPa) hergestellt. Der Lösungsdruck wurde dann auf 930 psi (6.412 kPa) heruntergedrückt, um eine Zweiphasenlösung vor dem Schmelzspinnen zu erzeugen. Die Spinndüsengröße war 0,047 in. (1,19 mm) und es war kein Tunnel am Spinndüsenausgang vorhanden. Die Spinndüse wurde mit dem Sammelrohr über eine 120º ausgestellte Öffnung (60º Halbwinkel) an den Spinndüsenausgang - wie in Fig. 1 gezeigt ist - verbunden. Das Sammelrohr ID war 1,5 in. (38, 1 mm) und war 10 in. (254 mm) lang. Die Gasaustrittsanschlüsse waren 0,125 in. (3,175 mm) im Durchmesser und waren 18º voneinander um den Umfang herum beabstandet. Die Gasaustrittsanschlußreihen waren 0,25 in. (6,35 mm) beabstandet und entlang der Länge des Fasersammelrohrs, wie in Fig. 1 gezeigt ist, gestapelt. Dort war kein Sieb in dem Sammelrohr vorhanden. Mehrere Gummidichtungen wurden an dem Sammelrohrausgang verwendet, um den erwünschten Widerstand auf die Stabbewegung für den Stabherstellungsprozeß zu erhalten. Die gesamte Ausstattungsanordnung ist allgemein in Fig. 1 gezeigt.
Während des Tests war die Polymerflußrate 91 pph (40,95 kg/hr). Die Fasern, welche momentan aus den ersten zwei bis drei Reihen der Gasautrittsanschlüsse in dem Sammelrohr ausgetreten sind, waren ungefähr 0,25-0,75 in. (6,35-19,05 mm). Dies erzeugte starke axiale Linien auf der Oberfläche der Stäbe und schädigte die Kontinuität der Fasern. Ebenso hatten die Fasern starke und schwach feinfaserige Bereiche. Die Gewebefestigkeit war 3, 4 gpd (3,0 dN/tex).

Beispiel 2

Die zugeführte Lösung und die anfängliche bzw. voreingestellte Ausstattung waren die gleiche wie in Beispiel 1, außer daß ein geeignet dimensionierter Tunnel an dem Spinndüsenausgang verwendet wurde. Der Tunnelausgangsdurchmesser war 0,423 (10,7 mm) und war 0,27 in. (6,86 mm) lang. Der divergierende Winkel des Tunnels hinsichtlich der Mittelachse war 10 Grad. Der Tunnel öffnete in das Sammelrohr.
Während des Tests wurde auf signifikante Schwierigkeiten beim Festlegen der anfänglichen "Stab"-Formation zu Beginn gestoßen. Selbst wenn die "Stab"-Formation festgelegt wurde, behielt das Verfahren das plötzliche Versagen bei, entweder auf Grund des Ausblasens des gebildeten "Stabes" von dem Sammelrohr oder auf Grund des Ausblasens der Fasern aus dem Gasaustrittsanschlüssen.

Beispiel 3

Die Lösungsmittelzuführung und das Ausstattungs-Setup waren die gleichen wie in Beispiel 2, außer daß der Sammelrohrdurchmesser 2,0 in. (50,8 mm) war. Das Verfahren bildete "Stäbe". Allerdings waren die Fasern in den "Stäben" vollständig verheddert bzw. verfangen und das Aufwickeln der schmelzgesponnenen Fasern aus diesen "Stäben" war nicht einfach.

Beispiel 4

Die Lösungsmittelversorgung und die voreingestellte Ausstattung waren die gleichen wie in Beispiel 2, außer daß eine Zweistufendüse (im wesentlichen wie die in Fig. 2 dargestellt) am Tunnelausgang hinzugefügt war. Der Eingangsdurchmesser der Zwei-Stufen-Düse war 0,51 in. (12,95 mm), wodurch eine Stufenerhöhung im Querschnittsbereich am Tunnelausgang erzeugt wird. Die Länge des geradlinigen Abschnitts der Düse war 0,93 in. (21,97 mm). Der divergierende Abschnitt wies einen 4 Grad divergierenden Winkel hinsichtlich der Zentrumsachse auf. Der Ausgangsdurchmesser des divergierenden Abschnitts war 1,00 in. (25,40 mm).
Während des Tests waren sowohl die "Stab"-Formationsinitiierung zu Beginn und ebenso die Fortsetzung des "Stab"-herstellenden Verfahrens ohne jede Schwierigkeiten. Allerdings schien das Verfahren empfindlicher und instabiler auf Grund der schmelzgesponnenen Fasern zu sein, welche momentan von den ersten Reihen der Gasaustrittsanschlüsse des Sammelrohrs ausgetreten sind.
Auf Grund des letzteren Problems war die Kontinuität der plexifadenförmigen Strukturen der schmelzgesponnenen Fasern ähnlich dem Beispiel 1 beschädigt. Allerdings, ungleich mit Beispiel 1, war das Gewebe, welches während dieses Tests hergestellt wurde, viel feinfaseriger und stärker (5,1 gpd) (4, 5 dN/tex). Ebenso bestanden keine Defekte beispielsweise solche wie starke und schwach feinfaserige Bereiche.

Beispiel 5

Die Lösungsmittelversorgung und voreingestellte Ausstattung waren die gleichen wie in Beispiel 4, außer daß ein Standardsieb mit Maschenbreite 100 innerhalb des Sammelrohrs, wie in Fig. 2 gezeigt ist, verwendet wurden. Mit der Verwendung des Siebs wurden die Probleme, welche mit den Fasern einhergehen, die aus den Gasaustrittsanschlüssen wie in Fig. 4 heraustreten, eliminiert. Allerdings waren die Fasern schwach feinfaserig. Um die Faserfeinfaserigkeit zu verbessern, wurde ein Sieb mit der Maschengröße 30 verwendet und es wurde festgestellt, daß übermäßig große Öffnungen vorhanden sind, die Fasern zurückzuhalten. Eine Siebgröße mit der Maschenweite 50 wurde als das Optimale dieses Tests festgestellt. Es hielt die Fasern innerhalb des Sammelrohrs zurück und zur gleichen Zeit war die Sieböffnungsgröße groß genug für die Gase, um ohne übermäßigen Druckabfall austreten zu können. Die schmelzgesponnenen Fasern waren stark und die plexifadenförmige Struktur war sehr gut feinfaserig ähnlich zu Beispiel 4. Zur gleichen Zeit war die Aufwickelbarkeit der Fasern von denen während dieses Tests produzierten Stäben extrem gut und die Kontinuität der plexifaserfaserigen Struktur der schmelzgesponnen Fasern war ebenfalls sehr gut.

Beispiel 6

Die Lösungsmittelversorgung und die voreingestellte Ausstattung waren die gleichen wie in Beispiel 5, außer daß eine aufblasbare Blase anstelle der Gummidichtungen und dem mechanischen Gatter am Ausgang des Fasersammelrohres verwendet wurde. Die Gummiblase wurde aus Neoprengummi hergestellt. Die Dicke der Blasenwand war 0,050 in (1,27 mm) mit einem Durchmesser von ungefähr 70. Das Innere des Metallzylinders, welches die aufblasbare Blase unterstützt, war mit einem Netzwerk von Nuten 191 versehen, um das Austreten der Luft über die Luftversorgungseingangslöcher zu vereinfachen. Der Luftversorgungsdruck war 45 psig (310 kPa).
Ein sehr kurzer Stoß von 45 psig (310 kPa) Luft wurde der Blase zu Beginn zugeführt, um die Stabformation einzuleiten bzw. zu initiieren. Die Luft blies die Blase auf, um den Ausgang des Fasersammelrohrs momentan einzuschränken und zu schließen. Innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde zieht sich die Blase auf ihre Anfangsposition zurück, indem der Luftdruck freigegeben wird. Der Blasendurchmesser wurde mit dem Durchmesser des "Stabs" angepaßt, welcher von dem Fasersammelrohr in einer Weise austritt, daß kein Luftdruck auf die Blase angelegt wird, sobald die "Stab"-Formation bzw. -Bildung begonnen hat. Allerdings wurde die Blase leicht aufgeblasen während des Tests, wenn immer die Stäbe erschienen zu schwach zu handhaben zu sein.
Faserqualität und "Stäbe"-Qualität waren extrem gut wie in Beispiel 5 beschrieben. Bei diesem Beispiel wurde sowohl eine geradlinige Röhre und ein kurzer Abschnitt eines Fahrradrohres als Blase verwendet, und bei beiden wurde festgestellt, daß sie gleich gut arbeiteten bzw. funktionierten.

Beispiel 7

Die Lösungsmittelversorgung und die voreingestellte Ausstattung waren die gleichen wie in Beispiel 6, außer daß die bevorzugte Zweistufen-Düse durch eine Einfachstufe divergierenden Düse am Tunnelausgang ersetzt wird. Diese Düse hatte keinen geradlinigen zylindrischen Abschnitt am Eingang und hat lediglich einen konisch divergierenden Abschnitt. Allerdings war eine Stufenerhöhung im Querschnittsbereich am Tunnelausgang auf Grund des Düseneingangsdurchmessers (0,51 in. (12,95 mm) im Vergleich zum Tunnelausgangsdurchmesser 0,423 in. (10,74 mm) vorhanden. Der divergierende Winkel der Düse war 4 Grad im Verhältnis zur Mittelachse und der Ausgangsdurchmesser war 1,0 in. (25,4 mm) wie in Beispiel 6 gezeigt.
Während des Tests war der Vorgang nicht so stabil wie in Beispiel 6 (Fluktation in der "Stab"-Bewegungsgeschwindigkeit). Ebenso waren Fasern in dem "Stab" nicht in einer sehr aufwickelbaren Weise gepackt wie in Beispiel 6.

Beispiel 8

Die Lösungsmittelversorgung und die voreingestellte Ausstattung waren gleich wie in Beispiel 7, außer daß die Düse am Tunnelausgang weder einen geradlinigen Abschnitt (wie Beispiel 7) noch eine Stufenerhöhung im Querschnittsbereich am Tunnelausgang (ungleich Beispiel 7) aufweist. Der Eingangsdurchmesser der Düse war 0,450" (11,43 mm) im Vergleich zum Tunnelausgangsdurchmesser 0,423" (10,74 mm). Der divergierende Winkel war 4 Grad (Halbwinkel) und der Ausgangsdurchmesser war 1,0 in. (25,4 mm) ähnlich zu Beispiel 7.
Die plexifadenförmige Struktur der schmelzgesponnenen Fasern in den Stäben, welche während dieses Tests gebildet waren, waren sehr schlecht feinfaserig. Dieser Test wurde mit einem vergrößerten divergierenden Winkel gegenüber dem gleichen Winkel wie der Röhren divergierenden Winkel (i. e. 10 Grad) wiederholt. Die Feinfaserigkeit der plexifadenförmigen Struktur erhöhte sich, allerdings war das Verfahren sehr unbefriedigend. Somit wurde der "Stab"-Formationsvorgang instabil.

Beispiel 9

Die Lösungsmittelversorgung und die voreingestellte Ausstattung waren die gleichen wie in Beispiel 6, außer daß das Sammelrohr Gasaustrittsanschlüsse aufweist, welche 9 Grad in jeder Reihe voneinander beabstandet sind, anstelle von 18 Grad. Die Siebgröße war Maschenweite 50.
Während des Tests wurden die Fasern durch das Sieb und den Gasaustrittsanschlüssen geblasen. Dementsprechend waren die Stäbe, die während dieses Tests produziert waren, unbefriedigend.
Obwohl spezielle Ausgestaltungen der vorliegende Erfindungen der vorausgehenden Beschreibung beschrieben wurden, ist es für die Durchschnittsfachmänner verständlich, daß die Erfindung für vielzählige Modifikationen, Ersetzungen und Umstrukturierungen geeignet ist, ohne sich von den wesentlichen Merkmalen der Erfindungen, wie sie in den anhängigen Ansprüchen dargestellt sind, zu entfernen. Die Bezugnahme sollte vielmehr auf die anhängigen Ansprüche gemacht werden, als auch die vorangehende Beschreibung, um den Umfang der Erfindung anzuzeigen.

Claims

1. Vorrichtung zum Bilden eines stabförmigen Faserflors aus kontinuierlichen aufwickelbaren Fasern, worin die kontinuierlichen Fasern in einem relativ konzentrierten Strahl von Hochgeschwindigkeitsgasen, wie zum Beispiel von einer Faserspinnquelle (90), zugeführt werden, mit:

einem Düsenabschnitt (120), der angeordnet ist, um Fasern und Hochgeschwindigkeitsgase aufzunehmen und um den Gasen und Fasern zu gestatten, daß sie allmählich langsamer werden, worin die Düse ein Rohr mit einer divergierenden Innenkontur, mit einer Länge von wenigstens 1, 5 mal seines Durchmessers an seinem Einlaß, und mit einem divergierenden Halbwinkel von weniger als oder gleich ungefähr 20 Grad aufweist;

einem Sammelrohr (151), das angeordnet ist, um die Fasern und die Gase von dem Düsenabschnitt aufzunehmen, und das im Umfang Einrichtungen zum Ablassen der Gase davon und einen mittigen Durchlaß zum Sammeln der kontinuierlichen Fasern zu dem stabförmigen Faserflor aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Innenkontur der Düse eine Kontur mit zwei Abschnitten ist und der erste Abschnitt (135) ein im allgemeinen geradliniger Zylinder ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin der zweite Abschnitt (140) einen divergierenden, konischen Abschnitt aufweist, der in bezug auf die Achse des Düsenabschnittes einen Divergenzwinkel von 1 bis 20 Grad aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, worin der erste Abschnitt (135) wenigstens fünf Prozent der Länge des Düsenabschnittes und weniger als fünfzig Prozent hat und worin der zweite Abschnitt (140) die verbleibende Länge des Düsenabschnittes hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, worin die Innenkontur des Düsenabschnittes (120) entlang der Länge des Düsenabschnittes einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin ein Absatzwechsel in dem Querschnittsbereich zwischen dem Austrittsendabschnitt des Düsenabschnittes (120) und dem Sammelrohr (151) vorhanden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung zum Ablassen von schmelzgesponnenen Gasen in der Umfangswandung davon eine Vielzahl von Öffnungen (152) aufweist und worin das Sammelrohr ferner ein Sieb (155) mit einer Maschenweite von 10 bis 200 aufweist, das in dem Sammelrohr angeordnet ist, um die Fasern an einem Austreten aus den Öffnungen (152) mit den schmelzgesponnenen Gasen zu hindern.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, die desweiteren eine Verengungseinrichtung zum Blockieren des Durchlasses aufweist, um die kontinuierlichen Fasern an einem Entlanglaufen an dem Durchlaß zu hindern, wobei dadurch eine Faserflorbildung beim Beginn der Herstellung der kontinuierlichen Faser gestartet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, worin die Verengungseinrichtung eine im Umfang angeordnete Blase (185) mit einem im allgemeinen abgedichteten, ringförmigen Raum (188) hinter der Blase und eine Einrichtung zum Zuführen von Fluid in den ringförmigen Raum zum Verschieben der Blase radial nach innen in den Durchlaß, um den Durchlaß wirksam zu verengen, aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, worin die Verengungseinrichtung angeordnet ist, um die Innenabmessung des Durchlasses zu ändern, wobei dadurch die Geschwindigkeit gesteuert wird, mit der sich der Faserflor entlang des Durchlasses fortbewegt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Faserspinnquelle, die die kontinuierliche Fasern in einem relativ konzentrierten Strahl liefert, eine Schmelzspinn-Einrichtung (90) ist und worin die gelieferten kontinuierlichen Fasern schmelzgesponnene Fasern sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, worin die Schmelzspinn- Einrichtung aufweist:

eine Spinndüse (91), durch die die kontinuierlichen Fasern schmelzgesponnen werden, und

einen divergierenden Tunnel (92) mit einem Einlaß und einem Auslaß, wobei die Spinndüse angeordnet ist, um die kontinuierlichen Fasern dem Tunneleinlaß zuzuführen, und wobei der Düsenabschnitt einen Einlaß aufweist, der mit dem Tunnelauslaß verbunden ist, wobei der Querschnittsbereich des Düseneinlasses 1,05 bis 3,0 mal der Querschnittbereich des Tunnelauslasses ist.

13. Verfahren zum Erzeugen von stabförmigen Faserfloren aus kontinuierlichen aufwickelbaren Fasern, mit den folgenden Schritten:

Zuführen von kontinuierlichen Fasern in einem relativ konzentrierten Strahl von Hochgeschwindigkeitsgasen in einen Düsenabschnitt (120);

Allmähliches Langsamerwerdern der Gase und der Fasern in einem Innenrohr (122) eines Düsenabschnittes, in dem der Querschnittsbereich des Düsenabschnittsinnenrohres mit einem Halbwinkel von weniger oder gleich ungefähr 20 Grad divergiert; und

Sammeln der Fasern zu einem stabförmigen Faserflor in einem Sammelrohr (151), während die Gase durch Umfangs- Öffnungen (152) in der Umfangswandung des Sammelrohres abgelassen werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, worin der Schritt, in dem die kontinuierlichen Fasern in einem relativ konzentrierten Strahl zugeführt werden, das Schmelzspinnen von kontinuierliche Fasern durch eine Spinndüse (91) hindurch und in einen Tunnel (92) hinein aufweist, von dem die Fasern und die schmelzgesponnenen Gase in den Düsenabschnitt (120) gelenkt werden.