EP2151515A1 - Verfahren zum Texturieren polymerer Monofile - Google Patents

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EP2151515A1
EP2151515A1 EP09010120A EP09010120A EP2151515A1 EP 2151515 A1 EP2151515 A1 EP 2151515A1 EP 09010120 A EP09010120 A EP 09010120A EP 09010120 A EP09010120 A EP 09010120A EP 2151515 A1 EP2151515 A1 EP 2151515A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
monofilaments
temperature
shaping
texturing
laser radiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP09010120A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2151515B1 (de
Inventor
Annett Klotzbach
Lothar Dr. Morgenthal
Dieter Dr.-Ing. Pollack
Frank Kretzschmar
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP2151515A1 publication Critical patent/EP2151515A1/de
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Publication of EP2151515B1 publication Critical patent/EP2151515B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02J—FINISHING OR DRESSING OF FILAMENTS, YARNS, THREADS, CORDS, ROPES OR THE LIKE
    • D02J13/00—Heating or cooling the yarn, thread, cord, rope, or the like, not specific to any one of the processes provided for in this subclass
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G1/00—Producing crimped or curled fibres, filaments, yarns, or threads, giving them latent characteristics
    • D02G1/004—Producing crimped or curled fibres, filaments, yarns, or threads, giving them latent characteristics by heating fibres, filaments, yarns or threads so as to create a temperature gradient across their diameter, thereby imparting them latent asymmetrical shrinkage properties
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G1/00—Producing crimped or curled fibres, filaments, yarns, or threads, giving them latent characteristics
    • D02G1/14—Producing crimped or curled fibres, filaments, yarns, or threads, giving them latent characteristics using grooved rollers or gear-wheel-type members

Definitions

  • the invention relates to a method for texturing polymeric monofilaments.
  • polymeric monofilaments which are also referred to as monofilaments and may consist of continuous yarn or continuous fibers according to DIN 60900, are textured.
  • texturing permanent retention of monofilament deformation, e.g. a ripple or bulging.
  • textured monofilaments can be used for the production of artificial turf.
  • the correspondingly textured monofilaments form a moss-like region, with which other longer polymer fibers of an artificial turf can laterally be resiliently supported in their lower region and thereby kept upright.
  • thermosetting or "heatsetting”.
  • Various technologies can be used, such as the production of false twist yarn, compression crimp yarn, gear crimp yarn, edge crimp yarn and knit fixing yarn.
  • Strickfixiergarn is often used.
  • a knit tube is created for texturing from a variety of monofilaments, for example, with circular knitting machines.
  • the knit tube is heat-set in an autoclave. This is discontinuous, so that the time required is very high.
  • a lot of energy is needed for the heat treatment and pressure generation in the autoclave.
  • DD 109 410 A1 proposed to achieve a shrinkage crimp on textile threads and filament bundles. They should be treated with electromagnetic waves, which should preferably be infrared laser light, so that over the entire cross section of the threads thus treated, the crystallization temperature is exceeded. As a result, a shrinkage-limited crystallization is initiated, which leads to crimping as a result of the different shrinkage of crystalline and non-crystalline fractions. An advanced one and in particular shaping or defined texturing is not possible.
  • the thermoplasticity of polymers is utilized for texturing.
  • unwound monofilaments are exposed to laser radiation.
  • a laser beam can be directed from an axial direction to a surface region of monofilaments, which are unwound at a constant yarn speed.
  • the irradiation heats up.
  • the temperature in the irradiated region should be increased so that there reach a maximum of 60%, preferably not more than 50% of the volume, a temperature which is in the fixation maximum of the respective polymer. In this state, sufficient strength is still present, so that the monofilaments are still manageable and can be further processed.
  • the heated area is subjected to a two- or three-dimensional shaping.
  • the largest influencing factor is the respective monofilament material and its geometric design with the material volume to be heated. Each material shows a different absorption behavior or extinction for the laser radiation, so that the conversion of the radiant energy into heat takes place differently. Also, the heat conduction and heat capacity are differentiated and must also be considered. Another factor that has an influence is the reflection behavior of the irradiated surface of monofilaments. Even small additions in the material lead to changes in the properties, so that the parameters for the irradiation with laser must be adjusted accordingly.
  • the parameters can be predetermined by simulation calculations and then optimized for respective monofilaments based on experiments.
  • the power of the radiation emitted by a laser, the energy density on the irradiated surface, the size and geometry of the irradiated surface, a continuous or a pulsed irradiation, the angle of incidence of the laser radiation and the wavelength of the laser radiation are adjusted. Since the power density is also an influencing variable, the yarn running speed of the monofilaments can also be adapted during the irradiation and thus influence the process control.
  • the process can be carried out with different cross-sectional geometries of monofilaments. These can be rotationally symmetrical, triangular, star-shaped, elliptical but also rectangular. For artificial grass, it is also possible to work on cross-sectional geometries of monofilaments, which are modeled on grasses found in nature.
  • monofilaments produced with different polymers can be textured.
  • polymers for example, PE, PET, PBT, PTT, POM, PA, PP, LDPE, LLDPE, HDPE, PPS, PEEK and PVDF.
  • additives such as pigments, flame retardants or plasticizers. All additives contained in the product can exert influence and should therefore be taken into account in the process as described above.
  • the heat conduction of the material of the respective monofilaments is utilized in the procedure according to the invention, it may be advantageous to direct laser radiation from at least one further axial direction onto the surface of monofilaments.
  • the irradiation can be done diametrically.
  • the increase in temperature then takes place on two opposite surfaces, so that the temperature compensation in less time is achievable, since shorter ways are considered in the heat conduction.
  • laser radiation with wavelengths above 800 nm should be used, as these are generally well absorbed by polymers.
  • CO 2 lasers can be used.
  • the required laser power is relatively small and can be kept below 100 W for a monofilament.
  • a deflection of a laser beam can be undertaken with at least one pivotable reflecting element, so that a deflected laser beam can irradiate a plurality of monofilaments.
  • a deflection can also be useful in Vorschubachsraum the unwound monofilaments.
  • a laser beam in the feed axis direction can be deflected in an oscillating manner so that a region of the surface is repeatedly irradiated at the temperature increase leading to the softening.
  • the cross-sectional geometry influenced the laser beam and a non-rotationally symmetric cross-sectional geometry can be obtained.
  • a longer than wider area of monofilaments can be irradiated with a laser beam.
  • a similar effect can also be achieved with irradiation at an angle greater than or less than 90 °, with which the laser radiation is directed onto the surface.
  • the monofilament materials which can be textured with the invention have different absorption or extinction.
  • different glass transition, transformation, softening, melting temperatures, heat conduction and heat capacities as well as the volume to be heated are to be considered.
  • a sufficiently high temperature must be achieved at the surface irradiated by the laser beam, but this must not exceed the melting temperature.
  • the temperature increase in the region of the respective softening temperature must, however, also take place in a sufficiently large volume with a corresponding surface area with a corresponding volume, so that heat energy is supplied to an extent sufficient to increase the temperature in the entire volume to be textured as much as required, if the shaping is done.
  • heating by convection can be carried out.
  • heated air can be directed to the monofilaments irradiated with the laser.
  • their temperature can be additionally increased, maintained, or at least avoided, however, an undesired elevated temperature gradient to the environment, which would lead to too rapid a cooling.
  • the temperature at the irradiated surface is in the range of about 110 ° C for e.g. PE and up to 260 ° C for e.g. PET should reach during irradiation.
  • the temperature can be determined without contact with a suitable sensor and used for a control of the process.
  • the monofilaments heated on the surface can then be guided through suitable shaping tools for shaping and transported further with them. They should be kept in the desired shape until the required temperature equalization in the volume for texturing and then sufficient cooling has taken place. Subsequent to shaping and texturing, monofilaments should have reached a temperature by cooling which gives adequate strength and dimensional stability. This can be assisted by cooling at the end of the texturing and shaping area. In this case, cooled air can be directed to monofilaments and / or a forming tool can be cooled in this area.
  • the heating of the monofilaments can be achieved in the invention in a short time, it is in the range of less than a second. This allows working at very high yarn speeds of 200 m / min and beyond.
  • a device provided for this purpose can also be preceded by a drafting device known per se.
  • a CO 2 laser with a laser power of up to 200 W was used for texturing monofilaments 3 of green colored polyethylene having cross sectional dimensions of 1.1 mm * 0.21 mm.
  • the monofilament laser beam 1 was formed so that its focal spot had a length of 0.5 mm and a width of 1.5 mm.
  • the orientation of the focal spot was chosen so that the longer axis was aligned perpendicular to the feed axis direction of the unwound monofilament 3.
  • Monofilaments 3 were unwound at a yarn running speed of 120 m / min and thereby thermally treated. This resulted in a power density of 200 W / mm 2 in the irradiation. The temperature was increased by 120 K by the surface radiation.
  • the monofilaments 3, for example eight, are wound parallel next to each other and irradiated with a laser beam 1.
  • the laser beam 1 can be deflected with two pivotable reflecting elements 2a and 2b (scanner mirrors) arranged in a machining head 12, so that all monofilaments can be irradiated.
  • two pivotable reflecting elements 2a and 2b can be arranged in a machining head 12, so that all monofilaments can be irradiated.
  • two laser beams 1 can be directed from different axial directions on monofilament 3.
  • Several laser beams 1 can have different powers.
  • monofilament 3 can also be wedge-shaped in the area in which the heating is done with laser radiation, and carried out in the tip of the wedge formed by this yarn bundle, the irradiation with laser radiation.
  • radiation reflected by monofilament surfaces can also be used for further absorption.
  • the shaping tool is achieved by further transport of the monofilaments 3 heated on the surface.
  • this is formed with a cage wheel 8 and an endless belt 6 with present on this Einschlagstegen 5, which are synchronously rotated or moved so that each Einschlagsteg 5 engages in a space between webs of the cage wheel 8 while monofilaments 3 by means of Einschlagstegen 5 and webs the cage wheel 8 are deformed wave-shaped.
  • a nozzle 11 for hot air or steam for convective further heating available.
  • the cage wheel 8 is further rotated and the endless belt 6 is moved further.
  • the monofilaments 3 are held in the mold and cooled.
  • a fan 9 is provided in the rear area of the cage wheel 8 for cooling.
  • engaging webs 5 and cage wheel 8 are disengaged and the finished textured monofilaments 3 can be further transported by means of a pair of rollers and wound on reel 4a or placed in a container 4b.
  • FIG. 1 Circulating rollers 6a-c for the endless belt 6 and baffles 10a, b shown for hot air or steam.
  • FIG. 2 shows a similar example with two endless belts 6.1 and 6.2.
  • the lower endless belt 6.1 here is longer and protrudes beyond the second endless belt 6.2 in a front intake area. Irradiation with the laser beam 1 takes place in this inlet area.
  • impact bars 5 are present which protrude outwards.
  • the arrangement of the endless belts 6.1 and 6.2 with their Einschlagstegen 5 is chosen so that the Einschlagstege 5 are inserted into a respective gap between adjacent Einschlagstegen 5 of the other endless belt and thus interlock.
  • the monofilaments 3 are thus also formed into a wave form and held therein until the process of texturing with the required heating and cooling again, as already explained, has been completed. Additional heating and cooling can be carried out analogously to Example FIG. 1 also be made, which may also apply to the following examples.
  • the irradiation and shaping takes place on a conical roller 13, which is wrapped around several times by monofilaments 3.
  • the diameter of the roller 13 is reduced in the unwinding direction.
  • the irradiation with the laser beam 1 takes place here when looping with a larger diameter on the roller 13th
  • two cylindrical rollers 14 and 15 are used for the texturing and shaping of monofilaments 3. Both rolls 14 and 15 can be wrapped several times by monofilaments.
  • a laser beam 1 is directed to monofilament 3.
  • the monofilaments 3 are wound around the rollers 14 and 15.
  • rollers 14 and 15 with different outer diameters can also be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Texturieren polymerer Monofile. Bei der Texturierung erfolgt eine dauerhaft beibehaltene Verformung von Monofilen, z.B. eine Kräuselung oder ein Aufbauschen. Aufgabe der Erfindung ist es, Möglichkeiten für eine Texturierung polymerer Monofile vorzuschlagen, mit denen der energetische und zeitliche Herstellungsaufwand reduziert werden kann und ein verbesserter Einfluss auf die Formgebung bei der Texturierung erreichbar ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden abgewickelte Monofile aus mindestens einer Achsrichtung mit Laserstrahlung beaufschlagt. Dabei erfolgt die Bestrahlung bei konstanter Fadenlaufgeschwindigkeit von Monofilen so, dass im bestrahlten Bereich maximal 60 % des Volumens einer Monofile eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des jeweiligen Polymers erreicht. Danach wird der erwärmte Bereich der Monofile weiter transportiert und einer zwei- oder dreidimensionalen Formgebung, bei durch Wärmeleitung erreichbaren gleichzeitigem Temperaturausgleich innerhalb des Volumens unterzogen. Dabei wird die Form beibehalten, bis eine Temperatur unterhalb der Erweichungstemperatur des Polymers erreicht worden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Texturieren polymerer Monofile. Dabei können polymere Monofile, die auch als Monofilamente bezeichnet werden und gemäß DIN 60900 aus Endlosgarn oder Endlosfasern bestehen können, texturiert werden. Bei der Texturierung erfolgt eine dauerhaft beibehaltene Verformung von Monofilen, z.B. eine Kräuselung oder ein Aufbauschen. Dadurch werden auch die mechanischen Eigenschaften verändert, was sich bei einer Weiterverarbeitung vorteilhaft ausnutzen lässt. So können mit der Erfindung texturierte Monofile für die Herstellung von Kunstrasen eingesetzt werden. Die entsprechend texturierten Monofile bilden dabei einen moosartigen Bereich, mit dem andere längere polymere Fasern eines Kunstrasens in ihrem unteren Bereich seitlich federnd abgestützt und dadurch aufrecht gehalten werden können.
  • Bekanntermaßen handelt es sich bei der Texturierung um eine Veredelung bei der mit Druck- und Temperaturwirkung unter Nutzung der Thermoplastizität von Polymeren eine Verformung dauerhaft erreicht werden kann.
  • Man kann auch von Thermofixierung oder "Heatsetting" sprechen. Dabei sind unterschiedliche Technologien einsetzbar, wie die Herstellung von Falschdrallgarn, Stauchkräuselgarn, Zahnradkräuselgarn, Kantenkräuselgarn und Strickfixiergarn. Insbesondere die Herstellung von Strickfixiergarn wird häufig genutzt. Dabei wird für die Texturierung aus einer Vielzahl von Monofilen beispielsweise mit Rundstrickmaschinen ein Gestrickschlauch erstellt. Für die Texturierung wird der Gestrickschlauch in einem Autoklaven thermofixiert. Dies erfolgt diskontinuierlich, so dass der Zeitaufwand sehr hoch ist. Außerdem wird für die Wärmebehandlung und Druckerzeugung im Autoklaven sehr viel Energie benötigt. Nach dem Abkühlen und der Entnahme aus dem Autoklaven, in dem auch ein Verstrecken durchgeführt worden ist, wird der Gestrickschlauch wieder aufgezogen und der so texturierte Faden kann für eine Weiterverarbeitung wieder aufgewickelt werden. Dieses Verfahren wird auch als "Knit-de-knit-Verfahren" oder "Crincle-Verfahren" bezeichnet.
  • Eine andere Möglichkeit wurde mit DD 109 410 A1 vorgeschlagen, um eine Schrumpfkräuselung an textilen Fäden und Fadenbündeln zu erreichen. Dabei sollen diese mit elektromagnetischen Wellen, die vorzugsweise infrarotes Laserlicht sein sollen, so behandelt werden, dass über den gesamten Querschnitt der so behandelten Fäden die Kristallisationstemperatur überschritten wird. Dadurch wird eine schrumpfbegrenzte Kristallisation initiiert, die in Folge des unterschiedlichen Schrumpfens kristalliner und nichtkristalliner Anteile zur Kräuselung führt. Eine weitergehende und insbesondere formgebende bzw. definierte Texturierung ist so nicht möglich.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten für eine Texturierung polymerer Monofile vorzuschlagen, mit denen der energetische und zeitliche Herstellungsaufwand reduziert werden kann und ein verbesserter Einfluss auf die Formgebung bei der Texturierung erreichbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
  • Bei der Erfindung wird die Thermoplastizität von Polymeren für die Texturierung ausgenutzt. Hierfür werden abgewickelte Monofile mit Laserstrahlung beaufschlagt. Dabei kann ein Laserstrahl aus einer Achsrichtung auf einen Oberflächenbereich von Monofilen gerichtet werden, die mit konstanter Fadengeschwindigkeit abgewickelt werden. Durch die Bestrahlung wird eine Erwärmung erreicht. Dabei soll die Temperatur im bestrahlten Bereich so erhöht werden, dass dort maximal 60 %, bevorzugt maximal 50 % des Volumens eine Temperatur erreichen, die im Fixierungsmaximum des jeweiligen Polymers liegt. In diesem Zustand ist noch eine ausreichende Festigkeit vorhanden, so dass die Monofile noch handhabbar sind und weiter verarbeitet werden können. Bei einer weiteren Transportbewegung wird der erwärmte Bereich einer zwei- oder dreidimensionalen Formgebung unterzogen. Dies kann in hierfür geeigneten Vorrichtungen, wofür auf Beispiele noch zurück zukommen sein wird, erfolgen. Dabei erwärmt sich das gesamte Volumen des Polymers durch Wärmeleitung, die bei den in Rede stehenden Polymeren ja bekanntermaßen schlecht ist. Der Monofilwerkstoff ist dadurch plastisch verformbar. Durch Wärmeaustausch mit der Umgebung reduziert sich die Temperatur aber wieder, bis unter die Erweichungstemperatur des Polymers. Das eine oder mehrere vorab texturierte Monofil(e) kann bzw. können dann aufgewickelt oder in einen geeigneten Behälter abgelegt und später einer Weiterverarbeitung zugeführt werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können und müssen einige Parameter berücksichtigt werden, um zum Erfolg zu gelangen. Dabei ist der größte Einflussfaktor der jeweilige Monofilwerkstoff und seine geometrische Gestaltung mit dem zu erwärmenden Werkstoffvolumen. Jeder Werkstoff zeigt dabei ein anderes Absorptionsverhalten bzw. Extinktion für die Laserstrahlung, so dass die Umwandlung der Strahlungsenergie in Wärme jeweils anders erfolgt. Auch die Wärmeleitung und Wärmekapazität sind differenziert und müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Ein weiterer Faktor, der Einfluss hat, ist das Reflexionsverhalten der bestrahlten Oberfläche von Monofilen. Bereits geringe Zusätze im Werkstoff führen zu Veränderungen der Eigenschaften, so dass die Parameter für die Bestrahlung mit Laser entsprechend angepasst werden müssen. Die Parameter können durch Simulationsrechnungen vorbestimmt und dann für jeweilige Monofile an Hand von Versuchen optimiert werden.
  • Dabei können die Leistung der von einem Laser emittierten Strahlung, die Energiedichte auf der bestrahlten Oberfläche, die Größe und Geometrie der bestrahlten Oberfläche, eine kontinuierliche oder eine gepulste Bestrahlung, der Einfallswinkel der Laserstrahlung und die Wellenlänge der Laserstrahlung angepasst werden. Da auch die Leistungsdichte eine Einflussgröße ist, kann auch die Fadenlaufgeschwindigkeit der Monofile bei der Bestrahlung angepasst und so Einfluss auf die Verfahrensführung genommen werden.
  • Das Verfahren kann bei unterschiedlichen Querschnittsgeometrien von Monofilen durchgeführt werden. Diese können rotationssymmetrisch, dreieckig, sternförmig, elliptisch aber auch rechteckig sein. Für Kunstrasen können auch Querschnittsgeometrien von Monofilen bearbeitet werden, die in der Natur vorkommenden Gräsern nachempfunden sind.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Monofile, die mit unterschiedlichen Polymeren hergestellt sind, texturiert werden. Dies sind beispielsweise PE, PET, PBT, PTT, POM, PA, PP, LDPE, LLDPE, HDPE, PPS, PEEK und PVDF. Dabei sind unterschiedlichste Modifikationen der Polymere bearbeitbar, was insbesondere enthaltene Zusätze, wie Pigmente, Flammschutzmittel oder Weichmacher betrifft. Alle enthaltenen Zusätze können Einfluss ausüben und sollten daher, wie vorab erläutert bei der Verfahrensführung berücksichtigt werden.
  • So kann eine erhöhte Absorption der eingesetzten Laserstrahlung zu kleinerer erforderlicher Leistungsdichte führen.
  • Da bei dem erfindungsgemäßen Vorgehen neben der Wärmekapazität auch die Wärmeleitung des Werkstoffs der jeweiligen Monofile ausgenutzt wird, kann es vorteilhaft sein, Laserstrahlung aus mindestens einer weiteren Achsrichtung auf die Oberfläche von Monofilen zu richten. Die Bestrahlung kann dabei diametral erfolgen. Die Erhöhung der Temperatur erfolgt dann an zwei gegenüberliegenden Oberflächen, so dass der Temperaturausgleich in kürzerer Zeit erreichbar ist, da kürzere Wege bei der Wärmeleitung berücksichtigt sind.
  • Neben der Möglichkeit zwei Laserstrahlen, die auch durch Strahlteilung erhalten worden sein können, besteht die Möglichkeit mindestens ein Laserstrahlung reflektierendes Element einzusetzen, mit dem Laserstrahlung, die nicht für die Temperaturerhöhung genutzt werden konnte, wieder auf einen Oberflächenbereich zu reflektieren.
  • Für das Verfahren sollte Laserstrahlung mit Wellenlängen oberhalb 800 nm eingesetzt werden, da diese von Polymeren in der Regel gut absorbiert wird. So können beispielsweise CO2-Laser eingesetzt werden. Die erforderliche Laserleistung ist relativ klein und kann unterhalb von 100 W für ein Monofil gehalten sein.
  • Insbesondere dann, wenn mehrere Monofile nebeneinander abgewickelt und dann parallel texturiert werden sollen, kann eine Auslenkung eines Laserstrahles mit mindestens einem schwenkbaren reflektierenden Element vorgenommen werden, so dass ein ausgelenkter Laserstrahl mehrere Monofile bestrahlen kann. Eine Auslenkung kann aber auch in Vorschubachsrichtung der abgewickelten Monofilen sinnvoll sein. Dabei kann ein Laserstrahl in der Vorschubachsrichtung oszillierend ausgelenkt werden, so dass ein Bereich der Oberfläche bei der zur Erweichung führenden Temperaturerhöhung mehrfach bestrahlt wird.
  • Es kann auch eine Strahlformung des Laserstrahls vorgenommen werden. Dabei kann die Querschnittsgeometrie des Laserstrahls beeinflusst und eine nicht rotationssymmetrische Querschnittsgeometrie erhalten werden. So kann beispielsweise eine längere als breitere Fläche von Monofilen mit einem Laserstrahl bestrahlt werden. Ein ähnlicher Effekt kann aber auch mit einer Bestrahlung in einem Winkel größer oder kleiner 90 °, mit dem die Laserstrahlung auf die Oberfläche gerichtet wird, erreicht werden.
  • Wie bereits angesprochen, weisen die mit der Erfindung texturierbaren Monofilwerkstoffe unterschiedliche Absorption bzw. Extinktion auf. Außerdem sind abweichende Glaspunkt-, Umwandlungs-, Erweichungs-, Schmelztemperaturen, Wärmeleitung und Wärmekapazitäten sowie das zu erwärmende Volumen zu berücksichtigen. Es muss dabei eine ausreichend hohe Temperatur an der vom Laserstrahl bestrahlten Oberfläche erreicht werden, diese darf aber die Schmelztemperatur nicht überschreiten. Die Temperaturerhöhung im Bereich der jeweiligen Erweichungstemperatur muss aber auch in einem ausreichend großen Volumen mit entsprechendem Oberflächenbereich mit entsprechendem Volumen erfolgen, so dass Wärmeenergie in einem Maß zugeführt wird, das ausreicht um die Temperatur im gesamten zu texturierenden Volumen soweit, wie erforderlich zu erhöhen, wenn die Formgebung erfolgt ist.
  • Für die zusätzliche Erhöhung der Temperatur kann eine Erwärmung durch Konvektion durchgeführt werden. Dabei kann beispielsweise erwärmte Luft auf die mit dem Laser bestrahlten Monofilen gerichtet werden. Dadurch kann deren Temperatur zusätzlich erhöht, gehalten, zumindest aber ein unerwünschter erhöhter Temperaturgradient zur Umgebung vermieden werden, der zu einer zu schnellen Abkühlung führen würde.
  • Als Faustregel kann man davon ausgehen, dass die Temperatur an der bestrahlten Oberfläche den Bereich von ca. 110 ° C für z.B. PE sowie bis zu 260 ° C für z.B. PET bei der Bestrahlung erreichen sollte. Die Temperatur kann berührungslos mit einem geeigneten Sensor bestimmt und für eine Regelung des Verfahrens genutzt werden.
  • Die an der Oberfläche erwärmten Monofile können dann für die Formgebung durch geeignete Formwerkzeuge geführt und mit ihnen weiter transportiert werden. Sie sollten dabei so lange in der gewünschten Form gehalten werden, bis der für die Texturierung erforderliche Temperaturausgleich im Volumen und danach eine ausreichende Abkühlung erfolgt ist. Im Anschluss an die Formgebung und Texturierung sollten Monofile eine Temperatur durch Abkühlung erreicht haben, bei denen eine ausreichende Festigkeit und Formstabilität gegeben sind. Dies kann mittels einer Kühlung am Ende des Texturierungs- und Formgebungsbereiches unterstützt werden. Dabei kann gekühlte Luft auf Monofile gerichtet und/oder ein Formgebungswerkzeug in diesem Bereich gekühlt werden.
  • Die Erwärmung der Monofile kann bei der Erfindung in kurzer Zeit erreicht werden, sie liegt im Bereich unter einer Sekunde. Dadurch kann bei sehr hoher Fadenlaufgeschwindigkeit von 200 m/min und darüber hinaus gearbeitet werden.
  • Für die Formgebung der Monofile können unterschiedliche Formgebungswerkzeuge eingesetzt werden. Es können dadurch unterschiedliche zwei- oder dreidimensionale Monofilgeometrien erhalten werden. Mit den Formgebungswerkzeugen ist zusätzlich die Anforderung zu erfüllen, dass die jeweilige Form der Monofile so lange gehalten werden muss, bis Temperaturausgleich und Abkühlung erfolgt sind, und dabei auch der Weitertransport der abgewickelten Monofile durchgeführt werden kann.
  • Es ist auch ein integrierter Einsatz bei der Fadenbildung und/oder der Veredelung möglich. Z.B. kann im Sinne der "Spinnstrecktexturierung, bei der unmittelbar unterhalb einer Spinndüse verstreckt und texturiert wird, vorgegangen werden. Dadurch können versponnene und ggf. auch verstreckte Monofile ohne weitere Zwischenschritte (Aufwickel- oder Transportprozesse) texturiert werden. So können bereits vorgewärmte Monofile mit der Laserbestrahlung gemäß der Erfindung weiter erwärmt werden. Die erforderliche Laserleistung kann so reduziert werden. Beim Schmelzerspinnen von Monofilen aus PA kann eine Geschwindigkeit von 100 m/min vorgegangen werden. Bei einem angewandten Gesamt-Streckverhältnis von 4,5 ergeben sich Texturier- und Laufgeschwindigkeiten von 450 M7Min. Dabei betrug die Temperatur von Liefergaletten je 70 ° C, die von Streckgaletten zwischen 180 ° C und 220 ° C.
  • Bei der erfindungsgemäßen Texturierung teilverstreckter Monofile kann einer dafür vorgesehenen Vorrichtung auch ein an sich bekanntes Streckwerk vorgeschaltet werden.
  • Außerdem besteht die Möglichkeit im Anschluss an eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Wärmenachbehandlungsfeld für die Restschrumpfbegrenzung bereits texturierter Monofile vorzusehen.
  • Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
  • Dabei zeigen:
    • Figur 1 in schematischer Form einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
    • Figur 2 eine weitere Möglichkeit für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
    • Figur 3 einen Aufbau mit einem rotierenden Formgebungswerkzeug und
    • Figur 4 einen Aufbau mit zwei rotierenden Formgebungswerkzeugen und zwei Laserstrahlquellen.
  • Für eine Texturierung von Monofilen 3 aus Polyethylen mit grüner Einfärbung, die Querschittsabmessungen von 1,1 mm * 0,21 mm aufwiesen, wurde ein CO2-Laser mit einer Laserleistung bis 200 W eingesetzt. Der auf Monofile gerichtete Laserstrahl 1 wurde so geformt, dass sein Brennfleck eine Länge von 0,5 mm und eine Breite von 1,5 mm aufwies. Die Ausrichtung des Brennflecks wurde so gewählt, dass die längere Achse senkrecht zur Vorschubachsrichtung der abgewickelten Monofile 3 ausgerichtet war.
  • Monofile 3 wurden mit einer Fadenlaufgeschwindigkeit von 120 m/min abgewickelt und dabei thermisch behandelt. Es ergab sich so eine Leistungsdichte von 200 W/mm2 bei der Bestrahlung. Die Temperatur wurde durch die Bestrahlung an der Oberfläche um 120 K erhöht.
  • Im Anschluss daran konnten die so erwärmten Monofile mittels einer Vorrichtung, wie sie in den Figuren 1 bis 3 gezeigt sind, weiter bearbeitet werden.
  • Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel werden die Monofile 3, beispielsweise acht parallel nebeneinander abgewickelt und mit einem Laserstrahl 1 bestrahlt. Der Laserstrahl 1 kann mit zwei schwenkbaren reflektierenden Elementen 2a und 2b (Scannerspiegel), die in einem Bearbeitungskopf 12 angeordnet sind, ausgelenkt werden, so dass alle Monofile bestrahlt werden können. In nicht dargestellter Form kann der Laserstrahl 1 aber auch von unten oder es können mindestens zwei Laserstrahlen 1 aus unterschiedlichen Achsrichtungen auf Monofile 3 gerichtet werden. Mehrere Laserstrahlen 1 können unterschiedliche Leistungen aufweisen.
  • Ebenfalls in nicht dargestellter Form können Monofile 3 auch keilförmig in den Bereich, in dem die Erwärmung mit Laserstrahlung erfolgt, geführt und in der Spitze des sich durch diese Fadenscharen bildenden Keils die Bestrahlung mit Laserstrahlung erfolgt. Dadurch kann von Monofiloberflächen reflektierte Strahlung auch für eine weitere Absorption genutzt werden.
  • Im Anschluss an die Bestrahlung wird durch Weitertransport der an der Oberfläche erwärmten Monofile 3 das Formgebungswerkzeug erreicht. Bei dem Beispiel nach Figur 1 ist dies mit einem Käfigrad 8 und einem Endlosband 6 mit an diesem vorhandenen Einschlagstegen 5 gebildet, die synchron so rotieren bzw. bewegt werden, dass jeweils ein Einschlagsteg 5 in einen Zwischenraum zwischen Stegen des Käfigrades 8 eingreift und dabei Monofile 3 mittels Einschlagstegen 5 und Stegen des Käfigrades 8 wellenförmig verformt werden.
  • Im Inneren des Käfigrades 8 ist im Einlaufbereich der Monofile 3 eine Düse 11 für heiße Luft oder Dampf zur konvektiven weiteren Erwärmung vorhanden. In diesem Bereich erfolgt auch der Temperaturausgleich innerhalb des Volumens der Monofile 3 bis in den Erweichungstemperaturbereich. Das Käfigrad 8 wird weiter gedreht und das Endlosband 6 weiter bewegt. Dabei werden die Monofile 3 in der Form gehalten und abgekühlt. Zur Unterstützung der Kühlung ist im hinteren Bereich des Käfigrades 8 zur Kühlung ein Gebläse 9 vorhanden. Im Bereich, in dem das Gleitstück 7 für das Endlosband 6 angeordnet ist, treten Einschlagstege 5 und Käfigrad 8 außer Eingriff und die fertig texturierten Monofile 3 können mittels eines Walzenpaares weiter transportiert und auf Wickel 4a aufgewickelt bzw. in einen Behälter 4b abgelegt werden.
  • Auch bei diesem Beispiel kann eine insbesondere für Kunstrasen günstige Ω-Geometrie texturierter Monofile 3 erhalten werden.
  • Weiter sind in Figur 1 Umlaufrollen 6a-c für das Endlosband 6 und Leitbleche 10a,b für heiße Luft oder Dampf gezeigt.
  • Figur 2 zeigt ein ähnliches Beispiel mit zwei Endlosbändern 6.1 und 6.2. Dabei ist das hier untere Endlosband 6.1 länger und ragt in einem vorderen Einlaufbereich über das zweite Endlosband 6.2 hinaus. In diesem Einlaufbereich erfolgt die Bestrahlung mit dem Laserstrahl 1. An beiden Endlosbändern 6.1 und 6.2 sind Einschlagstege 5 vorhanden, die nach außen ragen. Die Anordnung der Endlosbänder 6.1 und 6.2 mit ihren Einschlagstegen 5 ist so gewählt, dass die Einschlagstege 5 in jeweils eine Lücke zwischen benachbarten Einschlagstegen 5 des jeweils anderen Endlosbandes eingeführt werden und so ineinander greifen.
  • Die Monofile 3 werden so ebenfalls in eine Wellenform gebracht und so lange darin gehalten bis der Prozess der Texturierung mit der erforderlichen Erwärmung und wieder Abkühlung, wie bereits erläutert, abgeschlossen worden ist. Zusätzliche Erwärmung und Abkühlung kann analog zu Beispiel nach Figur 1 ebenfalls vorgenommen werden, was auch auf die folgenden Beispiele zutreffen kann.
  • Beim in Figur 3 gezeigten Beispiel erfolgt die Bestrahlung und Formgebung an einer kegelförmigen Walze 13, die von Monofilen 3 mehrfach umschlungen ist. Der Durchmesser der Walze 13 verkleinert sich dabei in Abwickelrichtung. Die Bestrahlung mit dem Laserstrahl 1 erfolgt hier bei Umschlingung mit einem größeren Durchmesser an der Walze 13.
  • Bei dem Beispiel, wie es in Figur 4 gezeigt ist, werden zwei zylindrische Walzen 14 und 15 für die Texturierung und Formung von Monofilen 3 eingesetzt. Beide Walzen 14 und 15 können von Monofilen mehrfach umschlungen sein. An jeder der Walzen 14 und 15 wird ein Laserstrahl 1 auf Monofile 3 gerichtet. Beim Transport werden die Monofile 3 um die Walzen 14 und 15 gewickelt. Durch Beeinflussung der beiden Laserstrahlen (Pulsung und/oder Auslenkung) können jeweils unterschiedliche Bereiche der Monofilen 3 von den beiden Laserstrahlen 1 erwärmt werden, wodurch eine nichtkontinuierliche Texturierung an Monofilen 3 erreichbar ist. In nicht dargestellter Form können dabei auch Walzen 14 und 15 mit unterschiedlichen Außendurchmessern eingesetzt werden.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Texturieren polymerer Monofile, bei dem abgewickelte Monofile aus mindestens einer Achsrichtung mit Laserstrahlung beaufschlagt werden,
    dabei die Bestrahlung bei konstanter Fadenlaufgeschwindigkeit von Monofilen (3) so erfolgt, dass im bestrahlten Bereich maximal 60 % des Volumens einer Monofile (3) eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des jeweiligen Polymers erreicht worden ist,
    dann der erwärmte Bereich der Monofile (3) weiter transportiert, dann einer zwei- oder dreidimensionalen Formgebung, bei durch Wärmeleitung erreichbaren gleichzeitigem Temperaturausgleich innerhalb des Volumens unterzogen und die Form beibehalten wird, bis eine Temperatur unterhalb der Erweichungstemperatur des Polymers erreicht worden ist, so dass texturierte Monofile (3) aufgewickelt oder abgelegt werden können.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Monofile (3) mit rotationssymmetrischer, dreieckiger, sternförmiger, elliptischer oder rechteckiger Querschnittsgeometrie texturiert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung aus mindestens zwei unterschiedlichen Achsrichtungen durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Laserstrahlung mit einer Wellenlänge oberhalb 800 nm eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiedichte an der bestrahlten Oberfläche eines Monofils (3) geregelt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an der bestrahlten Oberfläche bestimmt und diese Temperatur als Regelgröße genutzt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Monofile (3) nebeneinander texturiert werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlformung der Laserstrahlung durchgeführt wird, so dass der geformte Strahlquerschnitt nicht rotationssymmetrisch ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl (1) ausgelenkt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Beginn der Formgebung eine zusätzliche Erwärmung durch Konvektion durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Formgebung eine Kühlung durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Texturierung eine dauerhafte Ω-Geometrie an Monofilen (3) ausgebildet wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Formgebung Monofile (3) mittels mindestens eines Endlosbandes (6) und einem an der Oberfläche konturierten zweiten Formgebungswerkzeug im erweichten Zustand wellenförmig gehalten und dabei transportiert werden, bis die Temperatur an Monofilen (3) unterhalb der Erweichungstemperatur reduziert worden ist.
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