ES2292972T3 - Metodo para producir filamentos de poliamida de alta resistencia a la traccion a altas velocidades de hilatura. - Google Patents
Metodo para producir filamentos de poliamida de alta resistencia a la traccion a altas velocidades de hilatura. Download PDFInfo
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Abstract
Proceso que es para producir un hilo de poliamida y comprende los pasos de: extrusionar una masa fundida de polímero (400; 500) a través de un grupo de hilado (410; 510) para formar al menos un filamento (420; 515); y pasar el filamento a una cámara de enfriamiento rápido neumático (430; 520) donde un gas de enfriamiento rápido (440; 525) es aportado al filamento para enfriar y solidificar el filamento, siendo el gas de enfriamiento rápido dirigido para viajar en la misma dirección como el filamento; estando dicho proceso caracterizado por el hecho de que: el filamento (420; 515) que es al menos uno es pasado a al menos una etapa de estirado mecánico en la que el filamento es estirado y alargado para producir un hilo (460), siendo a una velocidad de hilatura de 2600 a 5000 metros por minuto de 0, 6 a 2, 0 la relación de la velocidad del gas de enfriamiento (440; 525) a la salida de la cámara de enfriamiento rápido (430; 520) a la velocidad de un primer cilindro (465; 540) que tirade los filamentos.
Description
Método para producir filamentos de poliamida de
alta resistencia a la tracción a altas velocidades de hilatura.
La presente invención se refiere a los métodos y
aparatos para hacer filamentos de poliamida tal como nilón 6,6 que
tienen alta resistencia a la tracción a altas velocidades de
hilatura. La invención también se refiere a los hilos y otros
artículos hechos a base de tales filamentos.
Muchos filamentos poliméricos sintéticos tales
como las poliamidas son hilados por fusión, es decir que son
extrusionados a partir de una masa fundida polimérica calentada. Los
filamentos poliméricos hilados por fusión son producidos
extrusionando un polímero fundido a través de una hilera con una
pluralidad de capilares. Los filamentos salen por la hilera y son
entonces enfriados en una zona de enfriamiento rápido. Los detalles
del enfriamiento rápido y de la subsiguiente solidificación del
polímero fundido pueden tener un importante efecto en la calidad de
los filamentos hilados.
Los métodos de enfriamiento rápido incluyen el
enfriamiento rápido por flujo cruzado, el enfriamiento rápido
radial y el enfriamiento rápido neumático. El enfriamiento rápido
por flujo cruzado es usado frecuentemente para producir fibras de
poliamida de alta resistencia y supone soplar gas de enfriamiento
transversalmente y a través y desde un lado de la agrupación de
filamentos recién extrusionados. En el enfriamiento rápido por
flujo cruzado el flujo de aire es en general dirigido a ángulo recto
con respecto a la dirección de movimiento de los filamentos recién
extrusionados.
En el enfriamiento radial el gas de enfriamiento
es dirigido hacia el interior a través de un sistema que constituye
una rejilla de enfriamiento rápido que rodea a la agrupación de
filamentos recién extrusionados. Tal gas de enfriamiento
normalmente sale del sistema de enfriamiento rápido circulando hacia
abajo con los filamentos y hacia el exterior del aparato de
enfriamiento rápido.
Tanto el enfriamiento rápido por flujo cruzado
como el enfriamiento radial están limitados a la producción de
fibra a una relativamente baja velocidad de aproximadamente 2.800 -
3.000 metros por minuto, para las aplicaciones de alta tenacidad.
Las velocidades de producción más altas incrementan el número de
filamentos rotos durante las etapas de estirado. Los filamentos
rotos interrumpen la continuidad de proceso y hacen que disminuya el
rendimiento de la fabricación del producto.
En la década de 1980 Vassilatos y Sze lograron
significativos mejoramientos en la hilatura a alta velocidad de
filamentos poliméricos, y en especial de filamentos de poliéster.
Estos mejoramientos están descritos en las Patentes U.S. Núms.
4.687.610, 4.691.003 y 5.034.182. Estas patentes describen técnicas
de tratamiento con gas por medio de las cuales un gas rodea a los
filamentos recién extrusionados para así controlar sus perfiles de
temperatura y de adelgazamiento. Estos tipos de sistemas y métodos
de enfriamiento rápido son conocidos como sistemas de enfriamiento
rápido neumático o de hilatura neumática. Otros métodos de
enfriamiento rápido neumático incluyen los descritos en la Patente
U.S. Nº 5.976.431 y en la Patente U.S. Nº 5.824.248.
El proceso de hilatura con enfriamiento rápido
neumático proporciona la ventaja de la reducida tensión de los
filamentos y subsiguientemente la reducida tensión del hilo durante
la hilatura. En general esta reducida tensión del hilo proporciona
una mejor productividad por medio de las altas velocidades de
hilatura con una reducción de las roturas de filamentos y una
ventaja en materia de elaborabilidad para el hilo bobinado. En
general, el enfriamiento rápido neumático supone aportar un volumen
determinado de gas de enfriamiento para enfriar un filamento
polimérico. Puede usarse cualquier gas como medio de enfriamiento.
El gas de enfriamiento es preferiblemente aire, porque el aire está
fácilmente disponible. De ser necesario debido a la delicada
naturaleza de los filamentos poliméricos, especialmente cuando los
mismos están calientes y recién extrusionados, pueden usarse otros
gases, como por ejemplo vapor o un gas inerte tal como
nitrógeno.
En la hilatura neumática el gas de enfriamiento
y los filamentos se trasladan en sustancia colinealmente en la
misma dirección por un conducto, siendo la velocidad controlada por
la velocidad de unos medios que constituyen un conjunto de
cilindros. La tensión y la temperatura son controladas por el caudal
de gas, el diámetro o la sección transversal del conducto (que
controla la velocidad del gas) y la longitud del conducto. El gas
puede ser introducido por uno o varios sitios a lo largo del
conducto. La hilatura neumática permite trabajar a velocidades de
hilatura de más 5.000 metros por minuto.
La tenacidad es una propiedad clave de la fibra
para las fibras industriales. La tenacidad es obtenida estirando
las fibras sometidas a enfriamiento rápido en etapas. Este estirado
en etapas funciona bien con el flujo cruzado a las bajas
velocidades que están en la actualidad disponibles comercialmente.
Se muestra en la Fig. 1 un ejemplo de un conocido aparato de
enfriamiento rápido por flujo cruzado y subsiguiente estirado en la
hilatura. En este aparato, una poliamida fundida es introducida en
10 en un grupo de hilado 20. El polímero es extrusionado en forma
de filamentos no estirados 30 por el grupo de hilado, que tiene
orificios que están diseñados para proporcionar la sección
transversal deseada. Los filamentos son sometidos a enfriamiento
rápido después de salir de los capilares del grupo de hilado para
así enfriar las fibras mediante un flujo cruzado de aire de
enfriamiento en 40 en la Fig. 1. Se hace entonces que estos
filamentos converjan para así formar un hilo 60 con la aplicación
de un lubricante de acabado convencional en 50, y un conjunto 70 de
cilindros de alimentación hace que avance el hilo. El hilo es
entonces aportado a una primera pareja de cilindros de estirado 80 y
luego a una segunda pareja de cilindros de estirado 100. Puede
usarse para facilitar la segunda etapa del proceso de estirado un
tubo caliente 90 o elemento auxiliar para el estirado. El hilo es
relajado en los cilindros tractores 110 y 120. El cilindro 110 es
también conocido como cilindro de relajación, y el mismo puede girar
a velocidades más bajas que las del conjunto de cilindros de
estirado 100 para controlar el encogimiento del hilo. El cilindro
120 es también conocido como cilindro relajador de tensión que
relaja la tensión del hilo para permitir que el bobinado sea
efectuado con una tensión más baja que la que el hilo experimenta en
el estirado. Una guía 130 deposita el hilo en una bobina de hilo
140, donde el hilo es bobinado.
Se muestra en la Fig. 2 un conocido conjunto de
extrusión por fusión y estirado multietápico a continuación,
usándose en dicho conjunto un sistema de enfriamiento rápido por
flujo cruzado. El conjunto de la Fig. 2 es similar al de la Fig. 1,
pero no incluye un tubo caliente como en el caso de la Fig. 1,
puesto que el tubo caliente puede dañar a la fibra. En la Fig. 2,
el estirado es llevado a cabo por medio de cilindros en lugar de
utilizarse un tubo caliente. En este aparato, una poliamida fundida
es introducida en 200 en un grupo de hilado 210. El polímero es
extrusionado en forma de filamentos no estirados 220 en el grupo de
hilado, que tiene orificios que están diseñados para producir la
deseada sección transversal. Los filamentos son sometidos a
enfriamiento rápido después de salir de los capilares del grupo de
hilado para enfriar las fibras mediante aire de enfriamiento en
flujo cruzado en 230 en la Fig. 2. Se hace que estos filamentos
converjan para así formar un manojo que forma un hilo como se
muestra en 250 con la aplicación de un lubricante de acabado
convencional en 240, y un conjunto de cilindros de alimentación 260
se encarga de hacer que avance dicho manojo que forma el hilo. El
hilo es luego aportado a una pareja de cilindros de la primera etapa
de estirado 270, y luego a una segunda pareja de cilindros de
estirado 275. Puede usarse para estirar adicionalmente la fibra un
tercer conjunto de cilindros de estirado 280 opcional. El hilo es
relajado en los cilindros de relajación 285. Una guía 290 deposita
el hilo en una bobina de hilo 295 que es puesta en rotación por un
mandril de bobinadora, y el hilo es así bobinado.
No es posible alcanzar elevadas velocidades de
hilatura en los sistemas de enfriamiento rápido por flujo cruzado
de las Figs. 1 y 2 mediante el uso de un enfriamiento rápido por
flujo cruzado para incrementar la productividad. La posibilidad de
estirar un hilo disminuye significativamente con el uso del flujo
cruzado, lo cual reduce la definitiva tenacidad del hilo. Además,
es importante que el hilo de poliamida producido tenga unas
propiedades que sean al menos tan buenas como las que pueden ser
obtenidas a las velocidades más bajas. En particular, es deseable
mantener la deseada tenacidad, el deseado alargamiento de rotura y
la deseada uniformidad del hilo producido. Por consiguiente, hay
necesidad en la técnica de contar con métodos y aparatos para poder
efectuar la hilatura de un hilo a alta velocidad manteniendo al
mismo tiempo estas propiedades.
El documento EP 0244217 A2 describe un proceso
para producir hilo de poliamida del tipo que se expone en el
preámbulo de la reivindicación 1 acompañante.
Las dificultades para el uso de altas
velocidades de hilatura son especialmente evidentes en el caso de
los hilos de nilón coloreados o deslustrados. Tales hilos se hacen
por extrusión a base de polímeros de nilón que contienen pigmentos
que proporcionan una paleta de colores que presenta una amplia
variedad. Los polímeros de los hilos de nilón son a menudo
deslustrados mediante la adición de dióxido de titanio o sulfuro de
cinc. Típicamente, el nilón deslustrado y/o pigmentado ocasiona
problemas para la extrusión por fusión, debido en parte a las
diferencias en cuanto al comportamiento en materia de fluencia en
estado de fusión, al desarrollo de la microestructura y a las
propiedades de pérdida de calor en comparación con el nilón no
pigmento o no deslustrado. La presencia de un incrementado nivel de
roturas de filamentos cuando se usan polímeros deslustrados o
pigmentados es un antiguo problema. Es sabido que un intento de
incrementar las velocidades de extrusión exacerba el problema de la
rotura de filamentos. Por consiguiente, sería deseable en particular
contar con un proceso de hilatura a alta velocidad que permita
producir hilo de poliamida pigmentado sin que se experimenten
roturas de filamentos.
En la presente invención se preparan hilos de
alta tenacidad a una velocidad de hilatura (definida como la
velocidad periférica del cilindro de estirado que trabaja a la
velocidad más alta) que está situada dentro de la gama de valores
que va desde aproximadamente 2500 metros por minuto hasta
aproximadamente más de 5000 metros por minuto con niveles
comercialmente deseables de alargamiento de rotura y encogimiento.
En contraste con ello, los hilos que son producidos mediante los
métodos del estado de la técnica en los que se emplea el
enfriamiento rápido por flujo cruzado convencional están aquejados
de pérdida de tenacidad y alargamiento al aumentar la velocidad de
hilatura. Es también alto en contra de lo deseado el encogimiento de
las fibras que son producidas por estos métodos convencionales. Es
necesario que estas propiedades queden bien equilibradas a fin de
satisfacer las exigencias de las fibras técnicas de poliamida que se
usan en aplicaciones tales como los airbags de los automóviles, los
hilos de refuerzo para caucho que son incorporados en el curado
(como p. ej. los hilos de refuerzo de las cubiertas), la ropa de
protección y los equipajes blandos. Además, la baja resistencia
unida a un bajo alargamiento de rotura y un alto encogimiento
típicamente implica un proceso que carece de solvencia y no es de
calidad comercial.
Por consiguiente, es también un objeto de la
presente invención el de lograr unas incrementadas velocidades de
extrusión de los filamentos con un concomitante mejoramiento de la
productividad y de las propiedades del hilo en el caso de los hilos
de nilón de alta resistencia y de los hilos de nilón de alta
resistencia que contienen pigmentos.
Es un objeto adicional de la presente invención
el de aportar un proceso de hilatura a alta velocidad y estirado
integral que permita producir filamentos de poliamida (opcionalmente
pigmentados), hilos y artículos que presenten las características
deseadas, teniendo por ejemplo al menos unas propiedades que sean al
menos equivalentes a las que son obtenidas en el caso de los
productos que son preparados mediante los procesos en los que se
efectúa enfriamiento rápido por flujo cruzado a velocidad
convencional. Es un objeto adicional el de aportar hilos y
artículos que tengan una tenacidad mejorada.
En consonancia con los objetivos, la presente
invención aporta un proceso para producir un hilo de poliamida como
se expone en la reivindicación 1 acompañante. El proceso comprende
por consiguiente los pasos siguientes: extrusionar una masa fundida
polimérica a través de un grupo de hilado para formar al menos un
filamento; pasar el filamento a una cámara de enfriamiento rápido
neumático donde un gas de enfriamiento rápido es aplicado al
filamento para enfriar y solidificar el filamento, siendo el gas de
enfriamiento rápido dirigido para que viaje en la misma dirección
como el filamento; y pasar al filamento a al menos una etapa de
estirado mecánico y estirar y con ello alargar el filamento para
formar un hilo; siendo a una velocidad de hilatura de 2600 a 5000
metros por minuto de 0,6 a 2,0 la relación de la velocidad del gas
de enfriamiento a la salida de la cámara de enfriamiento rápido a
la velocidad de un primer cilindro que tira de los filamentos.
Si el hilo es un hilo multifilamentos, el
filamento que es al menos uno comprende una pluralidad de
filamentos, se hace que los de la pluralidad de filamentos
converjan para así formar un hilo multifilamentos, y el hilo es
pasado a una etapa de estirado mecánico donde el mismo es estirado y
con ello alargado. Si el hilo es un hilo monofilamento, el
filamento que es al menos uno comprende entonces un único filamento
por hilo.
A la luz de la siguiente descripción detallada
quedarán de manifiesto adicionales objetos, características y
ventajas de la invención.
La Fig. 1 es una vista esquemática en sección de
un aparato de enfriamiento rápido de filamentos e
hilado-estirado integral del estado de la técnica
en el que se usa un tubo caliente para el estirado.
La Fig. 2 es una vista esquemática en sección de
un segundo aparato de enfriamiento rápido de filamentos e
hilado-estirado integral del estado de la técnica en
el que se usa un cilindro en lugar de un tubo caliente para el
estirado.
La Fig. 3 es una vista esquemática en sección de
un aparato de enfriamiento rápido de filamentos neumático según la
presente invención.
La Fig. 4 es una vista esquemática en sección de
un aparato de enfriamiento rápido de filamentos neumático e
hilado-estirado integral según una distinta
realización de la presente invención.
La Fig. 5 es una vista esquemática en sección de
un aparato de enfriamiento rápido de filamentos neumático e
hilado-estirado integral según otra realización de
la presente invención.
La Fig. 6 es un gráfico en el que se comparan la
relación de estirado máxima alcanzable para la presente invención y
la relación de estirado máxima alcanzable para el estado de la
técnica en función de la velocidad de hilatura.
La Fig. 7 es un gráfico en el que se comparan la
tenacidad medida para los filamentos hilados según la presente
invención con la tenacidad medida para el estado de la técnica en
función de la velocidad de hilatura.
Según la presente invención, se aporta un
proceso para producir hilos monofilamento y multifilamentos de
poliamida. En general, los hilos monofilamento constan de un único
filamento por hilo, mientras que los hilos multifilamentos constan
de una pluralidad de monofilamentos. El vocablo "filamento" es
usado aquí genéricamente y engloba también a las fibras
discontinuas cortas que son conocidas como fibra discontinua en la
técnica. Los filamentos de poliamida que son formados mediante
hilatura por fusión, o sea mediante extrusión a través de una matriz
o de capilares de hilera, son inicialmente preparados en forma de
filamentos continuos. Los filamentos así producidos tienen
cualquier forma deseada de la sección transversal según determine la
forma de la sección transversal del capilar, y pueden incluir a los
de forma circular, ovalada, trilobular, multilobular, de cinta y de
hueso de perro.
Para hacer el filamento de la presente invención
puede usarse cualquier poliamida que sea susceptible de ser hilada
por fusión. Las poliamidas pueden ser un homopolímero, un copolímero
o un terpolímero, o mezclas de polímeros. Están incluidos entre los
ejemplos de poliamidas la polihexametileno adipamida (nilón 6,6); la
policaproamida (nilón 6); la polienantamida (nilón 7); el nilón 10;
la polidodecanolactama (nilón 12); la politetrametilenoadipamida
(nilón 4,6); el homopolímero de polihexametileno sebacamida (nilón
6,10); una poliamida de homopolímero de hexametilenodiamina y ácido
n-dodecanodioico (nilón 6,12); y una poliamida de
dodecametilenodiamina y ácido n-dodecanodioico
(nilón 12,12). Los métodos para hacer las poliamidas que se usan en
la presente invención son conocidos en la técnica y pueden incluir
el uso de catalizadores, cocatalizadores y ramificadores de cadena
para formar los polímeros, como es sabido en la técnica.
Preferiblemente, el polímero es nilón 6, nilón 6,6, o una
combinación de los mismos. Con la máxima preferencia, la poliamida
es nilón 6,6.
En el proceso de la invención, una masa fundida
polimérica es extrusionada a través de un grupo de hilado para
formar al menos un filamento. El grupo de hilado puede incluir una
placa de hilera en la que se perforan uno, dos o una pluralidad de
orificios (capilares) usando técnicas conocidas para formar al menos
un filamento. En la realización en la que se hace un monofilamento,
un único filamento o monofilamento forma el hilo monofilamento, y
en la realización en la que se hace un multifilamentos una
pluralidad de monofilamentos forma el hilo multifilamentos.
En la Patente U.S. Nº 5.824.248 y en el
documento U.S. que tiene el Nº de Depósito 09/547.854 y fue
presentado el 12 de abril de 2000 se describen ejemplos de
adecuados métodos y sistemas de hilatura neumática que pueden ser
usados. Pueden también ser usados cualesquiera de los métodos
neumáticos que han sido descritos anteriormente. Está ilustrado
esquemáticamente en la Fig. 3 un sistema de enfriamiento rápido de
filamentos neumático preferido para ser usado en la presente
invención. El conjunto de la Fig. 3 puede ser usado en calidad de la
cámara de enfriamiento rápido de las Figs. 4 o 5. En la Fig. 3, una
masa fundida polimérica 300 es extrusionada a través de un grupo de
hilado de filamentos 305 y de una placa de hilera 310 que tiene al
menos un capilar y preferiblemente una pluralidad de capilares para
formar al menos un filamento y preferiblemente una pluralidad de
filamentos 315. El filamento que es al menos uno es pasado a una
cámara de enfriamiento rápido neumático 320 que es parte de un
conjunto de enfriamiento rápido neumático. El conjunto de
enfriamiento rápido neumático incluye una parte de retardo del
enfriamiento rápido que puede estar provista o desprovista de
calefacción y tiene la altura A; una parte 345 que constituye una
rejilla de enfriamiento rápido que tiene la altura B y el diámetro
D_{1}; un tubo de conexión de enfriamiento rápido 355 que tiene la
altura C_{1} y el diámetro D_{2}; una parte cónica de conexión
325 que tiene la altura C_{2}; y un tubo de enfriamiento rápido
330 que tiene la altura C_{3} y el diámetro D_{3}. En la cámara
neumática es aportado un gas de enfriamiento rápido en 340 para
enfriar y solidificar el filamento. Preferiblemente, el filamento
pasa por la cámara de enfriamiento rápido a una velocidad de menos
de 1500 m/min. La rejilla de enfriamiento rápido 345 rodea a los
filamentos en la cámara de enfriamiento rápido, y opcionalmente
puede estar puesta junto a la rejilla de enfriamiento rápido en la
cámara de enfriamiento rápido una rejilla de enfriamiento rápido
perforada 350. Los filamentos y el gas de enfriamiento rápido salen
de la cámara de enfriamiento rápido por el tubo de enfriamiento
rápido 330. El hilo recién sometido al enfriamiento rápido está
indicado con la referencia 335.
Para un determinado estado de polimerización,
tamaño de los filamentos y caudal, la distancia entre la placa de
la hilera y la parte cónica de conexión determina el sitio a lo
largo de los filamentos donde el gas se acelera y produce el efecto
de enfriamiento rápido neumático. El gas de enfriamiento rápido es
dirigido para que viaje en la misma dirección como los filamentos,
como indican las flechas en la Fig. 3. La velocidad del gas de
enfriamiento rápido es controlada con respecto a la velocidad de los
filamentos, lo cual a su vez minimiza las fuerzas de resistencia
aerodinámica que son ejercidas por el gas de enfriamiento rápido en
los filamentos. Estas fuerzas normalmente actúan más
significativamente a las velocidades de hilatura más altas para
adelgazar al filamento e impartir una indeseable orientación
temprana a los filamentos recién hilados. La orientación de los
filamentos en la parte de enfriamiento rápido del proceso de
hilatura es indeseable puesto que esta orientación limita el
estirado mecánico de los filamentos que está finalmente disponible.
La reducida resistencia aerodinámica que es experimentada por el
filamento en un proceso de hilatura con enfriamiento rápido
neumático redunda en un más bajo nivel de orientación según la
medición de la birrefringencia del
filamento.
filamento.
Se ilustra con respecto a las Figs. 4 y 5 la
formación de un hilo de poliamida a base de los filamentos
producidos según el proceso de la presente invención. Como se
muestra en la Fig. 4, una masa fundida polimérica 400 es
extrusionada a través de un grupo de hilado 410 para formar al menos
un filamento y preferiblemente una pluralidad de filamentos 420. El
grupo de hilado 410 contiene medios de filtración y una placa de
hilera con una pluralidad de capilares. Los filamentos recién
extrusionados 420 son sometidos a enfriamiento rápido en una cámara
de enfriamiento rápido neumático 430 que es del tipo que se muestra
en la Fig. 3, mediante la introducción de aire de enfriamiento
rápido 440 en la cámara de enfriamiento rápido 430. Una rejilla de
enfriamiento rápido 435 rodea a los filamentos en la Fig. 4.
En la realización en la que se hace un hilo
multifilamentos, el proceso de la presente invención incluye
adicionalmente el paso en el que se hace que los filamentos
solidificados converjan para así formar un hilo multifilamentos. Se
hace que los filamentos 420 que salen de la cámara de enfriamiento
rápido 430 converjan para así formar un hilo 460 por medio de una
guía de cola de puerco 455 que está situada después de un cilindro
450 de aplicación de acabado a los filamentos. El cilindro de
acabado 450 es usado para aplicar aceite u otros tipos de acabado
de los que son conocidos en la técnica.
El proceso de la presente invención incluye
adicionalmente el paso de pasar el filamento, o en el caso de la
realización en la que se hace un hilo multifilamentos, pasar el hilo
a una etapa de estirado mecánico y estirar y con ello alargar el
filamento o el hilo. El filamento es estirado en al menos una etapa
de estirado, y habitualmente en las de una pluralidad de etapas de
estirado. Este paso es llevado a cabo en la realización de la Fig.
4 por una primera pareja de cilindros de estirado 470 y una segunda
pareja de cilindros de estirado 480. Un conjunto de cilindros de
alimentación 465 envía al hilo tratado 460 a la primera pareja de
cilindros de estirado 470 que es calentada y se hace funcionar a
una velocidad más alta que la del cilindro de alimentación 465, de
forma tal que el hilo es estirado en el espacio que se encuentra
entre los cilindros 465 y 470. La segunda pareja de cilindros de
estirado con calefacción 480, que trabaja a una velocidad periférica
más alta que la del cilindro 470, estira adicionalmente el hilo a
través de un conjunto que constituye un mandril de estirado con
calefacción o tubo caliente 475, como se describe en la Patente U.S.
Nº 4.880.961. Preferiblemente, el filamento o el hilo pasa por la
etapa de estirado final a una velocidad de más de aproximadamente
2600 m/min., y aún más preferiblemente a una velocidad de más de
aproximadamente 4500 m/min. La relación de estirado, que está
definida como la relación de velocidades periféricas de los
cilindros (cilindro que gira a la más alta velocidad/cilindro que
gira a la más baja velocidad), produce la alineación de las cadenas
de polímero (orientación) que es necesaria para alcanzar una alta
resistencia o tenacidad del hilo. Preferiblemente, el filamento o
el hilo es estirado con una relación de estirado de aproximadamente
3 a aproximadamente 6. El calor de las superficies de los cilindros
calentados 470 y 480 y del conjunto 475 que constituye el mandril
de estirado estabiliza la estructura estirada (orientada) del hilo
multifilamentos. El hilo es relajado entre el cilindro de estirado
480 y los cilindros 482 y 485 para así controlar el encogimiento del
hilo final.
El proceso de la presente invención puede
comprender adicionalmente el paso de bobinar el filamento o el hilo
en forma de una bobina. En la realización de la Fig. 4, el hilo
plenamente estirado con la tenacidad, el encogimiento y las otras
propiedades deseadas es bobinado en una bobina 495 que es puesta en
rotación por el mandril de una bobinadora no ilustrada en la Fig.
4. La guía 490 es usada para controlar el recorrido del hilo. A
pesar de que no está ilustrado, a menudo se usa en este sitio un
detector de rotura del hilo para parar la bobinadora si se
produjese una rotura del hilo. Opcionalmente se monta entre los
cilindros 482 y 485 un detector de filamentos rotos para señalizar
la presencia de un indeseable nivel de roturas de filamentos. Si se
desea, puede aplicarse adicionalmente antes del bobinado un aceite
de acabado secundario.
Según la presente invención, el estirado puede
consistir en estirar los filamentos en dos o más etapas. Se ilustra
esta realización con respecto a la Fig. 5. Como se muestra en la
Fig. 5, una masa fundida polimérica 500 es extrusionada a través de
un grupo de hilado 510 para así formar al menos un filamento y
preferiblemente una pluralidad de filamentos 515. El grupo de
hilado 510 comprende unos medios de filtración y una placa de
hilera con una pluralidad de capilares. Los filamentos recién
extrusionados 515 son pasados a una cámara de enfriamiento rápido
neumático 520 como la de la Fig. 3, p. ej. Los filamentos recién
extrusionados 515 son sometidos a enfriamiento rápido en una cámara
de enfriamiento rápido neumático 520 que es del tipo de la que se
muestra en la Fig. 3, mediante la introducción de aire de
enfriamiento rápido 525 en la cámara de enfriamiento rápido 520. Se
hace que los filamentos 515 que salen de la cámara de enfriamiento
rápido 520 converjan para así formar un hilo multifilamentos por
medio de la guía 535 que está situada después del cilindro de
acabado 530. El cilindro de acabado 530 es usado para aplicar al
hilo multifilamentos un aceite de acabado de un tipo conocido. Un
conjunto de cilindros de alimentación 540 hace que el hilo
multifilamentos tratado avance para pasar a una primera pareja de
cilindros de estirado 545 que es calentada y se hace que funcione a
una velocidad más alta que la del cilindro de alimentación 540, de
forma tal que el hilo multifilamentos es estirado en el espacio que
existe entre los cilindros 540 y 545. Una segunda pareja de
cilindros de estirado con calefacción 550, que funciona a una
velocidad periférica que es más alta que la del cilindro 545, estira
adicionalmente el hilo a fin de orientar suficientemente las
moléculas de polímero e impartir resistencia al hilo una vez que la
estructura es estabilizada al pasar por sobre las superficies
calentadas de los cilindros de estirado. Una tercera pareja de
cilindros de estirado opcional 555 puede estirar adicionalmente el
hilo multifilamentos para incrementar adicionalmente la tenacidad.
Este hilo es relajado por medio de la velocidad entre el cilindro
de estirado 555 y los cilindros 560 para así controlar el
encogimiento del hilo final. A menudo se usa para determinar la
calidad del producto un detector de filamentos rotos que se monta
entre los cilindros 555 y 560. El hilo plenamente estirado con la
tenacidad, el encogimiento y las otras propiedades deseadas es
bobinado en una bobina 570. Se usa una guía 565 para controlar el
recorrido del hilo. A pesar de no estar ilustrado, a menudo se usa
en este sitio un detector de rotura del hilo para parar la
bobinadora si se produjese una rotura del hilo. Si se desea, puede
aplicarse adicionalmente antes del bobinado un aceite de acabado
secundario.
En la realización en la que se hace un
monofilamento, no hay el paso en el que se hace que los filamentos
converjan como se ha descrito anteriormente para formar un hilo
multifilamentos. En lugar de ello, el filamento, en forma de un
monofilamento, es pasado directamente a una etapa de estirado
mecánico integral tal como la que se ilustra en la Fig. 4 o en la
Fig. 5. Como resultado de ello, el monofilamento es estirado y es
con ello alargado y orientado. El monofilamento es entonces
bobinado en forma de una bobina tal como se ilustra en la Fig. 4 o
en la Fig. 5.
Los filamentos hechos según la presente
invención pueden ser hilados, por ejemplo, a velocidades de más de
2.000 metros por minuto, preferiblemente de más de poco más o menos
3.000 metros por minuto, más preferiblemente de más de poco más o
menos 4.000 metros por minuto, y con la máxima preferencia de más de
poco más o menos 5.000 metros por minuto, y de hasta
aproximadamente 10.000 metros por minuto. En este contexto, la
velocidad de hilatura está definida como la velocidad periférica
del cilindro que gira a la más alta velocidad y con el cual el hilo
establece contacto antes de ser el hilo bobinado. A una velocidad de
hilatura de aproximadamente 2.660 a aproximadamente 5.000 metros
por minuto, es de aproximadamente 0,6 a aproximadamente 2,0 la
relación de la velocidad del gas de enfriamiento a la salida de la
cámara de enfriamiento rápido a la velocidad del primer cilindro
que tira de los filamentos. Este primer cilindro que tira de los
filamentos es el cilindro de alimentación, es decir, el conjunto de
cilindros 465 en la Fig. 4 o el conjunto de cilindros 540 en la
Fig. 5. Preferiblemente, el bobinado del hilo es llevado a cabo a
una velocidad de bobinado que está reducida con respecto a la
velocidad de hilatura en una cantidad de un 0,1 por ciento a
aproximadamente un 7 por ciento de la velocidad de hilatura.
En la presente invención se preparan a altas
velocidades de hilatura hilos de alta tenacidad que presentan
niveles comercialmente deseables de alargamiento de rotura y
encogimiento. En contraste con ello, los hilos que son producidos
por los métodos del estado de la técnica en los que se emplea
enfriamiento rápido por flujo cruzado convencional adolecen de
pérdida de tenacidad y alargamiento al aumentar la velocidad de
hilatura. El encogimiento de las fibras que es producido por estos
métodos convencionales es también alto en contra de lo deseado.
Esto se ilustra con respecto a la Fig. 6, que muestra como desciende
la máxima relación de estirado alcanzable en los procesos del
estado de la técnica. Esto es debido al gran número de roturas de
filamentos, que hace que el proceso resulte incontrolable. Esto
también redunda en un descenso de la tenacidad, como se ilustra en
la Fig. 7. La tenacidad del hilo se debe al hecho de ser el mismo
altamente estirado. Como resultado de ello, la máxima tenacidad que
se alcanza en el estado de la técnica desciende y deviene
incontrolable a una baja velocidad de hilatura (de aproximadamente
4000 metros por minuto). La Fig. 7 muestra que un hilo de
aproximadamente 10,8 gramos por denier es obtenido mediante hilatura
con los medios de enfriamiento rápido según la invención a 5500
metros por minuto, mientras que con los medios de enfriamiento
rápido del estado de la técnica este mismo hilo de aproximadamente
10,8 gramos por denier es obtenido a una velocidad de solamente
3000 metros por minuto. El proceso de la invención es en este
ejemplo (5500/3000) = 1,8 veces más productivo que el estado de la
técnica. Los datos de las Figs. 6 y 7 fueron generados usando el
estado de la técnica que se muestra en la Fig. 1 sin el tubo
caliente 90. En lugar de ello, el hilo iba del cilindro 80 al 100
sin pasar por 90, que no estaba físicamente ahí. El resto del
recorrido del hilo era como el ilustrado en la Fig. 1.
Así, dentro de una gama de velocidades de
hilatura de aproximadamente 2600 metros por minuto a más de 5000
metros por minuto, los hilos plenamente estirados de la presente
invención pueden tener una tenacidad de al menos 5 gramos por
denier (4,5 cN por decitex), preferiblemente de más de poco más o
menos 5,7 gramos por denier (5,0 cN por decitex), más
preferiblemente de más de poco más o menos 7,9 gramos por denier
(7,0 cN por decitex), y más preferiblemente de más de poco más o
menos 11,3 gramos por denier (10 cN por decitex).
Adicionalmente, los hilos de la presente
invención presentan un deseable equilibrio de propiedades como p.
ej. el alargamiento de rotura (de un 15 a un 22%) y el encogimiento
por aire caliente (de menos de un 10%, y preferiblemente de menos
de un 6%). Asimismo, los hilos de la presente invención tienen una
fluctuación del denier de menos de un 3,7%. En contraste con ello,
los hilos producidos por los métodos del estado de la técnica que
emplean enfriamiento rápido por flujo cruzado convencional han
venido adoleciendo de pérdida de tenacidad y alargamiento cuando se
persigue incrementar la velocidad de hilatura. Es también alto en
contra de lo deseado el encogimiento de las fibras que son
producidas por estos métodos convencionales. Es necesario que estas
propiedades estén bien equilibradas a fin de satisfacer las
exigencias de las fibras técnicas de poliamida que se usan en
aplicaciones tales como los airbags de los automóviles, los hilos de
refuerzo que se incorporan en el curado de elementos de caucho
(como p. ej. los hilos de refuerzo de las cubiertas), la ropa de
protección y los equipajes blandos. Además, una baja resistencia
junto con un bajo alargamiento de rotura y un alto nivel de
encogimiento típicamente implica un proceso que carece de solvencia
y de calidad comercial.
Adicionalmente, los filamentos de la presente
invención pueden tener cualquier deseado decitex por filamento
(dtex/fil), que puede ser p. ej. de 0,1 a aproximadamente 20
dtex/fil. Los filamentos que están destinados a ser usados en
aplicaciones industriales tales como las de los airbags y del hilo
de coser son típicamente de entre poco más o menos 2,5 y poco más o
menos 9 dtex/fil. Para los usos relativos a la ropa, el dtex/fil
está típicamente situado dentro de la gama de valores que se
encuentra entre 0,1 y 4, y para otras aplicaciones (como p. ej. las
de las alfombras) resulta a menudo útil un más alto dtex/fil, de por
ejemplo aproximadamente 5 a aproximadamente 18.
Antes de todo estirado mecánico, los filamentos
de la invención tienen una birrefringencia de entre 0,002 y 0,012.
Como es sabido para los expertos en la materia, la birrefringencia
de un filamento indica el grado relativo de orientación de las
cadenas de polímero en el filamento. Esta gama de valores de
birrefringencia, que se alcanza en el conjunto de cilindros de
alimentación y con los medios de enfriamiento rápido neumático de
la invención, es indicativa de una orientación molecular más baja
que la que es alcanzada usando los medios de enfriamiento rápido
por flujo cruzado del estado de la técnica. Tal bajo nivel de
orientación en el conjunto de cilindros de alimentación permite
usar una relación de estirado mucho más alta sin que se produzca una
excesiva rotura de filamentos.
Los filamentos de esta invención son
preferiblemente de poliamida y se forman con ellos hilos
multifilamentos, telas, fibras discontinuas, artículos de tela
moldeados, cables de filamentos continuos e hilados de filamentos
continuos. Las telas que contienen los filamentos de esta invención
incluyen telas industriales de las que usan en velas y paracaídas,
alfombras, prendas de vestir, airbags u otros artículos que
contienen al menos una parte de poliamida. Cuando se hacen telas
puede usarse cualquier método conocido que sea adecuado para la
fabricación de telas. Son por ejemplo métodos adecuados para hacer
telas los de tejedura, tejedura de punto por urdimbre, tejedura de
tejido circular de punto, tejedura de punto de calcetería y
deposición de un producto en forma de fibra discontinua para formar
una tela no tejida.
Los hilados de filamentos de poliamida de esta
invención pueden usarse en solitario o bien mezclados en cualquier
cantidad deseada, típicamente después de la hilatura y del estirado,
con otras fibras sintéticas de polímero tales como las de spandex y
poliéster y con fibras naturales tales como las de algodón, seda o
lana u otras fibras de las que típicamente acompañan al nilón.
El hilo hecho según el proceso de la presente
invención puede tener cualquier número de filamento y decitex total
deseado. El hilo hecho a base de los filamentos de la presente
invención típicamente tiene un decitex total de entre
aproximadamente 10 decitex y aproximadamente 990 decitex denier, y
preferiblemente de entre poco más o menos 16 decitex y poco más o
menos 460 decitex. Además, el hilo de la presente invención puede
hacerse adicionalmente a base de una pluralidad de distintos
filamentos que tengan distintas gamas de decitex por filamento
[dtex/fil], secciones transversales y/u otras características.
La masa fundida polimérica que se usa con el
proceso de la presente invención y los filamentos, hilos y artículos
resultantes pueden incluir aditivos convencionales de los que son
añadidos durante el proceso de polimerización o al polímero o
artículo formado y pueden contribuir a mejorar las propiedades del
polímero o de la fibra. Los ejemplos de estos aditivos incluyen los
antiestáticos, antioxidantes, antimicrobianos, agentes ignifugantes,
pigmentos de color, fotoestabilizadores, adyuvantes y catalizadores
de la polimerización, promotores de la adherencia, partículas
deslustrantes tales como dióxido de titanio, agentes de mateado,
fosfatos orgánicos y combinaciones de los mismos. Son aditivos
especialmente preferidos en la masa fundida polimérica de la
presente invención las partículas deslustrantes tales como el
dióxido de titanio o el sulfuro de cinc y las partículas de
pigmento de color. Preferiblemente, la masa fundida polimérica
contiene de aproximadamente un 0,01 a aproximadamente un 1,2 por
ciento en peso de las partículas de color o deslustrantes.
Otros aditivos que pueden ser aplicados a las
fibras durante los procesos de hilatura y/o estirado incluyen los
antiestáticos, agentes alisadores, promotores de la adherencia,
antioxidantes, antimicrobianos, agentes ignifugantes, lubricantes y
combinaciones de los mismos. Tales aditivos adicionales pueden ser
añadidos durante varios pasos del proceso como es sabido en la
técnica.
Se ilustra más ampliamente a continuación la
invención mediante los siguientes ejemplos no limitativos.
Las propiedades que se usaron para caracterizar
a los filamentos de la presente invención fueron medidas de las
maneras que se indican a continuación:
La tenacidad se mide en una máquina Instron para
pruebas de tracción (ASTM D76) equipada con dos mordazas que
sujetan los hilos a la longitud calibrada de 10 pulgadas (25,4 cm).
La muestra es sometida a 3 torsiones/pulgada (1,2 torsiones/cm), y
el hilo es entonces sometido a tracción a una velocidad de
deformación de 10 pulgadas/minuto (25,4 cm/minuto). Una pila
piezoeléctrica registra los datos, y se obtienen las curvas de
esfuerzos y deformaciones. La tenacidad es la fuerza de rotura
dividida por el denier del hilo, expresada en gramos/denier o
cN/dtex (cN/dtex = gramos/denier x (100/102) x (9/10). El
alargamiento de rotura, expresado como porcentaje, es la variación
de la longitud de la muestra en la rotura dividida por su longitud
original. Las mediciones en la máquina Instron son efectuadas a
21ºC (+/-1ºC) y a una humedad relativa del 65%. El denier es la
densidad lineal de la muestra obtenida midiendo el peso en gramos
de una longitud de 9000 m (el decitex es el denier multiplicado por
el factor 10/9). Los métodos de medición de la tenacidad y del
alargamiento se ajustan en general a la norma ASTM D 2256.
La uniformidad de la densidad lineal del hilo
(expresada en denier o decitex) se determina pesando repetidamente
una longitud especificada del hilo y comparando un número
representativo de muestras. La densidad lineal de un hilo se mide
por el método de "corte y pesaje" que es conocido para los
expertos en la materia. En este método se corta a partir de una
bobina de hilo y se pesa una longitud especificada (L) de hilo, como
p. ej. una longitud de 30 metros de hilo. El peso (W) de la muestra
de hilo es expresado en gramos. La relación de peso a longitud
(W/L) es multiplicada por 9000 metros de hilo para expresar el
denier. Como alternativa, la relación W/L es multiplicada por
10.000 metros de hilo para expresar el decitex. El proceso de corte
y pesaje es típicamente repetido 8 veces. La media de 8 mediciones
de una única bobina de hilo recibe el nombre de uniformidad del
denier "a lo largo del cabo". Para hacer esta medición puede
ser suministrado por la LENZING TECHNIK, GmbH & Co. KG de
Austria un aparato de pruebas automatizado ACW400/DVA. El aparato de
medición ACW400/DVA es un sistema de medición plenamente
automatizado para efectuar las mediciones del denier/dtex y de la
uniformidad de los hilados de filamentos según el método de corte y
pesaje. El aparato de medición ACW400/DVA de la LENZING TECHNIK
incluye un accesorio de medición de la variación del denier (DVA)
que proporciona una medición automatizada de la variación del
denier a la que se denomina en la técnica la "fluctuación del
denier". Las mediciones de la fluctuación del denier son aquí
todas ellas efectuadas según los métodos previstos por la LENZING
TECHNIK para el módulo del accesorio de medición de la variación
del denier para el aparato de medición ACW400.
Fueron usados métodos estándar según la norma
ASTM D 789 para la determinación de la viscosidad relativa (RV) del
polímero en solución en ácido fórmico, del punto de fusión y del
contenido de humedad.
El Método de Ensayo D5104-96 de
la norma ASTM es el método estándar que aquí se usa para la
determinación del encogimiento de los filamentos (Ensayo con una
Fibra Única).
La birrefringencia de los filamentos
individuales fue determinada usando microscopía de luz polarizada y
la técnica del compensador de la inclinación. La siguiente fórmula
Eq. 1. define la birrefringencia:
Eq.
1.Birrefringencia = Retardo (longitudes de onda en
nm)/grosor de la muestra
(nm)
El grosor de la fibra se mide usando un
microscopio y Ocular Autentificador de Imagen Watson. La imagen de
la fibra medida es autentificada de un lado al otro y calibrada para
así obtener la medición del grosor. El retardo se mide efectuando
un corte a 45 grados en un extremo de la fibra. Los órdenes de
interferencia o las bandas de retardo son contados al propagarse
desde el extremo más delgado del corte hasta la parte más gruesa
del corte o el centro de la fibra. La medición se hace en
polarizadores cruzados usando una placa de 1/4 de onda (1/4 de la
longitud de onda de 546 nanómetros) insertada en el trayecto de la
luz con la fibra alineada perpendicularmente a la dirección retardo
de la placa de 1/4 de onda. Al ser contada cada banda de retardo,
la parte de la banda que es presentada en el centro de la fibra debe
ser compensada usando el analizador. El analizador es girado hasta
que se compensa la banda central, y se registra el ángulo. El ángulo
(de menos de 180ºC) representa una parte de una banda de retardo (a
546 nanómetros). El número total de
bandas de retardo y la parte de la última medida con el analizador son convertidos en una diferencia de recorrido (nm).
bandas de retardo y la parte de la última medida con el analizador son convertidos en una diferencia de recorrido (nm).
Como alternativa podría usarse para obtener los
mismos datos de birrefringencia el método de compensación según
Senarmont que se describe en detalle en la patente US número
5.141.700 (Sze) en las Columnas 5 y 6 empezando en la Línea 23 en
la Columna 5. Fundamentalmente, el método de determinación de la
birrefringencia requiere la medición de la diferencia de recorrido
entre dos ondas de luz polarizada asociada a un filamento
birrefringente. Esta diferencia de recorrido dividida por el
diámetro del filamento (en micras) es la definición de la
birrefringencia.
Ejemplo Comparativo
A
Escamas de polímero de nilón 6,6 (de una
viscosidad relativa de 38) que son suministradas comercialmente por
la DuPont de Canadá fueron polimerizadas en fase sólida con
nitrógeno seco prácticamente exento de oxígeno para incrementar el
peso molecular del polímero. El polímero fue transportado a una
extrusionadora de husillo por fusión y extrusionado. El polímero
fundido fue luego introducido en un grupo de hilado de filamentos y
filtrado antes de ser extrusionado a través de una matriz de
hilatura (o hilera) que tenía 34 capilares. Esta hilera permitía la
formación de 34 filamentos individuales. Estos filamentos fueron
sometidos a enfriamiento rápido con aire usando el aparato de
enfriamiento rápido por flujo cruzado e
hilatura-estirado integral que se muestra en la
Fig. 1. Se hizo que los filamentos convergiesen para así formar un
hilo con aplicación de un lubricante de acabado convencional, y se
hizo que el hilo avanzase por medio de un conjunto de cilindros de
alimentación 70 que tenía una velocidad periférica del cilindro de
651 metros por minuto y una temperatura de la superficie del
cilindro de 50ºC. El hilo era luego aportado a una primera pareja de
cilindros de estirado 80 que tenía una temperatura de la superficie
del cilindro de 170ºC y una velocidad periférica que era 2,6 veces
la velocidad del cilindro de alimentación. Luego el hilo era
aportado a una segunda pareja de cilindros de estirado 100 que
tenía una temperatura de la superficie del cilindro de 215ºC, con lo
cual se obtenía una velocidad total de 2800 metros por minuto,
igual a una relación de estirado que era de 4,3 veces la velocidad
del cilindro de alimentación. En este ejemplo comparativo no fue
usado el tubo caliente 90. El hilo de 34 filamentos era relajado en
un 7,1% por medio de la velocidad en los cilindros tractores 110 y
120 y era bobinado en una bobina de hilo 140 a una velocidad de
2587 metros por minuto. El hilo resultante de un denier de 110 (de
34 filamentos) tenía una tenacidad de 8,8 gramos por denier (7,8
cN/dtex), un alargamiento de rotura de un 18% y un encogimiento por
aire caliente de un 6,6%. La viscosidad relativa (RV) medida del
hilo era de 70.
Las mismas escamas de polímero de nilón 6,6 que
fueron usadas en el Ejemplo Comparativo A fueron extrusionadas por
fusión y elaboradas de la misma manera como en el Ejemplo
Comparativo A antes de entrar en el grupo de hilado 410 que se
muestra en la Fig. 4. El polímero fue extrusionado a través de una
hilera para así formar 34 filamentos. Los filamentos recién
extrusionados fueron sometidos a enfriamiento rápido con aire usando
un aparato de enfriamiento rápido neumático como el que se muestra
en la Figura 3 y el conjunto integral multietápico de cilindros de
estirado que se muestra en la Fig. 4. No fue usado el tubo caliente
475 (Fig. 4).
Haciendo referencia la Fig. 3, la rejilla de
enfriamiento rápido 345 era de 4,0 pulgadas (10,2 cm) de diámetro
D_{1} con una longitud B de la rejilla de enfriamiento rápido de
6,5 pulgadas (16,5 cm); la altura A de la parte de retardo del
enfriamiento rápido era de 6,6 pulgadas (16,8 cm); la altura C_{1}
del tubo de conexión de enfriamiento rápido era de 5,0 pulgadas
(12,7 cm); el diámetro D_{2} del tubo de conexión de enfriamiento
rápido era de 1,5 pulgadas (3,8 cm); la altura (C_{2}) de la parte
cónica de conexión 325 era de 4,8 pulgadas (12,2 cm); y la altura
(C_{3}) del tubo 330 era de 15 pulgadas (38 cm).
Obtenida de la Ecuación 2, la relación de la
velocidad del aire a la velocidad del cilindro de alimentación 465
(Fig. 4) era de 1,02 pies por minuto (31 cm/minuto).
Eq.
2Relación = (Velocidad del aire a la salida del
tubo C_{3})/(Velocidad periférica del cilindro de
alimentación
465)
Donde la velocidad del aire a la salida del tubo
330 (Fig. 3) es igual al caudal volumétrico de aire medido dividido
por el área de la sección transversal del tubo 330 o
\pi(D_{3})^{2}/4. Esta relación es entonces
corregida con la disminución de la densidad del aire debido al
incremento de la temperatura de la masa de aire en el grupo de
enfriamiento rápido neumático.
Fue aplicado un acabado en 450 (en la Fig. 4), y
se hizo que los filamentos convergiesen para así formar un hilo
usando una guía de cola de puerco 455 situada después del cilindro
de acabado 450. Por medio de un conjunto de cilindros de
alimentación 465 se hacía que el hilo avanzase para pasar a la
primera pareja de cilindros de estirado 470. El conjunto de
cilindros de alimentación 465 tenía una velocidad periférica de 1087
metros por minuto y una temperatura superficial de 50ºC. La primera
pareja de cilindros de estirado 470 tenía una temperatura
superficial de los cilindros de 170ºC. La velocidad periférica era
3,2 veces la velocidad del cilindro de alimentación.
Los filamentos eran entonces pasados a una
segunda pareja de cilindros de estirado 480 sin pasar por el tubo
caliente 475, que no fue usado para este ejemplo. El cilindro de
estirado 480, con una temperatura superficial de 212ºC y una
velocidad periférica de 5000 metros por minuto, producía una
relación de estirado total de 4,6. La relación de estirado total se
calculaba dividiendo la velocidad periférica del cilindro de
estirado 480 por la velocidad periférica del cilindro de
alimentación 465. El hilo de 34 filamentos era relajado en un 7,4%
por medio de la velocidad en 485 y bobinado a una velocidad de 4600
metros por minuto. El hilo resultante de un denier de 110 tenía una
tenacidad de 9,1 gramos por denier (8,0 cN/dtex), un alargamiento de
rotura de un 20,6% y un encogimiento por aire caliente de un 6,7%.
La RV medida del hilo era de 70.
Usando la máquina de hilar que presenta la
disposición que se muestra en la Fig. 4, las mismas escamas de
polímero de nilón 6,6 que fueron usadas en el Ejemplo Comparativo A
fueron elaboradas, extrusionadas por fusión y transportadas al
grupo de hilado 410 para su extrusión a través de una hilera para
formar 34 filamentos. Los filamentos recién extrusionados 420
fueron sometidos a enfriamiento rápido con aire según la presente
invención usando el aparato de enfriamiento rápido neumático que se
muestra en la Fig. 3. Fue usado el proceso multietápico integral
que se muestra en la Fig. 4 en el que se utilizan los cilindros y el
tubo caliente 475 de estirado. Haciendo referencia a la Fig. 3, la
rejilla de enfriamiento rápido 345 era de 4,0 pulgadas de diámetro
(10,2 cm) con una longitud B de la rejilla de enfriamiento rápido
8,1 pulgadas (20,6 cm); la altura A de la parte de retardo del
enfriamiento rápido era de 6,6 pulgadas (16,8 cm); el tubo de
conexión de enfriamiento rápido 355 tenía una altura C_{1} de 5,0
pulgadas (12,7 cm); el diámetro D_{2} del tubo de conexión 355
era de 1,5 pulgadas (3,8 cm); la parte cónica de conexión 325 tenía
una altura C_{2} de 4,8 pulgadas(12,2 cm); el tubo de
enfriamiento rápido 330 tenía una altura C_{3} del tubo de 15
pulgadas (38 cm); y la relación de la velocidad del aire a la
velocidad del conjunto de cilindros de alimentación era de 1,05. Se
hizo que los filamentos convergiesen para así formar un hilo en 455
con la aplicación de un lubricante de acabado en 450. Por medio del
conjunto de cilindros de alimentación 465 se hacía que el hilo 460
avanzase para pasar a una primera pareja de cilindros de estirado
470. El conjunto de cilindros de alimentación 465 tenía una
velocidad periférica de 1064 metros por minuto y una temperatura de
la superficie de los cilindros de 50ºC. La primera pareja de
cilindros de estirado 470 tenía la superficie de los cilindros a la
temperatura ambiente y una velocidad periférica de los cilindros de
2,7 veces la velocidad del cilindro de alimentación.
Los filamentos eran luego puestos en contacto
con un tubo caliente 475 que era idéntico al tubo caliente que se
describe en la Patente U.S. número 4.880.961. Se hacía que el hilo
avanzase siguiendo un recorrido helicoidal y estando en contacto en
condiciones de rozamiento con el tubo caliente dando una vuelta y
media en torno al tubo caliente calentado internamente. La
temperatura superficial del tubo caliente 475 que constituía el
elemento auxiliar para el estirado era de 181ºC. A continuación se
hacía que el hilo avanzase para pasar a una segunda pareja de
cilindros de estirado 480 que tenía una temperatura superficial de
los cilindros de 215ºC. La relación de estirado total era de 4,7
veces la velocidad superficial del cilindro de alimentación 465,
teniendo el segundo conjunto de cilindros de estirado 480 una
velocidad periférica de 5000 metros por minuto. El hilo de 34
filamentos era relajado en un 7,0% por medio de la velocidad en el
conjunto de cilindros de relajación 485 y bobinado en forma de una
bobina de hilo 495 a una velocidad de 4615 metros por minuto. El
hilo estirado de un denier de 110 (122 dtex - 34 filamentos) tenía
una tenacidad de 9,8 gramos por denier (8,6 cN/dtex), un
alargamiento de rotura de un 16,3% y un encogimiento por aire
caliente de un 7,3%. La RV en ácido fórmico del hilo era según
medición de 70.
Unas escamas de polímero de nilón 6,6 con una RV
de 38 que contenían un 1% en peso de dióxido de titanio en su forma
de anastasa (HOMBITAN®
LO-CR-S-M-,
Sachtleben Chemie GmbH, de Duisburg, Alemania) fueron extrusionadas
por fusión y elaboradas de la misma manera como en el Ejemplo 2
usando el aparato de extrusión y estirado integral que se muestra
en la Fig. 4. Fueron usados un grupo de hilado y una hilera
idénticos para formar 34 filamentos. Los filamentos recién
extrusionados fueron sometidos a enfriamiento rápido con aire usando
el aparato de enfriamiento rápido neumático que se muestra en la
Fig. 3. Las medidas del aparato de enfriamiento rápido neumático
eran idénticas a las del Ejemplo 2. La relación de la velocidad del
aire en el tubo 330 (Fig. 3) a la velocidad del conjunto de
cilindros de alimentación 465 era de 1,1. Igual como antes, mediante
una guía 455 se hacía que los filamentos convergiesen para así
formar un hilo, con aplicación de un lubricante de acabado en 450.
El conjunto de cilindros de alimentación 465 hacía que el hilo
avanzase para así pasar a una primera pareja de cilindros de
estirado 470. El cilindro de alimentación 465 tenía una velocidad
periférica de 1087 metros por minuto y una temperatura superficial
del cilindro de 50ºC. La primera pareja de cilindros de estirado
470 tenía la superficie de los cilindros a la temperatura ambiente y
una velocidad periférica de 2,7 veces la velocidad del cilindro de
alimentación. Se hacía que el hilo avanzase para pasar a un tubo
caliente como en el Ejemplo 2. Se hacía que el hilo avanzase
siguiendo un recorrido helicoidal y estando en contacto en
condiciones de rozamiento con el tubo caliente y dando una vuelta y
media en torno al tubo caliente calentado internamente. La
temperatura superficial del elemento auxiliar para el estirado 475
era de 181ºC. A continuación se hacía que el hilo avanzase para
pasar a una segunda pareja de cilindros de estirado 480 que tenía
una velocidad periférica de 5000 metros por minuto y una temperatura
de la superficie de los cilindros de 215ºC, obteniéndose así una
relación de estirado total de 4,6 veces la velocidad del cilindro de
alimentación. El hilo de 34 filamentos era relajado en un 6,5% por
medio de la velocidad usando el conjunto de cilindros de relajación
485, y el hilo era bobinado a una velocidad de 4645 metros por
minuto para así formar la bobina 495. El hilo resultante de un
denier de 110 (122 dtex - 34 filamentos) tenía una tenacidad de 8,7
gramos por denier (7,7 cN/dtex), un alargamiento de rotura de un
17,6% y un encogimiento por aire caliente de un 7,1%. La RV en
ácido fórmico obtenida mediante medición para el hilo era de 78.
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Ejemplo Comparativo
B
Unas escamas de polímero de nilón 6,6 con una RV
de 38 que eran idénticas a las usadas en el Ejemplo 1 fueron
extrusionadas por fusión usando el aparato de hilatura y estirado
multietápico integral de la Fig. 1. El grupo de hilado 20 contenía
una hilera con 34 capilares, y fueron hilados 34 filamentos. Después
del estirado multietápico cada filamento tenía una finura de 6
denier (6,6 dtex). Los filamentos (30 en la Fig. 1) fueron enfriados
y solidificados usando un flujo cruzado de aire de enfriamiento
rápido 40 según los procesos conocidos del estado de la técnica. Se
hizo que los filamentos convergiesen para así formar un hilo, con
aplicación de un lubricante de acabado en 50. Por medio de un
conjunto de cilindros de alimentación 70 que tenía una velocidad
periférica de 560 metros por minuto y una temperatura superficial de
los cilindros de 50ºC se hacía que el hilo 60 avanzase para pasar a
una primera pareja de cilindros de estirado 80. La primera pareja de
cilindros de estirado 80 tenía una temperatura superficial de los
cilindros de 170ºC y una velocidad periférica de 3,0 veces la
velocidad del cilindro de alimentación. No se usó el tubo caliente
90. El hilo era entonces aportado a una segunda pareja de cilindros
de estirado 100 que tenía una temperatura superficial de los
cilindros de 215ºC, lo cual daba lugar a una relación de estirado
total de 5 veces la velocidad del cilindro de alimentación o 2800
metros por minuto. El hilo de 34 filamentos era relajado en un 8,0%
por medio de la velocidad y bobinado a una velocidad de 2562 metros
por minuto. El hilo estirado de 210 denier (233 dtex) tenía una
tenacidad de 9,4 gramos por denier (8,3 cN/dtex), un alargamiento
de rotura de un 17,5% y un encogimiento por aire caliente de un
6,7%. La RV en ácido fórmico obtenida según medición para el hilo
era de 70.
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Usando el aparato de hilatura y estirado
integral con enfriamiento rápido neumático de la Fig. 4 (sin el tubo
caliente 475), un polímero de nilón 6,6 fue elaborado idénticamente
al Ejemplo Comparativo A antes del grupo de hilado y fue
extrusionado por fusión a través de una hilera para formar 34
filamentos. Los filamentos recién extrusionados fueron sometidos a
enfriamiento rápido con aire usando un aparato de enfriamiento
rápido neumático de la invención como el que se muestra en la Fig.
3 y el conjunto multietápico integral de cilindros de estirado que
se muestra en la Fig. 4.
Haciendo referencia a la Fig. 3, la rejilla de
enfriamiento rápido 345 era de 4,0 pulgadas de diámetro (10,2 cm)
con una altura B de la rejilla de enfriamiento rápido de 6,5
pulgadas (16,5 cm); la altura A de la parte de retardo del
enfriamiento rápido era de 6,6 pulgadas (16,8 cm); el tubo de
conexión de enfriamiento rápido 355 tenía una altura C_{1} de
12,5 pulgadas (31,7 cm); el tubo de conexión tenía un diámetro
D_{2} de 1,5 pulgadas (3,8 cm); la parte cónica de conexión 325
tenía una altura C_{2} de 4,8 pulgadas (12,2 cm), y el tubo de
enfriamiento rápido 330 tenía una altura C_{3} de 15 pulgadas (38
cm). La relación de la velocidad del aire en el tubo de
enfriamiento rápido 330 a la velocidad del conjunto de cilindros de
alimentación 465 (en la Fig. 4) era de 0,87. Se hacía que los
filamentos 420 convergiesen para así formar un hilo en 455 con
aplicación de un lubricante de acabado en 450. Un cilindro de
alimentación 465 hacía que el hilo 460 avanzase para así pasar a una
primera pareja de cilindros de estirado 470. El cilindro de
alimentación tenía una velocidad periférica de 1042 metros por
minuto y una temperatura de la superficie del cilindro de 50ºC. La
primera pareja de cilindros de estirado 470 tenía una temperatura
superficial de los cilindros de 170ºC y una velocidad periférica de
2,8 veces la velocidad del cilindro de alimentación. El hilo era
luego aportado a una segunda pareja de cilindros de estirado 480
que tenía una temperatura superficial de los cilindros de 220ºC, sin
pasar por el tubo caliente 475. El segundo cilindro de estirado 480
producía una relación de estirado total de 4,8 veces la velocidad
del cilindro de alimentación, o 5000 metros por minuto. El hilo de
34 filamentos fue relajado en un 7,0% por medio de la velocidad y
bobinado por un conjunto de cilindros de relajación 485 a una
velocidad de 4620 metros por minuto. Tras el estirado, el hilo de
210 denier (233 dtex - 34 filamentos) tenía una tenacidad de 10,0
gramos por denier (8,8 cN/dtex), un alargamiento de rotura de un
17,9% y un encogimiento por aire caliente de un 6,8%. La RV en
ácido fórmico medida para el hilo era de 70.
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Usando el aparato de hilatura y estirado
integral con enfriamiento rápido neumático de la Fig. 4 con el tubo
caliente (elemento auxiliar para el estirado 475), un polímero de
nilón 6,6 fue elaborado idénticamente al Ejemplo Comparativo A
antes del grupo de hilado, y fue extrusionado por fusión a través de
una hilera para formar 34 filamentos. Los filamentos recién
extrusionados fueron sometidos a enfriamiento rápido con aire
usando un aparato de enfriamiento rápido neumático de la invención
como el que se muestra en la Fig. 3 y el conjunto multietápico
integral de cilindros de estirado que se muestra en la Fig. 4.
Haciendo referencia a la Fig. 3, la rejilla de
enfriamiento rápido 345 era de 4,0 pulgadas de diámetro (10,2 cm)
con una altura B de la rejilla de enfriamiento rápido de 6,5
pulgadas (16,5 cm); la altura A de la parte de retardo del
enfriamiento rápido era de 6,6 pulgadas (16,8 cm); el tubo de
conexión de enfriamiento rápido 355 tenía una altura C_{1} de
12,5 pulgadas (31,7 cm); el tubo de conexión tenía un diámetro
D_{2} de 1,5 pulgadas (3,8 cm); la parte cónica de conexión 325
tenía una altura C_{2} de 4,8 pulgadas (12,2 cm), y el tubo de
enfriamiento rápido 330 tenía una altura C_{3} de 15 pulgadas (38
cm). La relación de la velocidad del aire en el tubo de
enfriamiento rápido 330 a la velocidad del conjunto de cilindros de
alimentación 465 (en la Fig. 4) era de 1,12. Se hacía que los
filamentos convergiesen para así formar un hilo en la guía 455, con
la previa aplicación de un lubricante de acabado en 450. Un primer
conjunto de cilindros de alimentación 465 hacía que el hilo
avanzase para pasar a una primera pareja de cilindros de estirado
470 y luego a un elemento auxiliar para el estirado 475. El
conjunto de cilindros de alimentación 465 tenía una velocidad
periférica de 1087 metros por minuto y una temperatura superficial
de los cilindros de 50ºC. La primera pareja de cilindros de estirado
470 tenía las superficies de los cilindros a la temperatura
ambiente y una velocidad periférica de 2,8 veces la velocidad del
cilindro de alimentación. Se hacía que el hilo avanzase siguiendo un
recorrido helicoidal y estando en contacto en condiciones de
rozamiento con el elemento auxiliar para el estirado 475 y dando una
vuelta y media en torno al tubo caliente calentado internamente. La
temperatura de la superficie del elemento auxiliar para el estirado
475 era 181ºC.
A continuación se hacía que el hilo avanzase
para pasar a una segunda pareja de cilindros de estirado 480 que
tenía una temperatura superficial de los cilindros de 215ºC,
produciendo una relación de estirado total de al menos 5 veces la
velocidad del cilindro de alimentación, o aproximadamente 5000
metros por minuto. El hilo de 34 filamentos era relajado por medio
de la velocidad en un 6,5% con el conjunto de cilindros de
relajación 485 y bobinado a una velocidad de 4630 metros por minuto
para así formar la bobina de hilo 495. Tras el estirado, el hilo
resultante de 210 denier (233 dtex - 34 filamentos) tenía una
tenacidad de 9,9 gramos por denier (8,7 cN/dtex), un alargamiento
de rotura de un 18% y un encogimiento por aire caliente de un 7,9%.
La RV en ácido fórmico del hilo era según medición de 70.
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Ejemplo Comparativo
C
Unas escamas de polímero de nilón 6,6 con una RV
de 60 (origen: E. I. du Pont de Nemours, de Waynesboro, Virginia)
que contenían aproximadamente un 0,1% de yoduro de cobre fueron
secadas y extrusionadas por fusión como en el Ejemplo Comparativo
A. Fue usado en este ejemplo comparativo un conjunto de extrusión
por fusión y estirado multietápico integral en el que se usaba un
sistema de enfriamiento rápido por flujo cruzado (230 en la Fig. 2)
del estado de la técnica. La matriz de hilatura (contenida en el
grupo de hilado 210) tenía 34 capilares. Fue preparado un hilo
multifilamentos de 34 filamentos. El hilo era aceitado en 240 y era
formado mediante la convergencia de los filamentos, y se hacía que
el hilo avanzase por medio de un cilindro de alimentación 260 que
tenía una temperatura superficial de 60ºC. La temperatura
superficial de los de la pareja de cilindros de estirado de la
primera etapa 270 era de 170ºC. La temperatura superficial de los de
la pareja de cilindros de estirado de la segunda etapa 275 era de
215ºC. No fue usado el conjunto de cilindros de estirado opcional
280 de la Fig. 2. La velocidad de hilatura del hilo venía
determinada por la velocidad periférica del conjunto de cilindros
275. Se preparó un hilo de un denier nominal de 6 (6,7 dtex) por
filamento a tres distintas velocidades de hilatura y a tres máximas
relaciones de estirado (la velocidad del cilindro 275 dividida por
la velocidad del cilindro 260) con la correspondiente relajación
porcentual por medio de la velocidad de hilatura proporcionada por
el conjunto de cilindros 285 y la bobinadora 295. La RV en ácido
fórmico obtenida según medición para el hilo era de 60. Están
indicados en la Tabla 1 la tenacidad y el alargamiento de rotura
para cada velocidad de hilatura utilizada en las pruebas.
Estos valores indicados en la Tabla 1
corresponden a los límites del enfriamiento rápido por flujo cruzado
del estado de la técnica. Queda bien ilustrada la disminución la
máxima relación de estirado disponible sin fundamentales
interrupciones del proceso, o sea p. ej. sin altos niveles de rotura
de filamentos, al ser incrementada la velocidad de hilatura. Puesto
que no podía usarse una relación de estirado más alta, la tenacidad
del hilo que podía ser alcanzada descendía al ser incrementada la
velocidad de hilatura.
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Unas escamas de polímero de nilón 6,6 que tenían
una RV de 60 (origen: E. I. du Pont de Nemours, de Waynesboro,
Virginia) y contenían aproximadamente un 0,1% de yoduro de cobre
fueron secadas y extrusionadas por fusión como en el Ejemplo
Comparativo A. Fue usado para hilar y estirar un hilo de 34
filamentos el conjunto de extrusión por fusión y estirado
multietápico integral de la Fig. 5 usando el sistema de enfriamiento
rápido neumático que se ilustra en la Fig. 3. La matriz de hilatura
que estaba contenida en el grupo de hilado 510 tenía 34 capilares.
Fue usado el conjunto de enfriamiento rápido neumático (Fig. 3) que
tenía las medidas que se indican en la Tabla 2. Tras el
enfriamiento rápido neumático, los filamentos eran aceitados en 530,
y se hacía que los mismos convergiesen para así formar el hilo
multifilamentos en la guía de cola de puerco 535. El hilo era
pasado a un conjunto bietápico de cilindros de estirado por un
conjunto de cilindros de alimentación 540 que tenía una temperatura
superficial de 60ºC. La temperatura superficial de los cilindros de
estirado de la primera etapa 545 era de 170ºC, y la temperatura
superficial de los cilindros de estirado de la segunda etapa 550
era de 215ºC. Fue preparado un hilo de 210 denier (233 dtex - 34
filamentos) usando 3 distintas velocidades de hilatura. La relación
de estirado total era igual a la velocidad del cilindro 550 dividida
por la velocidad del cilindro 540, y esta característica y la
relajación porcentual por medio de la velocidad en la bobinadora
están indicadas en la Tabla 2. La RV en ácido fórmico medida para el
hilo era de 60.
Se presentan en la Tabla 2 la tenacidad y el
alargamiento de rotura para cada prueba de velocidad de hilatura.
Como en el Ejemplo Comparativo C, la relación de estirado es la
relación de estirado máxima que permite la continuidad del proceso,
p. ej. sin excesivos filamentos rotos.
El Ejemplo 6, que es aquél en el que se utiliza
el sistema de hilatura-estirado integral con
enfriamiento rápido neumático para hacer un hilo altamente
estirado, demuestra espectacularmente el efecto del proceso de
hilatura con enfriamiento rápido neumático en comparación con el
Ejemplo Comparativo C del estado de la técnica en el que se usa el
enfriamiento rápido por flujo cruzado. A las dos velocidades de
hilatura más bajas que se usaron, que fueron concretamente las de
2660 y 3660 metros por minuto, la tenacidad del hilo y el
alargamiento de rotura del hilo son distintos para enfriamiento
rápido por flujo cruzado (Tabla 1) y enfriamiento rápido neumático
(Tabla 2). Esta diferencia es debida al hecho de que los hilos
sometidos a enfriamiento rápido neumático son estirados con una más
alta relación de estirado sin roturas de filamentos en la hilatura,
es decir, sin pérdida de la continuidad del proceso.
El hilo sometido a enfriamiento rápido por flujo
cruzado (Tabla 1) podía ser estirado en menor grado a 3660 metros
por minuto, porque las roturas de filamentos interrumpían la
continuidad de la hilatura. A las más altas velocidades de hilatura
de 4660 metros por minuto que fueron usadas a efectos comparativos
(véanse las Tablas 1 y 2), pudo usarse con enfriamiento rápido
neumático una relación de estirado mucho más alta sin roturas de
filamentos. Esta relación de estirado permitió preparar un hilo de
alta tenacidad en comparación con un hilo hilado usando un conjunto
de enfriamiento rápido por flujo cruzado.
Ejemplo Comparativo
D
Unas escamas de polímero de nilón 6,6 que tenían
una RV de 60, procedían de la E. I. du Pont de Nemours and Co., de
Waynesboro, Virginia y contenían aproximadamente un 0,1% de
antioxidante de yoduro de cobre fueron secadas y extrusionadas por
fusión usando una máquina de hilar como la que se muestra en la Fig.
2 y empleando un sistema de enfriamiento rápido por flujo cruzado
del estado de la técnica. El grupo de hilado 210 contenía una
hilera con 34 orificios. El cilindro de alimentación 260 tenía su
superficie a la temperatura ambiente. No fueron usados el cilindro
de estirado de la primera etapa 270 ni el cilindro de estirado de la
segunda etapa 275. El hilo era recogido desde el conjunto de
cilindros de alimentación 260 inmediatamente después de haber sido
provocado su avance. Fueron preparados cuatro hilos usando 4
distintas velocidades de hilatura determinadas por el cilindro de
alimentación y 4 distintos caudales másicos por orificio de hilatura
por minuto. Mediante la adopción de estas medidas se mantenía
constante el denier de los filamentos en el cilindro de
alimentación a todas las velocidades y en todas las combinaciones
con el caudal. Los hilos no fueron estirados. La RV en ácido
fórmico medida para el hilo tal como salía de hilatura era de 60. Se
hicieron mediciones de la birrefringencia en las muestras de
hilo.
El mismo polímero como en el Ejemplo Comparativo
D era extrusionado pasando a una máquina de hilatura y estirado
integral de la invención como la que se muestra en la Fig. 5.
Exceptuando el hecho de que en cuanto a los medios de enfriamiento
rápido se pasó del enfriamiento rápido por flujo cruzado al
enfriamiento rápido neumático (como en la Figura 3), fueron usadas
las condiciones experimentales del Ejemplo Comparativo D. Los hilos
de 34 filamentos sometidos a enfriamiento rápido neumático eran
recogidos directamente después del conjunto de cilindros de
alimentación 540. Fueron medidos la birrefringencia de los hilos
producidos en las mismas cuatro condiciones de velocidad del
cilindro de alimentación y de caudal másico por orificio de hilatura
que se usaron para el Ejemplo Comparativo D. Los resultados están
indicados en la Tabla 3.
Los resultados que se indican en la Tabla 3
comparando el Ejemplo 7 de la invención con el Ejemplo Comparativo
D ilustran claramente la ventaja del enfriamiento rápido neumático
de los filamentos en comparación con los sistemas de enfriamiento
rápido por flujo cruzado del estado de la técnica. Para el Ejemplo
Comparativo D, la birrefringencia de los filamentos medida en el
cilindro de alimentación es más alta para cada velocidad y cada
caudal de polímero que la birrefringencia medida para enfriamiento
rápido neumático bajo idénticas condiciones. La birrefringencia del
hilo sometido a enfriamiento rápido neumático es indicativa de un
polímero menos orientado, es decir, de un polímero que puede ser
estirado adicionalmente y quedar más altamente orientado. Un hilo
estirado hecho a base de un polímero más altamente orientado tendrá
una tenacidad más alta y un alargamiento de rotura más bajo en
comparación con un hilo estirado hecho a base de un polímero menos
orientado. Los filamentos sometidos a enfriamiento rápido neumático
que son recogidos en el cilindro de alimentación tienen una
birrefringencia que es consistentemente más baja que la de los
filamentos sometidos a enfriamiento rápido por flujo cruzado. De
hecho, los filamentos sometidos a enfriamiento rápido neumático que
son recogidos a la más alta velocidad de hilatura tienen una
birrefringencia que es tan sólo aproximadamente un 18% mayor que la
birrefringencia del hilo sometido a enfriamiento rápido por flujo
cruzado que es recogido a la más baja velocidad de hilatura. Puesto
que los filamentos que se someten a enfriamiento rápido neumático
quedan menos orientados en el proceso de enfriamiento rápido,
incluso a las más altas velocidades de hilatura, usando el
enfriamiento rápido neumático es posible ejecutar un proceso de
hilatura y estirado mecánico que alcance una más alta
productividad.
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Ejemplo Comparativo
E
Unas escamas de polímero de nilón 6,6 que tenían
una RV de 60, procedían de la E. I. du Pont de Nemours and Co., de
Waynesboro, Virginia y contenían aproximadamente un 0,1% de
antioxidante de yoduro de cobre fueron secadas y extrusionadas por
fusión como en los ejemplos anteriores pasando a una máquina de
hilar con dos etapas de estirado integrales como la que se muestra
en la Fig. 2. Fueron usados los medios de enfriamiento rápido por
flujo cruzado del estado de la técnica. El grupo de hilado contenía
una hilera con 34 orificios, y fue preparado un hilo de 34
filamentos. Se hacía que el hilo 250 avanzase por medio de un
cilindro de alimentación 260 que tenía una temperatura superficial
de 60ºC. La temperatura superficial de los cilindros de estirado de
la primera etapa 270 era de 170ºC, y la temperatura superficial de
los cilindros de estirado de la segunda etapa 275 era de 215ºC. Fue
preparado un hilo de un denier nominal de 210 (233 dtex - 34
filamentos) usando 3 distintas velocidades de hilatura (la
velocidad del conjunto de cilindros de estirado 275) y relaciones
de estirado totales (la relación de la velocidad del cilindro 275
dividida por la velocidad del cilindro de alimentación 260). La RV
en ácido fórmico obtenida por medición para el hilo era de 60. Está
indicada en la Tabla 4 la tenacidad del hilo para cada prueba de
velocidad de hilatura.
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Ejemplo Comparativo
F
Las mismas escamas de polímero de nilón 6,6 con
una RV de 60 como en el Ejemplo Comparativo E fueron secadas y
extrusionadas por fusión pasando a una máquina de hilar con tres
etapas de estirado integrales como la que se muestra en la Fig. 2.
Fue usado el mismo sistema de enfriamiento rápido por flujo cruzado
del estado de la técnica. La temperatura superficial del cilindro
de alimentación 260 era de 60ºC. Las temperaturas superficiales del
primer cilindro de estirado 270, del segundo cilindro de estirado
275 y del cilindro de estirado de la tercera etapa 280 eran de
170ºC, 230ºC y 230ºC, respectivamente. La hilera que estaba
contenida en el grupo de hilado 210 tenía 34 orificios, y fue
preparado un hilo de 34 filamentos (210 denier o 233 dtex - 34
filamentos) usando tres distintas velocidades de hilatura (la
velocidad del cilindro de estirado 280, que es el que gira a la
velocidad más alta) y relaciones de estirado total (la relación de
la velocidad del cilindro 280 dividida por la velocidad del
cilindro de alimentación 260). La RV en ácido fórmico medida para el
hilo era de 60. Está indicada en la Tabla 4 la tenacidad del hilo
para cada prueba de velocidad de hilatura.
En este ejemplo de la invención unas escamas de
polímero de nilón 6,6 con una RV de 60 que eran idénticas a las que
se usaron en los Ejemplos Comparativos E y F fueron secadas y
extrusionadas por fusión pasando a la máquina de hilatura y
estirado integral que se ilustra en la Fig. 5 y usando el sistema de
enfriamiento rápido neumático que se ilustra en la Fig. 3. Fueron
usadas solamente dos etapas de estirado, es decir que no se pasó
por el conjunto de cilindros 555. La hilera que estaba contenida en
el grupo de hilado 510 tenía 34 orificios. Los filamentos 515 eran
aceitados en el cilindro 530 de acabado de la fibra, y se hacía que
dichos filamentos convergiesen para así formar un hilo de 34
filamentos en la guía de cola de puerco 535. El cilindro de
alimentación 540, que trabajaba con una temperatura superficial de
60ºC, hacía que este hilo avanzase para pasar a la pareja integral
de etapas de estirado. Las temperaturas superficiales de los
cilindros de estirado de la primera etapa 545 y los cilindros de
estirado de la segunda etapa 550 eran de 170ºC y 215ºC,
respectivamente. Fueron preparados tres hilos de 210 denier (233
dtex - 34 filamentos) a tres distintas velocidades de hilatura (la
velocidad de hilatura era la velocidad del conjunto de cilindros
550) y relaciones de estirado total (la relación de estirado total
era la velocidad del cilindro 550 dividida por la velocidad del
cilindro 540). El hilo era relajado por medio de la velocidad en
una cantidad igual a la diferencia de velocidades de los conjuntos
de cilindros 560 y 550 dividida por la velocidad del conjunto de
cilindros 550. La RV en ácido fórmico medida para el hilo era de
60.
Están indicadas en la Tabla 5 las propiedades
del hilo para cada prueba de velocidad de hilatura.
Fue repetido el ejemplo 8 con un polímero
idéntico y una hilera idéntica y usando el aparato de la Fig. 5 y
tres etapas de cilindros de estirado (estaba incluido el conjunto de
cilindros 555). Las temperaturas superficiales de los cilindros de
estirado de la primera etapa 545, los cilindros de estirado de la
segunda etapa 550 y los cilindros de estirado de la tercera etapa
555 eran de 170ºC, 230ºC y 230ºC, respectivamente. Fueron preparados
tres hilos de 210 denier (233 dtex - 34 filamentos) a tres
distintas velocidades de hilatura (la velocidad de hilatura era la
velocidad del conjunto de cilindros 555) y relaciones de estirado
total (la relación de estirado total era la velocidad del cilindro
555 dividida por la velocidad del cilindro 540). El hilo era
relajado por medio de la velocidad en una cantidad igual a la
diferencia de velocidades de los conjuntos de cilindros 560 y 555
dividida por la velocidad del conjunto de cilindros 555. La RV en
ácido fórmico medida para el hilo era de 60.
Están indicadas en la Tabla 5 las propiedades
del hilo para cada prueba de velocidad de hilatura.
Los datos de las Tablas 4 y 5 demuestran la
superior productividad que puede ser alcanzada con el sistema de
enfriamiento rápido neumático y los medios de hilatura y estirado
integral en comparación con un sistema de enfriamiento rápido por
flujo cruzado del estado de la técnica con procesos de hilatura y
estirado integrales. Como resultado de ello, pueden usarse
velocidades de hilatura totales más altas con relaciones de estirado
total que usando el enfriamiento rápido por flujo cruzado no son
posibles debido al incremento de los números de filamentos rotos,
independientemente del número de etapas para el estirado, para
preparar hilados de filamentos de poliamida de alta tenacidad.
El aparato de hilatura y estirado integral de la
Fig. 4 fue usado en este ejemplo con dos etapas de cilindros de
estirado, y no fue usado el tubo caliente 475. Un polímero de nilón
6,6 de una RV de 70 de DuPont Canada fue extrusionado por fusión al
interior de un grupo de hilado 410 que contenía una placa de hilera
de 34 capilares. Los 34 filamentos eran sometidos a enfriamiento
rápido neumático con el aparato que está ilustrado esquemáticamente
en la Fig. 3. Los filamentos eran aceitados en 450, y se hacía que
los mismos convergiesen para así formar un hilo de 34 filamentos en
la guía de cola de puerco 455. El conjunto de cilindros de
alimentación 465 hacía que este hilo avanzase para pasar a las dos
etapas de estirado integral en las que se usaban los conjuntos de
cilindros de estirado 470 y 480 y sin pasar por el tubo caliente
475. La velocidad de hilatura (la velocidad del conjunto de
cilindros de estirado 480, que es el que gira a la más alta
velocidad) fue variada como se indica en la Tabla 6 pasando de 2660
metros por minuto a 6000 metros por minuto. Las temperaturas del
conjunto de cilindros de alimentación 465, del cilindro de estirado
de la primera etapa 470 y del cilindro de estirado de la segunda
etapa 480 eran de 50ºC, 170ºC y 215ºC, respectivamente. La relación
de estirado era la relación de la velocidad periférica del conjunto
de cilindros 480 a la velocidad periférica del conjunto de cilindros
465. La cantidad de relajación venía dada por la diferencia de
velocidades periféricas entre los conjuntos de cilindros 480 y 485
dividida por la velocidad periférica del conjunto de cilindros 480.
Las pruebas a 5000 metros por minuto y 6000 metros por minuto
fueron llevadas a cabo con un caudal de polímero reducido a fin de
producir hilos de 110 denier (122 dtex - 34 filamentos) en lugar de
los hilos de 210 denier (233 dtex - 34 filamentos) que eran
producidos a las velocidades de hilatura más bajas. La relajación
del hilo (reducción de la velocidad) era producida por el conjunto
de cilindros 485 antes del bobinado en forma de bobinas de hilo
495. La excepción al bobinado en forma de bobinas de hilo la
constituyeron los hilos que fueron hilados a 6000 metros por
minuto. Estos hilos no fueron bobinados, sino que fueron aspirados
al interior de un dispositivo de tender hilo que es conocido en la
técnica.
En la Tabla 6 están resumidas las propiedades de
las cinco muestras de hilo sometido a enfriamiento rápido neumático
y estirado que se prepararon.
En experimentos comparativos que fueron llevados
a cabo con un polímero idéntico al usado en el Ejemplo 10 de la
invención fueron preparados hilos estirados usando unos medios de
enfriamiento rápido por flujo cruzado del estado de la técnica con
un conjunto bietápico de cilindros de estirado integral como el que
se muestra en la Fig. 1, pero sin pasar por el tubo caliente 90. La
hilera tenía 34 orificios como antes. Los filamentos eran aceitados
en 50, y se hacía que los mismos convergiesen para así formar un
hilo 34 filamentos. El conjunto de cilindros de alimentación 70
hacía que este hilo avanzase para pasar a dos etapas de estirado
integral usando los conjuntos de cilindros de estirado 80 y 100 y
sin pasar por el tubo caliente 90. La velocidad de hilatura (la
velocidad del conjunto de cilindros de estirado 100, que es el que
gira a la más alta velocidad) fue variada como se indica en la
Tabla 6 pasando de 2660 metros por minuto a 4200 metros por minuto.
La relación de estirado era la relación de la velocidad periférica
del conjunto de cilindros de estirado 100 a la velocidad periférica
del conjunto de cilindros de alimentación 70. Las temperaturas del
conjunto de cilindros de alimentación 70, del cilindro de estirado
de la primera etapa 80 y del cilindro de estirado de la segunda
etapa 100 eran de 50ºC, 170ºC y 215ºC, respectivamente. La cantidad
de relajación viene dada por la diferencia entre las velocidades
periféricas de los conjuntos de cilindros 120 y 100 dividida por la
velocidad del conjunto de cilindros 100. Tras la relajación por
medio de la velocidad y usando el conjunto de cilindros 120 un hilo
de 210 denier (233 dtex) era bobinado en forma de una bobina de hilo
140.
En la Tabla 6 se resumen las propiedades de las
tres muestras de hilo sometido a enfriamiento rápido por flujo
cruzado y estirado que se prepararon.
*Aquí, la rejilla de enfriamiento rápido era de
4 pulgadas de diámetro D_{1} (10,2 cm) con una altura B de la
rejilla de enfriamiento rápido de 6,5 pulgadas (16,5 cm); la altura
A de la parte de retardo del enfriamiento rápido era de 6 pulgadas
(15,2 cm); la altura C_{1} del tubo de conexión de enfriamiento
rápido era de 12,5 pulgadas (31,8 cm); el diámetro D_{3} del tubo
de conexión era de 1,5 pulgadas (3,8 cm); la altura C_{2} de la
parte cónica de conexión era de 4,8 pulgadas (12,2 cm); y la altura
C_{3} del tubo era de 15 pulgadas (38 cm).
**En estos dos casos eran iguales todos los
parámetros anteriormente indicados, exceptuando la altura C_{1}
del tubo de conexión de enfriamiento rápido, que era de 5 pulgadas
(12,7 cm). Estos resultados que se indican en la Tabla 6 demuestran
que el proceso de la presente invención puede ser usado con
velocidades de hilatura de aproximadamente 6000 metros por minuto.
El proceso de hilatura y estirado integral del estado de la técnica
en el que se usaban los medios de enfriamiento rápido por flujo
cruzado no logró proporcionar una buena continuidad de la hilatura
debido a las excesivas roturas en la hilatura a velocidades de tan
sólo aproximadamente 4200 metros por minuto. A velocidades de
hilatura de 5000 metros por minuto, con el proceso de hilatura y
estirado integral con enfriamiento rápido neumático se obtuvo un
hilo de alta tenacidad (9,0 cN/dtex) usando una relación de
estirado mecánico de tan sólo 5,6. Con los medios del estado de la
técnica pudo obtenerse un hilo de aproximadamente la misma
tenacidad a una velocidad de hilatura de 2660 metros por minuto,
pero se requería una máxima relación de estirado total de 6,6.
Estos hilos de 233 dtex y de 34 filamentos son prácticamente
equivalentes en cuanto al equilibrio de sus propiedades. Sin
embargo, con el proceso de hilatura y estirado integral de la
invención se obtiene este hilo con un mejoramiento de la
productividad de aproximadamente un 88 por ciento. Este mejoramiento
de la productividad representa claramente una ventaja comercial y
hace que el proceso de la invención sea superior a los procesos del
estado de la técnica. Este Ejemplo demuestra que los medios de
enfriamiento rápido neumático combinados con un proceso de estirado
multietápico integral permiten alcanzar unas más altas velocidades
de hilatura y unas más altas relaciones de estirado total,
manteniendo al mismo tiempo una alta tenacidad del hilo y unas
consistentes propiedades de alargamiento porcentual de rotura del
hilo que no pueden ser alcanzadas usando los medios de enfriamiento
rápido por flujo cruzado.
Ejemplo Comparativo
G
En otro experimento comparativo que fue llevado
a cabo con un polímero idéntico al usado en el Ejemplo 10 de la
invención fueron preparados hilos estirados usando unos medios de
enfriamiento rápido por flujo cruzado del estado de la técnica con
un conjunto bietápico e integral de cilindros de estirado como el
que se muestra en la Fig. 1.
Aquí se dio un rodeo al tubo caliente 90 y
fueron usadas dos etapas de estirado integral que fueron las de los
conjuntos de cilindros 80 y 100. La velocidad de hilatura (la
velocidad periférica del cilindro 100) era de 2800 metros por
minuto y la relación de estirado total (la relación de la velocidad
del cilindro 100 a la velocidad del cilindro 70) era de la 4,1.
Tras el estirado, el hilo resultante de 110 denier (122 dtex - 34
filamentos) tenía una tenacidad de 8,3 gramos por denier (7,3
cN/dtex) y un alargamiento de rotura de un 14%. La uniformidad del
denier a lo largo de la longitud ("a lo largo del cabo") de
cada muestra de hilo preparada era de un 3,7%.
En un ejemplo de la invención y usando un
polímero idéntico al usado en el Ejemplo 10 de la invención fueron
preparados hilos estirados usando los medios de enfriamiento rápido
neumático que se ilustran en la Fig. 3 y el conjunto bietápico de
cilindros de estirado integral que se muestra en la Fig. 4, pero sin
el tubo caliente 475. La rejilla de enfriamiento rápido era de 4,0
pulgadas (10,1 cm) de diámetro D_{1} con una altura B de la
rejilla de enfriamiento rápido de 6,5 pulgadas (16,5 cm); la altura
A de la parte de retardo del enfriamiento rápido era de 6,6
pulgadas (16,8 cm); la altura C_{1} del tubo de conexión de
enfriamiento rápido era de 12,5 pulgadas (31,8 cm); el diámetro
D_{3} del tubo de conexión era de 1,5 pulgadas (3,8 cm); la altura
C_{2} de la parte cónica de conexión era de 4,8 pulgadas (12,2
cm); y la altura C_{3} del tubo era de 15 pulgadas (38 cm). La
relación de la velocidad del aire a la velocidad del conjunto de
cilindros de alimentación que viene dada por la Ecuación 1 era de
1,02. La hilera tenía 34 orificios. La velocidad de hilatura (la
velocidad periférica del conjunto de cilindros 480) era de 5000
metros por minuto, y la relación de estirado total (la relación de
las velocidades del cilindro 480 al cilindro 465) era de 4,6. El
hilo resultante de 110 denier (122 dtex - 34 filamentos) tenía una
tenacidad de 8,4 gramos por denier (7,4 cN/dtex) y un alargamiento
de rotura de un 22%. La uniformidad del denier a lo largo de la
longitud ("a lo largo del cabo") de cada muestra de hilo
preparada era de un 1,1%.
Una comparación del Ejemplo 11 de la invención
con el Ejemplo Comparativo G ilustra la superior uniformidad del
denier a lo largo del cabo que se alcanza usando los medios de
enfriamiento rápido neumático con un proceso de hilatura y estirado
integral en el que se opera a alta velocidad. Los hilos de 122 dtex
y de 34 filamentos tienen prácticamente la misma tenacidad, si bien
el hilo de alta uniformidad que era sometido a enfriamiento rápido
neumático fue preparado con una productividad de la hilatura que era
de más de 1,7 veces la del hilo preparado con los medios de
enfriamiento rápido del estado de la técnica.
Si bien la invención ha sido ilustrada haciendo
referencia a específicas realizaciones preferidas, los expertos en
la materia serán conscientes de que mediante experimentación
rutinaria y en la puesta en práctica de la invención pueden hacerse
variaciones y modificaciones. Por consiguiente, la invención no
deberá quedar limitada por la anterior descripción, sino que es
como se define en las reivindicaciones acompañantes y sus
equivalentes.
Claims (19)
-
\global\parskip0.920000\baselineskip
1. Proceso que es para producir un hilo de poliamida y comprende los pasos de:extrusionar una masa fundida de polímero (400; 500) a través de un grupo de hilado (410; 510) para formar al menos un filamento (420; 515); ypasar el filamento a una cámara de enfriamiento rápido neumático (430; 520) donde un gas de enfriamiento rápido (440; 525) es aportado al filamento para enfriar y solidificar el filamento, siendo el gas de enfriamiento rápido dirigido para viajar en la misma dirección como el filamento;estando dicho proceso caracterizado por el hecho de que:el filamento (420; 515) que es al menos uno es pasado a al menos una etapa de estirado mecánico en la que el filamento es estirado y alargado para producir un hilo (460),siendo a una velocidad de hilatura de 2600 a 5000 metros por minuto de 0,6 a 2,0 la relación de la velocidad del gas de enfriamiento (440; 525) a la salida de la cámara de enfriamiento rápido (430; 520) a la velocidad de un primer cilindro (465; 540) que tira de los filamentos. - 2. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que el filamento que es al menos uno comprende una pluralidad de filamentos (420; 515), comprendiendo dicho proceso además los pasos de hacer que los de la pluralidad de filamentos converjan para así formar un hilo multifilamentos (460) y pasar el hilo a una etapa de estirado mecánico donde el hilo es estirado y alargado.
- 3. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que el filamento (420; 515), que es al menos uno comprende un único filamento por hilo y el hilo es un hilo monofilamento.
- 4. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que el filamento (420; 515) es estirado con una relación de estirado de 3 a 6.
- 5. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que el filamento (420; 515) pasa a través de la cámara de enfriamiento rápido (430; 520) a una velocidad de menos de 1500 m/min.
- 6. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que la velocidad del filamento (420; 515) al pasar por la etapa de estirado final es de más de 2600 m/min.
- 7. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 6, en el que el filamento (420; 515) pasa por la etapa de estirado final a una velocidad de más de 4500 m/min.
- 8. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que el hilo (460) es bobinado en forma de una bobina (495; 570) a una velocidad de bobinado reducida con respecto a la velocidad de hilatura en una cantidad de un 0,1 por ciento a un 7 por ciento de la velocidad de hilatura.
- 9. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que el paso de estirado comprende un estirado por sobre un tubo caliente (475).
- 10. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que el filamento (420; 515) tiene un dtex por filamento de entre 2,5 y 9.
- 11. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que la birrefringencia del filamento (420; 515) es de entre 0,002 y 0,012 antes de ser estirado el filamento.
- 12. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que la masa fundida polimérica (400; 500) contiene partículas de color o deslustrantes.
- 13. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 12, en el que las partículas son seleccionadas de entre los miembros del grupo que consta de dióxido de titanio, sulfuro de cinc y pigmentos de color.
- 14. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 12, en el que la masa fundida de polímero contiene de un 0,01 a un 1,2 por ciento en peso de partículas de color o deslustrantes.
- 15. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 1, en el que el hilo estirado (460) tiene una tenacidad de al menos 5 gramos por denier (4,5 cN por decitex).
- 16. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 15, en el que el hilo estirado (460) tiene una tenacidad de 7 a 10 cN/ decitex (de 7,9 a 11,3 gramos por denier) dentro de una gama de velocidades de hilatura que va desde los 2600 metros por minuto hasta más de 5000 metros por minuto.
\global\parskip1.000000\baselineskip
- 17. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 15, en el que el hilo estirado (460) tiene un alargamiento de rotura de un 15% a un 22%.
- 18. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 13, en el que el hilo estirado (460) tiene una fluctuación del denier de menos de un 3,7%.
- 19. Proceso como el reivindicado en la reivindicación 13, en el que el hilo estirado (460) tiene un encogimiento por aire caliente de menos de un 10%.
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