Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen schmelzσesponnener Filamente
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen schmelzge- sponnener Filamente aus fadenbildenden Polymeren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Filamentgarne und Spinnfasern aus fadenbildenden Polymeren wie Polyester, Polyamiden oder Polyolefinen, werden üblicherweise nach dem Schmelzspinnverfahren hergestellt. Bei diesem Ver¬ fahren wird eine Polymerschmelze einer Spinnpumpe zugeführt, die die Schmelze durch die Spinndüsen im sogenannten Spinn¬ balken fördert. Die aus den Düsen in Form flüssiger Filamente austretende Schmelze erstarrt nach dem Austritt in einem Ab¬ kühlschacht. Anschließend erfolgt gleichzeitig noch eine Prä¬ parierung, d.h. Befeuchtung und Ausrüstung mit Antistatikum und dergleichen, bevor die Filamente einem weiteren Prozeß zugeführt werden. Die Abkühlung der aus der Spinndüse austre¬ tenden flüssigen Filamente ist dabei von großem Einfluß auf die Titergleichmäßigkeit (Usterwert) und auf die textiltech- nologischen Eigenschaften von Fasern und Fäden im Endprodukt. In manchen Anwendungsfällen, z.B. bei hohen Einzeltitern, sinkt bei Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeit (g/min/Loch) die Garnfestigkeit ab (US PS 4 973 236). Ursache ist u.a. eine ungenügende Abkühlung des aus dem Düsenloch austretenden Schmelzstromes.
Als Kühlmedien werden in der Regel Luft, aber auch Wasser ver¬ wendet.
Die Luftkühlung hat den Vorteil, daß die Luft eine geringe Reibung auf die austretenden Filamente ausübt und dadurch kein unerwünschtes Verstrecken erfolgt. Nachteilig ist jedoch die geringe Kühlwirkung der Luft, so daß eine lange Kühlstrecke erforderlich ist. Eine lange Kühlstrecke bedeutet jedoch auch eine langsame Abkühlung. Eine langsame Abkühlung begünstigt die Kristallitbildung im Faden, was beim nachfolgenden Ver¬ strecken Probleme verursacht. Eine hohe Durchsatzleistung (g/min/Loch) oder auch dickere Einzelfilamente erfordern eine besonders lange Abkühlstrecke, da die Abkühlgeschwindigkeit gering ist. Damit besteht, wie oben bereits erwähnt, bei die¬ sem Spinngut besonders die Gefahr der Kristallitbildung.
Das Abkühlen erfolgt meist durch ein Queranblasen der Filamen¬ te. Die Luftströmung muß dabei turbulenzarm sein und gleiche Geschwindigkeit über die Schachtbreite haben, damit jedes Fi- lament zeitlich und örtlich genau die gleiche Abkühlung er¬ fährt. Lochbleche oder Siebgewebe in Verbindung mit Waben¬ gleichrichtern werden verwendet, um die erforderlichen Strö¬ mungsbedingungen zu erzeugen. Auch kann über die Höhe des Ab¬ kühlschachtes ggf. ein Geschwindigkeitsprofil vorgesehen wer¬ den. Trotz dieser z.T. aufwendigen Maßnahmen wird bei hoher Filamentzahl pro Fläche keine gleichmäßige Abkühlung aller Einzelfilamente gewährleistet. Von Filament zu Filament ent¬ steht bei der Queranblasung ein Temeperaturgradient, so daß die Anzahl der hintereinander im Luftstrom angeordneten Loch¬ reihen begrenzt ist.
Durch die US-PS 4 425 293 ist es auch bekannt, Wasser als Kühlmedium zu verwenden. Der Vorteil der Wasserkühlung ist eine schnelle Abführung der Wärme und dadurch die Vermeidung von Spinnkristallisation. Nachteilig bei der Wasserkühlung ist jedoch eine hohe Wasser/Filamentreibung. Dadurch kann es zu unerwünschten Verstreckungen der Filamente kommen. Allerdings ist auch schon versucht worden, die unerwünschte Verstreckung bei Wasserkühlung so zu berechnen und zu gestalten, daß eine
erwünschte Verstreckung erfolgt (US 5 268 133 und WO 91/181 133). Jedoch haben sich derartige Maßnahmen als kompliziert und nicht unproblematisch erwiesen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, welches das Abkühlen der aus den Düsen austretenden Spinnschmelze verbessert und damit auch das Erspinnen stärke¬ rer Filamente mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht, ohne daß es in diesen Filamenten zu Kristallitbildung kommt, die den nachfolgenden Streck- oder Streck/Texturierprozeß nachteilig beeinflußt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des An¬ spruchs 1 sowie des Vorrichtungsanspruches 12 gelöst.
Es hat sich gezeigt, daß durch die Verwendung von Schaum über¬ raschenderweise die Kühlwirkung erheblich erhöht wird, ohne die von Wasser bekannte große hydrodynamische Reibkraft der Filamente zu erzeugen. Durch die Ausbildung eines Flüssig¬ keitsfilmes an der Filamentoberfläche wird jedoch annähernd die Kühlwirkung des Wassers erreicht. Die Nachteile der Quer- anblasung werden ebenfalls durch das erfindungsgemäße Verfah¬ ren vermieden. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich daraus, daß wegen der drastisch reduzierten Kühlstrecke die Ausführung von Spinnanlagen mit sehr niedriger Bauhöhe möglich wird. Dies führt zu erheblichen Kosteneinsparungen. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Figuren beschrie¬ ben.
Es zeigen:
Figur 1 - schematisch eine Anlage zum
Spinnen von schmelz¬ gesponnenen Filamenten aus fadenbildenden Polymeren, wobei die Teile der Anlage, die für die Erfindung
unwesentlich sind, weg¬ gelassen wurden.
Figur 2 - eine andere Ausführungsform der Schaumanlage
Figur 3 - eine graphische Darstellung des Abkühlungsvorganges gemäß dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung
An einem Spinnbalken 1 sind Spinndüsen 2 angeordnet, aus denen die Filamente F austreten. Bevor diese Filamente F, die die Düsen 2 in flüssiger Form verlassen, irgendeinem weiteren Verarbeitungsprozeß zugeführt werden können, müssen diese durch Abkühlen verfestigt werden, um sie beispielsweise zu Spulen aufzuwinden oder als Fadenbündel in Kannen abzulegen. Sie durchlaufen deshalb eine sogenannte Kühlstrecke SK, auf der die Fäden frei, ohne sich oder andere Gegenstände zu be¬ rühren, geführt werden und von der üblichen Schmelztemperatur von etwa 300°C auf eine Grenztemperatur t , die etwa bei 70°C liegt, abgekühlt werden. Erst wenn diese Grenztemperatur t erreicht oder unterschritten ist, dürfen die Filamente F Kontakt haben. In Figur 3 ist die Temperatur t des Spinngutes in °C über der Strecke SK in m aufgetragen, die das Spinngut durchlaufen muß, bis es auf eine bestimmte Temperatur abge¬ kühlt ist. Durch die Linie t ist die Temperatur angegeben,auf die das Spinngut mindestens vor jeder Kontaktnahme abgekühlt sein muß (Grenztemperatur). Die Abkühlungsverhältnisse sind beispielsweise für ein Polyester POY Monofilament vom Titer 22 - 35 dtex durch die Kurve A dargestellt. Dabei findet die Ab¬ kühlung wie üblich mit Luft statt, die eine Eigentemperatur entsprechend der Raumtemperatur von etwa 20 °C aufweist. Der Verlauf der Abkühlung zeigt, daß bei dieser Art der Abkühlung und einer Produktionsgeschwindigkeit von 3600 m/min die Grenz¬ temperatur von etwa 70 °C erst nach einer Kühlstrecke SA von
etwa 3,5 m erreicht wird. Erst in dieser Entfernung von der Düse haben die Filamente eine solche Festigkeit durch die Ab¬ kühlung erreicht, daß sie untereinander oder auch mit Faden¬ leitelementen oder dgl. Kontakt haben dürfen.
Wird nun die Produktionsgeschwindigkeit erhöht oder ein noch stärkerer Titer versponnen, so wird eine noch größere Kühl¬ strecke SK benötigt, die bis zu 5 oder auch 6 m betragen kann. Die Nachteile einer solchen langen Kühlstrecke wurden eingangs bereits erwähnt. Nachdem ein erster Kontakt der Filamente F erst in dieser Entfernung nach den Düsen folgen darf, bedeutet dies, daß die ganze Anlage eine große Bauhöhe erreicht. Durch diese Dimensionen wird die Anlage somit aufwendig und teuer, abgesehen davon, daß die Filamente F auf der Kühlstrecke auch unkontrollierten Einflüssen ausgesetzt sind.
Die Verwendung von Wasser würde die Kühlstrecke mit Sicherheit wegen des guten Wärmeüberganges am stärksten verkürzen. Jedoch treten große Nachteile durch die starke Reibung Wasser/Fila- ent auf. Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, daß durch Schaum eine ähnlich starke Abkühlung erreicht werden kann, wie bei Wasser. Es tritt jedoch nicht die schädliche Reibung zwi¬ schen Filament und Schaum wie bei Wasser auf.
In den Kurven B und C sind die Abkühlungsverhältnisse für Schaum mit verschiedenen Volumenanteilen Flüssigkeit darge¬ stellt. Daraus geht hervor, daß bei einem Schaum mit einem Flüssigkeitsvolumenanteil von 5 % unter denselben Bedingungen wie für die Kurve A, die Kühlstrecke auf etwa 1,1 bis 1,2 m verkürzt wird, um die Grenzte peratur tg zu erreichen. Bei einem höheren Volumenanteil wird die Kühlstrecke weiter ver¬ kürzt, da in Abhängigkeit von dem Flüssigkeitsvolumenanteil im Schaum auch der Wärmeübergang stark zunimmt. So zeigt bei¬ spielsweise die Kurve C den Abkühlungsverlauf für einen Schaum it etwa 10 % Flüssigkeitsvolumenanteil. Dabei reduziert sich
die Kühlstrecke SK zum Erreichen der Grenztemperatur auf die Strecke SC, die weniger als 1 m beträgt.
In Figur 3 ist der gesamte Abkühlungsverlauf vom Austritt aus den Spinndüsen bis zur Aufbereitung für den nächsten Behand¬ lungsprozeß gezeigt. In dem Luftspalt S zwischen Düsenplatte 2 und dem Schaumbehälter 3 ist zunächst ein relativ flacher Ver¬ lauf des Temperaturrückgangs zu erkennen. Mit dem Eintritt in den Schaum verläuft die Abkühlungskurve erheblich steiler, als wenn die Abkühlung nur durch Luft erfolgen würde und erreicht somit nach einer kurzen Strecke die Grenztemperatur t_.
Es braucht nicht näher ausgeführt werden, daß diese erhebliche Verkürzung der Kühlstrecke SK nicht nur die technologischen Eigenschaften und Produktionsbedingungen für starke Titer er¬ heblich verbessert, sondern es werden auch erheblich geringere Dimensionen der Spinnanlage erreicht. Die Bauhöhen können glatt auf die Hälfte bis ein Drittel vermindert werden, was bei der Installation derartiger Anlagen zu erheblichen Kosten¬ einsparungen führt.
Wie aus den Figuren 1 und 2 hervorgeht, ist unter dem Spinn¬ balken 1 und der Düsenplatte 2 in einem Abstand S ein Schaum¬ behälter 3 bzw. 30 angeordnet. Der Abstand S kann sehr klein sein, z.B. nur 1 - 2 cm. Seine Größe richtet sich nach der Filamentstärke und Produktionsgeschwindigkeit. Nachdem die Filamente F in flüssiger Form aus den Düsen 3 austreten, ist eine gewisse Erstarrung notwendig, bevor sie in den Schaum eintauchen. Diese Erstarrung erfolgt bei feinen Filamenten wesentlich schneller als bei gröberen Titern, bei denen dieser Abstand vom Schaum in Abhängigkeit von der Produktionsge¬ schwindigkeit bis zu 1,5 m betragen kann.
Der Schaumbehälter 3 wird durch ein Gestell 32 getragen und weist an seinem oberen Ende eine weite Eintrittsöffnung 31 auf, so daß die Filamente F die Wandungen des Schaumbehälters
3 nicht berühren können, während an seinem unteren Ende eine enge Öffnung 35 vorgesehen ist, durch die die Filamente F den Schaumbehälter verlassen. Durch den sich erweiternden Quer¬ schnitt des Schaumbehälters 3 wird die Strömungsgeschwindig¬ keit des Schaumes geringer und die Rückbildung und Aussonde¬ rung der Flüssigkeit begünstigt und das im Gegenstrom durch den Schaum geführte Spinngut intensiv benetzt und abgekühlt. Da die Filamente F diese enge Öffnung 35 weitgehend ausfüllen und damit Berührungskontakte auftreten, muß bis zu diesem
Punkt die Grenztemperatur ty mit Sicherheit erreicht sein. Wie aus Figur 3 zu entnehmen ist, wird dadurch auch die Bauhöhe des Schaumbehälters 3 bestimmt.
Am unteren Ende, dicht neben der Austrittsöffnung 35, ist ein Schaumerzeuger 5 angeordnet, der eine LuftZuführung 51 und eine Flüssigkeitszuführung 52 besitzt und den Schaum unmittel¬ bar in den unteren Teil des Schaumbehälters 3 liefert. Während der Schaum durch die kontinuierliche Schaumerzeugung nach oben steigt, werden die Filamente F im Gegenstrom von oben nach unten durch den Schaumbehälter 3 geführt und treten an der Austrittsöffnung 35 aus dem Schaumbehälter 3 aus, um anschlie¬ ßend einem weiteren Verarbeitungsprozeß zugeführt zu werden. Der nach oben steigende Schaum wird durch einen Fühler 4 kon¬ trolliert, der das Füllstandsniveau gegebenenfalls über einen Füllstandsregler 41 reguliert. Der Rand der oberen Eintritts¬ öffnung 35 des Schaumbehälters 3 ist als Überlauf ausgebildet, so daß sich rückbildende Flüssigkeit gegebenenfalls über den Rand ablaufen kann. Die überlaufende Flüssigkeit sowie im Schaumbehälter 3 durch Rückbildung entstehende und nach unten ablaufende Flüssigkeit wird in einer Auffangwanne 33 gesammelt und über Ablaufleitungen 36 zur Umwälzpumpe 7 rückgeführt.
Der Schaumerzeuger 5 wird kontinuierlich gespeist durch die Umwälzpumpe 7, die auch den Kreislauf der rückgeführten Flüs¬ sigkeit vom Schaumbehälter 3 bewirkt. Durch die Dosierpumpe 72 wird diesem Kreislauf Wasser zugeführt in dem Maße, wie durch
die Schaumerzeugung und Kühlung der Filamente F Flüssigkeit verbraucht wird. Durch eine zweite Pumpe 71 wird der Flüssig¬ keit Präparieröl zugefügt. Beides wird dann durch die Umwälz¬ pumpe 7 durch einen Mischer 6 gepumpt und dadurch zu der Flüssigkeit aufbereitet, die dem Schaumerzeuger 5 über die Leitung 52 zugeführt wird. Im Schaumerzeuger 5 wird durch die Zuführung 51 Luft der Flüssigkeit beigegeben und so der Schaum erzeugt, der in den unteren Teil des Schaurabehälters 3 abge¬ liefert wird.
Beim Anspinnen ist der Schaumbehälter 3 zunächst leer. Die aus der Düse 2 austretenden Filamente F fallen nach unten in den Schaumbehälter 3 und werden in die Austrittsöffnung 35 einge¬ führt. Dazu dient eine Klappe 34, die den unteren Teil des Schaumbehälters 3 zugänglich macht. Nach Einführung des Fila¬ mente F wird die Klappe 34 wieder geschlossen und Schaum zuge¬ führt. Der Fühler 4 kontrolliert den aufsteigenden Schaum und reguliert über einen Regler 41 den Motor 42, der die Dosier¬ pumpe 72 für die Wasserzufuhr antreibt. Durch den über den Fühler 4 kontrollierten Füllstand im Schaumbehälter 3 wird somit auch die Kühlstrecke SK bestimmt, die die Filamente beim Durchlaufen des Schaumes benötigen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Filamentabkühlung durch Schaum wird das Schaumbad gleichzeitig benutzt, um die Präparationslösung auf die Filamente F aufzutragen. Die erfin¬ dungsgemäße Anlage beinhaltet somit gleichzeitig auch die er¬ forderliche Präparationsvorrichtung. Unterhalb des Schaumbe¬ hälters 3 werden die austretenden Filamente durch zwei Elek¬ troden 8 abgetastet. Über eine Widerstandsmessung wird damit die Konstanz der Präparationsauflage gemessen und gegebenen¬ falls durch einen Soll/Istwert-Vergleich im Konzentrations¬ regler 81 sowie einen Frequenzwandler 82, der den Motor 83 für die Dosierpumpe 71 für das Präparationsöl antreibt.
Bei der Ausführung nach Figur 2 ist der Schaumbehälter etwas anders gestaltet als in Figur 1. Der Schaumbehälter 30 ist als rechteckiger oder zylindrischer Schacht ausgebildet, an den sich in Fortsetzung seiner äußeren Form, jedoch abgetrennt durch eine Fuge 38, der Schaumerzeuger 50, 50', anschließt. Die enge Austrittsöffnung 35 des Schaumbehälters 3 ist hier in den Schaumerzeuger 50, 50', miteinbezogen, so daß der Schaum¬ behälter 3 an der Trennfuge 38 im vollen Querschnitt offen ist.
Der Schaumerzeuger besteht aus zwei Halbschalen 50, 50', die in horizontaler Richtung auseinanderbewegbar sind längs der Trennfuge 38. Dadurch wird für das Anspinnen der untere Teil des Schaumbehälters 30 zugänglich, so daß die herabfallenden Filamente F erfaßt und in Garnführungen zur Weiterverarbeitung eingelegt werden können. Ist dies geschehen, so werden die beiden Halbschalen 50, 50' des Schaumerzeugers wieder zusam¬ mengefügt, so daß diese die Filamente F umschließen und der Schaumbehälter 30 geschlossen ist bis auf die Austrittsöffnung 35 für die Filamente F.
Jede der beiden Halbschalen 50, 50» ist als selbständiger Schaumerzeuger ausgebildet und sowohl an eine Luftzufuhr 51 als auch an eine Flüssigkeitszufuhr 52 angeschlossen. Diese Zuleitungen sind zweckmäßig elastisch, um die beiden Halb¬ schalen 50, 50' auseinanderbewegen zu können. Die beiden Halbschalen 50, 50' sind hierfür zweckmäßigerweise auf einer Achse senkrecht zu der Trennfuge 38 an ihrem einen Ende ge¬ lagert, so daß die Halbschalen 50, 50' auseinandergeklappt werden können für das Einlegen der Filamente F. In jeder der Halbschalen 50, 50' sind Sintermetallkerzen 53 angeordnet, durch die die Luft in die Flüssigkeit zugeführt wird. Anstelle durch die Sintermetallkerzen 53 kann für die Luftzufuhr auch über eine Platte oder irgendeine andere Form eines aus Sinter¬ metall hergestellten Körpers zugeführt werden. Vorzugsweise werden jedoch handelsübliche Sintermetallkerzen für die Luft-
zufuhr verwendet. Durch die Verwendung von Sintermaterial er¬ folgt eine außerordentlich gute Aufbereitung der Flüssigkeit mit Gas, vorzugsweise Luft zu Schaum. Selbstverständlich kön¬ nen auch andere feinporige Elemente für die Gaszufuhr in die Flüssigkeit verwendet werden, wie Siebe, Düsenplatten und dgl..
Der Flüssigkeitsspiegel 54 im Schaumerzeuger 50, 50' wird durch einen Fühlstandsbegrenzer 37 kontrolliert, um eine gleichmäßige Schaumherstellung zu garantieren. Die einfachste Art eines solchen Fühlstandsbegrenzers 37 ist in Figur 2 durch einen Überlauf dargestellt. Anstelle des Überlaufs 37 kann auch eine Sonde vorgesehen sein, die die Flüssigkeitszufuhr jeweils steuert. Der auf diese Weise erzeugte Schaum steigt nach oben in den Schaumbehälter 30, während die Filamente F im Gegenstrom den Schaumbehälter 30 durchlaufen und durch die Austrittsöffnung 35 verlassen.
Der obere Teil des Schaumbehälters 30 ist in gleicher Weise ausgebildet wie bei der beschriebenen Ausführung gemäß Figur 1. Auch hier ist der Rand der Öffnung 31 als Überlauf gestal¬ tet, so daß sich rückbildende Flüssigkeit sammeln und über diesen Rand abtropfen kann, um wieder aufgefangen und dem Kreislauf erneut zur Schaumerzeugung zugeführt zu werden.
Der Fühler 4 reguliert zwar die Höhe des Schaumniveaus inner¬ halb des Behälters 30, jedoch kann es erforderlich sein, wei¬ tere Maßnahmen zu treffen, damit der Schaumspiegel eben ist und somit alle Filamente F die gleiche Kühlstrecke SB durch den Schaum durchlaufen. Um zu vermeiden, daß sich an der Ein¬ trittsöffnung 31 des Schaumbehälters 30 ein Schaumberg bildet, kann zusätzlich eine Vorrichtung zur Glättung des Schaumspie¬ gels vorgesehen werden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Absaugkanal 21 vorgesehen, der einen solchen Schaum¬ berg abtransportiert bzw. die Bildung eines solchen Schaum¬ berges durch eine leichte Luftströmung verhindert.
Der Abstand S zur Düsenplatte 2 ist hier wesentlich geringer gezeigt als in Figur 1. Wie oben schon erwähnt, ist dieser Abstand abhängig von der Filamentgeschwindigkeit und dem Titer der Filamente F. Ein gewisser Abstand S muß jedoch eingehalten werden, da der Schaum die Düsenplatte 2 nicht berühren sollte, um eine unerwünschte Kühlung derselben durch den Schaum zu vermeiden. Auch eine solche Vorrichtung 21 zum Glätten des Schaumspiegels macht einen gewissen Abstand von der Düsen¬ platte erforderlich.
Bezuαszeichenliste
Spinnbalken 1
Düsenplatte 2
Luftkanal 21
Schaumbehälter 3, 30
Eintrittsöffnung 31
Gestell 32
Auffangwanne 33
Klappe 34
Austrittsöffnung 35
Ablauf 36
Füllstandsbegrenzer 37
Trennfuge 38
Füllstandsfühler 4
Schaumerzeuger 5; 50, 50'
Luftzufuhr 51
Kühlflüssigkeitszufuhr 52
Sinterkerzen 53
Flüssigkeitsspiegel 54
Mischer 6
Umwälzpumpe 7
Dosierpumpe Präp.Öl 71
Dosierpumpe Wasser 72
Antriebsmotoren 42, 83
Elektroden 8
Konzentrationsregler 81
Frequenzwandler 82
Kühlstrecke SK
Luftspalt S
Grenztemperatur fcG
Kühlstrecken zum Erreichen
Grenztemperatur SA, SB, SC
Filamente F