EP0372014B1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von hoch-orientierten, amorphen polyesterfilamentfäden - Google Patents
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Classifications
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- D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
- D01F6/00—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
- D01F6/58—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolycondensation products
- D01F6/62—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolycondensation products from polyesters
Definitions
- the invention relates to a method for producing highly oriented, amorphous polyester filament threads by melt spinning at take-off speeds> 4000 m / min and polyester filament threads produced by the method and a device for carrying out the method.
- EP-A-0 089 819 describes shock cooling using water.
- a polyethylene terephthalate filament thread is quenched at least 5000 m / min in a water bath. With high orientation, the resulting thread has only a low crystallinity, demonstrated by a boiling shrinkage of at least 45% and at most 68.5%.
- EP-A-0 244 216 describes a polyester filament yarn which is spun at more than 5000 m / min in an overpressure chamber, at the outlet of which a narrow tube is attached, the venturi effect causing shock cooling.
- air cooling As the number of filaments increases, uniform cooling of the bundled filament bundle in the cooling tube (Venturi) is no longer guaranteed.
- shock cooling with air means that no defined thread speed is possible in the area below the spinneret, especially where the molten material is most sensitive.
- the object of the invention is to provide a method for flash cooling a rapidly spun polyethylene terephthalate filament thread, which ensures a defined thread speed in the area between the spinneret and the cooling element.
- Another object is to provide a device for carrying out the method mentioned.
- Yet another object is to provide a polyester filament thread with a high birefringence and a relatively high cooking shrinkage as a feed yarn.
- the solution to the problem lies in a method which is characterized in that the melt-spun filament threads are cooled by means of a circumferential contact surface, then spin-prepared and wound up.
- a circumferential contact surface has the advantage that work can be carried out under defined conditions without a liquid or gaseous medium. Regardless of this, the cooling rate can be determined by specifying the distance of the cooling surface from the spinneret and the wrap angle of the thread on the cooling surface.
- a variety of yarn properties can be achieved by varying the two parameters alone.
- the contact times of the filament threads on the contact surface between 1x10 ⁇ 3 and 1x10 ⁇ 2 s, in particular 2x10 ⁇ 3 - 1x10 ⁇ 2 s, determined with a peripheral speed range of the contact surface between 800 to 2400 m / min, especially between 1600 to 2400 m / min.
- the contact length or the wrap angle of the filament thread can also be calculated from the time.
- the polyester thread produced by the process surprisingly has an undeformed, circular cross section without adhesions.
- a peripheral contact surface has proven to be suitable as a cooling element as a device for carrying out the method.
- a rotating contact surface has the advantage that a larger number of individual filaments can be cooled than is possible with known shock cooling processes. So it is easily possible to cool 30 and more filaments at the same time.
- the desired properties of the shrinking yarn (> 40% KS, in particular 40-70% KS) can be adjusted in a particularly simple manner by varying the distance from the spinneret and the speed of rotation of the contact surface.
- the contact surface is designed as a cooling roller.
- the cooling roller is preferably a hollow body made of a good heat-conducting material and can be provided with additional connections for a heat transport medium or coolant. Such a roller ensures almost any heat dissipation of the polyester filament threads.
- a cooling belt is also suitable for shock cooling polyester filament threads.
- the contact surface expediently consists of a highly thermally conductive material, preferably a metal or an alloy. Copper, aluminum and their alloys are particularly suitable.
- the thickness of the metal layer is 2-100 mm, preferably 10-80 mm, in particular 40-60 mm.
- the distance of the chill roll from the spinneret is 250-1500 mm, depending on the filament and total titer.
- FIG. 2 the arrangement shown in FIG. 1 is shown rotated by 90 °.
- connections 11 for a heat transport medium are specified.
- the course of the individual filaments up to the point of convergence 6 should be shown clearly from the illustration.
- the number of filament threads 2 is largely uncritical.
- a cooling belt 10 is shown, which is guided over rollers 9, 9 'and 9''and at least one of these rollers is driven by a motor, not shown.
- the filament thread bundle 2 meets the cooling belt 10 in the area of the roll 9 and leaves the cooling belt 10 in the area of the roll 9 'as a total thread 5 in the direction of the winder 8, not shown.
- a Polrester filament thread bundle 2 emerging from the spinneret 1 strikes the surface of the cooling roller 3, where it undergoes shock cooling during its contact with the roller surface.
- the cooling roller rotates at a peripheral speed of 1600 to 2400 m / min.
- the thread is fed over the deflection roller 4 and over the convergence point 6 to the winder 8 at a winding speed of at least 4000 m / min. Any stretching is determined by the difference between the winder speed and that of the cooling roll 3.
- the effect of the cooling roller can be enhanced by heat dissipation using a coolant.
- a standard polyester polymer with an intrinsic viscosity of 0.75 dl / g was galettlos with a constant winding speed of 5000 m / min to the two titers dtex 67 f 12 and 200 f 30 (nom. 55 dtex f 12 and 167 f 30) spun.
- the boiling shrinkage is given.
- the boiling shrinkage was determined by measuring the length before and after heat treatment in water [KS measurement: individual thread 50 cm long (unshrunk); at 98 ° C ⁇ 1 ° C in water for 2.5 minutes; Average of 3 measurements].
- KS measurement individual thread 50 cm long (unshrunk); at 98 ° C ⁇ 1 ° C in water for 2.5 minutes; Average of 3 measurements.
- the value of the shrinkage can be viewed as a measure of the crystallinity, verified by measuring the density of the threads.
- the optimal distance between spinneret and roller was determined for the respective spinning titer and its desired properties.
- the spinning result can be influenced by the distance between the spinneret / roller, the peripheral speed of the roller and the contact length of the thread / roller (corresponds to the cooling time).
- the cooking shrinkage is mainly influenced by the distance between the spinneret and the roller, while the orientation shows no clear tendency.
- Table 1 It can be seen from Table 1 that, as the distance between the KS increases, it initially drops slightly, when a limit value is reached, in the described case about 55-60 cm, suddenly drops very sharply.
- the contact and thus the cooling time can be varied through the variable wrap angle of the thread on the roller circumference. This parameter also essentially influences the KS of the spun yarns. If the cooling time, ie the contact length, is shortened, the same dependencies on the distance between the spinneret and the roller tend to be shown in Table 2, only at a lower level.
- the orientation of the spun thread can be adjusted within certain limits via the roller speed.
- Table 3 shows, the cooking shrinkage increases at the same time as the speed increases, strongly below 2000 m / min, and only above easy, with opposite tendency of orientation (birefringence).
- a particular advantage of the method according to the invention is seen in the fact that, in contrast to the known cooling methods with water or air, the yarn properties can be influenced in a targeted manner.
- the method according to the invention works more economically, since neither a system for cooling air and its complex operation nor precautions for occurring contamination by splash water have to be taken in wet operation.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochorientierten, amorphen Polyesterfilamentfäden durch Schmelzspinnen mit Abzugsgeschwindigkeiten >4000 m/min sowie Polyesterfilamentfäden hergestellt nach dem Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
- Die Herstellung eines schnellgesponnenen Polyesterfilamentgarnes, das wenigstens zu 85 Gew.-% aus Ethylenterephthalateinheiten besteht, führt zu einem Vorlagegarn, welches zur Falschdralltexturierung durch seine hochorientierten, amorphen Eigenschaften hervorragend geeignet ist. Diese Eigenschaften sind aber nur erreichbar, wenn eine rasche Abkühlung bei hohen Aufspulgeschwindigkeiten erfolgen kann.
- Zur Realisierung einer derartigen Schockkühlung wurden im wesentlichen zwei unterschiedliche Verfahren vorgeschlagen.
- So beschreibt die EP-A-0 089 819 eine Schockkühlung mittels Wasser. Dabei wird ein Polyethylenterephthalat-Filamentfaden mit wenigstens 5000 m/min in einem Wasserbad abgeschreckt. Der resultierende Faden weist bei hoher Orientierung nur eine geringe Kristallinität auf, nachgewiesen durch einen Kochschrumpf von wenigstens 45 % und höchstens 68,5 %.
- Die Abkühlung in Wasser hat jedoch schwerwiegende Nachteile. Zunächst wird der Faden im Wasserbad gebremst, woraus hohe Spannungen resultieren. Es treten Probleme mit Spritzwasser und dem Auftrag einer Spinnpräparation auf den nassen Faden auf. Bei Verwendung einer Wasserkühlung steigt mit zunehmender Filamentzahl das mitgeschleppte, an der Oberfläche haftende Wasser und damit das Spritzwasser stark an.
- Gegenüber dem Schockkühlen mit Wasser wurde eine Verbesserung mit einer Luftkühlung erzielt. So beschreibt die EP-A-0 244 216 ein Polyesterfilamentgarn, welches bei mehr als 5000 m/min in einer Überdruckkammer gesponnen, an deren Ausgang ein enges Rohr angebracht ist, wobei durch den Venturieffekt eine Schockkühlung erfolgt. Bei Luftkühlung ist mit zunehmender Filamentzahl die gleichmässige Kühlung des zusammengefassten Filamentbündels im Kühlrohr (Venturi) nicht mehr gewährleistet.
- Neben dem Nachteil des hohen spezifischen Luftverbrauches bis etwa 70 Nm³/kg Polyethylenterephthalat, ist durch die Schockkühlung mit Luft keine definierte Fadengeschwindigkeit im Bereich unterhalb der Spinndüse möglich, gerade dort, wo das schmelzflüssige Material am empfindlichsten reagiert.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Schockkühlung eines schnellgesponnenen Polyethylenterephthalatfilamentfadens aufzuzeigen, welcher eine definierte Fadengeschwindigkeit im Bereich zwischen Spinndüse und Kühlelement gewährleistet.
- Eine weitere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens zur Verfügung zu stellen.
- Noch eine weitere Aufgabe ist es, einen Polyesterfilamentfaden mit einer hohen Doppelbrechung und einem relativ hohen Kochschrumpf als Vorlagegarn zur Verfügung zu stellen.
- Die Lösung der Aufgabe liegt in einem Verfahren, das gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ist, dass die schmelzgesponnenen Filamentfäden mittels einer umlaufenden Kontaktfläche abgekühlt, danach spinnpräpariert und aufgespult werden.
- Eine umlaufende Kontaktfläche hat den Vorteil, dass ohne ein flüssiges oder gasförmiges Medium ein Arbeiten unter definierteren Bedingungen erfolgen kann. Unabhängig davon lässt sich durch Festlegung des Abstandes der Kühlfläche von der Spinndüse und des Umschlingungswinkels des Fadens auf der Kühlfläche die Abkühlungsrate festlegen.
- Durch die Variation der beiden Parameter allein lässt sich eine Vielzahl von Garneigenschaften erzielen.
- Es hat sich als zweckmässig erwiesen, die Berührungszeiten der Filamentfäden auf der Kontaktfläche zwischen 1x10⁻³ und 1x10⁻² s, insbesondere 2x10⁻³ - 1x10⁻² s zu wählen, festgelegt bei einem Umfangsgeschwindigkeitsbereich der Kontaktfläche zwischen 800 bis 2400 m/min, insbesondere zwischen 1600 bis 2400 m/min. Aus der Zeitangabe kann selbstverständlich auch die Kontaktlänge oder der Umschlingungswinkel des Filamentfadens berechnet werden.
- Der nach dem Verfahren hergestellte Polyesterfaden weist in überraschender Weise einen undeformierten, kreisför-migen Querschnitt ohne Verklebungen auf. Die Doppelbrechungswerte liegen, abhängig von der Einstellung zwischen Δn=0,08 und Δn= 0,11 wobei das Garn gleichzeitig einen Kochschrumpf >40 %, insbesondere zwischen 40-70 %, bevorzugt 45-60 % aufweist, bezogen auf den ungeschrumpften Filamentfaden.
- Als Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens hat sich eine umlaufende Kontaktfläche als Kühlelement geeignet erwiesen.
- Eine rotierende Kontaktfläche hat den Vorteil, dass eine grössere Anzahl von Einzelfilamenten gekühlt werden kann, als dies bei bekannten Schockkühlverfahren möglich ist. So ist es ohne weiteres möglich 30 und mehr Filamente gleichzeitig zu kühlen. Die gewünschten Eigenschaften des Hochschrumpfgarnes (>40% KS, insbesondere 40-70 % KS) lassen sich in besonders einfacher Weise durch Variationen des Abstandes zur Spinndüse sowie der Umlaufgeschwindigkeit der Kontaktfläche einstellen.
- Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kontaktfläche als Kühlwalze ausgebildet. Die Kühlwalze ist bevorzugt ein Hohlkörper aus einem gut wärmeleitenden Material und kann mit zusätzlichen Anschlüssen für ein Wärmetransportmittel bzw. Kühlmittel versehen sein. Eine solche Walze gewährleistet eine nahezu beliebige Wärmeabfuhr der Polyesterfilamentfäden.
- Zur Schockkühlung von Polyesterfilamentfäden ist auch ein Kühlband geeignet, dessen Dicke von der Biegefähigkeit des Bandes abhängig ist.
- Die Kontaktfläche besteht zweckmässig aus einem gut wärmeleitfähigem Werkstoff, bevorzugt einem Metall oder einer Legierung. Besonders geeignet sind Kupfer, Aluminium und ihre Legierungen.
- Die Dicke der Metallschicht beträgt 2-100 mm, bevorzugt 10-80 mm, insbesondere 40-60 mm. Der Abstand der Kühlwalze von der Spinndüse beträgt 250-1500 mm, abhängig vom Filament- und Gesamttiter.
- Die Erfindung soll anhand von Zeichnungen näher beschrieben werden.
- Es zeigen:
- Fig. 1
- schematische Darstellung des erfindungsgemässen Verfahrens mit einer Kühlwalze
- Fig. 2
- eine um 90° gedrehte Ansicht nach Fig. 1
- Fig. 3
- schematische Darstellung eines Kühlbandes
- In Fig. 2 ist die nach Fig. 1 gezeigte Anordnung um 90° gedreht dargestellt. Neben den aus Fig. 1 bekannten Vorrichtungsteilen sind Anschlüsse 11 für ein Wärmetransportmittel angegeben. Aus der Darstellung soll der Verlauf der Einzelfilamente bis zum Konvergenzpunkt 6 anschaulich hervorgehen. Die Anzahl der Filamentfäden 2 ist weitgehend unkritisch.
- In Fig. 3 ist ein Kühlband 10 gezeigt, welches über Rollen 9, 9' und 9'' geführt und wenigstens eine dieser Rollen mittels eines nicht gezeigten Motors angetrieben wird. Das Filamentfadenbündel 2 trifft auf das Kühlband 10 im Bereich der Rolle 9 auf und verlässt das Kühlband 10 im Bereich der Rolle 9' als Gesamtfaden 5 in Richtung des nicht gezeigten Spulers 8.
- Im Betrieb trifft ein aus der Spinndüse 1 austretendes Polresterfilamentfadenbündel 2 auf die Oberfläche der Kühlwalze 3, wo es eine Schockkühlung während seiner Berührung mit der Walzenoberfläche erfährt. Dabei dreht sich die Kühlwalze mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 1600 bis 2400 m/min. Der Faden wird über die Umlenkrolle 4 und über den Konvergenzpunkt 6 dem Spuler 8 mit einer Wickelgeschwindigkeit von mindestens 4000 m/min Zugeführt. Eine eventuelle Verstreckung wird von der Differenz der Spulergeschwindigkeit und derjenigen der Kühlwalze 3 bestimmt.
- Im Bedarfsfall kann die Wirkung der Kühlwalze durch Wärmeabfuhr mittels eines Kühlmittels verstärkt werden.
-
- Variiert wurden:
- der Abstand Spinndüse/Walze 30 - 100 cm - die Walzengeschwindigkeit 1600 - 2400 m/min - die Fadenkontaktlänge auf der Walze 12 - 16 cm
Anstelle der Kristallinität ist der erreichte Kochschrumpf (KS) angegeben. Der Kochschrumpf wurde durch Längenmessung vor und nach einer Wärmebehandlung im Wasser bestimmt [KS-Messung: Einzelfaden von der Länge 50 cm (ungeschrumpft); bei 98°C ± 1°C im Wasser während 2,5 Minuten; Mittelwert von 3 Messungen]. Bei etwa gleicher Orientierung der Garne kann der Wert des Kochschrumpfes vergleichend als Mass für die Kristallinität angesehen werden, nachgewiesen mit Dichtemessungen der Fäden. Mit Hilfe dieser Messresultate wurde die für den jeweiligen Spinntiter und dessen gewünschte Eigenschaften der optimale Abstand Spinndüse/Walze festgelegt. Durch den Abstand Spinndüse/Walze, die Umfangsgeschwindigkeit der Walze und die Kontaktlänge Faden/Walze (entspricht der Kühlzeit) kann das Spinnergebnis beeinflusst werden. Bei konstanter Umfangsgeschwindigkeit der Walze und konstanter Kontaktlänge des Fadens auf deren Oberfläche wird vor allem der Kochschrumpf vom Abstand Spinndüse/Walze beeinflusst, während die Orientierung keine eindeutige Tendenz erkennen lässt. Die Versuchsergebnisse sind tabellarisch dargestellt. Aus der Tabelle 1 ist zu entnehmen, dass mit zunehmendem Abstand der KS zunächst leicht, bei erreichen eines Grenzwertes, im beschriebenen Fall ca. 55-60 cm, plötzlich sehr stark absinkt. - Durch den variablen Umschlingungswinkel des Fadens am Walzenumfang lässt sich die Kontakt- und damit die Kühlzeit variieren. Durch diese Kenngrösse wird ebenfalls im wesentlichen der KS der gesponnenen Garne beeinflusst. Bei einer Verkürzung der Kühlzeit, d.h. der Kontaktlänge, zeigen sich gemäss Tabelle 2 tendenzmässig die gleichen Abhängigkeiten vom Abstand Spinndüse/Walze, nur auf tieferem Niveau.
- Anders als bei den schon genannten Einstellgrössen der Kühlwalze, bei deren Änderung die Orientierung nicht in eindeutiger Weise in eine bestimmte Richtung beeinflusst werden konnte, lässt sich über die Walzengeschwindigkeit die Orientierung des gesponnenen Fadens in gewissen Grenzen einstellen. Wie Tabelle 3 zeigt, vergrössert sich gleichzeitig mit zunehmender Geschwindigkeit der Kochschrumpf, unterhalb 2000 m/min stark, oberhalb nur noch leicht, bei gegenläufiger Tendenz der Orientierung (Doppelbrechung).
- Infolge verlangsamter Abkühlung vor der Walze muss beim Spinnen des Titers dtex 200 f 30 (nom. dtex 167 f 30) - höherer Filamenttiter und grössere Filamentanzahl - der Abstand Spinndüse/Walze auf ca. 80 cm vergrössert werden, um einen Kochschrumpf >40 % zu erhalten. Grundsätzlich bleiben die für dtex 67 f 12 gefundenen Abhängigkeiten aber erhalten, wie für das Beispiel der Walzengeschwindigkeit aus Tabelle 4 ersichtlich ist.
- Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens wird darin gesehen, dass im Gegensatz zu den bekannten Kühlverfahren mit Wasser oder Luft, auf die Garneigenschaften gezielt Einfluss genommen werden kann. Darüber hinaus arbeitet das erfindungsgemässe Verfahren wirtschaftlicher, da weder eine Anlage für Kühlluft und deren aufwendigen Betrieb noch Vorkehrungen für auftretende Verschmutzungen durch Spritzwasser im Nassbetrieb getroffen werden müssen.
Claims (11)
- Verfahren zur Herstellung von hochorientierten, amorphen Polyesterfilamentfäden durch Schmelzspinnen mit Abzugsgeschwindigkeiten >4000 m/min, dadurch gekennzeichnet, dass die schmelzgesponnenen Filamentfäden (2) mittels einer umlaufenden Kontaktfläche abgekühlt, danach spinnpräpariert und aufgespult werden.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die laufenden Filamentfäden (2) die Kontaktfläche während 1x10⁻³ bis 1x10⁻² s berühren.
- Polyesterfilamentfäden, hergestellt nach dem Verfahren gemäss den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Doppelbrechung von Δn >0,08 und einen Kochschrumpf >40 %, bezogen auf die Länge des ungeschrumpften Fadens, bei 98°C ± 1°C, im Wasser, während 2,5 Minuten.
- Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche zwischen einer Spinndüse (1) und einem Spuler (8) angeordnet ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Kontaktfläche eine drehbare Kühlwalze (3) ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Kontaktfläche ein Kühlband (10) ist.
- Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche aus einem Metall besteht.
- Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloberfläche aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.
- Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des Metalls 2 bis 100 mm beträgt.
- Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwalze (3) in einem Abstand von 250 mm bis 1500 mm zur Spinndüse (1) angeordnet ist.
- Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwalze (3) als Hohlkörper mit Anschlüssen (11) für ein Kühlmittel versehen ist.
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