EP1045930A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines hochorientierten fadens - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Spinnvorrichtung zum Herstellen eines hochorientierten Fadens (HOY) aus einem thermoplastischen Material beschrieben. Hierbei wird der Faden mit einer Abzugsgeschwindigkeit von mindestens 6.500 m/min von einer Spinndüse abgezogen, wobei die den Faden bildenden Filamente beim Erstarren verstreckt werden, so dass sich eine hochorientierte Molekularstruktur in dem Polymer ausbildet. Um die durch die hohe Abzugsgeschwindigkeit erzeugte Abzugsspannung ohne Überlastung der Filamente beim Verstrecken zu ertragen, werden die Filamente vor der Erstarrung in ihrer Fortbewegung derart unterstützt, dass vor der Erstarrung eine Zugspannungsentlastung an den Filamenten wirkt und dass während der Erstarrung beim Verstrecken eine verminderte Abzugsspannung an den Filamenten wirksam ist.

Description

BESCHREIBUNG

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines hochorientierten Fadens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines hochorientierten Fadens (HOY) aus einem thermoplastischen Material und eine Spinnvorrichtung zum Schmelzspinnen eines hochorientierten Fadens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12

Bei der Herstellung von synthetischen multifilen Faden aus einer thermoplastischen Schmelze in einer Prozeßstufe wird grundsatzlich zwischen teil verstreckten Fäden und vollverstreckten Faden unterschieden Die teilverstreckten Fäden weisen eine vororientierte Molekularstruktur auf, die in einer zweiten Prozeßstufe eine Nachverstreckung erfordert. Sie werden als pre- oriented yarns (POY) bezeichnet. Demgegenüber sind die vollverstreckten Garne (FDY) ohne eine Nachverstreckung direkt für eine Weiterverarbeitung geeignet. Die FDY-Garne werden dabei im Spinnprozeß mittels Streckwerke hochverstreckt, so daß sich eine ausgerichtete Molekularstruktur im Polymer einstellt.

Um einen Faden mit möglichst hoher Orientierung der Moleküle des Polymers herzustellen, sind auch Verfahren bekannt, bei welchen der Faden bereits wahrend der Verfestigung unmittelbar vor Erstarrung des Polymers hoch verstreckt wird. Bei diesen als high oriented yarn (HOY) bekannten Garnen fuhrt eine spannungsinduzierte Kristallisation zur Orientierung der Moleküle im Polymer Gegenüber den FDY-Garnen weisen die bekannten HOY-Garne eine geringere Elastizitätsgrenze auf, was je nach Weiterverarbeitungsverfahren aufgrund der Krafteinwirkung auf diese Garne zu einer bleibenden Deformation und damit zu einer ungleichmäßigen Anfarbung fuhren kann Für Weiterverarbeitungsverfahren, bei denen größere Spannungsspitzen auf diese Garne einwirken, sind die bekannten HOY Garne ganzlich ungeeignet

Nun laßt sich zwar die Elastizitätsgrenze von HOY Garnen theoretisch durch Steigerung der Abzugsgeschwindigkeit heraufsetzen, jedoch sind diesem Prozeß physikalische Grenzen gesetzt, da beim Schmelzespinnen von HOY-Garnen die den Faden bildenden Filamente beim Verstrecken nur eine begrenzte Kristallinitat aufweisen dürfen, um einen sicheren Abzug ohne Garnschadigung zu gewahrleisten Ein zu hoch vorkristallisiertes Filament ist in seiner Struktur zu stark eingefroren, als daß es sicher die im Streckpunkt auftretenden Kräfte ohne Überlastung übersteht

Im Stand der Technik wird beispielsweise in der EP 0 530 652 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines synthetischen Fadens offenbart, bei welcher die Filamente vor der Erstarrung einer verzögerten Abkühlung unterzogen werden Dadurch wird die Kristallisation der Filamente weiter verzögert, was zu einer erhöhten Elastizitätsgrenze der Garne fuhrt Die bekannte Vorrichtung und das bekannte Verfahren besitzen jedoch den Nachteil, daß die Lange der verzögerten Abkühlung nur sehr begrenzt sein kann, da die fehlende Stabilisierung der Filamente durch die Anblasung innerhalb diesen Bereiches eine zunehmende Gefahr zur Verklebung der Filamente darstellt

In der EP 244 217 (= US 5,141,700) und der US 5,034,182 wird vorgeschlagen, die Filamente nach Durchlauf eines unter Druck stehenden Kuhlschachtes mittels eines Luftstroms aus dem Kuhlschacht zu fordern Damit wird ebenfalls eine verzögerte Kristallisation der Filamente erreicht Nach der EP 0 682 720 wird ebenfalls eine verzögerte Kristallisation des Polymers erreicht, wobei die Filamente vor Erstarrung mit einem begleitenden Luftstrom beaufschlagt werden Die im Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen verfolgen alle das Ziel, einen synthetischen Faden mit möglichst hohen Aufspulgeschwindigkeiten herzustellen, ohne daß sich die physikalischen Eigenschaften im wesentlichen verandern So wird bei diesen bekannten Verfahren die Absenkung der Dehnung bei höheren Abzugsgeschwindigkeiten durch die verzögerte Kristallisation des Polymers in der Spinnlinie kompensiert Diese Verfahren sind jedoch ungeeignet, um HOY-Garne mit höheren Elastizitätsgrenzen und mit höheren Festigkeiten herzustellen

Bei der Herstellung eines hochorientierten Fadens besteht das Problem, daß die bekannten Garne zu hohe Dehnungswerte und zu niedrige Festigkeiten aufweisen Die Dehnungswerte des Garnes konnten durch Erhöhung der Abzugsgeschwindigkeit verbessert werden Eine Erhöhung der Abzugsgeschwindigkeit beispielsweise bei der aus der EP 0 530 652 bekannten Vorrichtung fuhrt zwangsläufig zu einer Erhöhung der Abzugsspannung, die dann aufgrund der geringen Festigkeit der Filamente jedoch eine Überlastung der Filamente beim Verstrecken zur Folge hat

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Spinnvorrichtung zur Herstellung eines hochorientierten Fadens (HOY) zu schaffen, der typische Dehnungen und Festigkeiten eines vollverstreckten Garnes (FDY) aufweist und mit hoher Spinnsicherheit herstellbar ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Spinnvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelost

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Überlastung der Filamente im Vorgang der Fadenbildung begründet liegt Beim Schnellspinnen beobachtet man keinen gleichmaßigen Anstieg der Fadengeschwindigkeit zwischen Fadenaustritt aus der Spinndüse und dem Erstarrungspunkt der Filamente Nach Austritt der Filamente aus der Spinndüse tritt zunächst eine relativ langsame Beschleunigung ein bis zum Einsetzen der spannungsinduzierten Kristallisation Die spannungsinduzierte Kristallisation führt innerhalb weniger Zentimeter zu einer Beschleunigung der Filamente auf die Abzugsgeschwindigkeit Hierbei muß die Festigkeit der Filamente großer sein als die zur Beschleunigung des Fadens erforderlichen Kräfte, um einen Filamentbruch zu vermeiden Erfindunsgemaß werden die Filamente vor der Erstarrung in ihrer Fortbewegung derart unterstutzt, daß vor der Erstarrung keine wesentlichen zusatzlichen Zugspannungen resultierend aus Luftreibungskraften an den Filamenten wirken Dadurch werden die Filamente vor der Erstarrung entlastet, so daß wahrend der Erstarrung beim Verstrecken eine verminderte Abzugsspannung an den Filamenten wirksam ist Damit wird einerseits eine hohe Orientierung der Moleküle beim Verstrecken erreicht und andererseits eine hohe Abzugsgeschwindigkeit mit entsprechend hoher Abzugsspannung ermöglicht Die Abzugsspannung wird dabei durch eine Abzugsgeschwindigkeit von mindestens 6 500 m/min erzeugt Es hat sich gezeigt, daß damit ein hochorientierter Faden mit Festigkeiten von großer 4 cN/dtex und Dehnungen im Bereich von 30% herstellbar ist

Um die Filamentbewegung vor Erstarrung der Filamente zu unterstutzen bzw um eine Entlastung der an den Filamenten wirkenden Kräften vor der Erstarrung herbeizufuhren, sind erfindungsgemaß grundsatzlich zwei Verfahrensvarianten möglich Bei der ersten Verfahrensvariante wird die Laufgeschwindigkeit der Filamente vor dem Verstrecken durch eine höhere Spritzgeschwindigkeit beim Extrudieren der Filamente erhöht In der Praxis ist diese Möglichkeit infolge der hohen Druckabfalle über die Dusenplatte nur bis zu einem bestimmten Maße einsetzbar

Bei einer weiteren Verfahrensvariante wird die an den Filamenten wirkende Luftreibung beeinflußt Hierzu werden die Filamente nach dem Extrudieren durch ein Kuhlmedium gefuhrt Unmittelbar vor der Erstarrung der Filamente wird dabei ein die Filamentbewegung unterstutzender Kuhlmediumstrom erzeugt Damit wird eine Reduzierung der an den Filamenten abbremsend wirkenden Luftreibung reduziert Als Kuhlmedium wird dabei vorzugsweise Luft eingesetzt Bei einer besonders vorteilhaften Verfahrensvariante gemäß Anspruch 4 besitzt der Kuhlmedienstrom eine Stromungsgeschwindigkeit, die im wesentlichen gleich groß der Laufgeschwindigkeit der Filamente vor dem Erstarren ist Damit wirken keine bremsenden Stromungskrafte an den Filamenten, so daß sich die Laufgeschwindigkeit der Filamente weiter erhöht

Zur weiteren Verringerung der beim Erstarren wirkenden Zugkräfte laßt sich gemäß Anspruch 5 der Kuhlmedienstrom mit einer Stromungsgeschwindigkeit erzeugen, die großer ist als die Laufgeschwindigkeit der Filamente vor dem Erstarren Damit können hochorientierte Faden mit hoher Festigkeit bei noch höheren Prozeßgeschwindigkeiten hergestellt werden

Bei einer besonders vorteilhaften Verfahrensvariante nach Anspruch 6 werden zur Erzeugung des Kuhlmedienstroms die Filamente vor dem Erstarren durch einen Konfusor und einen Diffusor geführt Dadurch kann gezielt an einer Stelle oder einer sehr kurzen Strecke der Spinnlinie der Kuhlmedienstrom erzeugt werden Vorzugsweise wird der engste Querschnitt des Konfüsors in der Spinnlinie derart plaziert, daß er kurz vor dem Erstarrungspunkt der Filamente liegt Durch diese Maßnahme laßt sich eine spannungsindizierte Vororientierung innerhalb der Filamente verringern Die Verfestigung des Fadens erfolgt innerhalb einer sehr kurzen Strecke, was zu einer besonders hohen Orientierung der Molekulketten in dem Polymer fuhrt

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 7 werden die Filamente nach dem Extrudieren und vor dem Erstarren durch einen Kuhlschacht gefuhrt, der durch eine luftdurchlässige zylindrische Wandung mit Umgebungsluft verbunden ist Damit wird eine verzögerte Abkühlung der Filamente erreicht, so daß die Fließkrafte vorteilhaft beeinflußt werden und zu einer weiteren Entlastung der Abzugsspannung führen Diese Maßnahme ist in zweierlei Hinsicht von Vorteil, da einerseits eine erhöhte Abzugsspannung beim Verstrecken der Filamente möglich ist und andererseits durch die verzögerte Abkühlung eine Vororientierung der noch schmelzeflussigen Filamente im wesentlichen verhindert wird

Diese Maßnahme laßt sich durch die Verfahrensvariante gemäß Anspruch 8 noch weiter verbessern Hierzu werden die Filamente unmittelbar nach Austritt aus der Spinndüse durch eine Heizzone gefuhrt, in welcher den Filamenten eine Wärmemenge zugeführt wird

Um das Verfahren mit möglichst geringem Aggregateaufwand zu betreiben, ist die Verfahrensvariante nach Anspruch 9 besonders vorteilhaft Hierbei wird die Abzugsspannung direkt durch die Aufspulgeschwindigkeit einer Aufspulvorrichtung erzeugt

Um möglichst einen besonders qualitativ hochwertigen gleichmaßigen Faden zu erzeugen, ist die Verfahrensvariante nach Anspruch 10 bevorzugt anzuwenden Dabei wird die Abzugsspannung durch ein Lieferwerk bestimmt Das Lieferwerk ist vor der Aufspul Vorrichtung angeordnet, so daß Fadenspannungsschwankungen aufgrund des Aufwickeins sich vorteilhaft nicht in der Spinnlinie auswirken können Der Faden kann mit sehr gleichmaßiger Abzugsspannung hergestellt werden

Erfindungsgemaß wird ein hochorientierter Faden mit im wesentlichen ahnlichen Eigenschaften wie ein vollverstreckter Faden durch Einflußnahme in der Spinnlinie herstellbar Dabei hat sich die erfindungsgemaße Spinnvorrichtung nach Anspruch 12 als besonders vorteilhaft zur Durchführung des Verfahrens herausgestellt Die Kuhleinrichtung wird erfindungsgemaß durch einen Konfusor und einen auf der Auslaßseite des Konfüsors angeordneten Diffusor gebildet. Durch den Konfusor erfolgt eine starke Beschleunigung der von den Filamenten mitgeschleppten Luft, wobei der Kuhlluftstrom im engsten Querschnitt zu einer maximalen Geschwindigkeit beschleunigt wird Direkt nach Passieren des engsten Querschnittes des Konfüsors erfolgt eine Ausdehnung der Kuhlluft durch den Diffusor Die Stromungsgeschwindigkeit der Kuhlluft verlangsamt sich somit Dadurch wird die Filamentbewegung sehr kurzzeitig unterstutzt Eine längere Behandlungsstrecke, die eine Vororientierung begünstigt, wird vermieden

Mit der besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemaßen Spinnvorrichtung gemäß Anspruch 13 wird erreicht, daß beim Einlaufen in den Konfusor keine den Lauf der Filamente beeinflussenden Luftturbulenzen entstehen

Bei den Verfahrensvarianten, bei welchen bereits eine Reduzierung oder eine Vermeidung von den Filamentenlauf abbremsenden Luftreibungen ausreicht, um einen hochorientierten Faden herzustellen, ist die Spinnvorrichtung bevorzugt nach Anspruch 14 ausfuhrbar

Hierbei lassen sich auf der Auslaßseite der Kuhleinrichtung beim Ausdehnen des die Filamente umgebenden Luftstroms Turbulenzen vermeiden, indem die Spinnvorrichtung gemäß Anspruch 15 ausgebildet ist Damit wird die mitgefühlte Luft gleichmaßig über den gesamten Umfang des Filamentbundels abgeführt

Um bei der Herstellung des Fadens ein gunstiges Stromungsprofi 1 zu erreichen, hat sich herausgestellt, daß der Konfusor im engsten Querschnitt einen Durchmesser von mindestens 10 mm bis maximal 40 mm aufweisen sollte

Um zum Aufbau der Luftströmung sowie zur Kühlung der Filamente eine ausreichende Luftmenge in die Spinnlinie und insbesondere in die Mitte des Filamentbundels zur Verfügung zu stellen, ist die Ausbildung der Spinnvorrichtung gemäß Anspruch 18 besonders vorteilhaft Damit laßt sich unabhängig von der Filamentgeschwindigkeit und unabhängig vom Differenzdruck zwischen dem Kuhlschacht und der Umgebung die in den Kuhlschacht einströmende Luftmenge beeinflussen Somit ist es möglich, gezielt auf die Eigenschaften der Filamente Einfluß zu nehmen Die durch die Wandung des Einlaßzylinders eintretende Luftmenge ist hierbei proportional abhangig von der Gasdurchlassigkeit bzw der Porosität der Wandung Bei großer Gasdurchlassigkeit wird dementsprechend eine bei ansonsten konstanten Bedingungen größere Luftmenge pro Zeiteinheit in den Kuhlschacht eingeleitet Im umgekehrten Fall tritt also bei kleiner Gasdurchlassigkeit der Wandung eine in Relation geringere Luftmenge in den Spinnschacht ein Der Übergang der Gasdurchlassigkeit von einer zu anderen Zone wird vorzugsweise stufenlos ausgeführt, um größere Differenzstrome zu vermeiden Es ist jedoch auch ein gestufter Übergang der Gasdurchlassigkeiten möglich

Bei der Herstellung des Fadens ist besonders wichtig, daß jedes Filament in der Spinnlinie bis zum Zusammenfassen gleichmaßig behandelt wird Durch die Ausbildung der Spinnvorrichtung gemäß Anspruch 19 wird gewahrleistet, daß die im Konfusor erzeugte Strömung gleichmaßig an jedem der Filamente wirkt

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfmdungsgemaßen Spinnvorrichtung nach Anspruch 20 wird der Faden mittels eines Lieferwerks von der Spinndüse abgezogen Damit können die Abzugsspannung und die Fadenspannung beim Aufwickeln des Fadens unabhängig voneinander eingestellt werden Desweiteren kann die Abzugsspannung mit hoher Gleichmäßigkeit erzeugt werden

Um in einer Spinnanlage mehrere Faden parallel nebeneinander herstellen zu können, ist die Ausbildung der Spinnvorrichtung nach Anspruch 21 besonders vorteilhaft Hierbei wird ein Fadenspannungsabbau über die Große der Umschlingung des Fadens an den Rollen eingestellt

Um eine frühzeitige Vororientierung der Filamente zu vermeiden, ist die Ausbildung der erfmdungsgemaßen Spinnvorrichtung gemäß Anspruch 22 besonders von Vorteil Hierbei ist zwischen der Spinndüse und dem Kuhlzylinder eine Heizeinrichtung zur thermischen Behandlung der Filamente vorgesehen Das erfmdungsgemaße Verfahren sowie die erfindungsgemaße Spinnvorrichtung sind geeignet, um hochorientierte textile Faden aus Polyester, Polyamid oder Polypropylene herzustellen

Im folgenden werden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen das erfindungsgemaße Verfahren sowie die erfindungsgemaße Spinnvorrichtung anhand einiger Ausführungsbeispiele naher beschrieben

Es stellen dar

Fig 1 ein erstes Ausfuhrungsbeispiel einer erfmdungsgemaßen Spinnvorrichtung,

Fig 2 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel einer erfmdungsgemaßen Spinnvorrichtung,

Fig 3 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Spinndüse,

Fig 4 schematisch einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Kuhlzylinders,

Fig 5 ein Diagramm mit der Festigkeit eines Fadens in Abhängigkeit von der Abzugsgeschwindigkeit

In Fig 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfmdungsgemaßen Spinnvorrichtung zum Spinnen eines hochorientierten Fadens gezeigt Flierbei wird ein Faden 12 aus einem thermoplastischen Material gesponnen Das thermoplastische Material wird hierzu über eine Einfulleinrichtung 43 in einem Extruder 40 aufgeschmolzen Der Extruder 40 wird über einen Antrieb 41 angetrieben, der zur Steuerung mit einer Steuereinheit 42 verbunden ist Hierbei kann die Steuerung beispielsweise druckabhangig erfolgen Hierzu ist die Steuereinheit 42 mit einem Drucksensor 48 verbunden, der am Ausgang des Extruders 40 angeordnet ist Die Schmelze gelangt von dem Extruder 40 durch eine Schmelzeleitung 47 zu einer Verteilerpumpe 44 Die Verteilerpumpe wird in ihrer Forderleistung durch einen Antrieb 45 und die Steuerung 46 gesteuert Von der Verteilerpumpe 44 wird die Schmelze über eine Schmelzeleitung 3 zu einem beheizten Spinnkopf 1 gefordert An der Unterseite des Spinnkopfes 1 ist eine Spinndüse 2 angebracht Die Spinndüse 2 weist auf der Unterseite eine Vielzahl von Dusenbohrungen auf Unter Druck wird nun die Schmelze durch die Dusenbohrungen extrudiert und tritt aus der Spinndüse in Form von feinen Filamentstrangen 5 aus Die Filamente 5 durchlaufen einen Kuhlschacht 6, der durch einen Kuhlzylinder 4 gebildet wird Der Kuhlzylinder 4 ist hierzu unmittelbar unterhalb des Spinnkopfes 1 angeordnet und umschließt die Filamente 5 Am freien Ende des Kuhlzylinders 4 schließt sich in Fadenlaufrichtung ein Konfusor 9 an Der Konfusor 9 fuhrt in Fadenlaufrichtung zur Einschnürung des Kuhlkanals 6 Im engsten Querschnitt des Konfüsors 9 ist ein Diffusor 10 angeordnet Der Konfusor 9 und der Diffusor 10 sind durch die Naht 8 miteinander verbunden Der Diffusor 10 fuhrt in Fadenlaufrichtung zu einer Erweiterung des Kuhlkanals 6 Am Ende des Diffusors 10 mundet der Diffusor in eine Unterdruckkammer 11 In der Unterdruckkammer 11 ist in Verlängerung des Diffusors 10 ein Siebzylinder 30 angebracht Der Siebzylinder 30 weist eine luftdurchlässige Wandung auf und durchdringt die Unterdruckkammer 11 bis zu deren Unterseite. An der Unterseite der Unterdruckkammer 11 ist in der Fadenlaufebene eine Auslaßoffnung 13 in der Unterdruckkammer 1 1 eingebracht An einer Seite der Unterdruckkammer 11 mundet ein Saugstutzen in die Unterdruckkammer 11 Über den Saugstutzen 14 ist ein am freien Ende des Saugstutzens 14 angeordneter Unterdruckerzeuger 15 mit der Unterdruckkammer 1 1 verbunden Der Unterdruckerzeuger 15 kann hierbei beispielsweise eine Unterdruckpumpe oder ein Geblase sein, welche einen Unterdruck in der Unterdruckkammer 1 1 und damit im Diffusor 10 erzeugt In der Fadenlaufebene unterhalb der Unterdruckkammer 11 sind eine Praparationseinrichtung 16 und eine Aufspulvorrichtung 20 angeordnet Die Aufspulvorrichtung 20 besteht aus einem Kopffadenfuhrer 19, der Kopffadenfuhrer 19 zeigt den Beginn des Changierdreiecks an, welches durch die Hin- und Herbewegung eines Changierfadenfuhrers einer Changiereinrichtung 21 entsteht Unterhalb der Changiereinrichtung 21 ist eine Andruckwalze 22 angeordnet Die Andruckwalze 22 liegt am Umfang einer zu wickelnden Spule 23 an Die Spule 23 wird auf einer rotierenden Spulspindel 24 erzeugt Die Spulspindel 24 wird hierzu über den Spindelmotor 25 angetrieben Der Antrieb der Spulspindel 25 wird hierbei in Abhängigkeit von der Drehzahl der Andruckwalze 22 derart geregelt, daß die Umfangsgeschwindigkeit der Spule und damit die Aufwickelgeschwindigkeit wahrend der Aufwicklung im wesentlichen konstant bleibt

Bei der in Fig 1 gezeigten Spinnvorrichtung wird eine Polymerschmelze zum Spinnkopf 1 gefordert und über die Spinndüse 2 in eine Vielzahl von Filamenten 5 extrudiert. Das Filamentbundel wird von der Aufspulvorrichtung 20 abgezogen Hierbei durchlauft das Filamentbundel mit zunehmender Geschwindigkeit den Kuhlschacht 6 innerhalb des Kuhlzylinders 4 Anschließend wird das Filamentbundel in den Konfusor 9 eingesogen Der Konfusor 9 ist über den Diffusor 10 mit dem Unterdruckerzeuger 15 verbunden Somit wird aufgrund der Unterdruckwirkung die außen am Kuhlzylinder 4 anstehende Umgebungsluft in den Kuhlschacht 6 hineingesogen. Die in den Kuhlschacht 6 eindringende Luftmenge ist hierbei proportional der Gasdurchlassigkeit der Wandung 7 des Kuhlzylinders 4 Die einströmende Luft führt zu einer Vorkuhlung der Filamente, so daß sich die Randschichten der Filament verfestigen Die Luftströmung wird aufgrund des engsten Querschnitts in der Naht 8 unter Wirkung des Unterdruckerzeugers 15 derart beschleunigt, daß die der Filamentbewegung entgegenwirkende Luftströmung reduziert oder vermieden wird Damit wird eine Unterstützung der Filamentbewegung erreicht, so daß beim Verstrecken der Filamente im Erstarrungsbereich nur eine verminderte Abzugsspannung wirksam ist Die Entlastung der Abzugsspannung ist hierbei davon abhangig, in welchem Maße die bremsende Luftreibung kompensiert ist Dabei wird angestrebt, die Stromungsgeschwindigkeit möglichst in dem Bereich der

Filamentgeschwindigkeit zu beschleunigen

Kurz unterhalb der Naht 8 sind die Filamente erstarrt Im weiteren Verlauf im Diffusor 10 werden die Filamente weiter abgekühlt Um im Austrittsbereich des Diffusors 10 möglichst wenig Turbulenzen und damit ein möglichst konstantes Stromungsprofil zu erzeugen, wird die Luftströmung über den Diffusor in den Siebzylinder 30 eingeleitet, der innerhalb der Unterdruckkammer 1 1 angeordnet und mit dem Unterdruckerzeuger 15 verbunden ist Die Luft wird sodann über den Stutzen 14 aus der Unterdruckkammer 1 1 abgesogen und abgeführt Die Filamente 5 treten auf der Unterseite der Unterdruckkammer 13 durch die Auslaßoffnung 13 aus und laufen in die Praparationseinrichtung 16 ein Durch die Praparationseinrichtung 16 werden die Filamente zu einem Faden 12 zusammengeführt Zur Erhöhung des Fadenschluß konnte der Faden vor der Aufwicklung durch eine Verwirbelungsduse verwirbelt werden In der Aufspul Vorrichtung 20 wird der Faden 12 zu der Spule 23 aufgewickelt

In Fig 2 ist ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel der erfmdungsgemaßen Spinnvorrichtung gezeigt Der grundsatzliche Aufbau der Spinnvorrichtung aus Fig 2 ist im wesentlichen identisch zu dem Aufbau der Spinnvorrichtung aus Fig 1 Insoweit wird an dieser Stelle zu der vorhergehenden Beschreibung zu Fig 1 Bezug genommen, und es werden nur die Unterschiede des Aufbaus der Spinnvorrichtung aus Fig 2 beschrieben

Bei der in Fig 2 dargestellten Spinnvorrichtung ist zwischen der Spinndüse 2 und dem Kuhlzylinder 4 direkt am Spinnkopf 1 eine Heizeinrichtung 31 angeordnet Die Heizeinrichtung 31 kann hierbei beispielsweise als Strahlungsheizer oder als zylindrischer Widerstandsheizer ausgebildet sein Durch die zusatzliche Heizeinrichtung 31 werden die Filamente nach der Extrusion durch die Dusenbohrungen der Spinndüse 2 thermisch behandelt, so daß eine verzögerte Abkühlung eintritt

Desweiteren weist die in Fig 2 dargestellte Spinnvorrichtung zwischen der Praparationseinrichtung 16 und der Aufspulvorrichtung 20 ein Lieferwerk 17 auf Das Lieferwerk wird durch zwei angetriebene Rollen 18 1 und 18 2 gebildet Die angetriebenen Rollen werden vom Faden 12 S-formig umschlungen Somit wird der Faden 12 durch das Lieferwerk 17 und die Aufspulvorrichtung 20 von der Spinndüse 2 abgezogen. Die Umfangsgeschwindigkeit der Rollen 18 1 und 18 2 ist dabei großer als die Aufspulgeschwindigkeit Damit wird ein Spannungsabbau im Faden zwischen dem Lieferwerk 17 und der Aufspulvorrichtung 20 erreicht Damit laßt sich der Faden mit einer geringeren Fadenspannung aufwickeln Die Umschlingungswinkel an den Rollen sind in diesem Ausfuhrungsbeispiel fest vorgegeben Es ist jedoch auch möglich, die Rollen 18 1 und 18 2 verstellbar auszuführen, so daß unterschiedliche Umschlingungswinkel einstellbar sind Der wesentliche Vorteil des zusatzlichen Lieferwerks der Spinnvorrichtung nach Fig 2 liegt darin, daß die aufgrund der Changierbewegung auftretenden Fadenspannungsschwankungen sich nur bis zum Lieferwerk fortpflanzen können Die Abzugsspannung in der Spinnzone bleibt unverändert, was zu einer gleichmaßigen Fadenbildung fuhrt

In Fig 3 ist eine Draufsicht eines Ausfuhrungsbeispiels einer Spinndüse 2 gezeigt, wie sie beispielsweise in der Spinnvorrichtung nach Fig 1 oder Fig 2 einsetzbar wäre Bei diesem Ausfuhrungsbeispiel der Spinndüse 2 sind die Dusenbohrungen 33 in einer Bohrungsreihe 34 ringförmig angeordnet Die Dusenbohrungen 33 sind in der Bohrungsreihe 34 jeweils mit gleichem Abstand zueinander in der Spinndüse 2 angebracht Konzentrisch zu der Bohrungsreihe 34 sind weitere Dusenbohrungen in einer zweiten Bohrungsreihe 36 eingebracht Die Dusenbohrungen 33 der beiden Bohrungsreihen 34 und 36 sind hierbei derart versetzt zueinander angeordnet, daß die Dusenbohrungen der innenliegenden Bohrungsreihe 36 jeweils zwischen zwei benachbarten Dusenbohrungen der außenliegenden Bohrungsreihe 34 angeordnet sind Durch diese Anordnung der Dusenbohrungen wird eine mittlere Einlaufzone 35 eingeschlossen, die keine Dusenbohrungen aufweist Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß bei Einsatz eines kegelstumpfformigen Konfüsors und eines kegelstumpfformigen Diffusors ein Stromungsprofil im engsten Querschnitt erzeugt wird, der im wesentlichen gleichmaßig an jedem einzelnen Filament wirkt Bekanntlich weist das Stromungsprofil eines durchflossenen kreisförmigen Korpers in der Mitte eine maximale Stromungsgeschwindigkeit auf, die zu den Randbereichen hin abfallt Somit lassen sich durch die ringförmige Anordnung der Dusenbohrungen in der Spinndüse 2 die Filamente vorteilhaft in Zonen führen, in denen eine gleichmaßige vom Konfusor erzeugte Stromungsgeschwindigkeit vorliegt

In Fig 4 ist ein Ausfuhrungsbeispiel eines Kuhlzylinders gezeigt, wie er beispielsweise in der Spinnvorrichtung nach Fig 1 oder Fig 2 einsetzbar wäre Der Kuhlzylinder 4 weist eine Wandung 7 auf, die als Lochblech mit zwei unterschiedlichen Lochungen 29 und 26 ausgebildet ist In einer oberen Zone am Ende des Kuhlzylinders, welches zur Spinndüse 2 gewandt ist, ist eine mit kleinem Durchmesser ausgebildete Lochung 29 eingebracht Die Lochung fuhrt in der oberen Zone zu einem schematisch angegebenen Einstromprofil 28 Das Einstromprofil 28, welches durch Pfeile symbolisiert ist, gibt ein Maß für die in den Kuhlschacht 6 eintretende Luftmenge die Lochung 29 ist innerhalb der oberen Zone gleich Damit erhöht sich die Luftmenge mit zunehmendem Abstand von der Spinndüse aufgrund der Unterdruckwirkung im Konfusor 9 und aufgrund der zunehmenden Filamentgeschwindigkeit

In einer unteren Zone, die an dem zum Konfusor 9 gewandten Ende ausgebildet ist, besitzt die Wandung 7 eine Lochung 26 mit größerem Offnungsquerschnitt Wie durch das symbolisierte Einstromprofil 27 dargestellt, wird in der unteren Zone eine größere Luftmenge in den Spinnschacht 6 eintreten Auch hierbei ist die Tendenz erkennbar, daß mit zunehmendem Abstand von der Spinndüse die einströmende Luftmenge zunimmt Das in Fig 4 gezeigte Einstromprofil über der Wandung des Kuhlzylinders ist besonders geeignet, um eine langsame und geringe Vorkuhlung der Filamente zu erhalten Das führt insbesondere zu einem sehr gleichmaßigen Fadenquerschnitt Damit ist es möglich, die Luftmenge auf die Wärmebehandlung der Filamente abzustimmen Es kann vorteilhaft die Vorkuhlung sowie die Ausbildung des Kuhlstroms beeinflußt werden

Mit dem erfmdungsgemaßen Verfahren lassen sich HOY-Garne herstellen, die physikalische Eigenschaften aufweisen, die eine direkte Weiterverarbeitung zulassen Somit werden Eigenschaften erreicht, die ansonsten nur den FDY- Garnen zugeschrieben sind Typische Dehnungen und Festigkeiten von FDY- Garnen liegen bei ca 30% und > 4 cN/dtex Im Vergleich hierzu sind in Tabelle 1 zwei Garne aus Polyester angegeben, die nach dem erfmdungsgemaßen Verfahren hergestellt wurden Hierbei wurde die Verfahrensvariante angewandt, wie sie aus der Anordnung der Spinnvorrichtung in Fig 2 hervorgeht Die Abzugsgeschwindigkeit war auf 7 500 m/min eingestellt Zur Unterstützung der Fortbewegung der Filamente wurde im Konfusor eine Luftströmung erzeugt, die eine Geschwindigkeit von ca 2 500 m/min erreichte Trotz der hohen Abzugsgeschwindigkeiten wurden Festigkeiten erreicht, die deutlich über 4 cN/dtex lagen. Bei Fadentitern von 55 dtex und 83 dtex lagen die Dehnungen bei 34% und 30%. Beide Garne zeichneten sich insbesondere durch ein sehr gutes Modulverhaltnis aus Der Kochschrumpf war mit 3% bis 2,8% zufriedenstellend In Fig 5 ist ein Diagramm gezeigt, bei welchem die Festigkeit eines Polyesterfadens in Abhängigkeit von der Abzugsgeschwindigkeit aufgetragen ist Es sind zwei Kurvenverlaufe dargestellt, die mit den Kleinbuchstaben a und b gekennzeichnet sind in beiden Fallen wurde ein Polyesterfaden mit einem Fadentiter von 83 dtex gesponnen Die Festigkeitskurve mit der Kennzeichnung a gibt hierbei die Festigkeit eines Fadens an, der mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt wurde Es ist dabei zu erkennen, daß kurz vor Erreichen der Abzugsgeschwindigkeit von 6 500 m/min die Festigkeit einbricht und mit zunehmender Abzugsgeschwindigkeit abfallt An dem Abfall der Reißfestigkeit ist die Überlastung des Garns bei diesem Prozeß zu erkennen Die Filamente des Fadens werden im Streckpunkt überlastet, weil hier ein schon zu hoch kristallisiertes und damit in seiner Struktur eingefrorenes Garn noch zu verstrecken ist Somit treten bereits ab einer Geschwindigkeit von > 6 500 m/min bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren einzelne Filamentbruche auf

Die Festigkeitskurve mit der Kennzeichnung b zeigt dabei den Verlauf der Festigkeit eines Polyesterfadens, der nach dem erfmdungsgemaßen Verfahren hergestellt wurde Es ist trotz der hohen Abzugsgeschwindigkeit eine stetige Steigerung der Festigkeit zu erkennen Die Erfindung ermöglicht es somit, ein hoch orientiertes Garn mit größeren Abzugsgeschwindigkeiten herzustellen Dabei bleibt die Spinnsicherheit, auch bei Abzugsgeschwindigkeiten von > 7 500 m/min, erhalten Durch geeignete Maßnahmen können daher auch deutlich höhere Abzugsgeschwindigkeiten zur Herstellung eines hochorientierten Fadens erreicht werden

Bezugszeichenliste

Spinnkopf

Spinndüse

Schmelzeleitung

Kuhlzylinder

Filamente

Kuhlschacht

Wandung

Naht

Konfusor

Diffusor

Unterdruckkammer

Faden

Auslaßoffnung

Saugstutzen

Unterdruckerzeuger

Praparationseinrichtung

Lieferwerk

Rolle

Kopffadenfuhrer

Aufspulvorrichtung

Changiereinrichtung

Andruckwalze

Spule

Spulspindel

Spindelantrieb

Lochung

Einstromprofil

Einstromprofil Lochung

Siebzylinder

Heizeinrichtung

Düsenbohrungen

Bohrungsreihe

Einlaufzone

Bohrungsreihe

Extruder

Antrieb

Steuereinheit

Einfülleinrichtung

Verteilerpumpe

Antrieb

Steuerung

Schmelzeleitung

Drucksensor

Claims

Patentanspruche

Verfahren zum Herstellen eines hochorientierten Fadens (HOY) aus einem thermoplastischen Material, bei welchem das thermoplastische Material aufgeschmolzen und zu einer Vielzahl von strangformigen Filamenten extrudiert wird, bei welchem die Filamente unter Wirkung einer Abzugsspannung abgezogen, beim Erstarren verstreckt und abgekühlt werden, bei welchem die Filamente nach dem Erstarren zu dem Faden zusammengefaßt werden und bei welchem der Faden zur Erzeugung der Abzugsspannung mit einer vorgegebenen Abzugsgeschwindigkeit abgezogen und zu einer Spule aufgewickelt wird, wobei die Abzugsspannung durch eine Abzugsgeschwindigkeit von mindestens 6500 m/min erzeugt wird und wobei die Filamente vor der Erstarrung in ihrer Fortbewegung derart unterstutzt werden, daß vor der Erstarrung eine Zugspannungsentlastung an den Filamenten wirkt und daß wahrend der

Erstarrung beim Verstrecken eine verminderte Abzugspannung an den Filamenten wirksam ist

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufgeschwindigkeit der Filamente vor dem Verstrecken durch eine

Erhöhung der Spritzgeschwindigkeit beim Extrudieren der Filamente erhöht wird

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filamente nach dem Extrudieren durch ein Kuhlmedium geführt werden und daß unmittelbar vor der Erstarrung der Filamente ein die Filamentbewegung unterstutzender Kuhlmediumstrom erzeugt wird

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kuhlmediumstrom eine Stromungsgeschwindigkeit aufweist, die im wesentlichen gleich groß der Laufgeschwindigkeit der Filamente vor dem Erstarren ist

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kuhlmediumstrom eine Stromungsgeschwindigkeit aufweist, die großer der Laufgeschwindigkeit der Filamente vor dem Erstarren ist

Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filamente vor dem Erstarren durch einen Konfusor gefuhrt werden, wobei der Konfusor auf der Auslaßseite seinen engsten Querschnitt aufweist und an einem Diffusor angeschlossen ist, an welchem zur Erzeugung des Kuhlmediumstroms ein Unterdruck anliegt

Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filamente nach dem Extrudieren und vor dem

Erstarren durch einen Kuhlschacht gefuhrt werden, der durch eine luftdurchlässige zylindrische Wandung mit der Umgebungsluft verbunden ist

Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filamente unmittelbar nach der Extrusion durch eine Heizzone gefuhrt werden, in welcher den Filamenten eine Wärmemenge zugeführt wird

Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzugsspannung durch eine Aufspulvorrichtung erzeugt wird, wobei die Abzugsgeschwindigkeit durch eine Aufspulgeschwindigkeit bestimmt ist

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzugsspannung durch ein im Fadenlauf vor der Aufspulvorrichtung angeordnetes Lieferwerk erzeugt wird, wobei die Abzugsgeschwindigkeit des Lieferwerkes großer ist als die Aufspulgeschwindigkeit der Aufspulvorrichtung

Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Lieferwerk durch zwei angetriebene Rollen gebildet wird, die vom Faden S-formig oder Z-formig umschlungen sind

Spinnvorrichtung zum Schmelzspinnen eines hochorientierten Fadens (HOY) aus einer thermoplastischen Schmelze, mit einer Spinndüse (2), welche auf der Unterseite eine Vielzahl von Dusenbohrungen zum Extrudieren einer Vielzahl von Filamenten (5) aufweist, mit einer Kuhleinrichtung, mit einer Praparationseinrichtung (16) zum Zusammenfassen der Filamente zu den Faden und mit einer Aufspulvorrichtung (20), dadurch gekennzeichnet, daß die

Kuhleinrichtung einen von den Filamenten durchlaufenen Konfusor (9) und einen auf der Auslaßseite des Konfüsors angeordneten Diffusor aufweist und daß der Konfusor und der Diffusor (10) jeweils einen sich in Fadenlaufrichtung ändernden Stromungsquerschnitt aufweisen, so daß in der Verbindungsnaht (8) zwischen dem Konfusor (9) und dem Diffusor

(10) ein engster Stromungsquerschnitt vorliegt

Spinnvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Konfusor (9) und der Spinndüse (2) ein Kuhlzylinder (4) mit einer die Filamente (5) einschließenden luftdurchlässigen Wandung (7) angeordnet ist

Spinnvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (10) an einem Unterdruckerzeuger (15) angeschlossen ist Spinnvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (10) auf der Auslaßseite mit einem luftdurchlässigen Siebzylinder (30) verbunden ist, welcher innerhalb einer Unterdruckkammer (11) die Filamente (5) umschließt und welche die Verbindung zwischen dem an der Unterdruckkammer (1 1) angeschlossenen Unterdruckerzeuger (15) und dem Diffusor (10) herstellt

Spinnvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Konfusor (9) im engsten Querschnitt einen Durchmesser von mindestens 10 mm bis maximal 40 mm aufweist

Spinnvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Konfusor (9) und der Diffusor (10) jeweils kegelstumpfformig ausgebildet sind, wobei der Kegelwinkel des Konfüsors (9) großer ist als der Kegelwinkel des Diffusors (10)

Spinnvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Kuhlzylinder (4) in Fadenlaufrichtung in mehrere Zonen mit jeweils unterschiedlicher Gasdurchlassigkeit der Wandung (7) unterteilt ist

Spinnvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Dusenbohrungen (33) der Spinndüse in einer oder mehreren ringförmigen Bohrungsreihen (34, 36) angeordnet sind, wobei die Bohrungen (33) einer Bohrungsreihe zueinander einen gleichen

Abstand aufweisen

Spinnvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lieferwerk (17) im Fadenlauf zwischen dem Diffusor (10) und der Aufspulvorrichtung (20) angeordnet ist Spinnvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Lieferwerk (17) zwei Rollen (18 1, 18 2) aufweist, daß zumindest eine der Rollen (18 1, 18 2) antreibbar ist und daß die Rollen (18 1, 18.2) im Fadenlauf derart zueinander angeordnet sind, daß sie vom Faden teilumschlungen werden

Spinnvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizeinrichtung (31) zur thermischen Behandlung der Filamente (5) zwischen der Spinndüse (2) und dem Kuhlzylinder (4) angeordnet ist