JPH10501589A - 溶融紡糸フィラメントを冷却するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 紡糸ノズルから排出される溶融体としての紡糸用ポリマーフィラメントを冷却するため、冷却媒体として気泡が使用される。紡糸ノズルから排出されるフィラメントは、次の処理に附されるまえに、冷却圏における気泡中を通過せしめられる。気泡冷却媒体は、液に気泡を混入して調製される。

Description

【発明の詳細な説明】 溶融紡糸フィラメントを冷却するための方法および装置 本発明は、紡糸用重合体から成る溶融紡糸フィラメントを冷却するための方法 およびこの方法を実施するための装置に関する。 ポリエステル、ポリアミド、ポリオレフィンのような紡糸用重合体から成るフ ィラメントヤーン、紡糸繊維は、通常、溶融紡糸方法により製造される。この溶 融紡糸法においては、ポリマー溶融体は紡糸ポンプに給送され、これにより溶融 体は紡糸口金のノズルに圧送される。ノズルを経て流動フィラメントの形態で排 出される溶融体は、次いで冷却装置により凝固せしめられる。フィラメントは、 さらに他の処理に附される前に、準備処理、すなわち帯電防止剤およびこれに類 する剤による処理に附される。紡糸ノズルから排出される流動フィラメントの冷 却は、最終製品の繊維、糸の番手の均一性および繊維技術的諸特性に重大な影響 を及ぼす。多くの場合、例えば紡糸されるべき糸の番手が大きい場合、製造速度 、すなわち紡糸速度（ｇ／分／紡糸ノズル）を上げると、糸の強度は低下する（ 米国特許４９７３２３６号明細書）。その理由として、ことに紡糸口金から排出 される溶融フィラメント流動体の不充分な冷却が挙げられる。 この冷却媒体としては、原則的に空気および水が使用される。空冷は、空気が 排出される流動フィラメントに対して大きい摩擦力を及ぼさず、従って好ましく ない紡糸ストレッチングをもたらさない利点があるが、空気の冷却力が不充分で 、長時間の冷却処理が必要である点において短所がある。長い冷却時間は、また 冷却処理が遅いことを意味する。緩慢な冷却は、後に行われるストレッチング処 理の際に問題を惹起する結晶形成を助長する。高速紡糸処理（ｇ／分／ノズルが 大きい処理）ないし太いフィラメントの形成は、冷却速度が遅いので、ことに長 い冷却処理区間を必要とする。そのために、上述したように紡糸製品に結晶形成 をもたらすおそれがある。 冷却は、通常、ストレッチングの側方からの送風により行われる。この場合、 空気流は乱気流状でなければならず、また冷却処理区間の全幅にわたり等しい流 速を示し、時間的、空間的に正確に、フィラメントの均斉な冷却を行わねばなら ない。必要な空気流条件を満足させるため、ハニカム構造と組合せた多孔板体な いしフィルタスクリーンが使用される。また冷却処理区間の高さにおいて、いわ ゆる速度プロフィルをもたらすこともできる。このような種々の対策を講じても 、面積当たりのフィラメント本数が多い場合、すべてのフィラメントの均斉な冷 却は保証され得ない。側方送風の場合、このようにフィラメントごとに温度差が もたらされるので、空気流中に配列されるノズルの数は制約される。 冷却媒体として水を使用することは、例えば米国特許４４２５２９３号明細書 から公知である。この水冷法の利点は、迅速な冷却が行われ、従って紡糸結晶化 の恐れが低減され得ることである。しかしながら、水冷法においては、高い水／ フィラメント摩擦がもたらされる欠点がある。これによりフィラメントの好まし くない伸長がもたらされる。そこでフィラメントの好ましい伸長をもたらすよう に、水冷処理の条件を想定し、設計する試みが行われている（米国特許５２６８ １３３号明細書、ＷＯ９１／１８１１３３号公報）。しかしながら、この対策は 極めて複雑であり、実効は保証され得ない。 そこで本発明の課題は、紡糸□金から排出される溶融体ヤーンの冷却処理を改 善し、これにより高い紡糸速度で高強度のフィラメントを紡出することができ、 後続のストレッチング処理ないしストレッチング／テクスチャリング処理に悪影 響を及ぼすフィラメントの結晶化をもたらすことがない方法を提供することであ る。しかるに、この課題は、請求項（１）の方法、請求項（１２）の装置により 解決され得ることが見出された。 すなわち、冷却媒体に気泡を利用することにより、水を使用する場合に周知の 過大な水力学的摩擦力を生起させることなく、予想外に大きい冷却効果を達成し 得ることが見出されたのである。フィラメント表面に液体皮膜を形成することに より、水の冷却力にほぼ匹敵する効果が得られる。この本発明方法により側方送 風による冷却方法の欠点も同様に回避され得る。本発明のさらに他の利点は、冷 却処理区間を劇的に短縮し得るために、占有容積の著しく小さい紡糸装置で溶融 紡糸を行い得ることである。これは当然のことながら、コストの著しい削減をも たらし得る。 以下において本発明の好ましい実施態様を例示する添付図面を参照して、本発 明をさらに具体的に説明する。 添付図面中、図１は紡糸用ポリマーからフィラメントを溶融紡糸する装置を示 す略図であって、本発明と無関係の部分は省略されている。 図２は他の実施態様を示す略図である。 図３は、従来技術と本発明による冷却処理とを対比して示すグラフである。 紡糸口金１には紡糸ノズル２が穿設されており、これからフィラメントＦが排 出、紡糸される。ノズル２から流動状態で排出されるフィラメントＦは、その後 の他の処理に附される前に、例えばスプールに巻回され、あるいは束ねてカンと 称される容器に収納され得るように冷却して凝固させねばならない。このために 、フィラメントは冷却区間ＳＫ中を相互に、また他の物と接触しないように流下 し、約３００℃の溶融温度から約７０℃の限界温度ｔｇまで冷却される。この限 界温度ｔｇ以下になって、始めてフィラメントは接触可能になる。図３において 、フィラメントの温度ｔ（℃）は、冷却区間ＳＫ中を流下し、その距離（ｍ）に 対応して一定温度まで低下する。フィラメントは、接触前に限界温度ｔｇ線以下 に冷却されねばならない。例えば太さ２２−３５ｄｔｅｘのポリエステル（ＰＯ Ｙ）モノフィラメントの冷却割合は、カーブＡで示されている。この場合の冷却 は、従来の空冷法により行われたものであって、室温に対応する約２０℃の固有 温度で終わっている。この冷却経過は、この冷却方法、３６００ｍ／分の紡糸速 度で、ほぼ３．５ｍの区間走行距離ＳＡ走過後に始めて約７０℃の限界温度に達 したことを示している。紡糸ノズルからこれだけ離れて、始めてフィラメントは 相互間あるいは案内部材などと接触し得る強度が得られる。 紡糸速度を高め、またはさらに太いフィラメントを紡糸する場合には、さらに 長い、例えば５から６ｍの冷却区間が必要になる。このように長い冷却区間の欠 点は、すでに本明細書の冒頭において述べた。このようにフィラメントＦ相互間 の、または他の物との接触が、紡糸ノズルからこれ程離れて始めて可能になると いうことは、紡糸装置全体のサイズが極めて大きくなることを意味する。このよ うなサイズは、必要なコストの問題を別にしても、冷却区間においてフィラメン トの流動が制御不能になるおそれがある。 冷却媒体として上述した空気の代わりに水を使用する場合、その良好な熱伝導 性の故に、冷却区間の長さは著しく短縮される。しかしながら、すでに述べたよ うに、水とフィラメントの大きな摩擦により重大な欠点がもたらされる。しかる に、気泡を使用すると、水の場合とほぼ同様の冷却効果がもたらされる。しかも 水の場合のような、フィラメントと気泡の間の有害な摩擦は生起しない。 図３に示されるようにカーブＢおよびＣは、容積の相違する液体と気泡を使用 した場合の冷却割合を示す。これらカーブから認められるように、まず、液体容 積割合が５％以下の場合の気泡を使用した場合のカーブＡは、限界温度ｔｇまで の冷却を達成するための冷却区間は、約１．１ないし１．２ｍに短縮されること を示している。上記容積割合をさらに大きくすれば、冷却区間はさらに短縮され 得る。気泡における液体容積割合に対応して熱伝導性は、いよいよ増大するから である。カーブＣは、液体容積割合がほぼ１０％の気泡を使用した場合の冷却経 過を示す。この場合、限界温度を達成するための冷却区間距離ＳＣは１ｍ以下で ある。 図３において、紡糸ノズルから排出された後、その後に行われるフィラメント 処理に至るまでの冷却経過が示されている。紡糸口金２から気泡容器３までの間 隔Ｓにおいては、温度低下に関して特に顕著な差異は認められない。気泡容器中 に進入すると共に、空冷式処理の場合に比べて、冷却カーブは著しく急勾配とな り、極めて短い冷却区間を経て急激に限界温度ｔｇまで冷却される。この冷却区 間ＳＫの著しい短縮が、太いフィラメントの技術的特性および紡糸条件を著しく 改善するのみでなく、紡糸装置のサイズを著しく低減させることについては、こ れ以上詳述することは不必要と考えられる。この冷却区間の高さは、これまでの 半分から３分の１まで低くなされ、これによりこの種の溶融紡糸装置の建設コス トを著しく節減し得る。 図１および図２から認められるように、紡糸口金１および紡糸ノズル２下方に 、間隔Ｓを置いて気泡容器３、３０が設けられる。この間隔Ｓは著しく短く、例 えば１−３ｃｍ程度になされ得る。この寸法はフィラメントの太さおよび紡糸速 度に応じて変化する。フィラメントＦがノズル３から流動状態で排出された後、 気泡中に浸漬される前に、ある程度の凝固が必要である。この凝固は、細いフィ ラメントの場合、太いフィラメントより迅速に行われるが、この容器内気泡の高 さは、紡糸速度に応じて１．５ｍ程度までである。 気泡容器３は、架台３２により支承され、その上方端部に広い流入開口３１を 有し、フィラメントＦが気泡容器の壁体に接触しないようにする。容器下方端部 には狭い開口３５が設けられ、フィラメントはここから排出される。気泡容器３ の断面において勾配を附された形態により、気泡の流動速度はわずかであり、液 体の再形成および分離が助長され、気泡の向流により誘導されるフィラメントは 、これにより充分に湿潤され、冷却される。フィラメントＦは、狭い開口３５を 充満し、これにより接触が生ずるので、この時点までに限界温度ｔｇに達するこ とが充分に保証される。図３から認められるように、これにより、気泡容器３の 高さも決定される。 気泡容器３の下方端部において、この排出用開口３５に近接して気泡形成装置 ５が設けられる。これは空気導管５２を具備し、気泡は気泡容器３の下方に直接 的に給送される。気泡が連続的に形成され、上昇する間に、フィラメントＦは、 向流を成して上方から下方に向けて気泡容器３内に導入され、さらに次の処理に 附されるための開口３５を経て気泡容器３から排出される。上昇する気泡は制御 部材４により制御され、これは場合により液面（気泡面）制御手段４１を介して 液面レベルを制御する。気泡容器３の上方導入開口３５の縁辺は、溢流構造とし て形成され、余分の液体はこの縁辺を越えて流出する。溢流液体は捕集槽３３中 に溜められ、排出導管３６から循環ポンプ７に返送される。 気泡形成装置５は、気泡容器３から返送された液体の循環回路を形成する循環 ポンプ７から連続的に液体の給送を受ける。この回路には、気泡形成とフィラメ ントＦの冷却により液体が消費されるのに対応して、計量ポンプ７２により水が 供給される。また他方のポンプ７１により液体に潤滑油が供給される。この両者 は循環ポンプ７により混合器６に供給され、両者の混合により、空気と混合され るべき液体が調製され、この液体は導管５２を経て気泡形成装置５に給送される 。この気泡形成装置５中において、液体に空気が混合されて気泡が形成され、こ の気泡が気泡容器３の下方からこれに供給される。 溶融紡糸の開始に当たり、気泡容器３がまず空になされる。ノズル２から排出 されるフィラメントＦは、気泡容器３中に流下し、排出開口３５に誘導される。 これに関連して、気泡容器３の下方近くにトラップ３４が設けられる。フィラメ ントＦの導入後、このトラップが閉鎖され、気泡が導入される。液面（気泡面） 制御装置４は、上昇して来る気泡を制御し、また制御素子４１を介して水供給用 計量ポンプ７２を駆動するモータ４２を制御する。気泡容器３の液面（レベル） により、フィラメントが気泡内を流下するのに必要な冷却区間ＳＫも確定される 。 気泡によりフィラメントを冷却する本発明方法においては、気泡浴はフィラメ ントＦの表面に潤滑剤液を施すためにも使用される。本発明装置は、これに必要 な潤滑剤装置を併せ具備する。すなわち、気泡容器３の下方において、排出され るフィラメントを２本の電極により走査する。抵抗測定値により、施された潤滑 剤塗布の安定度を測定し、場合により濃度制御装置８１および周波数変換器８２ における目標値／計測値の対比に応じて潤滑油用計量ポンプ７１用のモータ８３ を駆動させる。 図２に示される他の実施態様においては、気泡容器は、図１の容器と異なる構 造を有する。すなわち、気泡容器３０は、直方体状もしくは円筒体状に構成され 、下端部分の気泡形成装置５０、５０′が仕切板３８により遮断されている。気 泡容器３の狭い排出開口３５は、気泡形成装置５０、５０′と連通しており、気 泡容器３は、全横断面にわたり、仕切板３８において開通している。 気泡形成装置は、両半部５０、５０′から構成され、これら両半部は、仕切板 ３８に沿って、水平面方向に相対的に移動し得るようになされている。これによ り、気泡容器３０の下方部分は、合体され、また分離されて、フィラメントＦを 把持し、次の処理のための案内導溝に誘導し得る。 各半部５０、５０′は、それぞれ独立した気泡形成装置として構成され、それ ぞれ空気給送導管５１、液体給送導管５２と接続されている。これら給送導管は 、両半部５０、５０′の相対的運動を可能成らしめるために可撓性材料で構成す るのが好ましい。両半部５０、５０′は、また各端部で仕切板３８に直交する軸 に装着され、相互に旋回して、フィラメントＦを把持し、釈放し得るように構成 され得る。また各半部５０、５０′に燒結金属プラグ５３を設け、これから空気 を液体中に供給し得るように構成することができる。また燒結金属プラグ５３の 代わりに空気供給源として燒結金属から成る板体、ないしその他の形状体を設け ることも可能である。もちろん、空気供給源として市販されている燒結金属プラ グを使用することができる。このような燒結金属体の使用により、液体に気体、 ことに空気を混入させて、都合よく気泡を形成させ得る。もちろん、フィルタ、 ノズル板などのその他の多孔素子を使用して、含有する気体を、液体中に供与す ることも可能である。 気泡形成装置５０、５０′中の液体の液面レベルは、均斉な気泡形成を確実な らしめるために、レベル制限手段３７により制御される。この手段３７として最 も簡単な形態は、図２に示される溢流構造３７である。また溢流構造３７の代わ りに、液体供給槽において浮子を使用することもできる。このようにして形成さ れる気泡は、気泡容器３０内において上昇し、容器３０内を向流として流下する フィラメントＦと接触し、排出開口３５から排出される。 気泡容器３０の上方部分は、図１の実施態様と同様に構成され得る。すなわち 、開口３１の縁辺を溢流構造とし、未使用液体分を集めて縁辺から、溢流、滴下 させ、循環回路を経てあらためて気泡形成に使用される。 制御装置４は、容器３０内の気泡面レベルを制御するが、これはまた気泡面を 平坦にし、これによりすべてのフィラメントＦが、均等な冷却区間ＳＢを流下し 、気泡と接触させる作用を果たす。気泡容器３０の上方開口３１において気泡の 山が形成されないように、気泡面を平坦にするための追加的装置を設けることも できる。図示の実施態様においては、吸引導管２１が設けられ、これは容器表面 に形成された気泡の山を吸引搬出し、あるいはわずかな空気流の形成によりこの 気泡の山の形成を阻止する。 紡糸ノズル２における間隔Ｓは、図１の実施態様の場合より短い。前述したよ うに、この間隔は、紡糸速度およびフィラメントの太さに対応して変わる。しか しながら、気泡が紡糸ノズル２に接触して、ノズル自体を冷却しないようにする ためには、この間隔は一定に保持されねばならない。上記の吸引装置２１は、気 泡面を平坦ならしめ、紡糸ノズルから一定の間隔を保持する作用を果たす。 符号一覧表 １ ・・・・・ 紡糸口金 ２ ・・・・・ ノズル板体 ２１・・・・・ 空気吸引導管 ３、３０・・・ 気泡容器 ３１ ・・・・ 導入開口 ３２ ・・・・ 架台 ３３ ・・・・ 捕集槽 ３４ ・・・・ トラップ ３５ ・・・・ 排出開口 ３７ ・・・・ 液面（気泡面）制限手段 ３８ ・・・・ 仕切板体 ４ ・・・・・ 制御装置 ５、５０、５０′ ・・・・ 気泡形成装置 ５１ ・・・・ 空気導管 ５２ ・・・・ 冷却液体導管 ５３ ・・・・ 燒結材料プラグ（空気供給素子） ５４ ・・・・ 液面（気泡面） ６ ・・・・・ 混合器 ７ ・・・・・ 循環ポンプ ７１ ・・・・ 計量ポンプ（潤滑油用） ７２ ・・・・ 計量ポンプ（水用） ４２、８３ ・ 駆動モータ ８ ・・・・・ 電極 ８１ ・・・・ 濃度制御装置 ８２ ・・・・ 周波数変換器 ＳＫ ・・・・ 冷却区間 Ｓ ・・・・・ 間隔 ｔＧ ・・・・ 限界温度 ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ 限界温度に達する冷却区間 Ｆ ・・・・・ フィラメント

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クレチュマル，ヴィリ ドイツ国、Ｄ−24536、ノイミュンスター、 ロスマリンヴェーク、９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 紡糸用ポリマー溶融体を紡糸ノズルから流動フィラメントの形態で排出 させ、その直後の処理圏においてこれを冷却媒体により処理する溶融紡糸フィラ メントの冷却方法において、冷却媒体として気泡を使用し、紡糸ノズル（２）か ら排出されるフィラメントを、その後の処理に附する前に、冷却圏の気泡中を流 下させることを特徴とする冷却方法。 ２． 冷却媒体が、気体を混入させた液体から成ることを特徴とする、請求項 １の方法。 ３． 上記液体が水と潤滑剤との混合液であり、これに空気を混入させること を特徴とする、請求項２の方法。 ４． 上記の気泡を、ほぼ５から１０重量部の液体から生起させることを特徴 とする、請求項１から３のいずれかの方法。 ５． 気泡形成を連続的に行うことを特徴とする、請求項１から４のいずれか の方法。 ６． 気泡の崩壊により生起する液体を捕集して、気泡形成装置に返送するこ とを特徴とする、請求項１から５のいずれかの方法。 ７． 紡糸ノズル（２）から排出されるフィラメント（Ｆ）をなるべく短い流 動区間（Ｓ）において気泡と接触させることを特徴とする、請求項１から６のい ずれかの方法。 ８． 気泡を、上下方向における向流として紡糸ノズルから排出されるフィラ メント（Ｆ）と接触させることを特徴とする、請求項１から８のいずれかの方法 。 ９． 気泡形成装置（５、５０、５０′）において気泡を形成し、気泡をこれ から直接的に気泡容器に供給し、フィラメントをこの気泡容器中において流下さ せることを特徴とする、請求項１から８のいずれかの方法。 １０． 気泡容器（３）におけるフィラメント（Ｆ）用の排出開口（３５）の 近傍において気泡を供給することを特徴とする、請求項９の方法。 １１． 気泡容器を一定の液面レベルに維持し、これにより必要な冷却区間（ ＳＫ）を確定することを特徴とする、請求項１から１０のいずれかの方法。 １２． ポリマー溶融体を、紡糸口金（１）に設けられた紡糸ノズル（２）か ら流動フィラメント（Ｆ）の形態で排出させ、このフィラメントを、更に他の処 理に附する前に、冷却圏において処理する、請求項１から１１の冷却方法を実施 するための装置において、冷却圏に気泡容器（３）を設け、気泡形成装置（５、 ５０、５０′）を附設したことを特徴とする装置。 １３． 気泡容器（３）を 垂直方向に細長く設け、その上方端部に、フィラ メント（Ｆ）が容器壁に接触しないように広い導入開口（３１）が形成され、下 方端部に、フィラメント（Ｆ）で充満される程度に狭い排出開口（３５）が形成 されていることを特徴とする、請求項（１２）の装置。 １４． 導入開口が溢流構造になされていることを特徴とする、請求項１３の 装置。 １５． 気泡形成装置（５、５０、５０′）が、気泡容器（３）の下方端部に 設けられていることを特徴とする、請求項１２から１４のいずれかの装置。 １６． 気泡形成装置（５、５０、５０′）が、直接的に気泡容器（３）に開 口していることを特徴とする、請求項１２から１５のいずれかの装置。 １７． 気泡形成装置（５、５０、５０′）が、液体導管（５２）および空気 導管と接続されていることを特徴とする、請求項１２から１６のいずれかの装置 。 １８． 気泡形成装置（５、５０、５０′）が、気泡容器（３）の接続部分と して、その下方端部にもうけられていることを特徴とする、請求項１５から１７ の装置。 １９． 円筒状気泡形成装置が、両半部（５０、５０′）から構成され、これ ら両半部は半径方向において相互に旋回可能であり、気泡容器（３）から排出さ れたフィラメント（Ｆ）がこれら両半部（５０、５０′）による包囲状態から釈 放されることを特徴とする請求項１８の装置。 ２０． 気泡形成装置両半部（５０、５０′）が、それぞれ、空気供給素子（ ５３）を具備する、閉鎖状態の液体容器を有することを特徴とする、請求項１９ の装置。 ２１． 空気供給素子（５３）が、燒結材料から構成されていることを特徴と する、請求項１２から２０のいずれかの装置。 ２２． 空気供給素子（５３）が、燒結金属材料から構成されていることを特 徴とする、請求項２１の装置。 ２３． 気泡形成装置（５０、５０′）が、液体用の液面制限器（３７）を具 備することを特徴とする、請求項１２から２２のいずれかの装置。 ２４． 溢流のために液面限定器（３７）が設けられていることを特徴とする 、請求項２３の装置。 ２５． 気泡容器（３）の導入開口（３１）に気泡レベルを平坦にするための 装置が設けられていることを特徴とする、請求項１２から２４の装置。 ２６． 気泡レベルを平坦にするための装置が吸引導管（２１）から構成され ていることを特徴とする、請求項２５の装置。