DE102005054653A1

DE102005054653A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung schmelzgesponnener Filamente

Info

Publication number: DE102005054653A1
Application number: DE102005054653A
Authority: DE
Inventors: Christopher Dr. Hess; Adolf Leifert
Original assignee: Uhde Inventa Fischer GmbH
Current assignee: Uhde Inventa Fischer GmbH
Priority date: 2005-11-11
Filing date: 2005-11-11
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2025-11-12
Also published as: WO2007054375A1; DE102005054653B4; WO2007054376A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Herstellung schmelzgesponnener Filamente mit einem mindestens eine Spinndüse zum Aufspinnen der Filamente aufweisenden Spinnkopf und einer unterhalb des Spinnkopfs vorgesehenen Kühlkammer vorgeschlagen, die mit einer eine Gaszuführung aufweisenden Blaskammer zum seitlichen Anblasen der Filamente mit Gas verbunden. Gegenüberliegend zur Blaskammer ist eine Saugkammer mit Gasabführung zum Abführen des zugeführten und durch die Filamente durchströmenden Gases gegebenenfalls zusammen mit aus den Filamenten austretenden Ausdünstungen oder Reaktionsprodukten angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung schmelzegesponnener Filamente nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Bei dem Schmelzspinnen werden Polymere als Rohstoffe durch Schmelzen unter Luftabschluss verspinnbar gemacht. Hierbei wird ein thermoplastischer Rohstoff in Form von Granulat oder Schnitzeln mittels eines Extrusionseinrichtung auf eine Temperatur von mindestens 5°C über der Schmelztemperatur des Polymers erhitzt und über eine Spinnapparatur versponnen. Häufig muss das Polymer vor seiner Verarbeitung einem Trocknungsprozess unterworfen werden, um einen ausreichend geringen Wassergehalt einzustellen. Dies soll einen übermäßigen hydrolytischen Abbau des Polymers während des Aufschmelzens, der Verweilzeit in der Schmelze und der Verarbeitung zu Fäden vermeiden. Nach Dosie rung über Spinnpumpen wird die Schmelze durch Spinndüsen in einen blasluftdurchströmten Spinnschacht gepresst. Der aus einer Spinndüse austretende Strahl eines Polymers wird unter den herrschenden Abzugskräften beschleunigt, verengt sich auf den Endtiter oder Enddurchmesser und verfestigt sich unter Einwirkung der Blasluft. Üblicherweise wird auf eine Temperatur unterhalb des Glasumwandlungspunktes des zugrundeliegenden Polymers abgekühlt, zumindest aber auf eine Temperatur bei der der Faden eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist. Die Fäden werden von Galetten abgezogen, wobei sie als Monofilament d.h. ein einzelnes Filament wird aus einer Einlochdüse ersponnen oder als Multifilamente, hierbei werden mehrere Fäden zu einem Filamentstrang gebündelt, vorliegen können. Die erhaltenen Fäden werden mit einer Schmälze oder Fadenpräparation versehen, eventuell noch verstreckt und schließlich auf einem Wickler bei Geschwindigkeiten von 300 – 6000 m/min zu Spulen aufgewickelt. Solchermaßen hergestellt Fäden können einen Titer von 10 bis über 2000 dtex aufweisen, bzw. einen Durchmesser von 0,03 bis über 0,5 mm. Unter Filamenten wird eine Textilfaser oder ein Faden von sehr großer, praktisch endloser Länge verstanden. Unter Fasern und Fäden werden alle textilen Faserstoffe wie Filamente und Spinnfasern, unabhängig von ihrer Länge verstanden.

Der Abkühlung eines frisch ersponnenen Fadens kommt eine erhebliche Bedeutung zu, da durch sie die Massen- oder Titergleichmäßigkeit sowie die Vororientierung und somit die textilmechanischen Eigenschaften und die Verarbeitungsgüte des erzeugten Filaments maßgeblich beeinflusst werden. Ein bevorzugtes Abkühlverfahren beim Schmelzspinnen ist die Querstrom- oder Queranblasung. Bei der Queranblasung werden die aus den Spinndüsen austretenden heißen Filamente in einer Blaskammer rechtwinklig mit klimatisierter und unter einem einstellbaren Regelvordruck stehender Luft gleichmäßig beaufschlagt und abgekühlt. Nach dem Passieren der Filamente verlässt der erwärmte Luftstrom die Blaskammer seitlich oder frontal über eine Auslassöffnung oder ein Gitter und vermischt sich mit der umgebenden Raumluft.

Bei der Queranblasung erfolgt die Fadenkühlung nach dem Prinzip eines Rohrbündel-Kreuzstrom-Wärmetauschers. Die verwendete Luftströmung sollte dabei laminar und turbulenzarm sein und eine im Wesentlichen gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit zu allen abzukühlenden Filamenten aufweisen, so dass alle Fäden eine identische Abkühlung erfahren. Zur Erzeugung der Blasluftströmung sind in den Blaskammern Lochgewebe oder Siebgewebe häufig in Verbindung mit Wabengleichrichtern eingebaut. Über die Höhe der Blaskammern wird die Abkühlstrecke für die Filamente festgelegt, über den Aufbau der Gleichrichter kann ein spezifisches Geschwindigkeitsprofil für die Blasluft vorgegeben werden. Die Geschwindigkeit der Blasluft wird durch den herrschenden Vordruck mit dem die klimatisierte Luft der Blaskammer zugeführt wird geregelt. Es lassen sich Luftgeschwindigkeiten von 0,1 bis 0,5 m/s in manchen Fällen bis zu 1,0 m/s generieren und einstellen. Die Blaskammern weisen mindestens eine Breite über die gesamte Breite der abzukühlenden Fadenschar auf. Üblicherweise werden Anblaslängen von 0,5 bis 2 m in seltenen Fällen bis 3 m verwendet. Die Queranblasung beim Schmelzspinnen wird sowohl in der Filamentspinnerei als auch in der Stapelfaserherstellung eingesetzt und ist weit verbreitet. In der Filamentspinnerei können sowohl Multifile als auch Monofile abgekühlt werden. Die verwendeten Blaskammern lassen sich sehr variabel gestalten, ihre Wartungs- und Beschaffungskosten sind im Vergleich zu anderen Abkühlverfahren gering.

Darüber hinaus sind dem Fachmann weitere Abkühlverfahren für das Schmelzspinnen bekannt, wie z.B. die Innen-/Außen- oder Außen-/Innenanblasung, bei der die konditionierte Blasluft diametral über die austretenden Filamente geleitet wird. Zu den allgemeinen Grundlagen und dem Stand der Technik zum Schmelzespinnen und der Kühlung der Filamente wird auf F. Fourné, "Synthetische Fasern", Hauser Verlag, München, 3. Auflage, 1995 ISBN 3-446-16058-2, S. 348 ff. verwiesen.

Nachteilig an dem herkömmlichen Verfahren der Querluftanblasung ist, dass die aus dem Blasschacht austretende Luft gasförmige Ausdünstungen wie z. B. Spinnrauch oder flüssige oder feste Kondensate enthalten kann. Bei diesen Stoffen kann es sich um Vorprodukte, Monomere, Oligomere oder durch Hydrolyse, oxidativen oder thermischen Abbau entstandene Abbauprodukte aus dem Ausgangspolymeren handeln. Des Weiteren können Ausdünstungen von Zuschlagstoffe wie Stabilisatoren, Additiven, Weichmachern etc. herrühren. Die freigesetzten Substanzen weisen häufig eine gesundheitsgefährdende Wirkung auf, ihre Abgabe an die umgebende Raumluft sollte daher vermieden werden.

Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Fadenkühlsysteme ist, dass sie üblicherweise mit angesaugter, frischer Außenluft betrieben werden. Vor der Verwendung als Blasluft wird die Frischluft in entsprechend dimensionierten Klimaanlagen auf die verfahrensseitig vorgesehenen Bedingungen für die Temperatur und den Feuchtigkeitsgehalt konditioniert. Je nach herrschenden klimatischen Bedingungen müssen für die Kühlung oder Erwärmung der Außenluft große Energiemengen aufgewendet werden.

Des Weiteren ist die herkömmliche Queranblasung nur bedingt für die Abkühlung von Monofilamenten mit hohen Titern (> 100 dtex) geeignet. Eine Möglichkeit dies zu erreichen besteht in einer Erhöhung der Queranblaslängen von üblicherweise 120 – 200 cm auf ca. 300 cm oder darüber hinaus. Nachteilig an einer solchen Ausführung ist jedoch, dass die damit abgekühlten Filamente relativ stark aus der natürlichen Falllinie ausgelenkt werden. Unter der natürlichen Falllinie wird das lotrechte Fallen eines Filaments aus einer Spinndüse verstanden ohne Einwirkung einer auslenkenden Kraft oder einer Auslenkung, verursacht durch das Berühren mit einem Fadenleitorgan. Aufgrund des Luftwiderstandes eines Filamentstranges wird dieser aber in Abhängigkeit seines Durchmessers, Festigkeit, Abzugsgeschwindigkeit und Strömungsgeschwindigkeit der Blasluft aus seiner natürlichen Falllinie ausgelenkt. Dem gegenüber steht eine rückführende Kraft, da der Lauf der Filamente durch Fadenleitorgane, Präparationseinrichtungen oder die Spinnmaschine stabilisiert werden muss. Es resultiert eine bogenartig (C-förmige) Auslenkung der Filamente, wobei das Maximum der Auslenkung, neben den genannten Einflussfaktoren, auch stark von der Länge der Blaslufteinwirkung und somit von der Höhe einer Blaskammer abhängt. Um bei einer Verlängerung einer Blaskammer oder Erhöhung der Blasluftgeschwindigkeit ein Anstoßen oder Streifen der Filamente an der Blaskammerwandung oder des Luftaustrittgitters zu vermeiden, müssen die Blaskammern entsprechend weiter in der Blasluftströmungsrichtung dimensioniert werden. Dies geht zu Lasten des zur Verfügung stehenden Spinnereirau mes, da die Spinnköpfe und Spulmaschinen mit einem entsprechend vergrößerten Abstand aufgestellt werden müssen. Darüber hinaus ist die Verlängerung der Blaskammer bei einseitiger Luftzuführung nachteilig, da der Fadenlauf durch die stärkere Auslenkung instabiler wird, woraus höhere intrafilamentäre Titerschwankungen resultieren können.

Stehen aus Platzgründen keine verlängerten Blaskammern zur Verfügung oder sollen hochtitrige Monofilamente erzeugt werden, so können die ersponnenen Filamente in einem Wasserbad oder in einer Kombination von Luftkühlung und Wasserbad abgekühlt werden. Diese Art der Abkühlung ist aber deutlich aufwendiger als die Abkühlung mit Luft und wird üblicherweise nur bei niedrigen Fadenabzugsgeschwindigkeiten durchgeführt.

Aus Patent US 2,273,105 ist bekannt, dass eine quer zu den erzeugten Filamenten eingeblasene laminare Kühlluft eine effektive Methode zur Fadenkühlung beim Schmelzspinnen darstellt. In einer speziellen Ausführung der Erfindung wird das Prinzip von entgegen gerichteten Luftströmungen in einer Blaskammer zum Erreichen einer intensiveren und somit schnelleren Fadenabkühlung dargestellt. Die Möglichkeit zur aktiven Entfernung der eingeblasenen Kühlluft ist nicht offenbart. Es ist davon auszugehen, dass aufgrund de unzureichenden Abgrenzung der direkt an einem der anschließenden Blaskammersegmente mit unterschiedlicher Blasluftströmungsrichtung aufgrund starker Turbulenzen eine Verschlechterung der Fadengleichmäßigkeit gegenüber der Verwendung nur eines einzigen Blaskammersegments auftritt.

Ebenfalls bekannt ist aus DE 195 14 866 A1 dass eine Verbesserung der Gleichmäßigkeit des Kühlluftstromes in den Randbereichen eines Filamentbündels erreicht werden kann, wenn die den Kühlluftstrom begrenzenden Außenwände mit Luftdurchlassöffnungen versehen sind. Allerdings werden hierfür die seitlich begrenzen Wände parallel zur Strömungsrichtung der eingeblasenen Luft mit Öffnungen versehen und an eine Absaugung angeschlossen. Hierbei ist jedoch eine gleichmäßige und gleichgerichtete laminare Durchströmung der aus dem Spinnkopf austretenden Filamente nicht gewährleistet, wodurch im Vergleich zu einer der Blaslufteinströmfläche gegenüberliegenden Absaugung stärkere Titerschwankungen erwartet werden. Die verbrauchte Kühlluft wird nur in einer geringen Menge abgesaugt.

Aus Patent US 4,943,220 ist eine Vorrichtung zur Beeinflussung der Flussrichtung der eingeblasenen Kühlluft bekannt. Es werden bewegliche Klappen verwendet, die den Kühlluftstrom seitlich eingrenzen und somit ein freies Passieren der Kühlluft zwischen den äußeren Filamenten und der Blaskammwand verringern sollen. Es soll eine bessere Vergleichmäßigung der Kühlluft und daher ein besserer Kühleffekt resultieren. Als problematisch bei dieser Ausführung der Blaskammern muss allerdings ein mögliches Anstoßen der Filamente an den Begrenzungsklappen angesehen werden, was eine deutlich erhöhte Fadenbruchrate zur Folge hätte.

Die DE 198 21 778 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung von Mikrofilamenten, mit der eine höhere Titer-Gleichmäßigkeit bei Multifilamenten gegenüber der Standard-Querstromanblasung mittels einer Innen-Außenanströmung und einer in den Sinnbalken versenkten und dadurch thermisch isolierten Spinndüsenplatte erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor richtung zur Herstellung schmelzgesponnener Filamente zu schaffen, die ein effizientes Abkühlen beim Queranblasen mit reduzierter Abgabe gesundheitsschädlicher Substanzen an die umgebende Raumluft gestattet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Erfindungsgemäß erfolgt die Abkühlung der Filamente in einer Kombination von einer Blaskammer mit einer gegenüberliegenden Saugkammer bzw. durch mehrere aufeinander folgende Kombinationen von Saug- und Blaskammern. Dabei werden der beim Verspinnen entstehende Spinnrauch oder auch aus der heißen Polymerschmelze austretende Dämpfe oder Gase oder auch beim Verspinnen insbesondere von isocyanat- und/oder urethangruppenhaltigen Rohstoffen auftretende gesundheitsschädliche iocyanhathaltige Dämpfe mit der Blasluft effektiv abgeführt und gelangen nicht in die Umgebungs- oder Raumluft. Die aus der Saugkammer abgeführte Saugluft kann von den gesundheitsschädlichen Substanzen gereinigt und in Gänze oder teilweise nach dem Mischen mit Frischluft unter geringerem Energieaufwand erneut als Blasluft für die Fadenkühlung eingesetzt werden. Die Erfindung eignet sich zur Abkühlung sowohl von Mono- als auch Multifilamenten. Aufgrund der durch die Absaugung insbesondere auch in den Randbereichen der Fadenkühlkammer stärker gerichteten Führung der Blasluft werden alle Filamente, d.h. die gesamte Filamentschar, gleichmäßig von Blasluft durchströmt und abgekühlt. Es resultieren daraus geringere interfilamentäre Titerschwankungen. Auf die Verwendung von Begrenzungsklappen oder Luftleitblechen im Bereich der Fadenkühlkammer kann verzichtet werden, da die Kühlluft auch in den Randbereichen von hoher Gleichmäßigkeit ist und eine homogene Strömungsgeschwindigkeit aufweist.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Vorteilhaft im Sinne der Erfindung ist es, dass sich bei Verwendung entgegengesetzt gerichteter Anblasströmungen in zwei aufeinander folgenden Blaskammern, in bevorzugter Weise in Kombination mit einer gegenüberliegenden Saugkammer, eine geringere Bauchung des mit Kühlluft angeblasenen Fadens oder der Fadenschar einstellt und sich somit eine geringere Auslenkung der abzukühlenden Filamente aus der idealen senkrechten Falllinie ergibt. Insbesondere stellt dies eine Möglichkeit dar, Monofilament mit einem Titer > 100 dtex effektiv über die gesamte Blasluftlänge abzukühlen. Hierdurch können Blaskammern geringerer Tiefe verwendet werden, wodurch eine platzsparende Anordnung von Spinnmaschinen ermöglicht wird. Überraschend hat sich weiterhin gezeigt, dass aufgrund der geringeren Auslenkung und des stabileren Fadenlaufs des hierbei resultierenden S-förmigen Fadenbogens sowie der gleichmäßigeren und weniger zu Turbulenzenbildung neigenden Blasluft durch die in Strömungsrichtung unterstützend wirkende Absaugung geringere intrafilamentäre Titerschwankungen erzielt werden können als bei Verwendung einer Blaskammer vergleichbarer Abblaslänge nach dem herkömmlichen Prinzip der Queranblasung möglich.

Im Sinne der Erfindung können sowohl konditionierte Luft als auch inerte Gase, wie z.B. Kohlendioxid, Stickstoff oder Edelgase sowie reaktive oder reaktionsfördernde Gase, wie z.B. Sauerstoff, Ozon, Stick oxide oder Wasserdampf im Ganzen oder in Teilen der Blasluft zugemischt und bei der Fadenabkühlung eingesetzt werden. Durch die weitgehend geschlossene und abgedichtete Bauweise der Kühlkammer mit der Blas- und Saugkammer werden Kühl- oder Reaktionsgase oder aufgrund der Beaufschlagung mit reaktionsfördernden Gasen oder dampfförmigen Verbindungen entstehende Reaktionsprodukte nicht mehr oder nur in vernachlässigbarem Ausmaß in die Umgebungsluft des Spinnereiraums abgegeben. Eine Gesundheitsgefährdung kann somit vermieden werden.

In vorteilhafter Weise ist unterhalb des Spinnkopfes, d.h. unterhalb der Austrittsstelle der Filamente aus den Düsenbohrungen eine strömungsberuhigte Zone bzw. ein Bereich mit nur geringfügiger Luftbewegung ohne aktiver Fadenfühlung vorgesehen. Aufgrund dieser strömungsberuhigten Zone werden die Filamente besser ausgesponnen.

Besonders vorteilhaft ist, zwischen mehreren Kombinationen von Blas- und Saugkammer mindestens ein Trennsegment ohne Gaszuführung bzw. -abführung vorzusehen. Dadurch werden Turbulenzen zwischen unterschiedlichen Gasströmungen vermieden, wodurch geringere Titerschwankungen, insbesondere intrafilamantärer Art, vermieden werden.

Weiterhin ist besonders vorteilhaft, eine Rückführung der abgesaugten Kühlluft in die Blaskammer(n) gegebenenfalls nach einer Reinigung vorzusehen, da dadurch Energie eingespart werden kann, d.h., ein geringerer Energieverbrauch zur Fadenkühlung resuliert.

Die Erfindung lässt sich auf alle schmelzspinnbaren thermoplastische Polymere anwenden, oder sonstige Po lymere, die sich mittels eines Schmelzspinnprozesses zu Filamenten verarbeiten lassen. Hierzu zählen u. a. Polymere aus der Gruppe der Polyester wie Polyethylenterephthalat (PET), Polytrimethylenterephthalat (PTT), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylennaphthalat (PEN), Polytrimethylennaphthalat, Polybutylennaphthalat, Polymilchsäure (PLA), des weiteren sämtliche Polyester, die sich aus linearen oder verzweigten, aliphatischen oder aromatischen Diolen mit 2 bis 12 C-Atomen sowie Polyethern oder ihren Mischungen und linearen oder verzweigten, aliphatischen oder aromatischen Dicarbonsäuren mit 2 – 20 C-Atomen oder ihren Mischungen oder aus OH-gruppenhaltigen Carbonsäureverbindungen mit 2 – 20 C-Atomen herstellen lassen. Die Polyester können linear aufgebaut sein oder Kettenverzweigungen aufweisen. Die Polyester können in ihrer reinen Form oder als Misch- und Co-Polyester eingesetzt werden, wie sie in direkter Herstellung durch Mischung der Ausgangskomponenten oder durch Mischung der Polymere oder durch Mischen entsprechender Polymerschmelzen zugänglich sind. Eine weiter Gruppe von Polymeren, die sich im Sinne der Erfindung vorteilhaft verspinnen lassen, sind die Polyamide die durch Polyaddition von Lactamen zugänglich sind, wie das Polyamid 4, Polyamid 6, Polyamid 11, Polyamid 12, des weiteren sämtliche Polyamide wie das Polyamid 66, die sich aus linearen oder verzweigten, aliphatischen oder aromatischen Diaminen mit 2 bis 12 C-Atomen und linearen, verzweigten, aliphatischen oder aromatischen Dicarbonsäuren mit 2 – 20 C-Atomen oder ihren Mischungen herstellen lassen. Die Polyamide können linear aufgebaut sein oder Kettenverzweigungen aufweisen. Die Polyamide können in ihrer reinen Form oder als Mischung Co-Polyamide eingesetzt werden, wie sie in direkter Herstellung durch Mischung der Ausgangskomponenten oder durch Mischung der Polymere oder durch Mischen der Polymerschmelzen zugänglich sind.

Eine weiter Gruppe von Polymere, die sich im Sinne der Erfindung vorteilhaft verspinnen lassen, ist die Gruppe der Polyolefine. Hierbei kann es sich Homopolymere von Polyethylen oder Polypropylen oder Copolymere der Polyolefine mit einem Anteil an Co-Monomeren wie Ethen, Propen, Buten, Penten, Hexen, Pepten, Octen, Decen, Styrol etc. handeln. Die Polyolefine können linear aufgebaut sein oder Kettenverzweigungen aufweisen. Die Polyolefine können in ihrer reinen Form oder als Misch- und Co-Polyolefine eingesetzt werden, wie sie in direkter Herstellung durch Mischung der Ausgangskomponenten oder durch Mischung der Polymere oder durch Mischung der Polymerschmelzen zugänglich sind.

Des Weiteren können im Sinne der Erfindung vorteilhaft versponnen werden Polymere aus den Gruppen der Polycarbonate, der halogenierte Vinylpolymere oder der Block-Copolymere basierend auf Styrol und Butadien.

Sämtliche Polymere die sich im Sinne der Erfindung vorteilhaft verspinnen lassen, können in Form des reinen Polymeren oder in beliebiger Mischung mit einem oder mehreren Polymeren, die für sich einzeln ebenfalls vorteilhaft im Sinne der Erfindung verspinnbar sind. Des Weiteren können dem zu verspinnenden Polymer oder der Polymermischung Additive und Zuschlagsstoffe in reiner Form oder in Mischungen bis zu einer Menge zugegeben werden, die ein Verspinnen der resultierenden Schmelze erlaubt. Die Zuschlagstoffe können in flüssiger oder fester Form oder vorverarbeitet zu einem Masterbatch zum Polymer oder seiner Schmelze zugegeben werden. Bei den Additiven und Zuschlagstoffen kann es sich um beispielsweise um Stabilisatoren, Mattierungsmittel, Pigmente, Farbstoffe, Füllstoffe, Schmelzehilfsmittel, Weiterverarbeitungshilfsmittel oder Reaktionskomponenten handeln, wie sie dem Fachmann bekannt sind.

Besonders vorteilhaft kann die Erfindung für das Schmelzspinnen elastischer Fäden eingesetzt werden. Unter elastischen Fäden werden Filamente mit einer hohen Dehnung und einem hohen Rückstellvermögen, d.h. mit einer geringen verbleibenden Restdehnung nach Aufheben der dehnungsverursachenden Kraft verstanden. Werden elastische Filamente z.B. auf das doppelte ihrer Ursprungslänge gedehnt, so soll nach Entfernen der dehnungsverursachenden Kraft die bleibende Dehnung des Fadenstückes nicht mehr als 50% der ursprünglichen Länge betragen. Es wird angenommen, dass Elastizität des Materials auf einer Phasentrennung von Hart- und Weichsegmenten beruht, wobei sich die in den Weichsegmenten in geknäuelter Form vorliegenden Makromolekülketten unter einer längenden Kraft orientieren und nach Aufheben der Kraft versuchen, in die ursprünglich vorgelegene bevorzugte Knäuelform zurückorientieren. Elastische Fäden werden heutzutage nach einem Trocken-, Naß- oder Schmelzspinnverfahren erzeugt.

In jüngerer Zeit hat das Schmelzspinnen elastischer Filamente an Bedeutung gewonnen. Dabei wird ein thermoplastischer Rohstoff, der für die Erzeugung elastischer Fäden geeignet ist, aufgeschmolzen und die erhaltene Schmelze über eine oder mehrere Düsenbohrungen zu Filamenten extrudiert, die mit Luft in Queranblasung abgekühlt werden. Es können sowohl Mono- als auch Multifilamente hergestellt werden. Die bevorzug te Aufmachungsform der elastischen Fäden aus einem Schmelzspinnprozess sind Monofilamente im Titerbereich 11 – 78 dtex, die bei Spinngeschwindigkeiten im Bereich 300 – 800 m/min hergestellt werden. Im Gegensatz zum herkömmlichen Trockenspinnprozess, kann beim Schmelzspinnen auf die Verwendung eines Lösungsmittels verzichtet werden.

Es stehen eine Reihe von thermoplastischen Rohstoffen für das Schmelzspinnen elastischer Filamente zur Verfügung, wie z.B. thermoplastische Polyurethane (TPU), Polyetherester (PEE), Polyetheramide (PEA) oder Polyolefine (PO) mit elastischen Eigenschaften. TPU Rohmaterialen zur Herstellung schmelzgesponnener elastischer Fäden werden aus den Rohstoffen der folgenden Gruppen hergestellt. Einem Rohstoff der Gruppe der Polydiole mit einem Molekulargewicht zwischen 500 und 4000 g/mol, üblicherweise einem Polyetherdiol, Polyesterdiol oder einem Polycaprolacton, einem Rohstoffe der Gruppe der aromatischen oder aliphatischen Polyisocyanate wie z. B. dem Bis-Diphenylmethandiisocyanat (MDI), Toluoldiisocyanat (TDI), Hexamethylendiisocyanat (HDI) oder dem Methylen-bis-(cyclohexyl)-diisocyanat sowie einem kurzkettigen Kettenverlängerer der Gruppe der niedermolekularen Diole mit einem Molekulargewicht < 400 g/mol wie z.B. dem Ethylenglykol, 1,3-Propandiol, 1,4-Butandiol, 1,4-Cyclohexandimethanol oder 1,4-Benzoldimethanol. Die Rohstoffe der einzelnen Gruppen können in reiner Form oder untereinander gemischt eingesetzt werden, ohne dass die Gruppe der thermoplastischen Polyurethane, die im Sinne der vorliegenden Erfindung vorteilhaft versponnen werden kann, auf die genannten Beispiele oder Rohstoffe begrenzt oder eingeengt ist. Die TPU Polymere werden mittels dem Fachmann bekannten Herstellungsverfahren hergestellt und können Additive und Zuschlagstoffe enthalten, wie beispielsweise Stabilisatoren, Mattierungsmittei, Pigmente, Farbstoffe, Füllstoffe, Schmelzehilfsmittel oder Weiterverarbeitungshilfsmittel.

Die oben erwähnten Vorteile gelten insbesondere auch für die elastischen Filamente, d.h., durch die Verwendung von entgegengesetzten gerichteten Blasluftströmungen in mehreren aufeinander folgenden Blaskammern wird eine geringere maximale Auslenkung der abzukühlenden Filamente erreicht, wodurch die sich verfestigenden und noch über geringe Fadenfestigkeiten verfügenden Filamente weniger stark beansprucht werden, was die Verwendung längerer Zonen mit einer aktiven Anblasung erlaubt, als dies mit einer herkömmlichen Queranblasung und Fadenabkühlung von nur einer Seite her realisierbar ist. Im Sinne der Erfindung können elastische Monofilamente bis über einen Titer von 300 dtex bei der Verwendung von mindestens zwei aufeinander folgenden Blaskammern mit entgegengerichteter Blasluftströmung bei Abzugsgeschwindigkeiten von bis zu 1000 m/min hergestellt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Aufsicht auf einen Spinnkopf mit darunter liegender angedeuteter Blaskammer,
2 einen schematischen Schnitt durch eine Kühlkammer mit Blas- und Saugkammer sowie angedeutetem Spinnkopf,
3 eine perspektivische Ansicht einer Kühlkammer mit Blas- und Saugkammer, und
4 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Spinnschacht mit Kühlkammer und zwei aufeinander folgenden Kombinationen von Blas- und Saugkammer, und
5 eine schematische Darstellung einer Anlage zum Herstellen von elastischen Filamenten.
Unter Bezugnahme auf die 1 – 3 weist die Spinnvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung einen Spinnkopf 3 auf, der mit einer Mehrzahl von Spinndüsen bzw. Spinnpaketen 4 ausgerüstet ist. Aus den Spinndüsen 4 treten jeweils ein einzelnes Filament 6 oder mehrere Filamente aus. Die Spinndüsen 4 sind versetzt und beabstandet zueinander ausgebildet, wobei mit a der Fadenabstand oder die Teilung bezeichnet wird, die definiert sind als der Abstand zwischen den aus den Spinndüsen 4 austretenden einzelnen Filamenten 6 bei einer Projektion auf eine Fläche parallel zur Reihung der Spinndüsen im Spinnkopf 3. Jeder einzelne Spinnkopf 3 ist durch eine Isolierung 5 thermisch isoliert, die im Bereich der Unterseite der Spinndüsen 4 ausgespart ist, um ein einfaches Ein- und Ausbauen der Spinndüsen 4 zu ermöglichen.
Unterhalb des Spinnkopfes 3 schließt sich ein Spinnschacht 31 (s. 4) an, wobei Bestandteil des Spinnschachtes 31 eine Fadenkühlkammer 7 ist. Die Kammer 7 weist zwei sich gegenüberliegende Seitenwände 14 mit glatter Oberfläche bzw. mit einer Oberfläche, die das Entstehen von turbulenten Luftströmungen oder Luftwirbeln vermeidet, auf, wobei die anderen zwei gegenüberliegenden Flächen offen sind und jeweils in eine angesetzte Blaskammer 1 und eine angesetzte Saugkammer 2 übergehen. Selbstverständlich können auch Seitenwände vorgesehen sein, die mit großen Öffnungen für die Verbindung zur Blaskammer 1 und zur Saugkammer 2 versehen sind. Blas- und Saugkammer 1, 2 sind nach außen hin geschlossen und weisen jeweils eine Gas- oder Luftzuführung 10 und eine Gas- bzw. Luftabführung 20 auf. Die zugeführte Luft ist mit 10' bezeichnet und die abgeführte Luft bzw. das abgeführte Gas ist mit 20' bezeichnet.
Die Kühlkammer 7 mit den Seitenwänden 14 und der Blaskammer 1 und der Saugkammer 2 ist gegebenenfalls unter Einsetzung eines kasten- oder rohrförmigen Zwischenteils an den Spinnkopf 3 angesetzt, wobei alle Teile zueinander und zur Umgebung hin abgedichtet sind. Wie aus 1 zu erkennen ist, ist die Breite der Öffnung zwischen der Blaskammer 1 und der Kühlkammer 7 so bemessen, dass Blasluft über im Wesentlichen die gesamte Breite der Kühlkammer 7, d.h. über die Breite b der austretenden Fadenschar sowie zusätzlich an den beiden Flanken über eine Breite f eingebracht wird. Die Blaskammer 1 hat eine Länge l, die variabel gestaltet sein und den Prozessbedingungen angepasst werden kann. Hochtitrige Monofilamente benötigen längere Kühlstrecken, die mit der Erfindung erreicht werden, so dass die Länge l bis zu 4 m und gegebenenfalls mehr beträgt.
Zwischen der Austrittstelle der Filamente aus Düsenbohrungen einer Düsenplatte der Spinndüse 4 und der Oberkante der Blaskammer ist eine strömungsberuhigte Zone 8 vorgesehen, die so gestaltet ist, dass sie nicht direkt von aus der Blaskammer 1 in die Kühlkammer eintretende Blas- oder Kühlluft angeströmt wird. Die Ausführung der strömungsberuhigten Zone 8 kann solcherart sein, dass sie in Bereiche um jeweils ein einzelnes Filament oder eine Gruppe von Filamenten aufgeteilt ist oder als ein Bereich um alle aus einem Spinnkopf 3 austretenden Filamente ausgebildet ist. Die Höhe c der strömungsberuhigten Zone 8, in der keine aktive Kühlung der frisch ersponnenen Filamente mit Blasluft geliefert wird, beginnt direkt im Anschluss an die Düsenplatte.
Die strömungsberuhigten Zone 8 kann erhalten werden, wenn die Fadenkühlkammer 7 nicht direkt an den Spinnschacht anschließt. Dazu kann das oben erwähnte kasten- oder rohrförmige, nur in Fadenlaufrichtung offene Übergangsstück zwischen Spinnkopf und Kühlkammer verwendet werden. In 2 wird die strömungsberuhigte Zone 8 durch Isolierschichten 5 vorgegeben, die an den Spinndüsen 4 oder dem Spinnkopf befestigt sind. Die Isolierschichten können durch in Fadenlaufrichtung angeordnete fadendurchlässige Hohlkörper gebildet, verlängert oder eingeengt werden, wodurch eine Anpassung an die verfahrensbedingt erforderliche Höhe c der strömungsberuhigten Zone 8 möglich ist. In einer anderen Ausführungsform sind die Spinndüsen in den Spinnkopf zurückgezogen angeordnet. Schließlich kann eine strömungsberuhigte Zone 8 auch durch eine zwischen dem Spinnkopf 3 und der Fadenkühlkammer 7 eingebrachten aktiv beheizbaren Nacherhitzer geschaffen werden.
Die Abmessungen des Spinnkopfs 3 mit Düsen, der Kühlkammer 7 und der Blaskammer(n) sind so bemessen, dass bei den verwendeten Blasgeschwindigkeiten ein Berühren der ersponnenen Filamente mit den Wänden der Kühlkammer 7 oder sonstigen Einbauten vermieden wird.
Wie in 3 zu erkennen ist, ist in mindestens einer der Seitenwände eine verschließbare Öffnung oder eine Tür 16 angeordnet, über die ein Zugang zu den Düsen für deren Ein- und Ausbau oder für Inspektionen und Reinigungsarbeiten ermöglicht wird. Zusätzlich sind eine oder mehrere Sichtscheiben in der Seitenwand 14 vorgesehen, über die eine visuelle Inspektion des Filamentaustritts aus den Düsenplatten oder des Fadenlaufs in der Fadenkühlkammer 7 gegeben ist.
Die Saugkammer 2 liegt der Blaskammer 1 gegenüber, wobei vorzugsweise die Strömungsfläche zwischen der Kühlkammer 7 und der Saugkammer 2 der Strömungsfläche zwischen Blaskammer 1 und Kühlkammer entspricht. Allerdings sind auch andere Abmessungen möglich, die beispielsweise konstruktiv vorgegeben sind. Es kann auch eine unterschiedliche Anzahl von Blaskammern zu Saugkammer(n) vorhanden sein, beispielsweise können zwei Blaskammern nur einer Saugkammer mit größerer Strömungsfläche gegenüberstehen. Die Gasabführung 20 aus der Saugkammer 2 ist mit einem nicht dargestellten Sauggebläse verbunden, dessen Saugleistung entsprechend den über die Blaskammer 1 zugefügten und abzusaugenden Gasmengen eingestellt wird.
Im Bereich der Zuführung 10 der Blaskammer 1 ist eine Regelvorrichtung 11 angeordnet, die als Klappe, Schieber oder Blende ausgeführt sein kann. Eine entsprechende Regelvorrichtung 22 ist in der Gas- bzw. Luftabführung 20 der Saugkammer 2 angeordnet. Über diese Regelvorrichtungen 11 und 22, die getrennt voneinander arbeiten, werden die Mengen der zugeführten Blasluft und der abzusaugenden Gase und somit die resultierende Geschwindigkeit der Blasluft in der Kühlkammer 7 eingestellt. In bevorzugter Weise ist die jeweilige Regelvorrichtung so ausgebildet, dass die Menge der zugeführten Luft bzw. der abgeführten Gase stufenlos zwischen 100% und 0% bezogen auf den Staudruck vor der jeweiligen Regelvorrichtung eingestellt werden kann. Im Ausführungsbeispiel ist der maßgebende Strömungsparameter die Strömungsgeschwindigkeit in der Kühlkammer und danach wird das Gleichgewicht zwischen zugeführter und abgeführter Luft eingestellt. Vor oder nach der Regelvorrichtung 11 in der Blasluftzuführung kann ein Wechselfilter in die Luftströmung eingebracht sein, der eine Vorreinigung der in die Zuluftkammer einströmenden Luft ermöglicht.
Sowohl in der Strömungsfläche der Blaskammer 1 zur Kühlkammer 7 als auch in der Strömungsfläche zwischen Kühlkammer 7 und Saugkammer 2 sind Gleichrichter bzw. Gleichrichterelemente 12 und 19 angeordnet, die eine Vergleichmäßigung oder eine Profilausbildung der Strömung gestatten. Die Gleichrichter 12, 19 mit ihren Elementen bestehen aus porösen, luftdurchlässigen Materialien, wie z.B. Lochblenden, Waben, Gewebe, Fliesen, Matten oder Filtern aus Metall, Kunststoff oder Textilien. Über die Beschaffenheit, Dicke und Porosität der Gleichrichterelemente bzw. deren Kombination wird der Druckverlust definiert und zusammen mit den zuvor erwähnten Einstell- und Regelmöglichkeiten die Strömungsgeschwindigkeit der Blasluft in der Fadenkühlkammer 7 eingestellt. Zur mechanischen Stabilisierung und zum Schutz der Gleichrichter 12, 19 vor Beschädigung sind jeweils Schutzgitter 13, 17 angeordnet, die nur einen geringen Luftwiderstand aufweisen, wobei das Schutzgitter 17 auch ein unbeabsichtigtes Einsaugen von Filamenten in die Saugkammer vermeidet. Zusätzlich kann ein auswechselbares Abscheidergewebe 18 (siehe 4) in Form eines Drahtgewebes oder einer Textil- oder Papierbespannung auswechselbar angebracht sein, an dem sich auch die im Spinnprozess aus den Filamenten austretenden kondensierbaren Dämpfe abscheiden können.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung weist zwei in Richtung aufeinander folgende Kombinationen von Blaskammer 1 und gegenüberliegender Saugkammer 2 auf, wobei zwischen den Kombinationen ein Trennsegment 25 eingesetzt ist, das als in Filamentlaufrichtung offenes Rohr oder offener Kasten ausgebildet ist. Es weist die gleichen Abmessungen auf wie die Fadenkühlkammer 7. Falls jedoch die aufeinander folgenden Kombinationen von Blaskammer 1 und Saugkammer 2 unterschiedliche Abmessungen haben, kann es als stufenloses Übergangselement ausgeführt sein. Das Trennsegment 25 wird nicht aktiv von Blasluft angeströmt und ist auch nicht an eine Absaugung angeschlossen. Die Höhe des Trennsegments 25 ist so zu wählen, dass keine Turbulenzen durch die verschiedenen z.B. entgegenlaufenden Strömungen auftreten. Am Trennsegment können Schienen, Leisten oder Absätze 24 oder beweglichen Klappen oder Platten angebracht sein, mit deren Hilfe die Kühlkammer 7 entsprechend der Kombination von Saug- und Blaskammer abgetrennt werden kann, wobei diese Abtrennung für die Dauer der Einstellung des Verhältnisses von zugeführter Blasluft und zu entfernender Saugluft für eine Kombination dient. Auf die Absätze 24 werden Platten oder Bleche zum Abtrennen der Kühlkammerabschnitte dicht aufgelegt, wodurch der Austausch von Luft zwischen den Fadenkühlkammerabschnitten verhindert wird.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Strömungsrichtungen der oberen Kombination Blaskammer 1 – Saugkammer 2 und der darunter liegenden Kombination zueinander entgegengesetzt, d.h. unterhalb der Blaskammer 1 der oberen Kombination liegt die Saugkammer 2 der unteren Kombination und unterhalb der Saugkammer 2 der oberen Kombination liegt die Blaskammer 1 der unteren Kombination.
Der Spinnschacht 31, zu dem die Kühlkammer 7 gehört, setzt sich unterhalb der unteren Kombination durch ein Fallrohr 23 weiter fort und wird am unteren Ende durch eine Verschlusseinrichtung 27, beispielsweise in Form beweglicher Klappen oder Schienen geführter Platten abgeschlossen. Zwischen der unteren Kombination Blaskammer/Saugkammer und dem Fallrohr 23 sind gleichfalls Absätze 24 zur Aufnahme von Blechen oder Platten vorhanden. Zur Fadenführung sind Fadenleitorgane 28 und zum Abziehen der Fäden ist eine Abzugsvorrichtung 26, die z.B. als Galetten ausgeführt ist, vorgesehen.
Die Funktionsweise der Vorrichtungen entsprechend 1 bis 4 ist wie folgt.
Die abzukühlenden Filamente 6 bzw. 29 werden in dem Spinnkopf 3 oder mehreren in einem Spinnbalken angeordneten Spinnköpfen erzeugt, wobei sie durch Düsenbohrungen, die sich einzeln oder zu Gruppen zusammengefasst in Düsenplatten befinden, in die Fadenkühlkammer 7 ausgepresst. Die einzelnen Spinndüsen bzw. Spinnpakete 4 sind entsprechend 1 in Reihen angeordnet, so dass die einzelnen Düsenbohrungen in Blasluftrichtung 10 gesehen zueinander versetzt liegen. Die einzelnen Filamente 6 durchlaufen die Fadenkühlkammer 7 somit gestaffelt und dem definierten Fadenabstand a zueinander, so dass jedes Filament gleichmäßig mit Kühlluft angeströmt werden kann. Der Spinnkopf 3 kann eine Mehrzahl von Spinnpaketen 4 aufweisen, in 1 sind drei Reihen gezeigt. Die ausgesponnenen Filamente 6 passieren die strömungsberuhigte Zone 8, in der sie sich in ihrem Durchmesser verringern und gelangen dann in die Kühlkammer 7, in der sie entsprechend 2 quer, d.h. senkrecht zur Fadenlaufrichtung über die gesamte Filamentbreite mit Blasluft angeblasen werden. Dabei werden sie C-förmig aus der Falllinie 6a ausgelenkt.
In 4 wird die Blasluft jeweils in die obere und untere Blaskammer 1 mit entgegengesetzten Strömungsrichtungen angeblasen. Dadurch werden die Filamente 29 weniger stark aus ihrer idealen Falllinie 6a ausgelenkt. Es stellt sich ein S-förmiges Profil des Fadenlaufs ein.
Über die Zuführung(en) 10 wird druck- oder volumengeregelte konditionierte Luft in die Blaskammer(n) eingeführt. Die konditionierte Luft kann z.B. von einer Klimaanlage bereitgestellt werden, wobei eine Ventilatoreinrichtung mit angeschlossenem Kanalsystem die Luft gleichmäßig auf alle angeschlossenen Blaskammern 1 verteilt. Die Blasluft durchströmt die Kühlkammer 7, nimmt gegebenenfalls entstandene Gase mit und wird über die Saugkammer 2 wieder abgeführt. Die Einregelung des Verhältnisses der Menge von zugeführter Blasluft zu abgeführter Saugluft wurde vor dem Ausspinnen bestimmt, wobei jeder Kühlkammerabschnitt für sich durch Vorsehen der verschließbaren Platten mit Hilfe der Regelvorrichtungen 11, 22 und der Saugkraft des Gebläses eingestellt wird. Die Menge der aus jedem Fadenkühlkammerabschnitt abgeführten Saugluft entspricht 50% bis 120% der zugeführten Blasluft, vorteilhafterweise 90% bis 110%. Wenn möglichst geringe intrafilamentäre Titerschwankungen beabsichtigt werden, wird die Blasluft mit einem geringen Überschuss zur Menge an abgeführter Saugluft zugeführt. Der geringe Überschuss an Blasluft kann an einer verschließbaren Bohrung im Bereich der Fadenkühlkammer 7 in Form einer austretenden Luftströmung gemessen wer den, wobei zur Messung das oder die Trennbleche auf die Absätze 24 aufgesetzt sind. Mittels eines an einer wiederverschließbaren Öffnung 30 angeschlossenen Druckmessgerätes wird ein Überdruck in der Fadenkühlkammer 7 von 0,1 bis 5 mm Wassersäule, bei bevorzugter Einstellung von 0,3 bis 1 mm Wassersäule gemessen. Zusätzlich kann auch ein Messkopf eines Luftströmungsmessgerätes durch die verschließbare Öffnung 30 für die Dauer der Messung in die Fadenkühlkammer eingeführt werden, um die Strömungsgeschwindigkeit der Blasluft zu ermitteln, die jederzeit auch ohne Trennblech messbar ist.
Wird mehr Luft aus dem Fadenkühlkammerabschnitt abgeführt als Blasluft über die Blaskammer 1 zuströmt, wie es z.B. für die Entfernung von beim Spinn- oder Abkühlprozess eingesetzter oder ausgetretener gesundheitsgefährlicher Stoffe notwendig ist, so kann der in einem weitgehend luftdicht abgeschlossenen Fadenkühlkammerabschnitt herrschende Unterdruck ebenfalls mittels eines angeschlossenen Druckmessgerätes ermittelt werden. Im Sinne der Erfindung werden Unterdrücke von 0,1 bis 5 mm Wassersäule, bevorzugt von 0,3 bis 3 mm Wassersäule verwendet. Unter einer weitgehend luftdicht abgeschlossenen Fadenkühlkammer oder einem Fadenkühlkammerabschnitt ist zu verstehen, dass mindestens 70%, vorzugsweise mindestens 90% der in die Fadenkühlkammer einströmenden Blasluft saugseitig entfernt wird, so dass maximal 30%, vorzugsweise maximal 10% der zugeführten Blasluftmenge an die umgebende Raumluft abgegeben werden. Wird mehr Luft aus der Fadenkühlkammer 7 abgesaugt als Blasluft zugeführt wurde, wird der Mehranteil an abgesaugter Luft über den offenen Bereich des Spinnschachtes 31 angesaugt.
Das Trennsegment 25 zwischen den zwei Kombinationen verhindert, dass Blasluftströmungen ungerichteten oder turbulenten Profils oder Blasluftwirbel an der Berührungsfläche von zwei aneinander grenzenden Fadenkühlabschnitten, wie sie entstehen können, wenn die Abschnitte mit unterschiedlichen Blasluftgeschwindigkeiten oder unterschiedlich ausgerichteten Blasluftströmungen betrieben werden, erzeugt werden.
Nach dem Verlassen des in Fadenlaufrichtung betrachtet letzten Fadenkühlkammerabschnitts durchlaufen die Filamente noch das Fallrohr 23, d.h. einen Bereich im Spinnschacht 31 ohne aktive Queranblasung, in dem eine weitere Fadenabkühlung erfolgen kann, z.B. durch die über dem Spinnschacht 31 angesaugte Luft bei Betrieb der Fadenkühlkammern mittels eines eingestellten Unterdrucks bzw. durch die mit den Filamenten ausströmenden Luft bei einem eingestellten Überdruck im Spinnschacht 31. Dieses Fallrohr 23 ist als Rohr oder als rechteckiger Kanal ausgebildet, wobei seine Höhe so gewählt ist, dass geordnete Luftströmungen zur Erzielung einer Gleichmäßigkeit im unteren Bereich vorhanden sind. Der Spinnschacht 31 selbst kann sich in Richtung der Fadenabzugsrichtung verengen. Die Verschlusseinrichtung 27 ist so gestaltet, dass sie bei sich ändernden Spinnbedingungen einfach dem Fadenlauf angepasst werden kann, um ein Anstoßen der Filamente an die Wandung der Verschlusseinrichtung sicher zu vermeiden. Gleichzeitig kann die Fläche und somit die Geschwindigkeit der aus dem Spinnschacht 23 ein- oder austretenden Luft reguliert werden. Zu hohe Luftströmungen in diesem Bereich sind unvorteilhaft, da dies zu einem Flattern der Fäden führen kann, das sich in höheren Titerschwankungen bemerkbar macht.
Die Saugkammern 2 können jeweils einzeln oder auch gemeinsam an eine Absaugvorrichtung bzw. ein Sauggebläse angeschlossen sein. In letzterem Fall sind mehrere Saugkammer 2 über ein Luftverteilungssystem an das Sauggebläse angeschlossen. Wäscher, Abscheider oder Adsorptionsvorrichtungen, die Bestandteil einer Absaugvorrichtung sein können, erlauben eine Reinigung der Saugluft und ein Entfernen der Ausdünstungen, die beim Verspinnen der Filamente entstehen können. Vorzugsweise werden zusammen mit der Saugluft Reaktionsprodukte aus der Polymerschmelze oder sich aus Polymerbestandteilen mit einem gas- oder dampfförmigen Reaktionspartner bildende Reaktionsprodukte abgeführt, die gleichfalls anschließend aus der Saugluft entfernt werden. Die Saugluft kann gereinigt oder ungereinigt als Abluft an die Umgebung abgegeben werden. Vorzugsweise wird jedoch die Saugluft direkt oder in Teilen mit Frischluft vermischt, unter geringerem Energieaufwand erneut als Blasluft zur Fadenkühlung eingesetzt.
In 5 ist eine Anlage zur Herstellung schmelzspinnbarer elastischer Filamente dargestellt, die eine Kühlkammer nach der Erfindung verwendet.
Die Anlage weist einen Trockner 40 zum Trockenen der verwendeten Rohstoffe, z.B. TPU, PEE, PEA oder PO auf. Der Trockner 40 ist mit einem Schmelzeextruder 41 zum Überführen der Rohrstoffe in eine Schmelze verbunden. eine Mischvorrichtung 43 mischt die Schmelze vom Extruder 41 mit einem Prepolymer, das über eine Dosierpumpe 46 zugeführt wird. Die so zubereitete Schmelze wird auf die angeschlossenen Spinnköpfe verteilt, wobei Spinnpumpen 42 die Versorgung der Spinnpakete mit einem definierten Volumenstrom an Schmelze. Die ausgesponnenen Filamente werden nach Verlassen der Düsenbohrung verzogen, auf die Abzugs geschwindigkeit beschleunigt und in der Kühlkammer 7 entsprechend 4 mit der gerichteten Blasluft abgekühlt, wobei die entstehenden Gase über die Saugkammer 2 abgezogen werden.
Isocyanathaltige Dämpfe oder isocyanathaltige flüchtige Verbindungen aus TPU können beispielsweise von nicht umgesetzten monomeren Rohrstoffen der Gruppe der Diisocyanate oder aus bei der Reaktion von Diisocyanaten mit OH-gruppenhaltigen Verbindungen entstandenen Oligomeren herrühren. Aufgrund der beim Schmelzspinnprozess von TPU notwendigen Temperaturen von ca. 160 – 260°C und der Verweilzeit der Schmelze bei diesen Temperaturen bilden sich darüber hinaus unter dem herrschenden Gleichgewicht der Bildungs- und Spaltungsreaktion der Urethangruppen erneut isocyanatgruppentragende Verbindungen, die unter den herrschenden Spinnbedingungen flüchtig sein können. Insbesondere aber wird eine starke Belastung der verbrauchten Blasluft beobachtet, wenn zur Erzeugung der TPU-elastischen Filamente einer Schmelze eines TPU ein so genanntes TPU-Prepolymer zugegeben wird. Unter einem TPU-Prepolymer oder Prepolymer wird hierbei das Reaktionsprodukt von Rohstoffen aus der Gruppe der Diisocyanate mit Rohstoffen aus der Gruppe der Diole, insbesondere der Gruppe der Polydiole verstanden. Die üblicherweise beim Schmelzspinnen von TPU verwendeten Prepolymere oder Prepolymermischungen weisen ein Molekulargewicht von 400 – 4000 g/mol auf und tragen an ihren Kettenenden überwiegend reaktive Isocyanatgruppen.
Es wird davon ausgegangen, dass die Zugabe von Prepolymerverbindungen zu einer TPU-Schmelze zu eine Molekulargewichtserhöhung sowie zu einer Vernetzung der Hartsegmente im TPU führt, was sich in besseren elas tischen Eigenschaften und höheren Thermostabilität der ersponnenen Fäden gegenüber solchen TPU-Fäden bemerkbar macht, die ohne Prepolymerzugabe hergestellt werden. Die Zugabe der Prepolymers kann zu jedem Zeitpunkt nach Überführung des TPU in eine Schmelze erfolgen, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Mischvorrichtung 43 verwendet wird.
Eine möglichst homogene Einmischung des Prepolymers in die TPU Schmelze ist anzustreben, da hierdurch gleichmäßige Fadeneigenschaften resultieren. Üblicherweise werden zwischen 5 und 25% Massen%, in einer bevorzugten Ausführung zwischen 10 und 20 Massen% eines Prepolymers oder einer Prepolymermischung zur TPU-Schmelze zugegeben. Vor seiner Zugabe ist das Prepolymer vor Luftfeuchtigkeit zu schützen, um ein vorzeitiges Abreagieren und somit Unwirksamwerden der Isocyanatgruppen zu vermeiden. Hierfür hat sich die Lagerung des Prepolymers in unter Stickstoff un unter Rühren in einem beheizbaren Vorratsbehälter 44 als geeignet erwiesen. Von diesem Vorratsbehälter aus wird das Prepolymer über eine beheizte Leitung in die TPU Schmelze gefördert.
In der beschriebenen Ausführung der Erfindung erfolgt die Herstellung von schmelzgesponnenen elastischen Fäden basierend auf polyurethanhaltigen Rohstoffen unter der Zugabe des Prepolymers zu der TPU-Schmelze über die Kombination zweier nachfolgend angeordneter und über eine beheizte Schmelzeleitung miteinander verbundener Zahnradpumpen. Die in Förderichtung betrachtet erste Pumpe und als Druckerhöhungspumpe 45 bezeichnet, wird dabei mit unter einem geringen Vordruck stehenden Prepolymer aus dem Vorratsbehälter 44 gespeist. Der geringe Vordruck von 0,1 bis 5 bar kann durch den hydrostatischen Druck einer am Auslaufbe reich des Lagerbehälters angebrachten Leitung mit einer Steighöhe von bis zu 10 Metern oder durch das Anlegen eines Überdrucks mittels eines inerten, weitgehend wasserfreien Gases von bis zu 5 bar an dem Vorratsbehälter oder durch eine Kombination von hydrostatischem Druck und angelegtem Überdruck an dem druckdicht verschließbaren Vorratsbehälter aufgebracht werden. Eine unter einem solchen geringen Vordruck gespeiste Zahnradpumpe vermag das Prepolymer in eine Schmelze von TPU bis zu einem Gegendruck von 250 bar einzubringen, allerdings ist die Förderkonstanz gering und nimmt mit einem zunehmendem Gegendruck ab. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung speist die erste Prepolymerpumpe als Druckerhöhungspumpe 45 die angeschlossene Dosierpumpe 46, die ebenfalls als Zahnradpumpe ausgeführt ist mit einem ausreichend hohen Eingangsdruck, der eine sichere und gleichmäßige Förderung des Prepolymers in eine TPU-Schmelzee bis zu einem Gegendruck von 250 bar erlaubt. Die Regelung des Eingangsdruckes der Dosierpumpen wird über eine dem Fachmann bekannte Druck-Drehzahl-Regelung durchgeführt, bei der die Antriebsdrehzahl der Druckerhöhungspumpe in Abhängigkeit des vor einer Dosierpumpe herrschenden Druckes oder alternativ in Abhängigkeit des Ausgangsdruckes der Druckerhöhungspumpe auf einen konstanten Sollwert geregelt und gehalten wird.
Entsprechend 5 speist die Druckerhöhungspumpe 45 eine beheizbare Ringleitung 47, an die mindestens die Dosierpumpe 46, in einer bevorzugten Ausführung mehrere Prepolymerdosierpumpen 46 angeschlossen sind. Um einen ausreichend hohen Vordruck und somit eine ausreichende Befüllung aller angeschlossenen Dosierpumpen sicherzustellen, ist hinter der letzen Dosierpumpe ein Widerstandselement 48 in die Ringleitung 47 eingebracht. Das Widerstandselement ist in der Aus führung ein Staurohr mit verengtem Leitungsquerschnitt oder eine Stellschraube, die den Leitungsquerschnitt ebenfalls verengt. Prepolymer, das die Ringleitung 47 durchflossen hat und dabei nicht von den Dosierpumpen 46 abgenommen wurde, gelangt über das Widerstandselement 48 zurück in den Vorratsbehälter 44 und kann von dort erneut der Ringleitung 47 zugeführt werden.
Die Förderung des Prepolymers in einer Ringleitung ist vorteilhaft, da das Prepolymer zentral, in einem von der Schmelzeerzeugung abgetrennten Teil der Anlage gelagert wird und von dort auf die einzelnen Zugabestellen verteilt werde kann. Dadurch wird das Hantieren mit Prepolymer an mehreren Stellen in der Anlage vermieden, das häufig kritisch ist, da im Bereich der Spinnerei die Platzverhältnisse beengt sind, ein Hantieren mit Kanistern oder Fässern somit schwierig ist und Prepolymer beim Ein- und Umfüllen leicht verschüttet werden kann. Dies ist besonders kritisch, da hierbei gesundheitsschädliche isocyanatgruppenhaltige Dämpfe entweichen können. Des Weiteren handelt es sich bei den Prepolymeren üblicherweise um sehr klebrige, honigviskosen Flüssigkeiten, die zu einem Anhaften an Spinnereiequipment und Gebäudeteilen neigen und später in Gegenwart von Wasser oder atmosphärischem Wasserdampf zu einer festen, schwer entfernbaren Masse abreagieren. Die Reinigung von Prepolymerverschmutzungen ist aufwändig und arbeitsintensiv und sollte daher vermieden werden.
Als weiteren Vorteil der zentralen Lagerung des Propolymers ergibt sich, dass die durchschnittliche Verweilzeit des Prepolymers unter erhöhter Temperatur im Vorratsbehälter 44 entsprechend kurz gehalten werden kann, so dass das Abreagieren und unbrauchbar werden der reaktiven Isocyanatgruppen nicht oder nur in einem geringeren Umfang gegenüber der Lagerung und Speisung nur einer Zugabestelle auftritt. Vorteilhaft an dieser Ausführung der Prepolymerdosierung ist zudem, dass beim Abstellen einer oder mehrerer Dosierpumpen 46 aufgrund des weiterhin möglichen Fließens des Prepolymers in der Ringleitung 47 ein Verstopfen der in Ringleitung aufgrund der Bildung von Agglomeraten aus Prepolymers wirksam vermindert werden kann. Die Bildung von Agglomeraten tritt insbesondere beim Stehen von Prepolymer im Vorratsbehälter 44 oder Leitungen aufgrund von Eigenreaktion des Prepolymers oder durch Reaktion mit Luftfeuchtigkeit zu vernetzten Polymerstrukturen auf.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung schmelzgesponnener Filamente mit einem mindestens eine Spinndüse zum Ausspinnen der Filamente aufweisenden Spinnkopf und einer unterhalb des Spinnkopfs vorgesehenen Kühlkammer, die mit einer eine Gaszuführung aufweisenden Blaskammer zum seitlichen Anblasen der Filamente mit Gas verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüberliegend zur Blaskammer (1) eine Saugkammer (2) mit Gasabführung (20) zum Abführen des zugeführten und durch die Filamente durchströmenden Gases gegebenenfalls zusammen mit aus den Filamenten austretenden Ausdünstungen oder Reaktionsprodukten angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkammer (7) mit jeweils einer Blaskammer (1) und jeweils mindestens einer Saugkammer (2) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Blaskammern und/oder Saugkammern diese in Ausspinnung aufeinander folgen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Blaskammer (1) ein Gaszuführung (10) und jeder Saugkammer (2) eine Gasabführung (20) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweiligen Gas zuführung (10) und/oder Gasabführung (20) eine Regelvorrichtung (11) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Gasstroms über die Zuführung des Gases derart einstell- und regelbar ist, dass eine Geschwindigkeit in der Kühlkammer von 0,1 und 1,0 m/s vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Blaskammer (1) und/oder Saugkammer (2) Gleichrichterelemente, Stauelemente und/oder strömungsführende und/oder vergleichmäßigende Einbauten zur Vergleichmäßigung und/oder Profilierung der Strömung angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkammer (7) und die mit ihr verbundenen Blas- und Saugkammern (1, 2) gegen Umgebungsluft abgedichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an die Gasabführung 20 ein Sauggebläse zum Absaugen einer Menge des über die Blaskammer (1) zugeführten Gases zwischen 50% und 120% angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kühlkammer (7) und Blaskammer (1) und/oder Saugkammer (2) Filterelemente und/oder Abscheiderelemente (18) vorgesehen sind, die zum Filtern des Gases und/oder zum Abscheiden von kondensierbaren Stoffen dienen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente und Abscheiderelemente aus einem Draht-, Faser-, Textilgewebe oder -gewirke oder aus Papier hergestellt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Kombinationen von Blas- und Saugkammern (1, 2) aufeinander folgend unterschiedliche Gasströmungen, vorzugsweise entgegengesetzte Gasströmungen und/oder unterschiedliche Gasgeschwindigkeiten vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkammer (7) schachtförmig in abgedichteter Weise an den Spinnkopf (3) angesetzt ist und in zwei gegenüberliegenden Wänden Öffnungen aufweist, an die einerseits die Blaskammer (1), gegebenenfalls mehrere Blaskammern und andererseits die Saugkammer (2), gegebenenfalls mehrere Saugkammern angesetzt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Blas- und Saugkammern (1, 2) zwischen den Kombinationen von Blas- und Saugkammern mindestens ein Trennsegment (25) vorgesehen ist, das nicht mit einer Gaszuführung oder Gasabführung verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spinndüse (4) in einem Spinnkopf angeordnet sind und dass die Strömungsfläche zwischen Blaskammer (1) und Kühlkammer (7) mindestens die Breite der aus dem Spinnkopf (3) austretenden Fadenschar aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Spinnkopf (3) und Kühlkammer (7) mit Blas- und Saugkammer (1, 2) eine strömungsberuhigte Zone (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Kombinationen von Blas- und Saugkammer (1, 2) eine Abtrennvorrichtung zur vorübergehenden Abtrennung der beströmten Kühlkammerbereiche (4) zur Einstellung der Verhältnisse von zugeführter und abgeführter Gasströmung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasabführung (20) mit der Gaszuführung zur erneuten Zuführung in die Blaskammer gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Reinigungsvorrichtung zur Reinigung des abgeführten Gases und Zumischung von Frischgas verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Blaskammer zugeführte Gas atmosphärische Luft, Wasserdampf, Alkohole, Amine, inerte Gase oder Mischungen davon ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zum Verspinnen von Polyurethanrohstoffen mit einem Trockner (40) zur Aufnahme der Rohstoffe, einem Extruder (41) zum Überführen der Rohstoffe in eine Schmelze und einer Mischvorrichtung zum Zumischen eines isocyanatgruppenhaltigen Prepolymers, wobei die so gemischte Schmelze dem mindestens einen Spinnkopf zuführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Prepolymer über eine Dosierpumpe (46) zumischbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zumischung des Prepolymers eine Ringleitung (47) mit einem Vorratsbehälter (44), einer Druckerhöhungspumpe (45) und einem Widerstandselement (48) vorgesehen ist, wobei eine (46) oder mehrere Dosierpumpen an die Ringleitung (47) hinter der Druckerhöhungspumpe (45) angeschlossen sind.
Verfahren zur Herstellung schmelzgesponnener Filamente, die aus mindestens einer Spinndüse eines Spinnkopfes ausgesponnen werden und in einer Kühlzone mittels eines seitlich auf sie strömenden Gases gekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführten Gase nach dem Durchströmen durch die ausgesponnenen Filamente gegebenenfalls mit aus den Filamenten austretenden Ausdünstungen oder Reaktionsprodukten abgesaugt werden.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas an mehreren Stellen über die Höhe der Kühlzone gesehen zugeführt und/oder an mehreren Stellen abgesaugt wird.
Verfahren nach Anspruch 23 oder Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführung und die Gasabsaugung hinsichtlich Geschwindigkeit und/oder Gasmenge geregelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge von 50% bis 120% des zugeführten Gases abgesaugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeführte Gas gereinigt wird und gegebenenfalls unter Zuführung von Frischgas wieder zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass einer Schmelze aus einem Polyurethanstoff ein isocyanatgruppenhaltiges Prepolymer in 5-25 Massen% zugesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das isocyanatgruppenhaltige Prepolymer von einer Ringleitung (47) zugesetzt wird, in der ein ausreichend hoher Eingangsdruck von mindestens einer zur Dosierung des Prepolymers vorgesehenen Dosierpumpe über eine Druckerhöhungspumpe in Kombination mit einem Widerstandselement geregelt wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22 und des Verfahrens nach einem der Ansprüche 23 bis 29 zur Herstellung von elastischen Filamenten aus einer TPU-Schmelze gemischt mit einem Prepolymer.