DE1583672A1 - Verfahren zur Bildung von geformten Gegenstaenden unbestimmter Laenge aus einer Schmelze von niedriger Viskositaet - Google Patents

Description

W. 13 454/67

Mons ^ nt ο Comp any
St. Louis, Missouri (V.St.A₀)

Verfahren zur Bildung von geformten Gegenständen unbestimmter Länge aus einer Schmelze von niedriger Viskosität

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Bildung von geformten Gegenständen aus Materialien von niedriger Schmelzviskosität und insbesondere auf die Bildung von geformten Gegenständen unbestimmter Länge unmittelbar aus strömenden Schmelzen von niedriger Viskosität·

Beim Versuch, geformte Gegenstände unmittelbar aus strömenden Schmelzen von niederer Viskosität zu bilden, ist das anfänglich auftretende Problem ein solches der Stabilisierung der flüssigen Teile von solchen Strömen, während deren Verfestigung gegenüber einer anhaftenden

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Neigung, örtliche Übertragungen von flüssigen Massen einzugehen, die, wenn-, sie nicht gehemmt oder geregelt werden, normalerweise in einem Stromabbruch gipfeln₀ Die deutschen

Patentschriften ο ₀ »..<.. und (Patentanmeldungen

M 68 985 VIa/31c vom 30. März 1966 und M 73 618 vom 15. April 1967) sind auf die vielseitigen Aspekte dieses Problems gerichtet und beschreiben eine Stromstabilisierungsarbeitsweise, die eine zufriedenstellende Wirksamkeit aufwies,, Ganz allgemein ist darin ein Vorschlag zum filmstabilisierten Schmelzspinnen beschrieben, wobei eine Schmelze von niedriger Viskosität unter sorgfältig geregelten Bedingungen durch bestimmte Atmosphären frei strömen gelassen wird, die eine rasche Filmbildung um den Strom erzeugen, um dadurch denselben gegenüber einem Abbrechen während der Verfestigung durch normale Hitzeübertragungsvorgänge zu stabilisieren.

Abgesehen von der Weise, gemäß welcher der flüssige Teil eines Stroms von niedriger Viskosität anfänglich stabilisiert wird, sei es durch Filmstabilisierung, sei es dnaich eine bestimmte andere Weise, beispielsweise hydrodynamische oder Magnetfeld-Stabilisierung, tritt ein weiteres Problem von Abreißen auf, das für Ströme von niedriger Viskosität und hoher Oberflächenspannung bezeichnend ist, nämlich ein Problem, dessen Definition, die für eine praktische Lösung erforderlich ist, bisher fehlte. Im Gegensatz

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zu Materialien von hoher Viskosität, wie z.B_o Gläsern und Polymerisaten von hohem Molekulargewicht, die mühelos auf übliche Schmelzspinnarbeitsweisen abgestimmt werden können, und im Gegensatz zu vielen Lehren der bisherigen Technik ist der flüssige Teil von Strömen niedriger Viskosität und hoher Oberflächenspannung äußerst abbrechbar, selbst bei einer anfänglichen Stabilisierung bis zu dem Punkt einer wesentlichen Verfestigung. Die Zugfestigkeit von derartigen flüssigen Bereichen liegt wesentlich unterhalb den Beanspruchungen, die bei gebräuchlichen Schmelzspinnarbeitsweisen auftreten, und aufgrund des Fehlens eines auf der Viskosität beruhenden Widerstands führt selbst eine verhältnismäßig geringfügige Dehnung von derartigen Bereichen zu einem Stromabbruchmechanismus, der von der Oberflächenspannung bestimmt oder gelenkt wird, und der, falls er nicht gänzlich die Stromkontinuität zerstört, die Produktion von Gegenständen unbestimmter Länge, die einen hohen Grad an Querschnittsgleichförmigkeit aufweisen, nahezu unmöglich macht ο

Zusätzlich, zu der Unfähigkeit von Strömen niedriger Viskosität, einer Düsendehnung oder einem Düsenzug (jet attenuation) im flüssigen Zustand zu widerstehen, ohne eine ausgeprägte Neigung zum Abbrechen aufzuweisen,

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sind sie in gleicher Weise einem Abreißen infolge von Kräften in erheblichem Ausmaß unterworfen, die durch das Auftreffen oder Abbremsen, die jew&ils beim Halten oder Stützen oder Aufnehmen des strömenden Körpers nach der Verfestigung auftreten können, erzeugt werden. Die während einer derartigen Abbremsung erzeugten Kröpfte sind normalerweise von ä*üsreichender Größe, um sich stromaufwärts zu schwächeren Bereichen fortzusetzen oder auszubreiten, wo eine Stromdeformierung und ein Stromabreißen auftreten kanne Wie in der deutschen Patentschrift . _o „... _o (Patentanmeldung M 76 329 VIIa/29a vom 22» Nov₀ 1967) beschrieben ist, können derartige Deformierungen infolge der Ausbreitung eines durch viskosen StromungBwiderstand bedingten Biegens oder Krümmens des Stromes in Stromaufwärtsrichtung erhalten werden, was entweder zu einer gänzlichen Trennung oder zu einem gegliederten oder verspleißten (jointed) Aussehen infolge eines Verklemmens oder Verkeilens von aufeinanderfolgenden Teilen des Stroms führte Sie können auch aus der Ausbreitung von Aufschlag- oder Aufprallstörungen, die bei Herabsetzung der Geschwindigkeit und der Sammlung auftreten können, erhalten werden, wodurch ein Scherriß oder eine Deformierung des Stroms herbeigeführt wird»

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Die Feststellung der abbrechbaren, im wesentlichen nicht dehnbaren Natur von Schmelzen geringer Viskosität, die in Form von freien Strömen gebildet werden, fünrte zu der Erkenntnis, daß derartige Ströme, die jedoch anfänglich während ihrer Verfestigung stabilisiert sind, unter sorgfältig geregelten Bedingungen gefördert werden müssen, die minimale Stromstörungskräfte ergeben, wenn eine Produktion von unbestimmter Länge und geeigneter Qualität erreicht werden soll» Wie hier beschrieben, wurde nunmehr festgestellt, daß eine kritische Wechselbeziehung zwischen den einem Strom von niedriger Viskosität auferlegten Kräften an einer gegebenen Stelle und üam Belastungsvermögen des Stroms an dessen stromaufwärts gelegenen Stellen aufrecht erhalten werden muß, wenn die Stromkontinuität bewahrt werden soll«, Im einzelnen wurde nunmehr festgestellt, daß im Falle von Strömen niedriger Viskosität es einen Punkt oder eine Stelle (I) ), gemessen von dem Stromanfang, gibt, oberhalb welchem irgendeine gegebene Abbremsung des Stromes zu wiederholten Abbruchen führt» Es ist außerdem ein Punkt (Dt₃) vorhanden, oberhalb welchem der Strom verlangsamt oder abgebremst werden muß, wenn ein wiederholtes Dehnungsbrechen vermieden werden solle Überdies müssen, wenn die Stromkontinuität beibehalten werden soll, die Bedingungen, unter welchen der Strom von seinem Anfang an

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transportiert wird, so eingeregelt werden,daß der Punkt D , stromaufwärts von dem Punkt D, für eine gegebene Art der· Ab— bremsung liegt und gehalten wird, und daß diese Abbremsung oder Verlange airing an einer Stelle zwischen den.Punkten D₂ (D ) und D_b erfolgt„

Aufgrund des Abgleichens und Einstellens des Kräftesystems, das auf den Strom an gegebenen Punkten oder Stellen entlang einwirkt, kann eine Spinnarbeitsweise von geringer Beanspruchung festgelegt werden, wobei die abbrechbaren oberen Bereiche von geringer Festigkeit eines Stroms von niedriger Viskosität, der zu Beginn gegenüber einem Abreißen

innerhalb des flüssigen Bereichs aufgrund der übertragung von Massen/stabilisiert ist, in wirksamer Weise von den Abreiß- oder Bruchbildungskräften isoliert werden, die andererseits auferlegt würden. Wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich ist, kann eine angemessene und rechtzeitige Abbremsung des Stroms durch die geregelte Anwendung von magnetischen, elektrostatischen, aerodynamischen oder mechanischen Kräften oder durch irgendeine Kombination davon bewirkt werden. Außerdem kann, wie nachstehend beschrieben, die Lage der Punkte D und D, entlang des Stroms mühelos sowohl relativ als auch absolut durch eine überlegte Abstimmung von einer oder mehreren Spinnbedingungen variiert werden, wodurch die Erzielung von bevorzugten Arbeitsbedingungen und Ergebnissen erleichtert wird.

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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens zur Bildung von geformten Gegenständen von unbestimmter Länge aus Materialien von niedriger Schmelzviskosität <> Ferner bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Verfahrens zur Regelung der bei dem feien Strömen von Materialien mit einer niedrigen Schmelzviskosität auftretenden Beanspruchungen, um ein Abreißen zu verhindern. Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Durchführung einer Abbremsung oder Verlangsamung und endgültigen Sammlung eines schmelzgesponnenen Stroms von niedriger Viskosität ohne ein Abreißen. Noch ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, nach welchem geformte Gegenstände von unbestimmter Länge bei variierbaren Spinnbedingungen erhalten werden können.

Bei der praktischen Ausführung der Erfindung werden die vorstehenden und weitere Zwecke erreicht, wobei die Herstellung von geformten Gegenständen iron unbestimmter Länge aus einer Schmelze von geringer Viskosität in der Weise erfolgt, daß man (1) einen anfänglich stabilisierten freien Strom aus der Schmelze erzeugt, (2) die auf den Strom mit Bezug auf den Stromzustand einwirkenden Kräfte einer Zwischenregelung unterwirft, um den Punkt (D,) entlang des Stromes, unterhalb welchem ein Zug- oder Dehnungsbrechen stattfindet, stromabwärts von dem Punkt (D ), ober-

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halb welchem eine gegebene Verlangsamung des Stroms zu dessen Abreißen führt, beizubehalten und (3) eine derartige gegebene Verlangsamung oder Abbremsung auf den Strom an einer bestimmten Stelle zwischen den Punkten D^ und D^ ausübte Die Stufen der Regelung des auf Ströme von niedriger Viskosität wirkenden Kräftesystems in der Weise, daß der Punkt D , der nachstehend als Aufprallbruchpunkt oder -lage bezeichnet wirdj stromaufwärts von dem Punkt D-, der nachstehend als Dehnungsbruchpunkt oder -lage angegeben wird, gehalten wird, können nach irgendeiner oder nach mehreren von einer Mannigfaltigkeit von Arbeitsweisen, wie nachstehend erläutert, ausgeführt werden, obgleich in einem gegebenen Fall gefunden werden kann, daß aus Zweckmäßigkeitsgründen oder infolge von besonderen Anforderungen eine besondere Arbeitsweise empfehlenswert ist, wobei die mögliche Auswahl dem Fachmann aus der Lehre gemäß der Erfindung ersichtlich ist_o

Die Erfindung und deren praktische Handhabung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer graphischen Darstellung die typische Wechselbeziehung von Faserlänge zu der Strecke des freien Stromfalls.

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Fig«, 2 zeigt eine senkrechte Ansicht teilweise im Schnitt einer vereinfachten Vorrichtung, die bei der praktischen Ausführung des Verfahrens gemäß der !Erfindung zur Anwendung gelangen kann.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung eine Schaltskizze von üblichem Aufbau, die zum elektrischen Überwachen und Aufzeichnen der Stromkontinuität angewendet werden kann.

Die Figuren 4 bis 7 zeigen graphische Wiedergaben von entsprechenden Werten, die bei der Ausführung der nachstehend beschriebenen Beispielen erhalten wurden und den Effekt von Abänderungen in gewählten Spinn-Parametern auf die Wechselbeziehung von Faserlänge und Abstand oder Strecke des freien Stromfalls zeigen«.

Obgleich die nachstehende Beschreibung besonderen Bezug auf die Herstellung von fadenartigen Gegenwtänden aufweist, ist ersichtlich, daß Gegensüfcnde von anderen Formen, z.B. Schläuche oder Rohre, Stangen, Stäben, Filmen, Bändern und Drähten von irgendeiner gewünschten Größe und oberflächlichen Querschnittsausbildung gemäß der Erfindung ebenfalls hergestellt werden können, wobei deren Bildung aus freiströmenden Schmelzen geringer Viskosität von ähnlichen Problemen wie denjenigen bei einer fadenartigen Bildung begleitet ist_t sofern derartige Probleme nach dem Verfahren gemäß der Erfindung und entsprechenden Äquivalenten gelöst werden können·

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Die zum erfolgreichen Schmelzspinnen nach üblichen . Arbeitsweisen wesentliche minimale Viskosität ist u.a. eine Punktion der Stromabmessung oder der -größe und der physikalischen Eigenschaften der Schmelze (insbesondere Oberflächenspannung und -Sichte) und ist daher schwer, genau zu definieren. In sachlicher Hinsicht steht der Ausdruck "niedrige Viskosität" im Zusammenhang mit irgenöU-einem Material, dessen Wechselbeziehung von Viskosität ₃ Oberflächenspannung und Dichte derartig ist, um die Produktion von fadenähnlichen Gebilden nach gebräuchlichen Schmelzspinnarbeitsweisen, insbesondere beim Versuch, Produkte mit kleinem Durchmesser herzustellen, unmöglich- zu machen. So ljqgen die Viskositätswerte, auf welche die Erfindung in vorteilhafter, falls nicht kritischer Weise angewendet werden kann, im Bereich von denjenigen von praktisch reibungsfreien Schmelzen bis zu Werten in der Größenordnung von 1000 Poise im Falle von Schmelzen von niedriger Dichte und/oder hoher Oberflächenspannung. In anderer Hinsicht bezeichnet der Ausdruck "niedrige Viskosität" solche Schmelzen, deren Abbrechdauei' des freien Strömens (d.h. die Dauer, die zwischen dem Eintritt der Schmelze in den Düsenausgangspunkt oder -Ursprung und deren Durchgang durch den kontinuierlichen Teil der' Düse bis zu dem Äbbrechpunkt und demgemäß zur Unterbrechungsbildung (shot formation) verstreicht) weniger als das4E00-Fache der Abbrechdauer eines Stromes mit einer

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theoretischen Viskosität von 0 beträgt (die Stromabbrechdauer ist durch die Größe 14 yp D^ γ, worin ρ die Schmelzdichte, D der Stromdurchmesser und γ die Schmelzoberflächen-· spannung sind. Aus praktischen Gründen wird der Ausdruck "niedrige Viskosität" hier mit Bezug auf solche Materialien verwendet,, bei welchen die erforderliche Zeitdauer für die Bewirkung einer Stromverfestigung normalerweise die Stromabbruchdauer übersteigt.

Es wurden in der Spinhtechnik viele umfangreiche Untersuchungen ausgeführt, um den lang erkannten Bedarf für großtechnisch durchführbare Arbeitsweisen zur Herstellung von fadenähnlichen oder anderen geformten Gebilden ( wovon viele neuartig vorhanden sind) aus Materialien von derartig niedrigen Viskositäten, die jeglicher praktischen Anwendung von gebraucMLchen Schmelzspinnarbeitsweisen, die gewöhnlich beim Spinnen von Materialien hohen Molekulargewichts und/oder hoher Viskosität, beispielsweise von Gläsern und organischen

angewendet werden,
Polymerisaten,/Widerstand bieten , zufriedenzustellen.

Typische Beispiele für Materialien, die eine niedrige Viskosi-

sind tat im geschmolzenen Zustand aufweisen,/die Metalle, deren Legierungen und intermetallische Verbindungen, die meisten Oxyde, Sulfide, Nitride und andere Salze und die meisten anorganischen Substanzen und deren Gemische sowie Mischungen aus diesen Substanzen. Materialien mit bedeutender Viskosität

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im geschmolzenen Zustand sind beispielsweise Gläser, Hochpolymere, Materialien von großer Molekulargröße und andere Materialien, die in flüssigem Zustand eine Wechselwirkung

Gläsern
aufweisen, um/ ähnliche Flüssigkeiten zu bilden.

Vor kurzem wurden Versuche zur Herstellung von geformten Gegenständen von unbestimmter Länge durch beispielsweise ein Ziehen von Draht von .verhältnismäßig großem Durchmesser durch aufeinanderfolgende kleinere Formen, bis der erwünschte Durchmesser erreicht war, oder durch Einschließen oder Umhüllen der Schmelze von niedriger Viskosität, beispielsweise innerhalb einer glasartigen Hülle, um die Schmelze während ihrer Dehnung zu begrenzen und zu tragen, verkörpert. Im allgemeinen erwieseW sich derartige Annäherungen wirtschaftlich hemmend im Hinblick auf die Forderungen von großtechnischem Maßstab und großtechnischer Produktion auf vielen potentiellen Marktgebieten.

•Wie vorstehend erläutert, ist das Problem, das anfänglieh beim Strömen'von Schmelzen mit derartig niedriger Viskosität auftritt, ein solches der Stabilisierung des flüssigen Bereichs des Stromes gegenüber einem von der Oberflächenspannung gelenkten oder bestimmten Massenübertragungsmechanismus_o Obgleich es in Betracht gezogen wird, daß eine derartige Stabilisierung des flüssigen Bereichs durch die Anwendung von magnetischen, elektrostatischen oder hydrodynamischen Systemen

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erreicht werden kann,, ist eine bevorzugte Stabilisierungsweise in der Praxis der hier beschriebenen Spinnarbeitsweise mit niedriger Beanspruchung der Vorschlag/ die Oberfläche des flüssigen Bereichs einer Filmstabilisierung zu unterwerfen. Wie in den vorstehend angegebenen deutschen Patentschriften ..<..... und ....... (Patentanmeldungen M 68 985 und M 73 I68), worin von einer zutreffenden Erkenntnis des Reglermeehanismus, der ein Abbrechen des Flüssigkeitsstrahls verursacht, ausgegangen wird, beschrieben ist, wurde vor kurzem festgestellt, daß das Abbrechen des Strahls vor der Verfestigung durch die Erzeugung eines stabilisierenden Films von gehr geringer Dicke, um den entstehenden oder naszlerenden Strom vor dessen Abreißen und während der Verfestigung durch normale Wärmeübertragungsvorgänge erfolgreich unterdrückt werden kann. Kurz ausgedrückt, war dies das Ergebnis der Vorstellung der folgenden Überlegungen: Wenn die Stromgeschwindigkeit eines Materials von geringer Viskosität nicht ausreichend ist, verhindert die von der Oberflächenspannung bestimmte- Erweiterung und Ausbreitung von normalerweise unvermeidbaren, wenn auch zu Beginn geringen Stromstörungen die Bildung änes wirksamen Strahls. Bei mittleren Geschwindigkeiten wird der Strahl durch knotiges (varicose) Abbrechen unterbrochen, wobei schwach gedehnte Teile eines Flüs-

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sigkeitszylinders zu einer weiteren Bildung bis zum endgültigen Bruch unter dem Zwang der Oberflächenspannungskräfte neigen. Mit zunehmender Geschwindigkeit werden das sinusförmige Abbrechen und eine übermäßige aerodynamische Abbremsung (wobei der Strom durch die Weahselwirkung mit der Atmosphäre verzerrt oder gekrümmt wird) die begrenzenden Paktoren. Derartigen Störungen wird von der Stromträgheit und -viskosität Widersfend geleistet, wobei jedoch die Viskosität zahlreicher Mateialien von Interesse bis zu dem Punkt vernachlässigbar ist, bei welchem ein Ubermäfä^- ges Abbrechen des Stromes normalerweise stattfindet, lange bevor er in Form von unbestimmten Längen verfestigt werden kann.

Gemäß den Lehren der vorstehend angegebenen deutschen Patentschriften kann der flüssige Teil von derartigen niedrigen Strömen in erfolgreicher Weise filmstabilisiert werden, indem sie in geeignete Atmosphären gesponnen werden, a±e ■entweder durch Umsetzung, Zersetzung oder Abscheidung zu einer raschen Bildung von dünnen Filmen, um den Strom im Entstehangszustand führen, um dadurch die vorstehend angegebenen Reiß- oder Unterbrechungskräfte zu unterdrücken und geformte Gegenstände mit .Längenverhältnissen zu ergeben, uxe die bisher erhältlichen Längenverhältnisse beim.unsv.abiiisierten Freistromspinnen von Schmelzen niedriger V:u>kouIi,ÜL wesentlich übersteigen,

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BAD ORIS3&V,

Es wurde ferner festgestellt, daß eine optimale Produktion bezüglich der Produktlänge und der Querschnittsgleiehförmigkeit durch ein Abbrechen oder Ausdehnen des stabilisierenden Films vor einer ausreichenden Verfestigung des Stromkörpers, um Abreißkräften zu widerstehen oder deren Erzeugung auszuschalten, unmöglich wird. Eine derartige Filmdehnung führt häufig zu einem gänzlichen Abbrechen des Stromes. Kurz ausgedrückt, kann die Filmfestigkeit so ungleichförmig geschwächt werden, um zu unerwünschten Schwankungen im Stromquerschnitt zu führen. Wie in der deutschen Patentschrift ....... (Patentanmeldung M 73 618) beschrieben ist, wird ein derartiges Filmbrechen oder -reißen auf ein Minimum zurückgeführt, indem man die Schmelze durch eine Öffnung von "kurzer Bohrung" (short-bore") leitet,um>. dadurch ein verhältnismäßig flaches Strornfluß-Geschwindigkeitsprofil zu erhalten. Das Ergebnis besteht in der Herabsetzung auf ein Minimum eines von der Viskosität gelenkten oder bestimmten Geschwindigkeitsentspannungsrnechanismus zu einem pfropfenartigen Fluis (-ρlog flow), der lediglich durch eine Beschleunigung oder Ausdehnung der Stromoberfläche angeglichen werden kann.

Der hier· verwendete Ausdruck "Öffnung von "kurzer Bohrung"" bezieht sich auf eine solche, deren Ausbildung im wesentlichen durch eine minimale Q.uex'schnittsflache gekenn-

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BAD ORiGiNAL

zeichnet ist,die sich über eine maximale Strecke, gemessen in Richtung des Flusses durch die Öffnung, von weniger als etwa dem 5-Fachen der Hauptabmessung der minimalen Querschnittsfläche ausdehnt. So wurde beispielsweise gefunden, daß eine Kapillare von kreisförmigem Querschnitt mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D) von oberhalb 5/1 einen Strom liefert, der eine übermäßige Oberflächenausdehnung bei seinem Portschreiten von der Öffnung eingeht, wodurch eine Abnahme der .. . Fiätm-Gleichförraigkeit und demzufolge eine Verminderung der Produktgleichförmigkeit und Produktlänge erhalten wird. In vielen Fällen ist der Ünterbrechungs- oder Reißeinfluß der Stromoberflächenausdehnung auf dem PHn so übermäßig, daß er zu einem gänzlichen Abbrechen des Stromes selbst führt, wobei .lediglich kurze oderexgrem kurze Längen erhalten werden konnten.

Der hier verwendete Ausdruck "Hauptabmessung des minimalen Querschnitts der Öffnungsfläche" bezeichnet den maximalen geradlinigen Abstand, der über den minimalen Öffnungsquerschnitt gemessen werden kann. Es wurde gefunden, daß die Verwendung einer Öffnung, bei welcher die minimale Querschnittsfläche sich über einen Abstand, gemessen in Richtung des Flusses, von mehr als etwa dem 5-Fachen des ßbstands von einer derartigen Hauptabmessung ausdehnt,

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zu einem Austreten eines Stroms mit einem ausgeprägten parabelförmigen Stromprofil in der Weise führt, um zumindest ein teilweises Abreißen oder Schwächen des auf der Oberfläche des .StEms gebildeten, stabilisierenden Films zu ergeben. Obgleich es möglich sein kann, die nachteiligen Wirkungen eines derartigen Filmabreißens zu überwinden, beispielsweise durch Erhöhung der Ergiebigkeit oder des Ausmaßes der Reaktivität der filmbildenden Atmosphäre, wurde gefunden, daß die Erzeugung eines hohen Grades an Gleichförmigkeit lediglich erhältlich ist, wenn der Film im wesentlichen während der Verfestigung unversehrt beibehalten wird. Bei extrem hohen Ausmaßen der Filmbildung ist es möglich, daß die Filmstruktur ausreichend rasch erneuert werden kann, um die Wirkungen einer beginnenden Filmabreißung zu überwinden, wobei jedoch dies normalerweise nicht der Fall ist. Jedenfalls werden zumeist die Durchmessergleichförmigkeit verschlechtert und die auf andere Weise erhältlichen Fadenlängen in erheblichem Ausmaß verkürzt.

Obgleich die Konfigurationen von Öffnungen kurzer Bohrung, die Strömungsgeschwindigkeitsprofile am Düsenursprung ergeben, welche eine begrenzte Geschwindigkeitsentspannung bei der Annäherung von einer pfropfenartigen Strömung (plub flow) erleiden, durch die Angabe einer Kapillare mit einem maximalen L/D-Verhältnis von weniger als etwa 5/1

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gekennzeichnet wurden, ist festzustellen, daß innerhalb dieser Beschränkung geeignete Öffnungen eine Vielzahl von. Konfigurationen aufweisen können, die nicht einfach in Kategorien eingeordnet werden können. Qualitativ beruht das wesentliche Mertanal des Aussehens des Stromgeschwindig-

einschlägigen keitsprofils auf der Feststellung, daß im Gegensatz zu/Uberlegungen (consideration attend) das Strömen von nicht filmstabilisiertem Spinnen aus Schmelzen niedriger Viskosität signifikant verbessert wird, insbesondere bezüglich der Gleichfö-rmigkeit des Produktquerschnitts und der Länge, wenn der Arfangsteil der Düse zur Annäherung eines pfropfenartigen Stroms feebracht wird.

Ein weiterer nahe damit im Zusammenhang stehender Gesichtspunkt der filmstabilisierten Spinnpraxis mit Bezug auf Überlegungen, die das Geschwindigkeitsprofil betreffen, beruht in der Maßgabe, daß die Geschwindigkeit einer frei strömenden Schmelze auf einen Bereich innerhalb solcher Grenzen geregelt werden soll, daß. die dimensionsIose Gröioe Vp D/γ (wobei diese Größe die Quadratwurzel der allgemein ■ bekannten Weber-Zahl ist und nachstehend als Rayleigh-Parameter bezeichnet wird, worin V die Stromgeschwindigkeil und Dp und γ den Stromdurchmesser, die Dichte und Oberflächenspannung jeweils bedeuten) innerhalb des Bereichs von

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1 bis 50 und. vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 2 bis 25 liegt. Es wurde gefunden, daß, wenn die Ausspritzgeschwindigkeit diese Bedingung nicht erfüllt, die Abbrech- ■ daer des Strahls so verkürzt wird, daß eine wirksame Stabilisierung entweder durch die Filmarbeitsweise oder durch eine andere Arbeitsweise wahrscheinlich nicht geschaffen wird, selbst in Anwesenheit eines annehmbaren Geschwindigkeitsprofils bei der Strctnus trittssteile. Pur eine gegebene Schmelzzusammensetzung einer bekairten Oberflächenspannung und Dichte, die als freier Strom bei einem gegebenen Durchmesser ausgepreßt oder extrudiert wird, wird die optimale

Rayleigh-GeBchwindigkeit, die innerhalb des &re3gy-Parameterbereichs von 1 bis 50 liegt, normalerweise experimentell bestimmt, wobei die Hauptüberlegung auf die Dichte der Schmelze mit Bezug auf diejenige der Atmosphäre, in welche das Auspressen stattfindet, sowie auf die Temperatur beim Austreten mit Bezug auf die Temperatur der Spinnkammer gerichtet wird. Im allgemeinen bestimmt die Ausbreitung des knotenförmigen Abbrechens (varicose break up) die untere Grenze des Rayleigh-Parameterbereichs während entweder das sinusförmige Abbrechen oder die aerodynamische Verlängsamumg dessen obere Grenzen bestimmen. Die obere Grenze des Bereichs wird erhöht, wenn die Dichte der Schmelze relativ zu

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der Spinnatmosphäre zunimmt; d.h. je höher die Dichte der Schmelze und/oder je geringer die Dichte der Spinnatmosphäre ist, umso höher ist der Rayleigh-Parameterwert (genommen als Maß der Auspreßgeschwindigkeit) , bei welchem ein erfolgreiches Spinnen erreicht werden kann, obgleich eine optimale Leistungsfähigkeit einen etwas niedrigeren Wert bestimmen kann.

Obgleich die vorstehend beschriebene Filmstabilisierungs· arbeitsweise die bevorzugte Weise für die anfängliche Stabilisierung des flüssigen Bereichs des Stromes ist, können auch andere Arbeitsweisen zur Erzielung einer anfänglichen Stabilisierung des flüssigen Bereichs bei der praktischen Ausführung des Spinnverfahrens unter niedriger Beanspruchung zur Anwendung gelangen, indem dessen Grundsätze in gleicher . .Weise auf ein Strömen geringer Viskosität unabhängig von der Weise der anfänglichen Düsenstabilisierung angewendet werden können. Mit anderen Worten, erfolgt die praktische Ausführung des vorliegenden Verfahrens/mter der Annahme einer wirksamen Stabilisierung in dem flüssigen Bereich und betrifft die Bewahrung eines derartigen Bereichs von derartigen Abreißkräften, die normalerweise während des weiteren Fortschreitens des nun verfestigten Stroms auftreten. Beispielsweise kann der Flüssigkeitsstrahl in gleicher Weise unter dem Einfluß eines magnetischen oder elektret statischen Feldes von solcher Intensität und .Richtung, dato

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sie den zu einer Übertragung von flüssiger Masse neigenden Kräften entgegenwirken, stabilisiert werden. Außerdem kann der flüssige Strahl auch durch hydrodynamische Regelung stabilisiert werden. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß die vorstehend-beschriebene Filmstabilisierungsarbeitsweise aufgrund ihrer größeren Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit und ihrer einfachen Ausführungsweise, nachdem die in Betracht kommenden Faktoren einmal in ihrer geeigneten Beziehung erkannt sind, zu bevorzugen ist.

Der hier verwendete Ausdruck "Strom" bezeichnet sowohl die flüssigen als auch festen Bereiche eines frei strömenden Körpers und in Abwesenheit einer entgegengesetzten Angabe schließt dieser auch die fadenartigen Gebilde, die aus dem strömenden Körper austreten, ein. Bei Anwendung eines Films als Ausführungsform für die anfängliche Stabilisierung des flüssigen Bereichs bezieht sich der Ausdruck "Strom" sowohl auf die ausgepreßte Schmelze als auch den aufgebrachten Film als eine einzige Einheit. Der Ausdr#.ck"Gefrierpunkt des Stroms" bezeichnet in sachlicher Hinsicht den Punkt entlang einem sich verfestigenden Strom, bei welchem getrennte Teilchen mit einem größeren Längenverhältnls (aspect ratio) als eine Einheit beim Schneiden des Stromes an diesem Punkt erhalten werden. So führt das Abschneiden (interception) irgendeines stromaufwärts gelegenen Punktes

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durch eine gewählte Weise der Verlangsamumg nach dieser festgelegten sachlichen Definition zu einer zusammenhängenden Masse im Gegensatz zu einer unterteilten (particalized) Masse. Der Ausdruck "Stromabbruchfestigkeit" bezeichnet im üblichen Sinne jene Kraft, über welche hinaus Stromuntertrechungen auftreten. In praktischer Hinsicht ist die Charakteristik der Eigenschaften des geschmolzenen Bereichs eines Stroms von niedriger Viskosität derartig, daß-dessen Streckgrenze und Bruchfestigkeit von gleicher niedriger Größe sind. Dies folgt aus der Tatsache, daß die beginnende Dehnung eines geschmolzenen Stroms von geringer Viskosität, die eine Kraft begleitet, welche über diejenige, die gewöhnlich als Streckgrenze bezeichnet wird,hinausgeht _f rasch in einem durch Oberflächenspannung bestimmte!oder gelenkten Abbrechen des Stroms ohne eine weitere Zunahme der angewendeten Kraft rasch gipfelt. So kann die Bruchfestigkeit eines Stroms von geringer Viskosität für alle praktischen Zwecke an dessen Streckgrenze angeglichen werden. Der hier verwendete Ausdruck "unbestimmte Länge" bezeichnet geformte Ausgreßgegenstände vonmöglichst kontinuierlicher'Länge, d.h. Längen, die nicht unbedingt durch das Verfahren ihrer. Bildung beschränk!, sind.

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Bei der Erläuterung einer praktischen Ausführungsform der Sfindung wurde eine vereinfachte Spinnanordnung, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, verwendet..Wie in Fig. angegeben, umfaßt ehe derartige Vorrichtung im wesentlichen einen Schmelztiegel 10, der bei den nachstehenden Beispielen aus rostfreiem Stahl gebildet war. Der Schmelztiegel ist mit einer oberen Kopfplatte 12 und einer unteren Öffnungsplatte 14, die beide in abdichtenden Eingriff mit dem Schmelztiegel 10 gehalten werden, um eine gasdichte Schmelz-

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kammerbau ergeben, ausgestattet. Die Öffnungsplatte 14 hat in ihrer Mitte einen Stein mit einer Abmessung in der Größenordnung von Uhren 18 (watch-sized jewel), der aus irgendeinem geeigneten Material gebildet ist, das chemisch mit der zu behandelnden Schmelze verträglich ist, eingesetzt. Der Stein ist gebohrt, um eine geeignete Spinnöffnung 20 zu ergeben. In den nachstehenden Beispielen wurde ein Rubinstein mit einem Öffnungsdurchmesser von 100 Mikron und einem Längen/Durchmesser-Verhältnis von 1 verwendet. Das Schmelzen der Spinnmasse oder der Spinnbeschickungdfnnerhalb der Kammer 16 wurde mittels elektrischer Widerstandsheizelemente 22 ausgeführt und die Temperatur der Beschickung wurde mittels einer Thermoelementanordnung 24 wahrgenommen. Vorzugsweise wurde die Spinnbeschickung unter einem Vakuum vor der Ausführung des Auspressens unter einem Inertgasdruck geschmolzen.

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Dies kann mühelos durch dea Zweiwege-Ventil und die Leitungsanordnung, wie bei 26 gezeigt, erreicht werden, wodurch die Kammer 16 abwechselnd evakuiert und unter Druck gesetzt · werden kann, um die gewünschte Auspreßgeschwindigkeit zu erhalten. Um die zur Anwendung gelangenden verschiedenen Reaktionsteilnehmer- und Kühlgasgemische zu begrenzen, wird eine Glasspinnsäule 27 (Pyrex-Glss) angeordnet, um den durdh die Öffnung 20 ausgepreßten Strom aufzunehmen. Die Spinngasmischung wird durch eine Leitung 28 zugeführt, um allmählich durch die Spinnsäule mit Hilfe eines Gasverteilerrings 30, der mit Gas of f nungen ~j>2 in gleichem Abstand versehen ist, allmählich auseinandergezogen zu werden. Vor dem Auspressen in das gewünschte Gasgemisch wird die Spinnsäule vorzugsweise unter Vakuum ausgs¥>ült, das mittels einer Ventilverbindung 34 vorgesehen werden kann. Wie ersichtlich, muß während der Evakuierung das untere Ende der Spinnsäule vorübergehend mittels irgend-einer gaigneten Plattenanordnung (nicht gezeigt) abgeschlossen werden. Der extrudierte Strom wurde bei gewählten Abständen unterhalb der Säule mittels einer Sammeloberfläche 36, die die Form einer Metallplatte, annehmen kann, gesammelt. Wie durch den in zwei Richtungen weisenden Pfeil angezeigt, ist die Sammeloberfläche 36 in senkrechter Richtung einstellbar,, um den gewünschten Auffang-

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abstand, einzustellen. Normalerweise wurde die Platte waagerecht gehalten. Es wurde jedoch gefunden, daß sie unter weitgehend variierenden Winkeln gehalten werden kann, ohne irgend—einen wesentlichen Effekt auf die erhaltenen Faserlängen. .

Es ist ersichtlich, daß die vorstehend beschriebene Spinnanordnung lediglich eine typische Vorrichtung darstellt, die bei der praktischen Ausführung der Erfindung zur Anwendung gelangen kann, wobei die letztere in keiner Weise auf die Einzelheiten der Vorrichtung beschränkt ist. Wenn z.B. das Spinnen von Materialien mit einem hohen Schmelzpunkt erwünscht ist, erweist sich eine durch Induktion beheizte Spinnanordnung als zweckmäßig, wenn nicht als wesentlich.

In der nachstehenden Erläuterung und in den Beispielen bezeichnet der Ausdruck "Abstand oder Strecke des freien Falles" jenen senkrechten Abstand zwischen der Spinnöffnung und der Sammeloberfläche. Es ist jedoch ersichtlich, daß der Abstand des freien Falles nicht unbedingt durch die Lage einer festen Sammeloberfläche, wie in Fig. 2 dargestellt, bestimmt wird. Eine derartige Oberfläche ist lediglich als Symbol für den Punkt unterhalb der Öffnung zu nehmen, bei welchem eine Abbremskraft auf dem Strom erzeugt wird. Diese Kraft kann durch den plötzlichen Aufprall des Stroms "auf

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eine feste Oberfläche gebildet werden oder sie kann auf einer allmählicheren Stromabbremsung beruhen, die z.B. dadurch erhalten werden kann, daß man den Strom durch eine wesentlich dichtere und/oder Im Gegenstrom geführte Spinnatmosphäre hindurchgehen läßt. In ähnlicher Weise kann eine allmällichere Stromabbremsung durch die Anwendung eines geeigneten elektrostatischen Feldes erreicht werden. Lediglich der Einfachheit halber ist die nachstehende Erläuterung weitgehend mit Bezug auf die Durchführung der Stromabbremsung durch Sammeln auf einer festen Oberfläche gegeben. Wie vorstehend angegeben, beruht das Verfahren gemäß der Erfindung auf der Feststellung, daß im Falle von Strömen niedriger Schmelzviskosität ein Punkt D_n vorhanden ist, oberhalb

.. ■ a,

welchem derartige Ströme keine gegebene Abtrensung ohne Abreißen oder Brechen erleiden können,und ein Punkt D, vorhanden ist, unterhalb welchem der Strom, falls er nicht abgebremst ist, ein Zug- oder Dehnungsbrechen erleidet; Außerdem kann das Kräftesystem, das auf einen Strom geringer Viskosität auferlegt ist, so eingeregelt werden, daß die Beibehaltung des Punktes D stromaufwärts von dem Punkt D, herbeigeführt wird, um dadurch die Möglichkeit zu schaffen, den Strom bei einem bestimmten Mittelpunkt oder Zwischenpunkt abzubremsen und zu sammeln, ohne ein Stromabbreriuui hervorzurufen. Die geeignete Wechselbeziehung für die i-vo-

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-.27.-

duktion von Gebilden unbestimmter Länge ist schaubildlich durch die in dem oberen Teil von Fig.l gezeigte graphische Darstellung wiedergegeben, worin der Abstand des freien Falles des Stroms gegen die Faserlänge aufgetragen ist. Wie aus dieser graphischen Abbildung ersichtlich ist, treten vier deutliche Bereiche, auf dieser Kurve in Erscheinung. Für Abstände im freien Fall von weniger als dem Abstand D_Q (der den Gefrierpunkt des Stromes, wie vorstehend definiert, bezeichnet) ist der Strom noch geschmolzen und ,jeder Versuch, den Strom bei geringeren Abständen zu

sammeln, führt nur zu einer geschmolzenen Masse. Für Abstände zwischen den Punkten D und D_o nimmt die Faserlänge

ο a

exponentiell mit der Zunahme des Abstandes im freien Fall zu. Obgleich der Strom in diesem Bereich wenigstens teilweise fest ist, wird eine ausreichende Störung zum Reißen durch die plötzliche Abbremsung aufgrund des Aufschiagens auf der Sämmeloberfläciie verursacht. Bei Abständen für den freien Fall zwischen, den Punkten D„ und D, kann eine kontinuier-

d, D

Längenproduktion erhalten werden. Wenn der Strom durch größere Abstände als D, fallen gelassen wird, ist die Zugkaft aufgrund der zunehmenden Stromlänge (und daher des

en
Gewichts) ausreichend, um ein/Strombruch herbeizufühsren.

Somit werden bei Stellen unterhalb D, verhältnismäßig

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gleichförmige Paserlängen unabMängig von dem Abstand des freien Falles erhalten.

Wie in den nachstehenden Beispielen erläutert, können

die relativen und absoluten Lagen der Punkte D , D und D,

ο a D

in gewünschter Weise durch zweckmäßige Änderungen der Verfahrensvariablen eingeregelt werden. Beispielsweise können die Punkte D_a und D^ derartige relative Lagen einnehmen,

daß D, stromaufwärts von D auftritt. In diesem Fall D a

ist kein Abstand eines freien Falles vorhanden, bei welchem Fäden von kontinuierlicher Länge gesammelt werden können. Ein derartiger Umstand kann sich aus zahlreichen Kombinationen von Faktoren ergeben, die das auf einen Strom auferlegte Kräftesystem beeinflussen, wobei dieser jedoch als besonderes Problem im-Falle des Spinnens von Schmelzen hoher Dichte insbesondere im Bereich von größeren Durchmessern gefunden wurde, in diesen Fällen muß das Kräftesystem, das auf den Strom einwirkt, unter Berücksichtigung der eefindun^emäß gegebenen Lehre so modifiziert werden, daß der Punkt D, stromabwärts mit Bezug auf den Punkt D

υ a

verschoben wird, wenn eine Produktion von Gebilden unbestimmter Länge erhalten werden soll.

Eine wirksame Hilfe bei der Bestimmung der Stromkontin#ität mit Bezug auf den Abstand des freien Falles kann in Form eines sehr einfachen elektrischen Kontinuitätsprüfstromkreises s, wie z.B.schematisch in Fig. j> dargestellt,erhalten werden.

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Wie darin angezeigt, dient ein derartiges Prüfgerät zum elektrischen Verbinden oder Ansehließen der Sammeloberfläche mit dem Schmelztiegel, um dadurch die elektrische Kontinuität oder deren Fehlen zwischen der Sammeloberfläche und dem Spinnkopf abzutasten, wobei eine elektrisch leitende Schmelze behandelt wird. Ähnliehe Bestimmungen werden natürlich durch unmittelbares Messen der bei variierenden Abständen des freien Falles erhaltenen Faserlangen ausgeführt, wobei jedoch die Verwendung des Kontinuitätsprüfgeräts die kontinuierliche Wahrnehmung der Stromkontinuität und dementsprechende Modifizierung der Spinnbedingungen ältaöglichte Wie vorstehend angegeben, variieren die unter verschiednnen Verfahrensbedingungen erhaltenen Faserlängen in charakteristischer Weise mit dem Abstand des freien Falles, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Hinweise auf d&n Mechanismus, gemäß welchem ein Stromabreißen in den Bereichen oberhalb des Punktes D und unterhalb des Punktes D, stattfindet, werden erhalten, indem man die Faserlänge mit dem Abstand des freien Falles in Beziehung bringt, um anzuz&gen, wo und zu welchem Zeitpunkt ein Stromabbruch stattfand, während eine mikroskopische Untersuchung der Enden der gebrochenen längen dazu dient, um den Stromzustand an der Bruchstelle sowie die Raschheit der Bruchbildung anzuzeigen. In dem unteren Teil von Fig. X ist eine Aufzeichnung des Kontinuitätsprüf-

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geräts für die über dieser vorhandenen typische graphische Darstellung gezeigt. Wenn diese Aufzeichnung mit der für den Abstand im freien Fall angegfebenen Kurve in Beziehung gebracht wLrd, kann festgestellt werden, daß der Gefrierpunkt D des Stromes der Punkt ist,, unterhalb welchem faserartige Gebilde im Gegensatz zu einer geschmolzenen Masse'gesammelt werden können. Wenn daher der Strom bei Abständen von weniger als D aufgefangen oder gesammelt wird, ist eine elektrische Kontinuität zwischen der Sammeloberfläche und dem Spinnkopf über den flüssigen Strom vorhanden, wie dies durch die kontinuierliche positive Ablenkung auf der Aufzeichnungskurve angezeigt wird» Für Abstände des freien Falles zwischen D und D zeigt die füuf- und abgehende Ge-

o a

stalt der Kontinuitätskurve, daß das Auftreffen des Stroms

auf die Sammeloberfläche eine ausreichende Störung erzeugt, um einen Strombruch bei einem bestimmten Punkt stromaufwärts von der Sammeloberfläche zu bewirken, ^ine Prüfung der bei Sammlung innerhalb dieses Bereichs erhaltenen Faserenden zeigt, daß der Strombrueh sehr rasch stattfinde ι,, jedoch nach einer ausreichenden Verfestigung um eine faserförmige Gestalt beizubehalten. So sind die in dem Strom beim Auf treffen oder Aufschlagen auf die Sammeloberfläci ο entstehenden Störungen bei diesen Abständen des freien

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BAD ORSQ,

Falles=ausreichend, um physikalisch den Strom abzubrechen und es können lediglich gebrochene Längen erhalten werden.

Die exponentielle Zunahme der Faserlänge bei Annäherung an den Punkt D_o gibt, in wesentlichem Ausmaß Anlaß zu einer verlangsamten Störung, die auf die zunehmende Stromfestigkeit -bei dessen Abwärtsbewegung überlagert ist, welche Faktoren gemeinsam die erhältlichen Faserlängen in dem Bereich zwischen

den Punkten D undD^ bestimmen. .

ο a

'"'Wie durch die graphische Darstellung und die Aufzeichnung von Fig. 1 gezeigt, werden kontinuierliche Fasern bei Abständen für den freien Fall zwischen den Punkten D und D, erhalten, wobei das Kontinuitätsprüfgerät natürlich eine elektrische Kontinuität innerhalb dieses Bereichs anzeigt. Die aufgezeichnete Kontinuitätsk-urve von Fig. 1 zeigt eindeutig, daß für größere Abstände als D, der Strom ein Bfechen vor dem Auftreffen auf die Sammeloberfläche erleiäet.

Da die auf die Schwerkraft zurückgehende Kraft außerhalb

wird
dieses Punktes größer/als die Summe der Stromfestigkeit und der Strömungwiderstandskraft, die unter den gewählten Spinnbedingungen erzeugt wird, wird ein Brechen des Stroms vor der Berührung mit der Sammeloberfläche verursacht.

Somit zeigt die Aufzeichnung einen kontinuierlichen offenen

Enden der
Stromkreis. Das Aussehen der/gebrochenen Längen, die

bei Abständen des freienFalles von mehr als D, erhalten

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BAD

werden, zeigt, daß sie in einem sehr heißen festen Bereich oder in dem nissigen Bereich brechen. Übadies zeigen die Längen der sich ergebenden Fasern, daß sie sehr in Nähe des Gefrierpunkts brechen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielefli näher erläutert, worin die Wirkungen der mehr infrage kommenden Spinnparameter auf das Kräftesystem, das auf den extrudierten Strom von geringer Schmelzviskosität auferlegt Ist, bei verschiedenen Abständen des freienlfelles gezeigt werden. In sämtlichen der folgenden Beispiele wurde die Stromabbremssammlung ausgeführt, indem der Strom auf einer Metallplatte aufgefangen wurde. Die vorstehend mit Bezug auf Fig. 2 beschriebene Spinnanordnung wurde verwendet, und die Spinnbeschickung xvar in Form einer Mischung von 62 Gew.-% Blei und JÖ Gew.-% Zinn. Der Strom wurde durch Auspressen in eine sauerstoffhaltige Atmosphäre zur Bildung eines Oxydfilms filmstabilisiert. Wenn nichts anderes angegeben ist, waren die Spinnbedingungen wie folgt: Auspreudruck 1,4 kg/cm Übadruck (20 psig) von Argon bei einer Auspreßtemperatur von 400°C; eine Reaktionsteilnehmer/' Kühlgas-Mis chung von 7 Vol. -«!Sauerstoff und y^ VoI.-^ Helium bei Kaurntemperatur und atmosphärischem Druck; Auspressen durch eine öffnung von 100 Mikron Durchmesset.¹,

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■ -■ ■ " - BAD

- 23 -

die in einem Rubinstein in Abmessungen entsprechend der Größe für Uhrenzwecke gebildet war, wobei die Öffnung ein L/D-Verhältnis von 1 besaß; eine Pyrex-Spinnsäule von 15,2 cm (6 inch) Innendurchmesser und 300 cm Länge. Der Schmelztiegel war aus rostfreiem Stahl mit einem Innendurchmesser von 4,45 cm (1 3/4 inch) und einer Tiefe von 15,2 cm (6 inch) hergestellt. Vorzugsweise wurde das Erhitzen zum Schmelzen unter einem Vakuum von unterhalb 100 Mikron Quecksilberdruck ausgeführt. ^Kuch wurde das Auspressen begonnen, bevor das Spinngas in die Spinnsäule eingeführt wurde.

. Beispiel 1

Dieses Beispiel erläutert den Einfluß einer Änderung in"der Reaktionsteilnehmergaskonzentration auf die erhältliche Faserlänge bei gegebenen Abständen des freien Falles. Unter Anwendung der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung wurde eine Helium/Sauerstoff-Spinngasmischung der Spinnsäule durch den Gasverteilerring 32, der etwa 50 cm unterhalb der Öffnung angeordnet war, in der Weise zugeführt, um eine schwache Gasbewegüng in Nähe der Öffnung zu bewirken. Das Heliömstromungsausmaß, das aäs Kühlmittelgas wirkt, wurde konstant bei 1,Ib Liter je see. (2,5 OFM) beibehalten, um ein -Verhältnismäßig gleichbleibendes Wärrne-

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BAD ΟΠϊίά,ί

Übertragungsausmaß aufrechtzuerhalten, wobei das ISauerstbffströmungsausrnaß variiert wurde, um die gewünschte Menge in Vol.-$ an Sauerstoff in der Mischung zu erhalten. Sauerstoff wirkt als Reaktionsteilnehmergas bei der Bildung eines Oxydstabilisierungsfilmes, um die Blei/Zinn-Schmelze, wenn diese in Form eines freien Stromes durch die Öffnung austritt. Die Änderung in der Faserlänge mit dem Abstand des freien Falles wurde bei Sauerstoffkonzentrationen von 2, 7 und 15 YoI.-^a/o bestimmt, wobei die erhaltenen Werte in der graphischen Darstellung von Fig. 4 dargestellt sind. Wie darin gezeigt, ist unter den vorgeschriebenen Bedingungen eine Sauerstoffkonzentration von 2 % praktisch die minimale Konzentration, bei welcher Fäden von unbestimmter Länge erhalten werden können. D.tu bei einem Abstand des freien Falles, gemessen stromabwärts vnn der Öffnung, von etwa 95 cm sind praktisch kontinuierliche Längen erhältlich, wohingegen eine geringe Abnahme im Abstand des freienFalles (d.h. Verschiebung der Sammelobei'flache in Stromaufwärtsrichtung) zu einem Aufprallba?echen des Stroms führt; andererseits führt, wie ersichtlich, eine geringe Zunahme im Abstand des freien Falles zu einem Dehnungsoder Zugbruch. Bei etwas geringeren Sauerstoffkonzentrationen tritt der Aufprall- und Zugbruchpunkt D, stromaufwärts von dem Aufprallbruchpunkt D auf, was dazu führt, daß

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BAD

kontinuierliche Längen bei jedem abstand des freien Falls nicht erhältlich- sind. Wenn die Sauerstoffkonzentration auf die Werte von 7 f° und 15 % erhöht wird, ist ersichtlich, daß der Bereich des freien Falls, über welchen kontinuierliche Längen erhalten werden kennen, zumnimmt, d. h. der Abwärtsabstand von dem Delinungsbruchpunkt D^ in Stromabwärtsrichtung

r
von dem Äufprallbuchpunkt D_o nimmt zu mit ansteigender Reaktionsteilnehmergaskonzentration. Es wird vermutet, daß mit zunehmenden Sauerstoffkonzentrationen der Stabilisierungsfilm eine zunehmende Dicke und demgemäß zunehmende Festigkeit aufweist, wodurch sowohl eine Verschiebung des Aufprallbruchpunktes D in Stromaufwärtsrichtung als auch eine Verschiebung des Dehnungsbruchpunktes D^ in Stromabwärtsrichtung erhalten wird.

Es ist möglich, daß, selbst bei Anwendung von optimalen üffnungskonfigurationen, wie vorstehend erläutert, eine zu hohe Konzentration an Riaktionsteilnehmergas zu einer derartig frühen Bildung des otabilisleruiigsfilms führen kann, daU die Geüchv/indigkeit des ausspritzenden Stroms keine ausreichende Zeitdauer zur Verfügung hat, um zu einem flachen Profil zu. entspannen, waa dazu--führt, uaß aer Film entweder nbei'irfe^irs gedehnt oder [{dnzllch f;oi.,rochen wii'd und u;jdurch die eil'Jung von F^!>Uon ;.iit im vje^entliclrerj endlosen Längen

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BAD

oder bestenfalls die Bildung von Fäden zu verhindern, die einen hohen Grad von Querschnittsgleichförmigkeit über ihre Längen aufweisen. Wie aus den Werten vnn Pig. 4 ersichtlich ist, ist eine Sauerstoffkonzentration von 15 % nicht ausreichend, um ,unter den angegebenen Bedingungen einen Strombruch herbeizuführen. Es wurde jedoch beobachtet, daß das Spinnen von Schmelzen in Gas mit hohen Reaktionsteilnehmerkonzentrationen (nämlich 100 % Sauerstoff) zu einem Stromabbrechen in kurzen Längen sehr wahrscheinlich aufgrund der vorzeitigen Bildung des Stabilisieriungsfilmes führt.

Beispiel 2

Dieses Beispiel erläutert den Einfluß der Kühlniittelgaseigenschaften, insbesondere bezüglich Viskosität, Dichte und Wärmeübertragungskoeffizienten, auf die Änderung der Faserlänge mit dem Abstand des freien Falls. Wie in Fig. 5 graphisch dargestellt ist, wurden zwei Versuchsreiehen unter Verwendung von Spinngasmischungen von 1,55 l/sec (j?,j? je 0,l4l l/sec (0,j> CFM) Sauerstoff und ö,8 l/sec (1,7 CFM) Stickstoff je 0,l4l l/sec (0,3 CFM) Sauerstoff ausgeführt.

Das Molekulargewicht des Kühlmittelgases beeinflußt die Bildung des Stabilisierungsfilmes durch dessen Massenübertra gungseffekte auf das Ausmaß der Diffusion des ".Reaktionsteilnehmergases zu der¹ Stromoberfläche, den Gefrierpunkt und die Teniperaturvorbehandlung (temperature history) des Stroms durch seine Wärmeübertra£;ungseffekte und schließlich das

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J?

Kräftesystem auf den Strom durch seine Impuls- oder Kraftübertragungs- oder viskosen Strömungswiderstandseffekte. Stickstoff ist als Wärmeübertragungsmittel nicht so guc wie , Helium, er liefert jedoch einen größeren viskosen Strömungswiderstand. Schließlich verzögert er die Diffusion von Sauerstoff zu der Stromoberfläche, die zur Bildung des Stabilisierungsfilmes notwendig ist. Diese Effekte wirken zur Erzielung der in Fig. 5 aufgeführten Werte zusammen, woraus ersichtlich ist, daß bei Vergleich von Stickstoff mit Helium größere Abstände für das Gefrieren der Fasern (Gefrierpunkt D_Q etwa 20 cm unterhalb der Öffnung bei der Heliummischung und etwa Ao cm bei der Stickstoffmischung) erforderlich sind, wobei' größere Abstände für Störungen aufgrund des Auftreffens oder Aufprallens auf die Sammeloberfläche zur Beseitigung von deren schädlicher Wirkung auf die Stromkontinuität erforderlich sind (die durch einen Aufschlagbruchpunkt D- von

etwa 90 cm für die Heliummischung und von etwa 120 cm für die Stickstoffmischung angezeigt wird), und schließlich längere Stromlängen erforderlich sind, bevor ein Zug- oder Dehnungsbruch infolge des Unterschieds im Stromgewicht und in viskosem Strömungswiderstand erfolgt, wobei Strom plus Filmfestigkeit in beiden Fällen irn wesentlichen konstant sind (wobei der Wert des Dehnungsbruchpunktes D, etwa I6o cm für die Heliummischung und 190 cm für die Stickstoffmischung beträgt).

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Es ist darauf hinzuweisen, dal3 für höherschraelzende Materialien, nämlich oberhalb I50O bis 1000° C, eine Wärmeübertragung mittels Strahlung eine größere Bedeutung erlangt, so daß die Art des Kühlmittelgases einen geringeren Einfluß auf das Gesamtwärmeübertragungsausmaß bei derartigen höheren Temperaturen besitzt.

Beispiel y

Dieses Beispiel erläutert den Einfluß dety Spinngeschwindigkeit auf die Wechselbeziehung zwischen Faserlänge und Abstand des freien Falls. Das Ausmaß, mit welchem eine Schmelze niedriger Viskosität durch eine Öffnung ausgepreßt wird, bestimmt die freie ungebrochene Strahlenlänge des Stromes in Abwesenheit eines Reaktionsteilnehmergases und beeinflußt die viskose Strömungswiderstandskraft und Wärmeübertragung von dem stabilisierten Strom durch dessen Einfluß auf die relative Geschwindigkeit des Stromes mit Bezug auf die Spinnatmosphäre. Djese Faktoren ergeben gemeinsam.das in der graphischen Darstellung von Fig. 6 aufgeführte reine Ergebnis bei Befolgung der Arbeitsweise und der Bedingungen, wie in Beispiel 1 angegeben,(unter Verwendung eines Reaktbnsteilnehmergases von etwa 7 $ Sauerstoff und 9~j> % Helium,, das bei einem Ausmaß von etwa l,4l l/sec (j5 GB'M)zigeführt wird, wobei das Auspressen bei einer Temperatur von etwa 400° C ausgeführt wird).

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" Es ist ersichtlich, daß bei einem Auspreßdruck von 0,845 att (12 psig) die sich ergebende Stromgeschwindigkeit von 350 cm/,sec zu niedrig ist, um unter diesen Bedingungen kontinuierliche Längen zu bilden, was wahrscheinlich auf eine ungenügende freie Strahllänge zurückzuführen ist. Es ist ferner erislchtlich, daß wenigstens bis zu Auspreßgeschwindigkeiten von "etwa. 900 cm/sec (unter einem Druck von etwa 4,22 ätü (00 p3Lg)) eine erhebliche Zunahme des Bereiches der Abstände des freien Falls, über Vielehen kontinuierliche Längen gesammelt werden können, durch eine Erhöhung der Auspreßgeschwindigkeit erreicht wird. Dies ist auf eine Zunahme des Abstands von der Öffnung des Dehnungsbuchpunktes (EL) zurückzuführen, die infolge einer zunehmenden viskosen Strömungswiderstandskraft auf den Strom mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit erhalten wird.- Die rrebierpunkte D und die Aufprallbruchpunkte D

■ - .- O α

werden, wie ersichtlich, ebenfalls stromabwärts mit zunehmender Spinngeschwindigkeit aufgrund der Tatsache verschoben, daß die Ausmaße des Massenflusses rascher ansteigen als die Wärmeübertragungsausmaße, während die Sfromabwärtswanderung des. Dehnungsbruchpunktes D^ größer ist als diejenige des Aufprallbruchpunktes D , was zu der beobachteten Zunahme des Bereichs.-, der Abstände des freien Falls, über welchen kontinuierliche Mengen gesammelt werden können, führt.

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BÄÖ

- 4ο -

Beispiel 4

Dieses Beispiel erläutert den Einfluß der Spinntemperatur auf die Änderung in der Faserlänge mit dem Abstand des freien Palis. Die Temeratur, bei welcher eine Schmelze von niedriger Viskosität ausgepreßt wird, beeinflußt direkt die zur Verfestigung des Stroms notwendigen Wärmeübertragungserfordernisse und indirekt das Ausmaß oder die Geschwindigkeit der Bildung des stabilisierenden Filmes durch die Temperaturabhängigkeit der Filmbildungsrel^ation. Unter Anwendung des Verfahrens von Bespiel 1 wurden zwei Versuchsreihen bei Auspreßtemperaturen von ^00 und 400° C und einem Auspreßdruck von 2,95 kg/cm Überdruck (42 psig) ausgeführt, wobei die erhaltenen Ergebnisse in Fig. 7 grainisch dargestellt sind. Die Abnahme in denwarmeübertragungserfordenissen bei der tieferen Tempeisfcur werden eindeutig durch dfen wesentlich niedrigeren Gefrierpunkt D und Aufprallbruchpunkt D_r aufgrund einer rascheren Zunahme in der Stromfestigkeit angezeigt. Die Änderung in dem Ausmaß oder in der Geschwindigkeit de^ Bildung des stabilisierenden Films für diese beiden Temperaturen ist anscheinend nicht ausreichend, um signifikante Änderungen in der Zugfestigkeit des Films hebeizuführen, wie dies durch die geringen Änderungen mit Bezug auf den Dehnungsbruchpunkt D^ angezeigt wird. Es wird somit festgßstellt, daß ein größerer-Abstandsbereich für den.freien Fall zur Sammlung von endlosen Bangen bei der niedrigeren Auspreßtemperatur erhalten

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Wie nunmehr ersichtlich ist, wird die Lage des Dehnungsbruchpunktes D, mit Bezug auf die Öffnung durch den Ausgleich zwischen' der Shwerkraft einerseits und der Stromfestigkeit und der viskosen Strömungswiderstandskraft andererseits bestimmt. Wie in der vorstehend angegebenen deutschen Patentschrift ....... (Patentanmeldung M 76 329 VII a/29 a vom

22. November I967) erläutert ist, wobei die Schwerkraft verringert wird (wie durch Spinnen von Schmelzen niedrigerer Dichte und/oder von Strömen mit geringerem Durchmesser) und/oder die viskose Strömungswiderstandskraft erhöht wird (wie durch eine Steigerung der Spinngasdichte und Viskosität, einen geringeren im Gleichstrom geführten oder höheren im Gegenstrom · geführten Gasstrom oder eine höhere Spinngeschwindigkeit) wird ein Punkt erreicht, bei welchem die viskose Strömungswiderstandskraft die Schwerkraft bis zu dem Ausmaß überwindet, das beim Beginnen von normalerweise unvermeidlichen Abweichungen des Stroms von einem geradlinigen Weg die Strömungswiderstandskraft ausreichend ist, um eine fortschreitende Abbiegung oder Krümmung des Stromes zu bewirken. Bei einer viskosen Strömungswiderstandskraft in sicher Hohe, bei welcher das Ausmaß einer derartigen auf den Strömungswiderstand zurückgehenden Abbiegung die Stromgeschwindigkeit übersteigt, wird die Abbiegung zu einem Wandern in Sfcromaufwärtsrichtung relativ zu der Öffnung in den heißen schwachen Bereich des Sroras veranlaßt, wo sie durch Stromabreißen oder gänzliche Trennung

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zum Stillstand kommt. Es ist somit ersichtlich, daß, obgleich die durch viskosen Strömungswiderstand bedingten Stromabweichungen in dem festen stromabwärts liegenden Bereich von verhältnismäßig höherer Festigkeit einsetzen können, diese stromaufwärts mit einer größeren Geschwindigkeit (V ) stromaufwärts fortschreiten können als die Stromgeschwind±gkeit (V-z), um zu einem Stromabreißen zu führen. Wenn ein derartiges Stromkräftesystem erhalten wird, ist offensichtlich der Dehnungsbruchpunkt D^ für alle Zwecke um einen unbestimmten Abstand in Stromabwärtsrichtung verschoben worden,und wenn eine Produktion von Gebilden unbestimmter Länge erzielt werden soll, muß das auf den Strom auferlegte Kräftesystem so geändert werden, um die viskose Strömungswiderstandskraft auf ein Ausmaß herabzusetzen, bei welchem die Ausbreitungsgeschwindigkeit der auf den strömungswiderstand zurückgehenden Abweichungen geringer als die Strömströmungsgeschwindigkeit ist. Unter diesen Bedingungen nimmt der Dehnungsbruchpunkt D, eine Lage von begrenztem Abstand von der Öffnung ein, und wenn dieser Abstand größer ist als der Abstand des Aufprallbruchpunktes

D_Q kann eine Verlangsamung oder Abgrenzung des Stromes bei a

einem dazwischenliegenden Punkt ausgeführt werden, ohne einen Bruch hervorzurufen.

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Es ist nunmehr ersichtlich, daß gemäß der Erifindung ein neuartiges Verfahren zum Spinnen von Gegenständen unbestimmter Länge aus Schmelzen von niedriger Viskosität durch Zwischenregelung des auf den Strom auferlegten Ki-äftesystems mit Bezug auf den Punkt, bei welchem eine vorbestimmte Abbremsung vorgenommen werden soll, geschaffen wird.

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Claims (1)

1. - 44 - Patentansprüche

   1. Verfahren zur Bildung von geformten Gegenständen unbestimmter Lange aus einer Schmelze von niedriger Viskosität, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schmelze in Form eines stabilisierten stromes erzeugt, den Punkt entlang des Stromes, unterhalb welchem die reine auf den Strom einwirkende Dehnungsoder Zugkraft dessen Bruchfestigkeit übersteigt, stromabwärts von demjenigen Punkt beibehält, oberhalb welchem die bei einer vorbestimmten Abbremsung des Stromes auftretende

   und

   Störung dessen Abreißen verursacht,/die vorbestimmte Abbremsung auf den Strom bei einer Stelle zwischen den beiden Punkten aufbringt, wobei die Stromkontinuität beibehalten wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schmelze in Form eines stabilisierten Stromes austreten läßt, worin die Beziehung D_&^ D, erhalten wird, wobei D, diejenige Stelle entlang des Stromes, gemessen von dessen Austrittspunkt, bezeichnet, von dem in Stromabwärtsrichtung die auf. den Strom wirkende reine Dehnungskraft dessen Bruchfestigkeit übersteigt, und D^ denjenigen Punkt bezeichnet, von welchem in Stromaufwärtsrichtung die bei einer vorgewählten Abbremsung des Stromes auftretende Störung dessen Abreißen bewirkt.

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   BAD

   j). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Strom einwirkende Kraft des viskosen Strömungswiderstandes variiert wird, um die Geschwindigkeit der Ausbreitung von auf viskosen Strömungswiderstand zurückgehenden Stromabweichungen geringer als die Geschwindigkeit des Stromes zu halten, wo bei eine Stromaufwärtswanderung von derartigen Abweichungen vermieden wird»

   4. Verfahren nach Angruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom erzeugt wird, der durch eine Abbrechdauer von weniger als 14000 y ρ D^/γ, worin ρ die Schmelzdichte, γ die Schmelzoberflächenspannung und D den S^romdurchmesser bedeuten, ausgezeiefanet ist.

   5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Strom bei einer solchen Geschwindigkeit austreten läßt, daß die Größe v"V fß/y ' einen Wert von 1 bis 50, vorzugsweise 2 bis 25, besitzt, worin ρ die Schmelzdichte, γ die Schmelzoberflächenspannung, D den Stromdurchmesser und V die Stromgeschwindigkeit bedeuten.

   6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man auf den Strom bei dessen Austreten einen Film bildet und dabei den Strom im wesentlichen gegenüber einem Abbrechen während seiner Verfestigung stabilisiert.

   7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den Strom durch Inberührungbrlngen mit einer filmbildenden Atmosphäre bei dessen Austreten stabilisiert.

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   8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Strom durch eine Öffnung austreten läßt, die insbesondere eine minimale Querschnittsfläche aufweist, die sich über einen Abstand, gemessen in Richtung des Flusses, von weniger als dem Fünffachen der Hauptabmessung der minimalen Querschnittsfläche ausdehnt, eine filmartige Bildung um den Strom herum bei dessen Austreten durch die Öffnung erzeugt und dabei einen im wesentlichen stabilisierten Strom während dessen Verfestigung erhält.

   9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß man den Strom durch eine Öffnung mit insbesondere einem minimalen Querschnittsbereich, der sich über einen Abstand, gemessen in Richtung des Flusses, von weniger als dem Fünffachen der Hauptabmessung des minimalen Querschnittsbereichs erstreckt, austreten läßt.

   10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schmelze durch eine Öffnung mit insbesondere einem minimalen Querschnittsbereich, der sich über einen Abstand, gemessen in Richtung des Stromflusses, von weniger als etwa dem Fünfiachen der Hauptabmessung des minimalen Querschnittsbereichs erstreckt, bei einer solchen Geschwindigkeit austreten läßt, daß die Größe V yp Ώ/y innerhalb des Bereichs von 2 bis 25 liegt, worin V,ρ, D und γ die vorstehend angegebene Bedeutung besitzen, und den Strom mit einer filmbildenden Atmosphäre bei seinem Austritt in Berührung bringt und dadurch gegen ein Abbrechen während seiner Verfestigung

   009835 /0331

   stabilisiert.