DE19626051C2 - Spinndüsenplatte mit integrierter Wärmeisolierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spinndüsenplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie ist versehen mit integrierter Wärmeisolierung, mit einer bevorzugt aus Metall bestehenden Spinndüsenplatte, die zwischen einer Eintritts­ seite und einer Austrittsseite verlaufende Düsenkanäle aufweist und die zwi­ schen Ein- und Austrittsseite, vorzugsweise in der Nähe der Austrittsseite mit einer thermischen Isolierung ausgestattet ist.

Das technische und technologische Verhalten von herkömmlichen, homogen gestalteten Spinndüsenplatten ist dadurch beeinflußt, daß die Temperatur ihrer austrittsseitigen Oberfläche in radialer Richtung vom Rand zum Zentrum, kon­ tinuierlich abnimmt und die Temperatur der austretenden Schmelzestrahlen des­ halb in derselben Richtung um ein gewisses Maß differiert, und gleichzeitig über ihren Querschnitt einen entsprechenden Temperatur- und in dessen Folge einen Viskositätsgradienten erhalten.

Eine gattungsgemäße Spinndüse ist aus der DD-PS 25 729 bekannt. Dort ist eine Spinndüse beschrieben, deren Austrittsseite partiell, aber in ihrem über­ wiegenden Flächenanteil isoliert ist. Mit dieser Spinndüse soll die Aufgabe gelöst werden, eine gleichmäßige Temperaturverteilung rund um jeden Düsenkanal zu erhalten, damit die Schmelze in ihrem Strömungsquerschnitt keine asymmetri­ sche Temperatur- und damit Viskositätsverteilung erhält, die zu unkontrolliertem schrägen Austritt der fadenbildenden Schmelzestrahlen führen würde. Außerdem ist dort offenbart, daß die den Fadenlauf störende Tröpfchenbildung an der Düsenoberfläche vermieden werden könne, wenn die Düsenplatte an der Schmelzeaustrittsseite weitgehend isoliert werde, zum Beispiel mit Asbest. Ein positiver Effekt dieser bekannten Konstruktion soll darauf beruhen, daß durch die Isolierung der Wärmeübergang von der Düsenplatte an die umgebende Luft gehemmt werde. Zudem ist dort offenbart, daß die Düsenplatten an der Schmel­ ze-Austrittsseite, d. h. äußerlich isoliert sind. Im Bereich der Isolation, die bis auf die unmittelbare Umgebung der Düsenbohrungen die ganze austrittsseitige Fläche umfaßt, besteht demnach die äußere Oberfläche des Düsenplattenkör­ pers nicht aus demselben Werkstoff, wie jener, in den die Düsenlöcher gebohrt sind, sondern aus einer Schicht aus Isolationsmaterial.

Ein Problem beim Schmelzspinnen mit herkömmlichen, wie insbesondere auch mit der in der zitierten Patentschrift beschriebenen Düsenplatten besteht darin, daß bei den für die Fadenbildung notwendigen hohen Polymer-Schmelzetempera­ turen auch die austrittsseitige Oberfläche rund um jede Düsenbohrung entspre­ chend hohe Temperaturen annimmt. Beobachtungsgemäß führt dies zu Ablage­ rungen von ausdampfenden, niedrigmolekularen Polymerbestandteilen auf der Düsenplattenaustrittsseite, die nach einer gewissen Zeit zu Spinnstörungen an den Düsenkapillaren führen, was jeweils eine Produktionsunterbrechung wegen einer erforderlichen Düsenplattenreinigung nach sich zieht. Aufgrund der Isola­ tionsschicht bei der zum Stand der Technik beschriebenen Düsenplatte tritt rund um jede Düsenöffnung eine höhere Temperatur auf, als bei einer Düsenplatte aus kompaktem Metall an der gleichen Stelle, da die von der Eintrittsseite und von der durch den Düsenkanal fließenden Schmelze in die Düsenplatte eingeleitete Wärmemenge nicht zur Seite geleitet und via große metallische Oberfläche abgeführt werden kann.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Spinndüse anzugeben, bei der die Temperatur der aus den Düsenkapillaren austretenden Polymerschmelze im Augenblick der Einengung des Polymerstromes durch die Kapillare zur Verbesserung der Fadenqualität zwar optimal hoch ist, daß jedoch die austrittsseitige Oberfläche der Düsenplatte rund um die Düsenbohrung unabhängig davon eine möglichst tiefe Temperatur aufweist. Beobachtungs­ gemäß wird dadurch die Entstehungsgeschwindigkeit der oben erwähnten störenden Ablagerungen um einen Faktor 3 bis 4 herabgesetzt und die Intervalle der Produktionsunterbrechungen zur Reinigung entsprechend verlängert.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei wird die thermische Isolierung von zumindest einem wärmeisolierenden Hohlraum in der Spinndü­ senplatte gebildet. Vorzugsweise ist dieser Hohlraum evakuiert oder enthält ein verdünntes Gas mit geringer Wärme-Transportkapazität. Er kann aber auch mit isolierenden Feststoffen gefüllt sein.

Dazu bilden die Unteransprüche besonders bevorzugte Ausführungsformen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Spinndüse ist, insbesondere wegen der durch das Vorsehen des isolierenden Hohlraums nur noch schmalen Wärmebrücken, der Wärmefluß durch Wärmeleitung im Düsenwerkstoff von der Eintrittsseite zur Austrittsseite der Düse sehr gering. Zudem stellt die Spinn­ düsenfläche an der Austrittsseite eine große Wärmeabstrahlungsfläche dar.

Es kann also für eine kühle Düsenaustrittsfläche gesorgt werden, die vorzugs­ weise aus demselben Grundmaterial wie die Spinndüsenplatte besteht, ohne daß eine Abkühlung der Schmelze beim Durchgang durch die Düsenlöcher eintritt. Indem der isolierende Hohlraum die dünnwandigen Düsen-Vorkanäle einzeln umschließt, diese selbst dadurch einen nur geringen Wärmeleitquerschnitt darstellen, kann von hier nur wenig Wärme in Richtung austrittsseitiger Ober­ fläche abgeleitet werden. Daher ist es sogar möglich, die Schmelze-Eintrittstem­ peratur gegenüber dem Stand der Technik noch etwas zu reduzieren, wodurch die thermische Belastung der Polymerschmelze kleiner gehalten werden kann. Kurz gefaßt besteht ein grundlegender Erfindungsgedanke darin, daß durch schmale Wärmebrücken der Wärmezufluß von der Eintrittsseite durch Wärmelei­ tung im Düsenwerkstoff an die austrittsseitige Fläche der Düse minimiert wird und diese Austrittsfläche zudem eine große Wärmeabstrahlungsfläche darstellt. Weil diese Wärmeabstrahlung im Gegensatz zum Stand der Technik ganz be­ wußt nicht verhindert wird, kühlt sich die Düsenoberfläche aufgrund des Verhält­ nisses zwischen großer Wärmeabstrahlungsfähigkeit und kleinem Wärmezufluß gezielt ab, was zu den eingangs erwähnten, erfindungsgemäßen Vorteilen führt. Der die dünnwandigen Düsen-Vorkanäle einzeln umschließende isolierende Hohlraum verhindert gleichzeitig einseitige Abkühlung der fadenbildenden Schmelzeströme, so daß die erfindungsgemäße Düse zusätzlich die Vorzüge der in der zitierten Patentschrift beschriebenen Düse aufweist.

Liegt durch den erfindungsgemäßen Aufbau die Temperatur des Grundmaterials der Düsenplatte an der Austrittsfläche rund um jede Kapillarmündung 10 bis 50 K tiefer als bei den Düsenplatten des Standes der Technik, so weist die aus­ tretende fadenbildende Polymerschmelze eine entsprechende oder ähnliche Temperaturerniedrigung nicht auf. Es hat sich gezeigt, daß eine Spinndüse, die erfindungsgemäß aufgebaut ist, auf dem größten Teil des Schmelze-Durch­ trittsweges eine höhere Temperatur aufweist, als eine homogen gestaltete Düse und daß der kühlere Teil nur eine dünne Schicht über der Austrittsfläche umfaßt, die von der austretenden Polymerschmelze keine sich in entscheidendem Maße auswirkende Wärmemenge mehr abzuführen im Stande ist. Obwohl eine derart strukturierte Düse austrittseitig eine kühlere Oberfläche aufweist, als eine unter denselben Bedingungen betriebene homogene Düse oder eine isolierte Düse nach der zitierten Patentschrift, treten die Elementarfäden mit einer höheren Tempera­ tur aus, als aus der homogenen Düse. Die höhere Temperatur hat eine niedrigere Viskosität, d. h. größere Beweglichkeit der Makromoleküle zur Folge, so daß diese nach Austritt aus der Engstelle der Düsenkapillaren leichter relaxieren können, das heißt, daß sich die inneren Spannungen trotz des Spinnvorgangs auf ein tieferes Niveau abbauen können, woraus eine geringere molekulare Vororientierung der Spinnfäden durch den Spinnvorgang resultiert. Da zur Verfestigung der wärmeren Polymerschmelze mehr Wärme abgeführt werden muß, verlängert sich die Strecke bis zum Er­ starren des gebildeten Elementarfadens, so daß für das Relaxieren auch mehr Zeit zur Verfügung gestellt wird. Ergebnis ist, daß der erstarrte Elementarfaden eine geringere Vororientierung seiner Moleküle aufweist, was vorteilhafterweise zu höheren Bruchdehnungswerten, und zu höherer Verstreckbarkeit für die nächste Prozeßstufe und damit zu höherer Produktivität des Gesamtprozesses, führt. Durch die gegenüber einem kühler austretenden Faden fortgeschrittenere molekulare Relaxierung gleichen sich auch die Streuungen der von der Molekül­ orientierung abhängigen Größen, wie die erwähnte Dehnung, aber auch die Festigkeit und die bei der Weiterverarbeitung aufzuwendende Streckkraft besser aus, was zu gesteigerter Gesamtqualität der mit der erfindungsgemäßen Düse ersponnenen Fäden führt.

Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Spinndüse entfallen vorteilhafter­ weise andere bisher übliche, aber aufwendige Vorrichtungen zur Steigerung des Faden-Relaxierungsgrades, oder sie werden vereinfacht bzw. verkleinert. Als solche sind zu nennen Nachheizstrecken, die aus beheizten Schächten bestehen, durch welche die noch schmelzflüssigen Fäden direkt unter der Düse hindurch­ geführt werden, um die Verweilzeit im schmelzflüssigen Zustand zu verlängern oder Maßnahmen zur Temperatursteigerung der aus der Düse austretenden Schmelzestrahlen, durch Umsetzen von mechanischer Energie in Wärme, indem die Schmelzestrahlen in oder direkt vor der Düse unter hohem Druck durch entsprechend dimensionierte Engstellen gepreßt werden.

Die erfindungsgemäße Spinndüse ist ein Verbund von Elementen mit unter­ schiedlichen Wärmeleitfähigkeiten: zumindest der Spinndüsenplatte, die in aller Regel zur Hauptsache aus kompaktem Grundmaterial, vorzugsweise aus Stahl, anderen Metallen oder Metallegierungen besteht, und dem in ihr gebildeten evakuierten oder mit einem wärmedämmendem Material, das heißt, solchem mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit als der Hauptteil der Spinndüsenplatte, gefüllten Hohlraum. Die Isolierwirkung dieses Hohlraums wird durch Eindämmung der ihn passierenden Wärmestrahlung verstärkt. Vorzugsweise können die Wände des Hohlraums durch Polieren verspiegelt werden, wodurch die Strahlung herab- und das Reflexionsvermögen heraufgesetzt wird. Anstelle eines Hohlraums können auch mehrere Hohlräume vorgesehen sein.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß Wärmebrücken, die durch den isolierenden Hohlraum hindurchführen und/oder diesen seitlich begren­ zen als enge oder verminderte Wärmeleitquerschnitte, wie sie insbesondere dadurch erreicht werden, daß die Wandungen der Polymerschmelze-Kanäle unter Berücksichtigung der erforderlichen Festigkeit, möglichst dünn ausgeführt werden, gestaltet sind. Selbstverständlich können die Elemente der verschiede­ nen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden.

Die Fig. 1 bis 3 sollen den Erfindungsgedanken erläutern, aber nicht ein­ schränken. Es zeigen:

Fig. 1 eine Konstruktion einer erfindungsgemäßen Spinndüsen­ platte,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1,

Fig. 3 den Temperaturverlauf in der Spinndüsenplatten nach Fig. 1 und 2.

In Fig. 1 und 2 ist die Konstruktion einer Spinndüsenplatte 1, kurz "Spinndüse", dargestellt, die in übrige Baugruppen einer Spinnvorrichtung, einer Wandung 2 und einem beheizten Spinnkopfgehäuse 3, integriert ist. Die Spinndüse 1 enthält Düsenkanäle 4, 5, die an ihren Austrittsenden von einem einlaßseitigen Vorkanal 4 in eine fadenformende Austrittskapillare (Düsenkapillare) 5 übergehen. In der Spinndüse 1 ist zur thermischen Isolierung ein Hohlraum 6 ausgebildet. Die Isolier­ schicht im Hohlraum 6 kann sowohl aus Material mit geringer Wärmeleitfähig­ keit, als auch aus einem leeren Hohlraum bestehen. Sie besteht vorzugsweise aus Vakuum oder einem verdünnten Gas. Vakuum stellt den denkbar besten Wärmeisolator dar. Austrittsseitig ist der Hohlraum 6 von einer Abdeckplatte 8 verschlossen.

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der wärmeisolierende Hohlraum 6 evakuiert. Die diesen verschließende untere Abdeckplatte 8 der Spinndüse 1, ist via enge Material­ querschnitte 7 mit dem tragenden Teil der Düsenkonstruktion verbunden. Über die engen Materialquerschnitte 7 und den isolierenden Hohlraum 6 wird der Wärmefluß zwischen dem Inneren der Spinnvorrichtung und der mit der Um­ gebungsluft in Kontakt stehenden austrittseitigen Abdeckplatte 8 gestaut, so daß die Abdeckplatte 8 eine tiefere Temperatur annimmt als bei einer Spinndüse aus homogenem Material, durch das die Wärme direkt abgeleitet wird.

Die Schmelzevorkanäle 4 sind durch die Isolierschicht (Hohlraum 6) hindurch­ geführt. Sie werden dazu von sehr dünnen Wänden 7 aus vorzugsweise me­ tallischem Werkstoff umschlossen, die durch ihren geringen Querschnitt der Wärme in ihrer Flußrichtung 18 (siehe Fig. 3), ebenfalls einen hohen Wider­ stand entgegensetzen. Die Stärke der Wandungen 7 richtet sich nach den Festigkeitsanforderungen, um dem Druck der in ihrem Inneren fließenden Poly­ merschmelze standzuhalten.

In Fig. 3 ist der Temperaturverlauf in Wärmeflußrichtung im Material der Düsen nach Fig. 1 und Fig. 2 sowie in den Bereichen darüber und darunter als Dia­ gramm dargestellt und mit dem Temperaturverlauf in einer herkömmlichen Spinn­ düse aus homogenem Material verglichen, indem die Materialtemperaturen über dem Weg des Wärmeflusses vom Inneren der Spinnvorrichtungen bis in den mit Umgebungsluft gefüllten Bereich unter den Spinnvorrichtungen aufgetragen wurde. Das Diagramm beginnt mit der für beide Varianten als gleich angenom­ menen Temperatur 9 der eintretenden Schmelze, die im Inneren des Düsenpake­ tes herrscht und mit der Temperatur der Konstruktionsmaterialien der Spinnvor­ richtungen identisch ist und verfolgt die zu vergleichenden Temperaturverläufe bis zur wesentlich tiefer liegenden Temperatur 10, die in der Umgebungsluft unterhalb der Spinnvorrichtungen herrscht und die ebenfalls für beide Varianten als gleich angenommen wurde.

Zwischen den Bereichen im Inneren der Spinnvorrichtungen und in der darunter befindlichen Umgebungsluft liegen die Gradienten der Temperaturen in den Kon­ struktionsmaterialien bzw. im isolierenden Hohlraum. Eszeigt sich, daß der Temperaturgradient 11 über dem größten Teil der Strecke innerhalb der erfin­ dungsgemäßen Düse 1 nach Fig. 1 weniger steil abfällt als der Vergleichsgradient 12 innerhalb der herkömmlichen Düse. Im Bereich des isolierenden Hohlraums 6 fällt der Gradient 13 steil ab, und erreicht an der Düsen-Austrittsfläche einen tieferen Wert 14 als dies bei der herkömmlichen Düse der Fall ist, wo die höhere Temperatur 15 herrscht. Als Resultat ergibt sich für die erfindungsgemäße Düse 1 nach Fig. 1 an der Düsenaustrittsfläche, gegenüber der herkömmlichen Düse eine Temperaturdifferenz 16. Das Bezugszeichen 17 bezeichnet die Temperatur­ achse (Temperatur von links nach rechts steigend) und das Bezugszeichen 18 die Wegachse des Wärmeflusses.

Die Elementarfäden treten aus einer Düse nach Fig. 1 mit höherer Temperatur aus, als aus einer herkömmlichen Düse, was zu erklären ist mit dem in seinem Mittel höher liegenden Temperaturgradienten 11 im dicken, tragenden Teil der Düsenkonstruktion und dem Umstand, daß in der austrittsnahen Reststrecke 13, innerhalb des isolierenden Hohlraums 6 und dem dünnwandigen Verbindungs­ querschnitt 7, kaum noch ein ins Gewicht fallender Wärmestrom abgeleitet wird.

Die Erzeugung von Temperaturunterschieden innerhalb der Struktur einer Spinn­ düse 1 erfordert einen Wärmefluß über den beschriebenen isolierenden Hohlraum 6 hinweg. Somit wird beispielsweise in einem abgegrenzten Strukturbereich (z. B. austrittsseitige Abschlußplatte 8) eine tiefere Temperatur, die unterhalb derjenigen des restlichen Düsenkörpers liegt, dadurch erzeugt, daß in den Wär­ meflußweg zur Abdeckplatte 8 in Gestalt des isolierenden Hohlraumes 6 und des geringen Querschnitts der Düsenwandung 7 ein Widerstand eingeschaltet wurde, den zu überwinden ein um den Betrag 16 höheres Temperaturgefälle erforderlich ist, als bei einer herkömmlichen Düse aus kompaktem Material. Oder anders ausgedrückt:
Jede Spinndüse in einem Schmelzspinnprozeß gibt über ihre austrittseitige Oberfläche Wärme durch Strahlung und vor allem durch Konvektion (in den Figuren nach unten) an die Atmosphäre ab, die eine wesentlich tiefere Tempe­ ratur 10 aufweist. Da Wärme nur in Richtung eines vorhandenen Temperatur­ gefälles fließt, fällt die Temperatur aller beteiligten Medien außer der Polymer­ schmelze, die ja selbst fließt, in Richtung der Wegachse 18, vom Betrag 9 auf den Betrag 10 ab. Die Steilheit des Temperatur-Gefälles innerhalb eines be­ stimmten Bauteils richtet sich nach dessen Isolationswert, bzw. nimmt mit fallender Wärmeleitfähigkeit zu. Da die Temperatur im Inneren des Düsenpaketes durch eine Beheizung von außen (vom beheizten Spinnkopfgehäuse 3) und durch die Temperatur der einströmenden Polymerschmelze festgelegt ist, kann sich das vergrößerte Gefälle nur in einer tieferen Temperatur der die Isolationsschicht nach unten abschließenden Platte 8 und deren austrittsseitiger Oberfläche auswirken, wie im Diagramm der Fig. 3 qualitativ dargestellt ist.

In einem ausgeführten Beispiel der Erfindung wurde eine aus Metall (Stahl) bestehende Spinndüse 1 entwickelt, mit der es gelingt, Spinnschmelze mit hoher Temperatur, z. B. 280°C, austreten zu lassen, bei einer Düsen-Oberflächen­ temperatur von z. B. nur 265°C. Damit wird erreicht, daß die Intervalle zwischen den Reinigungsvorgängen, die jedesmal eine Produktionsunterbrechung und erneute Inbetriebnahme des Spinn- und Spulvorganges bedingen, um einen Faktor 3 bis 4 verlängert werden können, woraus eine erhebliche Verbesserung der Prozeß-Effizienz resultiert.

Vorteilhaft ist es, wenn die erfindungsgemäße Spinndüsenplatte zumindest auf einem Teil der Austrittsfläche von einem kühlenden Gasstrom bestrichen wird.

Claims (7)

1. Spinndüsenplatte (1), bevorzugt aus Metall, die zwischen einer Eintrittsseite und einer Austrittsseite verlaufende Düsenkanäle (4, 5) enthält, gekennzeichnet durch eine zwischen Ein- und Austrittsseite eingelagerte thermische Isolierung (6) und eine diese nach unten abschließende Platte (8), durch die die Düsenkapillaren (5) ausmünden, wobei die thermische Isolierung von zumindest einem wärmeisolierenden Hohlraum (6) in der Spinndüsenplatte (1) gebildet ist.

2. Spinndüsenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum (6) ein Vakuum herrscht.

3. Spinndüsenplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (6) mit einem thermisch isolierenden Medium, vorzugsweise einem verdünnten Gas, gefüllt ist.

4. Spinndüsenplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Wärmebrücken über den Hohlraum (6), wie die jeden Düsenkanal (4) umgebenden Wände (7) sehr dünn ausgeführt sind, wobei die Festigkeitsanforderungen, um dem Druck der in ihrem Inneren fließenden Polymerschmelze standzuhalten, die Wandstärke nach unten begrenzen, und daß die Abschlußwände des Hohlraumes (6) zur Seite hin, nach außen, ebenfalls dünn ausgeführt sind.

5. Spinndüsenplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Innenflächen des Hohlraums (6) zur Steigerung der Isolierwirkung durch Polieren verspiegelt sind.

6. Spinndüsenplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die abschließende Platte (8) austrittsseitig von einem kühlenden Gasstrom bestrichen wird.

7. Verwendung von mindestens einer Spinndüsenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Spinnvorrichtung zur Herstellung von Fila­ menten und Fasern mit erhöhtem und vergleichmäßigte Relaxiergrad beim Austritt aus der Spinndüse.