DE2360854A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von stapelfasern - Google Patents

Description

FARBWERKE HOECHST AKTIENGESELLSCHAFT

vormals Meister Lucius & Brüning 23608 5 A

Datum: 5. Dezember 1973

Aktenzeichen: HOE 73/F 379 "· H. Dr. FK/Fk

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Stapelfasern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Stapelfasern avis thermoplastischen Polymerfäden, die mit hoher Geschwindigkeit anfallen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bekannt,- daß es möglich ist, thermoplastische Materialien nach dem Schmelzspinnverfahren bei hohen Spinngeschwindigkeiten zu Fäden zu verformen, die auch ohne weitere Behandlungen wie Verstrecken, Schrumpfen.und Fixieren bereits für die Praxis ausreichende textiltechnologische Eigenschaften aufweisen. Die dazu benötigten hohen Abzugsgeschwindigkeiten können z.B. dadurch realisiert werden, daß die Fäden unter der Spinndüse über Walzen mit genügend hoher Oberflächengeschwindigkeit geführt werden, oder dadurch, daß die erforderlichen Abzugskräfte durch ein Treibmedium in einer Injektordüse auf die Fäden einwirken. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der FR-PS 950 533 beschrieben.

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Die Überführung solcher schnell gesponnenen Fäden in Stapelfasern in einem kontinuierlichen Verfahren war bisher praktisch nicht möglich, da die dem Spinnen nachfolgenden Arbeitsschritte, das Kräuseln und Schneiden, nur mit wesentlich langsamerer Geschwindigkeit durchgeführt werden können. Zumindestens für das Schneiden liegt die bisher technische beherrschbare Geschwindigkeit um mindestens eine Zehnerpotenz unter^ maximal möglichen und aus wirtschaftlichen Gründen wünschenswerten Spinnabzugsgeschwindigkeit von ca. 6 000 m/min..

Ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung- von Stapelfasern unter Ausnutzung des Schnellspinnens muß deshalb zwangsläufig einen Verfahrensschritt enthalten, der die hohe Spinngeschwindigkeit der anfallenden Fäden kontinuierlich der geringeren Geschwindigkeit von Rräusel- und Schneid- , maschine anpaßt. Aus der GB-PS 796 684 und GB-PS 824 223 sind bereits Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die eine solche Geschwindigkeitsreduzierung zum Ziel haben. Es sollen dabei luntenähnliche Gebilde hergestellt werden, die gegebenenfalls weiterverarbeitet werden können.

Die Funktionsweise aller dieser Vorrichtungen beruht darauf, daß in gleichen zeitlichen Abständen Stäbe senkrecht zur Bewegungsrichtung des ankommenden Fadenbündels und durch dessen Bahn hindurch geführt werden, wodurch sich bei jedem Durchgang der Stäbe eine Fadenschlaufe bildet. Diese Schlaufen müssen im weiteren Verlauf des Verfahrens wieder von den Stäben abgenommen und miteinander verbunden werden. Versuche, die in den obengenannten Patentschriften beschriebenen Ver-¹ fahrensweise auf Fäden aus synthetischen linearen Hochpolymeren anzuwenden, um daraus Stapelfasern herzustellen, führten jedoch bei Fadenge schwindigke it en über 3000 m/min, nicht zum Erfolg. Es gelang beispielsweise nicht

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mit Vorrichtungen gemäß Figur 10 oder Figur 12 der GB-PS 796 die gebildeten Schlaufen störungsfrei von den bewegenden Stäben abzunehmen. Weiterhin war es nicht möglich, einen ausreichenden Zusammenhalt des gebildeten Schlaufenkabels zu erzielen, der für eine störungsfreie Weiterverarbeitung zu Stapelfasern ausgereicht hätte.

Werden die Schlaufen sehr kurze Zeit nach ihrer Entstehung von den Stäben abgezogen, so wird ihre Verbindung zu später gebildeten Schlaufen und damit auch der Kabelzusammenhalt zu schwach. Sorgt man hingegen durch längeres Verweilenlassen der Schlaufen auf den Stäben für einen ausreichenden Zusammenhang zwischen den Schlaufen, die zu verschiedenen Zeitpunkten gebildet werden, so bewirkt/eben dieser Zusammenhalt, daß nicht mehr eine Schlaufe nach der anderen, wie es zur Erzeugung eines gleichmäßigen Kabels notwendig wäre, sondern bestenfalls das ganze Bündel miteinander verschlungener und verdrillter Schlaufen abgezogen werden kann, wodurch eine kontinuierliche Weiterverarbeitung unmöglich wird.

Es bestand daher die Aufgabe, geeignete Verfahren und Vorrichtungen zu finden, die es gestatten, Spinnfäden, die mit hoher Geschwindigkeit von z.B. über 3 000 m/min anfallen, kontinuierlich im Kabel umzuformen, deren Geschwindigkeit bekannten kontinuierlich arbeitenden Kräuselvorrichtungen und Schneidvorrichtungen angepaßt ist.

Es wurde gefunden, daß eine kontinuierliche Reduzierung der Fadengeschwindigkeit möglich ist, wenn die Geschwindigkeitsreduzierung in einem Wirbelrohr stattfindet. Das verstreckte und mit hoher Geschwindigkeit anfallende Fadenbündel wird dabei annähernd tangential an die Innenwand eines offenen Rohres geblasen, wobei die Richtung des ankommenden Fadenbündels zur Richtung der Rohrachse so gewählt wird, daß die Fäden an der Innenwand des Rohres eine Schraubenlinie beschreiben. Das sich bildende Kabel wird an der selben Seite, an der das Fadenbündel in das offene Rohr eintritt,aus diesem abgezogen und infolge der axialen Komponente der Luftströmung im Wirbelrohr

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annähernd parallel zu dessen Achse ausgerichtet. Die tangentiale Komponente der Luftströmung bewirkt eine Rotation des freien Kabelendes im Rohr, wobei das Kabelende mit der doppelten Frequenz seiner Rotation - den Weg des ankommenden Fadenbündels kreuzt. Hierbei werden - auf dem rotierenden Kabelende aufgehängt - Schlaufen gebildet, deren freie Enden durchsSBciale Komponente der Luftströmung parallel zur Rohrachse ausgerichtet werden, während ihre auf dem Kabel aufliegenden Enden mit dem Kabel abgezogen werden. Durch diesen Vorgang bildet sich das Kabel mit der gleichen Geschwindigkeit, mit der es abgezogen wird, laufend neu. Die Länge der im Wirbelrohr gebildeten Schlaufen beeinflußt die Längenverteilung der daraus herstellbaren Stapelfasern nach dem Schneiden. Kürzere Schlaufen führen zu Stapellängenverteilungen wie man sie z.B. von Reißkonvertern her kennt. Längere Schlaufen ergeben Stapellängenverteilungen, die sich denen von konventionellen Schnittfasern annähern.

Durch geeignete Wahl der Abmessung/ des Wirbelrohres und seiner Ausrichtung zum ankommenden Fadenbündel läßt sich die Schlaufenlänge der erzeugten Lunte und damit die erzielbare Stapellängenverteilung nach Passieren einer bekannten Schneidmaschine in weiten Grenzen variieren: Aus einer modellmäßigen Betrachtung des Schlaufenbildungsprozesses, die .eine gute Übereinstimmung mit der Praxis zeigt,ist ersichtlich, daß die Länge der sich bildenden Schlaufen proportional zur Geschwindigkeit des ankommenden Fadenbündels und umgekehrt proportional zur Rotationsfrequenz des freien Kabelendes im Wirbelrohr ist. Die Rotationsfrequenz des freien Kabelendes ist dabei proportional zur Geschwindigkeit der das Fadenbündel transportierenden Luft und umgekehrt proportional zum Durchmesser des Wirbelrohres. Neben den Verhältnissen der Geschwindigkeiten von Fadenbündel und der sie umgebenden Transportluft ist also der Durchmesser, des Wirbelrohres eine Größe, die direkt proportional

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zur Länge der sich bildenden Schlaufen ist» Sie stellt damit eine Größe dar, die zur Beeinflußung der Stapellängenverteilung dienen kann. Die Länge des Wirbelrohres ist zweckmäßigerweise so zu wählen, daß die Kabelbildung ganz in dessen Inneren verläuft, d.h., die Länge des ¥irbelrohres sollte im allgemeinen größer als die Länge der Schlaufen sein.

Ein erfindungsgemäß hergestelltes Kabel weist nach Abzug aus dem ¥irbelrohr einen Drall auf, der bestimmt wird durch die Geometrie der Anordnung und die Geschwindigkeiten des Fadenbündels/ der Luf.t und des Abzugs des hergestellten Kabels.

¥ird für die Yeiterverarbeitung ein praktisch drallfreies Kabel gewünscht, so läßt sich die erfindungsgemäße Verfahrensweise mit einer geringen Modifizierung trotzdem anwenden. Die Modifizierung besteht in einer periodischen Änderung der Stelle, an der das Fadenbündel und mit ihm die transportierende Luft auf das ¥irbelrohr auftreffen. ¥ird diese Auftreffstelle des Fadenbündels in einem bestimmten Zeitintervall variiert, so ändert sich der Drehsinn der ¥irbe!strömung im Rohr und damit der Drall des im betreffenden Zeitintervall gebildeten Kabelelements in Abhängigkeit von der Richtung d.er Rohrkrümmung am Aufprallort.

Ein auf diese ¥eise hergestelltes Kabel besteht somit unmittelbar nach seiner Entstehung aus aufeinanderzufolgenden Abschnitten jeweils entgegengesetzten Dralls, deren Länge über die Eintrittsrichtung von Fadenbündel /"steuerbar ist. ¥enn bei dem erfindungsgemäßen Vorgehen dieser wechselnde Drall nicht fixiert wird, führt diese Verfahrensweise dazu, daß der auf dem Kabel verbleibende Drall gleich der Differenz des nacheinander aufgebrachten S-Dralls bzw. Z-Dralls wird.

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Die Herstellung eines vollständig drallfreien Kabels ist z. B. wünschenswert, um die Auflösbarkeit der Faserflocken nach dem Kräuseln und Schneiden zu erleichtern. Der geschilderte Kabelbildungsprozeß setzt voraus, daß die Geschwindigkeit des Gases bzw. der Luft, mit dem das Fadenbündel in das ¥irbelrohr eingeblasen wird, mindestens ebenso so groß ist wie die Geschwindigkeit des Fadenbündels. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungs gemäß en Verfahrens ist daher die Erzeugung von Stapelfasern, die mit Hilfe einer Injektordüse verstreckt wurden. Die Injektordüse bewirkt hier sowohl die Verstreckung als auch den Transport der Fäden und ihre Verwirbelung im Wirbelrohr. Daneben läßt sich die Erfindung gleichermaßen auf Fäden anwenden, die nach anderen Verfahren, wie beispielsweise dem Spinnstreckverfahren, gesponnen und verstreckt wurden· Geeignete Spinnstreckverfahren sind beispielsweise in der CH-PS 357 ihk und in der DT-OS 21 17 659 beschrieben. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat die Injektordüse nur die Aufgabe, den Faden in das Wirbelrohr einzublasen und zu einem Schlaufenkabel zu verwirbeln, die Injektordüsen können daher mit einer geringeren Gasmenge betrieben werden.

Neben der Verwendung von Luft als Medium zum Transport der Fäden und zu ihrer Verwirbelung im Wirbelrohr gestattet die Erfindung auch die Verwendung anderer gasförmiger Medien. Die Verwendung anderer Gase ist z.B. wünschenswert ,wenn das gewählte gasförmige Medium neben den genannten Aufgaben noch weitere Zwecke erfüllen soll. Bei der Verwendung von Dampfoder Heißluft kann beispielsweise gleichzeitig ein Auslösen von Schrumpfprozessen oder von latent in den Faden vorhandenen Kräuselungen bewirkt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet auf einfache Weise, Mischfasern herzustellen. Die Mischung kann entweder dadurch erfolgen, daß unterschiedliche Fadenbündel bereits in der Injektordüse zusammengefaßt werden,oder dadurch,daß mehrere Injektordüsen mit unterschiedlichen Fadenbündeln beschickt werden und auf ein gemeinsames Wirbelrohr gerichtet sind.

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Das Arbeiten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hat den Vorteil, daß weder das Fadenbündel noch das daraus gebildete Kabel während der Kabelbildung mit bewegten Teilen in Berührung kommt, wodurch die Störanfälligkeit des Verfahrens erheblich verringert wird. Darüberhinaus weist das Kabel die für eine störungsfreie ¥eiterverarbeitung zu Stapelfasern notwendige Gleichmäßigkeit und Zugfestigkeit auf.

Für die Herstellung von Stapelfasern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich alle thermoplastischen Massen, die zu Fäden versponnen werden können. Bevorzugt ist das Verfahren einsetzbar bei dem Verspinnen von linearen, schmelzspinnbaren HochpQlymeren. Die Eigenschaften der Fasern lassen sich über die Materialauswahl, den Spinn- und Streckprozeß der Fäden, sowie über die oben geschilderte Beeinflußbarkeit der Stapellängenverteilung in weiten Grenzen variieren.

Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung ist in der Figur wiedergegeben. Die Schmelze eines thermoplastischen Materials wird aus der Spinndüse 1 ausgepreßt, die austretenden Fäden F von einer mit Luft betriebenen Injektordüse 2· angesogen und im Fallrohr 3 verstreckt. Die gesponnenen Fäden F verlassen das Fallrohr 3 mit Geschwindigkeiten von z.B. 3 000 bis 6 000 m/min, und werden anschließend durch den oszilierenden Fadenführer h (im einfachsten Fall eine changierende Prallplatte) geringfügig aus ihrer senkrechten Bahn abgelenkt und treffen auf das Wirbelrohr 5j das schräg zur Fadeneinlauf sr ich tung im Räume montiert ist. Die Innenflachendes Wirbelrohrs 5 ^muß glatt oder poliert sein, um Verhakungen von Einzelkapillaren zu vermeiden. Das Wirbelrohr 5 ist an beiden Enden offen. Sofern nicht mit Luft von Raumtemperatur gearbeitet wird, ist in der Nähe der beiden Öffnungen des Wirbelrohres 5 für eine geeignete Ableitung der eingesetzten Transportgase bzw. Dämpfe zu sorgen.

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Das sich im ¥irbelrohr 5 bildende Schlaufenkabel K wird durch bekannte Abzugsvorrichtungen abgezogen, zweckmäßigerweise nach Durdiaufen einer bekannten Präpariereinrichtung (z.B. einer Präparationswalze 6) einer Kräuselkammer 7 zugeführt. In der Figur ist die Kräuselkammer 7 nur schematisch dargestellt, sie kann beispielsweise aus einer Stauchkräuselkammer mit geeigneten Einzugswalzen bestehen. In diesem Fall übernehmen die Einzugswalzen der Kräuselkammer 7 den Abzug des gebildeten Schlaufenkabels K aus dem Virbelrohr 5. Sofern eine andere bekannte Kräuselvorrichtung eingesetzt werden soll, die keine definierte Einzugsgeschwindigkeit gewährleisten kann, oder falls auf eine Kräuselung des erhaltenen Garns verzichtet werden . soll, ist an geeigneter Stelle nach dem Wirbelrohr 5 ein Abzugswerk für das erzeugte Schlaufenkabel K vorzusehen. Im Anschluß an die Kräuselkammer 7 bzw. ein geeignetes Abzugsorgan, läuft das Kabel K einer bekannten Schneidmaschine 8 zu und wird dort zu Stapelfasern zerschnitten.

Bei Einsatz des erfindungsgemäßen WirbeIröhres ist es möglich, ein mit hoher Geschwindigkeit anfallendes Spinnkabel in ein Kabel umzuformen, das mit einer um den Faktor 10 bis 500 geringeren Geschwindigkeit aus dem Wirbelrohr 5 abgezogen werden kann. Aufgrund dieser starken Geschwindigkeitsreduzierung ist die Verwendung praktisch aller bereits bekannter Vorrichtungen zur Kräuselung von Kabelbändern und zum Zerschneiden in Stapelfasern möglich..Neben dem Zerschneiden der Kabel in geeigneten Schneidmaschinen (z.B. vom Typ Gru-Gru, bei denen das Kabel zwischen zwei rotierenden Schlitzscheiben festgehalten wird und von senkrecht zu rotierenden Messern zerschnitten wird) kann das erzeugte Kabel auch direkt einem Konverter zugeführt werden.

Die erforderliche Geschwindigkeitsreduzierung erfolgt mit Hilfe eines Wirbelrohres, das keine Bewegungen auszuführen hat und gegebenenfalls zusätzlich mit Hilfe eines oszillierenden Fadenführers k. Die Vorrichtung enthält keinerlei mechanisch

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stark beanspruchte Teile und ist demzufolge sehr wenig störungsanfällig. Aufgrund der benötigten einfachen Bauteile zur Geschwindigkeitsreduzierung ist* bei einem nach längerer Arbeitszeit gegebenenfalls auftretenden Abrieb am Fadenführer h bzw. Wirbelrohr 5.bedingt durch die Reibung zwischen dem Fadenmaterial und der Wandung, ein Austausch der durch Abrieb beschädigten Teile leicht und mit geringen Kosten möglich.

Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung sollen die folgenden Beispiele dienen.

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Beispiele

. Polyäthylenterephthalat mit einer relativen Viskosität von 1,85 (gemessen als 1 %±ge Lösung in . Phenol-Tetrachloräthan (Mischungsverhältnis 2:3) bei 25 C) vurde aus einer 10-Loch-Düse mit einer Förderung von 60 g/min gesponnen und mit Hilfe einer Injektordüse abgezogen und verstreckt. Die Injektordüse vurde mit Preßluft von h atü betrieben, die Länge des Fallrohres' betrug 25O cm. Die Austrittsgeschwindigkeit der verstreckten Fäden aus der unteren Öffnung des Fallrohres konnte aus der Fördermenge und dem erzeugten Fadentiter auf 6 000 m/min errechnet werden. Die anfallenden Fäden wurden auf ein Yirbelrohr geleitet, daß sich unter der unteren Öffnung des Fallrohres befand. Das Wirbelrohr hatte eine Länge von 50 cm bei 10 cm Durchmesser und wies eine glatte Oberfläche auf. Das erzeugte Schlaufenkabel wurde mit Hilfe der Einzugswalzen einer Staüchkammerkräuselvorrichtung abgezogen, die Abzugsgeschwindigkeit betrug 30 m/min. Das Kabel wurde zwischen Virbelrohr und den Einzugswalzen der Stauchkammer noch über eine Walze gezogen, die dem Auftragen von Präparation auf das Kabel diente. Das erzeugte Schlaufenkabel wies einen merklichen Drall auf, der für einen besonders guten Zusammenhalt der Schlaufen sorgte. Das erhaltene Kabel wurde anschließend einer Schneidmaschine (System Gru-Gru) zugeführt und zu Fasern einer mittleren Stapellänge von 80 mm geschnitten. Die Fasern wiesen folgende Werte auf: Titer 9,5 dtex, Reißfestigkeit 2,6 p/dtex Reißdehnung 40 $.

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2. Es wurden Polyath.ylentereph.th.alatfa.den mit der in Beispiel 1 wiedergegebenen Anordnung erzeugt, die ebenfalls das Fallrohr mit 6 000 m/min verließen. Nach dem Austritt aus dem Auslaufrohr traf das Fadenbündel streifend auf einen sogenannten Prallspiegel, dessen Neigung mit einer Frequenz von etwa 1 Hertz verändert wurde. Das vom Prallspiegel kommende Fadenbündel wurde so in seiner Richtung verändert, daß es im Wirbelrohr stets an einer anderen Stelle aufprallte. Die Anordnung von Injektordüse, Prallspiegel und ¥irbelrohr wurde so gewählt, daß das aus dem Wirbelrohr abgezogene Kabel im Mittel drallfrei war. Das anschließende Präparieren, Kräuseln und Schneiden erfolgte entsprechend Beispiel 1, die ermittelten Faserdaten betrugen: Titer 9,5 dtex, Reißfestigkeit: 2,9 P/dtex, Reißdehnung 45 $.

3. Aus den nach Beispiel 2 erhaltenen Stapelfasern wurde nach bekannten Verfahren ein Halbkammgarn erzeugt, das sich, durch gute Festigkeit und gute Dehnungswerte auszeichnete. Die erzielten Garnwerte waren: Titer 9^9 dtex, Garnfestigkeit 16,9 ρ/dtex , Dehnung 14,9 #, Drehung Touren/m. Das erhaltene Garn zeichnete" sich durch eine gute Gleichmäßigkeit aus und war beispielsweise zur Herstellung von Teppichen oder Dekostoffen vorzüglich geeignet.

Die erzeugten Garne zeichnen sich durch eine tiefe Anfärbbarkeit mit Dispersionsfarbstoffen aus.Beispielsweise konnten bei Färbe temperatur en von 100 C und Abwesenheit von Carriern tiefere Farbtöne erzielt werden, als sie mit den gleichen Farbstoffen unter HT-Färbebedingungen bei normal hergestellten Polyathylenterephthalat-Stapelfasergarnen beobachtet werden können.

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Claims (7)

1. HOE 73/F 379 u. H

   Patentansprüche

   (TY) Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Stapelfasern aus thermoplastischen Materialien durch Schmelzspinnen, Verstrecken und Schneiden in einem Arbeitsgang, dadurch gekennzeichnet, daß die schmelzgesponnenen Fäden, die bereits die für die Praxis notwendigen textiltechnologischen Eigenschaften aufweisen, mit Geschwindigkeiten über 3 000 m/min mit Hilfe eines Gasstromes kontinuierlich auf die Innenwand eines offenen, geneigt angeordneten ¥irbelrohres geblasen werden, wobei die Neigung des Rohres zur Richtung der zugelieferten Fäden so gewählt wird, daß diese Fäden sich auf einer schraubenförmigen Bahn auf der Innenwand des Rohres bewegen, wobei sich ein Schlaufenkabel bildet, das mit einer um den Faktor 10 bis 500 geringeren Geschwindigkeit abgezogen und nach bekannten Verfahren zur Präparierung und Kräuselung in Stapelfasern überführt wird.
2. 2) Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Spinnkabel periodisch an verschiedenen Stellen des Wirbelrohres auftrift.
3. 3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als thermoplastisches Material vollsynthetische, fadenbildende Hochpolymere eingesetzt werden.
4. h) Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß als thermoplastisches Material Polyäthylenterephthalat eingesetzt wird.
5. 5) Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Fördermedium Druckluft oder Wasserdampf eingesetzt werden.

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   HOE 73/F 379 u. H
6. 6) Vorrichtung zur Anpassung hoher Fadenliefergeschwindigkeiten an langsam laufende Kabelbearbeitungsvorrichtungen durch Bildung von Schlaufenkabeln, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnden Fäden von einer Injektordüse angesaugt werden, die die Fäden zusammen mit dem Transportgas in Richtung auf die Innenfläche eines geneigt angeordneten, offenen ¥irbelrohres transportiert, die Neigung des Wirbelrohres zur Arbeitsrichtung der Düse so gewählt wird, daß die Fäden sich auf einer schraubenförmigen Bahn auf der Innenfläche des Rohres bewegen und daß das so'erzeugte Schlaufenkabel .mit einer um den Faktor 10 bis. 300 verringerten Geschwindigkeit aus dem Wirbelrohr abgezogen und den langsam arbeitenden Kabelbearbeitungsmaschinen zugeführt wird.
7. 7) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Injektordüse und ¥irbelrohr eine oszillierende Ablenkvorrichtung für Fäden und Treibgas befindet.

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