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Verbesserungen an polymeren Fäden Die Erfindung betrifft das Kräuseln
von schmelzversponnenen Fäden aus Polyolefinen, insbesondere Polypropylen, mit anderen
Stoffen. Obgleich solche Fäden leicht nach wohlbekannten mechanischen Methoden gekräuselt
werden können, ist es auch möglich, gekräuselte Fäden lediglich durch eine Reckstufe,
genauer gesagt ?Verstrecken1? im Anschluß an das Schmelzspinnverfahren herzustellen.
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Verstrecken ist das nicht rückgängigzumachende Recken, welches an
dem festen Polymer, d.h. unter dem Schmelzpunkt, ausgeführt wird und ist gewöhnlich
von der Bildung einer abrupten oder lokalisierten Verminderung in der Querschnittsfläche
der Fäden begleitet. Es führt zu einer irreversiblen Molekularverschiebung und folglich
einer Längsorientierung der Moleküle und wird ausgeführt, um die hohe Festigkeit
der Fasern zu steigern. Da es von Einschnürungsbildung begleitet ist, ist für jede
gegebene Temperatur ein Minimalwert an Spannung erforderlich, unterhalb dessen kein
Verstrecken hervorgerufen wird. Spannung unterhalb dieses Minimalwertes fuhrt zu
elastischer Dehnung der Fäden und diese kann weitgehend rückgängig gemacht werden.
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Es kann während des Verstreckungsprozesses Wärme angewandt werden
und in manchen Fällen werden bessere Ergebnisse erhalten, wenn man vor dem Verstrecken
eine Wärmebehandlungsstufe einfügt.
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Mit anderen Worten wird erst Wärme angewandt ohne Verstrecken und
anschließend erfolgt Verstrecken mit oder ohne Anwendung weiterer Wärme. Diese Stufen
werden normalerweise auf eine Gruppe oder auf Gruppen von Fäden in der Form eines
Kabels, das aus einem oder mehreren Extruderköpfen gezogen wird, angewandt.
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Die erhaltenen Ergebnisse variieren entsprechend der Molekulargewichtsverteilung
des verwendeten Polymeren und die Verfahrensbedingungen müssen entsprechend gewählt
werden. Man hat geglaubt, daß eine hohe Spinngeschwindigkeit in der Größenordnung
von 500 bis 600 Metern pro Minute ein wichtiges Erfordernis für das Kräuseln von
schmelzversponnenen Fäden durch Verstrecken darstellt.
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Es wurde nun gefunden, daß man mit Hilfe eines Verfahrens nach der
Erfindung unabhängig von Spinngeschwindigkeiten gute Resultate erzielen kann, indem
wenigstens ein Teil der Fäden schnell und asymmetrisch aus der Schmelze.gekühlt,
in ein Kabel oder in Kabel geformt und einer Wärmebehandlung von mindestens 1000C
unterworfen und dann verstreckt wird. Wenn die Fäden dann entspannt sind und vorausgesetzt,
daß die Wärmebehandlung angemessen war, stellt man fest, daß sich Kräuseln entwickelt.
Das Ausmaß der erforderlichen Wärmebehandlung kann im allgemeinen nicht genau angegeben
werden, da es von mehreren Faktoren abhängt, d.h. von der Natur des Polymeren, der
Art und Wirksamkeit des Erhitzens, dem Durchmesser der Fäden und der Dicke des Kabels
oder der Kabel. Es kann sogar für ein geringeres Maß an Wärmebehandlung;ein untergeordneter
Kräuselungsgrad festgestellt werden, aber für praktische Zwecke kann man als brauchbare
Minimalkräuselung zwei Kräusel pro Zentimeter ansehen und angemessene Wärmebehandlung
kann daher als diejenige definiert werden, welche zur Erzeugung mindestens dieses
i.räuselungsgrades notwendig ist.
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Die Kräuselung kann sich entweder von selbst (ohne irgendeine weitere
Behandlungsstufe) oder nach einer weiteren Wärmebehandlungsstufe entwickeln. Durch
geeignete Wahl der Verfahrensbedingungen ist es möglich, daß einige der Kräuseln
von selbst
erscheinen und der Rest lediglich nach der anschließenden
Wärmebehandlung.
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Obgleich derartige Resultate völlig unabhängig von der Spinngeschwindigkeit
erhalten werden können, ergeben sich die wichtigsten Vorteile aus der Anwendung
einer Spinn-Verstreck-Geschwindigkeit (spin-draw speed) von 100 Metern pro Minute
oder darunter. Solche niedrigen Spinn-Verstreckgeschwindigkeiten vereinfachen das
Gesamtverfahren sehr und erleichtern das wichtige.Erfordernis schnellen asymmetrischen
Kühlens. Spinnen mit geringer Geschwindigkeit kann auch zu vielerlei Vorteilen führen,
von denen die Möglichkeit, Gruppen von Fäden direkt nach einem Zwirnkopf zu führen,
so daß sie in Form von Garn mit derselben Geschwindigkeit, mit welcher sie hergestellt
werden, auf einen Garnkörper gewickelt werden können, indem so texturiertes Garn
direkt von dem Grundpolymer in einer einzigen Produktionsreihe erzeugt wird, nicht
die geringste darstellt.
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Neben der bereits besprochenen Wärmebehandlung ist die entscheidendste
der anderen Stufen das anfängliche Kühlen, welches, wie bereits dargelegt, schnell
und asymmetrisch erfolgen muß. Für den Zweck der vorliegenden Erfindung kann das
Kühlen als schnell angesehen werden, wenn die Länge des Einschnürungsteils zwischen
dem vollen Durchmesser jedes Fadens und dem reduzierten Durchmesser, welcher von
dem Spinnverstrecken resultiert, kleiner ist als das 50-fache des vollen Durchmessers
der Fäden beträgt.
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Je schneller das Kühlen desto geringer die Länge dieses Einschnürungsteils
und eine Einschnürungslänge von weniger als dem 25-fachen, beispielsweise des 5-fachen,
des vollen Durchmessers, gibt sehr gute Resultate. Das Kühlen muß auch asymmetrisch
erfolgen, d.h. intensiver an der einen Seite des Fadens als an der anderen. Beachtung
dieser beiden Erfordernisse führt zu unterschiedlichen Charakteristiken zwischen
einer Seite jedes Fadens und der anderen und diese unterschiedlichen Charakteristiken
sind grundlegend verantwortlich für die endgültige Erzeugung von Kräuselung.
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Das schnelle asymmetrische Kühlen wird vorzugsweise sofort angewandt
wenn die Fäden die Spinndüsenplatte verlassen, in welchem Fall es höchst bequem
erreicht wird, indem man Luft auf die Fäden richtet, wenn sie die Spinndüsenpalle
verlassen. Diese Kühlluft, welche vorzugsweise Umgebungstemperatur oder niedrigere
hat, kann flach auf die Spinndüsenplatte auftreffen, so daß die Fäden sofort gekühlt
werden, wenn sie aus den Bohrungen austreten. Je kälter die Luft ist um so geringer
ist die für dasselbe Kühlungsmaß erforderliche Geschwindigkeit.
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In einem besonders vorteilhaften Prozeß wird der Einschnürungspunkt
der Fäden innerhalb 0,5 cm von der Spinndüsenplatte gehalten und die Kristallisationslinie,
d.h. das Niveau, bei welchem die Verfestigung der Fäden vollendet ist, liegt annähernd
1,5 cm entfernt.
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Es ist nicht wesentlich, daß das Kühlen unmittelbar, wenn die Fäden
die Spinndüsenplatte verlassen, erfolgen sollte, und wenn es nach einem kurzen Intervall
erfolgt, sind andere Kühlmethoden als Luftkühlung möglich. Beispielsweise können
die Fäden über die Oberfläche einer Walze geführt werden, welche entweder von innen
gekühlt wird oder indem man einen Film kalter Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser,
über die Oberfläche in Kontakt mit den Fäden fließen läßt. Die an der Walze anliegenden
Seiten der Fäden werden schneller gekühlt als die gegenuberliegenden Seiten, was
zu den unterschiedlichen, bereits beschriebenen Effekten führt.
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Die Bohrungen der Spinndüsenplatte können in der Form eines Schemas
vorliegen, welches ein Verhältnis von Länge zu Breite von mindestens 3:1, vorzugsweise
mindestens 9:1 aufweiset, wobei die Kühlluft von der längeren Seite des Schemas
auf die Fäden gerichtet wird. Normalerweise sind zwei Spinndüsenplatten und daher
zwei mit Abstand angeordnete Schemen für jeden Extruderkopf vorhanden. Es sind Luftkanäle
an der längeren äußeren Seite jedes Schemas vorgesehen, um Kühlluft auf die Fäden
zu richten. Mit einer solchen Art des Kühlens werden die meisten der
einzelnen
Fäden an einer Seite mehr gekühlt als an der anderen, um die erforderliche asymmetrische
Wirkung zu ergeben.
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Die Wirkungen der asymmetrischen Kühlung sind am ausgeprägtesten an
den Fäden, welche dem Luft stoß am nächsten sind und wenn Luft von beiden äußeren
Seiten der Schemen gerichtet wird, erfahren die Fäden an jeder der äußeren Kanten
des Schemas den größten Differenzeffekt, während jene an der Innenkante des Schemas
nur einen geringen unterschiedlichen Effekt erfahren und können in manchen Fällen
an beiden Seiten gleich gekühlt werden und können daher anschließend keine Kräuselung
entwickeln. Der Anteil der ungekräuselten Fäden, welcher unter irgendwelchen besonderen
Umständen annehmbar ist, hängt von den in dem Endprodukt geforderten Charakteristiken
ab. In manchen Fällen ist ein sehr kleiner Prozentwert gekräuselter Fäden ausreichend,
während in anderen ein sehr hoher Gehalt wiinschenswert ist.
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jenen nur ein geringer Gehalt an ungekräuselten Fäden erforderlich
ist, kann man diesen durch Vermischen von Fäden, welche gemäß der Erfindung gekräuselt
sind, mit ungekräuselten Fäden erhalten. Es ist auch möglich, das Verfahren der
Erfindung so durchzuführen, daß einige der Fäden geringe oder keine signifikante
Kräuselung entwickeln. Wenn der Gehalt gekräuselter Fäden ziemlich hoch ist, tritt
ein sekundärer Effekt ein, da alle Fäden anschließend zusammen vermischt werden
und wenn die Kräuselung endgültig erscheint, können solche Fäden, welche nicht unterschiedlich
gekühlt worden sind, durch die Schrumpfung der unterschiedlich gekühlten Fäden neben
ihnen in eine gekräuselte Konfiguration gezwungen werden.
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hls ein Ergebnis des asymmetrischen Kühlens sind die unterscheidenden
Charakteristiken bereits wirksam in die Fäden eingeschlossen, welche sich unterdessen
verfestigt haben, und die Hauptwirkung der Närmebehandlung besteht darin; diese
Unterscheidung hervorzuheben. Die Temperatur dieser Wärmebehandlung muß mindestens
10000 betragen, aber der Betrag, um den sie über 1000C liegen muß, und ebenfalls
das Ausmaß der Behandlung sind von
den oben besprochenen Faktoren
abhängig und auch von dem erforderlichen Kräuselungsgrad. Um ein genaues Maß der
Kräuselung, die man für jede besonderen Verfahrensbedingungen erhält, zu schaffen,
wird ein kurzes Faserstück (z.B. 15 cm) von dem gekräuselten Kabel abgeschnitten
und ohne Behinderung auf einen Glassehieber gelegt und man läßt es seine natürliche
Konfiguration - die einer Schneckenfeder - annehmen. Die Anzahl vollständiger Windungen
pro "cm Federt wird gezählt. Der Test wird 100 mal an verschiedenen Fäden, die an
verschiedenen Stellen des Kabels entnommen sind, wiederholt und der Durchschnittswert
berechnet.
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Obgleich die untere Grenze für das Ausmaß des Erhitzens wichtig ist,
wie bereits besprochen, ist die obere Grenz nur wichtig vom Standpunkt der Zeit-
und Platzersparnis in dem Gesamtverfahren.
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Es ist ratsam, über dem Minimalwert und oberhalb desselben einen vernünftigen
Spielraum zuzulassen und wenn beispielsweise ein Luftofen verwendet wird, hat sich
eine Verweilzeit von einer Minute für die meisten Verfahrensbedingungen als geeignet
erwiesen.
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In Praxis kann das Ausmaß der ärmebehandlung sehr leicht festgesetzt
werden, indem man ein kleines Stück aus dem Kabel unmittelbar nach Austritt aus
der Wärmebehandlungszone entfernt. Dieses Stück wird dann von Hand in der Kälte,
d.h. bei Umgebung temperatur, verstreckt. enn die Wärmebehandlung ausreichend gewesen
ist, entwickelt sich von selbst Kräuselung und diese kann leicht gemessen werden.
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Senn man geneuere Kenntnis der Höhe der benötigten Wärmebehandlung
w nscht, kann die Veränderung in der Faser leicht überwacht werden, beispielsweise
durch Beobachten der Veränderung in dem Orientierungswinkel der Fäden. Die Wärmebehandlungsstufe
ist in einem Verfahren der Erfindung im Effekt eine Temper- einer Hitzehärtungsstufe
und verursacht, wie alle solche Stufen, Kristallitumlagerungen: Der Orientierungswinkel
ist ein Maß für die Ausrichtung von Kristalliten in Bezug auf die Faserachse. Der
Orientierungswinkel
ist ein bequemes Mittel diese zu messen.
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Ihre Messung ist von Ingersol, Journal of Applied Physics 17, 924
(1946) beschrieben worden. Die Wärmebehandlung erzeugt eine Veränderung in diesem
gemessenen Winkel und ist vollständig, wenn weiteres Erhitzen der Probe keine weitere
Veränderung in dem Orientierungswinkel bewirkt. Jedoch ist der oben beschriebene
einfache Handtest für praktische Zwecke völlig ausreichend.
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Allgemein gesprochen ist die Verwendung eines Luftofens für die Wärmebehandlung,
wie gerade erwähnt, am bequemsten und für Maximalkräuselung wird keine nennenswerte
Spannung angewandt. Die Anwendung von Spannung bei dieser Stufe ist bestrebt, die
Gesamtkräuselung zu reduzieren (in welcher Stufe sie auch auftreten mag) und kann
erforderlichenfalls als Kontrollfaktor verwendet werden. Wenn die Spannung, die
für das Verstrecken notwendige erreicht, kann die Entwicklung'von Kräuselung scheinbar
völlig unterdrückt werden, womit so die Bedeutung der Kontrolle der Höhe des Spannungsrücklaufs,
welcher sich aus dem Verstreckungsvorgang ergibt, in die Heizzone hervorgehoben
wird.
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Als eine Alternative zu der Verwendung eines Luftofens für die Wärmebehandlung
können die Fäden in dem erforderlichen Maße in einem Strahlungsofen erhitzt werden.
Noch eine weitere Alternative ist das Erhitzen der Fäden durch Oberflächenkontakt
mit einer beheizten Fläche oder mit beheizten Flächen. Beispielsweise können die
Fäden in direktem Kontakt mit einer beheizten Walze oder Walzen geführt werden.
Um welche Art des Erhitzens es sich auch handeln mag, ist im allgemeinen irgendeine
Art von Bremseinrichtung (snubbing means) zur Kontrolle der Höhe der Spannung, die
von der Verstreckzone nach der Heizzone zurückläuft, erforderlich. Wenn ein Heizofen
verwendet wird, wird die Bremseinrichtung vorzugsweise auf den Ofen folgend und
vor den Verstreckwalzen angeordnet.
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Die Bremseinrichtung kann die Form einer Druckwalze haben, welche
mit einer zweiten Walze oder alternativ mit mehreren Walzen
oder
Stangen, beispielsweise drei Walzen oder Stangen, welche in den Ecken eines Dreiecks
angeordnet sind, zusammenarbeitet.
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Wenn eine beheizte Walze oder Walzen für die Wärmebehandlung verwendet
werden, wird die Bremseinrichtung zur Kontrolle des Wpannungsrücklaufs von der Verstreckungszone
nach der Heizzone angeordnet. Noch eine weitere Alternative für die Bremseinrichtung
ist die Einschaltung einer beheizten Walze in die Heizzone bei einer tieferen Temperatur
als die ihr vorausgehende Walze oder walzen.
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Nach der Närmebehandlung passieren die Fäden die Verstreckungsstufe,
welche zweckmäßigerweise in einem Wasserbad oder unmittelbar folgend ausgeführt
wird. Die Beziehung der Temperatur während des Verstreckens zu der während der Wärmebehandlung
ist ein weiteres wichtiges Merkmal des Gesamtverfalrens und die Verstreckungstemperatur
ist vorzugsweise nicht größer als 1500 höher als die Maximaltemperatur während der
Wärmebehandlung. Im allgemeinen braucht die Verstreckungstemperatur nicht höher
zu sein als die Maximaltemperatur während der ärmebehandlung und sollte vorzugsweise
etwas geringer sein, beispielsweise 1000 tiefer liegen. Das Ausmaß, um welches die
Verstreckungstemperatur die Maximaltemperatur der Wärmebehandlung unterschreitet,
bestimmt, ob die Kräuselung weitgehend von selbst erfolgt oder nicht, d.h. sobald
die Spannung nachläßt oder weitgehend latent ist, d.h. nur nach anschließender Wärmebehandlung
auftritt. Die niedrigeren Temperaturen erzeugen stärkere freiwillige Kräuselung
und insbesondere verursacht Ealtverstrecken bei Umgebungstemperatur, daß die räuselung
von selbst erscheint.
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Als eine Alternative zu einem Wasserbad kann eine beheizte Fläche,
welche eine feststehende Platte sein kann, zum Erhitzen der Fäden für den Verstreckungsprozess
verwendet werden. In einer besonderen Kombination können beheizte Valzen für die
Wärmebehandlungsstufe und eine beheizte Platte für die Verstreckungsstufe verwendet
werden.
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Die so weit beschriebenen Stufen, d.h. das schnelle und asymmetrische
Kühlen, die Wärmebehandlung und die Reckorientierung können bequem in kontinuierlicher
Folge in derselben Produktionsreihe ausgeführt werden, indem die Fäden direkt von
einer Stufe zur nächsten laufen. Nach dieser Stufenfolge können die Fäden entweder
direkt nach einer weiteren Verarbeitungsstufe geführt werden, wie oben erwähnt,
oder sie können in Garnkörper gewickelt werden, bereit zur weiteren Verarbeitung
in einem späteren Zeitpunkt. Wenn die Verfahrensbedingungen derart sind, daß etwas
oder die gesamte Kräuselung von selbst erscheinen kann sobald die Fäden entspannt
sind, können die Rollen entweder mit den Fäden in ihrem entspannten und gekräuselten
Zustand gewickelt werden oder wahlweise kann die Spannung in den Fäden ohne Entspannung
zwischen der Verarbeitungsstufe und dem Wikkeln der Rollen beibehalten werden, so
daß die Kräuselbildung unterdrückt wird und nur erscheint, wenn die Fäden anschließend
nach +abwickeln von den Rollen entspannt werden. Bei zu langer iLufbewahrung kann
etwas der Kräuselung latent werden. Es kann die' Anwendung von Hitze notwendig sein,
um die Bildung der Kräuselung zu erregen.
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Es ist auch möglich, die Stufenfolge zwischen Wärmebehandlung und
Verstrecken durch Aufwickeln der Fäden auf Rollen nach der Wärmebehandlung zu unterbrechen.
Auf diese Weise werden jegliche Schwierigkeiten, welche durch Rücklauf von Spannung
nach der ,Srärmebehandlungszone verursacht werden, vermieden.
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Es ist schon auf die Möglichkeit hingewiesen worden, die hrbeitsbedingungen
so einzustellen, daß wenig oder keine Kräuselung von selbst erscheint, wenn die
Fäden entspannt werden, sondern latent bleibt bis eine weitere Wärmebehandlung angewandt
wird. Die freiwillige Entwicklung von Kräuselung bei Entspannung nach Heckorientierung
ist nicht immer zweckmäßig, da ein Teil der Kräuselung unvermeidbar während einer
darauffolgenden Textilverarbeitungsstufe, beispielsweise während Spannens beim Vorbereiten
und Spinnen, verloren geht und ferner zum Rauhen beim Elrdieren und Vorbereiten
führen kann. Andererseits ergibt
sich verbesserter Bausch, wenn
Kräuselbildung bis nach der (den) Textilverarbeitungsstufe(n) unterdrückt wird,
teils weil keine LLräuselung während der Verarbeitungsstufe verlorengeht und teils
weil während Kräuselung benachbarte Fasern sich gegenseitig beeinflussen, so daß,
selbst wenn nicht alle Fasern zusätzliche Kräuselung entwickeln, eine Gesamtverbsserung
im Umspinnen (cover) infolge ihrer Verschiebung durch die Fasern, welche räuselung
erleiden, resultiert. Es ist also insofern ein doppelter Vorteil vorhanden, daß
die ungekräuselten oder weitgehend ungekräuselten Fäden während der Verarbeitungsstufe
leichter zu handhaben sind und weniger Kräuselung während Verarbeitens verlorengeht.
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Die anwendung vergleichsweise niedriger Verstreckungstemperaturen,
beispielsweise zwischen Raumtemperatur und 70°C führt zu einem hohen Maß freiwilliger
Kräuselung, wie bereits vermerkt wurde. Für Reckorientierungstemperaturen, welche
höher als diese sind, beispielsweise im Bereich von 90 bis 1000, wird ein Anteil
der Kräuselung, welcher mit der Temperatur ansteigt, gezwungen, latent zu bleiben
und wird nur durch eine weitere Wärmebehandlung freigemacht, welche angewandt wird,
während die Fäden oder Textilprodukte aus diesen in einem spannungsfreien oder im
wesentlichen spannungsfreien Zustand sind. Während der Hauptteil der Kräuselung
in latenter Form vorliegt, kann man die Fäden durch anwendung mechanischer Kräuselung
leichter zu handhaben machen. Diese macht sie für nachfolgende Vorbereitungsgange,
wie kardieren, geeigneter. Zwecks maximaler Kräuselungsentwicklung ist die Temperatur
nachfolgender Wärmebehandlung vorzugsweise von derselben allgemeinen Größenordnung
wie die Temperatur der Wärmebehandlung vor Verstrecken. Diese zusätzliche Gärmebehandlung
erfolgt vorzugsweise trocken, aber gewünschtenfalls kann Naßbehandlung angewandt
werden und kann bei jeder nachfolgenden Stufe nach der Haupttextilverarbeitung zur
Anwendung kommen.
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Beispielsweise können die Fäden nach Stapeln sortiert und dann zu
Garn versponnen werden, wobei die Wärmebehandlung auf das
sich
ergebende Garn angewandt wird. Diese Behandlung unterstützt dann sog. "burst" in
dem Garn, d.h. relative Bewegung der Fasern, welche bestrebt ist, dem Garn mehr
Griff zu erteilen. Wenn daher das in Rede stehende Garn als das Florgarn eines Teppichs
verwendet wird, liegt die Wirkung der Behandlung darin, die Deckkraft des Garnes
zu erhöhen und dem Teppich selbst mehr Griff zu verleihen, indem so ein geringeres
spezifisches Gewicht des Garns zur Verwendung für dieselbe gleichwertige Decke erlaubt
wird, wodurch sich Einsparungen ergeben. Die für die Behandlung erforderliche wärme
kann beispielsweise beim Aufbringen einer Rückseite auf den Teppich oder während
des Ausrüstungsprozesses entnommen werden. Die Stapelfäden können entweder allein
oder mit anderen-Stoffen, z.B. 50% Viscose, vermischt verwendet werden.
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In Praxis kann der Berstgrad bei der Fadenerzeugungsstufe bestimmt
werden, indem man Kabelstückchen nach der Verstreckungsstufe entnimmt und sie lose
in einem Ofen während etwa einer halben Minute erhitzt. Die Temperatur des Ofens
sollte derjenigen der gerade beschriebenen Endwärmebehandlung entsprechen und liegt
im allgemeinen zwischen 1000C und 1300C. Die Längenänderung des erhitzten Kabels
gibt ein Maß für das Kräuselungspotential. Beispielsweise würde eine Längenverminderung
von 30 cm bis 10 cm (from 30 cm to 10 cm) ein gutes Bersten bedeuten.
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Die Erfindung wird jetzt mehr im einzelnen an Hand eines Beispiels
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieb jn .
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Es zeigen: Fig. 1 eine allgemeine hinsicht, welche den Aufriß einer
Produktionsreihe als Ganzes zeigt, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines einzelnen
Extrudierkopfes und einer Kühlanordnung, Fig. 3 eine Einzelheit eines kleinen Teiles
einer SpinndusenplEtte und liühlanordnung und Fig. 4, 5 und 6 graphische Darstellungen,
welche die
i'Jirkung verschiedener Faktoren auf das Verfahren als
Ganzes darstellen und entsprechend die silirkl1ng von Temperaturänderung während
der ersten Wärmebehandlung, die \(iirkung von Temperaturänderung während der Verstreckungsstufe
und die liirkung der Temperatur auf die Wärmebehandlung im Anschluß an Verstrecken
zeigen.
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In Fig. 1 sind drei Extruder 1 dargestellt, welche bei 2 Fäden nach
oben in Form eines Kabels ausgeben, welches um Führungsrollen 3 geleitet wird. Die
einzelnen Kabel werden zu einem einzigen kombinierten Kabel 4 vereinigt, an weichem
nachfolgende Verarbeitungsstufen ausgeführt werden. Polymergranulat wird dem einzelnen
Extruder 1 aus einem Fülltrichter 6 zugeführt, und der Betrieb der Produktionsreihe
wird von einem Bedienungspult 7 gesteuert.
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Das kombinierte Kabel 4 geht erst horizontal in einen Heißluftofen
10, wobei es durch Rollen 11 und 12 geführt ist, so daß drei Durchgänge durch den
Ofen gebildet werden. Es wird eine anfängliche Wärmebehandlung bei einer Temperatur
von wenigstens 1000C in diesem Ofen ausgeführt, worauf das Kabel 4 nach einer Verstreckungsstufe
geht. Zu diesem Zweck läuft es, nachdem es um Walzen 14 und 15 geführt ist, nach
unten in ein Wasserbad 18, welches eine Anordnung von drei Walzen 20 enthält. Es
läuft dann aus dem Wasserbad 18 nach oben um eine Walze 21, welche mit einer Walze
22 zusammenarbeitet, und dann nach einer Gruppe von Führungswalzen (Godet rollers),
welche allgemein mit 24 bezeichnet sind. Diese Walzen bringen die Verstreckspannung
auf und das Kabel wird in dem mit 25 bezeichneten Bereich zwischen den Walzen 20
und der Walze 21 verstreckt. Die Gruppe von Walzen 20 widersteht der durch die Walzen
21, 22 und 24 aufgebrachten Spannung, wobei so das Verstrecken des Kabels bewirkt
und zur gleichen Zeit die Spannung gedämpft und verhindert wird, daß die TWerstreckungsspannung
um die Walzen 14 und 15 nach dem ärmebehandlungsofen 10 zurückgeführt wird.
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Nach Verlassen der Führungswalzen 24 (Godet rollers) geht das
Kabel
4 nach einer Stopfkastenkräuselvorrichtung 28(stufferibox crimper) welche eine mechanische
Kräuselung aufbringt und das Kabel für nachfolgende Bearbeitung geeigneter macht.
Schließ--lich geht das Kabel nach dem Kopf 30 einer Drehtopfvorrichtung, welcher
es in aufeinanderfolgende Töpfe 31 führt. Jeder Topf 31 wird, so wie er mit Kabel
gefüllt ist, der folgenden Verarbeitungsstufen zugeführt, wie zuvor beschrieben
wurde.
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Die erste der in einem Verfahren gemäß der erfindung wesentlichen
stufen liegt in dem schnellen und asymmetrischen Kühlen der Fäden, welches durch
Fig. 2 und 3 veranschaulicht wird. Die einzelnen Fäden 35 sind dargestellt, wenn
sie aus der Spinndüsenplatte 36 austreten, und eine Luftdüse 38 leitet einen Strom
von Kühlluft schräg gegen die Spinndüsenplatte 36, so daß er auf die Düsenplatte
selbst annähernd an der Gruppe von Fäden fernen Seite auftrifft, wie durch die gestrichelte
Linie 39 dargestellt ist (Fig. 3). In einem besonderen Beispiel beträgt der Durchmesser
der einzelnen Fäden 1,0 mm, der mit A bezeichnete wibstand, welcher die vertikale
Höhe der Düse über der Düsenplatte darstellt, beträgt 12 mm und die Abmessung B,
welche den horizontalen Abstand der Düse von dem Rand der Gruppe von Fäden darstellt,
beträgt 25 mm. In diesem Beispiel wird Kühlluft bei Umgebungstemperatur gegen die
Fäden bei einer Geschwindigkeit von 40 m/sec. gerichtet, welche zu einer Einschnürung
(in gestrichelter Linie dargestellt) in den Fäden bei einer Durchschnittshöhe von
annähernd 2,5 mm oberhalb der Fläche der Spinndüsenplatte 36 und einer Kristallisationslinie
bei einem Durchschnitt von etwa 1,5 cm und durch die gestrichelte Linie D dargestellt
führt. An der Kristallisationslinie sind die Fäden völlig verfestigt und sind von
60 Denier.
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Beispiele für die Erzeugung von gekräuselten Fäden mittels der gerade
beschriebenen Vorrichtung werden jetzt mehr im einzelnen angegeben. Der in Beispielen
1, 2 und 3 verwendete Extruder war der im Handel als ein "MACKIE CX" Extruder bekannte,
welcher mit Büchsentemperaturen im Bereich von 260 0Q bis 280 0C betrieben wurde.
Jede Spinndüsenplatte hatte Abmessungen von 400x30 mm,
wurde b-ei
einer Temperatur von 2800C gehalten und enthielt 5880 Löcher von äe 1,0 mm Durchmesser.
Es wurde Polymer nach der Spinndüsenplatte bei einer Geschwindigkeit gepumpt, welche
eine Produktionsrate von 90 Kilogramm pro Stunde erlaubte. Die Kühleinrichtung wurde
schon mit Bezug auf Fig. 2 und 3 beschrieben, und die zum Kühlen verwendete Luft
hatte eine Temperatur von 0 Dle Luftgeschwindigkeit, messen am 17 0. Die gemessen
Ausgang von dem Schlitz der Düse, welcher eine Breite von 0,5 cm hatte, betrug 40
m pro Sekunde. Unter diesen Bedingungen von schnellem und asymmetrischem Kühlen
zeigten die extrudierten Fäden einen Einschnürungspunkt bei einem Durchschnitt von
etwa 2,5 mm von der Düsenplatte, variiffend von 5 mm am weitesten von der Kühldüse
bis 1mm am nächsten der Düse. Die Abziehgeschwindigkeit der Fäden betrug 9,0 m pro
Minute.
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Beispiel 1 Unter Verwendung der soeben beschriebenen Vorrichtung und
Betriebsbedingungen wurde pigmentiertes Polypropylen mit Schmelzflußindex 4,0 durch
drei Köpfe (2 Spinndüsenplatten pro Kopf) des extruders versponnen, wobei sich insgesamt
35 280 Fäden ergaben, welche in einem einzigen Kabel zusammengefaßt wurden.
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Dieses wurde durch den Luftofen 10 geführt, der bei einer Temperatur
von 120°C gehalten wurde, wobei die Geschwindigkeit des Kabels derart war, daß sich
eine Verweilzeit von 1 Minute ergab.
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Kaltverstrecken einer Kabelprobe beim Austritt aus dem Ofen zeigte
eine Entwicklung von 8 Kräuseln pro cm. Es wurde gefunden, daß der Orientierungswinkel
vor Wärmebehandlung 24° und nach Wärmebehandlung 36° betrug. Weiteres Erhitzen der
Probe ergab keinen Anstieg dieses Wertes von 360 Die Spannung in dem Kabel während
der Wärmebehandlung war gerade ausreichend, um Kontrolle des Kabels zu behalten,
wobei die Austrittsgeschwindigkeit aus dem Ofen 10 9,1 m pro Minute betrug, d.h.
eine Reckung von 0,1 m für je 9 m Kabel. Als nächstes wurde das Kabel nach dem Heißwasserbad
18 geführt, welches bei einer Temperatur von 980C gehalten wurde, darin auf ein
Verstreckungsverhältnis
von 2,75:1 gereckt, was zu einer Austrittsgeschwindigkeit von 25 m pro Minute fuhrte.
Die Kräuseln vorrichtung 28 war 15 cm breit, und das Kabel wurde dann in Töpfen
31 gesammelt. Das Kabel wurde anschließend auf Längen von 15 cm geschnitten mit
antistatischem Mittel appretiert und kardiert, vorbereitet und zu einem 4,25 Nm
Garn mit einer Zwirnung von 197 Drehungen pro Meter und 2-gefacht bei 118 Drehungen
pro Meter versponnen. Das Garn wurde gewickelt und in einem herkömmlichen Garntrockner
bei 1200C getrocknet bis sich aller Bausch entwickelt hatte. Das Kabel zeigte eine
Schrumpfung von 32. Das Garn wurde aufgewickelt und in einen Florteppich getufted,
welcher bessere Rückfederung als bisher mit tufted Garn aus Polypropylen erhalten
wurde zusammen mit überlegener Umspinn- und Tuftbegrenzung aufwies.
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Beispiel 2 Die Arbeitsweise von Beispiel 1 wurde bis zu der Stufe
des Verspinnens zu Garn befolgt. Anstatt das Garn in einem Garntrockner zu bauschen
wurde es direkt in einen Schlingenflorteppich getuftet. Der Teppich wurde dann mit
Latex unterlegt und in einer herkömmlichen Weise vulkanisiert, wobei der Durchgang
durch die Vulkanisieröfen bei 1300C dazu diente, den Garnbausch zu entwickeln und
so überlegene Bausch- und Rückfederungseigenschaften zu ergeben.
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Beispiel 3 Es wurden zwei Köpfe des Extruders unter denselben Arbeitsbedingungen
wie zuvor verwendet, welche insgesamt 23 520 Fäden ergaben, die in zwei getrennten
Kabeln zusammengefaßt wurden und zwar eines von jedem Kopf, Diese wurden zur Bildung
eines einzigen Kabels von 71 cm Breite nebeneinander gelegt. Das Kabel wurde mit
der Breite durch den Heißluftofen 10 mit einer Verweilzeit in der Größenordnung
von 1 Minute geleitet, wobei die Spannung während dieser ärmebehandlun gerade genügte,
Kontrolle des Kabels zu behalten. Als nächstes wurde das Kabel
durch
die Verstreckungseinheit geführt, aber ohne den Einschluß von heißem wasser in dem
Wasserbad 18, so daß Verstrecken bei Umgebungstemperatur bewirkt wurde. Das Verstreckungsverhältnis
betrug 2,75:1, worauf das Kabel bei voller Breite entspannt wurde, um die Entwicklung
der Kräuselung'zu erlauben. Das Kabel wurde dann einer Maschine zur Legung zugeführt
und auf eine Breite von 2,7 m quer gelegt. Die sich ergebende Lage wurde verdichtet,
um ein nichtgewebtes Produkt zu ergeben, wobei einige Teile der Probe durch herkömmliche
Mittel, z.B. mit Nadeln, durch Heften oder Klebeverbindung befestigt wurden.
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Beispiel 4 In diesem Beispiel wurde ein anderer Extruder verwendet
und zwar einer vom Einschneckentyp mit einem Zylinderdurchmesser von 6,35 cm. Extrudertemperaturen
reichten von 2400C an der Zuführungsschnecke bis 2800C an dem Spinndüsenkopf, welcher
12 00/ hustrittsöffnungen von 1,0 mm Durchmesser aufwies, welche in einem Rechteck
von 30,5 x 2,54 cm angeordnet waren. Kühlen erfolgte mittels einer ähnlichen Einrichtung
wie die in Fig. 2 dargestellte. Die Düse erstreckte sich längs der langen Seite
des Rechtecks und war so angeordnet, daß die Luft auf die Spinndüsenfläche unter
einem spitzen Winkel von annähernd 150 bei einer Geschwindigkeit von 14 m pro Sekunde
und einer Temperatur von 17° C auftraf. Die Abziehgeschwindigkeit der Fäden betrug
30 m pro Minute und das Kühlen erfolgte schnell genug, damit der Einschnürungspunkt
1 cm von der Spinndüsenplatte entfernt war. Die Fäden wurden in 12 Gruppen von je
100 Fäden geteilt von jeweils 42 Denier in dieser Stufe. Diese Gruppen wurden parallel
durch einen Infrarotofen geführt, um eine Fadentemperatur von 1200C während einer
Verweilzeit von 30 Sekunden zu ergeben. Wie bei den vorhergehenden Beispielen war
die Spannung während Wärmebehandlung lediglich gerade ausreichend, die Kabel unter
Kontrolle zu halten. Die Kabel wurden dann bei Umgebungstemperatur mit einem Verstreckungsverhältnis
von 2,75:1 verstreckt, worauf sie unmittelbar entspannt wurden, damit sich die Kräuselung
entwickelte, wobei sich 12 Kräusel pro cm ergaben
und dann aufgewickelt.
Die Fäden wurden dann 2-für-1 gezwirnt und als ein tufting Garn verwendet, welches
dann verbesserten Bausch im Vergleich zu konkurrierenden mechanisch gekräuselten
Garnen besaß. Wegen des Bindeeffekts der schraubenförmigen Kräuselung mußte weniger
Zwirnung eingesetzt werden, so daß die Garnverarbeitungsstufe verbilligt wurde.
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Fig. 4, 5-und 6 zeigen die Wirkung von Veränderungen in den drei Behandlungsstufen
der extrudierten Fäden. Während der anfänglichen Wärmebehandlung kann die Temperatur
in einem weiten Bereich geändert werden, der sich von 10000 nach oben erstreckt
und Fig. 4 veranschaulicht dieses. Die graphische Darstellung zeigt Prozentwert
Kräuselgehalt gegen die Temperatur der Wärmebehandlung an unpigmentiertem Polypropylen
aufgetragen, welches nachfolgend bei einem Verhältnis von 2,75:1 mit einer Wasserbadtemperatur
von 65°C verstreckt wird, so daß im wesentlichen die gesamte Kräuselung von selbst
erscheint, wenn die Spannung nach Verstrecken gelöst wird. Die Kurve zeigt eine
plötzliche Änderung der Steigung bei nahezu genau 1000C, oberhalb welcher Temperatur
der Kräuselungsgrad sehr schnell bis zu der höchsten praktischen Temperatur ansteigt,
welche etwas unter der Schmelztemperatur solches rolypropylens liegt.
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Fig. 5 zeigt die Änderung des Kräuselungsgrades mit der Temperatur
des Wasserbades 18. Die graphische Darstellung bezieht sich auf dasselbe Material
wie das in Fig. 4 gezeigte und läßt den Abfall in der Höhe freiwilliger Kräuselung,
welche für Temperaturen oberhalb des Wertes von 65°C erhalten wurde, der für Fig.
4 verwendet wurde, erkennen. Mit anderen Worten ist das Maß freiwilliger Kräuselung
umso hoher je niedriger die Verstreckungstemperatur ist.
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Schließlich zeigt Fig. 6 die Veränderung in der Kräuselung mit änderung
der Temperatur der Wärmebehandlungt die nachfolgend bei Garn angewandt wird, welches
aus gemäß Beispiel 1 erzeugten Fäden erhalten wurde. 1n diesem Falle ist Garnschrumpfung
gegen die Temperatur der Wärmebehandlung an dem Garn aufgetragen und
man
sieht, daß die Schrumpfung, welche sich mit dem erzeugten Kräuselungsgrad ändert,
mehr oder weniger linear von einer Temperatur von 90°C bis zu einer Temperatur von
etwa 1150C ansteigt, wonach die Kurve bei einem Wert von etwa 32% abgeflacht wird,
unterhalb dessen keine Zunahme für steigende Temperatur erfolgt.