DE3783030T2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von polypropylenfaeden. - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Polypropylengarnen und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung solcher Garne durch Schmelzspinnen.
• Schmelzgesponnenes Polypropylen wird technisch in Monofilamenten, wie für Angelschnüre, und in Stapelfasern, wie für Teppichgarne, verwendet. Versuche zur Einführung von Polypropylenfilamentgarnen in den Bekleidungsmarkt sind jedoch bisher in derartigem Ausmass auf Schwierigkeiten gestossen, dass Qualitätsgarne mit feinem Titer aus Nylon oder Polyester die Regel und Garne aus Propylen, sofern überhaupt erhältlich, die Ausnahme sind. In Anbetracht der niedrigeren Kosten sowie der besonderen Eigenschaften von Polypropylen, wie mechanische Festigkeit kombiniert mit thermischer und chemischer Beständigkeit sowie der vorteilhaften Fähigkeit des Transfers von Feuchtigkeit in der Dampfphase ist dies überraschend, da Polypropylen sich für sehr vorteilhafte Textilgarne eignen sollte.
• Das Kernproblem besteht aber darin, dass die zur Verarbeitung von Polyestern und Polyamiden entwickelten Verfahren, insbesondere die Methoden für vororientiertes Garn (Pre Oriented Yarn oder POY), für die technische Verarbeitung van Polypropylen absolut ungeeignet sind. Diese fehlende Übertragbarkeit bewährter Methoden und Vorrichtungen zur Herstellung von Endlosgarn ist wahrscheinlich im wesentlichen durch die Tatsache bedingt, dass sich geschmolzenes Polypropylen wie eine nicht-Newton'sche Flüssigkeit verhält und Strukturviskositätseffekte zeigt, die zur sogenannten "Verstreckungsresonanz" oder "Spinnresonanz" führen, wie dies beispielsweise in den Figuren 4 und 5 von EP-A-0 025 812 oder US-A-4'347'206 beschrieben ist, auf die hier durch Verweisung Bezug genommen wird. Vereinfacht und veranschaulicht dargestellt zeigt Polypropylen nicht nur die sogenannte Extrusionsdüsenquellung (englisch: "die swelling"), sondern bildet beim Abziehen von den an der Unterseite der Spinndüsen gebildeten Aufquellungen ein Filament mit Einschnürungen ähnlich einer Kette von Würsten. Verschiedene bekannte Abhilfen zielen entweder auf eine Abänderung des Polypropylenmaterials oder auf Spezialverfahren (FR Patent 1'276'575, EP-A-0 028 844, DE-A-33 23 202) und akzeptable Resultate werden offenbar nur dann erzielt, wenn in einer ersten Stufe von den Garnherstellern halbfertige Filamentgarne hergestellt und diese in einem zweiten separaten Prozess, z.B. im Zuge der Garnverarbeitung, texturiert und/oder ausreichend verstreckt werden, wie dies für die meisten kommerziellen Garnapplikationen erforderlich ist.
• Integralverfahren, d.h. solche, die vom ungesponnenen Polymer ausgehen und fertiges Polypropylengarn liefern, das aus einer Mehrzahl von endlosen und im wesentlichen orientierten Filamenten besteht, durch Schmelzspinnen und Verstrecken in einer einzigen Produktionsanlage haben den Mangel einer zu geringen Verarbeitungsgeschwindigkeit von typisch unter 500 m/min oder beim Betrieb mit annehmbaren Produktionsgeschwindigkeiten von über 1000 Meter pro Minute den Nachteil einer gravierenden Beschränkung der Anzahl Garne, die pro installiertes Streckwerk erhalten werden können. Dementsprechend war die auf die Investitionskosten bezogene Produktionsleistung unbefriedigend oder es mussten mehrere Streckwerke verwendet und unterhalten werden.
• Eine Hauptaufgabe der Erfindung ist es daher, ein integrales Verfahren zu bieten, nach welchem eine Mehrzahl von Garnen, beispielsweise 8 bis 16 oder mehr Garne, mit einem einzigen Streckwerk bei Geschwindigkeiten von über 1000 Meter pro Minute erhalten werden kann, und das ein Endproduktgarn ergibt, welches entweder in Form von vollständig orientierten Endlosgarnen (englisch: Fully Oriented Yarn = FOY) und/oder in Form von zu Stapelfasern zerschnittenen Endlosgarnen (englisch: Bulk Continuous Yarn = BCY) erhalten wird, und zwar in Form von Garnen und mit einem Fadentiter, der sich für Bekleidungszwecke oder irgendwelche anderen Garnapplikationen eignen, bei denen die speziellen Polypropylen-Eigenschaften bessere Produkte ermöglichen.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens anzugeben.
• Diese und weitere Ziele, die aus der folgenden Beschreibung ersichtlich sind, werden gemäss der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung von Polypropylengarnen erreicht, welche aus einer Mehrzahl von endlosen und im wesentlichen orientierten Einzelfilamenten bestehen, durch Schmelzspinnen und Verstrecken in einem Integralverfahren, das durch die Merkmale von Anspruch 1 gekennzeichnet ist.
• Die zur Verwendung in diesem Verfahren geeignete Vorrichtung hat die in Anspruch 6 angegebenen Merkmale.
• Die Erfindung kombiniert das Element des raschen Spinnens einer ausreichenden Anzahl Filamente für eine grössere Anzahl Garne mit dem Element des gemeinsamen Verstreckens der resultierenden, garnbildenden Filamentgruppen, d.h. miteinander auf einer geringen Anzahl grosser Zylinder längs paralleler und separater Einzelpfade, wobei die Reibungskontaktlänge innerhalb bestimmter Grenzen gehalten wird und mindestens überwiegend auf den grossen Zylindern liegt.
• Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens haben die in den Ansprüchen 2 bis 5 angegebenen Merkmale, bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung hingegen die in den Ansprüchen 7 bis 12 spezifizierten Merkmale.
• Es wurde gefunden, dass bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens und Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung in der Regel sehr wenig Garnbrüche auftreten. Ohne Beschränkung auf eine bestimmte Theorie kann man annehmen, dass der verlängerte Grenzflächenkontakt zwischen den Zylindern und den Filamenten die Gleichmässigkeit der Reibungswechselwirkung und/oder des Wärmeübergangs verbessert. Für praktische Zwecke wird bevorzugt, dass die meisten oder alle Zylinder, die für das Verstrecken gemäss der Erfindung verwendet werden, gleiche Durchmesser haben; die Zylinderdurchmesser sollten mindestens 300 mm und vorzugsweise mindestens 400 mm betragen.
• Durchmesser von über 1000 mm wären an sich auch geeignet, sind aber aus praktischen Gründen nicht generell bevorzugt. Die erforderliche Länge ( = Breite) der Zylinder hängt von der Anzahl Garne, die auf einem gegebenen Zylinder gemeinsam verstreckt werden sollen, und von der notwendigen oder gewünschten Minimaldistanz zwischen parallelen Strängen ab. Typische Strangabstände liegen im allgemeinen Bereich von 5 bis 50 mm, z.B. 8 - 15 mm, und eine typische Zylinderlänge für das gleichzeitige Verstrecken von 16 Strängen liegt im Bereich von 200 bis 500 mm.
• Ein zusätzlicher Vorteil des Verstreckens von mehreren Garnsträngen auf grossen Zylindern liegt darin, dass Überwachung, Entfernung und Reparatur von Garnbrüchen in relativ einfacher Weise erfolgen kann, wenn die benachbarten Zylinder ausreichend voneinander beabstandet sind.
• Die Werkstoffe, welche die Oberflächen bilden, und der Zustand dieser Oberflächen sind offenbar nicht besonders kritisch; Oberflächen aus rostfreiem Stahl, Chrombeschichtungen und dergleichen Metallwerkstoffen sind geeignet.
• Insgesamt vier Zylinder werden zum Verstrecken gemäss der Erfindung wegen der Einfachheit von Konstruktion und Betrieb bevorzugt. Wenn man beispielsweise mit einer bevorzugten Kontaktpfadlänge von 1500 bis 3000 mm auf insgesamt vier Streckzylindern gleichen Durchmessers im Bereich von 400 bis 500 mm arbeitet, wird der "stromaufwärts", d.h. näher zur Spinndüse, liegende erste Zylinder sowie der nachfolgende oder zweite Zylinder von einem üblichen Antrieb mit einer relativ "langsamen" Umfangsgeschwindigkeit angetrieben, die natürlich von der Extrusionsgeschwindigkeit abhängt, aber typisch im Bereich von 600 bis 1000 Meter liegen kann; obwohl die ersten beiden Zylinder eine gemeinsame Geschwindigkeit haben, bedeutet dies nicht notwendigerweise eine identische Geschwindigkeit; beispielsweise kann es zweckmässig sein, den zweiten Zylinder der ersten langsamer laufenden Gruppe mit einer Umfangsgeschwindigkeit zu betreiben, die etwas grösser als die des ersten Zylinders ist, z.B. um 5 bis 15% grösser.
• Die zweite Zylindergruppe in der eben erwähnten bevorzugten Ausführungsform arbeitet mit einer gemeinsamen "raschen" Umfangsgeschwindigkeit, z.B. 1200 bis 2200 m/min, in Abhängigkeit von der Umfangsgeschwindigkeit der ersten Zylindergruppe und dem gewünschten Streckverhältnis, das typisch im Bereich von 1:1 bis 1:3 liegt. Wiederum bedeutet eine "gemeinsame" Geschwindigkeit der zweiten Zylindergruppe nicht identische Geschwindigkeiten und der zweite Zylinder der zweiten Gruppe (d.h. der letzte Zylinder in der eben erwähnten bevorzugten Ausführungsform des Verstreckens) kann eine etwas höhere Umfangsgeschwindigkeit haben, als der unmittelbar vorangehende erste Zylinder der zweiten Gruppe.
• In Abhängigkeit vom gewünschten Produkt kann eine Texturierungs- und/oder Verschlingungsstufe vorgesehen sein und es können die für das Verarbeiten von Polypropylenfilamentgarnen üblichen Verfahren und Vorrichtungen angewendet werden; meist werden bei dieser Ausführungsform zusätzliche Zylinder vor und nach dem Texturierungs- und/oder Verschlingungsschritt benötigt, insbesondere um das texturierte und/oder verschlungene Garn aus einer Verweilposition, etwa der Rille einer perforierten Saugtrommel, auf die Geschwindigkeit der Wickler zu bringen.
• Allgemein beträgt die Wickelgeschwindigkeit mindestens 1200 m/min doch kann für viele Zwecke der Erfindung mit höheren Wickelgeschwindigkeiten von etwa 2000 m/min gearbeitet werden.
• Da sowohl Texturierungs- und/oder Verschlingungsstufen als auch das Wickeln der Produktgarne an sich bekannt sind und mit kommerziell erhältlichen Vorrichtungen durchgeführt werden können, erfordert dieser Gesichtspunkt hier keine eingehendere Erläuterung.
• Garnbruchüberwachungsverfahren und -vorrichtungen sind zwar ebenfalls bekannt, doch bietet die Erfindung hier für das Verstrecken einer Vielzahl von Garnen in einem einzigen Streckwerk bei Geschwindigkeiten von wesentlich über 500 Meter/Minute einen neuen Aspekt. Da Garnbrüche nie vollständig ausgeschaltet werden können, stellt eine einfache und wirksame Garnbruchüberwachung und -behebung einen wichtigen zusätzlichen Gesichtspunkt der Erfindung dar.
• Zunächst beruht das erfindungsgemässe Konzept des Grosszylinderverstreckens einer Garnanordnung (Array), d.h. aus 8 oder mehr Garnen, längs separater Pfade, die parallel zueinander und relativ zu den Rotationsachsen aller Streckzylinder senkrecht verlaufen, auf der Verwendung grosser Zylinderflächen, die im wesentlichen von wenigen grossen Zylindern gebildet werden. Bei ausreichenden Abständen zwischen benachbarten Zylindern, z.B. typischen Abständen von mindestens der Hälfte des mittleren Zylinderdurchmessers zwischen zwei einander benachbarten Zylindern der Streckanordnung, ist das Streckwerk für das die Garnbruchkontrolle beaufsichtigende Betriebspersonal leicht zugänglich, so dass das Verknüpfen und erneute Einspeisen eines gebrochenen Stranges keine Probleme verursacht.
• Ferner sind gemäss einer bevorzugten Ausführungsform in der Nähe von Anfang (z.B. zwischen dem ersten Zylinder mit grossem Durchmesser, d.h. dem am nächsten an der Spinndüse liegenden Zylinder und dem zweitem Zylinder mit grossem Durchmesser) und Ende (z.B. nach dem letzten Streckwerkzylinder mit grossem Durchmesser) der Pfadlänge des Reibungskontaktes erste bzw. zweite Bruchkontrolleinrichtungen angeordnet.
• In der Streckstufe, z.B. zwischen den Zylindern mit grossem Durchmesser, können zusätzliche kleinere Zylinder vorgesehen werden, doch wird dies nicht bevorzugt; im allgemeinen sind die Zylinder mit grossem Durchmesser für eine ausreichende Garnpfadumlenkung in der Streckstufe bereits allein ausreichend.
• Die wenigen Zylinder grossen Durchmessers zum gemeinsamen Verstrecken der Filamente gemeinsam mit einer Garnbruchkontrolle nahe dem Anfang und dem Ende des Streckwerkes bieten eine besonders wirksame Garnbruchüberwachung und -reparatur selbst dann, wenn auf einem einzigen Streckwerk gleichzeitig 10, 12 oder 16 parallele Garne mit Geschwindigkeiten von 1000 m/min oder darüber in einer einzigen Streckstufe und auf einer Sequenz von wenigen grossen Zylindern verstreckt werden.
• Gemäss der Erfindung spricht die zweite Garnbruchkontrolle, typisch ein Garndetektor, auf jede Diskontinuität oder das Fehlen von Garndurchgang an und betätigt eine kleine Schneideinrichtung, die für diesen und jeden Strang in der ersten Garnbruchkontrolle angeordnet ist. Eine jeder Garnschneideeinrichtung zugeordnete Saugöffnung ist in der Lage, das frisch abgeschnittene Vorderende des gerissenen Stranges aufzunehmen. Beim Bruch irgendeines Stranges wird ein der zweiten und/oder ersten Bruchkontrolle zugeordneter Signalgeber aktiviert und informiert das Betriebspersonal über das Reissen und die Position des gerissenen Stranges. Die Betriebsperson aktiviert dann einen mobilen Aspirator, führt diesen zu derjenigen Saugöffnung, in die der gerissene Strang nach Betätigung der Schneidvorrichtung eingezogen worden ist, und schneidet den Strang manuell so ab, dass das neue Vorderende des gerissenen Stranges in den mobilen Aspirator eingesaugt werden kann. Dann kann die Betriebsperson ohne Unterbrechung der Produktion der intakten Stränge den vorgängig gerissenen Strang leicht wieder längs der entsprechenden Pfadlinie einziehen, die im Array der Stränge als fehlend erkennbar und auf den Oberflächen der grossen Zylinder zugänglich ist.
• Nach dem Wiedereinführen des gerissenen Stranges in und durch die fakultative Texturierungs- und/oder Verschlingungsstufe wird das erneut eingeführte Garn mittels des mobilen Aspirators in die Aufwickelvorrichtung und/oder eine damit zusammenarbeitende Garnverknüpfungsvorrichtung gebracht.
• Garnbruchkontrollen dieser Art einschliesslich unterschiedlicher Typen von Garnaspiratoren, Garndetektoren und dergleichen sind kommerziell erhältlich und bedürfen keiner weiteren Erläuterung, abgesehen von der Anzahl der Stränge. Da beim erfindungsgemässen Verfahren mindestens 8 und typisch 16 Stränge pro Streckwerk einzeln überwacht werden müssen, sind Kombinationen aus entsprechend vielen modularen Einheiten, z.B. für jedes Garn je eine Schneid- und Aspiratorfunktion sowie ein Garndetektormodul erforderlich. Ferner ermöglichen die ersten und/oder zweiten Bruchkontrolleinrichtungen gemäss einer bevorzugten Ausführung eine vereinfachte Garneinspeisung beim Anlaufen der Anlage oder bei der Garnbruchreparatur durch selbsttätiges Wiedereinlegen der Stränge und besitzt eine Anzahl von Garnführungsschlitzen in einer Anordnung, die praktisch dem Array der Garne entspricht und sich als Führungsblock über die Breite des Array der Garne erstreckt. Ein länglicher und beweglicher Gleitstab ist so angeordnet, dass er einige oder alle Stränge des Arrays durch einen Pfadabschnitt führt, der nicht durch die Schlitze, sondern über diese verläuft. Der Gleitstab befindet sich nur beim Anlaufen oder während der Garnreparatur in dieser Position und wird herausgezogen, sobald das vollständige Array über die Oberseite des Gleitstabes läuft, so dass alle Stränge in die Schlitze des Führungsblocks gelangen.
Eingehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
• Die Erfindung wird nunmehr im einzelnen unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert; es zeigen
• Fig. 1 die schematische Seitenansicht einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens;
• Fig. 1A die Draufsicht auf die Spinndüsen der Vorrichtung von Fig. 1;
• Fig. 1B die schematische perspektivische Ansicht eines Streckzylinders der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung;
• Fig. 1C die vereinfachte schematische Darstellung eines Führungsblocks mit zugeordnetem Gleitstab zur Auslenkung und erneuten Einspeisung eines Garnstrang-Arrays durch eine erste oder zweite Bruchkontrolleinrichtung;
• Fig. 2 die halbschematische Seitenansicht einer integralen Verarbeitungsanlage gemäss Stand der Technik zur Herstellung von endlosem Polypropylenmultifilamentgarn durch Schmelzspinnen und Verstrecken;
• Fig. 2A die vergrösserte Ansicht der in der bekannten Anlage von Fig. 2 verwendeten Streckwalzen;
• Fig. 3 die schematische Ansicht eines im erfindungsgemässen Verfahren verwendeten grossen Streckzylinders mit einer Mehrzahl von parallelen, gemeinsam verstreckten Garnen;
• Fig. 4 die halbschematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens und
• Fig. 4A die Draufsicht auf die Vorrichtung von Fig. 4.
• Polypropylen, das sich zur verwendung im vorliegenden Verfahren eignet, ist technisch für das Schmelzspinnen von endlosen Multifilamentgarnen erhältlich, z.B. die von Himont, Italien, unter der eingetragenen Marke MOPLEN vertriebenen Produkte; technische pelletisierte Produkte zum Verspinnen, die gegebenenfalls die üblichen Additive enthalten, werden bevorzugt; für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens sind mit anderen Worten weder besonders kritische Substanzparameter noch besondere Formulationen erforderlich; typische Beispiele sind Polypropylen-Homopolymere, die einen Schmelzindex (ASTM D 1238/L) von mindestens etwa 10 dg/min aufweisen, z.B. 10 - 12 dg/min oder mehr, z.B. bis zu 18 dg/min bei 230ºC und 21.6 N, mit einem Biegeelastizitätsmodul (ASTM D 790) von mindestens etwa 1500 N/mm², z.B. etwa 1700 N/mm²; einer Reissfestigkeit (ASTM D 638) von 35 - 40, z.B. 38 N/mm²; einer Bruchdehnung (ASTM D 638) von etwa 10 %, z.B. 11%, sowie einem Vicat-Erweichungspunkt (ASTM D 1525) von 150 - 160ºC, z.B. 155ºC. Molekulargewichtsverteilungswerte (d.h. das Verhältnis des Gewichtsmittelmolekulargewichts zum Zahlenmittelmolekulargewicht) von etwa 5 bis etwa 6 haben sich für das vorliegende Verfahren als geeignet erwiesen. Vor der hier beschriebenen Verwendung können gefärbte Masterbatch-Mischungen und/oder Pigmente sowie andere Additive zugesetzt werden.
• Allgemein sollte Polypropylen zur Verwendung für die vorliegende Erfindung zum Schmelzspinnen mit kommerziellen Extrudern und Spinnpumpen bei Extrusionsgeschwindigkeiten von mindestens 400 m/min durch die Oeffnungen einer Spinnplatte oder Spinndüse befähigt sein, welche die zum Spinnen von Multifilamenten erforderlichen Durchmesser im typischen Denierbereich von 9 bis 135 tex (1-15 den) pro Filament aufweisen, wobei typische Garntiter im Bereich von 3 - 7200 tex (40-800 den) liegen. Dementsprechend müssen geeignete Polypropylene zu einer "erheblichen Orientierung" befähigt sein, das heisst in dem Sinne, dass die durch Extrusion und Abziehen erhaltenen Filamente durch Verstrecken bis nahe an die Grenze des plastischen Flusses einer molekularen Orientierung unterzogen werden können. Im allgemeinen zeigen Filamente mit einer erheblichen Orientierung im Vergleich zu den "abgezogenen Filamenten", wie sie nach dem Verfestigen der schmelzgesponnenen Filamente und vor einer wesentlichen Verstreckung anfallen, eine wesentlich verminderte oder "geringe Dehnung" . Erheblich orientierte Filamente zeigen bei Raumtemepratur typisch eine individuelle Dehnung von weniger als etwa 250%; oft zeigt das nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhaltene Garn eine noch geringere Dehnung, was jedoch davon abhängt, ob FOY- oder BCY-Produkte hergestellt werden, d.h. ob die Garne nach dem Verstrecken einer Texturierungs- und/oder Verschlingungsstufe unterzogen werden.
• Dementsprechend umfasst die Bezeichnung "erhebliche Orientierung" auch eine "praktisch vollständige Orientierung", sowie eine für die normalen Endverwendungsformen der Garne ausreichende Annäherung an diese.
• Ein erstes wesentliches Merkmal des erfindungsgemässen Verfahrens bezieht sich auf die Anzahl Garne, die gleichzeitig mit einem einzigen Streckwerk erzeugt werden, bzw. die Anzahl an "Garnsträngen", die gemäss der Erfindung verarbeitet werden; in diesem Zusammenhang bedeutet "Filament" eine "Faser" unendlicher Länge; "Einzelfilament" bezieht sich auf eines einer Mehrzahl von Filamenten, die ein Garn oder einen "Garnstrang" bilden, wobei der zuletzt genannte Ausdruck sich auf eine Gruppe von einzelnen Filamenten bezieht, die als eine individuelle Gruppe oder Einheit verstreckt werden; solche Stränge können für die Praxis der Erfindung durch aufeinanderfolgende Zahlen von 1 bis 8, 10, 12, 14 oder 16 identifiziert werden, je nach der effektiven Anzahl von Strängen oder Garnen, die im erfindungsgemässen Verfahren jeweils pro Streckwerk verarbeitet werden.
• Wie üblich enthält jedes Garn oder jeder Garnstrang eines Multifilamentgarnes eine Mehrzahl, typisch mindestens etwa 30, 60 oder sogar 120, einzelner Filamente pro Garn und für den vorliegenden Zusammenhang wird die Annahme zugrunde gelegt, dass ein Multifilamentgarn mindestens zehn Filamente im Garn enthält. Dies ist mehr eine Frage der Praxis als der Theorie, da gängige Garne wesentlich mehr als zehn Filamente enthalten.
• Dementsprechend besitzt ein erster Hauptteil einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens gemäss Darstellung in Fig. 1 eine Spinneinrichtung 11, die eine feste Spinnplatte sein kann oder vorzugsweise (siehe Fig. 1A) von einer oder mehreren Rahmenplatte(n) 133, 114 gebildet wird, von denen jede eine Anzahl von austauschbaren, z.B. kreisförmigen Spinndüseneinsätzen 111,112 entsprechend dem Filamenttiter und/oder der Anzahl Filamente pro Garn und/oder dem Querschnitt der für das fertige Garn gewünschten Filamente.
• Obwohl es für das erfindungsgemässe Verfahren wichtig ist, dass genügend Filamente zur Bildung von mindestens acht Garnen oder Garnsträngen pro Streckwerk ersponnen werden, wird es nicht als wichtig angesehen, ob diese Stränge durch eine gemeinsame Schachteinrichtung 12 laufen, oder ob die Schachteinrichtung aus mehr als einer Kammer (in Figur 1 und 1A sind zwei Kammern 121,122 dargestellt) besteht; ebenso wird es nicht als wesentlich angesehen, ob die Oeffnungen oder Durchgänge der Spinneinrichtung bereits entsprechend den zu bildenden Garnsträngen gruppiert oder ob die Garngruppen während der Verfestigung noch nicht gebildet sind. Zum Zusammenführen der erforderlichen Anzahl Filamente zu jedem Strang werden normalerweise Strangsammelvorrichtungen 131,132 verwendet, die von Haken- oder Oesenreihen gebildet werden.
• Die "Extrusionsgeschwindigkeit" ist ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung, indem sie die Mindestproduktionsgeschwindigkeit bestimmt, die erfindungsgemäss mindestens 1000 m/min beträgt. Der Ausdruck "Extrusionsgeschwindigkeit" wird synonym mit "Schmelzspinngeschwindigkeit" verwendet und bezieht sich nicht notwendigerweise auf die Geschwindigkeit der geschmolzenen Masse beim Austritt aus der Spinndüse, sondern vielmehr auf die Geschwindigkeit der Bildung von verfestigten, aber im wesentlichen noch nicht orientierten Filamenten. Allgemein arbeitet das erfindungsgemässe Verfahren mit einer Extrusionsgeschwindigkeit von mindestens 400 m/min.
• Die Schachteinrichtungen 12 oder die Schachtteile 121, 122 bilden gemeinsam die im wesentlichen vertikale "Luftkühlzone" in dem Sinne, dass das Wärmeaustauschmedium gasförmig und nicht flüssig ist, und dass die Temperatur des gasförmigen Abkühlungsmediums erheblich tiefer liegt, als die Temperatur der geschmolzenen Masse, die aus den Spinnöffnungen der Spinndüse austritt; dementsprechend soll die Bezeichnung "Luft" jedes praktikable Gas oder jede praktikable Gasmischung umfassen, die ohne allzu grosse Probleme bei einer Quenchtemperatur typisch im Bereich von etwa 0 bis etwa 50ºC gehalten werden kann, wobei eine bevorzugte Temperatur im Bereich von etwa 10 bis etwa 30ºC liegt. Eine forcierte, d.h. beschleunigte aber dennoch im wesentlichen laminare Führung von Luft durch den Schacht 12 oder dessen Teile wird ebenso bevorzugt, wie die Temperatursteuerung. Ob eine künstliche Kühlung erforderlich ist oder nicht, kann vom Umgebungsklima abhängen.
• Zur Einspeisung einer ausreichenden Menge an geschmolzenem Polypropylen in die Spinneinrichtung 11 gemäss der Erfindung können konventionelle Extrudereinrichtungen 10 verwendet werden. Beispielsweise kann ein Extruder 100 mit einem Schneckendurchmesser von 1 x 75 mm zur Herstellung von Garnen mit 360 bis 2250 tex (40 - 250 den) verwendet werden, während ein Schneckendurchmesser von 1 x 90 mm für Garne im Bereich von 1350 - 7200 tex (150 - 800 den) geeignet ist, wenn mit der aus dem Extruder 100 ausgespeisten Menge insgesamt 16 bis 32 Garne hergestellt werden sollen. Wie üblich wird meist eine Spinnpumpe 101 und eine Heizeinrichtung 102 verwendet, um eine ausreichende und in geeigneter Weise temperaturgesteuerte Versorgung der Spinneinrichtung 11 mit geschmolzenem Polypropylen sicherzustellen.
• Fig. 1A ist eine halbschematische Draufsicht auf das Ende der Spinndüsen, betrachtet vom Schaft 12, der in seinem Oberteil von zwei parallelen Kühlkammern 121, 122 gebildet wird, die von luftdurchlässigen inneren und äusseren Wandpaaren 123,125, bzw. 124,126 gebildet sind und über die Leitung 129 mit einer im wesentlichen laminaren Strömung kalter oder gekühlter Luft versorgt werden. Die Seitenwände 127, 128 müssen nicht luftdurchlässig sein, aber es wird bevorzugt, dass sich die Vorderwände 125, 126 leicht abnehmen lassen, um den Zugang zu den Spinndüsenenden 111,112 zu vereinfachen.
• Die Intensität des Kühlens oder der "Quenchbehandlung" der mindestens acht Stränge, die bereits von den Spinndüsen gebildet sein können und jedenfalls zur Bildung des Strangarrays auf dem ersten Zylinder 141 erforderlich sind, wie eingehender weiter unten erläutert, hängt ab vom Durchgang der geschmolzenen Polypropylenmasse pro Zeiteinheit in und durch die Luftkühlungszone, die von oder in der Schachteinrichtung 12 gebildet wird. Es wird jedoch allgemein gemäss der Erfindung bevorzugt, dass die vertikale Länge oder "Höhe H", gemessen vom unteren Ende der Spinndüsen 111, 112 bis zum Punkt des ersten Kontaktes mit einer mechanischen Garnkontaktvorrichtung, mindestens 2,5 m und z.B. 3 - 6 m beträgt, aus praktischen Gründen jedoch nicht wesentlich über etwa 7,5 m.
• Ein nächster wesentlicher Schritt ist die Bildung eines planaren Arrays "A" der Garnstränge S; hierfür werden die Filamente F zur Bildung von Strängen zusammengeführt oder angeordnet, die normalerweise von gleich vielen Filamenten gebildet werden, z.B. indem jeder Strang 64 Filamente enthält; solche Gruppen können von den Spinndüsenöffnungen 111, 112 vorgebildet sein, doch werden "Haken" oder 'rasen", die in Form von quer verlaufenden F}hrungsgruppen 131, 132 für die aus jedem Schachtteil 121, 122 kommenden Stränge angeordnet sind, bevorzugt. Die zusammengeführten Stränge, in welchen die Filamente dicht gepackt sind, werden nun auf die Oberfläche des ersten Zylinders 141 des Streckwerks 14 gemäss der Erfindung zur Bildung des "Strangarrays" geführt. Eine solches Array ist charakterisiert durch eine gemeinsame parallele Ausrichtung aller Stränge, die erfindungsgemäss in einem Streckwerk verstreckt werden sollen; da die Stränge voneinander beabstandet sind, z.B. mit Abständen von 0,5 - 50 mm oder mehr in Abhängigkeit von der Anzahl der Stränge und der axialen Länge der Zylinder, läuft jeder Strang längs eines eigenen Pfades; ein Array mit allgemein gleichen Abständen kann zweckmässig sein, doch ist ein gleicher Abstand nicht kritisch, solange alle Pfade parallel verlaufen und während des Verstreckens im wesentlichen in dieser Anordnung gehalten werden, d.h. bis eine erhebliche Orientierung der Filamente erreicht worden ist. Dies macht es nötig, dass die Streckzylinder parallele Rotationsachsen haben, so dass jeder Strang während der Streckstufe in einer Ebene verläuft, welche die Rotationsachse jedes Zylinders senkrecht schneidet. Dies ist schematisch in Fig. 1B dargestellt, in der die Länge FPL der Reibungspfades des Stranges S auf dem Zylinder C im wesentlichen durch eine Ebene P, welche die Rotationsachse A des Zylinder C senkrecht schneidet, und die Länge des Kontaktes des Stranges S mit dem Zylinder C definiert ist.
• Wie oben kurz erwähnt, wird es als für das erfindungsgemässe Verfahren wesentlich angesehen, dass die Länge des Reibungskontaktes jedes Stranges mit den parallelen Streckzylindern, d.h. die Summe von a, b, c und d in Fig.1, im Bereich von 1000 bis 6500 mm liegt, vorzugsweise 1500 bis 4000 mm beträgt und insbesondere im Bereich von 2000 bis 3000 mm liegt, aber dass die Reibungskontaktlänge auch mindestens überwiegend (zu mehr als 50%) und vorzugsweise im wesentlichen (d.h. 75 - 100%) auf einer geringen Gesamtzahl von Zylindern vorliegt, welche Zahl zwischen 2 und 6 liegt; es können auch insgesamt 3 bis 5 Zylinder verwendet werden, doch wird eine gerade Anzahl Zylinder bevorzugt. Obwohl zwei Zylinder ausreichen könnten, wären die erforderlichen Zylinderdurchmesser nicht praktikabel; eine Gesamtzahl von 4 Zylindern ist zweckmässig und wie in Fig. 1 dargestellt bevorzugt, in der die Zylinder 141, 142, 154, 144 praktisch gleiche Teile a, b, c und d der gesamten Reibungskontaktlänge bilden.
• Im allgemeinen rotiert der erste Zylinder 141 mit einer geringeren Umfangsgeschwindigkeit, als der letzte Zylinder 144, und der Unterschied der Umfangsgeschwindigkeiten entspricht dem gewünschten Abzugsverhältnis; jeder der Zylinder ist mit einem (nicht dargestellten) Antrieb verbunden und mit einer Temperaturkontrolle sowie mit Heizeinrichtungen versehen, so dass auf jedem Zylinder eine vorbestimmte und praktisch konstante Oberflächentemperatur im Bereich von 80 bis 130º C gehalten werden kann.
• Umfangsgeschwindigkeiten des ersten Zylinders 141 oder des ersten Zylinderpaares 141, 142 von 600 bis 1000 m/min sind typisch, während Umfangsgeschwindigkeiten von 1200 bis 2000 m/min oder mehr als typisch für die Zylinder 143, 144 gelten können. Geringe Unterschiede der Umfangsgeschwindigkeiten zwischen den beiden Zylindern 141 und 142 und zwischen den beiden Zylindern 143, 144 andererseits von etwa 10% können vorteilhaft sein. Im allgemeinen wird angenommen, dass "Reibungskontakt" vorliegt, wenn das Ausmass des "Schlupfes" (d.h. die Garngeschwindigkeit ist geringer, als die Geschwindigkeit des anliegenden Zylinders) kleiner als 20% ist und vorzugsweise nicht erheblich über 10% liegt. Obwohl besondere Beschichtungen oder Oberflächen der Streckzylinder, z.b. keramische oder aus Glas bestehende Oberflächen, nicht ausgeschlossen werden, wenn Reibungskontakt aufrechterhalten werden kann, sind konventionelle Zylinderoberflächen aus rostfreiem Stahl, Chrom (z.B. als Elektroplatierung) für viele Zwecke der Erfindung zufriedenstellend.
• Vorzugsweise ist zwischen dem ersten und dem zweiten Zylinder eine erste Garnbruchkontrollvorrichtung 151 vorgesehen, d.h. nahe dem Beginn der Streckstufe, während eine zweite Bruchkontrollvorrichtung 152 nahe dem Ende der Streckstufe angeordnet ist, z.B. abstromseitig vom Zylinder 144. An einer oder beiden Garnbruchkontrollvorrichtungen kann ein Gleitstab oder eine Gleitstange 153 verwendet werden, wie dies schematisch in Figur 1C dargestellt ist. Der Schlitzblock 152 ist zur Vereinfachung mit nur drei Schlitzen 156, 157, 158 für den Durchgang von drei Strängen S-1, S-2, S-3 ausgebildet. Bei normalem Betrieb läuft jeder Strang durch einen eigenen Schlitz, der z.B. mit üblichen Garnerkennungsmitteln (nicht dargestellt) ausgerüstet ist. Für das Anlaufen der Vorrichtung oder zum erneuten Einspeisen eines gerissenen Stranges wird der Gleitstab 153 von unten nach oben in die in durchgezogenen Linien dargestellte Position 153b gebracht. Nachdem alle Stränge entsprechend dem für eine gegebene Anlage und für eine gegebene Anzahl von Strängen verwendeten Array angeordnet sind und die Stränge oberhalb der durch S-1b, S-2b, S-3b symbolisierten Schlitze laufen, wird nun der Gleitstab herausgezogen oder in die Position 153a (durchbrochene Linien) gebracht und alle Stränge werden dann selbsttätig in und durch ihre entsprechenden Schlitze längs der normalen Pfade S-1a, S-2a, S-3a geführt.
• Wenn die in Fig.1 dargestellte Vorrichtung Bauschgarn und/oder texturierte Garne erzeugen soll, werden die Stränge durch eine Texturierungs und oder Verschlingungsvorrichtung 16, z.B. eine Anzahl von mit heisser Luft arbeitenden Texturierungsdüsen 164, und auf eine Sammeltrommel 163 geführt, von der sie mittels der Hilfswalzen 17 abgezogen werden. Weitere Hilfswalzen 160 und 161 können zur Führung der Stränge in die Vorrichtung 164 verwendet werden.
• Fig. 2 zeigt eine integrale Produktionsvorrichtung zum Schmelzspinnen und Strecken von Polypropylenmultifilamentgarnen gemäss Stand der Technik. Wie ersichtlich, wird eine grosse Anzahl Schächte 22a bis 22d benötigt, da die bekannten Streckwerke 24 mit spiralförmigem Pfadverlauf, bestehend aus zwei Walzen mit geringen Durchmessern und einer winkligen Anordnung der Rotationsachsen der beiden Walzen relativ zueinander, als für integralen Betrieb mit hoher Geschwindigkeit am besten geeignet angesehen wurden. Im allgemeinen werden für jeden Schacht mindestens zwei solche oder ähnliche Streckwerke mit Zylindern geringer Durchmesser von typisch 200 mm oder weniger verwendet und ein paralleler Pfadverlauf bei einer Mehrzahl von Garnsträngen konnte mit den bekannten Vorrichtungen nicht erzielt werden. In Fig. 2A ist in vergrösserter Darstellung ein Streckwerk mit Spiralpfad dargestellt.
• Wie klar aus dem Vergleich mit Fig. 3 zu erkennen, die einen Zylinder C mit grossem Durchmesser und mit einem Array A aus 11 Strängen S in paralleler Ausrichtung gemäss den Lehren der Erfindung zeigt, bietet die Verwendung von wenigen Zylindern mit grossem Durchmesser zusätzlich zu den anderen oben erläuterten Vorteilen eine gleichmässige Führung einer Vielzahl von Garnen durch ein Streckwerk, während gemäss Stand der Technik für jeden Schacht oder Modul ein Streckwerk erforderlich ist, wobei aber pro Schacht und Streckwerk nur ein Strang oder nur sehr wenige Stränge erzeugt wird bzw. werden.
• Die Figuren 4 und 4A zeigen eine halbschematische Darstellung einer Vorrichtung gemäss der Erfindung in seitlicher Ansicht und in Draufsicht. Die Seitenansicht zeigt im wesentlichen dieselben Elemente wie Figur 1, nämlich zwei Schachtteile 421, 422, die von einem Extruder 40 über die Spinndüsen 41 zur Erzeugung von Filamenten F versorgt werden, die zur Bildung von Strängen S zusammengeführt und in Form eines planaren Arrays A im Streckwerk 44 verstreckt werden, das aus vier praktisch gleichen Streckzylindern von mindestens etwa 400 mm Durchmesser wie oben erläutert gebildet wird; die orientierten Garnstränge werden dann durch eine Texturierungs- und Verflechtungsvorrichtung 46 und über Hilfswalzen 47 in eine Aufwickelvorrichtung 49 geführt.
• Wie aus der Draufsicht von Fig. 4A aber zu erkennen, ist die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung in Wirklichkeit eine Doppelanlage, weil ein einzelner Extruder 44 zwei Spinndüsen 41, 41a, zwei Doppelschächte 421, 422, 421a, 422a, zwei Streckwerke 44, 44a, zwei Hilfswalzen 47, 47a und auch zwei Aufwickelvorrichtungen 49, 49a speist, um typisch 30 oder mehr endlose Filamentgarne mit Geschwindigkeiten von typisch etwa 2000 m/min als kontinuierlichen Produktstrom in einem integralen Betrieb mit einem einzigen Extruder 40 zu erzeugen.
• Die oben im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten Garnbruchkontrollvorrichtungen sind in Fig. 4 lediglich zur einfacheren Darstellung weggelassen und werden in der Praxis natürlich für eine optimale Garnbruchkontrolle bei der erfindungsgemässen Mehrstrangproduktion von Polypropylengarnen mit hoher Geschwindigkeit verwendet.
• Insgesamt bietet die Erfindung ausserordentlich effektive und kompakte Anlagen zur wirtschaftlichen Herstellung von Polypropylen-Endlosgarnen einschliesslich solcher Produkte, die sich für Bekleidungszwecke eignen.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung von Polypropylengarnen, die aus einer Vielzahl von endlosen und weitgehend orientierten einzelnen Filamenten bestehen, durch Schmelzspinnen und Verstrecken der Filamente in einem integralen Verfahren, gekennzeichnet durch

(A) gleichzeitiges Extrudieren einer ausreichenden Anzahl der einzelnen Filamente zur Bildung von mindestens 8 endlosen Filamentgarnen, von denen jedes aus mindestens 10 Filamenten besteht, mit einer Extrusionsgeschwindigkeit von mindestens 400 m pro Minute in eine im wesentlichen vertikale Luftkühlzone zur Verfestigung der Filamente;

(B) Anordnen der Filamente zur Bildung einer praktisch planaren Ordnung von parallelen und voneinander beabstandeten Garnsträngen in einer Anzahl entsprechend Schritt (A);

(C) gemeinsames Verstrecken der Filamente zum Erzielen der weitgehenden Orientierung durch Führen der Garnstränge, während sie in der Ordnung gehalten werden, über Teile der Umfangsflächen einer Folge von rotierenden Zylindern mit parallelen Rotationsachsen, wobei jeder Strang längs eines gesonderten Pfades über die Teile der Umfangsflächen der Zylinder läuft, welcher Pfad im wesentlichen definiert ist durch eine Ebene, welche die parallelen Achsen der Zylinder senkrecht schneidet, wobei jeder Strang über eine Kontaktpfadlänge von 1000 bis 6500 mm in Reibungskontakt mit den Teilen der Umfangsflächen steht, wobei mindestens 50% der Reibungskontakt-Pfadlänge auf insgesamt 2 bis 6 Zylindern angeordnet ist, und abschliessendes Wikkeln der erhaltenen Garnstränge mit einer Geschwindigkeit von mindestens 1000 m pro Minute zu Produktgarnen

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die in Schritt (A) gebildeten Filamente längs eines freien vertikalen Pfades geführt werden, der die Luftkühlungszone umfasst und sich vom Extrusionspunkt bis zu einem Punkt des ersten Kontaktes mit einer mechanischen Garnführung erstreckt, wobei der freie Pfad eine Länge von mindestens 2,5 m, vorzugsweise nicht mehr als 7,5 m, besitzt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Zylinder in Schritt (C) bei einer im wesentlichen konstanten erhöhten Oberflächentemperatur gehalten werden, vorzugsweise im Bereich von 80 bis 130ºC.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem 75 bis 100% der Kontaktpfadlänge auf den insgesamt angeordneten Zylindern liegen und bei dem eine erste Gruppe der Zylinder mit einer gemeinsamen ersten Umfangsgeschwindigkeit und eine zweite Gruppe der Zylinder mit einer gemeinsamen zweiten Umfangsgeschwindigkeit rotiert.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Kontaktlänge im Bereich von 1000 bis 4000 mm, vorzugsweise im Bereich von 1500 bis 300 mm, liegt und wobei 75 bis 100% der Pfadlänge auf insgesamt vier Zylindern liegen.

6. Vorrichtung, geeignet für ein Verfahren zur Herstellung von Polypropylengarnen, die aus einer Vielzahl von kontinuierlichen und im wesentlichen orientierten einzelnen Filamenten bestehen, durch Schmelzspinnen und Verstrecken derselben in einem integralen Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Spinndüseneinrichtung (11), die eine Mehrzahl von Öffnungen (111, 112) hat; vertikalen Schafteinrichtungen (12) zum Kühlen und Verfestigen der Filamente nach dem Austreten aus der Spinndüseneinreichtung zur Bildung einer Vielzahl von Filamenten; Einrichtungen (13) zum Vereinigen der Filamente zur Bildung mindestens eines Multifilamentgarnstranges, Streckeinrichtungen (14) zum Erzielen einer weitgehenden Orientierung der Filamente des mindestens einen Garnstranges; und Aufwickeleinrichtungen (19), dadurch gekennzeichnet, dass die Spinndüseneinrichtungen (11) eine ausreichende Anzahl von Öffnungen (111, 112) aufweisen, um mindestens acht Garne zu bilden, wovon jedes mindestens zehn Filamente enthält, wobei die vertikalen Schafteinrichtungen (12) eine Länge (H) aufweisen, die ausreicht, um eine freie Pfadlänge der Filamente nach dem Austreten aus den Spinneinrichtungen und vor dem ersten Kontakt mit einer ersten, die Filamente berührenden mechanischen Einrichtung von mindestens 2,5 m zu bieten, und dadurch, dass die Streckeinrichtungen (14) von einer Folge von rotierenden Zylindern (141, 142, 143, 144) gebildet werden, die parallele Rotationsachsen aufweisen und zur Bildung einer Pfadlänge in Reibungskontakt mit den Garnsträngen von 1000 bis 6500 mm angeordnet sind, und wobei mindestens 50% der Pfadlänge von auf insgesamt 2 bis 6 rotierenden parallelen Zylindern liegen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, die ausserdem Texturierungs- und/oder Verschlingungseinrichtungen (16), die abstromseitig der Streckeinrichtungen (14) angeordnet sind, sowie eine zusätzliche Walzengruppe (17) zum Führen der Garnstränge von den Texturierungs- und/oder Verschlingungseinrichtungen zu den Wickeleinrichtungen (19) aufweist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 oder 7, bei der die Zylinder (141, 142, 143, 144) Durchmesser von mindestens 300 mm, vorzugsweise mindestens 400 mm, aufweisen und Einrichtungen besitzen, um die Zylinderoberflächen bei einer praktisch konstanten Temperatur zu halten.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 mit Antriebsmitteln zum Rotieren einer ersten Gruppe der Zylinder (141, 142) mit einer gemeinsamen ersten Umfangsgeschwindigkeit und zum Rotieren einer zweiten Gruppe der Zylinder (143, 144) mit einer gemeinsamen zweiten Umfangsgeschwindigkeit.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei der insgesamt vier Zylinder (14) vorgesehen sind und alle Zylinder praktisch gleiche Durchmesser haben.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei der jeweils zwei benachbarte Zylinder der Streckeinrichtungen (14) um mindestens die Hälfte des mittleren Durchmessers der benachbarten Zylinder voneinander beabstandet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei der für jeden Garnstrang in der Nähe des Anfangs und des Endes der Reibungskontakt-Pfadlänge erste und zweite Garnbruchkontrollmittel (151, 152) vorgesehen sind und wobei mindestens eine der Kontrolleinrichtungen eine Anzahl von parallelen Schlitzen (156, 157, 158) entsprechend der Anzahl der Garnstränge aufweist, wobei die Schlitze in einem länglichen Schlitzstab (152) angeordnet sind und ein länglicher Gleitstab (153) zum gemeinsamen Herausheben der Garnstränge (S-1, S-2, S-3) aus den Schlitzen und zum gemeinsamen Wiedereinführen der Garnstränge durch Entfernen des Gleitstabes (153) vorgesehen ist.