DE68927805T2

DE68927805T2 - Vorrichtung und verfahren zum inkrementweise strecken von fasern

Info

Publication number: DE68927805T2
Application number: DE68927805T
Authority: DE
Inventors: Martin V Sussman
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-05-09
Filing date: 1989-05-05
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2009-05-06
Also published as: JPH0657901B2; US4891872A; EP0441782A1; EP0441782A4; EP0441782B1; US5340523A; DE68927805D1; JPH03504258A; US5339503A; WO1989010831A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Strecken von Fasern. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Strecken von Fasern bei hohen Geschwindigkeiten auf mit Mikroterrassen versehenen Streckoberflächen.
Mit Einschnitten bzw. Nuten versehene Rollen stellen eine alte Verfahrensweise in der Technik des Streckens von Kunstseide dar; ein Beispiel hierfür ist die FR-A-849,205, wobei die Fasern in derartige Nuten eingelegt werden müssen, die notwendigerweise die axiale Bewegung der Faser gegenüber der Spindel einschränken. Auch die US-A-3,766,164 zeigt Nuten.
Die US-A-3,978,192 stellt eine Pionierleistung in einer neuen Technik dar, die als Verfahren zum inkrementweisen Strecken (Incremental Draw Process, IDP) bekannt geworden ist. Das IDP- Verfahren wird dazu verwendet, ein längliches, synthetisches Harzteil (beispielsweise eine Faser, einen Faden, ein Garn, Seil oder Band) bei hohen Geschwindigkeiten zu strecken. Die Faser bzw. das sonstige Teil wird dazu veranlaßt, eine Anzahl von Windungen zwischen schräg stehenden, einen gegenseitigen Abstand aufweisenden Körpern zu durchlaufen, von denen wenigstens einer eine Streckoberfläche besitzt, die durch einen kontinuierlich anwachsenden Radius festgelegt ist. Eine Mikroterrassen aufweisende Topographie der Streckoberfläche auf dem letztgenannten Körper erleichtert eine kompakte Konstruktion der Vorrichtung und liefert Verbesserungen beim Betrieb.
Anders als bei herkömmlichen, kontinuierlichen Streckverfahren, bei denen die Fasern schlagartig bzw. impulsartig beschleunigt werden, bis sie ihre letztliche Orientierung einnehmen, werden beim. IDP die Fasern in kleinen Schritten in ihren gestreckten Zustand gebracht. Dies wird dadurch erreicht, daß die Fasern wiederholt zwischen speziell geformten, sich vorwärtsbewegenden Spindeln hin- und hergehen, deren Terrassen im Durchmesser in Richtung der Bewegung der Fasern zunehmen, so daß bei jedem einzelnen Durchgang bzw. einer Hin- und Herbewegung ein kleines Streckinkrement erzeugt wird. Die erhöhte Geschwindigkeit, die durch diese sanfte Beschleunigungstechnik erzielt wird, steigert die Produktivität und ermöglicht es sogar, Fasern unmittelbar ab dem Hochgeschwindigkeitsspinnvorgang zu strecken, so daß die Fasern ihre endgültigen Abmessungen auf der Spinnmaschine bekommen und ein dazwischenliegendes Verpacken und Handhaben der noch nicht gestreckten Fasern vermieden werden kann.
Die in dem IDP-Verfahren gestreckte Faser verläuft längs eines schraubenförmigen Wegs, während sie sich auf einer Anzahl von Windungen von einer Spindel zur anderen und zurück bewegt. Die Steigung bzw. Ganghöhe des schraubenförmigen Wegs steigt mit dem Durchmesser der Spindel an, und das US-Patent 3,978,192 beschreibt Spindeln, die mit Mikroterrassen versehen sind, wobei sich die Abstände zwischen den Mikroterrassen entlang der axialen Länge des Körpers in Bezug auf den Anstieg der Steigung der Schraubenform der Fasern erhöhen, sowie der Durchmesser des Rollenkörpers zunimmt.
Das US-Patent 3,978,192 unterscheidet ferner zwischen anfänglichen Faserhalteflächen und Mikroterrassen. Das Patent lehrt, daß es mindestens ebenso viele Mikroterrassen wie Windungen der Faser um die Spindel gibt. Weiterhin läuft die Faser, die gerade gestreckt wird, wie dies üblicherweise durchgeführt wird, nicht auf aufeinanderfolgenden Mikroterrassen der gleichen Spindel, sondern lediglich auf Mikroterrassen, die der Steigung der natürlicherweise eingenommenen Schraubenbahn entsprechen. Daher kann es beim Betrieb eine oder mehrere nicht besetzte Mikroterrassen zwischen jeder besetzten bzw. mit einer Faser belegten Mikroterasse geben. Außerdem liegen während der Ausführung des Streckvorgangs die Mikroterrassen nicht im mer dort, wo sich der optimal stabile, schraubenförmige Pfad befindet.
Weiterhin lehrt Shah (M.S. Thesis, Tufts University, 1976) ein Erwärmen der Faser während des Streckens mit einem beheizten Kasten, der die beiden Spindeln umgibt. Das System nach Shah stellt eine unfiexible Beheizungseinrichtung dar, die nicht dazu verwendet werden kann, unterschiedliche Streckinkremente unterschiedlichen Temperaturen auszusetzen. Oh (M.S. Thesis, Tufts University, 1986) beschreibt eine flache, zwischen den Spindel befindliche Beheizungsplatte, die aufgrund der Tatsache, daß sie eben ist, keinen gleichmäßigen Kontakt mit allen Umschlingungen der Faser während ihres Durchgangs zwischen den Spindeln herstellen kann. Dies liegt daran, daß die einzelnen Faserwindungen im Übergangsbereich zwischen den Spindeln nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen, sondern stattdessen längs einer schwach verdrehten, dreidimensionalen oder hyperbolischen Fläche angeordnet sind.
Das hauptsächliche Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zum Strecken von Fasern in kleinen Inkrementen bereitzustellen, wobei die Faser in mehreren schraubenförmigen Windungen zwischen einer Anzahl von einen gegenseitigem Abstand aufweisenden Spindeln geführt ist, von denenjede längs einer Achse angeordnet ist, die sich quer zu den schraubenförmigen Windungen der darauf befindlichen Faser erstreckt und relativ zur Achse der jeweils anderen Spindel gekippt ist. Hierbei hat wenigstens die erste Spindel eine rotierende, die Faser tragende, äußere Oberfläche, deren Radius sich entlang der Spindelachse um diskrete Sprünge (Zu- oder Abnahmen) verändert, so daß einzelne Mikroterrassen gebildet werden, die die Faser jeweis mittels Reibkontakt erfassen. Die die Faser tragenden Oberflächen bestehen aus einer zylindrischen Fläche, im allgemeinen vom Rohkontakt, gefolgt von einer Anzahl diskreter, sich über den Umfang erstreckender Mikroterrassen mit unterschiedlichen Radien, die im wesentlichen zur Drehachse der Spindel parallel sind, und wobei die die Faser tragenden Oberflächen eine jede schraubenförmige Windung der Faser tragen und dabei im wesentlichen keine axial gerichtete Spannung bzw. Zwang durch die erste Spindel auf die Faser übertragen. Jede Mikroterasse auf der genannten, die Faser tragenden Oberfläche einer jeden Spindel wird zumindest mit einer entsprechenden Umschlingung der Faser während des Streckvorgangs in Berührung gebracht. Dabei können zwei oder mehr Fasern gleichzeitig auf den Spindeln gestreckt werden.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte, mit Mikroterrassen versehene Streckspindel zu schaffen, deren Mikroterrassen so bemessen sind, daß sie den spiralförmigen Weg, den die Faser beim inkrementweisen Strecken durchläuft, stabilisieren und den stabilen spiralförmigen Weg unempfindlich gegenüber Schwankungen der Spannung oder der axialen Position der Faser, die gerade gestreckt wird, zu machen, und wobei die Anzahl dieser Mikroterrassen entweder gleich oder kleiner als die Anzahl der Linienkontakte ist, die die Faser mit der Spindel herstellt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, verbesserte, mit Mikroterrassen versehene Streckspindeln zu schaffen, wobei jede dieser Mikroterrassen ein bestimmtes Streckinkrement bei jedem Durchgang zwischen den Spindeln auf die Faser ausübt und wobei jede der Mikroterrassen eine maximale axiale Erstreckung oder Breite aufweist, die in Bezug auf das genannte, bestimmte Streckinkrement bzw. in Abhängigkeit davon festgelegt ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Spindel zu schaffen, deren Anzahl an Mikroterrassen auf der Oberfläche minimiert ist. Dadurch, daß die Komplexität der Spindeloberflächen reduziert wird, werden auch die Kosten der Spindel gesenkt, und Beheizungselemente können ins Innere der Streckwalze eingelegt werden, so daß sie mit den Mikroterrassen zusammenfallen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Spindelanordnung zu schaffen, bei der die vorstehend genannten Ziele erreicht werden und die so ausgelegt ist, daß sie relativ kostengünstig herzustellen und zusammenzubauen ist.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung besteht darin, eine flexible Steuerung des Streckverhältnisses bereitzustellen, wenn mit Mikroterrassen versehene Streckwalzen eingesetzt werden.
Weitere Ziele bestehen darin, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum Spinnen und Strecken von aus einem Gel gesponnenen Fasern und von Flüssigkristallfasern bereitzustellen und die mechanischen Eigenschaften von bestimmten künstlich hergestellten Fasern zu verbessern.
Diese und verschiedene andere Vorteile und Neuheitsmerkmale, die die Erfindung kennzeichnen, sind insbesondere in den beigefügten Ansprüchen beschrieben, die einen Teil dieser Patentschrift bilden. Zum besseren Verständnis der Erfindung und der durch ihre Verwendung erzielten Vorteile und erreichten Ziele sollte auf die Zeichnungen Bezug genommen werden, die ebenfalls einen Teil dieser Patentschrift darstellen, und auf die folgende Beschreibung, in der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert und beschrieben ist.
Für ein weitergehendes Verständnis der Eigenart und der Ziele der vorliegenden Erfindung ist auf die folgende, detaillierte Beschreibung Bezug zu nehmen, die zusammen mit den beigefügten Zeichnungen zu sehen ist, welche die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutern.
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen durchweg auf einen ähnlichen Aufbau.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Paar in Bezug zueinander gekippter, inkrementweise arbeitender Streckspindeln in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, wobei der Verkippungswinkel der Achsen der Streckspindeln gezeigt ist;
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht eines Paars von zueinander passenden, in Bezug zueinander gekippten, inkrementweise wirkenden Streckspindeln in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein Paar in Bezug zueinander gekippter, inkrementweise wirkender Streckspindeln, bei denen mehr als eine Faser auf jeder Mikroterrasse entlanggeht, wobei einige Fasern auf unterschiedlichen Mikroterrassen auf die Streckspindeln auflaufen;
Fig. 4 zeigt eine Ansicht eines Paars in Bezug zueinander gekippter, inkrementweise wirkender Streckspindeln, bei denen eine Faser eine oder mehrere Windungen auf jeder Mikroterrasse ausführt;
Fig. 5 zeigt eine teilweise weggeschnittene Ansicht eines Streckkegels mit segmentierten, differentiell beheizten Mikroterrassen;
Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht eines Paars von mit Mikroterrassen versehenen Spindeln, wobei eine Spindel eine Verlängerung zum Quentschen oder Spannungsfreimachen aufweist;
Fig. 7 zeigt eine stimseitige Ansicht auf mit Mikroterrassen versehene Spindeln mit zwischen den Spindeln liegenden Beheizungselementen;
Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht von mit Mikroterrassen versehenen Spindeln und von mit Terrassen versehenen, zwischen den Spindeln angeordneten Beheizungselementen;
Fig. 9 zeigt in Seitenansicht, wie Flüssigkristallfasern auf mit Mikroterrassen versehenen Spindeln nachträglich gestreckt werden, wobei die Spindeln ein außenliegendes Versteifungsgestänge sowie zwischen den Spindeln angeordnete Beheizungselemente aufweisen;
Fig. 10 zeigt eine Seitenansicht von mit Mikroterrassen versehenen, inkrementweise wirkenden Streckspindeln, die in Tandemanordnung mit zylindrischen Streckwalzen eingesetzt werden;
Fig. 11 zeigt einen Hochgeschwindigkeits-Spinnvorgang und ein inkrementweises Strecken auf mit Mikroterrassen versehenen Spindeln in Tandemanordnung mit zylindrischen Streckwalzen;
Fig. 12 zeigt mit Mikroterrassen versehene Spindeln mit einer koaxialen, leerlaufenden Rolle;
Fig. 13 zeigt mit Mikroterrassen versehene Spindeln, die dazu verwendet werden, aus Gel gesponnene Fasern während des Extrahierens, Trocknens und endgültigen Streckens inkrementweise zu strecken;
Fig. 14 zeigt eine IDP-Anordnung, bei der zwei Sätze von mit Mikroterrassen versehenen Streckwalzen in kaskadenartiger Anordnung mit zwischen den Spindeln liegenden Beheizungselementen und mit Mitteln zum Steuern der Faserübergangspunkte vom ersten zum zweiten Satz verwendet werden;
Fig. 15 zeigt einen gleichzeitigen, inkrementweisen Streckvorgang von mehrfach gesponnenen Fasern, die miteinander kombiniert werden, um ein einzelnes, schweres Faserseil zu erzeugen.
Wie aus Fig. 1 und 2 hervorgeht, weist ein Paar verbesserter Spindeln 10 und 20 zum inkrementweisen Strecken eine verbesserte Oberflächentopographie auf. Man erkennt, daß die Faser 5 um eine erste oder obere Spindel 10 und zweite oder untere Spindel 20 mit Achsen 11 und 21 herumgeschlungen ist. In Fig. 1 stellt φ den weiter unten definierten Verkantungswinkel zwischen den Spindelachsen dar. Die Spindeln können von einem der Enden her angetrieben sein, werden allerdings vorzugsweise von dem Ende mit kleinem Durchmesser her angetrieben.
Auf solchen verbesserten Streckspindeln 10 und 20 mit vorab eingestellten Eingangsdurchmessern 12 und 22, Ausgangsdurchmessern 13 und 23 und einem gegebenen Verkippungswinkel φ ist die axiale Längenabmessung einer jeden Mikroterrasse in eindeutiger Beziehung mit der Größe des Streckinkrements an diesem Durchgang zwischen den Spindeln verbunden. Ein Merkmal der verbesserten Oberflächentopographie besteht darin, daß jede der axialen Längenabmessungen oder Breiten der Mikroterrassen (2a, 2b... 2i auf Spindel 10 und 2a', 2b' auf Spindel 20) dem entsprechenden Steigungsmaß pi (3a, 3b... 3i auf Spindel 10) und pi' (3a', 3b' ... 3i' auf Spindel 20) des schraubenförmigen Wegs entspricht oder diesem näherungsweise gleich ist, den die Fasern 5 durchläuft, wenn sie zwischen den mit Mikroterrassen versehenen Streckspindeln 10 und 20 vor- und zurückläuft Die Steigung ist die axiale Entfernung zwischen der Faser, die auf einer Mikroterrasse aufliegt, und der Faser, die auf der vorangehenden Mikroterrasse auf der gleichen Spindel aufliegt.
Wie Fig. 1 und 2 zeigen, sind die Stufen 98 zwischen den Mikroterrassen als ebene, ringförmige Flächen dargestellt, die senkrecht zur Drehachse verlaufen. Diese Stufen bzw. Übergänge zwischen Mikroterrassen können auch gekrümmt sein und eine längliche S-Form annehmen, die leicht in Richtung des Schraubenfortschritts geneigt ist.
Das Steigungsmaß pi ist durch die Gleichung gegeben:
pi = [(DIi + cosφ) ri - aisinφ]sinφ [Gleichung (1)]
Gleichung (1) gibt an, wie einer Mikroterasse einer inkrementweise wirkenden Streckspindel zum Ausführen eines gegebenen Streckinkrements eine optimale axiale Längenabmessung gegeben werden kann. Sie unterscheidet sich daher wesentlich von Gleichungen, die durch Sussman (Fiber World, S. 58-62, April 1985; Proceedings International Symposium on Fiber Science and Technology, S. 228, Hakone, Japan, 1985, Proceedings Fiber Producer Conference S. 6B-5 - 6B-9, Greenville, South Carolina, 1986) und eine wissenschaftliche Arbeit von Sussman's Student Shah (Tufts University, 1976) veröffentlicht worden sind, die lediglich die Steigung einer Faserwendel auf einer konischen Spindel mit einem inneren Konuswinkel beschreiben.
In Gleichung (1) ist φ der Verkippungswinkel von einen deutlichen Abstand aufweisenden Spindelachsen, wie er in der Position nach Fig. 1 längs einer Linie gemessen ist, die zu beiden Spindelachsen senkrecht verläuft;
a&sub1; ist die axiale Entfernung zwischen dem Schnittpunkt 4 der Spindelachsen 11 und 21 in der obengenannten Projektion und dem ersten Schnittpunkt der Faser mit der oberen oder ersten Spindelachse;
ai ist die axiale Entfernung zwischen dem Schnittpunkt 4 der Spindelachsen und dem i-ten Schnittpunkt der Faserumschlingung mit der ersten oder oberen Spindelachse in der obengenannten Projektion. ai hängt von a&sub1; in folgender Weise ab: [Gleichung (2)]
pi ist die axiale Steigung oder der Abstand, wie er auf der Spindelachse zwischen aufeinanderfolgenden Schnitten von Faserumschlingungsabschnitten mit der ersten oder oberen Spindelachse gemessen wird, bzw. der axiale Längenunterschied zwischen ai+1, und ai;
ri ist der Radius der oberen oder ersten, mit Mikroterrassen versehenen Spindel beim axialen Abstand ai; (Produkt aus allen Streckinkrementen, DI und DI', die der Mikroterrasse ri vorangehen);
r&sub1; ist der Radius der Spindel am Punkt des ersten Kontakts bzw. die Hälfte des Durchmessers 12;
DIi ist das Streckverhältnisinkrement, dem eine Faser unterliegt, wenn sie sich von der ersten Spindel 10 zu der zweiten Spindel 20 bewegt, an der Mikroterrasse i mit Radius ri und an der Position ri; sie ist gleich dem Verhältnis des Radius der Mikroterrasse, die die Faser aufnimmt, die die Mikroterrasse 1 verläßt, zu dem Radius der Mikroterrasse, von der die Faser kommt, oder DIi=r'i/ri. DI ist normalerweise größer als 1, kann aber gelegentlich kleiner als 1 sein, um eine kontrollierte Kontraktion oder Relaxation der Faser zuzulassen.
Die Steigung der Faserwendel auf der zweiten, mit Mikroterrassen versehenen Spindel, mit der die Faser beim inkrementweisen Strecken in Kontakt kommt, ist normalerweise leicht unterschiedlich gegenüber der Steigung auf der ersten Spindel und ergibt sich aus Gleichung (3):
pi = [DI'i + cosφ)r'i - a'isinφ]sinφ [Gleichung (3)]
wobei sich die gestrichenen (') Symbole auf die gleichen Größen wie in Gleichung (1) beziehen, aber bezüglich der zweiten Spindel 20, mit der die Faser in Kontakt kommt. DI'i ist gleich (ri+1)/r'i und bedeutet das Streckungs- oder Verlängerungsinkrement, dem eine Faser unterworfen ist, die die untere oder zweite Spindelterrasse bei a'i verläßt und sich zur ersten oder oberen Spindel bewegt. a'i hängt mit a'&sub1; wie folgt zusammen: [Gleichung (4)]
wobei a'&sub1; seinerseits mit al folgendermaßen zusammenhängt:
a'&sub1; = a&sub1;cosφ + r&sub1;sinφ [Gleichung (5)]
Aus dem Vorstehenden ergibt sich deutlich, daß die axiale Abmessung 2i oder 2i' einer jeden Mikroterrasse mit der Position der Mikroterrasse auf der Spindelachse in einer Weise variiert, wie sie durch die obigen Gleichungen angegeben ist. Als Folge der Entsprechung der axialen Abmessung der Mikroterrassen zur Steigung der Faserwendel liegt jede der aufeinanderfolgenden Umschlingungen der Faser nur auf einer der aufeinanderfolgenden Mikroterrassen und führt nur einen Umfangssegment-Linienkontakt bzw. eine Umschlingung auf dieser Mikroterrasse aus, sobald das Produkt aus DIi und DI'i nicht gleich 1 ist, so daß die Anzahl von Mikroterrassen auf einer Spindel im allgemeinen geringer ist als die Anzahl von Umfangssegment- Linienkontakten, die die Faser auf der Spindel ausführt, wie Fig. 1 und 2 zeigen. Auf einem optimal ausgelegten Satz von mit Mikroterrassen versehenen Spindeln entsprechen im allgemeinen die axialen Abmessungen oder Breiten der Mikroterrassen auf einer Rolle der Schraubenliniensteigung auf dieser Rolle und brauchen daher auf beiden Spindeln nicht miteinander übereinzustimmen. Zusätzlich kann, wie Fig. 1 und 2 zeigen, die Anzahl von Mikroterrassen auf jeder Spindeln unterschiedlich sein. In Fig. 1 und 2 hat die erste Spindel fünf (N) Mikroterrassen, während die zweite vier (N-1) aufweist.
Diese Verbesserung bringt erhebliche Vorteile mit sich. Zunächst wird der Aufbau der Spindeln durch Verminderung der Anzahl der Terrassen vereinfacht. Jede Mikroterrasse kann eine maximale axiale Erstreckung oder Breite aufweisen, wodurch die Stabilität des schraubenförmigen Faserverlaufs gegenüber seitlichen Störungen verbessert wird. Als wichtigster Punkt ermöglicht es die vergrößerte axiale Breite der Mikroterrassen, eine Anzahl von einzelnen Fasern gleichzeitig (wie Fig. 3 und 15 zeigen) auf einem einzelnen Spindelsatz zu strecken, wodurch die Produktivität des Vorgangs um ein Vielfaches verbessert wird. Die axialen Abmessungen 2i können von etwa 0,2 cm bis über 10 cm betragen.
Weitere Merkmale der verbesserten Topographie der mit Mikroterrassen versehenen Spindel bestehen darin, daß die Flächen des ersten Faserkontakts 2 und 2' eine axiale Erstreckung aufweisen, die mindestens gleich der axialen Erstreckung 2a der ersten Mikroterrasse auf dieser Spindel ist und vorzugsweise mehr als das zweifache dieser Abmessung beträgt, um einen zeitweiligen Speicherplatz auf der Spindel, von dem Punkt des ersten Faserkontakts nach innen gerichtet, für gerissene Umschlingungsabschnitte zu schaffen, die während des Streckens gelegentlich auftreten können. Solche gebrochenen bzw. gerissenen Umschlingungsteile der Faser können leicht zu diesem Speicherplatz einwärts der ersten Mikroterrasse geschoben werden, ohne die Spindeln und den inkrementweisen Streckvorgang anzuhalten. Ein erhabener Absatz 101 ist auf der Antriebswellenseite der Flächen 2 und 2' angeordnet, um zu vermeiden, daß die Faser auf den Antriebsmechanismus wandert. Eine ortsfeste zylindrische Abdeckung bzw. ein Reifen 102 verhindert das Auflaufen der Faser auf die Antriebswelle und den zugehörigen Mechanismus.
Fig. 3 zeigt das Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines einzelnen Satzes der mit Mikroterrassen versehenen, inkrementweise arbeitenden Streckspindeln mit mehrfachen getrennten Fasersätzen, so daß jede dieser Fasern gleichzeitig, aber dennoch getrennt gestreckt wird. In Fig. 3 sind zwei getrennte Sätze von Fasern 5a, 5b dargestellt, die auf ein Paar von mit Mikroterrassen versehenen, inkrementweise wirkenden Streckspindeln auflaufen, bei denen die axialen Abmessungen der Terrassen 2a, 2b... 2i im wesentlichen gleich der Steigung 3i der Schraubenlinie der Faser 5a sind, die zuerst mit der Oberfläche der Streckspindel an einem Punkt in Kontakt kommt, der näher am Schnittpunkt 4 der Achsen als der entsprechende Punkt der anderen Fasern 5b liegt, die gleichzeitig verarbeitet werden. Die Anzahl der Mikroterrassen auf einer gegebenen Spindel ist im allgemeinen gleich der Anzahl der spiralförmigen Umschlingungen einer individuellen Faser auf der mit Mikroterrassen versehenen Spindel. Beim Verlassen der letzten Mikroterrasse kann jede der Fasern 5a, 5b zur weiteren Verarbeitung getrennt abgenommen werden, oder sie können zur Bildung einer einzelnen, schwereren Faser kombiniert werden.
Zum Betrieb mit mehrfachen Fasern ist die Verwendung von Einlaufplazierungsmitteln wie etwa von Führungen 9, die in Fig. 3 dargestellt sind, höchst zweckmäßig. Die Führungen legen den Ort der Punkte des ersten Kontakts einer jeden Faser auf den mit Mikroterrassen versehenen Streckwalzen fest, ebenso wie die anfänglichen, trennenden Abstände 31 der einlaufenden Fasern voneinander. Dieser anfängliche Trennungsabstand muß ausreichend groß sein, um die geringfügige Verminderung des Abstands zuzulassen, die bei jedem nachfolgenden Durchgang zwischen den Spindeln auftritt. Die Plazierungseinrichtung 9 legt auch die Abfolge der einzelnen unterschiedlichen Fasern auf der Mikroterrassenfläche fest, auf der der erste Kontakt stattfindet. Sobald die Reihenfolge der getrennten Fasern relativ zueinander durch die Einlauf-Plazierungseinrichtung 9 festgelegt ist, wird diese Abfolge während des weiteren Streckvorgangs auf jeder Mikroterrasse ohne Zuhilfenahme weiterer Führungen beibehalten. Als Folge können die einzelnen Fasern zum Bündeln oder zur weiteren Verarbeitung getrennt werden, wenn sie die Streckvorrichtung verlassen.
In Fig. 3 sind lediglich zwei Fasern am anfänglichen Einlauf dargestellt. Es können wesentlich mehr Fasern gleichzeitig gestreckt werden. Die Anzahl der gestreckten Fasern wird lediglich durch die Anzahl begrenzt, die nebeneinander auf der ersten oder schmalsten Mikroterrasse liegen können. Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform für das Eintritts-Plazierungsmittel bzw. die Führungen 9, wobei diese Führungen Rollen sein können, die die Abfolge und den anfänglichen Abstand der Fasern festlegen. Alternativ können die Führungen ein gegeneinander versetztes Feld von keramischen Schlitzen oder Zähnen sein.
Fig. 3 zeigt weiterhin, daß mehrere Fasern auf dem gleichen Paar inkrementweise wirkender Streckwalzen differentiell gestreckt werden können. Als Beispiel tritt die Faser 5c mit der oberen Streckwalze zuerst auf einer Mikroterrasse mit größerem Durchmesser in Kontakt, als dies bei den Fasern 5a und 5b der Fall ist. Als Folge wird die Faser 5c in einem geringeren Ausmaß oder auf ein kleineres Streckverhältnis gestreckt als die Fasern, die früher mit den Streckspindeln in Kontakt treten. Wenn zwei oder mehrere Fasern in den inkrementweisen Streckvorgang eintreten, so daß deren erster Kontakt auf den Spindeln auf unterschiedlichen Mikroterrassen stattfindet, werden die Abschnitte der Faser, bei denen ein früherer Kontakt stattfindet, in einem größeren Maße gestreckt als die Abschnitte, bei denen ein späterer Kontakt stattfindet. Die längs der Linien 5a und 5b laufenden Fasern kommen mit der Spindel vor der ersten Mikroterrasse in Berührung und werden in einem größeren Maße gestreckt als die Faser 5c, die mit der Spindel auf einer mittleren Mikroterrasse in Kontakt kommt.
Die unterschiedlich bzw. differentiell gestreckten Fasern 5a und 5c können zu einer einzelnen Faser 60 kombiniert werden. Die Komponentenfasern einer solchen Verbundfaser neigen dazu, in leicht unterschiedlichem Maße zu schrumpfen, so daß eine derartige Verbund- bzw. Mehrfachfadenfaser ein großes Volumen und große Fülligkeit aufweist, wenn sie anschließend gekräuselt und wärmebehandelt wird.
Der Vorgang des differentiellen Streckens ist in Fig. 3 erläutert, wobei eine Faser 5c auf ein Paar inkrementweiser Streckwalzen aufläuft und den ersten Kontakt mit der Walzenoberfläche auf einer Mikroterrasse mit größerem Durchmesser ausführt, als dies bei den mit 5a und 5b bezeichneten Fasern der Fall ist. Bei Punkt 61 werden die stärker gestreckten Fasern 5a und die weniger stark gestreckten Fasern 5c zu einer einzelnen, schwereren Faser 60 kombiniert. Aus den vorstehenden Darlegungen ist ersichtlich, daß zahlreiche Arten und Kombinationen differentieller Streckung von Fasern auf einem gegebenen Satz von inkrementweise wirkenden Streckwalzen möglich sind. Die Fasern können nicht nur auf unterschiedlichen Mikroterrassen auflaufen, wie in Fig. 3 dargestellt ist, sondern können auch auf die gleiche Mikroterrasse auflaufen und von unterschiedlichen Mikroterrassen ablaufen, um bei gleichzeitig gestreckten Fasern unterschiedliche Streckverhältnisse zu erzielen.
Fig. 1, 2 und 3 und die vorangehenden Absätze beschreiben rotierende, mit Mikroterrassen versehene Streckspindeln, bei denen die Anzahl der Terrassen auf jeder Spindel gleich der Anzahl von Durchgängen oder spiralförmigen Umschlingungen ist, die die Faser auf diesen Spindeln ausführt. Bei dieser Anordnung tritt der schraubenförmige Faserverlauf mit jeder Mikroterrasse nur einmal in Kontakt, mit dem Ergebnis, daß die durch die Faser gebildete Schraubenlinie und die Anzahl der Terrassen die gleiche Frequenz aufweisen. Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 4 ein inkrementweises Strecken mit mehrfachen Windungen bzw. Umschlingungen auf einigen der Mikroterrassen. Für einen beliebigen Satz von Spindeln sind zahlreiche Kombinationen von mehrfachen Umschlingungen möglich.
Wenn mit rutschigen Fasern oder mit großen Streckinkrementen gearbeitet wird, oder wenn es zweckmäßig ist, Wärmeaushärtung und Relaxation zu verstärken oder die Fasern in sonstiger Weise während ihrer Streckdurchläufe über die Spindeln zu behandeln, um beispielsweise Fasern mit geringer thermischer Schrumpfung herzustellen, ist es vorteilhaft, Streckspindeln zu entwerfen, bei denen die Terrassen mit einer geringeren Häufigkeit als die schraubenförmigen Windungen auftreten, so daß die Faser 5 mit allen oder einigen Mikroterrassen zwei oder mehrere Male in Kontakt kommt, wenn sie eine andere Fläche als die ursprüngliche, tragende Fläche berührt. Zu Fig. 4 sei bemerkt, daß die Faser 5 zweimal über die Mikroterrassen 13 und 15 und nur einmal über die Terasse 16 und 17 läuft. Die Spindeln können so aufgebaut sein, daß die Anzahl der Mikroterrassen beträchtlich geringer ist als die Anzahl der Umschlingungen der Faser auf den inkrementweisen Streckspindeln. Wenn die inkrementweise gestreckte Faser 5 auf einer Mikroterrasse 2 Umschlingungen ausführt, wird der Reibungswiderstand gegenüber Durchrutschen bei jedem Streckinkrement vergrößert, und die Aufenthaltszeit und Relaxationszeit wird in den Streckzonen vergrößert. Selbstverständlich sind im Rahmen dieses Prinzips des "asynchronen Anordnens der Terrassen" zahlreiche unterschiedliche Kombinationen der Faserumschlingung auf einzelnen Streckterrassen möglich. Die asynchrone Anordnung der Terrassen kann auch mit differentiellem Strecken kombiniert werden. Um eine asynchrone Anordnung der Terrassen zu erzielen, wird der Satz DIi, der für ein verbessertes Paar von mit Mikroterrassen versehenen Walzen spezifiziert ist, aufeinanderfolgende Werte der Streckinkremente erhalten, d.h. aufeinanderfolgende Werte von DIi und DI'i oder DI'i und DIi+1, deren Produkte überall dort gleich 1 sind, wo zwei aufeinanderfolgende Umschlingungen einer Faser auf der gleichen Mikroterrasse aufliegen.
Fig. 5 zeigt eine verbesserte Einrichtung, um einer rotierenden, mit Mikroterrassen versehenen Streckspindel einen Temperaturgradienten aufzuprägen, wobei jede Mikroterrasse oder Gruppe von Mikroterrassen mit einer getrennt steuerbaren Beheizungseinrichtung versehen ist. Die mit Mikroterrassen versehene Walze kann eine Verbundanordnung sein, die aus kreisförmigen Segmenten von leitendem Material 36 aufgebaut ist, von denen jedes gegenüber den daran anstoßenden Segmenten mit einer dünnen Schicht einer thermischen Isolierung 37 isoliert ist. Wo besonders große Temperaturunterschiede zwischen aneinanderstoßenden Segmenten erforderlich sind, sind auf den zusammengehörigen, aneinandergrenzenden Segmenten radiale, mit Rippen versehene Luftdurchgangswege 38 ausgebildet, so daß die Kontaktfläche der aneinandergrenzenden Segmente vermindert wird. Ein Luftdurchgangsweg 38 kann auch dazu verwendet werden, die schnelle Strömung von Luft zwischen den Segmenten zu fördern, wodurch der Wärmestrom von einem wärmeren zu einem kälteren Walzensegment vermindert wird, wodurch Temperaturunterschiede von bis zu 100ºC zwischen aneinandergrenzenden Segmenten stabil aufrecht erhalten werden können. Die Segmentierung wird üblicherweise so ausgeführt, daß sie mit dem Rand einer Mikroterrasse zusammenfällt, wobei die Ausgangsseite der Terasse 39 in die größere, benachbarte Mikroterrasse eingesetzt wird, so daß die Fuge zwischen den Segmenten abgedeckt ist, so daß sich darin keine Fasern, die verarbeitet werden, verfangen. Geeignete Bolzen- oder Spannmittel sind vorgesehen, um die Anordnung zusammenzuhalten.
Fig. 5 erläutert weiter die Anordnung der Beheizungseinrichtung 40 in einem segmentierten Streckkörper. Drehbare oder ortsfeste, wärmeentwickelnde Elemente sind entlang der Achse der Streckwalze angeordnet oder sind an der Innenfläche einer mit Mikroterrassen versehenen Streckspindel fixiert, die im wesentlichen hohl ist und Wärme an die jeweils individuelle Temperaturen aufweisenden Segmente der Streckwalze abgibt. Die Beheizungseinrichtung kann elektrisch aktiviert sein, d.h. daß die Segmente induktiv oder über einen Widerstand beheizt sind, oder sie können mit Dampf oder mit einem sonstigen heißem Fluid versorgt werden. Die kühleren Segmente können entweder getrennt aktiviert werden, oder sie können durch Wärme aktiviert werden, die von den heißeren Segmenten abgeleitet wird.
Fig. 6 zeigt eine Anordnung von mit Mikroterrassen versehenen, inkrementweise wirkenden Streckspindeln, die ein Quenchen, Spannungsfreimachen oder Wärmeaushärten der frisch gestreckten Faser 5 ermöglicht. In Fig. 6 sind die Spindeln so angeordnet, daß die erste Spindel 10 erwärmt wird und die zweite Spindel 20 nicht. Alternativ können aber auch beide Spindeln erwärmt werden. Eine koaxiale Verlängerung 23 einer Spindel (der Spindel 20 in der Darstellung) weist ein luftgekühltes, zylindrisches, nicht mit Mikroterrassen versehenes Verlängerungssegment auf, das an die mit Terrassen versehene Spindel anstößt. Das nicht mit Terrassen versehene Segment weist Luftdurchlässe 38 auf seiner an die Spindel anstoßenden Stimseite auf, um eine radiale Luftströmung durch den Anschluß der Segmente zu unterstützen. Eine freilaufende Abstandsrolle 41 ist in der Nähe der Verlängerung angeordnet, so daß eine große Anzahl von dicht nebeneinander verlaufenden Unschlingungen der Faser auf der Verlängerung untergebracht werden kann, wobei diese Anzahl unabhängig von der Anzahl der Umschlingungen und von der Steigung der Faserschraubenlinie auf dem mit Terrassen versehenen Abschnitt auf der Spindel ist. Diese Anordnung sorgt für eine verlängerte Aufenthaltszeit der Faser auf der zylindrischen Verlängerung der Spindel und ermöglicht das Quenchen einer warmen, gestreckten Faser auf kompaktem Raum und auf dem gleichen Spindelantrieb, der für das Strecken eingesetzt wird. Die Anordnung kann auch zum Spannungsfreimachen und Wärmeaushärten einer Faser verwendet werden, indem eine geeignete Beheizungseinrichtung auf der Verlängerung der Walze angebracht wird.
Fig. 7 und 8 erläutern ein Verfahren zum Herstellen von Fasern mit hoher Orientierung und hohem Streckverhältnis, indem eine Beheizungseinrichtung 27 im Zwischenraum zwischen den Spindeln angebracht wird, so daß die Temperatur der Faser an jedem Durchlauf zwischen den Spindeln gesteuert werden kann. Zwischen den Spindeln angebrachte Beheizungseinrichtungen 27 können gemeinsam mit oder auch ohne beheizte Spindeln, wie oben angesprochen, verwendet werden. Sie können an jedem Durchgang zwischen den Spindeln, auf abwechselnden Durchgängen oder in unterschiedlichen Kombinationen eingesetzt werden. Die Beheizungseinrichtungen zwischen den Spindeln können Strahlungswärme abgeben, d.h. Infrarot- oder Mikrowellenenergie an die Fasern abgeben, ohne die Fasern zu berühren, oder sie können die Wärme durch Berührung abgeben, wobei sie dann eine konvexe Fläche 28 und vorzugsweise eine hyperbolische, konvexe Oberfläche aufweisen, über die die Faser bei ihrem Durchgang zwischen den Spindeln hinweg gleitet. Eine weitere bevorzugte Topographie für eine durch Berührung Wärme übertragende, zwischen den Spindeln angeordnete Oberfläche ist in Fig. 8 dargestellt und zeigt eine mit Terrassen versehene Fläche, wobei die Terrassenabmessung 71 in einer zur Bewegungsrichtung der Fasern senkrechten Richtung gleich der axialen Länge 2i' der Terrasse auf der Spindel ist, auf die sich die Faser 5 zu bewegt, und wobei die Beheizungsfläche 79 und die Spindelterrasse eine gemeinsame Tangentialebene aufweisen, in der auch die Faser liegt, die sich von der Beheizung zur Spindelterrasse bewegt. Eine noch weiter bevorzugte Form für die zwischen den Spindeln befindliche Beheizungseinrichtung besteht in einem leicht verwundenen Band bzw. einer hyperbolischen Fläche 73, deren Einlaufkante 74 parallel zu der Terrasse der Spindel liegt, von der die Faser kommt, und deren Auslaufkante 72 parallel zu der Terrasse ist, auf die die Faser aufläuft.
Die zwischen den Spindeln befindlichen Beheizungseinrichtungen ermöglichen, daß die Faser in jeder Stufe des inkrementweisen Streckens einer unterschiedlichen Beheizungstemperatur ausgesetzt wird. Daher ist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Beheizungseinrichtung so aufgebaut, daß sie mit Terrassen versehene Oberflächen aufweist, deren aneinanderstoßende Abschnitte gegeneinander isoliert sein können, wobei jedes einzelne, als Terrasse ausgeführte Segment mit einer unabhängig steuerbaren Wärmequelle versehen sein kann, wie etwa mit einem elektrischen Beheizungselement und einem Temperatursensor, z.B. mit einem Thermoelement oder einem Thermistor.
Die Verwendung von zwischen den Spindeln befindlichen Beheizungszonen ist besonders effektiv bei der Herstellung von Fasern, die zu sehr hohen Streckverhältnissen gestreckt werden, und von Fasern, die ungewöhnlich hohe Niveaus von molekularer Orientierung aufweisen. Bei herkömmlichen Streckverfahren werden die Grenzen des Streckverhältnisses durch Spannungen bestimmt, die sich in den Bindungsmolekülen konzentrieren, die zwischen molekularen Kristalliten gestreckt werden, wenn die Faser verlängert wird. Diese Bindungsmoleküle und die Fasern brechen auseinander, wenn diese Spannungskonzentrationen zu stark ansteigen (Prevorsek C. et al. J. Master. Sci. 12, 2310- 2328 (1977). Zwischen den Spindeln angeordnete Beheizungseinrichtungen, die gemeinsam mit dem inkrementweisen Strecken eingesetzt werden, ermöglichen, daß die in den Bindungsmolekülen konzentrierten Spannungen in jeder inkrementweisen Streckstufe dissipiert werden, wodurch eine Ansammlung von Spannungen vermieden wird, und wodurch eine weitere Verlängerung der Bindungsmoleküle ermöglicht wird und ungewöhnlich hohe Strekkenverhältnisse und ein hoher Grad an molekularer Orientierung erzielt werden kann. Die Wirksamkeit dieses periodischen Spannungsabbaus wird durch relativ lange Beheizungszonen zwischen den Spindeln vergrößert, insbesondere beim Verarbeiten von Fasern bei Geschwindigkeiten von mehr als 1000 m in der Minute. Zwischen den Spindeln angeordnete Beheizungszonen können sich in der Länge von weniger als 2 cm bis über 5 m bewegen, wobei aber ein bevorzugter Längenbereich etwa 0,5 bis 1,5 m beträgt.
Die Temperaturen der zwischen den Spindeln angeordneten Beheizungseinrichtungen verändern sich je nach der Natur des Polymers, das die zu verarbeitende Faser bildet, und je nach der Verarbeitungsgeschwindigkeit. Die Temperatur auf allen zwischen den Spindeln angeordneten Beheizungseinrichtungen kann die gleiche sein oder einem Profil folgen, das durch ein Maximum oder ein Minimum gehen kann. Für die Herstellung von Fasern mit hohem Modul steigt das bevorzugte Temperaturprofil monoton mit dem Ausmaß der Streckung an, wobei die am Anfang liegenden, zwischen den Spindeln befindlichen Beheizungseinrichtungen bei einer Temperatur von etwa 5ºC oberhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) des Polymers, welches gerade gestreckt wird, liegen, und die am Ende liegenden Beheizungseinrichtungen bei einer Temperatur von etwa 10ºC unterhalb des Klebe- oder Schmelzpunkts der vollständig gestreckten Faser.
Die Steuerung bzw. Einstellung der Abstände der Spindeln voneinander dient als Mittel zum Steuern bzw. Einstellen der zeitlichen Dauer des Durchlaufs einer Faser zwischen den Spindeln und somit der Zeit für den Spannungsabbau in der Faser und dessen Ausmaß.
Aramidfasern werden im allgemeinen durch Spinnverfahren hergestellt, wie sie im US-Patent 3,671,542 (1972), erteilt an Kwolek, und dem US-Patent 3,869,430 (1974), erteilt an Blades, beschrieben sind. Diese Fasern und bestimmte andere bestehen aus langen, steifen, stangenartigen Polymermolekülen, die längs ihrer molekularen "Rückgrate" Benzolringe und polyaromatische Gruppen aufweisen, wobei diese Gruppen durch starre, unflexible chemische Bindungen aneinander gehalten werden. In Lösung bilden diese stangenartigen Moleküle geordnete Aggregate oder "flüssige Kristalle", die in Strömungsrichtung in hohem Maße ausgerichtet werden, wenn sie durch die Öffnungen einer Spinndüse extrudiert werden. Als Folge hiervon bilden Polymere aus flüssigen Kristallen außergewöhnlich feste Fasern, die sehr hohe Grade von molekularer Orientierung im gesponnenen Zustand aufweisen, ohne daß ein weiterer Streckvorgang erforderlich wäre.
Die Zugfestigkeit und insbesondere der Modul von gesponnenen flüssigkristallinen Fasern, wie z.B. von Aramidfasern, kann allerdings wesentlich vergrößert werden, indem sie in sehr kleinen Inkrementen gestreckt werden, so daß die Faserlänge insgesamt um einen Betrag von 3% bis 15% vergrößert wird, wobei beheizte, inkrementweise Streckwalzen verwendet werden. Zwischen den Spindeln angebrachte Beheizungsvorrichtungen, die mit einer Oberflächentemperatur in der Nähe oder oberhalb der Glasübergangstemperatur des Flüssigkristallpolymers arbeiten, stellen die bevorzugten Beheizungseinrichtungen dar. Das kleine Ausmaß der Streckung wird in inkrementellen Stufen ausgeführt, von denen jede etwa 0,2% bis etwa 3% beträgt, wobei vorzugsweise 3 bis etwa 12 inkrementweise Streckstufen bevorzugt werden. Wenn mit 12 Stufen gearbeitet wird, ist mit jeder Streckungsstufe ein durchschnittliches Streckinkrement von etwa 1,01 verbunden, so daß das gesamte Streckverhältnis (1,01)¹² oder 1,12 beträgt. Die Faser wird dann an weitere Walzen zum Spannungsfreimachen und Quenchen weitergeführt. Als Beispiel wurde eine Probe von DuPont "Kevlar 29" , eine "350 Denier Aramid"-Faser, um ein Paar von mit Terrassen versehenen, inkrementweise arbeitenden Streckwalzen geführt, deren minimaler bzw. maximaler Durchmesser ungefähr 4/13 betrug, wobei der maximale Durchmesser 33 cm betrug. Die Rollen hatten das in Fig. 9 dargestellte Aussehen. Die Faser 5 trat mit der ersten Spindel 10 am Punkt 7 in Kontakt, wobei sie drei Windungen auf der ersten Kontaktfläche 12 ausführte und dann weiter lief, wobei sie einen einzelnen Durchlauf auf jeder der nächsten fünf Mikroterrassen 15 bis 19 ausführte. Die sechste Terrasse weist einen Ablaufdurchmesser 13 auf und ist so breit, daß sie vier am Ende angeordnete, schraubenförmige Umschlingungen aufnimmt und als Stufe zum Spannungsfreimachen oder Wärmestabilisieren dient. Von hier aus geht die Faser zu einem Paar kalter Quenchwalzen 44 und dann zu einem nicht im einzelnen dargestellten Aufwickelpaket 41.
Um den hohen Kräften zu widerstehen, die erforderlich sind, um die Aramidfaser zu strecken, sind die inkrementweise arbeitenden Streckspindeln 10 und 20 durch ein Gestänge 46 stabilisiert, das zwei flexibel gehaltene Lagerungen 47 miteinander verbindet, die sich auf den frei auskragenden bzw. außenliegenden Enden der Streckspindelwellen 48 befinden. Das Gestänge 46 stabilisiert die Wellen 48 der Streckspindeln und verhindert, daß sie sich in Richtung zueinander durchbiegen. Die zwischen den Spindeln angebrachten, durch Kontakt wirkenden Beheizungseinrichtungen 27 werden auf einer gleichmäßigen Temperatur von etwa 270ºC gehalten. Aramidfasern, die auf diese Weise behandelt werden, zeigen einen Zuwachs an Reißfestigkeit von etwa 1% oder 2% und einen Zuwachs des Moduls von etwa 50% bis 70% gegenüber der unbehandelten Faser. Die prozentuale Dehnung beim Zerreißen sinkt auf etwa 2 bis 3% von einem Wert im unbehandelten Zustand von etwa 4%.
Eine Verbesserung der Zugfestigkeit und des Moduls kann auch bei Karbon- bzw. Graphitfasern erreicht werden, die aus Pech hergestellt werden, und insbesondere aus Polyacrylonitril (PAN)-Vorläuferfasern. Polyacrylonitril (PAN)-Vorläuferfasern für Kohlefasern und insbesondere Polyacrylonitril-Copolymer- Vorläuferfasern werden um bis zu 35% aufinkrementweise arbeitenden Streckspindeln verlängert, wobei zwischen den Spindeln angeordnete Beheizungseinrichtungen verwendet werden, die auf etwa 130ºC eingestellt werden. Eine derartige Verlängerung der Polyacrylonitril-Faser kann im allgemeinen mit herkömmlichen Streckverfahren nicht erreicht werden. Die Carbon- bzw. Graphitfasern, die aus den inkrementweise gestreckten Polyacrylonitril-Vorläuferfasern durch aufeinanderfolgende Verfahren zur normalen Wärmestabilisierungsoxidation und Graphitisierung hergestellt werden, haben eine höhere Zugfestigkeit und einen höheren Modul als die Carbon- bzw. Graphitfasern, die aus einer unbehandelten Vorläuferfaser hergestellt werden.
Carbon-Vorläuferfasern, die aus mesophasigem (flüssigkristallinen) Pech extrudiert werden, können inkrementweise gestreckt werden, während sie gerade stabilisiert werden, d.h. während sie wärmebehandelt werden, um die Vernetzung zu fördern, und während eine partielle Oxidation der Pechmoleküle erfolgt. Das inkrementweise Strecken vergrößert die Orientierung der thermotropischen Kristalle des Pechs und verbessert sowohl die Zugfestigkeit als auch den Zugmodul der fertigen Carbon- bzw. Graphitfaser. Eine ähnliche Behandlung durch inkrementweises Strecken während der Stabilisierung und der partiellen Oxidation einer Polyacrylonitril-Vorläuferfaser verbessert ebenso die Zugfestigkeit und den Modul von Carbon- bzw. Graphitfasern, die aus PAN hergestellt sind.
Als ein Beispiel für das inkrementweise Strecken einer Vorläuferfaser wird Pech in mesophasigem Zustand aus einer Schmelze in Form von Fasern extrudiert, die gequencht werden und mit geringer Geschwindigkeit einer Vorrichtung zugeführt werden, die aus einem Satz von inkrementweise arbeitenden Streckspindeln und aus einer doppelten Reihe von langen, zwischen den Spindeln angeordneten Beheizungseinrichtungen besteht, die vorzugsweise auf Strahlungs- oder Konvektionsbasis arbeiten. Die Spindeln brauchen nicht mit inneren Beheizungseinrichtungen versehen sein, da die Wärme für das Vernetzen, für die Oxidation und für das Strecken durch die zwischen den Spindeln angeordneten Beheizungseinrichtungen bereitgestellt wird. Die zwischen den Spindeln liegenden Beheizungseinrichtungen sind zur Luft hin offen und so angeordnet, daß die Fasertemperatur von etwa 200ºC beim ersten Durchlauf der Faser zwischen den Spindeln bis auf etwa 310ºC beim letzten Durchlauf zwischen den Spindeln ansteigt. Die Spindeln arbeiten bei einer niedrigen Drehzahl, so daß die Verweilzeit in der mit zwischen den Spindeln angeordneten Beheizungseinrichtungen versehenen Anordnung etwa 2 Stunden beträgt. Die Faser führt etwa 20 Umschlingungen um die inkrementweise arbeitenden Streckspindeln aus, die ein nichtlineares Streckungsinkrementprofil haben, so daß die Faser um etwa 3% bei ihrem ersten Durchlauf zwischen den Spindeln und nur um 0,2% bei ihrem letzten Durchlauf zwischen den Spindeln gestreckt wird, wobei das Streckverhältnis insgesamt etwa das Dreifache beträgt. Die Oberflächen der Spindeln und die zwischen den Spindeln liegenden Flächen können mit einer Keramik oder einem nicht klebenden Fluorcarbonkunststoff beschichtet sein.
Die Faser wird dann in einen Graphitisierungsofen befördert, der bei einer Temperatur von etwa 1900ºC und in einer Atmosphäre aus gasförmigem Stickstoff arbeitet. Die Faser hält sich zumindest 5 Minuten in der 1900ºC warmen Stickstoffatmosphäre auf. Fasern, die in dieser Weise hergestellt sind, weisen Zugfestigkeiten und Zugmodule auf, die 30 bis 50% höher sind als diejenigen von Fasern, die der gleichen Wärmebehandlung ausgesetzt werden, aber nicht inkrementweise gestreckt werden.
Glasfasern können ebenfalls auf Streckwalzen mit mehrfachen Terrassen inkrementweise gestreckt werden. Im Fall von Glasfasern ist es zweckmäßig, zwischen den Spindeln angeordnete, auf Strahlung basierende Beheizungseinrichtungen zu verwenden, wie etwa elektrische Beheizungselemente, die die Temperatur der Glasfaser auf deren minimale Erweichungstemperatur anheben. Starke Glasfasern mit einem Durchmesser von etwa 1 Mikrometer oder weniger können auf diese Weise bei hohen Geschwindigkeiten hergestellt werden. Die gestreckten Fasern müssen sofort mit einem Öl mit hohem Molekulargewicht oder mit einer Polymerbeschichtung beschichtet werden, um sie vor Feuchtigkeit und Rißbildung beim Gebrauch zu schützen.
Fig. 10 erläutert eine Verbesserung gegenüber der Lehre des US-Patents 3,978,192, die hierbei als "Tandemstrecken" bezeichnet wird. Die Verbesserung besteht darin, daß ein oder mehrere Sätze von nicht mit Terrassen versehenen, zylindrischen Streckwalzen 50 in Reihe mit den mit Mikroterrassen versehenen Streckwalzen angeordnet werden, wobei die zylindrischen Streckwalzen vor oder nach den mit Mikroterrassen versehenen Streckwalzen angeordnet sein können, in Laufrichtung der Fasern gesehen. Fig. 10 enthält eine schräge Ansicht der zylindrischen Streckwalzen 50. Wenn die zylindrischen Streckwalzen vor den mit Mikroterrassen versehenen Streckwalzen angeordnet sind, werden sie vorzugsweise oberhalb der Glasübergangstemperatur der Faser erwärmt, und sie arbeiten dann mit einer Oberflächengeschwindigkeit, die kleiner ist als die der ersten Mikroterrasse, mit der die Faser auf der mit Mikroterrassen versehenen Streckwalze in Kontakt kommt, so daß die Faser teilweise gestreckt ist, bevor sie auf die mit Mikroterrassen versehenen Walzen aufläuft. Alternativ oder zusätzlich können die zylindrischen Streckwalzen 50 in einer Tandemanordnung nach den mit Mikroterrassen versehenen Streckwalzen 10 und 20 angeordnet sein, wie dies Fig. 9 zeigt, wobei sie dann in dieser Position mit Oberflächengeschwindigkeiten arbeiten, die höher sind als die maximale Geschwindigkeit der Streckoberfläche 26 auf der mit mehrfachen Terrassen versehenen Walzen 20, so daß die Faser 5 nach dem Verlassen der mit Terrassen versehenen Streckwalzen eine zusätzliche Streckphase erfährt. Die zylindrischen Streckwalzen können mit oder ohne innenliegende Beheizungseinrichtungen ausgeführt sein.
Der wesentliche Vorteil der Tandemanordnung von mit Terrassen versehenen und zylindrischen Streckwalzen besteht darin, daß flexible und kleine Einstellungen des insgesamt erreichten Streckverhältnisses auf Werte des Streckverhältnisses möglich sind, die sich von denen unterscheiden, wie sie in die mit mehrfachen Terrassen versehenen Streckwalzen eingebaut sind. Wenn z.B. der minimale und maximale Durchmesser der Mikroterrassen auf den inkrementweise arbeitenden Streckwalzen drei Inch bzw. sechs Inch beträgt, bedeutet dies ein Verhältnis von 1:2; Streckverhältnisse, die um einen gebrochenen oder ganzzahligen Wert höher sind, werden dadurch erhalten, daß die Oberflächengeschwindigkeit der tandemartig angeordneten, zylindrischen Streckwalzen, die auf das inkrementweise Strecken folgen, entsprechend eingestellt wird, so daß sie bei demjenigen Mehrfachen der maximalen Oberflächengeschwindigkeit der Mikroterrasse laufen, die das gewünschte Gesamt-Streckverhältnis ergibt. Wenn z.B. ein Streckverhältnis von 2,46 erforderlich ist, arbeitet die zylindrische, tandemartige, nach der Streckwalze folgende Oberfläche mit einer Geschwindigkeit, die das 1,23-fache der Oberflächengeschwindigkeit der letzten Mikroterrasse 52 beträgt. In einem anderen Beispiel wird, wenn ein Streckverhältnis von 5,23 insgesamt erforderlich ist, die Oberflächengeschwindigkeit der tandemartig angeordneten, zylindrischen Streckwalze auf das 5,23/2 oder 2,615-fache der maximalen Oberflächengeschwindigkeit der letzten Mikroterrasse eingestellt. Alternativ können die Streckwalzen, die vor den mit Mikroterrassen versehenen Walzen angeordnet sind, mit einer Oberflächengeschwindigkeit betrieben werden, die geringer als die Geschwindigkeit der Oberfläche beim ersten Kontakt 51 auf den mit Mikroterrassen versehenen Spindeln ist, z.B. um einen Faktor von 1,75, und die danach angeordneten Zugspindeln können mit einer Oberflächengeschwindigkeit betrieben werden, die um einen Faktor von 1,494 größer ist als die der letzten Mikroterrasse 52, so daß das kombinierte Streckverhältnis der Tandemanordnung 1,75 x 2,0 x 1,494 oder 5,23 beträgt. Eine Veränderung der Einstellung der Geschwindigkeit der zylindrischen Streckwalzen in Tandemanordnung ist ein Vorgang, der wesentlich einfacher und flexibler vorgenommen werden kann als ein Auswechseln der zylindrischen Streckwalze 50 und insbesondere eine Veränderung der Durchmesser der mit Mikroterrassen versehenen Streckwalze 10 und 20.
Weitere sehr bedeutende Vorteile der Tandemanordnung von mit Mikroterrassen versehenen Streckwalzen sowie von zylindrischen Streckwalzen sind, daß sie ermöglichen:
(1) eine Verminderung der axialen Länge und des Gewichts der mit Mikroterrassen versehenen Streckwalzen ohne eine Verminderung der insgesamt vorhandenen Streckverhältnisse;
(2) Betreiben bei hohen Streckverhältnissen auf kompakten Sätzen von Walzen;
(3) Betreiben eines einzelnen Satzes von Tandemwalzen über einen sehr breiten Bereich von Verarbeitungsbedingungen, was einen wesentlichen Vorteil für den Betreiber der Maschine darstellt; und
(4) das Ausführen kleiner Einstellungen bzw. Anpassungen des Streckverhältnisses, um die Polymerviskosität, den Denier-Grad und andere Veränderungen der Eigenschaften der zugeführten Fasern auszugleichen, oder um eine Anpassung von Eigenschaften wie etwa die Reiß- bzw. Bruchdehnung der fertiggestellten Faser zu ermöglichen.
Strecken im Tandemverfahren ist besonders für Anwendungen geeignet, wenn die Vorgänge des Formens und Streckens der Faser zu einem fortlaufenden Vorgang vereinigt werden. Bei einer solchen kombinierten Anwendung nehmen die mit Mikroterrassen versehenen Spindeln die frisch extrudierte Faser auf und beschleunigen und strecken sie allmählich und ohne übermäßige bzw. Schäden verursachende Kräfte. Die Faser 5, die die mit mehreren Terrassen versehenen Streckwalzen verläßt, ist teilweise orientiert und ausreichend verfestigt, so daß sie dann bei hohen Geschwindigkeiten auf den tandemartig angeordneten, zylindrischen Streckwalzen 50 vollständig bis zum abschließenden Streckverhältnis gestreckt werden kann.
Das US-Patent 3,978,192 lehrt, daß beim inkrementweisen Strecken mit "einer Geschwindigkeit, bei der die Fasern aus der Schmelze gesponnen oder extrudiert werden, wodurch eine zwischenzeitige Lagerung der Fasern unnötig ist", gearbeitet werden kann. Unerwartete Steigerungen der Produktivität und weitere Verbesserungen der Qualität werden realisiert, wenn ein Faserspinnverfahren, bei dem aus der Schmelze gesponnen wird, unmittelbar mit einem tandemartig arbeitenden, inkrementweisen Streckverfahren in Übereinstimmung mit bestimmten Arbeitsprinzipien gekoppelt wird, die nachfolgend beschrieben sind. Eine verbesserte Gleichförmigkeit der Doppelbrechung, der Gleichförmigkeit im Querschnitt und von physikalischen Eigenschaften werden erzeugt, wenn nach diesen Grundsätzen gearbeitet wird. Das gekoppelte Verfahren ist in Fig. 11 dargestellt und besteht aus einer Faserspinnsäule, die mit einem oder mehreren Sätzen von mit mehrfachen Mikroterrassen versehenen, inkrementweise arbeitenden Streckwalzen 10 und 20 gekoppelt ist, woraufin tandemartiger Anordnung ein oder mehrere Sätze von zylindrischen Streckwalzen 50 folgen.
In dem bevorzugten Arbeitsverfahren werden die einzelnen Fäden durch ein Spinnpaket 62 extrudiert und mit kalter Luft 63 abgekühlt oder gequencht. Die einzelnen Fäden werden zu einer oder mehreren Fasern gesammelt, wenn sie den Ausgangsbereich 56 der Zone verlassen, in der die Fasern gequencht werden. Die Fasern werden vorzugsweise gleichmäßig gequencht, und sie weisen eine minimale Orientierung und Doppelbrechung auf. Um ein Quenchen, die Gleichförmigkeit der Doppelbrechung und eine niedrige Orientierung zu erzielen, ist es erforderlich, daß ein aus der Schmelze gesponnener Faden 64 lediglich einem minimalen Maß an Dehnung und Beschleunigung unterworfen wird, wenn er von der Spinndüse 62 zur ersten festen Oberfläche 66 gelangt, mit der er nach dem Quenchen in Kontakt tritt, und daß die quenchende Luft gleichmäßig und mit minimaler Turbulenz um jeden einzelnen Faden herum strömt. Das genaue Maß an Verlängerung oder Beschleunigung, dem eine aus der Schmelze gesponnene Faser unterworfen wird, hängt von dem Durchmesser des Lochs der Spinndüsen ab (nicht dargestellt) und vom abschließenden Denier-Wert, und auch von der Viskosität und der chemischen Zusammensetzung des Polymers. Das allgemeine Verarbeitungsprinzip, dem gefolgt werden sollte, besteht darin, daß in der Spinnstrecke eine möglichst geringe Verlängerung erfolgen sollte, auf die eine maximale Verlängerung in der Streckzone folgen sollte. Dies bedeutet, daß eine Verlängerung und Beschleunigung der noch nicht verfestigten, soeben geformten Faser 64 in der Quenchzone 65 so gering sein sollte wie möglich und gerade ausreichen sollte, um die geringste Faserspannung zu entwickeln, die einen stabilen Faserstrom von der Frontfläche der Spinndüse bis zum Punkt der Fertigbearbeitung gewährleistet. Hierfür ist erforderlich, daß die Geschwindigkeit der Faser im Auslaßbereich 56 der Quenchzone nahe an der Geschwindigkeit des freien Falls der Faser liegen sollte. Diese Geschwindigkeit wird im allgemeinen in einem Bereich vom 1- bis 20-fachen der Geschwindigkeit des freien Falls liegen, aber vorzugsweise vom 1- bis 5-fachen der Geschwindigkeit des freien Falls, wenn die Extrusion in Richtung nach unten erfolgt. Der bevorzugte Geschwindigkeitszuwachs zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des Polymers in der Spinndüsenöffnung und der Geschwindigkeit der Faser am Ausgang der Quenchzone 56 liegt zwischen dem 5- und 15-fachen für Fasern, die im fertig gezogenen Zustand ein Gewicht von 5 bis 30 Denier (Gramm je 9000 m) pro Faden aufweisen. Für feine Fasern mit 1 bis 3 Denier je Faden kann eine höhere Beschleunigung eingesetzt werden. Eine höhere Beschleunigung kann auch dann eingesetzt werden, wenn die Extrusion in Richtung nach oben erfolgt.
Der inkrementell arbeitende Streckwalzenaufbau in Tandemanordnung, der aus den mit Mikroterrassen versehenen Spindeln 10 und 20 und den zylindrischen Walzen 50 besteht, beschleunigt und streckt die soeben gequenchten Fasern 59 allmählich auf eine abschließende Geschwindigkeit und in einem Maße, das höher sein kann als das, welches im allgemeinen beim herkömmlichen Strecken oder bei Hochgeschwindigkeitsspinnverfahren realisiert werden kann. Beim Verlassen der Quenchzone können die mit niedriger Orientierung gesponnenen Fasern stärker beschleunigt und mehr gedehnt werden, als dies bei Fasern der Fall ist, die mit hoher Geschwindigkeit gesponnen werden, so daß die Gesamtproduktivität gesteigert wird. Eine geringe Beschleunigung der Fäden 64 im Verlauf der Quenchzone 65 verlängert die Zeit zum Quenchen und verbessert die Gleichmäßigkeit der Doppelbrechung unter den Fasern, insbesondere dann, wenn zahlreiche Fasern aus der gleichen Spinndüse austreten.
Die Beschleunigung und Dehnung der frisch gesponnenen Fasern durch inkrementweise erfolgendes Strecken auf mit Mikroterrassen versehenen, zylindrischen und in Tandemanordnung gruppierten Streckwalzenanordnungen 50, die in Reihe mit einer Spinn- oder Extrudermaschine arbeiten, sind sanfter bzw. gleichmäßiger und größer als die, die bei herkömmlichen Streckwalzen erreicht werden können. Eine Einstellung des Streckverhältnisses um einen Bruchteil oder um größere Werte zum Ausgleich von Veränderungen der Eigenschaften des Polymers oder von Veränderungen der Produktspezifikation kann leicht ausgeführt werden, indem das Streckverhältnis in der abschließenden Tandem-Streckstufe verändert wird. Für aus der Schmelze gesponnene Fasern beträgt die Beschleunigung und Verlängerung der Faser in der Streckzone mit Tandemanordnung im Verhältnis zur inkrementweise arbeitenden Streckzone im allgemeinen mehr als das 1,5-fache.
Fig. 12 erläutert einen Satz von nicht miteinander identischen Spindeln zum inkrementweise Strecken von Fasern 5, wobei die zweite Spindel 20 eine zylindrische, wellenartige Verlängerung 21 mit kleinem Durchmesser aufweist, die koaxial angebracht ist, wobei sie so gehalten ist, daß sie sich unabhängig und freilaufend auf der Achse 21 der Hauptspindel drehen kann. Dies ermöglicht dem schraubenförmigen Weg der Faser, eine Steigung 83 einzunehmen, die kleiner ist als die auf den vorangehenden Mikroterrassen 84, so daß die Verweilzeit auf dieser Terrasse wesentlich vergrößert werden kann. Die Anordnung ist zum Quenchen und Wärrneaushärten von Fasern nach dem Strecken zweckmäßig und ist in ihrer Anwendung ähnlich wie die in Fig. 6 dargestellte Anordnung, ist aber kompakter und kann leichter mit Fasern belegt werden.
Fig. 13 erläutert ein Verfahren zur inkrementweisen Dehnung einer gelgesponnenen Faser, wie etwa von Polyethylen mit hohem Molekulargewicht. Gelgesponnene Fasern werden aus relativ verdünnten Lösungen von Polymeren hergestellt, die ein sehr hohes Molekulargewicht aufweisen. Ein repräsentatives Beispiel für solche Polymere ist lineares Polyethylen mit einem Molekulargewicht von etwa 1,9 Mill. Dalton. Fasern werden hergestellt, indem eine relativ verdünnte (etwa 5%) Lösung des Polyethylens mit hohem Molekulargewicht, das in einem Lösungsmittel gelöst ist, beispielsweise in Decalin oder Paraffinöl, extrudiert wird. Das Verfahren zum Spinnen und Strecken dieser Fasern ist in den US-Patenten 4,422,433 vom 27. Dezember 1983, erteilt an Smith et al., und 4,413,110, vom 1. November 1983, erteilt an Kavesh und Prevorsek, sowie in anderen Veröffentlichungen beschrieben.
Eine charakteristische Eigenschaft von gelgesponnenen Fasern ist ihre extreme Streckbarkeit, die ihnen eine sehr hohe molekulare Orientierung und sehr große Festigkeit verleiht. Um die volle Streckbarkeit zu realisieren, müssen die Fasern bei geringen Streckverhältnissen gestreckt werden, was notwendigerweise die Geschwindigkeit senkt, mit der sie gegenwärtig hergestellt werden.
Aus einem Gel gesponnene Fasern von Polymeren wie etwa Polyacetal, Polyvinylalkohol, Polyvinylchlorid und Acrylonitril, Nylon-6 und in besonderem Maße Fasern, die aus linearem Polyethylen mit hohem Molekulargewicht hergestellt sind, können bis zu den Grenzen ihrer Streckbarkeit gestreckt werden und erzielen eine sehr hohe Orientierung und Zugfestigkeit, wenn sie durch inkrementweise Dehnung und Streckung auf mit Mikroterrassen versehenen Walzen verarbeitet werden. Zusätzlich wird die Produktivität der für die Verarbeitung verwendeten Maschinen wesentlich gesteigert, da die Weiterleitungsgeschwindigkeit der Faser hoch ist, während die Streckrate aufgrund des inkrementweise erfolgenden Streckens sehr niedrig gehalten wird, was inhärent die Wirkung hat, daß die Streckrate von der Weiterleitungsgeschwindigkeit der Faser abgekoppelt wird.
Wie aus Fig. 13 ersichtlich ist, treten frisch extrudierte Polymergelfäden 64 in ein flüssiges Bad 87 ein, das das Polymergel quencht und härtet und/oder das Lösungsmittel aus den Fasern herauslöst. Das Bündel aus Fäden wird dann durch geeignete Führungen und Rollen 88 zu einem Satz von mit Mikroterrassen versehenen, inkrementweise wirkenden Streckwalzen 89 geleitet, die in das Quench- bzw. Extraktionsbad eingetaucht sind, und die die Faser inkrementweise dehnen, während das Herauslösen stattfindet. Die inkrementweise wirkenden Streckwalzen 89 erhöhen die Geschwindigkeit und Vollständigkeit des Extraktions- bzw. Herauslösevorgangs und strecken gleichzeitig die Faser mit einer Rate, die an das Ausmaß des Quenchens oder der Extraktion angepaßt werden kann.
Wenn, wie dies gegenwärtig geschieht, die frisch extrudierte Gelfaser lediglich durch das Quench- bzw. Extraktionsbad hindurchgezogen wird, tritt die gesamte Streckung bzw. die Deformation der Faser bei einer unkontrollierten, schnellen Rate in den geschmolzenen, nicht extrahierten und weichsten Abschnitten der gelartigen Fäden auf, ohne daß die Orientierung der Polymermoleküle in wirksamer Weise vergrößert würde. Demzufolge ist von A.J. Pennings in "Ultra-High Strength Polyethylene Fibers", Proceedings of International Symposium on Fiber Science and Technology, Figure 4, S. 20-23, ISF-85, Hakone, Japan, August 1985 berichtet worden, daß die Zugfestigkeit von aus einem Gel gesponnenen Fasern abnimmt, wenn die Dehnung der nassen Faser zunimmt. Die eingetauchten, inkrementweise wirkenden Streckwalzen bewirken im Gegensatz dazu, daß die Verlängerung der Gelfaser bei einer niedrigen und kontrollierten Rate eintritt, nachdem eine Verfestigung und die Extraktion eingesetzt haben, und während die Abkühlung und Extraktion weiterhin fortschreitet. Da die Verlängerungsrate durch die Anzahl der Streckinkremente und die Größe eines jeden einzelnen Streckinkrements bestimmt ist, wird eine wirksamere Ausrichtung der Polymermoleküle mit der Faserachse erzeugt, und die Abnahme der Zugfestigkeit, die im Zusammenhang mit einer Streckung bzw. Dehnung von nassen Fasern von Pennings berichtet wurde, tritt nicht auf.
Die gequentschte oder extrahierte Faser 90 wird zu einer belüfteten Trockenkammer 91 weitergeleitet, wo restliche Lösungsmittel entfernt werden, während die Faser auf einem zweiten Satz von mit Mikroterrassen versehenen, inkrementweise wirkenden Streckwalzen 96 weiter gestreckt wird. Von der Trockenkammer 91 gelangt die trockene Faser zu einem abschließenden Satz inkrementweise wirkender Streckwalzen 93, die mit zwischen den Spindeln angeordneten Beheizungseinrichtungen 27 und mit tandemartig angeordneten Streckwalzen 50 ausgestattet sind, wo die Faser 5 ihr abschließendes Maß an Streckung erhält und außerdem einer Wärmebehandlung, einer Reparatur von Schadstellen, Spannungsfreimachen und Quenchen unterworfen wird. Typische Streckverhältnisse, die in dem Quench- und Extraktionsbad, in der Trockenkammer und an den abschließenden Streckwalzen jeweils erzielt werden, sind das 7-fache, 2,1- fache und 5,0-fache für eine resultierende Verlängerung auf das 73,5-fache.
Es ist möglich, mehrere alternative Anordnungen der Sätze von inkrementweise wirkenden Streckwalzen und Streckverhältnisse bei dem Gelspinnvorgang zu treffen. Bei einer besonders wirkungsvollen Anordnung wird eine Aufeinanderfolge von zwei Sätzen inkrementweise wirkender, tandemartig angeordneter Streckwalzen verwendet, die nur auf die trockene, gelgesponnene Faser einwirken. Ein Beispiel für einen solchen Vorgang ist in Fig. 14 erläutert, wobei das Verfahren wie nachstehend beschrieben arbeitet.
Eine getrocknete, zum Teil orientierte, gelgesponnene Polyethylenfaser 5 mit ultrahohem Molekulargewicht, die aus 20 Fäden mit einem gesamten Denier-Wert von 350 besteht, wird von Zufuhrspulen 34 oder unmittelbar von einer vor dem Strecken befindlichen Phase oder aus einer Trockenkammer zu Abmeßwalzen 68 und dann zu dem ersten Paar von mit mehreren Mikroterrassen versehenen, inkrementweise arbeitenden Streckwalzen 10 und 20 zugeführt, die einen minimalen Terrassendurchmesser von 3 Inch und einen maximalen Terrassendurchmeser von 12,15 Inch aufweisen. Die Spindel 10, mit der die Faser 5 zuerst in Kontakt kommt, ist mit insgesamt zehn Mikroterrassen versehen, während die zweite Spindel 20 eine Mikroterrasse weniger bzw. neun Mikroterrassen aufweist, die so angeordnet sind, daß die Faser aufihrem schraubenförmigen Weg, während sie zehn Umschlingungen um das Spindelpaar ausführt, mit jeder Mikroterrasse auf jeder Spindel genau einmal in Kontakt kommt, wobei die Faser ihren letzten Kontakt auf der Spindel 10 ihres ersten Kontakts ausführt. Beim Durchgang durch das erste Paar der inkrementweise wirkenden Spindeln 20 wird die Faser 5 4,05-fach gestreckt, und zwar in 20 Streckinkrementen, von denen jedes im Durchschnitt eine Streckung des 1,072-fachen auf diese ausübt, da jede nacheinander kommende Mikroterrasse, mit der die Faser in Kontakt kommt, im Durchschnitt einen um 7,2% größeren Durchmesser als die vorangehende Mikroterrasse aufweist. Die tatsächlichen Streckinkremente beginnen bei 9% und enden bei 5%. Die Faser kann während jedes Durchlauf 5 zwischen den Spindeln durch zwischen den Spindeln angeordnete Beheizungselemente 24 beheizt werden, die einen Temperaturgradient aufrecht erhalten, der in diesem Beispiel bei etwa 130ºC beim ersten Durchgang der Faser zwischen den Spindeln beginnt und allmählich auf 140ºC beim letzten Durchgang der Faser zwischen den Spindeln 20 und 10 ansteigt.
Abmesswalzen 68 steuern den Durchlauf der Faser 5 zu den inkrementweise wirkenden Streckwalzen 10 und 12 und arbeiten im allgemeinen bei einer Oberflächengeschwindigkeit, die um 1 bis 5% niedriger liegt als die der ersten Oberfläche, mit der die Faser auf der Spindel 10 in Kontakt kommt. Die Walzen 68 können auch als Tandemstreckwalzen dienen, insbesondere dann, wenn sie von innen beheizt sind.
Die Faser verläßt den ersten Satz von mit Mikroterrassen versehenen Spindeln am Punkt 6 und tritt in den zweiten Satz Spindeln 95 und 96 ein. Ein Satz einstellbarer Führungen 99 kann verwendet werden, um als Mittel zum Lenken der Faser zu dienen, die von einer Mikroterrasse auf der Spindel 10 abläuft, damit sie auf eine andere Mikroterrasse auf dem zweiten Spindelpaar 95 und 96 aufläuft. Zum Zwecke eines Betriebs bei maximalen Streckverhältnissen sind die Führungen so eingestellt, daß sie die Faser, die von der größten Mikroterrasse auf der Spindel 10 abläuft, so zu lenken, daß sie auf die Oberfläche mit dem kleinsten Durchmesser auf der Spindel 95 aufläuft. Die Oberfläche, auf die die Faser auf der Spindel 95 aufläuft, bewegt sich im allgemeinen bei einer Geschwindigkeit, die in einstellbarer Weise höher oder etwas geringer ist als die Geschwindigkeit der die Faser abgebenden Oberfläche auf dem ersten Satz der mit Mikroterrassen versehenen Spindeln, damit auf diese Weise möglich ist, daß die Spannung und das Maß der Streckung der Faser 5, die sich kaskadenartig vom ersten zum zweiten Spindelsatz bewegt, präzise gesteuert werden können.
Der zweite Satz der mit Mikroterrassen versehenen Streckwalzen 95, 96 arbeitet in diesem Beispiel anders als der erste Satz von mit Mikroterrassen versehenen Walzen. Diese Walzen nehmen typischerweise zehn Umschlingungen des schraubenförmigen Faserverlaufs auf, wobei jede Umschlingung mit einer benachbarten Mikroterrasse auf jeder Spindel einmal in Berührung kommt.
Auf der ersten Spindel 95 befinden sich zehn Mikroterrassen und auf der zweiten Spindel 96 neun Mikroterrassen. Jede der aufeinanderfolgenden Mikroterrassen auf jeder der genannten Spindeln weist im Durchschnitt einen nominal um 4% größeren Durchmesser als die vorangehende Mikroterrasse auf dieser gleichen Spindel auf, so daß das durch den zweiten Satz Streckspindeln insgesamt erreichte Streckverhältnis das 1,480- fache beträgt, bzw. 1,04 zur zehnten Potenz. Die tatsächlichen Streckinkremente beginnen bei 5% und enden bei 3%. Zusätzlich unterscheidet sich die Spindel 95, bei der der erste Kontakt auftritt, von der Spindel 96, bei der der zweite Kontakt auftritt, darin, daß jede Mikroterrasse auf der zweiten Spindel 96, auf die die Faser aufläuft, im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die Mikroterrasse auf der ersten Spindel 95, von der dieser Abschnitt der Faser soeben abgelaufen ist, so daß die Faser dazu neigt, bei jeder vollständigen Umschlingung um dieses Spindelpaar eher einmal als zweimal gestreckt zu werden. Diese Anordnung der Durchmesserinkremente der Mikroterrassen sorgt für mehr Zeit zwischen den Inkrementen des Streckvorgangs, damit eine Erwärmung, eine Spannungsrelaxation und eine Entfernung von molekularen Defekten während der Verarbeitung der Faser auftreten können. Eine solche Verlängerung der Zeiten ist besonders an den oberen Grenzen des Faserstreckverhältnisses von Bedeutung, ebenso wie die kleinere Größe der Streckinkremente am zweiten Satz der mit Mikroterrassen versehenen Walzen von Bedeutung ist. Ein zweiter Satz von zwischen den Spindeln angeordneten Beheizungseinrichtungen 97 kann zusammen mit dem zweiten Satz der inkrementweise wirkenden Streckwalzen verwendet werden. Vorzugsweise sollten diese Einrichtungen bei einem Temperaturgradient arbeiten, der bei etwa 140ºC an der ersten Umschlingung beginnt und eine Temperatur von etwa 146ºC an der letzten Faserumschlingung erreicht.
Die insgesamt auf den beiden Sätzen von mit Mikroterrassen versehenen Spindeln erreichte Streckung ist das Produkt der Streckungen auf dem ersten und zweiten Satz, oder 4,05 x 1,48, was nominal das Sechsfache ergibt. Beim Verlassen des zweiten Satzes von mit Mikroterrassen versehenen Walzen kann die Faser durch tandemartig angeordnete, zylindrische Walzen 50 weiter verlängert werden und einer Wärrneaushärtung, einem Quenchen und weiteren Verarbeitungsschritten oder einer Paketbildung unterworfen werden. Die fertige Faser hat eine Zugfestigkeit von etwa 34 Gramm je Denier oder darüber und einen Modul von etwa 1200 Gramm je Denier. Die Bruchdehnung der Faser beträgt 4%.
Fig. 15 erläutert die Verwendung von inkrementell wirkenden Streckspindeln bei einem neuartigen Verfahren zur Herstellung von Stapelfaserseil. Sätze von mit Mikroterrassen versehenen Streckspindeln 93, die zum Betrieb mit mehreren Fasern ausgelegt sind, sind an der Vorderseite der Maschine angebracht, so daß sie die Faser 5 aufnehmen und strecken, die durch gebündelte Spinndüsen 62 extrudiert wird und mit Luft in benachbarten Quenchsäulen 63 gequencht wird. Führungseinrichtungen 88 führen die Faser 5, die von einer bis zu etwa 3 Spinndüsenpaketen 62 stammt, zu den Spindeln 93, wo sie inkrementweise gestreckt wird, bevor sie zu einem Seil zusammengeführt wird. Auf die Spindeln 93 kann ein Satz von tandemartig angeordneten Streckwalzen 50 folgen, um Einstellungen des Streckverhältnisses zu ermöglichen. Die Fasern von jedem Satz der inkrementweise wirkenden Streckwalzen werden miteinander vereinigt, nachdem sie gestreckt worden sind, so daß ein schweres Seil 98 gebildet wird, welches anschließend zum Kräuseln, Wärmeaushärten und weiteren Verarbeiten bei hoher Geschwindigkeit und mit minimalem Handhabungsaufwand geführt wird. Dieses Verfahren unterscheidet sich von existierenden Verfahren zum Herstellen von Stapelseil darin, daß die Faser bzw. die Fasern gestreckt werden, bevor sie zu einem Seil vereinigt werden. Bei gegenwärtig existierenden Stapelfaserverfahren werden nicht gestreckte Fasern zu einem massivem Seil zusammengeführt. Das noch nicht gestreckte Seil wird dann zu einer massiven Seilstreckungsmaschine geführt.
Die Vorteile der Herstellung von Stapelfaserseil in dieser Weise liegen darin, daß langsam arbeitende, massive Maschinen zum Strecken des Seils vermieden werden, ebenso wie das Lagern, Handhaben und der Transport von ungestrecktem Faserseil, das sich im Zustand wie gesponnen befindet, vermieden werden. Diese Vorteile sind nur deshalb möglich, weil die Faser bei Geschwindigkeiten gestreckt werden kann, die mit den Spinngeschwindigkeiten vergleichbar sind, wenn das Strecken auf mit Mikroterrassen versehenen, einen gegenseitigen Abstand aufweisenden Spindeln erfolgt.
Als nächstes kommt ein Beispiel dafür, wie Spindeln gemäß den Gleichungen (1) bis (5) einschließlich ausgelegt werden können, wobei sie die Grundzüge der vorliegenden Erfindung verkörpern. In diesem Beispiel wurden die folgenden Parameter vorab ausgewählt: Verkippungswinkel (φ) = 8º; axialer Abstand des ersten Schnittpunkts (a&sub1;) = 85,09 mm (3,35"); Radius der Spindel an der Stelle des ersten Kontakts (r&sub1;) = 63,5 mm (2,50"). Zusätzlich wurde ein Satz von zehn aufeinanderfolgenden Streckinkrementen (DIi und DIi') wie folgt ausgewählt: 1,10, 1,10, 1,09, 1,09, 1,08, 1,07, 1,07, 1,05, 1,04 und 1,03.
Nach einer entsprechenden Berechnung ergaben die Gleichungen die folgenden Angaben (alle Werte in Inch). Für Spindel I: Für Spindel II:
Die Ausdrücke pi und pi' wurden jeweils durch nacheinander erfolgende Anwendungen der Gleichnungen (1) und (3) berechnet. Die Gleichungen (2) und (4) ergaben die entsprechenden Werte von ai und ai'. Es wird dann ersichtlich, daß die für pi und pi' gefundenden Werte die Folgen der axialen Breitenabmessungen der Mikroterrassen sind, und daß ai und ai' die entsprechende Folge der Radien von diesen Mikroterrassen für die entsprechenden Spindeln ist, damit die gewünschten Streckinkremente unter Verwendung der übrigen Parameter realisiert werden.
Unter der Bezeichnung "Faser", wie sie hierin verwendet wird, sollen Fasern mit kontinuierlicher Länge, sowohl einfädige als auch mehrfädige, verstanden werden.
Obwohl die Vorteile und Merkmale der Erfindung in der vorangehenden Beschreibung zusammen mit den Einzelheiten der Struktur und Funktion der Erfindung ausgeführt worden sind, versteht es sich, daß die Offenbarung lediglich Erläuterungszwecken dient. Die breite, allgemeine Bedeutung der Weise, in der die beigefügten Ansprüche ausgedrückt sind, umfaßt die Gesamtheit der vorliegenden Erfindung.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines kontinuierlichen, gestreckten Faserseils aus unmittelbar aus einer Anzahl von Mehrlochdüsen frisch extrudierten Fasern, wobei die Faser in kleinen Inkrementen gestreckt wird, indem die Faser in mehreren schraubenförmigen Windungen zwischen voneinander beabstandeten Spindeln (10, 20) geführt wird, von denen sich jede längs einer Achse (11, 21) erstreckt, die quer zu den schraubenförmigen Windungen der darauf befindlichen Faser (5) verläuft und relativ zu der Achse der anderen Spindel gekippt ist, wobei jede der Spindeln (10, 20) eine rotierende, Fasern tragende Außenfläche hat, deren Radius sich in diskreten Inkrementen längs deren Achse verändert, so daß die genannte Fasern tragende Fläche aus einer Anzahl diskreter, in Axialrichtung ebener, auf dem Umfang liegender Mikroterrassen (13, 15, 16, 17, 18, 19) unterschiedlicher Radien besteht, wobei die Fläche einer jeden Mikroterrasse im wesentlichen parallel zur Drehachse der Spindeln (10, 20) ist, wobei die Fasern tragende Fläche jede schraubenförmige Windung der Faser reibschlüssig erfaßt und jede dieser Windungen trägt, ohne eine wesentliche, in Axialrichtung wirkende Spannung auf die Faser zu übertragen, und wobei die Mikroterrassen (13, 15, 16, 17, 18, 19) der Fasern tragenden Fläche jeder der Spindeln (10, 20) so bemessen ist, daß die schraubenförmigen Wege, die die Faser während des Streckens durchläuft, stabilisiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechende Umschlingungsabschnitte von getrennten Einheiten (5a, 5b) der Fasern mit jeder der Fasern tragenden Flächen jeder der Spindeln (10, 20) während des Streckens gleichzeitig in Berührung gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Einheiten der Fasern mit unterschiedlichen Streckverhältnissen gestreckt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die getrennten Einheiten der Fasern zu einer anfänglichen Folge, Position und einem Abstand auf der ersten besagten Fläche geführt werden, die mit der besagten Faser in Berührung gebracht wird.

4. Verfahren zum Strecken von Fasern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den Spindeln so eingestellt sind, um (a) die Zeitdauer der Faser in einem Durchgang zwischen den Spindeln und (b) das Ausmaß des Abklingens von Spannungen in den Fasern zu steuern.

5. Verfahren zum Strecken von Fasern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur von einer oder mehreren Mikroterassen so eingestellt ist, daß ein Quenchen, Spannungsfreimachen oder Thermofixieren möglich ist.

6. Verfahren zum Strecken von Fasern nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Wärmeisolieren zwischen aufeinanderfolgenden Mikroterrassen mit unterschiedlicher Temperatur.

7. Verfahren zum Strecken von Fasern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Strecken der Fasern ein Spannungsfreimachen der Fasern stattfindet.

8. Verfahren zum Strecken von Fasern nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern wiederholt mit einer getrennten, frei drehenden Freilaufrolle (41) und mit einer keine Terrassen abweisenden, zylindrischen, koaxialen Spindelverlängerung (23) auf zumindest einer vonden mit Mikroterrassen versehenen Spindeln (20) in Berührung gebracht werden, wobei die Verlängerung (23) einen Durchmesser aufweist, der im wesentlichen gleich oder etwas größer ist als der der letzten Mikroterrasse, mit der die Fasern in Berührung kommen, wobei die Temperatur der Verlängerung (23) einstellbar ist, um die Fasern entweder zu quenchen oder zu erwärmen.

9. Verfahren zum Strecken von Fasern nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strecken der Fasern bei Geschwindigkeiten von mehr als 200 m je Minute, vorzugsweise von mehr als 2.000 m je Minute ausgeführt wird.

10. Verfahren zum Strecken von Fasern nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindeln in einer gasförmigen oder flüssigen Umgebung angeordnet sind, um eine physikalische oder chemische Behandlung oder eine Kombination von physikalischen oder chemischen Behandlungen auf die Fasern einwirken zu lassen.

11. Verfahren zum Strecken von Fasern nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern dadurch, daß sie mit eine einstellbare Temperatur aufweisenden Elementen in Kontakt gebracht werden, erwärmt werden, wenn sich die Fasern von einer Spindel zu einer anderen Spindel bewegen.

12. Verfahren zum Strecken von Fasern nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren lediglich einen Schritt innerhalb der gesamten Verarbeitung der Fasern darstellt.

13. Verfahren zum Strecken von Fasern nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus geliertem Polymer bestehen, wobei ein Lösungsmittel für das Polymer enthalten sein kann oder auch nicht.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus Polymerlösungen hergestellt sind und in mehreren Inkrementen gestreckt werden, wobei das Lösungsmittel gleichzeitig daraus extrahiert wird.

15. Verfahren zum Strecken von Fasern von Fasern nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerfasern gestreckt werden, während sie sich in der Nähe der Glasübergangstemperatur befinden.

16. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 zum Herstellen von Carbon- oder Graphitfasern aus einer Vorläuferfaser, wobei die Faser stabilisiert, oxidiert, pyrolisiert und/oder gestreckt wird, während die Faser mehrere schraubenförmige Windungen zwischen einer Anzahl von beabstandeten Spindeln (10, 20) durchläuft, von denen jede längs einer Achse (11, 21) liegt, die sich quer zu den schraubenförmigen Windungen der darauf befindlichen Faser (5) erstreckt.

17. Vorrichtung zum Strecken von Fasern in kleinen Inkrementen durch Hindurchführen der Faser mit schraubenförmigen Windungen zwischen zwei einen gegenseitigem Abstand aufweisenden Spindeln (10, 20), wobei jede der Spindeln längs einer Achse (11, 21) angeordnet ist, die sich quer zu den schraubenförmigen Windungen der darauf befindlichen Faser (5) erstreckt und relativ zur Achse der anderen Spindel gekippt ist, wobei jede der Spindeln (10, 20) eine rotierende, Fasern tragende Außenfläche aufweist, deren Radius sich längs deren Achse verändert, wobei die Fasern tragende Fläche aus einer Anzahl diskreter, auf dem Umfang angeordneter Mikroterrassen (13, 15, 16, 17, 18, 19) unterschiedlicher Radien besteht, die im wesentlichen parallel zu der Drehachse der jeweils entsprechenden Spindel sind, wobei die Fasern tragende Fläche zum reibschlüssigen Erfassen einer jeden schraubenförmigen Windung der Faser (5) und zum Tragen einer jeden Windung ausgelegt und angeordnet ist, ohne irgendeine im wesentlichen axial gerichtete Spannung auf die Faser (5) auszuüben, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mikroterrasse (13, 15, 16, 17, 18, 19) auf zumindest einer ersten der genannten Spindeln (10) eine axiale Längenabmessung aufweist, die von dem Streckungsinkrement abhängt, dem der Abschnitt der genannten Faser (5), der mit der Mikroterasse (13, 15, 16, 17) in Berührung kommt, unterworfen ist, und von der Steigung (pi) der schraubenförmigen Windung der Faserwendel abhängt, die durch eine erste Gleichung festgelegt ist:

pi = [DI&sub1; + cosφ)ri a&sub1;sinφ] sinφ, wobei

pi die genannte Steigung darstellt, die der Abstand ist, der auf der Spindelachse zwischen aufeinanderfolgenden Schnittpunkten der genannten Umschlingungsabschnitte der Faser mit der ersten Spindelachse gemessen wird;

φ der Winkel der Verkippung der Spindelachse ist, gemessen in der Projektion entlang der Senkrechten, die beiden Spindeln gemeinsam ist;

ai der axiale Abstand zwischen dem Schnittpunkt der Spindelachse in der genannten Projektion und dem i-ten Schnittpunkt der Umschlingungsabschnitte der Faser mit der ersten Spindelachse in der genannten Projektion ist; wobei sich ai von a&sub1; unterscheidet und mit a&sub1; über eine zweite Gleichung zusammenhängt:

wobei a&sub1; der axiale Abstand zwischen dem Schnittpunkt der Spindelachse in der genannten Projektion und dem ersten Schnittpunkt der Faser mit der Achse der ersten Spindel ist;

DI&sub1; das Streckverhältnisinkrement ist, dem die genannte Faser unterworfen ist, wenn sie sich von der ersten Spindel zu der zweiten Spindel bewegt, an der Position ai; wobei dieses gleich dem Verhältnis des Radius r'i zu ri ist, welches das Verhältnis des die Faser aufnehmenden Radius der zweiten Spindel zum die Faser abgebenden Radius der ersten Spindel ist; und

r&sub1; der Radius der ersten, mit Mikroterrassen versehenen Spindel beim axialen Abstand ai ist;

ri gleich r&sub1; mal das Produkt aller Streckinkremente ist, die der Mikroterrasse ri vorangehen; wobei r&sub1; der Radius der Fläche des ersten Kontakts mit der ersten Spindel ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Mikroterrassen auf der anderen Spindel eine Breiten- oder axiale Längenabmessung hat, die von dem Streckinkrement abhängt, dem der Abschnitt der Faser unterworfen ist, der mit der genannten Mikroterrasse in Berührung steht, und gleich der genannten Steigung der Faserwendel ist, die durch die Gleichung festgelegt ist:

p'i = [(DI'i + cosφ)r'i - a'isinφ]sinφ

wobei die gestrichenen (') Symbole sich auf die gleichen Größen wie bei der ersten Spindel beziehen; DI'i gleich (ri+1)/ri ist und das Streck- oder Verlängerungsinkrement ist, dem die Faser unterworfen ist, die die untere oder zweite Spindelterrasse bei a'i verläßt und sich zur ersten oder oberen Spindel bewegt; wobei a'&sub1; in folgender Weise auf a'&sub1; bezogen ist:

und a'&sub1; seinerseits über die folgende Gleichung auf a&sub1; bezogen ist:

a'&sub1; = a&sub1; cosφ + r&sub1;sinφ.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß Beheizungsmittel (27, 40) zum Beheizen wenigstens einer der Mikroterrassen vorgesehen sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß Isoliermittel (37) zum Isolieren jeder der Mikroterrassen, die durch die Beheizungsmittel (27; 40) beheizt sind, vorhanden sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizungsmittel (27; 40) ausgelegt und angeordnet ist, um eine Temperaturdifferenz zwischen einer oder mehreren der Mikroterrassen auf wenigstens einer der Spindeln (10, 20) zu erzeugen.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht mit Terrassen versehene, zylindrische Spindelverlängerungsmittel (23) koaxial an dem Endabschnitt mit größerem Durchmesser von wenigstens einer der beabstandeten Spindeln (20) angeordnet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Erstreckung (23) eine Dickenabmessung hat, die zumindest das Doppelte der Dicke der ersten Mikroterrasse ist, mit der die Faser (5) in Berührung kommt.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine unabhängig gehaltene, freilaufende Trennrolle (21) vorgesehen ist, um die Faser (5) spannungsfrei zu machen, wobei die Freilaufrolle (41) benachbart zu dem Verlängerungsmittel (23) angeordnet ist, um zu ermöglichen, daß die Faser (5) schraubenförmig sowohl um die Freilaufrolle (41) als auch um das Verlängerungsmittel (23) herumgeschlungen werden kann, wobei die Schraubenliniensteigung kleiner ist als die Schraubenliniensteigung der Faser (5) auf dem mit einer Mikroterrasse versehenen Abschnitt der Spindel (20), der das Verlängerungsmittel (23) trägt.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß ein Beheizungsmittel (27) zwischen den Spindeln vorgesehen ist, um die Faser bei jedem Durchgang der Faser zwischen den Spindeln (10, 20) auf eine unterschiedliche Temperatur zu beheizen.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Beheizungsmittel zwischen den Spindeln eine mit Mikroterrassen versehene, ortsfeste Oberfläche aufweist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Terrassen versehene Oberfläche des zwischen den Spindeln angeordneten Beheizungsmittels (27) die Form eines leicht verdrehten Bandes aufweist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mikroterasse von benachbarten Mikroterassen durch S-förmige Stufen (98) getrennt ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen (98) in Richtung auf das Ausgangsende der mit gegenseitigem Abstand angeordneten Spindeln (10, 20) unter einem Winkel von zwischen 0 und 15º gegenüber der zur Spindelachse (11, 21) senkrechten Ebene geneigt sind.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Anzahl von Mikroterrassen auf jeder Spindel (10, 95) von der Anzahl von Mikroterrassen auf den anderen Spindeln (20, 96) unterscheidet.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied in der Anzahl von Mikroterrassen auf jeder Spindel (10, 20; 95, 96) 1 beträgt.

32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser einer jeden Mikroterasse auf einer Spindel (10, 20; 95, 96) sich von dem Durchmesser aller anderen Mikroterrassen auf dieser Spindel unterscheidet.

33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern tragenden Oberflächen auf den Spindeln (10, 20; 95, 96) eine im wesentlichen einander ähnliche Form aufweisen.

34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 33, dadurch gekennnzeichnet, daß zylindrische, nicht mit Terrassen versehene Streckwalzen (50) den mit Mikroterrassen versehenen Spindeln (10, 20) vorangehen, um die Faser (5) bis zu ihrem natürlichen Streckverhältnis zu strecken.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß zylindrische, nicht mit Terrassen versehene Streckwalzen (50) vorgesehen sind, um die Faser (5) zu strecken, nachdem die Faser durch die mit Mikroterrassen versehenen Spindeln (10, 20) inkrementweise gestreckt worden ist.

36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Radius einer jeden Fasern tragenden Fläche entlang deren Achse um diskrete, im allgemeinen positive Inkremente ungleicher Größe verändert, wobei die um das Inkrement vergrößerte Größe gleich dem Radius ist, von dem die Faser (5) ausgeht, multipliziert mit dem im allgemeinen positiven Streckinkrement, dem der Faserabschnitt in seinem Durchgang zwischen den Spindeln zu dem Abschnitt der Spindelfläche, die den Faserabschnitt aufnimmt, unterworfen ist; wobei sich die Faser (5) in zumindest einem, teilweise über den Umfang gehenden Kontakt mit einer jeden Mikroterrasse (13, 15, 16, 17, 18, 19) der Fasern tragenden Fläche einer jeden Spindel (10, 20) während des Streckvorgangs befindet.

37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gestängeeinrichtung (46) vorgesehen ist, um die freitragenden, äußeren Enden der Spindeln zu verbinden, um zu vermeiden, daß sich die Spindeln während des Streckvorgangs relativ zueinander durchbiegen.