Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Färben
schmelzgesponnener synthetischer polymerer Filamente. Das Verfahren der
vorliegenden Erfindung wird verwendet, um ein hochgradig orientiertes
Filament mit einem gleichmäßig gefärbten Querschnitt herzustellen.
Stand der Technik
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Es ist in der Technik wohlbekannt, dass das Färben von
schmelzgesponnenem synthetischem polymerem Filament durch zahlreiche Variablen
beeinflusst wird; dazu gehören das Strecken und Wärmebehandeln der
Filamente sowie das gewählte Färbeverfahren. Alle diese Vorgänge stehen
in Wechselbeziehung zueinander und sind für die Herstellung
schmelzgesponnener synthetischer polymerer Filamente notwendig.
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Es ist allgemein bekannt, schmelzgesponnene synthetische polymere
Filamente durch die Schritte des Spinnens des Polymers aus der Schmelze
unter Bildung von Filamenten, des Streckens der Filamente zur Erzielung
der gewünschten Zugeigenschaften und thermischen Eigenschaften, des
Temperns der Filamente, des Kräuselns und Trocknens der Filamente
herzustellen. Es ist wohlbekannt, dass das Tempern der Filamente mit
dem Trocknen der Filamente bei erhöhten Temperaturen kombiniert
werden kann.
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Das Strecken erfolgt, wenn die schmelzgesponnenen Filamente gedehnt
werden. Insbesondere ist Strecken definiert als das Dehnen eines
Endlosfilamentgarns oder -spinnkabels unter Erhöhung der mittleren axialen
Ausrichtung der Polymermoleküle des Filaments, was zu verbesserten
Zugeigenschaften und thermischen Eigenschaften führt. Solche Garne
nennt man gestreckte oder gereckte (zugfest gemachte) Garne.
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Während des Streckvorgangs werden die Polymermoleküle in dem
Filament bzw. den Fasern orientiert und dichter gepackt, was im allgemeinen
als Orientierung in den Filamenten bezeichnet wird. Dies erhöht die
spezifische Festigkeit und den Elastizitätsmodul der Filamente. Das
tatsächlich notwendige Ausmaß der Verstreckung wird anhand des Grades der
Orientierung, die beim Spinnvorgang entwickelt wird, und auch anhand
der für das fertige Produkt gewünschten Zähfestigkeit bestimmt. Zum
Beispiel beschreiben Chantry et al. in US-A-3,216,187 ein
Polyesterverfahren, das so entwickelt wurde, dass die Orientierung im
schmelzgesponnenen Polyestergarn minimiert wird, und dann die Verwendung von
hohen Streckverhältnissen, z. B. 6, 7 : 1, um ein sehr festes Garn zum
Beispiel zur Verwendung bei der Verstärkung von Autoreifen zu erhalten.
Umgekehrt beschreibt das US-Patent 4,134,882 das Spinnen unter sehr
hohen Spannungen, um die Doppelbrechung des gesponnenen Garns oder
die molekulare Orientierung im gesponnenen Zustand zu maximieren und
dadurch den Schritt des Verstreckens zu minimieren oder zu beseitigen.
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Im allgemeinen erfolgt das Strecken bei einer Temperatur des
Spinnkabels von 60ºC bis 80ºC, d. h. bei Temperaturen in der Nähe der
Glasübergangstemperatur des Polymers.
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Weitere Verbesserungen der Garnfestigkeit und der
Schrumpfeigenschaften ergeben sich aus dem Tempern der gestreckten Garne bei
Temperaturen wesentlich oberhalb ihrer Glasübergangstemperaturen. Im
allgemei
nen erfolgt das Tempern von Polyesterfilamenten sofort nach dem
Streckvorgang bei Temperaturen von 160ºC-200ºC während einer kurzen Zeit.
Durch das Tempern des Filaments wird seine Dichte weiter erhöht, und es
wird gegenüber einer anschließenden Schrumpfung bei Wärmeeinwirkung
stabilisiert. Eine solche Wärmebehandlung wird im allgemeinen als
thermische Kristallisation des Filaments bezeichnet.
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Im allgemeinen werden in der Praxis zwei Formen des Temperns
angewendet. Wenn hohe Zugfestigkeiten gewünscht werden, erfolgt das
Tempern bei einer vorbestimmten festen Länge. Bei kontinuierlichen
Verfahren wird dies gewöhnlich dadurch bewerkstelligt, dass man eine
Reihe von Walzen verwendet, die mit festen Geschwindigkeiten arbeiten.
Die Wärme kann entweder dadurch zugeführt werden, dass man die
Walzenoberflächen erhitzt oder dass man eine andere Heizvorrichtung,
wie ein heißes Blech oder einen Heißluftofen, zwischen den Walzen
installiert.
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Eine zweite Form, das Tempern mit freier Schrumpfung, führt im
allgemeinen zu niedrigeren Werten der endgültigen Schrumpfung als das
Tempern mit fester Länge, reduziert aber auch die Zähfestigkeit und den
Elastizitätsmodul. In der industriellen Praxis wird das Tempern mit freier
Schrumpfung gewöhnlich dadurch erreicht, dass man die Filamente lose
auf einem Förderband ablegt, das durch einen Heißluftofen geführt wird.
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Unmittelbar nach der Herstellung sind schmelzgesponnene Filamente und
Fasern glatt, im wesentlichen eindimensional und gleichmäßig. Für viele
Anwendungen sind diese Glätte und der eindimensionale Charakter
unerwünscht. Folglich werden die Filamente einem Bauschvorgang
unterworfen. Das Bauschen lässt sich zum Beispiel durch Dampf- oder
Luftstrahlen, durch Stauchkammern, durch Kantenbehandlungen oder durch
Falschdrahttexturieren bewerkstelligen. Das Texturieren erfolgt oft bei
erhöhten Temperaturen, um eine dauerhaftere Bauschigkeit zu erhalten.
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Nach dem Bauschen werden die Filamente getrocknet. Es ist jedoch in der
Technik bekannt, dass der Schritt des Temperns auch durch eine
thermische Fixierung im Trocknungsschritt ersetzt werden kann. Wenn das
Tempern zwischen dem Strecken und dem Bauschen weggelassen wird,
werden die Filamente im allgemeinen 5 Minuten oder länger bei höheren
Temperaturen als der Glasübergangstemperatur getrocknet und
thermisch fixiert.
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Färbeverfahren beruhen auf dem speziellen schmelzgesponnenen
synthetischen Filament. Das Färben kann durch Auftragen des Farbstoffs auf die
gesponnenen Filamente oder Einbau des Farbstoffs in die
Polymerschmelze vor dem Spinnen erreicht werden. Der Vorgang beinhaltet das
Auftragen des Farbstoffs plus geeigneter Verfahren zur Fixierung des Farbstoffs
auf dem synthetischen Filament.
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Polyester werden am häufigsten mit Dispersionsfarbstoffen gefärbt, die
auch als Acetatfarbstoffe bekannt sind. Diese Farbstoffe sind in Wasser
praktisch unlöslich, können jedoch als sehr feine Teilchen dispergiert
werden. Sie werden in feinteiliger Form zusammen mit einem
Dispersionsmittel und Füllstoffen verkauft. Typischerweise macht der tatsächliche
Farbstoff nur 20% des handelsüblichen Farbstoffpulvers aus. In der
industriellen Praxis werden diese Farbstoffe aus wässrigen Dispersionen
auf die Fasern aufgetragen. Die Dispersionsmittel und Füllstoffe werden
dann abgespült und verworfen.
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Der Färbevorgang umfasst mehrere Schritte und dauert im allgemeinen
mehrere Stunden. Zu diesen Schritten gehören typischerweise Schritte
des Vorwaschens, des eigentlichen Färbens und des Nachwaschens. Im
allgemeinen dringt nicht der gesamte Farbstoff in die Faser ein. Ein Teil
davon verbleibt im Farbstoffbad, und ein Teil verbleibt auf der
Faseroberfläche. Mehrere Schritte des Abspülens und Waschens können erforderlich
sein, um Oberflächenfarbstoff und die Farbstoffhilfschemikalien zu
entfernen. Jeder Schritt im Trocknungsverfahren erzeugt erhebliche Mengen
Abwasser.
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Der Färbevorgang kann durch die Verwendung von Druck oder hoher
Temperatur beim Färben wirkungsvoller gemacht werden. Der
Färbevorgang kann durch höhere Färbetemperaturen beschleunigt werden. Das
Färben bei hoher Temperatur wird dadurch erreicht, dass man Überdruck
verwendet, so dass zum Beispiel für Polyester Färbetemperaturen von
130ºC ermöglicht werden. Das Färben unter Druck erfordert spezielle
Druckmantelgefäße und trägt erheblich zu den Energiekosten des Färbens
bei.
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Es ist auch bekannt, farbige Filamente herzustellen, indem man
ausgewählte thermisch stabile Pigmente direkt zur Polymerschmelze gibt und
Filamente spinnt, die bereits farbig oder mit den thermisch stabilen
Pigmenten pigmentiert sind. Dieses Verfahren ist unter den verschiedenen
Bezeichnungen Schmelzfärbung, Spinnfärbung oder Lösungsfärbung
bekannt. Es wird jetzt für Filamente in großem Maßstab angewendet.
Obwohl darauf geachtet werden muss, die thermische Zersetzung des
Pigments und die Gasentwicklung während des Spinnens zu minimieren,
ist die Schmelzfärbung umweltfreundlicher als die herkömmliche Färbung.
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Ihr Nachteil liegt Jedoch in erster Line darin, dass große Chargen von
Filamenten hergestellt werden müssen und der kommerziell verfügbare
Bereich von Farben beschränkt ist. Außerdem können die
Farbabstimmung und Farbsteuerung bei der Schmelzspinnfärbung äußerst mühsam
sein, und die Auswahl an annehmbaren Pigmenten ist viel geringer als die
Auswahl an Dispersionsfarbstoffen.
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Es sind verschiedene Färbeverfahren bekannt, die vor dem Strecken des
Filaments angewendet werden. Zum Beispiel offenbart US-A-3,241,906
einen Färbeschritt vor dem Streckvorgang, so dass sowohl die Färbung als
auch die Verfestigung der Filamente in einem Einzigen kontinuierlichen
Arbeitsschritt durchgeführt werden können. Insbesondere betrifft das
Verfahren das Auftragen eines Farbstoffs, der ohne Dispersionsmittel oder
andere Verdünnungsmittel in einem organischen, im wesentlichen
nichtwässrigen heißen Lösungsmittel dispergiert ist, auf unverstreckte
schmelzgesponnene Filamente unter solchen Bedingungen, dass der Grad
des Eindringens des Farbstoffs in die Filamente 60% der
Querschnittsfläche oder mehr beträgt. Der Farbstoff wird während einer kurzen Zeit,
vorzugsweise weniger als 30 Sekunden, bei Temperaturen von bis zu
150ºC aufgetragen, wobei man ein organisches Lösungsmittel verwendet,
das den Farbstoff auflöst, aber keine Versprödung der Filamente
verursacht. Danach erfolgt das Strecken der Filamente auf das Drei- bis
Sechsfache ihrer Länge.
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Die Kombination von herkömmlichen wässrigen Färbesystemen mit
herkömmlichen Strecksystemen hat sich kommerziell bisher nicht
durchsetzen können. Der Grund dafür liegt in erster Linie darin, dass die
Färbung ein diffusionskontrollierter Vorgang ist und während des
Streckens keine ausreichende Zeit zur Verfügung steht, um eine vollständige
Diffusion zu ermöglichen. Es wurden Versuche unternommen, um die
Diffusion zu beschleunigen. GB-A-1,094,725 offenbart ein Verfahren zum
kontinuierlichen Färben von Polyesterfilamenten, wobei eine
Farbstoffdispersion auf die gestreckten oder ungestreckten Filamente aufgetragen
wird, die man dann streckt, wenn sie noch nicht gestreckt waren, trocknet
und bei einer Temperatur, die nicht weiter als 50ºC von ihrem
Schmelzpunkt entfernt ist, um wenigstens 10% schrumpfen lässt. Nachdem der
Farbstoff aufgetragen ist, wird das Material bei 50 bis 80ºC getrocknet
und dann bei einer viel höheren Temperatur geschrumpft. Die
Geschwindigkeit der Farbstoffdiffusion wird während des Schritts der
Hochtemperaturrelaxation erheblich gesteigert, und es wird ein annehmbarer Grad des
Eindringens des Farbstoffs erreicht. Nach der Schrumpfung kann das Garn
erneut gestreckt werden, um das gewünschte Maß der Festigkeit
wiederherzustellen.
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Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass mehrere zusätzliche Schritte, die
nicht zum Standard gehören, zu dem Streckvorgang hinzugefügt wurden,
was eine Neugestaltung der Streckstrecke erfordert. Um die bei diesem
Verfahren erforderlichen hohen Schrumpfungsgrade zu erreichen, muss
die Streckspannung insbesondere zurückgenommen werden, bevor das
Garn erhitzt wird. Wenn die Wärme zuerst zugeführt wird, wird das Garn
fixiert, und die erforderlichen Schrumpfungsgrade können nicht erhalten
werden. Die herkömmliche Streckausrüstung ist nicht mit dieser Fähigkeit
ausgestattet. Außerdem sind nach dem Strecken mehrere Spül- und
Waschschritte erforderlich, um überschüssigen Farbstoff und
überschüssige Farbstoffhilfschemikalien zu entfernen, was eindeutig zeigt, dass der
Färbevorgang noch nicht beendet war.
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Ein Verfahren zum gleichmäßigen Färben synthetischer Fasern ist in US-
A-2,663,612 offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Imprägnieren der
Faser durch Aufklotzen oder Bedrucken mit einer wässrigen Suspension
des Farbstoffs, Trocknen der imprägnierten Faser und dann Durchführen
einer trockenen Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 180ºC
und 230ºC während einer kurzen Zeitspanne, 5 bis 60 Sekunden.
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Es ist ein Ziel oder Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
kontinuierlichen Färben synthetischer Filamente bereitzustellen, das zu
einem gestreckten Filament führt, das eine Farbstoffaufnahme von im
wesentlichen 100% des Querschnitts aufweist.
Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt ein einzigartiges Verfahren zur
Herstellung eines schmelzgesponnenen synthetischen Filaments bereit, indem
man die Schritte des Auftragens des Farbstoffs, des Streckens der
Filamente und des thermischen Fixierens der Filamente effektiv nacheinander
ablaufen lässt.
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Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung synthetischer Filamente, wobei vor oder während des Streckens der
Filamente ein in Wasser dispergierter Farbstoff auf die Filamente
aufgetragen wird. Die Filamente können dann kurze Zeit bei einer hohen
Temperatur behandelt werden, um die Filamente zu tempern und
oberflächlich einzufärben. Dann werden die Filamente längere Zeit bei einer
niedrigeren Temperatur thermisch fixiert; während dieser Zeit diffundiert
der Farbstoff vollständig durch den Faserquerschnitt.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Färben
schmelzgesponnener synthetischer Filamente bereit, die aus
Polyethylenterephthalat, Polytrimethylenterephthalat, Polytetramethylenterephthalat,
Copolymeren davon und Polyamid ausgewählt sind, wobei das Verfahren im
wesentlichen die folgenden Schritte umfasst:
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Auftragen eines in Wasser dispergierten Dispersionsfarbstoffs auf die
schmelzgesponnenen synthetischen Filamente, was zu
oberflächengefärbten Filamenten führt; dann
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Strecken der oberflächengefärbten Filamente unter Bildung von
gestreckten Filamenten; dann
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Tempern der gestreckten Filamente bei einer Temperatur von 75ºC bis
240ºC während bis zu 10 Sekunden, so dass das Wasser aus der
Filamentoberfläche verdampft und der Farbstoff auf der Oberfläche des
Filaments fixiert wird, wobei oberflächengefärbte gestreckte Filamente
entstehen; und
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thermisches Fixieren der oberflächengefärbten gestreckten Filamente bei
einer Temperatur von 100ºC bis 180ºC während wenigstens 10 Minuten,
so dass der Farbstoff gleichmäßig durch den gesamten Querschnitt des
Filaments diffundiert.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Man sollte sich darüber im
klaren sein, dass bei der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
zwar spezifische Ausdrücke verwendet werden können, diese aber nur im
beschreibenden Sinn verwendet werden und nicht generisch sind; sie
werden zum Zwecke der Beschreibung und nicht zur Einschränkung
verwendet. Wie der Fachmann erkennen wird, ist die Erfindung
zahlreicher Änderungen und Variationen innerhalb des Wesens und Umfangs
ihrer Lehre fähig.
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Die Filamentkomponente der vorliegenden Erfindung umfasst Polyester
und Polyamide. Der Ausdruck "Filament" wird hier so verwendet, dass er
sowohl das Filament als auch die daraus erzeugten Fasern abdeckt.
Insbesondere ist die Filamentkomponente aus Polyethylenterephthalat,
Polytrimethylenterephthalat, Polytetramethylenterephthalat, Copolymeren
davon und Polyamiden ausgewählt.
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Wie dem Fachmann auf dem Gebiet der kommerziellen
Polyesterherstellung bekannt ist, kann das Polyesterpolymer aus einem Ausgangsgemisch
von Terephthalsäure und Ethylenglycol oder aus Dimethylterephthalat und
Ethylenglycol gebildet werden. Der Polyester kann mit Hilfe eines
diskontinuierlichen oder eines kontinuierlichen Verfahrens hergestellt werden.
Die Reaktion verläuft über die wohlbekannten Schritte der Veresterung
und Kondensation unter Bildung von Polyethylenterephthalat (PET).
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Mehrere Katalysatoren oder andere Zusätze haben sich als nützlich
erwiesen, um entweder die Veresterung oder Kondensationsreaktionen zu
katalysieren oder um dem Polyester bestimmte Eigenschaften zu
verleihen.
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Das Polyesterpolymer wird als viskose Flüssigkeit gebildet, die durch
einen Spinndüsenkopf gepresst wird, so dass einzelne Filamente
entstehen, ein Vorgang, der in der Technik allgemein als "Spinnen" oder
"Schmelzspinnen" bezeichnet wird. Die gesponnenen Filamente werden
anschließend gefärbt, gestreckt und thermisch fixiert. Sie können auch
gekräuselt und zu Stapelfasern geschnitten werden. Geeignete
schmierende Appreturen werden in herkömmlicher Weise hinzugefügt.
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Das Färben beginnt mit der Auswahl eines geeigneten Farbstoffs.
Synthetische Farbstoffe, die zur Verwendung in den Dispersionen dieser
Erfindung geeignet sind, sind unlösliche oder in Wasser schwerlösliche
Farbstoffe. Solche Farbstoffe sind zum Beispiel Schwefelfarbstoffe, Pigmente
oder Küpenfarbstoffe, vorzugsweise jedoch Dispersionsfarbstoffe, die
chemisch zu einem weiten Bereich von Klassen gehören.
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Die Dispersionsfarbstoffe sind zum Beispiel Nitro-, Aminoketon-,
Ketonimin-, Methen-, Diphenylamin-, Chinolin-, Nitroanilin-, Benzimidazol-,
Xanthen-, Oxazin-, Aminonaphthochinon-, Cumann- oder
Pyridonfarbstoffe, die keine solubilisierenden Carbonsäure- und/oder Sulfonsäuregruppen
enthalten; insbesondere handelt es sich um Anthrachinon- und
Azofarbstoffe, wie Monoazo- oder Polyazofarbstoffe.
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Außerdem ist es im Verfahren dieser Erfindung auch möglich, Gemische
von Farbstoffen aufzutragen. Solche Farbstoffgernische können
geeigneterweise Kombinationen von Farbstoffen sein, die in Wasser unlöslich oder
schwerlöslich sind.
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Es hat sich gezeigt, dass sich kommerziell erhältliche
Dispersionsfarbstoffe in dieser Erfindung ausreichend bewähren. Diese Farbstoffe sind jedoch
so zubereitet, dass sie nur 10-50% reinen Farbstoff enthalten. Folglich
neigen sie dazu, große Mengen an wasserlöslichen Dispergiermitteln auf
der Faseroberfläche zu hinterlassen, insbesondere wenn dunkle Farbtöne
erzeugt werden. Die Abscheidung auf der Oberfläche kann erheblich
reduziert werden, indem man den Farbstoff anders zubereitet, so dass er nur
ein Minimum an Fremdstoffen enthält. Dadurch werden unerwünschte
Ablagerungen erheblich reduziert. Solche Farbstoffe können zubereitet
werden, indem man den wässrigen Farbstoff in Dispersionen, die
Dispergiermittel, Schaumverhütungsmittel, Biozide, Verdickungsmittel und
Färbebeschleuniger enthalten, dispergiert. Das Verhältnis von Farbstoff zu
Dispergiermittel sollte so hoch wie möglich gehalten werden,
vorzugsweise größer als 3 : 1.
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Nach dem Schmelzspinnen wird ein in Wasser dispergierter Farbstoff vor
oder während des Streckens der Filamente auf die Filamente aufgebracht.
Die Auftragung des Farbstoffs kann auf vielerlei Weise erfolgen, z. B.
durch Aufklotzen, Sprühen und Tauchen. Für kleine Filamentzahlen, von
< 1000, funktioniert eine Anwendung ähnlich der, die zum Auftragen von
zudosierten Spinnappreturen verwendet wird, gut. Die Konzentration des
Farbstoffs in der Dispersion und die Menge der zugefügten Dispersion
können beide in zweckmäßiger Weise gewählt werden, vorausgesetzt, die
Gleichgewichtsfeuchtigkeit des Fadens unter Streckspannung wird nicht
überschritten. In diesem Fall ist das erreichte Maß der Farbstoffaufnahme
einfach die Menge des auf den Faden aufdosierten Farbstoffs. Wenn der
Gleichgewichtsfeuchtigkeitswert überschritten wird, geht Farbstoff durch w
Heruntertropfen und Abscheidung auf Oberflächen verloren, und die
Kontrolle über die Farbstoffmenge geht verloren.
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Für größere Filamentzahlen, von > 1000, wird es zunehmend schwieriger,
den Farbstoff entlang des Filamentbündels gleichmäßig von Filament zu
Filament zu verteilen. Wir haben gefunden, dass es in diesem Fall das
beste ist, das Spinnkabelband zu übersättigen und den
Dispersionsüberschuss mechanisch wieder zu entfernen. In diesem Fall ist die erreichte
Farbstoffmenge gleich dem Produkt aus dem Sättigungsfeuchtigkeitswert
und der Konzentration des Farbstoffs in der Dispersion.
Farbstoffdiffusionsgeschwindigkeiten haben bei diesem Verfahren keinen Einfluss auf die
Farbstoffmenge, und folglich wird die Streifenbildung (barre) verhindert.
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Dann werden die Filamente gestreckt. Das Strecken der Filamente zielt
auf die Orientierung der Polymermoleküle innerhalb der Filamente ab. Ein
Verfahren zum Strecken der Filamente ist eine unterschiedliche
Geschwindigkeit zwischen zwei Gruppen von Walzen, durch die das Filament
hindurchtritt. In diesem Fall haben die ersten Walzen eine
Geschwindigkeit, die als 1 bezeichnet wird, und die zweiten Walzen haben eine
Geschwindigkeit, die größer ist als die der ersten Walzen. Diese
unterschiedliche Geschwindigkeit zwischen den Walzen bewirkt eine Dehnung
des Filaments. Diese Dehnung wird Verstreckung genannt. Wenn die
zweite Gruppe von Walzen also eine Drehgeschwindigkeit hat, die viermal
so groß ist wie die der ersten Walzen, beträgt das Streckverhältnis 4 : 1.
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Wer mit der Natur von Polymeren vertraut ist, weiß; dass sich der
Ausdruck "Orientierung" auf einen halbwegs geordneten Zustand bezieht, in
dem die langen polymeren Moleküle in stärkerem Maße eine lineare
Beziehung zueinander und zu der Faserachse aufweisen, aber keine
Gitterplatz- und Bindungsbeziehungen zueinander aufweisen, die ein
Kristallgitter definieren würden. Wenn alle anderen Faktoren gleich
bleiben, führt eine erhöhte Orientierung tendenziell zu einer erhöhten
Schrumpfung, da die Anwendung von Wärme zu einer natürlichen
Entropieerhöhung oder regelloseren Anordnung der ansonsten orientierten
Moleküle führt. Die regellosere Anordnung spiegelt sich häufig in einer
abnehmenden Faserlänge wider, da sich linear orientierte Moleküle in
Positionen bewegen, wo sie weniger lineare Beziehungen zueinander
aufweisen. Die Schrumpfung kann durch Tempern und Entwickeln einer
stabilisierenden kristallinen Struktur innerhalb der orientierten Faser stark
reduziert werden.
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Wie der mit solchen Vorgängen Vertraute weiterhin weiß, beeinflussen die
Streckbedingungen die Orientierung des Polymers und daher auch
mehrere der Eigenschaften, die sich auf die Orientierung beziehen, wie
Zähfestigkeit, Elastizitätsmodul, Färbbarkeit und Schrumpfung.
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Der hier verwendete Ausdruck "Streckbedingungen" bezieht sich auf das
Streckverhältnis und die Strecktemperatur. Das Streckverhältnis ist
definiert als das Verhältnis der endgültigen Länge, in der das gestreckte
Filament zu einem anderen Vorgang, wie thermische Fixierung,
weitergeleitet wird, zur Anfangslänge des Filaments vor dem Strecken. Lässt man
andere Variablen beiseite, so erhöht ein größeres Streckverhältnis die
Orientierung des Polymers, das das Filament bildet, und dadurch auch die
Zugfestigkeit und die Schrumpfung der resultierenden Faser, senkt jedoch
die Färbbarkeit. Ein geringeres Streckverhältnis senkt die Zugfestigkeit
und die Schrumpfung der Faser und erhöht die Färbbarkeit.
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Das natürliche Streckverhältnis für eine Faser ist das Streckverhältnis, bei
dem die Faser keine Verstreckungshälse mehr ausbildet. Alternativ dazu
kann dies auch ausgedrückt werden als das Ausmaß der Streckung, die
erforderlich ist, damit die Ausbildung von Verstreckungshälsen endet und -
die Dehnungshärtung einer gestreckten Faser beginnt. Wie der Fachmann
auf dem Gebiet der Filamentverfahren weiß, bildet ein Filament, wenn es
zum ersten Mal gestreckt wird, einen oder mehrere gestreckte und
ungestreckte Teile, wobei die Übergangsbereiche als Verstreckungshälse
bezeichnet werden. Beim natürlichen Streckverhältnis jedoch befindet sich
das gesamte Filament im gestreckten Zustand; und die
Verstreckungshälse und die ungestreckten Teile verschwinden. Das Filament erhält einen
gleichmäßigen Querschnitt, der dann auch gleichmäßig abnimmt (anstatt
in Verstreckungshälsen und ungestreckten Teilen), wenn die Faser weiter
verstreckt wird. Das natürliche Streckverhältnis reflektiert den Grad der
Orientierung der ungestreckten gesponnenen Faser, wobei ein geringeres
natürliches Streckverhältnis einen höheren Grad der Orientierung
widerspiegelt und umgekehrt.
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Das natürliche Streckverhältnis wird gemessen, indem man ein Stück des
Spinnkabels in Klemmen einspannt, die auf einem
Instron-Zugfestigkeitstester montiert sind und das Bündel dehnt, bis es reißt. Das
natürliche Streckverhältnis wird vom Beginn des Streckens bis zum Einsetzen
der Dehnungshärtung gemessen. In der vorliegenden Erfindung können
Streckverhältnisse etwa 1,5 : 1 bis 8 : 1 betragen, vorzugsweise 2 : 1 bis 4 : 1.
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Die Strecktemperatur ist als die Temperatur definiert, bei der das
Strecken erfolgt. In der Praxis wird dafür gewöhnlich die Temperatur des
Streckmediums genommen, das verwendet wird, um ein Fließen des
gesponnenen Filaments zu induzieren. Typische Beispiele für ein Medium
sind Dampf, Flüssigkeit und beheizte Walzen. Im allgemeinen betragen
die Strecktemperaturen 60ºC bis 90ºC. Wenn die Strecktemperatur zu
hoch ist, kann das Filament entweder reißen oder im unorientierten
Zustand kristallisieren und unverstreckbar werden. Wenn die Temperatur
zu niedrig ist, kann die Spannung am Verstreckungshals die
Faserfestigkeit überschreiten, und die Faser reißt. Diese Beziehungen gelten sowohl
für die Polyester-Homopolymere als auch für die Copolymere, so dass das
Streckverhältnis und die Strecktemperatur im allgemeinen so gewählt
werden können, dass man gewünschte Zugeigenschaften innerhalb eines
gegebenen Bereichs erhält, der durch die Natur des Polymers oder
Copolymers definiert ist.
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Nach dem Strecken kann das Filament bis zu 10 Sekunden lang bei
140ºC bis 240ºC getempert werden, so dass im wesentlichen das
gesamte Wasser aus der Oberfläche der Filamente verdampft und der Farbstoff
auf der Filamentoberfläche zurückbleibt. Die Zeit, die erforderlich ist, um
dies zu erreichen, hängt von vielen Faktoren ab, wie dem Verfahren des
Erhitzens, der Dicke des Faserbündels, der spezifischen Oberfläche der
Filamente und der Gesamtmenge des aufgetragenen Farbstoffs.
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Die Tempertemperatur ist als die Temperatur der Filamente definiert, bei
der das Tempern erfolgt. Die tatsächlichen Filamenttemperaturen können
durch Infrarotthermometrie, Messungen der Oberflächentemperatur oder
nachträgliche thermische Charakterisierung bestimmt werden. Genaue
Temperaturen können auch unter Verwendung von klassischen
Wärmeübertragungsmethoden berechnet werden. Je höher die
Tempertemperatur, desto höher ist die Kristallinität, und desto geringer ist die
anschlie
ßende Schrumpfung. Umgekehrt gilt: Je niedriger die Temperatur, desto
weniger Kristallinität und desto mehr Schrumpfung.
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Die Tempertemperaturen werden hoch genug angesetzt, um die
gewünschten Zugeigenschaften im Polymerfilament einzustellen und um die
Schrumpfung des Polymerfilaments im wesentlichen auf demselben Wert
zu halten wie die Schrumpfung des unverstreckten Polyesterfilaments.
Nach dem Streck- und dem Tempervorgang können die Fasern gespült
werden, um noch vorhandenen unfixierten Farbstoff sowie
Farbstoffdispergiermittel zu entfernen, und die Fasern können gekräuselt werden,
um einen verbesserten ästhetischen Eindruck zu erhalten.
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Nach dem Spülen und Kräuseln werden die Filamente wenigstens 10
Minuten lang auf eine Temperatur von 100ºC bis 180ºC erhitzt, so dass
der in Wasser unlösliche Farbstoff gleichmäßig durch den gesamten
Querschnitt des Filaments diffundiert. Diese Wärmebehandlung erfolgt zügig in
einem Heißluftofen für kontinuierliche Behandlung. Der obere
Temperaturbereich gilt für die Heizzone. Die Verweilzeit der Filamente in der
Heizzone hängt von der Dicke des Materials und der chemischen
Zusammensetzung des Polyesters sowie von der Art der Wärmeübertragung und
der Menge des Farbstoffs ab.
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Durch diese Behandlung diffundiert der Farbstoff in das Innere der
Filamente und verbessert so die Farbstoffeigenschaften der Filamente, wie
Gleichmäßigkeit, Licht- und Waschechtheit. Alle oben beschriebenen
Verfahren zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung
ergeben gleichmäßig gefärbte Filamente oder Spinnkabel aus
Polyestermaterial.
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Es gibt viele Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber dem
herkömmlichen Färben. Der ganze kostspielige herkömmliche Färbevorgang
mit seinen Waschschritten vor und nach dem Färben entfällt genauso wie
die großen Mengen an Abwasser, die mit herkömmlichen
Färbearbeitsschritten verbunden sind. Wegen der hohen Temperaturen, die in der
vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind schädliche
Farbstoffhilfschemikalien, wie Färbebeschleuniger, nicht notwendig. Das Verfahren ist
außerdem viel weniger empfindlich gegenüber Struktur und Eigenschaften
der Faser als das herkömmliche Färben. Folgllich erfolgt das Färben
extrem gleichmäßig.
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Zu den Vorteilen der vorliegenden Erfindung gegenüber der
Schmelzfärbung gehört die dramatische Reduktion des Abfallgarns, das beim
Hochfahren und Herunterfahren verarbeitet wird. Weiterhin kann bei dem
Verfahren das breite Spektrum herkömmlicher Dispersionsfarbstoffe
verwendet werden und nicht nur speziell ausgewählte Pigmente. Herkömmliche
Farbabstimmungstechnik kann ebenfalls verwendet werden, so dass keine
mühsame Farbabstimmung durch Herstellung einer Mastercharge
notwendig ist.
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Die vorliegende Erfindung wird weiterhin anhand der folgenden Beispiele
erläutert. Alle Teile und Prozentangaben in den Beispielen und im Rest der
Beschreibung sind gewichtsbezogen, wenn nichts anderes angegeben ist.
Beispiel 1
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Eine 5%ige Dispersion von handelsüblichem CI Disperse Blue 27 wird
unmittelbar vor einer Gruppe von Zuführwalzen rriit einer Zahnradpumpe
und einem Keramikapplikator auf einen PET-POY-Faden von 294 dTex
(265 denier) aufdosiert. Das feuchte Filament wird mit einer
Geschwindigkeit von 25 m/min einer Gruppe von gewöhnlichen Walzen zugeführt.
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Von dort läuft es zu einer Gruppe von Temperwalzen von 180ºC-240ºC,
wie es in Tabelle 1 gezeigt ist. Die Geschwindigkeit der Gruppe von
Temperwalzen beträgt 50 m/min. so dass das POY im Verhältnis 2 : 1
gestreckt wird. Die Verweilzeit auf den Temperwalzen beträgt 5, 5 bis 8,25
Sekunden.
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Eine gefärbte Faser in dunkler Denimfarbe wird aufgewickelt. Bei
oberflächlicher Untersuchung schien der Farbstoff gut fixiert zu sein. Eine -
sorgfältige Untersuchung des gefärbten Garns zeigt jedoch, dass es
ringgefärbt ist, wobei sich eine erhebliche Menge an "losem" Farbstoff
noch auf der Faseroberfläche befindet. Der lose Farbstoff konnte
mechanisch oder durch Abspülen mit kaltem Wasser entfernt werden.
Tabelle 1
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Das oberflächengefärbte Garn wird dann unterschiedlich lange und bei
unterschiedlichen Temperaturen in einen Heißluftofen gegeben. Man
beobachtet, dass die Fasern, während sowohl die Zeit als auch die
Temperatur im Ofen zunehmen, einen immer gleichmäßigeren Querschnitt
aufweisen. Nach 1 Stunde bei 160ºC Lufttemperatur weisen die Filamente
eine gleichmäßige Färbung des Querschnitts auf. Die Kontrollexperimente
1-5 wurden getempert und bei unzureichender Hitze getrocknet, was zu
Ringfärbung führte. Die Experimente 6 und 7 wurden getempert und
wenigstens 1 Stunde lang Heiztemperaturen ausgesetzt, was zur Färbung
des vollen Querschnitts führte.
Beispiel 2
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Handelsübliches CI Disperse Blue 27 wird aufgetragen, indem man ein
PET-Spinnkabel mit 90 000 Filamenten und 330 000 dTex (300 000
denier) bei 70ºC in eine 3,5%ige Farbstoffdispersion eintauchte. Das
gesättigte Kabel wird dann in Schlangenlinien durch eine Gruppe von 7
Zuführwalzen geführt, die auf etwa 70ºC erhitzt: sind. Dann wird es im
Verhältnis von 2,351 : 1 oder von 2,585 : 1 gestreckt und durch einen
Walzenspalt mit 36,6 m/min (120 fpm) auf eine weitere Gruppe von 14
Walzen geleitet. Der Feuchtigkeitsgrad des Kabels hinter dem Walzenspalt
beträgt ~25%, was eine Farbstoffmenge von 0,88% Farbstoff ergibt,
bezogen auf das Gewicht der Faser. Die 11 ersten der 14 Streckwalzen
waren auf 75ºC bzw. 200ºC erhitzt, um die Filamente zu tempern, wie es
in Tabelle 2 gezeigt ist. Die 3 letzten wurden gekühlt. Die Verweilzeit auf
den heißen Walzen beträgt 9,6 Sekunden.
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Dann wird das Kabel gewaschen, um losen Oberflächenfarbstoff zu
entfernen, und durch eine Stauchkammer-Kräuselvorrichtung geleitet. Eine
erhebliche Menge des Farbstoffs wird von den Fasern abgespült, wenn die
Walzen mit 75ºC betrieben werden. Wenn die Walzen jedoch bei 200ºC
betrieben werden, erfolgt kein sichtbares Abspülen des Farbstoffs.
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Nach dem Kräuselarbeitsschritt wird das Kabel zu einem
Heißlufttrockenofen weitergeleitet. Die Verweilzeit im Ofen beträgt 15 Minuten. Der Ofen
wird abwechselnd bei 60ºC und bei 175ºC betrieben. Wenn der Trockner
auf 60ºC steht, sind die Fasern im wesentlichen ringgefärbt. Die bei
175ºC
getrockneten Fasern zeigen jedoch eine Färbung über den vollen
Querschnitt. Überraschenderweise hatten Änderungen im Streckverhältnis
nur einen minimalen Effekt auf die Tiefe des Farbtons.
Tabelle 2
Beispiel 3
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Eine Dispersion von handelsüblichen Dispersionsfarbstoffen, die 0,044%
CI Disperse Yellow 64, 0,016% CI Disperse Red 60 und 0,001% CI
Disperse Blue 56 enthält, wird auf einem Stapelstreckwerk durch
Übersättigung auf ein PET-Spinnkabel mit 750 000 Filamenten und 3 330 000
dTex (3 000 000 denier) aufgetragen. Das Kabel wird einer Gruppe von 7
Zuführwalzen zugeführt, die mit 35,5 m/min (115,7 fpm) laufen. Das
Kabel läuft um die 7 Walzen herum, wo es von mehreren hydraulischen
Sprühvorrichtungen mit Farbflotte von 70ºC gesättigt wird. Das Kabel
wird durch einen Walzenspalt und um eine Reihe von Streck- und
Temperwalzen herum geführt. Die erste der Streckwalzen, die mit einem
Walzenspalt ausgestattet war, wird nicht erhitzt. Bis zu diesem Zeitpunkt
ist noch keine messbare Färbung erfolgt, und die überschüssige Farbflotte
aus dem Walzenspalt kann in das Sprühsystem und damit in den Kreislauf
zurückgeführt werden. Fünfzehn (15) aufeinanderfolgende Walzen werden
auf 196ºC erhitzt. Alle Streck- und Temperwalzen arbeiten mit einer
Geschwindigkeit von 137 m/min (450 fpm). Die Gesamtverweilzeit an den
Walzen beträgt 6,9 Sekunden. Das Streckverhältnis beträgt 4 : 1.
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Der Feuchtigkeitsgrad des Kabels hinter dem Walzenspalt beträgt 25%,
was eine Farbstoffmenge von 0,013% Farbstoff ergibt, bezogen auf das
Gewicht der Faser. Die Gesamtverweilzeit auf den heißen Walzen beträgt
7 Sekunden. Nach dem Durchtritt durch die heißen Walzen beträgt der
Feuchtigkeitsgrad im wesentlichen Null, und der gesamte Farbstoff wurde
auf der Oberfläche der Fasern fixiert. Das Kabelband wird in einer
hydraulischen Sprühvorrichtung abgespült, aber es wird kein Farbstoff dabei
entfernt.
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Dann wird das Kabel durch eine Dampfstauchkammer geleitet, um der
Faser einen dreidimensionalen Charakter zu verleihen. An der
Kräuselvorrichtung wird kein freier Farbstoff beobachtet. Da die Gesamtmenge des
Farbstoffs und daher auch des Dispergiermittels gering war, traten keine
Verarbeitungsprobleme auf.
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Nach dem Kräuselarbeitsschritt wird das Kabel 15 Minuten lang in einem
Heißluftofen bei 110ºC weitergeleitet. Dann wird das Kabelband einem
Schneide- und Ballenverpackungsschritt zugeführt. Ein pfirsichfarbener
Stapel mit vernachlässigbarer Fremdstoffablagerung auf der Oberfläche
Wird erzeugt.
Beispiel 4
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Das Verfahren in Beispiel 3 wird verwendet, um ein PET-Kabel zu färben,
wobei eine 0,05%ige Dispersion von reinem CI Disperse Blue 165
verwendet wird, die so zubereitet ist, dass sie ein Minimum an zusätzlichen
Fremdkomponenten enthält. Die Farbstoffzusammensetzung lautet:
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Dianix ist ein Warenzeichen der Hoechst Celanese Corporation. Der
Farbstoff Dianix Blue GSL FW-F8 und das Dispersionsmittel HOE-S-3169
sind von der Hoechst Celanese Corporation kommerziell erhältlich. Ethal
ist ein Warenzeichen der Ethox Chemical, und das Dispersionsmittel Ethal
NP-10f ist von Ethox Chemical kommerziell erhältlich. Surfynol ist ein
Warenzeichen der Air Products, und das Schaumverhütungsmittel
Surfynol 104E ist von Air Products kommerziell erhältlich. Proxel ist ein
Warenzeichen der ICI Americas, und das Biozid Proxel GXL ist dort
kommerziell erhältlich. Kelzan ist ein Warenzeichen der Merck & Co., und
das Verdickungsmittel Kelzan S ist dort kommerziell erhältlich.
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In dieser Zusammensetzung machen die Farbstoffkomponenten 78% des
gesamten Feststoffzusatzes aus, während Nichtfarbstoffkomponenten nur
22% ausmachen. Weder der Farbstoff noch die Dispersionsmittel haben
einen nachweisbaren Einfluss auf die spätere Verarbeitbarkeit der Faser.
Man erhält Fasern in einem attraktiven Blau. Beim Spülen mit
Kochsalzlösung oder Methanol konnte kein Farbstoff extrahiert werden.
Beispiel 5
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PET-Fasern werden unter Verwendung desselben Verfahrens wie in
Beispiel 3 mit CI Disperse Red 364 gefärbt. Der Farbstoff, der so zubereitet
ist, dass er ein Minimum an zusätzlichen Fremdkomponenten enthält, wird
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in einer Menge von 0,01% reinem Farbstoff, bezogen auf das Gewicht der
Fasern, zu der Streckappretur eines kommerziellen Stapelstreckwerks
gegeben. Die Farbstoffzusammensetzung lautet:
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Hostasol ist ein Warenzeichen der Hoechst Celanese Corporation, und der
Farbstoff Hostasol Red 5B ist dort kommerziell erhältlich. Die anderen
Namen wurden in Beispiel 4 besprochen.
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In dieser Zusammensetzung machen die Farbstoffkomponenten 68% des
gesamten Feststoffzusatzes aus, während Nichtfarbstoffkomponenten nur
32% ausmachen. Weiterhin haben die Zusätze ein niedriges
Molekulargewicht, sind gut löslich und lassen sich leicht von den Fasern entfernen.
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Nach demselben Verfahren wie in Beispiel 3 wird das Garn 6,5 Sekunden
lang auf geheizten Walzen von 200ºC gestreckt und erreicht eine mittlere
Temperatur von 196ºC. Das Kabelband wird in einer hydraulischen
Sprühvorrichtung abgespült und dann einem Kräuselschritt in einer
Stauchkammer zugeführt. Durch das Absprühen oder beim Kräuselschritt
wird kein Farbstoff entfernt. Die gekräuselten Fasern werden dann zu
einem Trockner weitergeleitet, wo die Fasern 15 Minuten lang
Temperaturen von 120ºC ausgesetzt werden. Man erhält Fasern in einem
attraktiven Pink. Das gesamte Abwasser des Färbeverfahrens aus der Herstellung
von 3629 kg (8000 Ibs) gefärbte Faser betrug 681 I (180 gals) und
enthielt 63 g (0,14 Ibs) Pink-Farbstoff.
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Offensichtlich wurde also gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Färben
schmelzgesponnener synthetischer Filamente bereitgestellt, das die oben
dargelegten Vorgaben, Ziele und Vorteile voll und ganz erreicht.