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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG Bereich der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Trockenspinnen von Spandexgarnen und spezieller auf eine rechteckige
Spinnzelle zum Trockenspinnen von Spandex.
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Beschreibung
des technischen Hintergrunds
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Bei einem Verfahren zur Herstellung
von Spandex wird derselbe aus einem Lösungsmittel trockengesponnen,
das aus dem Fadenlauf durch ein heißes inertes Gas verdampft wird.
Wie in den US-Patenten Nr. 3,737,508, 4,431, 602, 4,679,988 und
4,804,511 offenbart ist, werden bei diesem Verfahren allgemein ein
vertikales beheiztes Rohr (Spinnzelle), Spinndüsen am oberen Ende des Rohrs,
durch das die Lösung
in die Spinnzelle eingebracht wird, ein heißes inertes Gas, das das Lösungsmittel
bei Kontakt mit den Fäden
in dem Rohr verdampft, und ein Entfernen der Spandexspinnfäden vom
Boden der Spinnzelle verwendet.
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Die Research Disclosure Nr. 34866,
April 1993, beschreibt eine Variante der Konfigurationen der Vorrichtung
zum Trockenspinnen von Synthetikfasern einschließlich Spandex. Die 10a bis 10f stellen
unterschiedliche Spinndüsenlochanordnungen
einschließlich
kreisförmige
und einheitlich lineare Kapillaranordnungen dar. Die 1 bis 9 stellen unterschiedliche
Kapillaranordnungen zum Einführen des
Gases in die Zelle dar.
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James u. a., US-Patent 5,387,387,
offenbaren die Vorteile einer einheitlichen, linearen Matrize von
Spinndüsenkapillargruppen über einer
kreisförmigen
Anordnung zum Trockenspinnen von Spandex. Bei diesem Verfahren wird
ein heißes
inertes Gas um die Spinndüsen
herum verteilt und strömt
mit den Fäden
in einer Parallelströmung
die Spinnzelle hinab. Die Spinndüsen
können
in einer Reihe oder mehr als einer Reihe versetzt sein, und jede
Reihe kann innerhalb jeder linearen Konfiguration versetzt sein,
wie in 2 und 3 des 387er Patents dargestellt
ist. Bei einer in einer Parallelströmung erfolgenden Zuführung des
heißen
inerten Gases ist jedoch die Gaspenetration in die Spinnfadenbündel unzureichend,
und das Lösungsmittel
wird nicht wirksam aus den Spinnfadenbündeln entfernt. Durch derartige Mängel werden
Spinnfäden
mit nichteinheitlichen physikalischen Eigenschaften, wie z. B. Reißfestigkeit
und Belastbarkeitsverhalten, erzeugt. Die Spinnfäden, die näher an der Gaszuführung sind,
weisen Eigenschaften auf, die sich von denen der Spinnfäden unterscheiden,
die von der Gaszuführung
weiter entfernt sind.
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Die sehr regelmäßigen, einheitlichen Anordnungen,
die im Stand der Technik offenbart sind, stellen einen Spandex her,
der über
seine Länge
auf unbefriedigende Weise Uneinheitlichkeiten aufweist, und es besteht
immer noch Bedarf an einer zweckmäßigen Anordnung.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die Spinnzelle dieser Erfindung zum
Trockenspinnen von Spandex weist folgende Merkmale auf:
- (A) einen im wesentlichen rechteckigen, adiabatisch gesteuerten
Schacht;
- (B) einen oberen Verteilerkanal in einer Wand des Schachts zur
Bereitstellung einer Querströmung von
heißem
inerten Gas; und
- (C) einen im wesentlichen rechtwinkligen Stab, der Gruppen von
Spinndüsenkapillaren
enthält, die
oben am Schacht montiert sind, und eine kurze Achse, eine lange
Achse und eine uneinheitliche Anordnung von Spinndüsenkapillargruppen aufweist,
in der eine erste Reihe und eine zweite Reihe von Kapillargruppen
in versetzter Beziehung zueinander vorliegen, wobei die erste Reihe näher am oberen
Verteilerkanal ist als die zweite Reihe, wobei die Kapillargruppen
in jeder Reihe von einer gleichmäßigen linearen
Anordnung dahingehend abweichen, daß:
- (i) die erste Reihe zwei Kapillargruppen mehr aufweist als die
zweite Reihe;
- (ii) die zweite Reihe in zwei Segmente unterteilt ist, wobei
auf eine Kapillargruppe, die hierin benachbart zur kurzen Achse
des Stabs ist, verzichtet wurde;
- (iii) zumindest zwei der Kapillargruppen an jedem Ende der ersten
Reihe hin zur langen Achse des Stabes versetzt sind;
- (iv) zumindest eine Kapillargruppe an jedem Ende der zweiten
Reihe hin zur langen Achse des Stabes versetzt ist; und
- (v) zumindest eine Kapillargruppe an jedem Ende der ersten Reihe
hin zur kurzen Achse des Stabes versetzt ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Trockenspinnen
von Spandex weist folgende Schritte auf:
- (a)
Pumpen einer erwärmten
Lösung,
die Polyurethan enthält,
durch eine nichteinheitliche Anordnung von Spinndüsenkapillargruppen
in einem im wesentlichen rechtwinkligen Stab, um Spinnfäden zu extrudieren;
- (b) Herstellen eines Kontakts der extrudierten Spinnfäden mit
einer Querströmung
von heißem inerten
Gas, das durch einen oberen Verteilerkanal in einen oberen Abschnitt
eines adiabatisch gesteuerten, im wesentlichen rechteckigen Schacht
eingebracht wird;
- (c) Entfernen der Spinnfäden
durch eine Austrittsführung
am Boden des Schachts; und
- (d) Aufwickeln des Spandex auf Kerne, um Pakete zu bilden;
wobei
der Stab Gruppen von Spinndüsenkapillaren enthält und auf
der Oberseite des Schachts befestigt ist und eine kurze Achse, eine
lange Achse, und eine nichteinheitliche Anordnung von Spinndüsenkapillargruppen
aufweist, in denen eine erste Reihe und eine zweite Reihe von Kapillargruppen
in einer versetzten Beziehung zueinander sind, wobei die erste Reihe näher am oberen
Verteilerkanal ist als die zweite Reihe, wobei die Kapillargruppen
in jeder Reihe von einer einheitlichen linearen Anordnung dahingehend abweichen,
daß: - (i) die erste Reihe zwei Kapillargruppen mehr
als die zweite Reihe aufweist;
- (ii) die zweite Reihe in zwei Segmente unterteilt ist, indem
man auf eine Kapillargruppe verzichtete, die darin zur kurzen Achse
des Stabs benachbart ist;
- (iii) zumindest zwei der Kapillargruppen an jedem Ende der ersten
Reihe hin zur langen Achse des Stabs versetzt sind;
- (iv) zumindest eine Kapillargruppe an jedem Ende der zweiten
Reihe hin zur langen Achse des Stabs versetzt ist; und
- (v) zumindest eine Kapillargruppe an jedem Ende der ersten Reihe
hin zur kurzen Achse des Stabs versetzt ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine isometrische Seitenschnittansicht der Hauptkomponenten der
Spinnzelle der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
in einem ausführlicheren
Querschnitt den oberen Abschnitt der Spinnzelle von 1, die Kapillargruppen und den Eintritt
von heißem,
inerten Gas umfaßt.
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3 stellt
eine Anordnung von Kapillargruppen dar, die außerhalb des Bereichs dieser
Erfindung liegt. 3B stellt
die Vorderseite des Stabs 13 und Spinndüsenkapillargruppen 12 dar,
wobei eine Anordnung von Kapillargruppen dieser Erfindung gezeigt
ist.
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4 ist
eine isometrische Zeichnung des zusammenführenden unteren Abschlußabschnitts der
Spinnzelle dieser Erfindung.
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5 stellt
die Vorderseite der Spinnfadenaustrittsführung im unteren Abschlußabschnitt
dieser Erfindung dar.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Der hierin verwendete Begriff „Spandex" ist gebräuchlich
und bezieht sich auf eine Industriefaser, bei der die faserbildende
Substanz ein langkettiges synthetisches Elastomer ist, das aus zumindest
85 Gewichtsprozent eines segmentierten Polyurethans besteht. Spandex
wird allgemein aus Lösungen
aus Poylurethan oder Polyurethanharnstoff in Lösungsmitteln wie Dimethylacetamid,
Dimethylformamid, N-methylpyrrolidon,
Dimethylsulfoxid trockengesponnen. Die Polymere können dadurch
präpariert
werden, daß ein
polymeres Diol, wie z. B. Polyether, Polyester oder Polycarbonatglykol,
mit einem Diisocyanat verkappt wird und dann das resultierende verkappte
Glykol einer Kettenverlängerung
mit einem oder mehreren Diaminen oder Diolen unterzogen wird.
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Die Spinnzelle dieser Erfindung zum
Trockenspinnen von Lösungen
aus Poylurethan oder Polyurethanharnstoff zur Herstellung von Spandex und
der Prozeß zur
Verwendung der Spinnzelle ermöglichen
eine erhöhte
Produktivität
und verbesserte Einheitlichkeit der physikalischen Eigenschaften des
resultierenden Spandex.
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Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen, wo eine Lösung aus
Polyurethan, die ein Polyurethan oder ein Polyurethanharnstoff sein
kann, zum Stab 13 durch einen Lösungserhitzer 10 gepumpt
wird, der auf der Oberseite des recheckigen Schachts 20 befestigt
ist. Der Schacht 20 ist im wesentlichen rechteckig, weist
geeignete Heizelemente 25 auf und kann isoliert werden.
Die Heizelemente und die Isolierung sind so angeordnet und angepaßt, daß eine adiabatische
Steuerung über
die gesamte Länge
des Schachts erlangt und ein Wärmeverlust durch
die kurzen Seiten (Enden) des rechteckigen Schachts kompensiert
wird. Auf der Oberseite des Schachts wird mehr Wärme zugeführt als in der Mitte oder am
Boden. Die Wärme
wird allen vier Seiten des Schachts zugeführt. Unterhalb des Lösungserhitzers 10 wird
heißes
inertes Gas vom oberen Verteilerkanal 60 in einen oberen
Abschnitt des Schachts 20 durch eine Öffnung in seiner Wand eingeführt. Dann wird
das heiße
Gas, das mit Lösungsmittel
beladen ist, das aus den trockengesponnen Spinnfäden verdampft worden ist, aus
dem Schacht 20 in den Vakuumverteilerkanal 70 durch
eine Öffnung
in der Wand des Schachts abgezogen. Der untere Verteilerkanal 80,
der in der Wand des Schachts über
dem unteren Abschlußabschnitt 30 und
unterhalb des Vakuumverteilerkanals 70 angeordnet ist,
liefert eine zur Bewegungsrichtung der Spinnfäden gegenläufige Aufwärtsströmung eines kühleren inerten
Gases. Das aufwärtsströmende Gas
tritt ebenfalls aus dem Schacht 20 durch die Öffnung in
seiner Wand aus, die zum Vakuumverteilerkanal 70 führt. Sieb-
und Diffusoranordnungen 62 können zur Minderung von Gasturbulenzen
beitragen. Geringe Gasturbulenzen in der Spinnzelle können dazu
beitragen, einheitlichere Spandexeigenschaften zu bewirken. Der Druck
im Schacht kann eingestellt werden, um ein Entweichen des Lösungsmittels
aus der Spinnzelle zu minimieren.
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2 zeigt
den oberen Abschnitt der Spinnzelle im Querschnitt, der entlang
der kurzen Achse des im wesentlichen rechteckigen Stabs 13 erstellt wurde,
der Gruppen von Spinndüsenkapillaren
und den Schacht 20 enthält.
Die Polymerlösung
wird durch die Spinndüsenkapillargruppen
12 im Stab 13 extrudiert, um eine oder mehrere Reihen von
Spinnfäden 90 zu
bilden. Es sind zwei Reihen dargestellt und bevorzugt. Die Spinnfäden 90 wandern
von den Kapillargruppen senkrecht abwärts durch entsprechende Löcher in
einem Hitzeschild 14 in den Schacht 20. Knapp
unterhalb des Hitzeschilds 14 treffen die Spinnfäden 90 auf
eine Querströmung
aus heißem
inerten Gas. Nach Durchlaufen einer Anordnung 62 von Sieben
und Diffusoren im oberen Verteilerkanal 60 (siehe 1) wird das Gas in den Schacht 20 durch
eine Wand des Schachts in einer im wesentlichen laminaren und einheitlich
verteilten Strömung
eingebracht. Im Schacht ändert
sich die Richtung der heißen
Gasströmung
in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Spinnfäden 90 von einer Querströmung zu
einer Parallelströmung.
Die kurzen Pfeile 25 in 2 zeigen
die angenäherte
Richtung der Gasströmung
an. Der Teil der Schachtwand, der bei 22 angezeigt ist,
kann konstruiert sein, um Turbulenzen zu minimieren, indem ihm z.
B. eine Coanda-Form verliehen wird, wodurch ein gekrümmter Strömungsübergang
geliefert wird, um eine Strömungsablösung zu
verhindern. Turbulenzen können auch
dadurch minimiert werden, indem die Gasströmung profiliert wird, wobei
die Gasgeschwindigkeit am Boden nahe null ist und entfernt von der
Oberfläche
bis zu einem Punkt, nach dem die Geschwindigkeit im wesentlichen
konstant bleibt, linear ansteigt.
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Die Anordnung der Spinndüsenkapillargruppen
ist in 3B gezeigt. Wie
gezeigt, weichen die Spinndüsenkapillargruppen
in jeder Reihe von der einheitlichen linearen Anordnung im Stab
ab. Überraschenderweise
ist festgestellt worden, daß eine
derartige Anordnung im wesentlichen vorteilhafte Auswirkungen auf
die Einheitlichkeit des mit der Spinnzelle und dem erfindungsgemäßen Prozeß erzeugten
Spandex hat.
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Die einheitliche Anordnung des Stands
der Technik ist in 3A gezeigt.
Die Spinndüsenkapillargruppen
in 3A sind in einer
oder mehr Reihen angeordnet, die parallel verlaufen und eine gleichgroße Anzahl
von Kapillargruppen 12a aufweisen. Es sind zwei Reihen
dargestellt. In den Reihen sind die Kapillargruppen gleichmäßig voneinander
beabstandet. Die Reihen sind von der langen Achse 15a des Stabs 13a gleichweit
entfernt. Die Kapillargruppen in jeder Reihe sind in Bezug auf die
Kapillargruppen in der anderen Reihe versetzt. Der Umriß der resultierenden
Anordnung der Kapillargruppen ist ein Parallelogramm.
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Überraschender
und unerwarteter Weise wird anhand der Anordnung der Spinndüsenkapillargruppen
dieser Erfindung eine beträchtliche
Verbesserung der Einheitlichkeit der resultierenden Spandex erreicht.
Es wird nun Bezug auf 3B genommen,
aus der entnommen werden kann, daß auf eine Spinndüsenkapillargruppe
vom Ende einer Reihe verzichtet werden kann, so daß die Reihen
ungleichgroße
Anzahlen von Spinndüsenkapillargruppen 12b aufweisen,
und der Umriß der
Anordnung der Kapillargruppen ist eine Trapezoid. Die erste Reihe
mit der größeren Anzahl
von Kapillargruppen ist näher
an der Öffnung
in der Wand des Schachts 20 positioniert, durch die das
heiße
inerte Gas eingebracht wird. Die zweite Reihe von Kapillargruppen,
die sich von der Gaseintrittsöffnung
weiter weg befindet, weist die geringere Anzahl von Kapillargruppen
auf.
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Zusätzlich ist die kürzere Reihe
(elf Spinndüsenkapillargruppen
sind in der kurzen Reihe von 3B beispielhaft
dargestellt) in zwei Segmente unterteilt worden, wobei eines sechs
im wesentlichen gleichweit voneinander beabstandete Kapillargruppen
und das andere fünf
im wesentlichen gleichweit voneinander bestandete Kapillargruppen
aufweist, indem auf eine Kapillargruppe, die zur kurzen Ache 16b benachbart
ist, verzichtet wurde. Das Ergebnis ist eine Anordnung von Kapillargruppen
aus zwei Reihen, bei der eine Reihe zwei Kapillargruppen mehr als
die andere Reihe aufweist, wobei die kürzere Reihe eine Lücke aufweist.
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Ferner sind die Kapillargruppen in
der Nähe der
Enden von jeder Reihe zur langen Achse 15b des Stabs versetzt.
Zum Beispiel ist zumindest eine der Kapillargruppen an jedem Ende
der Reihe von elf und zumindest zwei der Kapillargruppen an jedem
Ende der Reihe von dreizehn derartig versetzt. Zusätzlich ist
zumindest die Gruppe von Kapillaren an jedem Ende der Reihe von
dreizehn zur kurzen Achse 16b hin versetzt.
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Zwei Reihen von dreizehn bzw. elf
Kapillargruppen sind in 3B beispielhaft
dargestellt, jedoch können
mehr oder weniger derartiger Gruppen eingesetzt werden. Das „x" ist ein Hinweis
auf den Standort einer Gruppe von Kapillaren. Die Reihen der neun
und elf, fünfzehn
und siebzehn und dreiundzwanzig und fünfundzwanzig Kapillargruppen
können
jeweils in den Spinnzellen und dem Verfahren dieser Erfindung verwendet
werden. In jedem Fall ist die Gesamtanzahl von Kapillargruppen einen
gerade Zahl.
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Jede Gruppe von Kapillaren kann eine
einzelne Kapillare oder eine Mehrzahl von Kapillaren aufweisen,
die zusammengruppiert sind, was von der in bezug auf den finalen
Spandex erwarteten Decitex abhängig
ist. Aus praktischen Gründen
können
bis zu 15 Kapillare in einer Gruppe von Kapillaren vorgesehen sein.
Selbst für
die selbe erwünschte
Decitex kann die Anzahl von Kapillaren und ihre relative Positionierung
in einer Gruppe in Abhängigkeit
von den gewünschten
Garneigenschaften und der Notwendigkeit, Lösungsmittel aus den Spinnfäden zu entfernen,
variieren.
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Die Verwendung von gruppierten Kapillaren führt zur
Bildung von Mehrfachfasern. Diese werden nahe des Bodens des Schachts
durch koaleszierende Strahlen kombiniert. Die Entfernung zwischen
den Kapillaren in einer Gruppe kann nach der Position der Gruppe
in der Reihe der Kapillargruppen variiert werden. Unter Bezugnahme
auf 3B weisen die beiden
Gruppen von Kapillaren beispielsweise an jedem Ende der Reihe von
elf und die drei Gruppen von Kapillaren an jedem Ende der Reihe
von dreizehn verglichen mit allen interkapillären Entfernungen in allen Gruppen
die kürzeste
Entfernung unter den Kapillaren jeder Gruppe auf. Die sieben Gruppen
von Kapillaren im mittleren Abschnitt der Reihe von dreizehn weisen
eine Zwischenentfernung unter den Kapillaren in jeder Gruppe auf,
und die sieben Gruppen von Kapillaren im mittleren Abschnitt der
Reihe von sieben weisen die längste
Entfernung unter den Kapillaren innerhalb jeder Gruppe auf.
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Es wird nun Bezug auf 4 genommen, wo der untere
Abschlußabschnitt 30,
der das Verteilerstück 32 mit
dem koaleszierenden Strahl und die Spinnfadenaustrittsführung 34 häust, befestigt
am Boden des Schachts 20 gezeigt ist. Der untere Abschlußabschnitt
weist einen Querschnitt auf, der von dem des Spinnschachts zu dem
der Spinnfadenaustrittsführung,
mit der die Türe 36 den
Boden der Spinnzelle abschließt,
konvergent verläuft.
Unter Bezugnahme auf 5 enthält die Garnaustrittsführung für jeden
Spinnfaden einen Auslaßdurchgang 35.
Es sind 24 Auslaßdurchgänge gezeigt.
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Nachdem er durch die Austrittsführung ausgetreten
ist, kann der Spandex auf Kerne aufgewickelt werden, um Pakete zu
bilden