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Verfahren zur Herstellung von zur Kräuselung geeigneten Fäden aus
linearen Polymeren Es ist bereits vorgeschlagen worden, Fäden aus synthetischen.,
linearen Polymeren, die mit Wasser oder ähnlich wirkenden Quellmitteln angefeuchtet
sind, kalt zu recken und dann unter Nachlassen der Spannung zu trocknen, wodurch
die Fäden von selbst ein gekräuseltes Erzeugnis ergeben, das wollähnlich ist. Diese
vollsynthetische Wolle ist den bisher bekannten Produkten an Festigkeit, besonders
Maßfestigkeit, Elastizität, Widerstandsfähigkeit gegen Hitze, Wärme isolierenden
Eigenschaften sowie der Fähigkeit, die Kräuselung sowohl in feuchtem als auch in
trockenem Zustand zu behalten, überlegen.
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Ein anderes Verfahren, welches die Fäden für von selbst eintretende
Kräuselung geeignet macht, besteht darin, daß man ungereckte oder teilweise gereckte
feuchte Fäden aus Polyamiden einer Wärmebehandlung in tinein geeigneten Medium,
z. B. Öl, unterwirft, worauf man das Kaltrecken der Fäden fortsetzt. Eine weitere
Methode besteht darin, claß man die Fäden einfach durch einen Schinelzspinnprozeß
herstellt und dann die Fasern anfeuchtet und kalt reckt. Die letzte Methode, die
man als Direktspinnprozeß bezeichnet, ergibt ein besseres Produkt und wäre die wirtschaftlichste
und bequemste: Methode, wenn sie nicht gewissen Beschränkungen unterworfen wäre.
Die schwerwiegendsten Einschränkungen bestehen darin, daß das Verfahren die Verwendung
von Polymeren mit niedriger Viscosität zur Voraussetzung hat, was bedeutet, daß-
die Fäden eine niedrigere Dehnbarkeit als die aus höher viscosen Polymeren hergestellten
besitzen und daß das Verfahren niedrigere Spinntemperaturen erfordert, als für einen
einwandfreien Schmelzsp.innvorgang notwendig sind. Schließlich ist es schwierig,
gleichbleibende Ergebnisse zu erzielen, d. h. Produkte von gleichmäßiger Beschaffenheit
in jedem Arbeitsvorgang zu erhalten.
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Es wurde nun gefunden, daß sich zur Kräuselung geeignete Fäden aus
einem nach dem Schmelzspinnverfahrenverarbeitbaren kristallinen, synthetischen,
linearen Polymeren, insbesondere einem Polyamid, herstellen lassen,
wenn
man die Fäden während des Spinnvorganges, ehe eine vollständige Verfestigung derselben
eingetreten ist, durch eine heiße Gas- oder Dampfzone von einer Temperatur von mindestens
75e° bis wenig unterhalb des Schmelzpunktes des Polymeren führt. Die so erhaltenen
Fäden «-erden dann mit einem geeigneten Ouellmittel, z. B. Wasser, behandelt, in
feuchtem Zustand kalt gereckt und unter Entspannung getrocknet, wodurch sie sich
von selbst kräuseln.
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Die Erfindung hat ergeben, ,daß die Fähigkeit von Fäden aus synthetischen
linearen Polymeren, sich von selbst zu kräuseln, nachdem sie in feuchtem Zustand
kalt gereckt und dann getrocknet worden sind, von den großen Unterschieden in der
Größe der Kristalle im Faden abhängig ist. Diese Theorie ist auf folgenden Beobachtungen
gegründet: Die mikrophotographischen Untersuchungen des 0uerschnittes eines Garnes,
das ,aus niedrigviscosem Polyhetamethvlenadipinamid bei üblicher Spinntemperatur
(z. B. etwa 283° in der Schmelze und 2;0° in der Düse) versponnen worden ist und
nicht die Eigenschaft besitzt, von selbst zu kräuseln, haben ergeben, daß die Kristalle
in den Fasern des Garns so klein sind, daß man sie nicht erkennen kann und wahrscheinlich
untereinander annähernd gleich groß sind. Andererseits ergibt ein ähnliches Mikrobild
von einem Garn, das aus demselben Polymeren, aber bei einer niedrigeren Spinntemperatur
gesponnen ist, wie sie für die Herstellung von selbst sich kräuselndem Garn erforderlich
ist, daß die Kristallgröße so weit angewachsen ist, daß viele Kristalle unter dem
Mikroskop sichtbar werden und daß sie in den einzelnen Fäden äußerst ungleichmäßig
in der Größe sind.
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Es wurde weiter beobachtet, daß die Fasern aus einem Polvieren von
mittlerer oder hoher Viscosität, sogar wenn die niedrigst mögliche Temperatur beim
Spinnen angewendet wird, sich nicht von selbst in merklichem Ausmaß kräuseln und
unter dem 'Mikroskop ein Aussehen haben, das dein der Fasern ähnelt, die bei hoher
Temperatur aus einem Polymeren niedriger Viscosität erhalten worden sind. Ferner
wurde entdeckt, daß ein Polymeres von niedriger, mittlerer oder sogar hoher Viscosität,
wenn es aus der Schmelze unter den angegebenen Bedingungen zum Regeln der Abkühlgeschwindigkeit
versponnen worden ist, von selbst sich kräuselnde Fäden ergibt, «-elche eine ausgesprochene
Ungleichmäßigkeit in der Kristallgröße zeigen, wenn sie unter dein Mikroskop betrachtet
werden.
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Das langsame Abkühlen der ausgepreliten Fasern macht die Bildung ungleichmäßig
großer Kristalle möglich, die, wie gezeigt werden konnte, für von selbst sich kräuselnde
Fasern kennzeichnend ist. Das Verfahren der Erfindung besteht daher darin, daß man
die Fasern direkt nach der Auspressung aus der Schmelze, d. h. beim Verlassen der
Düse, durch eine Zone von Gas und Dampf leitet, dessen Temperatur über Raumtemperatur,
nämlich mindestens 75° bis wenig unterhalb des Schmelzpunkts des Polymeren, liegt.
Temperatur und Länge der erwärmten Zone hängen von verschiedenen Faktoren ab, z.
B. dem Schmelzpunkt des Polymeren, der Viscosität des Polymeren, dem Den.ier der
versponnenen Fäden und der Spinngeschwindigkeit. Wenn die Viscosität des Polymeren
oder die Spinntemperatur oder beide nur etwas über den Werten liegen, die für die
Herstellung von. selbst sich kräuselnder Fäden am besten geeignet sind, kann die
erhitzte Zone verhältnismäßig kurz oder von niedriger Temperatur sein. Wenn dagegen
die Viscosität des Polymeren oder die Spinntemperatur oder beide weit über den Werten
liegen, die für die Herstellung eines solchen Garns am geeignetsten sind, muß die
Hitzezone länger und vor, höherer Temperatur sein, wenn die gewünschten Ergebnisse
erreicht «-erden sollen. Die Länge der Erhitzung und die Höhe der Temperatur der
Hitzezone hängen auch von der Aufspulgeschwindigkeit beim Verspinnen und dem Denier
der Fäden ab. Weim die Aufspulgeschwindigkeit erhöht wird, die anderen Werte aber
konstant bleiben, so ist es wünschenswert, die Hitzezone zu verlängern oder ihre
Temperatur zu erhöhen oder beides. Wenn andererseits der Titer der Fäden herabgesetzt
wird, ist es nicht notwendig, das Abkühlen zusätzlich zu verzögern, um die Kräuselung
zu erreichen. In Einzelfällen kann die Temperatur der Hitzezone in dem Bereich zwischen
5o° und ro° unter dein Scbmelzpunkt des Polymeren liegen. Die Zeit, die die Faser
braucht, um durch die Hitzezone geleitet zu werden, wird im allgemeinen
0,02 bis 0,2 Sek. betragen; jedoch kann in einigen Fällen die Dauer auch
zwischen o,or und r,o Sek. liegen. Die Länge der Hitzezone, die von der Spinngeschwindigkeit
abhängt, wird im allgemeinen 30 cm bis 1,5 in betragen. Die
Hitzezone braucht keine einheitliche T einperatur zu besitzen, es ist vielmehr wünschenswert,
daß der Teil der Zone, der nahe an der Spinndüse liegt, eine höhere Temperatur als
der Teil, der weiter von ihr entfernt liegt, besitzt. Der geschmolzene Faden wird
während seines Durchganges durch die Erhitzungszotie verfestigt.
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Das Rohr, das in Abb. >: bis 3 gezeigt ist, ist etwa .f5 cm hoch;
sein Querschnitt beträgt 90 qcm. Es ist aus einem geeigneten 'Metall, z.
B. galvanisiertem Eisen, hergestellt. Die Vorderseite besteht aus einer Tür r, die
mit
zwei Scharnieren 2 und einem 25 qcm großen Fenster 3 versehen
ist. Ein ähnliches Fenster kann auf der Rückseite angebracht werden. Etwa 5 cm vom
oberen Ende des Rohres entfernt ist ein Einlaßstutzen für ein Thermometer ¢ angebracht.
An der Innenseite der gegenüberliegenden Wände 5 und 6 sind Widerstandsspulen7 angeordnet.
Das obereEnde jeder Spule ist etwa 5 cm vom oberen Rohrendeentfernt; auch das untere
Ende 8 hat vom Boden des Rohres einen Abstand von etwa 3 cm. Die Widerstandsspule
kann für die Hitzeleistung von 5o, ioo oder Zoo Watt eingerichtet sein. Jede beliebige
Temperatur zwischen Raumteinperatur und igo° kann in einer Entfernung von 5 cm vom
oberen Rohrende erreicht werden. Die Temperatur in einer Entfernung von annähernd
io cm vom Boden des Rohrs kann zwischen Raumtemperatur und 75° schwanken.
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Das obere Ende des Rohrs liegt dicht an dem Boden des Spirnidüsenkopfes
:der Schmelzspinnvorrichtung an. Der Düsenkopf umfaßt eine Düsenplatte 9, die den
Boden einer Trommel io bildet, in die das geschmolzene Polymere aus anderen. Teilen
der Schmelzspinnvorrichtung (nicht gezeitigt) geleitet wind. Auf die Trommel ist
der Düsenblock in Form einer 11#Iutter ii aufgeschraubt, die mit Ansätzen 12, welche
die Düsenplatte g zusammenhalten, und mit einem an die Platte angrenzenden Thermoelement
13 versehen ist. Der Düsenblock ii ist auch mit einem Einlaß für ein Thermometer
25 versehen. Die Fäden 22, die durch die Löcher in der Düsenplatte ausgepreßt werden,
vereinigen sich zu einem Fadenbündel 23, ,das um die Rolle 2:1. durch eine nicht
gezeigte Aufspulrolle gereckt wird.
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Abb. ¢ zeigt ein Heizrohr von ähnlicher Konstruktion. Eine Tür 1q.
ist mixt Scharnieren 15, Klinken 2i und einem Fenster 16 versehen. Dieses Rohr ist
6o cm lang und hat einen Ouerschnitt von V6 qcm. So-,vohl dieses a 1s auch das in
:den Abb. i biss 3 :gezeigte Rohr ist vorzugsweise isoliert, und zwar ist Isolierin.aterial
18 zwischen der Innenwand 17 und derAußenwand i9 vorges:ehen. Staberhitzer2o von
üblicher Art sind auf '3 Seitendes Rohres nahe seinem Boden angeordnet. Durch diese
Konstruktion ist man in der Lae#e, durch das ganze Rohr hindurch :eine praktisch
gleichmäßige Temperatur zu erhalten.
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Wegen der hierbei auftretenden Schwierigkeiten ist es nicht praktisch,
die tatsächliche Temperatur der geschmolzenen Fäden beim Verlassen der Düse zu bestimmen.
Die Spinndüsentemperaturen, die unten angeführt sind, werden mit dem Thermoelement
13 bestimmt. Diese Temperatur liegt etwas unterhalb der des geschmolzenen Polymeren,
das durch, die Düsenöffnungen ausgepreßt wird. Die Schmelztemperatur ist die Temperatur
eines Gitters (in den Abbildungen nicht dargestellt), das das Polymere oberhalb
der Düse und des Blockes zum Schmelzen bringt und von dem aus das geschmolzene Polymere
dann durch den Block zur Düse herabfließt.
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Die Erfindung ist im allgemeinen auf jedes synthetische Polymere anwendbar,
das aus der Schmelze zu Fäden versponnen werden kann, die kalt streckbar sind. Beispiele
von Polymeren dieser Art sind in den amerikanischen Patentschriften 2 071 250 und
2 163 553 angeführt. Diese Polyirreren können zu Fäden versponnen werden, die unter
Anwendung von Zug (Kaltreckung) gerichtete Fäden ergeben. Kalt gereckte Fäden zeigen
längs der Faserachse eine bestimmte Orientierung, wogegen ungereckte Fäden. im wesentlichen
nicht orientiert sind. Besonders brauchbar. sind die Polymeren, die ,durch Selbstpolymerisation
von Aminosäuren oder ihren amidbil.denden Derivaten, z. B. Lactame, oder durch Einwirkung
eines Diamins auf eine zweibasische Carbonsäure oder ein amid bildendes Derivat
der Säure erhalten worden sind. Diese Polymeren sind in den amerikanischen Patent-"
Schriften 2 071:253 und 2 130 948 beschrieben.
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Es ist selbstverständlich, daß der Ausdruck Polymeres auch Mischpolymere
einschließt, die aus einer Mischung von verschiedenen linearen Komponenten erhalten
sind, und daß unter dem Ausdruck Polyamid auch Mischpolami,de und alle linearen
Polymeren verstanden werden, die eine Anzahl von Amidgruppen als notwendigen Teil
der Hauptkette enthalten, z. B. die E.ster-Amid-Mischpolymeren. Beispiele für andere
als die in den Beispielen erwähnten Polymeren sind Poly pentamethylensebacinamid,
Polyhexa.methylensebacinamid, Poly-p-xylylensebacin.amid und polymere 6-Aminocapronsäure.
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Der optimale Grad, zu denn die Fasern vor dem Kräuseln kalt gereckt
werden, ist bei verschiedenen Polymeren verschieden. Vorzugsweise werden die Fäden
nicht bis zum höchstmöglichen Ausmaß kalt gereckt. Bei den meisten Fäden liegt -der
optimale Grad der Kaltreckung zwischen 150 und 3oo°.'Die Kaltreckung kann
gegebenenfalls in Stufen vorgenommen werden. Wie bereits oben angegeben ist, werden
die Fäden unter Anfeuchten mit @etinem geeigneter. Quellmittel kalt gereckt. Geeignete
nuellmittel sind niedrig siedende Oxygruppen enthaltende Verbindungen, wie Wasser,
und niedrig siedende Alkohole, z. B. Methanol, Äthanol, Propanol, Isopropanol und
Isobutanol. Die Kräuselbeständigkeit des Produktes kann durch Behandlung mit einem
heißen. nicht lösenden Quelltnittel, i z. B. heißes Wasser oder Wasserdampf, vergrößert
werden.
Nachdem die Fäden durch die Hitzezone gebracht und bevor
sie gekräuselt worden sind, können sie gegebenenfalls mit Wasserdampf oder 01 behandelt
werden oder einer anderen Endbehandlung unterworfen werden, ohne den anschließenden
Kräuselv organg ,vesentlich zu beeinflussen.
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Die Bauart der zur Anwendung kommenden Vorrichtung ist nicht entscheidend.
Es soll lediglich eine Hitzezone erzeugt werden. Diese kann auch dadurch hergestellt
werden, daß'inan den Raum unter der Spinndüse abschließt, so daß die innen befindliche
Luft durch den Spinnkörper selbst oder durch Glas geschmolzene Polymere, wenn es
die Spinndüse verläßt, erwärmt wird. Die Atmosphäre der erhitzten Zone kann aus
Luft, einem inerten Gas oder einem Dampf bestehen, z. B. Stickstoff, Kohlendioxyd
oder Tetrachlorkohlenstoff.
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Wenn man das Verfahren der langsamen Abkühlung gemäß der Erfindung
anwendet, ist es auch möglich. gekräuselte Fäden aus Polymeren zu erzeugen, die
unter sonst vergleichbaren Bedingungen solche Fäden nicht hervorbringen würden.
Z. B. kann ein Polymeres niedriger Viscosität bei den vorteilhaften höheren Temperaturen
als sonst angängig angewandt werden. Mit anderen Worten, die Spinntemperatur und
die Viscosität des Polymeren sind viel iz eniger entscheidend als bei dem Direktspinnprozeß.
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Die Fäden können als endlose Fäden oder als Fasern verarbeitet werden.
Sie sind brauchbar für die Herstellung von gewirkten oder gewebten Erzeugnissen,
Decken, Filzwaren u. dgl. Wenn notwendig, können die Fäden mit anderen Fäden, z.
B. Viscosekunst-, Acetatkunst-, Baumwolle-, Seide- und Wollfäden, vermischt werden.
Beispiel i Ein Polymeres mit einer Schmelzviscosität von Zoo Poisen bei 285° wird
unter folgenden Bedingungen versponnen: Temperatur des Schmelzrostes 270', Düsentemperatur
2(i2°, Temperatur der Hitzezone 3 cm unterhalb der Düse i8o°, Spinnaufspulgeschwindigkeit
26o m in der 'Minute, ersponnener Faden Titer ;o Denier, fünffach. Der Faden wird
in Wasser geweicht und um 200°/o kalt gereckt (d. h. auf das Dreifache seiner ursprünglichen
Länge), solange er noch feucht ist. Trocknet man den Faden spannungslos, so kräuselt
er sich von selbst und gibt ein gut gekräuseltes wollähnliches Erzeugnis. Wenn man
dasselbe Polymere unter im wesentlichen den gleichen Bedingungen verspinnt und behandelt,
jedoch i@hne ein Heizrohr atizun-etideti, -zeigen sich keine Kräuseleigenschaften.
Beispiel e Die Spinnbedingungen sind folgende: Schmelzviscosität des Polymeren 6oo
Poisen bei 285°, Temperatur des Schmelzrostes 26g°, Düsentemperatur 258°, Temperatur
des Heizrohres 5 cm von der Spinndüse entfernt z8o°, Temperatur des Heizrohres 35
cm von der Düse entfernt 70°, Spinnaufspulgeschwindigkeit 26o m in der Minute, versponnener
Faden Titer 7o Denier, fünffach. Der erhaltene Faden zeigt, wenn er um 2oo°/o in
wasserfeuchtem Zustand gereckt und ohne Spannung getrocknet ist, ausgezeichnete
Kräuselung. Wenn dasselbe Polymere ohne Hitzezone, aber sonst unter denselben Bedingungen
versponnen wird, zeigen die Fäden praktisch keine Kräuseleigenschaften. Beispiel
3 Die Spinnbedingungen sind 'folgende: Schmelzviscosität des Polymeren i3o Poisen
bei 285°, Temperatur des Schmelzrostes 27g°, Düsentemperatur 267°, Rohrtemperatur
5 cm unterhalb der Düse 2r5°, Aufspulgeschwindigkeit ¢oo m in d er Minute, ersponnener
Faden Titer 22¢Denier, i5fach. Der hierbei erhaltene Faden weist ausgezeichnete
Kräuseleigenschaften auf, wenn er mit einem Quellmittel angefeuchtet, kalt gereckt
und anschließend spannungslos getrocknet worden ist. Ein Vergleichsfaden aus dem
gleichen Polymeren, der ohne Anwendung der Hitzezone, aber sonst in der gleichen
Weise versponnen wird, weist nur sehr geringe Kräuselfähigkeit auf. Beispiel d.
Die Spinnbedingungen sind folgende: Schmelzviscosität des Polymeren 13o Poisen bei
285°, Temperatur des Schmelzrostes 276°, Düsentemperatur 266°, Temperatur der Hitzezone
5 cm unterhalb der Düse 17o°, Aufspulgeschwindigkeit 730 m in der 'Minute,
versponnener Fäden Titer 92 Denier, 15fach. Dieser Faden ergibt, wenn er mit Wasser
befeuchtet, kalt gereckt und dann getrocknet wird, ein sehr gut gekräuseltes Erzeugnis.
Beispiel 5 Die Spinnbedingungen sind folgende: Schmelzviscosität des Polymeren 16o
Poisen bei 285°, Temperatur des Schmelzrostes 278-=, Düsentemperatur 265°, Aufspulgeschwindigkeit
d.o m in der Minute, versponnener Faden Titer 27o Denier, iofach, das Heizrohr besitzt
überall eine Temperatur von 75°. Der ersponnene Faden zeigt günstige Kräuselung,
wenn er finit Wasser befeuchtet, kalt gereckt und dann spannungslos getrocknet wird.
Beispiel
6 Die Spinnbedingungen. sind folgende: Temperatur des Schmelzrotes 255°, Düsentemperatur
2q.0°, Aufspulgeschwindigkeit 300 m in der Minute, ersponnener Faden Titer
15o Denier, iofach. Die Hitzezone hat überall eine Temperatur von i25°. Der erlialtene
Fadere weist ausgezeichnete Kräuselung auf, wenn er mit Wasser befeuchtet, kalt
gereckt und anschließend ohne Spannung getrocknet worden ist.