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Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Fäden aus Polyvinylalkohol
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Spinnen von Fäden
aus Polyvinylalkohol nach dem Naß-Streckspinnverfahren. Die Spinnlösung wird in
Aufwärtsrichtung in eine gleichgerichtet fließende Fällflüssigkeit höheren spezifischen
Gewichts versponnen. Dabei wird ein ganz bestimmtes Strömungsprofil aufrechterhalten,
so daß die Spinnlösung bzw, die gesponnenen Fäden im Bereich der ersten io bis 5o
cm über der Spinndüse keiner Streckbeanspruchung ausgesetzt, anschließend durch
stufenlose Änderung der Fließgeschwindigkeiten stufenlos gestreckt und danach im
Endabschnitt des Spinnkanals verfestigt werden. Der Spinnkanal weist hierzu oberhalb
der Spinndüse eine io bis 5o cm lange zylindrische Kammer auf, an die sich ein Spinntrichter
bekannter Bauart mit konischem Vorderteil und zylindrischem Endteil anschließt.
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Die Abstimmung von Verfahren und Vorrichtung auf die besonderen chemischen,
kolloidchemischen und physikalischen Gegebenheiten bei der Polyvinylalkoholverspinnung
führt zu einer einfachen . und zuverlässigen Herstellung von Polyvinylalkoholfäden
ausgezeichneter Qualität.
Es sind bereits zahlreiche Verfahren und
Vorrichtungen zur Naß-Streckverspinnung bekannt. Beispielsweise ist vorgeschlagen
worden, bei der Verspinnung von Kupferoxydammoniak-Zelluloselösungen die Spinnlösung
und die Fällflüssigkeit gleichgerichtet durch einen trichterförmigen Kanal zu führen
und die koagulierenden Fäden durch Wirkung der fließenden Fällflüssigkeit zu strecken.
Der konisch ausgebildete Trichtereinlaß beginnt unmittelbar an der Spinndüse, die
Streckung setzt unmittelbar nach Austritt der Spinnlösung aus der Düse ein. Die
Verspinnung erfolgt von oben nach unten.
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In einer anderen Vorrichtung zur Verspinnung viskoser Flüssigkeiten
wie etwa Kupferoxydammoniak-Zellulose wird die Fällflüssigkeit in zwei verschiedenen
Bereichen des Spinnkanals zugeführt. Im Gebiet der zweiten Fällflüssigkeitszuführung
wächst die Fließgeschwindigkeit sprunghaft an, ein stufenloser Übergang ist nicht
möglich. Auch in dieser Vorrichtung wird von oben nach unten gesponnen.
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In einer abgewandelten Vorrichtung zur Verspinnung von Viskoselösungen
liegt hinter der Spinndüse eine Kammer, in die Spinnwasser eingeleitet wird. In
einer anschließenden Zwischenkammer wird das Spinnwasser wieder abgeführt, danach
folgt-eine weitere Kammer, durch die Fällflüssigkeit zirkuliert. Die Vorrichtung
ist vergleichsweise kompliziert, auch hier wird von oben nach unten gesponnen.
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Nach einer anderen Ausführungsform zur Naßverspinnung von Kupferseide
wird im Bereich der Spinndüse Fällwasser und in einem Barunterliegenden Bereich
zusätzlich eine Härteflüssigkeit eingeführt. Auch hier erfolgt die Verspinnung von
oben nach unten.
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In wieder einem anderen Spinntrichter zur Herstellung von Kunstseidefäden
ist die Spinndüse von einer zylindrischen Fällflüssigkeits-Einströmkammer umgeben;
unmittelbar vor der Düsenöffnung beginnt der konische Trichterteil, der dann in
ein zylindrisches Stück übergeht. Am Ende des Fadenkanals hinter dem zylindrischen
Stück wird die Fällflüssigkeit durch eine weitere konische Einschnürung des Trichters
gedrosselt. Auch hier wird in umgekehrter Richtung wie in der Erfindung, nämlich
von oben nach unten gesponnen.
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Schließlich sei noch auf ein Verfahren hingewiesen, bei dem von oben
nach unten gesponnen und die Fällflüssigkeit im Streckbereich im Gegenstrom zum
Fadenlauf geführt wird.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die Spinnrichtung umzukehren
und von unten nach oben zu spinnen. So ist es bekännt, daß man bei der Verspinnung
von Polyvinylchloridlösungen in bestimmten Lösungsmitteln die gleichen Düsen und
Spinntrichter wie beim Kupferoxydammoniak-bzw. Viskose-Streckspinnverfahren verwenden
und hierbei. auch von unten nach oben spinnen kann.. Hinweise auf die Einhaltung
eines besonderen Strömungsprofils etwa entsprechend dem Verfahren der Erfindung
sind jedoch nicht gegeben. In einer weiteren Vorrichtung zur Verspinnung von Zelluloselösungen
von unten nach oben ist das Spinnrohr mit einer Einrichtung versehen, die dazu dient,
der Flüssigkeit eine Drehbewegung um die Längsachse des Spinnrohres zu erteilen
und hierdurch die Einzelfäden zusammenzudrehen. Der Spinnkanal weist keinen trichterförmigen
Teil auf, in dem die Flüssigkeit durch ihre Beschleunigung eine Streckung der koagulierenden
Fäden bewirken könnte.
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Schließlich ist vorgeschlagen worden, eineAcrylsäure enthaltende Lösung
von unten nach oben durch einen Trichter zu verspinnen, der unmittelbar hinter der
Spinndüse beginnt. Der Zug setzt sich also unmittelbar nach Austritt der Spinnlösung
aus der Düse ein. Auch wird die Spinnlösung hier in eine Fällflüss.igkeit von tieferem
spezifischem Gewicht als die Spinnlösung ausgepreßt.
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Es ist seit vielen Jahren bekannt, daß für die Herstellung von Fäden
aus Polyvinylalkohol die bei der Herstellung von Kunstseide ausgebildeten Verfahren,
d. h. Naß-Streckspinnverfahren der vorstehend geschilderten Art, vorzugsweise in
Betracht kommen. Die grundsätzliche Möglichkeit, PolyvinyWkohol nach den Regeln
der Kunstseid'eherstellung zu verspinnen, und die dargebotene reiche Auswahl an
Verfahrensformen hat offenbar das Vorurteil aufkommen lassen, daß eine für Polyvinylalkohol
spezifische Verbesserung unnötig und nicht mehr möglich sei. Durch die Erfindung
wird dieses Vorurteil ausgeräumt. Nach dem Verfahren und in der Vorrichtung der
Erfindung lassen sich Fäden herstellen, die hinsichtlich Zugfestigkeits- und Dehnungseigenschaften,
Zahl der gebrochenen Fäden u. dgl. den bisher bekannten Fäden überlegen sind und
eine textiltechnisch breitere Anwendung erschließen.
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Gemäß dem Verfahren der Erfindung wird mit gleichgerichtetem Fluß
von Spinnlösung bzw. gesponnenem Faden und Fällflüssigkeit, die ein höheres spezifisches
Gewicht als die Spinnlösung hat, von unten nach oben in einem Spinnrohr mit trichterförmigem
Einlaß gesponnen, wobei erfindungsgemäß Spinnlösung und Fällflüssigkeit in einem
Bereich von 1o bis 50 cm hinter der Spinndüse wirbelfrei und mit etwa gleicher
und konstanter Geschwindigkeit strömen und erst dann die Fäden in üblicher Weise
durch Änderung der Fließgeschwindigkeiten im trichterförmigen Teil des Spinnrohres
gestreckt und im zylindrischen Endteil dieses Rohres verfestigt werden. Aus dein
zylindrischen Endteil des Spinnkanals können die koagulierten Fäden mit einer Geschwindigkeit
abgezogen werden, die größer ist als die Geschwindigkeit der aufwärts fließenden
Fällflüssigkeit.
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Die durch die Erfindung erzielbare Verbesserung der Fadeneigenschaften
dürfte auf einer besonders günstigen Abstimmung des Spinnvorganges auf die Koagulierungseigenschaften
von Polyvinylalkohol beruhen. Es wurde gefunden, daß bei der Verspinnung von Polyvinylalkohollösungen
wesentlich andere Verhältnisse vorliegen als bei der Verspinneng
von
z. B. Viskose oder anderer Faserbildnern. Bei der Verspinnung tritt keine chemische
Umwandlung ein, die Koagulierung erfolgt vergleichsweise langsam, die Aggregationsfähigkeit
der koagulierten Anteile ist sehr stark, und die Plastizität der Polyvinylalkoholaggregate
ist begrenzt. Die Fadenführung gemäß der Erfindung scheint diesen Verhältnissen
in optimaler Weise zu genügen: In dem io bis 5o cm langen Anfangbereich ohne jede
Zug- oder Streckbelastung kann sich störungsfrei eine hinreichend starke Fadenhülle
bilden, ohne daß schon eine zu starke Aggregierung eintritt. Wenn nun bei Durchtritt
durch den trichterförmigen Teil langsam und stufenlos ein zunehmender Zug ausgeübt
wird, so ist der Faden bereits in einem Zustand, der diese Zugbelastung verträgt,
andererseits läßt auch der Aggregierungszustand noch eine günstige Orientierung
zu. Bei Durchtritt durch den zylindrischen Oberteil des Trichters sind Koagulierung,
Aggregierung und Orientierung bereits so weit fortgeschritten, daß durch rascheren
Rollenabzug keine Beschädigung mehr eintritt, sondern eine festigkeitssteigernde
Gefügeverbesserung. Solche oder ähnliche Bedingungen sind in keinem der eingangs
zitierten Verfahren und in keiner dieser Vorrichtungen gegeben.
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Im Verfahren der Erfindung wird in Aufwärtsrichtung von unten nach
oben gesponnen. Der Spinnkanal kann hierzu senkrecht oder etwas geneigt angeordnet
sein, in jedem Falle wird der Spinnvorgang durch den Auftrieb der spezifisch leichteren
Spinnlösung bzw. der spezifisch leichteren Fäden in der spezifisch schwereren Fällflüssigkeit
maßgeblich unterstützt. Das spezifische Gewicht von Polyvinylalkohollösungen (etwa
1q.°io Polyvinylalkohol) beträgt im Mittel 1,03 bis 1,04 bei 25°C, das der Fällflüssigkeit
(etwa 4009 Na2S04 je Liter) etwa 1,31. Der Auftrieb ist daher merklich größer als
z. B. bei der Verspinnung von Viskose (i,lo bis 1,12 bzw. 1,29 bis 1,35). Darüber
hinaus schließt die Verspinnung von unten nach oben in an sich bekannter Weise jegliche
Schwierigkeiten durch Lufteintritt in den Spinnkanal, Abreißen einer hängenden Fällflüssigkeitssäule
usw. aus und ermöglicht die Aufstellung vieler Einheiten auf geringer Grundfläche.
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Im Verfahren der Erfindung strömen Spinnlösung und Fällflüssigkeit
in der ersten Stufe, d. h. auf der ersten io bis 5o cm langen Strecke oberhalb der
Spinndüse, beide mit etwa gleicher und konstanter Geschwindigkeit v bzw.
V (vgl. Fig. --). In der zweiten Stufe, d. h. im konischen Teil des Trichters, wächst
die Geschwindigkeit der Fällflüssigkeit allmählich von v auf v1 an, wodurch auch
die Geschwindigkeit der zu diesem Zeitpunkt halbkoagulierten Fäden von h auf h1
ansteigt und auf die Fäden ein Zug ausgeübt wird. In der dritten Stufe, d. h. in
dem zylindrischen Oberteil des Trichters, wird die Endspannung durch äußeren Abzug
mit etwas höherer Geschwindigkeit h3 als die Fließgeschwindigkeit h2 der Fällflüssigkeit
erzeugt, und zwar bei einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeitsdifferenz
V3 - v2. Die Verspinnung verläuft in dieser Weise sehr glatt mit geringstem
Reibungswiderstand. Es können sowohl Einzelfäden als auch Fadenbündel gesponnen
werden.
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Das Verhältnis der Fördergeschwindigkeit beim Spinnen zur Eintauchlänge
wird durch Faktoren bewirkt, wie Durchschnittspolymerisation des Polyvinylalkohols,
Zusammensetzung und Temperatur der Fällflüssigkeit, Fadendenier, Zahl der Düsenlöcher
und deren Durchmesser usw. Zum Beispiel ist unter folgenden Bedingungen: Durchschnittspolymerisationsgrad
von Polyvinylalkohol . . . . . . . . . . i 60o Konzentration der Spinnlösung . .
. . . . . . . . . . . . . 13,80/0 Zusammensetzung der Fällflüssigkeit ........ 39ogjeLiter
wäßriger Lösung von Na2S O4 Temperatur der Fällflüssigkeit . .......... . q.5° C
Düsenlöcher ............ iooo Durchmesser jedes Loches o,08 mm Fadendenier . . .
. . . . . . . . . 1,5 bis 2,0 das Verhältnis der Spinngeschwindigkeit zur Eintauchlänge
folgendes:
| Spinngeschwindigkeit |
| m/Min. |
| 70 I 50 I 30 |
| Geeignetste Eintauch |
| länge, mm ........I 150o |
| 1000 |
| 700 |
Beim Naßspinnen der Polyvinylalkoholfäden muß die Eintauchlänge 80o bis i5oo mm
bei 5o m/Min. Spinngeschwindigkeit betragen, da die Koagulierung sehr langsam erfolgt;
dabei ist bei einer langen Eintauchlänge der Fließwiderstand auf die halbkoagulierten
Fäden oft übermäßig groß, und das Fadenbündel wird gebrochen. Weiterhin ist es schwierig,
eine passende Abzugsgeschwindigkeit einzuhalten, die dem Koagulierungszustand der
Fäden entspricht, um einen molekular gut orientierten Faden mit guten physikalischen
Eigenschaften auszuspinnen.
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Es ist daher erwünscht, der Fällflüssigkeit eine Fließgeschwindigkeit
in der gleichen Richtung wie die der bewegten Fäden zu geben, um den Reibungswiderstand
der gesponnenen Fäden gegenüber der Fällflüssigkeit zu verringern und um den erforderlichen
Zug der gesponnenen Fäden beim geeignetsten Koagulierungszustand durch Ausnutzung
der Fließgeschwindigkeit der Fällflüssigkeit zu erhalten.
Beispielsweise
wird unter folgenden Bedingungen: Konzentration der Spinn-Lösung . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 13 % wäßrige . Lösung von Polyvinylalkohol Zusammensetzung der
Fällflüssigkeit ............... gesättigte Lösung von Na?S04 Temperatur der Fällflüssigkeit
..................... 4150 C Fördergeschwindigkeit beim Spinnen .................
5o m/Min.
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die Fließgeschwindigkeit der Fällflüssigkei,t sich auf die Eigenschaften
des Fadens wie folgt auswirken:
| Fließgeschwindigkeit |
| der Fällflüssigkeit |
| m/Min. |
| 0 I 8 I 16 I 24 |
| Denier ........... 21270 2,67 2,76 2,64 |
| Trockenfestigkeit, |
| g/d ............. 2,40 3,02 2,89 z,40 |
| Trockendehnung, 0/0 26,6 243 21,6 42,7 |
| Naßfestigkeit, g/d 1,76 2,6.1 2,40 1,00 |
| Naßdehnung, % .. 31,5 22,o 23,8 49,7 |
Wie ersichtlich, können die mechanischen Eigenschaften der gesponnenen Fäden verbessert
werden, verglichen mit einer gewöhnlichen Fällflüssigkeit, wenn man den Fäden durch
die Fließgeschwindigkeit der Fällflüssigkeit einen geeigneten Zug gibt. Jedoch muß
der durch die Fällflüssigkeit hervorgerufene Zug in enge Beziehung gebracht werden
mit dem Koagulierungszustand der gesponnenen Fäden. Ein Beispiel, in welcher Stellung
man den gesponnenen Fäden durch Steigerung der Fließgeschwindigkeit Zug erteilt,
wird wie folgt angegeben:
| Stellung, in der durch die Fließ- |
| geschwindigkeit der Fällflüssigkeit |
| ein Zug ausgeübt wird. Entfer- |
| nung (d) von der Düse zum |
| unteren Ende des Spinnrohres, cm |
| 10 1 20 1 30 1 50 |
| Denier ........... 3,71 3,99 3,99 3,92 |
| Trockenfestigkeit, |
| g/d ............ 2,34 2,61 2,94 2,62 |
| Trockendehnung, 0/0 33,1 28,1 22,8 20,4 |
| Naßfestigkeit, g/d 1,64 1,71 . 2,47 2,o6 |
| Naßdehnung, % . . . 31,7- 27,8 25,0 22,9 |
Wie aus obigem hervorgeht, muß :die Stellung, in der der Zug auf den gesponnenen
Faden durch die Fließgeschwindigkeit ausgeübt wird, genau in Übereinstimmung mit
anderen Spinnbedingungen eingestellt werden. Wenn der Zug im ünkeagulierten Zustand,
sobald die Spinnlösung in das- Koagulierungsbad austritt, beginnt, verursacht er
das Zerreißen der Fäden.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt, und
zwar zeigt Fig. i einen Aufriß der Spinnmaschine, Fig. 2 einen Längsschnitt.
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In der Zeichnung bezeichnet i ein senkrechtes Mantelrohr, in dessen
Innerem ein Rohr -:2 längsverschiebbar befestigt ist, durch das die Fällflüssigkeit
und die frisch gesponnenen Fäden aufwärts strömen. 3 bezeichnet einen Überlaufbehälter,
durch dessen Boden das obere Ende des inneren Rohres 2 hindurchtritt. 4 bezeichnet
eine zylindrische Kammer, an deren Boden die Spinndüse 5 angeordnet ist, welche
mit dem Filter 6 verbunden ist. Die zylindrische Kammer 4 ist mit Fensteröffnungen
versehen, welche Aurch Deckel 7 verschlossen sind. 8 bezeichnet eine Pumpe, beispielsweise
eine Zahnradpumpe. Um die Spinndüse ist ein ringförmiges Rohr 9 (Fig. 2) angeordnet,
das eine Anzahl kleiner Düsen für die Fällflüssigkeit aus der Leitung 1o mit dem
Regulierventil i i besitzt. Der Überlaufbehälter 3 ist mit einem Abflußrohr 12 versehen,
welches den Überschuß der Fällflüssigkeit zu einem Trichter 13 ableitet, von wo
die Fällflüssigkeit in den Sammelbehälter 14 zurückgeführt wird. 15 bezeichnet Abzugrollen
zur Weiterleitung der gesponnenen Fäden.
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Wie in Fig. 2 dargestellt, ist das untere Ende 16 des Rohres 2 nach
außen konisch erweitert; die Länge des Ironischen Teiles muß entsprechend den Arbeitsbedingungen
der Spinnlösung und der Fällflüssigkeit passend gewählt sein. Ebenso ist die Entfernung
zwischen dem unteren Ende des Rohres 2 und dem ringförmigen Rohr 9 dadurch einstellbar,
daß das Rohr 2, bezogen auf das äußere Rohr i oder auf die zylindrische Kammer,
verschiebbar ist. Die einstellbare Anordnung ist nicht notwendig, wenn die beste
Entfernung für eine gegebene Spinnlösung, eine Fällflüssigkeit und eine endgültige
Länge und Steigung des konischen Teiles bestimmt worden sind. Der Raum zwischen
den Rohren i und 2 dient als Heiz- bzw. Kühlmantel oder als Wärmeisolierkammer,
jedoch kann das Mantelrohr i fortgelassen werden, wenn die ganze Anordung durch
geeignete Mittel thermisch gesteuert wird.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Die Fällflüssigkeit strömt aus der
Leitung 1o gleichmäßig ohne Wirbel und: langsam in die Kammer 4 durch die Düsen
in dem ringförmigen Rohr 9 aus und fließt mit bestimmter Geschwindigkeit dann, nachdem
sie sich in dem konischen Vorderteil 16 gesammelt hat, in das Rohr 2 nach oben,
worauf die Fällflüssigkeit über den *oberen Rand des Rohres überfließend
durch das Abflußrohr 12 und den Trichter 13 in den Sammelbehälter 14 zu wiederholtem
Gebrauch gelangt. -Die Spinnlösungsstrahlen in der zylindrischen Kammer 4 bewegen
sich aufwärts durch den Auftrieb der umgebenden Fällfiässigkeit, - wobei die Strahlen
langsam zu Fäden zu koagulieren beginnen.
Wenn die Fällflüssigkeit
in den konischen Vorderteil fließt, vergrößert sich allmählich ihre Geschwindigkeit,
und die Flüssigkeit strömt durch den konischen Teil mit Beschleunigung. Dieser Wechsel
der Geschwindigkeit der Fällflüssigkeit bewirkt eine Streckung der halbkoagulierten
Polyvinylalkoholfäden. Die Koagulierung ist fast vollendet, wenn die Fäden in den
zylindrischen Endteil 2 eintreten. Dann übt der Zug von der Rolle 15, der von dem
Unterschied in den Geschwindigkeiten der Rolle und der aufwärts fließenden gesponnenen
Fäden verursacht ist, eine gewisse Streckwirkung auf den unkoagulierten Teil der
Polyvinylalkoholfäden aus, wobei die Koagulierung ganz vollendet wird.
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Die Abzugsrolle 15 fördert den gesponnenen Strang und leitet ihn weiter
zu dem nächsten Prozeß. Die Drehzahl der Rolle ist entsprechend der Fördergeschwindigkeit,
welche die Spinngeschwindigkeit bestimmt, veränderbar.
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Wenn man den Zug auf den Strang in weitem Sinne meint, ist er das
Verhältnis der Ausströmgeschwindigkeit der Spinnlösung aus der Düse zu der Z;mfangsgeschwindigkeit
der Rolle.
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Je höher die Temperatur der Fällflüssigkeit ist, um so schneller erfolgt
die Koagulierung. Aber wenn die Temperatur der Fällflüssigkeit gesteigert wird,
werden die Fäden weich und schwer zu spannen. Dementsprechend kann die Temperatur
der Fällflüssigkeit, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, nicht über eine bestimmte
Grenze gesteigert werden. Die zulässige Temperatur der FällflÜssigkeit ist
30 bis 6o° C. Der Raum zwischen den Rohren i und 2 kann als Kühlraum, um
die Überhitzung zu verhindern, und auch als wärmeisolierender Raum oder als Heizraum,
um die Unterkühlung beim Beginn zu verhindern, oder zur Aufrechterhaltung einer
gewünschten Temperatur verwendet werden.
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Abhängig von der Dichte und Qualität der Spinnlösung kann ihre Trennung
von der Spinndüse 5 zuweilen schwierig sein. In solch einem Fall unterbricht man
die Zufuhr der Fällflüssigkeit durch Schließen des Regulierventils i i in dem Stadium,
in dem die Fällflüssigkeit ungefähr 6omm über der Spinndüse steht, öffnet das Fenster
oder den Deckel 7, und die Spinnlösung wird abgeführt. Darauf wird der Deckel 7
geschlossen und das Regulierventil i i wieder geöffnet, um die Fällflüssigkeit zuzuführen.
Die Spinnlösung, welche auf der Fällflüssigkeit schwimmt und mit dieser nach oben
fließt, tritt an dem Ende des Rohres 2 aus und wird dann durch die Rollen 15, koaguiiert,
abgezogen. Die Fenster erleichtern die Beaufsichtigung und Einstellung der Fäden.