Die vorlegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spinnen eines multifilen Fadens aus einem thermoplastischen Material umfassend die Schritte, bei welchem das aufgeschmolzene Material durch eine Vielzahl von Düsenlöchern einer Spinndüse zu einem Filamentbündel mit vielen Filamenten extrudiert und nach dem Erstarren als Faden aufgewickelt wird, und bei welchem das Filamentbündels unterhalb der Spinndüse abgekühlt wird.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Polyesterfilamentgarne und Corde, die solche Polyesterfilamentgarne enthalten.
Ein Verfahren wie oben beschrieben ist aus der
Eine zweistufige Kühlmethode zum Spinnen eines multifilen Fadens aus einem thermoplastischen Material ist in
Das Abkühlverhalten der thermoplastischen Polymere ist durchaus kompliziert und von einer Reihe von Parametern abhängig. Insbesondere kommt es während der Abkühlung zur Ausbildung von Unterschieden im Doppelbrechungsverhalten über den Filamentquerschnitt, weil die Filamenthaut schneller abkühlt als das Innere, der Kern, der Filamente. Darüber hinaus treten auf diese Weise auch Unterschiede in der Kristallisation zwischen Filamenten auf. Das Abkühlen bestimmt also im hohen Maße die Kristallisation der Polymere im Filament, was sich beim späteren Einsatz der Filamente, z.B. in der Verstreckung, bemerkbar macht. Für eine Reihe von Anwendungen ist es erwünscht, möglichst rasch nach der Extrusion einen hohen Grad an Abkühlung zu erreichen, um eine rasche Kristallisationsbildung zu fördern.
Die Abkühlungsverfahren des Standes der Technik erreichen diese Anforderungen oftmals nicht oder nicht ausreichend.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das für eine effektive Abkühlung der extrudierten Filamente sorgt und dadurch eine gute Kristallisierung in den Filamenten bewirkt, insbesondere auch bei relativ niedrigen Aufwickelgeschwindigkeiten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verfahren, wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben, sich dadurch auszeichnet, dass die Abkühlung in zwei Stufen durchgeführt wird, wobei in einer ersten Abkühlzone das Filamentbündel mittels eines gasförmigen Kühlmediums so angeströmt wird, dass das gasförmige Kühlmedium das Filamentbündel quer durchströmt, indem es das Filamentbündel auf der der Anströmseite gegenüberliegenden Seite praktisch vollständig wieder verläßt, und in einer zweiten Abkühlzone unterhalb der ersten Abkühlzone das Filamentbündel im wesentlichen durch Selbstansaugung von in der Umgebung des Filamentbündels befindlichem gasförmigen Kühlmediums weiter abgekühlt wird.
Es handelt sich bei der vorliegenden Erfindung also um eine zweistufige Abkühlung. In der ersten Stufe wird das Filamentbündel mittels des gasförmigen Kühlmediums durchströmt. Dabei ist vor allem entscheidend, dass das Kühlmedium das Filamentbündel praktisch vollständig auf der der Anströmseite gegenüberliegenden Seite wieder verläßt. Das Kühlmedium soll in dieser Stufe der Abkühlung also möglichst nicht von dem Filamentbündel mitgerissen werden. Zur Durchführung dieser ersten Abkühlstufe ist es denkbar, dass das gasförmige Kühlmedium quer zur Bewegungsrichtung der Filamentbündel durch das Filamentbündel strömt, also eine sogenannte Queranblasung eingestellt wird. Diese Anblasung kann dadurch effektiv gestaltet werden, indem das gasförmige Kühlmedium nach dem Durchströmen des Fadenbündels mittels einer Absaugvorrichtung abgesaugt wird. Dadurch kommt es zum einen zu einer guten Ausrichtung des Abkühlstroms, zum anderen ist gewährleistet, dass das Abkühlmedium das Filamentbündel auch quantitativ wieder verläßt. So kann die Ausgestaltung z.B. derart erfolgen, dass das Filamentbündel zwischen einer Anblas- und einer Absaugvorrichtung hindurch geführt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Filamentstrom zu teilen und beispielsweise in der Mitte zwischen zwei Filamentströmen eine Anblasung einzurichten, wie z.B. durch ein perforiertes Rohr, das für eine bestimmte Strecke parallel und zwischen den Filamentströmen herläuft. Man kann dann das gasförmige Kühlmedium von der Mitte der Filamentbündel aus durch die Filamentbündel nach außen blasen. Auch hier ist darauf zu achten, dass das Kühlmedium die Bündel praktisch vollständig wieder verläßt. Selbstverständlich wäre auch die umgekehrte Anblas- und Absaugdurchführung denkbar, indem das in der Mitte der Filamentströme verlaufende Rohr als Absaugung dient und die Anblasung dann von außen nach innen durchgeführt wird.
Es ist bevorzugt für das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die Anströmgeschwindigkeit des gasförmigen Kühlmediums zwischen 0,1 und 1 m/s beträgt. Bei diesen Geschwindigkeiten kommt es zu einer gleichmäßigen Abkühlung weitgehend ohne Verwirbelungen und Ausbildung von Haut/Kern-Unterschieden bei der Kristallisation.
Es hat sich darüber hinaus als völlig ausreichend erwiesen, wenn die erste Abkühlzone eine Länge zwischen 0,2 und 1,2 m aufweist.
Eine Anströmung über diese Länge und unter den oben beschriebenen Bedingungen ergibt den gewünschten Grad an Abkühlung in der ersten Zone bzw. Stufe.
Die zweite Stufe der Abkühlung wird mittels der sogenannten Selbstansaugung ("self suction yarn cooling") durchgeführt. Dabei reißt das Filamentbündel das in seiner Umgebung befindliche gasförmige Kühlmedium, z.B. Umgebungsluft, mit sich und wird dabei weiter abgekühlt. In diesem Fall kommt es zu einer Strömung des gasförmigen Kühlmediums, die weitgehend parallel zur Laufrichtung des Filamentbündels verläuft. Dabei ist es wichtig, dass das gasförmige Kühlmedium wenigstens von zwei Seiten an das Filamentbündel herankommt.
Die Selbstansaugeinheit kann durch zwei perforierte und zum Filamentbündel parallel verlaufende Platten, sogenannte doppelseitige Platten, gebildet werden. Die Länge beträgt mindestens 10 cm und kann nach oben hin durchaus bis zu mehreren Metern betragen. Durchaus üblich sind Längen für diese Selbstansaugungsstrecke von 30 cm bis 150 cm.
Im erfindungsgemäßen Verfahren ist es bevorzugt, dass die zweite Abkühlstufe durch ein Führen der Filamente zwischen perforierten Materialien, wie z.B. perforierten Platten, so durchgeführt wird, dass das gasförmige Abkühlmedium bei der Selbstansaugung von zwei Seiten auf die Filamente treffen kann.
Es hat sich als vorteilhaft dafür erwiesen, wenn in dieser zweiten Abkühlzone des Filamentbündels durch ein perforiertes Rohr geführt wird. Solche "Self-suction-Rohre" sind dem Fachmann bekannt. Sie ermöglichen das Mitreißen des gasförmigen Abkühlmediums durch das Filamentbündel in einer Weise, die Verwirbelungen weitgehend vermeidet.
Es ist möglich, das Kühlmedium, welches durch das Filamentbündel angesaugt wird, zu temperieren, z.B. durch die Verwendung von Wärmeaustauschern. Diese Ausführungsform erlaubt eine von der Umgebungstemperatur unabhängige Prozessführung, was sich vorteilhaft auf die Dauerstabilität des Verfahrens, z.B. Tag-Nacht bzw. Sommer-Winter-Unterschiede, auswirkt.
Zwischen der Spinndüse oder Düsenplatte und dem Beginn der ersten Kühlzone befindet sich üblicherweise noch ein sogenanntes Heizrohr. Abhängig vom Filamenttyp ist dieses dem Fachmann geläufige Element zwischen 10 und 40 cm lang.
Zwischen der ersten und der zweiten Kühlzone kann vorteilhafter Weise noch ein Bündelungsschritt in an sich bekannter Weise, z.B. durch sogenannte airmover oder airknives, erfolgen. Weiterhin kann dieser Bündelungsschritt auch innerhalb der zweiten Kühlzone stattfinden.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren nach den Abkühlzonen und vor der Aufwicklung noch eine Verstreckung der Filamente in an sich bekannter Weise aufweisen. Unter dem Begriff Verstreckung sollen hier alle üblichen und dem Fachmann geläufigen Methoden verstanden werden, um die Filamente zu verziehen. Dies kann beispielsweise durch Galetten, einzeln oder in Duos, oder ähnliches durchgeführt werden. Es soll ausdrücklich erwähnt werden, dass sich Verstreckung sowohl auf Verstreckverhältnisse größer als 1 als auch auf solche Verhältnisse, die kleiner sind als 1, bezieht. Letztere Verhältnisse sind der Fachperson unter dem Begriff der Relaxation geläufig. Verstreckverhältnisse größer und kleiner als 1 treten innerhalb eines Prozesses durchaus nebeneinander auf.
Das Gesamtverstreckverhältnis berechnet sich üblicherweise aus dem Verhältnis der Streckgeschwindigkeiten bzw. - wenn auch noch eine Relaxation erfolgt - der Aufwickelgeschwindigkeit am Ende des Prozesses und der Spinngeschwindigkeit der Filamente, d.h. die Geschwindigkeit, mit der die Filamentbündel die Kühlzonen durchlaufen. Eine typische Konstellation ist beispielsweise eine Spinngeschwindigkeit von 2760 m/min, Verstreckung mit 6000 m/min, additionelle Relaxation im Anschluß an die Verstreckung von 0,5 %, d.h. eine Aufwickelgeschwindigkeit von 5970 m/min. Das resultiert in einem Gesamtverstreckverhältnis von 2,16.
Erfindungsgemäß sind daher für die Aufwicklung Geschwindigkeiten von mindestens 2000 m/min bevorzugt. Prinzipiell sind dem Prozess im Rahmen des technisch Realisierbaren nach oben hin keine Grenzen hinsichtlich der Geschwindigkeit gesetzt. Allgemein werden für den oberen Geschwindigkeitsbereich bei der Aufwicklung jedoch etwa 6000 m/min bevorzugt.
Bei den an sich üblichen Gesamtverstreckverhältnissen von 1,5 bis 3,0 ergeben sich also Bereiche von etwa 500 bis etwa 4000 m/min, bevorzugt 2000 bis 3500 m, für die Spinngeschwindigkeit.
Den Verstreckeinrichtungen vorgelagert und hinter den Kühlzonen kann sich noch ein Fallschacht befinden. Auch dieses Element ist an sich bekannt.
Als gasförmiges Kühlmedium wird bevorzugt Luft oder ein Inertgas, wie Stickstoff oder Argon, eingesetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipiell nicht auf bestimmte Polymerarten beschränkt und läßt sich auf alle zu Filamenten extrudierbaren Polymertypen anwenden. Bevorzugt werden allerdings als thermoplastisches Material Polymere, wie Polyester, Polyamid, Polyolefin oder auch Mischungen bzw. Copolymere aus diesen Typen.
Ganz besonders bevorzugt wird es, wenn das thermoplastische Material im wesentlichen aus Polyethylenterephthalat besteht.
Das Verfahren gemäß der Erfindung erlaubt die Herstellung von Filamenten, die besonders gut für technische Anwendungen geeignet sind, insbesondere für die Verwendung in Reifencord geeignet sind. Weiterhin eignet sich das Verfahren auch gut für die Herstellung von technischen Garnen. Die für die Spinnung von technischen Garnen nötigen Einstellungen, insbesondere die Wahl der Düse sowie die Länge des Heizrohres, sind dem Fachmann bekannt.
Die Erfindung ist daher auch auf Filamentgarne, insbesondere auf Polyesterfilamentgarne gerichtet, die nach dem oben beschriebenen Verfahren erhältlich sind.
Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf solche Polyesterfilamentgarne mit einer Buchfestigkeit T in mN/tex und einer Bruchdehnung E in % gerichtet, bei denen das Produkt aus der Bruchfestigkeit T und der dritten Wurzel aus der Bruchdehnung E (T*E1/3) mindestens 1600 mN %1/3/tex beträgt. Bevorzugt liegt dieses Produkt zwischen 1600 und 1800 mN %1/3/tex.
Die Messungen der Bruchfestigkeit T sowie der Bruchdehnung E für die Bestimmung des Parameters T*E1/3 erfolgen gemäß ASTM 885 und sind dem Fachmann im übrigen bekannt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Erfindung auf Polyesterfilamentgarne gerichtet, bei denen die Summe aus ihrer Dehnung in % nach Anlegung einer spezifischen Kraft EAST ("elongation at specific tension") von 410 mN/tex und ihrem Heißluftschrumpf bei 180 °C (HAS) in %, also die Summe aus EAST + HAS, weniger als 11 %, bevorzugt weniger als 10,5 %, beträgt.
Die Messung der EAST erfolgt gemäß ASTM 885 und die Bestimmung des HAS erfolgt ebenfalls nach der ASTM 885, mit der Maßgabe, dass die Messung bei 180 °C, bei 5 mN/tex und über 2 Minuten durchgeführt wird.
Schließlich ist die vorliegende Erfindung auf Reifencorde gerichtet, die Polyesterfilamentgarne enthalten, wobei der Cord einen Retentionsvermögen Rt in % aufweist, die sich dadurch auszeichnen, dass der Qualitätsfaktor Qf, welcher das Produkt aus T*E1/3 der Polyesterfilamentgarne und Rt des Cordes darstellt, größer ist als 1350 mN %4/3/tex.
Unter dem Retentionsvermögen ist der Quotient aus der Bruchfestigkeit des Cordes nach nach dem Dippen und der Bruchfestigkeit der Fäden zu verstehen.
Der Qualitätsfaktor ist besonders bevorzugt größer als 1375 mN %4/3/tex und beträgt vorteilhaft bis zu 1800 mN %43/tex .
Die Erfindung soll anhand der nachstehenden Beispiele näher erläutert werden, ohne auf diese Beispiele beschränkt zu sein.
Polyethylenterephthalat Granulat mit einer relativen Viskosität von 2,04 (gemessen an einer Lösung von 1 g Polymer in 125 g einer Mischung aus 2,4,6-Trichlorphenol und Phenol (TCF/F, 7:10 m/m) bei 25 °C in einem Ubbelohde (DIN 51562) Viskosimeter) wurde gesponnen und unter den in der Tab. 1 aufgeführten Bedingungen abgekühlt. Die Streckgeschwindigkeit betrug 6000 m/min. Es wurde eine additionelle Relaxation von 0,5 % eingestellt, Aufwickelgeschwindigkeit: 5970 m/min.
Die Garneigenschaften wurden an drei Proben bestimmt und sind in der Tab. 2 dargestellt.
Schließlich wurden die Cordeigenschaften nach dem Dippen bestimmt und sind in Tab. 3 zusammengefasst.
Der Qualitätsfaktor Qf ergibt sich als Produkt aus T*E1/3 und der Retention.
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