DE1660314A1

DE1660314A1 - Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Erwaermen von Fadenkabeln aus hochmolekularen synthetischen Polymeren

Info

Publication number: DE1660314A1
Application number: DE19691660314
Authority: DE
Inventors: Ingolf Dr Jacob; Peter Fr Knobloch
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1966-09-23
Filing date: 1969-12-19
Publication date: 1972-04-06
Also published as: GB1147114A; AT306913B; CH479729A; NL6711046A; BE704246A

Description

FARBWERKE HOECHST AG. vormals Meister Lucius & Brüning

Aktenzeichen: P 16 60 314.8 - Fw 5165
Datum: 15. Dezember 1969 - Dr. Mei/Mu

Verfahren' und Vorrichtung zum kontinuierlichen Erwärmen von Fadenkabeln aus hochmolekularen synthetischen Polymeren

Zum Erwärmen von Fadenkabeln aus hochmolekularen synthetischen Polymeren während des Herstellungsprozesses b.estehen verschie- · dene konventionelle Möglichkeiten, die man in drei Gruppen teilen kann:

1. Erwärmung auf heißen Kontaktflächen,

zum Beispiel starren Platten oder sich drehenden Walzen,

2. Erwärmung mit heißen Flüssigkeiten oder Schmelzen, zum Beispiel in einem Wasserbad und

3. Erwärmung mit heißen Gasen oder Dämpfen.

Das Erhitzen auf sich drehenden Walzen erfordert eine Vorspannung des Fadenkabels, ebenso das. Erhitzen auf einer ruhenden Kontaktfläche, da in diesem Fall Reibungskräfte überwunden werden müssen. Diese Reibungskräfte sind beim Erhitzen in einer Flüssigkeit oder Schmelze geringer, doch ist deren Anwendung zur Erzielung einer bestimmten Temperatur des Fadenkabels stark eingeschränkt, da als Wärmeübertragungsmedium praktisch nur Wasser verwendet v/erden kann. Beim Erhitzen mit Hilfe von heißen Gasen oder Dämpfen ist es . nachteilig, daß die Übertragung einer bestimmten Wärmemenge vergleichsweise langsamer erfolgt und unter Umständen ein geeigneter Träger für das Fadenkabel vorgesehen werden muß, auf dem das Kabel während der Behandlung gleitet, wodurch wieder Reibungskräfte überwunden v/erden nüssen.

C~r:i-1e bei starken Fadenkabeln mit einem Gesamttiter von mehreren 100 000 clan besteht die besondere Schwierigkeit darin, dem Eat -I den zum gleichmäßigen Aufheizen auf die gewünschte Temperatur nötigen Energiebetrag zuzuführen, da die Wärmeübertragung auf die Fäden im Innern des Kabels mit zunehmender Kabelstärke immer

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schwieriger wird.;

Keine der angegebenen Möglichkeiten erlaubt das kontinuierliche rasche Erhitzen starker Fadenkabel, wenn diese während der Erwärmung einer so geringen Spannung unterliegen sollen, daß eine Schrumpfung des Fadenkabels eintreten kann, die sich "vom freien· Schrumpf ohne jede Belastung möglichst wenig unterscheidet.

In diesem Fall ist die Erhitzung des Kabels mittels heißer Luft, die aus einer Düs.e ausströmt, nicht möglich. Da zur "Vermeidung von Hitze Schädigungen die Wahl der Lufttemperatur nach oben begrenzt ist, müßte die Austrittsgeschwindigkeit der Luft so hoch gewählt werden, daß zwangsläufig eine Verwirbelung des starken Kabels eintritt. Ein gleichmäßiges Schrumpfen des Kabels ist aber dann nicht mehr gewährleistet. Die Wärmeübertragung mittels einer heißen Flüssigkeit - z".B. einer Schmelze - scheidet wegen der danach nötig werdenden Trocknung und Reinigung des Fadenkabels aus. Ein Erhitzen auf rotierenden Walzen ist nicht möglich, da hierzu eine Kabelvorspannung nötig ist. Daher besteht nach dem bekannten Verfahren nur die Möglichkeit, das Fadenkabel auf einer heißen Kontaktfläche aufzuheizen. Ein offensichtlicher'Nachteil ist dabei die relativ lange Aufheizzeit, die eine Beschränkung der Kabeldicke notwendig macht. Gleichzeitig entstehen durch Reibung an der Berührungsfläche Zugkräfte, die die freie Schrumpfung begrenzen. Weiter besteht durch die zwangsläufig vorhandenen Temperaturgradienten die Gefahr, daß nicht alle Teile des Fadenkabels gleichmäßig aufgeheizt werden.

Es wurde nun gefunden,· daß man Fadenkabel aus hochmolekularen synthetischen Polymeren kontinuierlich unter Schrumpfung mit Hilfe eines heißen Gases erwärmen kann, wenn man das heiße Gas über die gesamte Länge der Heiz strecke dem Fadenkabel von unten mit einer solchen Geschwindigkeit zuführt, daß das Fadenkabel au£ dem Gasstrom als einem Gaspolster ohne jede Berührung mit einer Unterlage und=völlig spannungslos schwebt.

Als heißes Gas kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren jedes

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gas- oder dampfförmige Heizmedium verwendet werden, wobei allerdings Luft bevorzugt ist. Es ist daneben aber, auch möglich, Wasserdampf oder Stickstoff zu verwenden.

Die Zuführung des heißen Gases muß möglichst gleichmäßig über die gesamte Heizstrecke erfolgen. Es ist dazu vorteilhaft, das Gas durchZwischenschalten einer perforierten Platte, eines Gitters, eines Gewebes oder dergleichen gleichmäßig zu verteilen, bevor es mit dem Fadenkabel in Berührung kommt.

Die Temperatur des heißen Gases richtet sich nach der zu erzielenden Fadentemperatur, das heißt nach der Temperatur, bei der die gewünschte Schrumpfung des Fadenkabels eintritt und ist somit wieder von dem Material, aus dem die Fäden bestehen, abhängig. Die Temperatur des Gases wird vorteilhaft höher gewählt als die gewünschte Temperatur des Fadenkabels beträgt, um eine sichere Erwärmung des Fadenkäbels zu gewährleisten und ¥ärmeyerluste auszugleichen. . -

Die Geschwindigkeit des heißen Gases bei der Berührung mit dem Fadenkabel wird erfindung^emäß so hoch gewählt, daß das Fadenkabel durch den Gasström angehoben wird, also während des mit Schrumpfung verbundenen Heizvorganges nicht auf einer Unterlage gleitet, sondern auf einem Gaspolster. Es braucht dabei nur beim Eintritt in die Heizstrecke und beim Austritt aus dieser geführt zu werden. Die zur Erzielung eines Gaspolsters zwischen Kabel und Unterlage notwendigen Strömungsgeschwindigkeiten lassen sich durch einfache Versuche ermitteln. Sie hängen selbstverständlich von dem. Gewicht des Fadenkabels ab, das heißt von der Belegungsdichte (= den pro cm Heizstrecke gemessen senkrecht zur Kabellaufrichtung), Als Anhaltspunkt für ihre Ermittlung können folgende Angaben dienen, Die Belegungsdichte des Fadenkabels sollte so gewählt werden, daß sie 1000 bis 30 000 den/cm, vorzugsweise 5000 bis 15 OOOden/cm beträgt. Bei diesen Belegungs^dichten sind Strömungsgeschwindigkeiten des heißen Gases am Fadenkabel von 0,2 bis 5 m/sek., vorzugsweise 0,2 bis 2 m/sek., notwendig, um ein nahezu spannungsfreies Schweben des Fadenkabels auf dem Gasstrom zu erreichen.

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Während sich die Breite der Heizstrecke, das heißt der Gaszuführung, aus der Belegungsdichte.des Fadenkabels ergibt, hängt die Länge der Herzstrecke von der für die gewünschte Temperaturerhöhung des Fadenkäbels notwendigen Verweilzeit des Fadenkabels in der Heizstrecke ab. Für die Verweilzeit-gelten etwa folgende Werte. Bei einer gewünschten Temperaturerhöhung des Fadenkäbels um rund 150 C und Verwendung eines Gases, dessen Temperatur etwa 20⁰C über der gewünschten.Endtemperatur des Fadenkabels liegt, beträgt die erforderliche Verweilzeit etwa 4 bis 6 Sekunden. Liegt die Temperatur des Gases dagegen 40⁰C höher als die gewünschte Endtemperatur, sind nur etwa 2 bis 3 Sekunden Verweilzeit erforderlich, während bei einer T.emperaturdifferenz von nur 10 C eine Verweilzeit von etwa 10 Sekunden notwendig wird. Dagegen werden die notwendigen Verweilzeiten nur unwesentlich verändert, wenn die Temperatur des Fadenkabels statt um 150⁰C um 110⁰C oder um-190⁰C erhöht werden soll. Von wesentlichem Einfluß auf die Verweilzeit des Fadenkabels in der Zeitzone ist daher die Differenz zwischen der gewünschten Endtemperatur des Fadenkabels und der Temperatur des Gases. Aus der notwendigen Verweilzeit und der Geschwindigkeit des Faserkabels ergibt sich dann direkt die notwendige Länge der Heizstrecke. Die oben angegebenen Verweilzeiten gelten für die Verwendung von Luft oder einem anderen Gas. Die Erwärmung des Fadenkabels mit Wasserdampf auf Temperaturen unterhalb 1OQ⁰C kann sehr viel rascher erfolgen. · . -

Aus der Länge und Breite der Heizstrecke, des heißt der.Austrittsfläche" des heißen Gases, und dessen Strömungsgeschwindigkeit läßt sich der Volumbedarf an heißem Gas bestimmen. Unabhängig davon kann auch eine energetische Abschätzung erfolgen, wozu zunächst der von dem heißen Gas abgegebene Energiebetrag und der von dem Fadenkabel aufgenommene Energiebetrag miteinander verglichen werden, um so einen Faktor für den Energieverlust in der verwendeten Vorrichtung, hervorgerufen durch Wärmeabgabe an die Ungebung, Erwärmung mitgerissener ZaIt-tuft usw. zu ergeben, der dann., bei allen .weiteren-Berechnungen'der notwendigen 7; armee.nergie mit zu berücksichtigen ist. Aus der energetischen Ao-

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Schätzung sollte sich dann etwa der gleiche Voluinbedarf an heißem Gas ergeben.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können vorteilhaft Fadenkabel aus allen hochmolekularen synthetischen Polymeren, wie Polyester, "vorzugsv/eise Polyäthylenterephthalat-Cöpolyestern, Polyamiden, wie Poly-i-caprolactam oder Polyhexamethylenadipin*- säureamid, Polyacrylnitril, Polyolefinen, wie Polyäthylen und Polypropylen, erwärmt und nahezu frei geschrumpft werden.

Da bei der Erwärmung nach dem erfindungsgeinäßen Verfahren das Fadenkabel von dem heißen Gas nicht nur .umströmt,, sondern auch durchströmt wird, werden alle ^Fäden im Kateel schnell -und gleichmäßig erwärmt. Darin besteht- ein bedeutender Vorteil des Verfahrens gegenüber der Erwärmung auf geheizten {Platten oder Walzen. ■ . Ein weiterer Vorteil des ?erf£ßdu^&geiüäßen Verfahrens besteht darin, daß aufgrund des GaspolLst^rs ,3©de Bsrtihriing mit einer Unterlage vermieden wird, wodurch alle ^Rsibungskrafta wegfallen und das Fadenkabel während der Erwärmung völlig frei schrumpfen kann. Da nach dem Verfahren der Erfindung das heiße Gas dem Fadenkabel über die gesamte Fläche der Heizstrecke gleichmäßig zugeführt wird, kann die Strömungsgeschwindigkeit dieses Gaises so- weit herabgesetzt werden, daß das Gas das Fadenkabel durchströmt,, ohne in dem Kabel Verwirbelung einzelner Eäden hervor^arafen. Darin besteht der ,große Vorteil gegenüber der Erwärmung durch einen aus einer Düse auf das Kabel treffenden Gasstrahl, dessen -Geschv/indigkeit £ur Zuführung ausreichender Wärmemengen nunmehr wesentlich hoher sein muß·. Außerdem kann" die 3?emBera"feurdiff erenz jzwisehen der Bndtemperatur und der Temperatur des heißes Gases hei dem Verfahren der Erfindung ^geringer sein als %ei der ⁱErwärmun;g mit einem Gasstrahl^ da die Erwärmung ilber· üie ^gesamte ileiz— Etrecke -eine gleichmäßige liarmeaufnahme durch ^das Fadenkabel gewährleistet, während bei der Erwärmung mit HiXfe eines.-Gasstrahles dessen Temperatur wesentlich Höher über der Endtempsratur des Fadeiikabels liegen muß,, um eine 'ausreichende Erwärmung zu sichern. Dabei können aber Schädigimgen der SuSeren Faden-

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schichten nicht vermieden .werden. Das Fehlen von Verwirbelungen im Fadenkabel gewährleistet nicht nur eine bessere Weiterverarbeitung., sondern auch eine gleichmäßige 'Schrumpfung aller Fäden im Kabel. Dies ist immer dann von besonderer Bedeutung, wenn mit der Erhöhung der Schrumpfung eine Verbesserung der Anfärbbarkeit erreicht werden soll.

Weiterhin wurde eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung gefunden. Diese Vor- . richtung besteht aus einem Gebläse, einer Heizvorrichtung für das vom Gebläse beschleunigte Gas, Leitungen für das erhitzte Gas, einer Führung für das erhitzte Gas zur Unterseite des Fadenkabels, gegebenenfalls weiteren Heizvorrichtungen innerhalb dieser Führung, die durch eine gleichmäßig gasdurchlässige Äbdeckunäabgeschlossen ist, einem \vaagereciiten Durchlauf für das Fadenkabel, einer Auffangvorrichtung für das heiße Gas oberhalb dieses Durchlaufes und Leitungen zur Rückführung, des heißen Gases zum Gebläse. " ,

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, das heiße Gas im Kreislauf zu führen, und somit unnötige Energieverluste weitgehend zu vermeiden.

Die Erhitzung des Gases erfolgt nach üblichen Verfahren mittels eines Heizregisters durch Wärmeaustausch mit beheizten Platten, Stäben oder dergleichen. Es ist aber auch möglich, die Erhitzung durch Strahlheizung vorzunehmen. Weiter 1st es möglich, durch Hintereinanderschaltung mehrerer Heizvorrichtungen eine stufenweise Erwärmung dies Gases durchzuführen oder an anderen Stellen des Gaskreislaufes zusätzliche Heizvorrichtungen anzubringen.

Die Abdeckung der Gasführung unterhalb ^:des im Durchlauf die Vorrichtung passierenden -Fadenkaibels wird von einer perforierten Platte., einem Gitter,, meinem Gewebe ,oder dergleichen gebildet, wodurch sichergestellt wird, daß das Gas über die gesamte länge und Breite der .Heiss.trej&ke mit .gleicher .-Strömungsgeschwindigkeit dem Fadenkabel zugeführt wird. Die Regelung der Strömimgsgeschwindigkeit .erfolgt ,mit !Hilfe des das Gas !beschleunigenden Gebläses.

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Zum.Zutritt neuen Gases kann an beliebiger Stelle des Kreislaufes, vorzugsweise vor dem Heizregister,-eine Torrichtung zum Einspeisen des Gases, bei Verwendung von Luft vorzugsweise eine einfache regelbare Klappe, vorgesehen werden." Bei Verwendung anderer Gase als luft muß am Ein- und Austritt des Fadenkabels' eine entsprechende Abdichtung angebracht werden.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der beigefügten Figur 1 an einem Ausführungsbeispiel dar^ gestellt,- wobei die Strömungsrichtung des Gases durch Pfeile angegeben ist. Durch ein Gebläse (1) wird das Gas durch eine Heizvorrichtung, die hier ein Heizregister (2) ist, und leitungen (3) zur ofenförmigen Führung (4). an der Unterseite des Fadenkabels

(8) gefördert. Innerhalb dieser Führung (4) sind zusätzliche Heizstäbe (5) angeordnet, wobei durch zusätzliche leitvorrichtungen (6) ein Kontakt des Gases mit den Heizstäben (5) erzwungen wird. Die obere Abdeckung der ofenförmigen Führung (4) wird durch ein Gewebe aus Glasfasern (7) gebildet, durch"das das heiße Gas gleichmäßig an die Unterseite des in dem waagerechten Durchlauf

(9) laufenden Fadenkabels (8) gelangt. Nachdem das heiße Ga's das Fadenkabel um- und durchströmt hat, gelangt es in die Auffangvorrichtung (10) oberhalb des- Durchlaufs (9) und von dort über Rückleitungen (11) zurück ins Gebläse (1).

Die Durchführung des Verfahrens der Erfindung wird durch die folgenden Beispiel näher erläutert.

Verftleichsversuch

Ein Kabel aus Polyäthylenterephthalatfäden vom Einzeltiter 4 den mit einem Gesamttiter von 100 000 den, das nach dem Spinnen einen Schrumpf von 41 - 42 fi (gemessen bei 97°C) besitzt, läuft mit einer Geschwindigkeit von 3»5 m/min über ein Septett in, einen 2 m langen Dampfkasten ein und wird von einem zweiten Septett mit einer Geschwindigkeit von 14 m/min abgezogen, so daß in Danpf« kasten eine Vorstreckung des, Fadenkabels im Verhältnis 1:4 erfolgt. Im Anschluß daran wird das verstreckte Fadenkabel über eine 2. m lange Iletallflache," deren Oberflächentemperatur 240⁰C

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beträgt und die mit einem Überzug aus Glasseidegewebe versehen ist, gezogen. Dabei ist oberhalb des Fadenkabels eine zweite behei. te Metallfläche angeordnet, so daß das Kabel sich in einem heißen Luftspalt bewegt. Das Fadenkabel wird dabei von einem dritten ■Septett abgezogen, dessen Geschwindigkeit so eingestellt ist, daß das Fadenkabel auf der Metallfläche um 17 $ schrumpfen kann. Die Verweildauer des Fadenkabels in dieser Heizvorrichtung beträgt rund 9 Sekunden, die Breite des Fadenkabels, eingestellt mit Hilfe von Fadenführern, 1? cm, was einer Belegungsdichte von rund 6000 den/cm entspricht.

Eine direkte Messung der Fadentemperatur ist auch unmittelbar am Ofenausgang wegen der Wärmestrahlung und der mitgerissenen Heißluft nicht möglich. Es ist jedoch möglich, die ^sachliche Fadentemperatur während des SchrumpfVorganges durch eine indirekte Methode zu bestimmen. Dies gründet sich auf der Tatsache, daß die Farbstoff aufnahme des geschrumpften Fadens abhängig ist von der Temperatur," bei der der SchrumpfVorgang erfolgte und daß außerdem in dem in Frage kommenden Temperaturbereich die Farbstoff auf nähme mit der Schrumpf temperatur stark ansteigt. Diese Abhängigkeit - der Farbstoffaufnahme mit der Schrumpftemperatur stark ansteigt. Diese Abhängigkeit der Farbstoffaufnähme von der Schrumpftemperatur ist in der Kurve der Figur 2 dargestellt und aus dieser Kurve kann durch Messung der Farbstoffaufnahme die tatsächliche Temperatur des"Fadenkabels ermittelt werden. Die Farbstoff aufnahme des nach dem Vergleichsversuch behandelten Kabels betrug 55 $, was einer Temperatur des Fadenkabels während des Schrumpfvorganges von ca. 220⁰C entspricht.

Beispiel 1

Ein gleiches Fadenkabel wie im yergleichsversuch wird wie dort ■ beschrieben verstreckt und geschrumpft, wobei jedoch anstelle der geheizten Metallfläche die vorstehend beschriebene und in Figur 1 dargestellte Vorrichtung verwendet wird. Der Durchlauf (9) dieser Vorrichtung hat eine Länge von 1 m und eine Breite von 1Q cm. Daraus ergibt sich eine Be3.egungsdichte von 10 000 den/ cm und eine Verweilzeit des Fadenkabels in der Reizzone von ca.

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4,5 Sekunden. Als heißes Gas wird Luft verwendet, deren Temperatur, unmittelbar unterhalb des Fadenkabels gemessen, 240-244°C beträgt und die mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 m/Sekunde das Fadenkabel um- und durchströmt. Die Farbstoffaufnahme des so geschrumpften Fadenmaterials beträgt 65 5», entsprechend einer Fadentemperatur während des SchrumpfVorganges von etwa 225 C.

Beispiel 2: ·

Die Verstreckung und Schrumpfung des Fadenkabels wird, wie in Beispiel 1 beschrieben, durchgeführt, wobei jedoch ein Schrumpfbetrag von 21 fo eingestellt wird und die Temperatur der heißen Luft 235 ~ 239OC beträgt. ' . -

Beispiel 3: ^:

Die Yerstreckung und Schrumpfung wird, wie in Beispiel 1 beschrieben, durchgeführtί wobei jedoch ein Schrumpfbetrag von 25 $ eingestellt'wird und die Temperatur der heißenLuft 230-234⁰C beträgt. "" '

Aus den vorstehend beschriebenen Versuchen geht klar hervor, daß bei gleicher Temperatur des Heizmediums nach dem Yerfähren der Erfindung die Temperatur des Fadenkabels während des Schrumpfvorganges höher liegt als bei Erwärmung mit Hilfe einer Heizfläche und daß dieser Effekt sogar bei kürzerer Terweilzeit und höherer Be^gungsdichte erzielt wird. Andererseits lassen sich nach dem Yerfahren der Erfindung Schrumpfbeträgte erzielen, die bei gleichen Schrumpftemperaturen auf einer Heizfläche wegen der dabei auftretenden Reibung nicht erzielt werden können.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

Verfahren zum kontinuierlichen Erwärmen von Fadenkabeln aus hochmolekularen synthetischen Polymeren unter Schrumpfung mit Hilfe eines heißen Gases, dadurch gekennzeichnet, daß man das heiße Gas über die gesamte Heizstrecke dem Fadenkabel von unten mit einer solchen Geschwindigkeit zuführt, daß das Fadenkabel auf dem Gasstrom als einem Gaspolster ohne jede Berührung mit einer Unterlage und völlig spannungslos schwebt. ·

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Gebläse, einer Heizvorrichtung für das vom Gebläse beschleunigte Gas, Leitungen für das erhitzte Gas, einer Führung für das erhitzte Gas zur Unterseite des Fadenkabels, gegeben"enfalls weiteren Heizvorrichtungen innerhalb dieser Führung , die durch eine gleichmäßige gasdurchlässige Abdeckung abgeschlossen ist, einem waagerechten Durchlauf für das Fadenkabel, einer Auffangvorrichtung für das heiße Gas oberhalb dieses Durchlaufs und Leitungen zur Durchführung des heißen Gases zum Gebläse, sowie gegebenenfalls einer Vorrichtung zum Einspeißen des Gases in den Kreislauf.

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