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Schmelzspinndüse für hochmolekulare thermoplastische
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Kunststoffe Die Erfindung betrifft eine Schmelzspinndüse mit Queranblasung
für das Verspinnen der Schmelze hochmolekularer Kunststoffe nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Besonders beim Verspinnen thermoplastischer Kunststoffschmelzen zu
Fadenkabeln mit einer großen Zahl von Einzelfilamenten feinen bis sehr feinen Titers,
beispielsweise solchen, die zu Vliesen verarbeitet werden sollen, gehen die Bestrebungen
dahin, durch eine möglichst große spezifische Lochzahl in der Spinndüse, gemessen
als die Anzahl 2 von Düsenlöchern pro cm , den Gesamtdurchsatz je Spinndüse und
damit die Produktivität auf ein möglichst hohes Niveau zu bringen. Abgesehen von
Schwierigkeiten bei der Düsenfertigung, die nicht Gegenstand der Erfindung sind,
ergeben sich hierbei Grenzen auf Grund der Besonderheiten beim Schmelz spinnen.
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Bekanntlich werden die hochpolymeren thermoplastischen, zur Herstellung
von Fäden brauchbaren Kunststoffe, deren Schmelztemperatur meist beträchtlich über
100°C liegt, zum Verspinnen auf Temperaturen gebracht, die in der Regel um mindestens
250 bis 300 über der Schmelztemperatur liegen.
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Außerdem sind die Spinnschmelzen als nichtnewton'sche Flüssigkeiten
kompressibel, was ohne spezielle Vorkehrungen mitverantwortlich ist für die sogenannte
Zwiebelbildung, eine typische Aufblähung oder Verdickung unmittelbar am Ausgang
des Düsenloches.
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Die Abstände zwischen den austretenden Fäden müssen demnach so weit
sein, daß sich die noch nicht erstarrten Fäden nicht berühren und dabei zusammenkleben
können; die erwähnte
Zwiebelbildung bringt wegen des wesentlich
größeren Durchmessers gegenüber dem austretenden Faden eine zusätzliche Erschwerung.
Um die die Düsenlöcher verlassenden Fäden mit der erforderlichen Geschwindigkeit
abzukühlen, werden sie i.a. mit einem gasförmigen Medium, meist Luft, angeblasen,
was ebenfalls einer allzu engen Anordnung der Düsenlöcher entgegenzustehn scheint.
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Die beschriebenen Schwierigkeiten führten dazu, daß die größten spezifischen
Lochzahlen, die bisher bekannt wurden, 2 bei Werten bis ca. 62 Düsenlöcher je cm
Düsenfläche lagen (US-PS 3,118,012; US-PS 3,213,171). Wegen der Schwierigkeiten
für die Anblasung zur Kühlung vor allem lagen dabei die maximalen Lochzahlen im
Bereich von ca. 2000 Löchern je Spinndüse. Insbesondere für die Erzeugung des Fadenmaterials
zur Vliesherstellung wurde dies allgemein als unbefriedigend empfunden, ohne daß
wesentliche Verbesserungen bekannt geworden wären.
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Der Erfindung liegt danach die Aufgabe zugrunde, eine Schmelzspinndüse
bereitzustellen, die bei wesentlich erhöhter spezifischer Lochzahl sowie Gesamtlochzahl
eine zufriedenstellende Abkühlung der frischen Fäden ermöglicht. Aufgabe ist ferner
die Bereitstellung einer mit der erfindungsgemäßen Schmelzspinndüse ausgerüsteten
Anblasvorrichtung.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schmelzspinndüse der eingangs beschriebenen
Art gelöst, die sich dadurch auszeichnet, daß das Lochfeld bei einem Lochdurchmesser
D ' 500sm und einer 2 Lochdichte von mindestens 80 pro cm Fläche des Lochfeldes
mindestens 20 000 Düsenlöcher aufweist, und daß der Lochabstand der Düsenlöcher
in den in Längsrichtung verlaufenden zueinander parallelen Lochreihen größer ist
als der Lochabstand in den in Anblasrichtung verlaufenden zueinander parallelen
Querreihen. Bevorzugt ist die spezifische Lochzahl oder
Lochdichte
mindestens 100 pro cm2Fläche des Lochfeldes der Spinndüse. Das Verhältnis der Länge
L des Lochfeldes zu seiner Breite B wird besonders vorteilhaft in einem L Bereich
festgelegt, der der Beziehung 5 c B L / 1515 und vorzugsweise 8 Xc B c 12 folgt.
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B Die einzelnen Düsenlöcher sind innerhalb des Lochfeldes in die
Schnittpunkte eines regelmäßigen ebenen Gitters gelegt.
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Die deckungsgleichen einzelnen Gitterfelder können Rechtecke sein,
sie können aber auch Parallelogramme sein, deren spitze Winkel größer als 450 sind.
Das Verhältnis der Lochabstände a in Längsrichtung des Lochfeldes zu den Lochabständen
b in Querrichtung des Lochfeldes liegt vorteilhaft innerhalb der Beziehung 1, 2
a 5 und nimmt vorzugsweise einen Wert von 2 bis 3 an. In Weiterbildung der Erfindung
ist der Lochabstand in den Querreihen des Lochfeldes größer als das 1,5-fache und
in den Längsreihen größer als das 1,8-fache des Lochdurchmessers.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung sind die Düsenlöcher
derart bemessen, daß das Verhältnis der Länge 1 zum Durchmesser D größer ist als
5 und bevorzugt innerhalb des durch die Beziehung 7 = DF 20 bestimmten Bereiches
liegt. Eine derartige Gestaltung der Düsenlöcher erscheint geeignet, die sog. Zwiebelbildung
wesentlich zu verringern oder gar ganz zu verhindern.
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Eine mit einer erfindungsgemäßen Schmelzspinndüse ausgerüstete Anblasung
für die aus den Düsenlöchern austretenden Einzelfilamente zeichnet sich dadurch
aus, daß die Richtung der Anblasung quer zur langen Lochfeldseite und im wesentlichen
in Richtung der durch die weiteren Abstände zwischen den Querreihen gebildeten Kanäle
zwischen
den austretenden Filamenten verläuft. Vorteilhaft ist der
Kühlgasstrom der Anblasung dabei schräg von unten auf die Austrittsseite der Filamente
aus der Düsenplatte gerichtet.
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Als günstig hat sich dabei ein Auftreffwinkel zwischen etwa 50 und
400, gemessen zwischen Anblasstrahl und Düsenplatte erwiesen.
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In vielen Fällen kann es vorteilhaft sein, zusätzlich zum schräg von
unten auf die Düsenplatte gerichteten Anblasstrom eine zweite Anblasung vorzusehen,
die über der ersten angeordnet ist und deren Anblasstrom im wesentlichen parallel
zur Düsenplatte ausgerichtet ist. Die horizontale Komponente des schrägen Anblasstroms
hat dabei dieselbe Richtung wie der Anblasstrom der zweiten Anblasung.
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Hierdurch wird erreicht, daß die ersten Reihen der ausgesponnenen
Filamente durch den zuerst auftreffenden, horizontalen Blasluftstrom unter die Schmelztemperatur
gekühlt und verfestigt werden. Beim Durchblasen der Fadenschar durch den schräg
auftreffenden Blasluftstrom zum Kühlen und Verfestigen der dahinter liegenden Filamente
ergibt sich dadurch der vorteilhafte Effekt, daß der Durchhang und die Neigung der
vorderen Filamentreihen zum Verkleben verringert wird und die Blasluftmengen und
-geschwindigkeiten zum Zweck der Leistungssteigerung sich stärker erhöhen lassen.
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Eine weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt mit Hilfe der beigegebenen
Zeichnung. Es zeigt:
Fig. 1 Draufsicht auf die Austrittsfläche
einer erfindungsgemäßen Spinndüse; Fig. 2 stark vergrößertes Gitter mit rechteckigen
Gitterfeldern; Fig. 3 Lochgitter mit deckungsgleichen Gitterfeldern in Parallelogrammform;
Fig. 4 schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Schmelzspinnvorrichtung;
Fig. 5 Ansicht von unten auf Spinndüse und Anblasung; Fig. 6 stark vergrößerter
Schnitt durch zwei benachbarte Düsenlöcher.
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Die Fig. 1 zeigt in nicht maßstäblicher Darstellung einen Blick auf
die austrittsseitige Oberfläche der Düsenplatte.
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Das Lochfeld 1 wird durch die Längsseiten 22 von der Länge 10 und
die Querseiten 23 mit der Breite 11 begrenzt. Es ist von einem engmaschigen Netz
von Düsenlöchern 3 bedeckt, die mit ihren senkrecht zur Düsenplatte 26 stehenden
Achsen diese (26) in den Schnittpunkten 12 eines regelmäßigen Gitters durchstoßen.
Die einzelnen Gitterfelder 15 bzw. 27 sind jeweils deckungsgleich; sie können Rechtecke
15 oder Parallelogramme 27 sein, deren in Längsrichtung 4 verlaufende Seiten 13
länger sind als die in Querrichtung 5 zeigenden Seiten 14. In einer besonderen Ausbildungsform
liegt das Verhältnis der Lochabstände a in Längsrichtung 4 zu den Lochabständen
b in Querrichtung 5 in einem Bereich, der a durch die Beziehung 1, 2 # b # 5 bestimmt
ist und vorzugsweise einen Wert von 2 bis 3 hat. Die Mindestlochabstände sind in
den Querreihen 14 des Lochfelds 1 größer als das 1,5-fache des Lochdurchmessers
2, woraus in Verbindung mit der vorhergehend angegebenen Beziehung für den Mindestlochabstand
in Längsrichtung 4 ein Wert von 1,8 Lochdurchmesser 2 folgt.
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Als ein wesentlicher Faktor für die Vermeidung oder doch Verringerung
des Phänomens der sog. Zwiebelbildung, einer rel. starken Vergrößerung des Durchmessers
der austretenden Schmelze unmittelbar am Lochausgang, hat sich ein rel.
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großer Wert für das Verhältnis der Düsenlochlänge 1 zum Lochdurchmesser
D gezeigt. Er liegt erfindungsgemäß bei einem Mindestwert über 5 und vorteilhaft
in dem durch die Beziehung 7 i; ~ = 20 bestimmten Bereich. Bei einer durch die Fig.
6 angedeuteten Ausführungsform ist der Durchmesser 2 über seine ganze Länge 16 gleichbleibend,
so daß sie mit der Dicke der Düsenplatte im Bereich des Loch feldes 1 über einstimmt.
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Die Figuren 4 und 5 zeigen in stark vereinfachter Darstellung eine
Weiterbildung der Erfindung in Form einer mit einer erfindungsgemäßen Spinndüse
28 und einer Anblasung 20 bzw.
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20 und 21 ausgestatteten Spinnvorrichtung, die mit 18 angedeutet ist.
Die aus der Oberfläche 26 der Spinndüse 28 austretenden Filamente 19 werden etwa
in Höhe der Präparationswalze 29 gesammelt und zur Weiterverarbeitung weitergeführt.
Sie bilden im Bereich unmittelbar unter der Düsenoberfläche 26 infolge der weiter
oben beschriebenen und in den Figuren 2, 3 und 5 angedeuteten Anordnung der Düsenlöcher
3 ein Gitterwerk (15 in Fig. 5), das aus den breiteren Kanälen 17 in Querrichtung
5 und den engen Abständen 7 bzw. 9 zwischen den in Längsrichtung 4 verlaufenden
Lochreihen 13 gebildet ist. Die Anblasrichtung (horizontale Komponente) 24 stimmt
bei beiden beschriebenen Gitterformen 15 und 27 praktisch mit dem Verlauf der in
Querrichrun7 5 verlaufenden breiteren Kanäle 17 überein.
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Es hat sich gezeigt, daß im allgemeinen die in einem Winkel 25 zwischen
ca. 5° und 400 von der Ebene durch die Düsenoberfläche 26 abgeschwenkte und mit
dem Anblasstrom symme
trisch zur in Längsrichtung 4 verlaufenden
Mittelachse des Lochfeldes 1 gegen dieses gerichtete Anblasung 20 zur Gewährleistung
eines reibungsfreien Betriebsablaufes genügt.
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2 Insbesondere bei höheren Lochdichten über ca. 110 je cm Fläche des
Lochfeldes hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, eine zweite Anblasung 21
so anzuordnen, daß ihr in der Projektion auf die Düsenplatte 26 mit dem der Anblasung
20 gleichgerichteter Anblasstrom entlag der Düsenplatte 26 und im wesentlichen parallel
zu dieser verläuft.
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Das nachfolgende Beispiel einer erfindungsgemäßen Schmelzspinnvorrichtung
soll das Wesen der Erfindung weiter verdeutlichen.
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Beispiel: Die Spinndüsenplatte hat 40 756 Düsenlöcher, die 2 auf einem
an den Ecken abgerundeten Lochfeld 1 von 302 cm Fläche angeordnet sind. Das Verhältnis
der Lochabstände a in den Längsreihen 13 des Lochfeldes 1 zu den Lochabständen b
in den Querreihen 14 des Lochfeldes 1 hat den Wert =2 b . 2. Die spezifische Lochzahl
beträgt etwa 135 Düsen-2 löcher 3 pro cm der Fläche des Lochfeldes. Das Verhältnis
der Länge (10) zur Breite (11) des Lochfeldes 1 hat L den rechnerischen Wert LB
= 10 und das Verhältnis der Länge 16 der durchgehenden Düsenlöcher 3 zu deren Lochdurchmesser
betrug D = 10. Die Blastiefe war gleich der effektiven Gitterbreite. Die Anblasung
erfolgte aus zwei Vorrichtungen mit Luft von 150C. Ein Blasstrom war parallel zur
Düsenplattenoberfläche auf den Bereich unmittelbar unterhalb der Düsenplatte 28,
der andere in einem Winkel von 300 zur Düsenplattenoberfläche auf diese gerichtet.
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Das Spinnergebnis war während des über mehrere Stunden laufenden Versuchs
durchgehend gut; Fadenverklebungen waren weder in den Längs- noch in den Querreihen
zu beobachten, obwohl der rechnerische Zwischenraum zwischen benachbarten Fäden
der Querreihen nur das 1,3-fache des Lochdurchmessers D betrugt. Ebenfalls waren
keine Anzeichen von Zwiebelbildung zu beobachten. Es zeigte sich, daß unter den
angegebenen Bedingungen die spezifische Lochzahl gegenüber dem Stand der Technik
praktisch mehr als verdoppelt werden konnte, ohne daß die nach gängiger Vorstellung
zu erwartenden Störungen auftraten.
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BEZUGSZEICHENAUFSTELLUNG 1 Lochfeld 2 Lochdurchmesser D 3 Loch, Düsenloch
4 Längsrichtung (Pfeil) 5 Querrichtung (Pfeil) 6 Lochabstand (a) 7 Lochabstand (b)
8 Reihenabstand (längs) 9 Reihenabstand (quer) 10 Länge, Lochfeldlänge (L) 11 Breite,
Lochfeldbreite (B) 12 Schnittpunkt 13 Längsreihe, Lochreihe 14 Querreihe, Lochreihe
15 Gitterfeld, Gitter 16 Lochlänge (1) 17 Querkanal, Anblaskanal 18 Spinnvorrichtung
19 Filamente 20 Anblasung, Schräganblasung 21 Anblasung, parallelanblasung 22 Lochfeldseite
(lang) 23 Lochfeldseite (kurz) 24 Anblasrichtung 25 Anblaswinkel 26 Düsenplatte
27 Gitterfeld 28 Spinndüse 29 Präparationswalze