Die Prozessbedingungen beim Spinnen bestimmen die Faserveränderungen während des Formgebungsprozesses

Die Prozessbedingungen beim Spinnen bestimmen die Faserveränderungen während des Formgebungsprozesses und haben maßgeblichen Einfluss auf die Spinnbarkeit, Struktur und Eigenschaften des aufgewickelten Garns sowie die Eigenschaften des fertigen Garns. Die Eigenschaften des fertigen Garns werden daher stark von diesen Bedingungen beeinflusst.

01 Schmelztemperatur (Tm)

Die Schmelztemperatur, auch Spinntemperatur genannt, muss ordnungsgemäß kontrolliert werden, um eine gute Spinnbarkeit und hervorragende physikalische und mechanische Eigenschaften des fertigen Garns zu gewährleisten. Die Schmelztemperatur sollte die Chips vollständig schmelzen und gleichzeitig einen starken thermischen Abbau der Polyester-Makromoleküle verhindern. Daher wird für Chips mit einer charakteristischen Viskosität im Bereich von 0,64 bis 0,66 im Allgemeinen empfohlen, die Schmelztemperatur zwischen 285 und 290 °C zu kontrollieren. Bei Temperaturen über 300 °C kommt es zu einem schnellen thermischen Abbau der Polyester-Makromoleküle. Innerhalb des oben genannten Temperaturbereichs nimmt die Fließviskosität der Schmelze mit zunehmender Temperatur allmählich ab, was zu einer verbesserten Gleichmäßigkeit und rheologischen Eigenschaften führt und dadurch die Spinnbarkeit verbessert.

Der Vororientierungsgrad des aufgewickelten Garns (Doppelbrechungsindex n) nimmt ab, die Querschnittsgleichmäßigkeit nimmt ab und auch die Spinnspannung nimmt ab. Das maximale Dehnungsverhältnis und das natürliche Dehnungsverhältnis des aufgewickelten Garns erhöhen sich. Nach der Verstreckung zeigen auch Festigkeit und Dehnung des verstreckten Garns einen steigenden Trend. Daher kann die Temperatur so hoch wie möglich gehalten werden, solange die Schmelzviskosität nicht wesentlich abnimmt.

Allerdings sollte die Schmelzetemperatur nicht zu hoch sein. Zu hohe Temperaturen können den Abbau von Polyester-Makromolekülen verstärken, was zu einem verringerten oder schwankenden Schneckendruck führt, was unter anderem zu Schwankungen des Fasererstarrungspunkts, erhöhter Unebenheit im Faserband und höheren Ungleichmäßigkeitsraten beim Färben führen kann. Darüber hinaus kann es zu mehr Filamenten aus dem Einspritzkopf, mehr Flusen und abgebrochenen Enden beim Aufwickeln sowie zu einer übermäßigen Dehnung des Endprodukts kommen. In schweren Fällen können die extrudierten Filamente diskontinuierlich erscheinen und sich nicht richtig aufwickeln lassen.

Auch die Schmelzetemperatur darf nicht zu niedrig sein. Wenn die Temperatur zu niedrig ist, erhöht die übermäßige Viskosität die Scherspannung der Schmelze in der Spinndüse, was zum Bruch der Schmelze und zu einer schlechten Spinnbarkeit führt. Wenn die Temperatur unter 280 °C liegt, sind sowohl die Festigkeit als auch die Dehnung der gesponnenen Filamente gering. Diese Art von Filament wird als schwaches Filament bezeichnet, das beim Dehnen dazu neigt, Flusen und abgebrochene Enden zu bilden, was den Betrieb erschwert.

In tatsächlichen Produktionsprozessen schwankt die Schmelzetemperatur häufig, was leicht zu Farbunterschieden in den Fasern führen kann. Die Temperaturschwankung wird im Allgemeinen innerhalb eines Bereichs von ±1 °C kontrolliert. Es ist zu beachten, dass unterschiedliche Eigenschaften von Polyesterchips unterschiedliche Grenzviskositäten und Schmelzpunkte aufweisen, sodass auch der gewählte Schmelztemperaturbereich entsprechend unterschiedlich sein sollte. Im Allgemeinen sollte sich die Schmelzetemperatur bei einer Änderung der Grenzviskosität von ±0,1 entsprechend um ±10 °C ändern.

Die Eignung der gewählten Schmelzetemperatur kann nicht nur anhand der Betriebsbedingungen beim Spinnen und Strecken sowie der Qualitätsindikatoren des fertigen Garns beurteilt werden, sondern auch durch die Beurteilung des Viskositätsabfalls des ölfreien Garns. Ein Δn von weniger als 0,04 mit minimalen Schwankungen ist wünschenswert.

Die Temperatur der Schmelze lässt sich über die Temperaturen des Schneckenextruders und der Spinnbox steuern. Darüber hinaus sollten auch die Auswirkungen der Reibungswärmeerzeugung berücksichtigt werden. Basierend auf den grundlegenden Funktionen der Schnecke kann diese in den Einzugsteil, den Kompressionsteil und den Dosierteil unterteilt werden. Im praktischen Einsatz kann die Schnecke zur Erleichterung der Temperaturregelung in mehrere Heizregelzonen unterteilt werden.

02 Schneckenextrusionsdruck

Unter Schneckenextrusionsdruck versteht man den Schmelzedruck am Auslass des Schneckenextruders, der durch Drucksensoren gemessen und gesteuert wird. Der Schneckenextrusionsdruck dient dazu, den Widerstand der Schmelze in Geräten wie Rohren und Mischern zu überwinden und sicherzustellen, dass am Eingang der Dosierpumpe ein bestimmter Schmelzedruck herrscht.

Laut Literaturberichten muss der Pumpeneinlassdruck 2 MPa erreichen, damit die Dosierpumpe genau messen und ausgeben kann; Andernfalls kann es zu einer unzureichenden oder schwankenden Pumpenversorgung kommen, wodurch das gesponnene Garn dünner oder ungleichmäßiger wird.

Am Beispiel der Spinnmaschine VC406A beträgt der Rohrleitungswiderstand beim Spinnen von 167-dtex-Filamenten mit einer Geschwindigkeit von 1000 m/min 2,6 MPa, und für die normale Produktion sind an der Spinnmaschine mindestens 4,6 MPa Schneckenextrusionsdruck erforderlich.

In der tatsächlichen Produktion ist es notwendig, den Druck zwischen 6,5 und 7,5 MPa zu kontrollieren. Obwohl ein höherer Schneckenextrusionsdruck für das Spinnen von Vorteil ist, erfordert ein zu hoher Druck eine schnellere Schneckenrotation, was den Rückfluss der Schmelze innerhalb des Extruders erhöht und den Energieverbrauch erhöht. Wenn der Druck den Drucktoleranzbereich des Geräts überschreitet, kann es zu Unfällen kommen.

03 Pumpenversorgungsvolumen

Unter Pumpenfördervolumen versteht man die pro Zeiteinheit von der Dosierpumpe geförderte Schmelzemasse. Die Größe des Pumpenfördervolumens hat direkten Einfluss auf die Dicke des gesponnenen Garns. Das Fördervolumen der Pumpe kann rechnerisch ermittelt und anschließend an die tatsächlichen Bedingungen angepasst werden. Die Berechnungsformel lautet wie folgt:

Q = DRV/(l0000 K)

In der Formel ist Q das Pumpenfördervolumen (g/min), D die Dichte des fertigen Garns (dtex), R das Streckverhältnis, v die Spinngeschwindigkeit (m/min) und K der Faserkontraktionskoeffizient (üblicherweise mit 1,05 bis 1,10 angenommen). In der tatsächlichen Produktion wird die Fördermenge der Pumpe nicht direkt gesteuert; Stattdessen wird dies durch die Steuerung der Drehzahl der Pumpe erreicht. Die Drehzahl der Pumpe lässt sich nach folgender Formel berechnen:

N=Q/γηC

In der Formel: n ist die Drehzahl der Dosierpumpe (U/min), Q ist das Fördervolumen der Pumpe (g/min), γ ist die Schmelzdichte (g/cm³), η ist der Wirkungsgrad der Dosierpumpe (im Allgemeinen 98 %) und C ist die Förderleistung der Dosierpumpe (cm³/U).

Die zulässige Drehzahl einer allgemeinen Dosierpumpe beträgt 15 bis 40 U/min, der optimale Bereich liegt bei 20 bis 30 U/min. Liegt die berechnete Drehzahl außerhalb dieses Bereichs, kann sie durch Änderung der Spezifikationen der Dosierpumpe angepasst werden

04 Komponentendruck

Der Komponentendruck dient dazu, den Widerstand zu überwinden, den die Schmelze beim Durchgang durch die Filterschicht und die Spinndüsenlöcher erfährt, und steht in engem Zusammenhang mit der Gleichmäßigkeit der Faserqualität.

Beim Hochdruckspinnen liegt der Komponentendruck zwischen 9,8 und 24,5 MPa, was zu einer besseren Qualität des aufgewickelten Garns führt. Mit zunehmender Nutzungsdauer des Bauteils sammeln sich nach und nach Verunreinigungen in der Filterschicht an, was zu einem zunehmenden Widerstand und einem kontinuierlich steigenden Bauteildruck führt. Beim Komponentendruck berücksichtigt der Prozess hauptsächlich den Anfangsdruck und die Druckanstiegsrate.

Der Anfangsdruck bezieht sich auf den Druck, der 30 Minuten nach der Stabilisierung der neuen Komponente während des Schleuderns gemessen wird, auch Startdruck genannt. Sie hängt von der Zusammensetzung der Filterschicht, der Pumpenleistung, der Schmelzetemperatur und der Viskosität ab und wird im Allgemeinen zwischen 9,8 und 14,7 MPa eingestellt.

Die Druckanstiegsrate bezieht sich auf den Grad des Anstiegs des Komponentendrucks pro Zeiteinheit (Stunde oder Tag) bei normalem Gebrauch. Die tägliche Druckanstiegsrate sollte weniger als 6 % betragen. Ein schneller Druckanstieg kann die Lebensdauer des Bauteils verkürzen. Erreicht der Bauteildruck maximal 30 MPa, muss es ausgetauscht werden. Eine weitere Verwendung kann zur Beschädigung der Dosierpumpe, zur Verformung der Spinndüsenplatte oder zum Austreten von Material führen.

05 Kühllufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit

Beim Spinnen von Filamenten wird im Allgemeinen das Seitenblasen mit drei Hauptparametern verwendet: Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit (Luftvolumen). Hinzu kommt die Windgeschwindigkeitsverteilung auf der Oberfläche des Seitenfensters.

Die Kühlblastemperatur liegt zwischen 20 und 30 °C. Wenn die Schleudergeschwindigkeit steigt, sollte die Lufttemperatur entsprechend gesenkt werden, um die Abkühlung zu beschleunigen. Derzeit wird üblicherweise eine Temperatur von 28°C verwendet.

Der Kühlstrom sollte eine bestimmte Luftfeuchtigkeit aufweisen, um statische Elektrizität zu verhindern, die durch die Reibung der Filamente mit trockener Luft im Kanal entsteht, und so das Wackeln und Springen der Filamente zu reduzieren. Es trägt außerdem dazu bei, eine konstante Innentemperatur aufrechtzuerhalten, indem es die Wärmeübertragung erleichtert und die Kühlung der Filamente verbessert. Darüber hinaus beeinflusst es die Kristallinität, Dehnung und Feuchtigkeitsaufnahme der Filamente. Eine relative Luftfeuchtigkeit zwischen 65 % und 80 % ist akzeptabel, normalerweise wird sie auf etwa 70 % kontrolliert.

Die Windgeschwindigkeit (Luftmenge) hat einen erheblichen Einfluss auf die Vororientierung (Doppelbrechung) und das Dehnungsverhältnis des aufgewickelten Garns. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit nimmt die Doppelbrechung des aufgewickelten Garns ab, während das Kaltdehnungsverhältnis zunimmt. Dies ist auf bessere Kühleffekte bei höheren Windgeschwindigkeiten zurückzuführen, die den Erstarrungspunkt in Richtung Spinndüse verschieben, die Verformungszone verkürzen und den Streckorientierungseffekt auf die Schmelze vor der Erstarrung abschwächen.

Darüber hinaus können höhere Windgeschwindigkeiten die Gleichmäßigkeit des Farbstoffs verbessern und Schwankungen in der linearen Dichte verringern und gleichzeitig Störungen durch Luftströmungen im Freien abschwächen. Wenn die Windgeschwindigkeit jedoch ein bestimmtes Maß überschreitet, kann es dazu kommen, dass die Filamente zittern und turbulent werden, was den Kühleffekt auf der Spinndüsenoberfläche erhöht und möglicherweise zu einer Erhöhung der Variabilität der Produktqualitätsindikatoren führt. Die Kühlwindgeschwindigkeiten für Filamente unterschiedlicher linearer Dichte sind in der Tabelle aufgeführt.

Darüber hinaus muss die Windgeschwindigkeit stabil sein, da Schwankungen die Ungleichmäßigkeit des Filamentdurchmessers verstärken können. Diese Unebenheiten sind eine der Hauptursachen für Farbungleichmäßigkeiten und Schwankungen der Zugfestigkeit. Windgeschwindigkeitsverteilungskurven nehmen typischerweise drei Formen an: gleichmäßig linear, gekrümmt und S-förmig, wobei linear und gekrümmt am häufigsten vorkommen. Um die Temperatur der Spinndüsenoberfläche aufrechtzuerhalten, verfügen einige Aufbauten über eine Kühlzone innerhalb des Spinnfensters, wobei die untere Öffnung mit Asbestplatten isoliert ist. Bei der normalen Produktion ist es wichtig, die Dämmplatten richtig zu positionieren.

06 Wickelgeschwindigkeit

Die Wickelgeschwindigkeit ist ein wichtiger Faktor, der die Vororientierung des aufgewickelten Garns beeinflusst. Je höher die Wickelgeschwindigkeit, desto größer ist der Grad der Vororientierung, das spätere Streckverhältnis ist jedoch tendenziell geringer. Die Spindelproduktivität steigt zwar mit der Wickelgeschwindigkeit, jedoch nicht linear.

Unter optimalen Bedingungen sollte die Wickelgeschwindigkeit maximiert werden, da dies nicht nur die Produktionseffizienz steigert, sondern auch die Garnqualität verbessert. Den vorliegenden Daten zufolge liegt die optimale Spulgeschwindigkeit beim konventionellen Spinnen zwischen 900 und 1200 m/min.

Das Verhältnis der Aufwickelgeschwindigkeit zur Schmelzeausstoßgeschwindigkeit wird als Spinndüsenstreckverhältnis bezeichnet. Eine Erhöhung des Spinndüsenstreckverhältnisses führt zu einer Verringerung des nachfolgenden Streckverhältnisses. Das Spinndüsen-Streckverhältnis kann mit Gleichung (9-9) berechnet werden.

In der Gleichung stellt R′R'R′ das Streckverhältnis der Spinndüse dar, vvv ist die Aufwickelgeschwindigkeit (cm/min), γgammaγ ist die Schmelzdichte (g/cm³), ddd ist der Durchmesser des Spinndüsenlochs (cm), nnn ist die Anzahl der Spinndüsenlöcher und QQQ ist die Pumpenleistung (g/min).

07 Hin- und Herbewegungsfrequenz der sich quer bewegenden Garnführungsvorrichtung

Die Hin- und Herbewegungsfrequenz der sich quer bewegenden Fadenführervorrichtung bestimmt die Größe des Spulenwickelwinkels und beeinflusst die Wickelspannung, was sie zu einem Schlüsselfaktor für das Erreichen einer guten Wickelbildung macht. In der Produktion liegt der üblicherweise verwendete Wickelwinkel typischerweise zwischen 6° und 7°. Die Hin- und Herbewegungsfrequenz kann mit Gleichung (9-10) berechnet werden.

In der Gleichung stellt NNN die Hin- und Herbewegungsfrequenz (Zyklen/min) dar, αalphaα ist der Wickelwinkel (°), HHH ist der Fadenführungshub (m) und vvv ist die Wickelgeschwindigkeit (m/min).

Um eine schlechte Wicklungsbildung durch überlappende Garne zu verhindern, sollte die Hin- und Herbewegungsfrequenz der sich quer bewegenden Garnführungsvorrichtung periodisch variiert werden. Der Variationsbereich wird als Amplitude bezeichnet, während die Dauer der Variation als Periode bezeichnet wird. Die Amplitude wird typischerweise auf ±15 bis 25 Zyklen/Minute eingestellt, und die Periode liegt im Allgemeinen zwischen 15 und 25 Sekunden. Bei steigender Wickelgeschwindigkeit sollten sowohl die Amplitude als auch die Periode entsprechend reduziert werden.

08 Walzenrotation und Ölkonzentration

Die auf das aufgewickelte Garn aufgetragene Ölmenge bestimmt direkt den Ölgehalt des fertigen Multifilaments. Eine höhere Ölkonzentration und eine schnellere Walzenrotationsgeschwindigkeit führen zu einem erhöhten Ölauftrag. Die Menge des aufgetragenen Öls hängt von der Endverwendung des Garns ab: Bei gewebten Garnen beträgt sie 0,6 % bis 0,7 %; für Strickgarne 0,7 % bis 0,9 %; und für elastische Garne 0,5 % bis 0,6 %. Die Walzenrotationsgeschwindigkeit liegt typischerweise zwischen 10 und 20 U/min, bei einer Ölkonzentration von 10 % bis 16 %.

Um einen gleichmäßigen Ölauftrag zu gewährleisten, müssen Walzenrotationsgeschwindigkeit und Ölkonzentration aufeinander abgestimmt sein. Wenn die Ölkonzentration zunimmt und die Walzengeschwindigkeit abnimmt, hat das Öl bessere Spritz- und Diffusionseigenschaften, aber eine schlechtere Haftung. Wenn umgekehrt die Ölkonzentration sinkt und die Walzengeschwindigkeit zunimmt, werden die Spritz- und Diffusionseigenschaften schlechter, während sich die Haftung verbessert.

Das Spinnöl muss vor der Verwendung als Emulsion einer bestimmten Konzentration zubereitet werden. Das vorbereitete Öl sollte gleichmäßig sein und eine starke Transparenz aufweisen.