用于制造拉伸的塑料丝的拉伸设备和方法 技术领域 本发明涉及用于制造拉伸的塑料丝的拉伸设备和方法，该拉伸设备包括一纺丝装置和一气流牵拉装置，其中，具有单纤维纤度大于1分特(dTex)的熔融纺丝的长丝在纺丝装置的后方至少被冷却到固化温度并借助于一气流牵拉装置被拉伸，以便制造塑料纱线、短纤维或非织造织物。
背景技术 通过熔融纺丝制造塑料丝基本上包括三个工艺步骤。首先聚合物借助于一挤压机使之熔融，紧接着借助于一设有许多毛细孔的纺丝喷嘴或更多个纺丝喷嘴完成长丝的纺丝。最后完成挤压纺丝的长丝的拉伸，以便缩小塑料丝或纤维的横截面以及改变其机械性能。挤压纺丝的长丝的横截面的缩小是为工业的和纺织的应用的一个基本的先决条件。
长丝的拉伸借助一牵拉装置以机械的方法通过导丝盘或以气流的方法通过一喷嘴来完成。
与结合成一整体的气流的或机械的牵拉装置的型式无关，在高的纺丝速度下，即高于3500m/min时，在一单级的设备上挤压纺丝的长丝的机械性能如强度和弹性模量明显地不如以较低的纺丝速度即低于3500m/min挤压纺丝的长丝的机械性能，后者在一附加的工艺步骤中经过了后拉伸。
虽然在单级的方法中高的纺丝速度相对于较低的纺丝速度有助于改善机械性能，但同时在长丝本身内产生长丝外表面与内部之间的结构差，相对于后拉伸的长丝，这种结构差降低了长丝的强度或弹性模量。
US 2 604 667说明了通过采用至少为4700m/min的牵拉速度制造定向的纱线而没有用于后拉伸的专用拉伸装置。这种高速度是必要的，以便获得较高的强度。如果降低该速度，则生产的长丝具有高的延伸率。为了达到这样的牵拉速度，可以采用一些驱动辊或一个喷气嘴。US 2 604667主要论述纱线的制造，但也提到在采用一喷气嘴作为牵拉装置时的短纤维的制造，以及为了由挤压纺丝的延续长丝制造纺粘型非织造织物而采用的牵拉装置的在音速至超音速范围内进行操作的气流喷嘴。许多个固化的长丝总是借助于一储存装置的喷嘴被供给用于制造纺粘型非织造织物。通过空气摩擦施加在长丝上的力能够调节牵拉速度从而影响长丝的机械性能。其中显示出，对长丝的性能的影响有一定的限度。虽然通过由喷嘴输送的空气的压力的提高实现牵拉速度的提高，但几乎没能进一步提高强度和进一步减小延伸率。
由DE-OS 2 117 659已知一种方法用以通过合成的线型聚合物的单丝的熔融纺丝制造纱线和纤维，其以达3500m/min的牵拉速度进行操作。牵拉速度通过一对导丝盘的速度进行预定。为了影响延伸率在一纺丝喷嘴与牵拉导丝盘之间设置一加热装置，在其中，将一由50根长丝组成的塑料纱线加热到固化点以上和熔融温度以下地温度，借此使拉伸比达到1∶2。此外，提到由具有细的单纤维纤度和特别匹配的强度与延伸率的长丝制造纺粘型非织造织物，但没有更详细地描述。
在DE-OS 29 25 006中论及拉伸一方面对强度的影响和另一方面对延伸率和收缩率的影响。其谈到长丝通过拉伸得到一较高的强度，同时减小了延伸率和收缩率。通过采用容易烧热的加热装置直接与长丝接触达到比DE-OS 2 117 659更高的牵拉速度从4100至6000m/min。
为了用熔融纺丝法制造聚合物的，特别是聚酰胺、聚酯或聚丙烯的塑料纤维，由DE 40 21 545已知一种设备，其包括至少一个纺丝喷嘴、一纺丝甬道、一加热甬道、一上油装置、多个导丝盘和一纱筒装置，其中具有一产生加热甬道的逆流的喷气装置，例如喷气嘴。利用该设备可以制造全拉伸的塑料纱线或纤维，其中各个纤维或长丝的单纤维纤度小于1分特(dTex)。在该设备上和按照这个方法生产全拉伸的塑料纱线而没有后处理，其可以加工成一特别细的和柔顺的织物。没有说明该设备对较高的纤度范围是否具有足够的拉伸性能。
文件DE-A 197 05 113公开了同一类型的设备和方法用以制造拉伸的塑料丝，在其加热装置中，以加热介质流的逆流加热塑料丝。
发明内容 本发明的目的在于，提供一种设备和方法，其在加热装置的长度方面可以比已知的设备和方法具有更为紧凑的结构形式并且适合于制造具有大于1分特的纤度的拉伸的塑料丝，以及生产出具有较高强度和降低的延伸率的长丝。
按照本发明，拉伸设备具有在纺丝装置与牵拉装置之间设置的加热装置。加热介质在其中将塑料丝加热到在其玻璃温度与熔融温度之间的一个温度。
在该设备上可以为工业的或纺织的应用通过单股纺丝或复合纺丝(双层的、分段的、共轴的等)制造热塑性塑料的，例如聚酯(PES)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)等的延续长丝。决定性地改善了通过熔融纺丝制造的长丝的机械性能，特别是在相同纤度情况下关于长丝以及由其制造的非织造织物的抗断强度、延伸率、弹性模量和热收缩率等方面的机械性能。
优选，加热介质以5至50m
3/h的流量输入到加热装置内并且产生0.05至1.0巴的静态超压。
有利的是，拉伸设备中的加热装置为一红外线加热装置。
静态超压在按照本发明的拉伸设备中为0.1至0.5巴。
优选，将5至50m
3/h的蒸汽作为加热介质输送给拉伸设备。
加热装置可以用热空气或另一种热的优选中性气体，但也可以用掺有添加剂的气体混合物，特别是蒸汽来进行操作。空气加热到位于玻璃温度与熔融温度之间的一个温度。
通过长丝进入加热装置的入口速度与长丝进入牵拉装置的入口速度间的差值限定拉伸。
意外地发现，拉伸的结果与加热介质的流向无关。
在一有利的进一步构成中，可以设置一些用于制造纺粘型非织造织物的装置。这些装置使通过气流牵拉装置输送的塑料丝的储存量成为一平面的产物，即平面的纺粘型非织造织物，其中对于塑料丝不需要其他的机械输送装置。在采用本发明的设备和方法时对分段的复丝接着优选通过一液力处理装置分成或裂成其单丝，意外的是在同样的能量消耗时提高了分解或裂开率，或者说在复丝的同样的分解或裂开率时降低了其需要的能量消耗。此外，与现有技术相比可以缩短加热装置的长度。
拉伸设备还可以补充以用于生产短纤维的装置，其中将塑料丝切成短纤维。这些纤维特别适用于制造非织造织物。
此外，本发明还涉及一种用于制造拉伸的塑料丝的方法，其中熔融纺丝的长丝在纺丝装置的后方至少被冷却到固化温度并借助于气流牵拉装置被拉伸并且接着在一加热装置中加热以便拉伸，其中为了拉伸，长丝在加热装置中被加热到在其玻璃温度与熔融温度之间的一个温度。
优选，按照本发明的方法，在加热装置中，加热到固化点以上的温度的一种气态加热介质以20至50m
3/h的流量对长丝进行吹气，所述加热介质产生0.05至1.0巴的静态超压。借此塑料丝在具有较小的延伸率的情况下具有较高的强度。
按有利的方式通过垂直于垂直运动的长丝设置的红外线加热装置进行加热。
这些长丝不需要进一步的后拉伸并且该方法能够在比至今较低的牵拉速度下进行操作。
优选，该方法这样操作，即在加热装置与牵拉装置之间按1.1至1.5的拉伸比完成一次后拉伸。
此外，当长丝受在100℃至350℃的温度范围内吹气时是有利的。蒸汽加热介质的体积流量在5m
3/h至50m
3/h之间。
为了达到强度和延伸率的明显改善，当使长丝以2000m/min至4700m/min的牵拉速度通过加热介质流时是足够的。即使在更高的速度下仍能改善性能。
利用该方法可以影响待制造的塑料丝的性能。因此，能够将加热介质流量及其温度调节成使纱线延伸率达到小于60％，或者将长丝的牵拉速度、加热介质流量及其温度调节成使在同样的牵拉速度下达到后拉伸的长丝的抗拉强度比一次拉伸的长丝相对提高至少20％，其中优选长丝的抗拉强度达到至少32厘牛顿/特(cN/Tex)，特别优选达到34至45厘牛顿/特，或将加热介质流量及其温度调节成使热空气收缩率最高达到6％(180℃时15分钟)。当采用材料PES时特别是如此。
此外，有利的是将长丝的牵拉速度、加热介质的体积流量及其温度调节成使从弹性变形区向塑性变形区的转变只在提高至少20％的力的作用下实现。
虽然长丝已受高的拉伸，仍可能使长丝接着继续拉伸或在一分开的操作级中再次后拉伸。
作为另一工艺步骤，为了生产非织造织物，可以将塑料丝落在一衬底上或为了制造短纤维将其切断，其中切断的诸长丝可以装入另一操作程序中以便加工。
特别有利的是将塑料丝用于制造一非织造织物，其中诸长丝具有至少32厘牛顿/特(cN/Tex)的抗拉强度和小于60％的延伸率。为了制造一纺粘型非织造织物，可以将塑料丝作为延续纱线落纱，为了制造粘合纤维网可以使用由所述操作得到的短纤维。
此外有利的是将塑料丝用于制造纱线，其中诸长丝具有至少32厘牛顿/特(cN/Tex)的抗拉强度和小于60％的延伸率。在这种情况下纱线由延续的塑料丝制成或由短纤维纺成。
附图中示意地示出用于制造拉伸的塑料丝的拉伸设备。其中：
图1a示出设备的主要部件；
图1b示出另一具有不同的加热装置的模式；
图2示出按照本发明的与传统的系统相比较的丝束速度的分布图；
图3示出各种机械性能的特征曲线。
图1a和1b中所示用于制造拉伸的塑料纤维的拉伸设备包括一纺丝装置1，按已知的方式给其输送熔融的塑料。通过在纺丝装置1中设置的纺丝喷嘴排出一组与纺丝喷嘴内的孔的数目相同数目的长丝2，它们共同形成一丝速3。通常达400根长丝合并为一个丝束。在从纺丝喷嘴排出以后，长丝2被冷却到固化温度以下，其中可以设置一附加的冷却装置4。在这种情况下在单个长丝内形成结晶的和非结晶的区域。
冷却过的长丝2这时被送入加热装置5并在那里成丝束，从而通过加热装置5实现平行分布。加热装置5具有加热甬道6，其中输入加热介质8，特别是蒸汽。加热介质8的流向可以沿丝束3的流向或其逆流方向进行。
在到加热甬道6的一定距离处设置牵拉装置10，利用牵拉装置10对丝束3施加一拉力。这按气流方法通过一文丘里(Venturi)喷嘴11实现，其中输入高压空气12，从而在最狭的横截面上达到音速并且在继续的过程中超过音速。
由牵拉装置10排出的丝束3可以按已知方式加工成一根塑料纱线，丝束可以被切断以便生产短纤维或用于制造一纺粘型非织造织物。后者例如描述于FR 74 20 254中。
图2中示出对于不同的设备或方法关于挤压纺丝的长丝的速度分布图。在通常的条件下，即长丝在一级中和高速下的直接挤压纺丝和拉伸，其中牵拉速度为6000m/min，长丝由于沿纵向方向和横向方向的很高的速度梯度经历着脉冲状的冷却，见曲线A。沿纺丝流程，速度梯度大于2×10
4I/S，并且冷却速度的数量级为26000℃/S。这种极端的条件导致长丝中在其外表面与芯部之间的不同的异质结构。与在多级工艺步骤中的后拉伸长丝相比，这导致了规定的机械性能的降低。
速度降低到4400m/min，牵拉速度明显地降低速度梯度和冷却速度，正如由曲线B可看出的。不过也降低断裂载荷和提高断裂延伸率。
为了即使在有利的低牵拉速度下得到高的断裂载荷和低的断裂延伸率，采用双级机械工艺步骤，其具有一包括一高速度梯度的第一区域和一包括一高速度梯度的第二区域。这种情况以曲线C示出。
通过在纺丝喷嘴与牵拉装置之间采用本发明的加热装置，在牵拉速度为4400m/min时达到曲线D所示的分布。在加热装置5的长度L上进行超过固化点加热的长丝的后拉伸。
表1中对比了对于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的不同的质量通量设有和没有加热装置时的不同的试验结果，其中PET的熔点为256℃而在290℃时的粘度为190帕·秒(Pa·s)。
在第一试验设置T中，采用了一个由纺丝装置1和牵拉装置10组成的拉伸设备来制造长丝。
第二试验设置V不同于第一的在于，在纺丝装置1与牵拉装置10之间设有本发明的加热装置5，诸长丝在其中被加热到高于固化温度但未达到溶融温度的一个温度。
对于两试验设置的试验一方面以每一纺丝喷嘴的毛细孔的质量通量为0.9g/min(T1、V1.1、V1.2)而另一方面以每一纺丝喷嘴的毛细孔的质量通量为0.56g/min(T2、V2)来进行。
在比较在第一试验系列中制造的长丝的主要性质时，首先注意到在试验V1.1和V1.2中的长丝的牵拉速度明显低于T1中的。这种情况可以这样来解释，即在加热装置中的摩擦力没有被牵拉装置中的压力升高完全平衡。因此在这里将两个以同一牵拉速度按照两个试验设置T、V制造的长丝的主要性能进行比较是不可能的。
但人们看到，虽然牵拉速度从4800m/min降到3300m/min，但强度从30.5厘牛顿/特(cN/Tex)提高到40cN/Tex而延伸率从72％降到55％(T1和V1.2)。因此，为了生产高强度的长丝，在中等的牵拉速度范围内进行操作是可能的。在具有加热装置的试验设置中，速度提高到4000m/min导致了再次的改善，使强度从40cN/Tex提高到56cN/Tex而使延伸率从56％降到40％(V1.2相对于V1.1)。
在第二试验系列V2、T2中，标定每个细孔的聚合物质量通量为0.56g/min。同样在较细的纤度范围内牵拉速度降低。强度以显著的程度改善，从26cN/Tex提高到38cN/Tex而延伸率也从82％明显降到48％。
表1
试验 V1.1 V1.2 T1 V2 T2
质量通量，聚合物/细孔(g/min细孔) 0.90 0.90 0.90 0.56 0.56
纤度(dTex) 2.2 2.7 1.9 1.8 1.3
牵拉速度(m/min) 4000 3300 4800 3100 4300
强度(cN/Tex) 40 43 30.5 38 26
延伸率(％) 56 45 72 48 82
分裂率(％) 98 100 85 99 85
热收缩率(％)(180℃，15分钟热空气) 4.0 4.0 4.5 5.0 5.5
图3中汇总了由试验T1、V1、V1.1、V1.2、T2和V2生产的长丝的力—延伸率分布曲线。人们看到加热装置不仅对强度也对延伸率的特别大的影响。特别重要的是在力高于10cN/Tex的范围内延伸率的显著改善。改善的长丝可以承受明显更高的载荷而不得到过度的延伸率。这样的性能甚至在以较低的牵拉速度按照V1.2或V2制造的长丝中还以显著的程度上显示出来。
从约300℃热的纺丝装置中排出的长丝通过室温下的空气的绕流实现冷却，在加热装置中，用体积流量在20与30m
3/h之间的蒸汽将长丝加热到270-300℃。当然，对于聚烯烃，气态流体8的温度必须按照各自的熔融温度进行匹配。此外，在气态流体8方面的质量通量取决于待拉伸的长丝数量、采用的某种聚合物或多种聚合物、拉伸率及在纺丝装置1与加热装置5之间的预拉伸。
长丝由于其改善的机械性能特别适用于制造非织造织物，其中作为材料考虑聚酯如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)，聚酰胺如聚酰胺6(PA6)、聚酰胺6.6(PA6.6)、聚酰胺11(PA11)、聚酰胺4.6(PA4.6)或聚烯烃如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或其共聚物。长丝也可以由多种不同的材料制造，此时采用已知的纺丝技术。