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Das Perlon-Spinnen
Die Polyamid-Schnitzel - eine spinnfähige Substanz
Bei der Herstellung von Reyon gehen wir von der Cellulose aus. Diese Cellulose ist völlig unlöslich,
sie läßt sich auch nicht durch Erhitzen schmelzen. Um sie verspinnen zu können, muß sie daher
chemisch umgewandelt werden in eine spinnfähige fadenziehende Masse: die Viskose. Die Rückverwandlung
des Viskose-Fadens in reine Cellulose erfolgt in einem Fällbad, also mit Hilfe eines neuen chemischen Prozesses.
Anders dagegen bei Perlon: hier haben wir bereits eine fertige spinnfähige Substanz vorliegen. Die Polyamid-Schnitzel
sind durch Abkühlen der im VK-Rohr gewonnenen zähflüssigen Polymerisat-Schmelze entstanden. Sie
lassen sich deshalb ohne Schwierigkeit durch Erhitzen wieder von dem festen Zustand in den zähflüssigen
überführen. Der Chemiker nennt die dafür erforderliche Temperatur "den Schmelzpunkt" oder
"den Umwandlungspunkt erster Ordnung". Sie beträgt bei Perlon ca. 215° C. Wir brauchen die Schnitzel
also nur auf eine höhere Temperatur als 215° C zu erhitzen, um eine Schmelze zu erhalten, welche, wenn
man sie durch Düsenlöcher preßt, direkt zu Fäden versponnen werden kann.
Was das Aufschmelzen bewirkt
Man kann die feste Perlon-Masse- oder richtiger: Polyamid-Masse (Perlon ist ja kein chemischer Begriff, sondern
ein eingetragenes Markenzeichen) - mit einem stark gepreßten Wattevlies vergleichen. Jedes einzelne Fäserchen
dieses Wattevlieses stellt sozusagen eine außerordentlich stark vergrößerte Form der fadenartigen
Makromoleküle in den Polyamid-Schnitzeln dar. Lockern wir den Zusammenhalt zwischen den einzelnen Fasern auf,
so wird es uns möglich, aus dem Wattevlies einzelne Fäden herauszuziehen. Durch das Aufschmelzen der
Polyamid-Masse wird in ähnlicher Weise der Zusammenhalt der Makromoleküle untereinander verringert, so
daß die Form des Körpers beliebig verändert werden kann.
Im Gegensatz zu den niedermolekularen Stoffen, die in geschmolzenem Zustand im allgemeinen wasserdünne Schmelzen
auf weisen, ist die aufgeschmolzene Polyamid-Masse außerordentlich zähflüssig, also viskos. Wenn
wir zu Silvester Blei schmelzen, so können wir aus dem Löffel das flüssige Blei heraustropfen lassen.
Ein zähflüssiger Faden
Versuchen wir das mit den Polyamid-Schnitzeln, so stellen wir fest, daß sich die Schmelze nicht in Form von
Tropfen aus dem Löffel gießen läßt. Beim Ausgießen wird sie vielmehr als zähflüssiger
zusammenhängender Faden herabfließen, ohne dabei abzureißen. Die langen fadenartigen Makromoleküle
besitzen demnach im geschmolzenen Zustand noch einen gewissen Zusammenhalt. Dieser Zusammenhalt äußert
sich in der Zähflüssigkeit der Schmelze, der Schmelzviskosität. Der Grad der Zähflüssigkeit
gibt uns, ähnlich wie bei der Viskose, einen Maßstab für die mittlere Größe der Fadenmoleküle.
Der Chemiker muß deshalb vor dem Verspinnen die Molekülgröße im Labor durch Messungen dieser
Viskosität laufend überprüfen, um eine immer gleichbleibende Qualität zu erhalten.
Das Wesen des Schmelzspinnverfahrens
Carothers hat seinerzeit seine ersten Nylon-Fäden hergestellt, indem er an die feste Nylon-Masse einen heißen
Glasstab hielt. Von dem heißen Glasstab wurde etwas Nylon aufgeschmolzen, welches er in Form eines Fadens
ausziehen konnte. Wir schmelzen heute unser Polyamid in großen Mengen auf und pressen es durch feine Düsen.
Nach dem Austritt aus der Düse erstarrt die zähflüssige Masse an der Luft in Form eines feinen Fadens.
Das ist mit wenigen Worten der Spinnvorgang.
Wir sehen, daß das Perlon-Spinnverfahren also ohne chemische Umwandlung, ohne Lösungen und ohne Fällbäder
arbeitet. Es ist praktisch nur die Umformung der Schmelze zu dünnen Schmelzefäden, die sich allein durch
Auskühlung an der Luft verfestigen. Wir brauchen dazu nur Wärme zum Aufschmelzen und Luft von Zimmertemperatur
zum Wiederabkühlen. Das Perlon-Spinnverfahren ist demnach ein "Schmelzspinnverfahren".
Es ist der gleiche Vorgang, wie wir ihn bei einem Glasbläser betrachten können, wenn er einen Glasstab
vor seine Gebläseflamme hält, einen kleinen Abschnitt davon bis zum Schmelzen erhitzt und durch Ziehen
an einem Ende des Stabes einen immer dünner werdenden Glasfaden abzieht.
Langwierige Entwicklungsarbeiten
Als die ersten schmelzbaren und fadenbildenden Polyamide in den dreißiger Jahren gefunden wurden, hatte die
Technik für sie noch kein geeignetes Schmelzspinnverfahren zur Verfügung, das man auf die neuen Substanzen
nur zu übertragen brauchte. Man wählte deshalb zunächst das einfache Verfahren, wie es der Glasbläser
beim oben angeführten Beispiel durchführt: das Stabschmelzverfahren und seine Variante, den Bandspinnkopf.
Diese bereits aufgegebenen Verfahren sollen hier nicht weiter erklärt werden. Wir arbeiten heute nach einem
anderen Verfahren, dem Rostspinnverfahren. Die ersten Fäden ähnelten dabei mehr Borsten als textilen
Gebilden. Es mußte ja auch erst in jahrelanger Arbeit und zahllosen Versuchen die günstigste Kettenlänge
der Makromoleküle ermittelt werden, die den Polyamid-Fäden die überragenden Festigkeitswerte verleihen.
Es war also kein Wunder, daß der erste, von Carothers aus seinem neuen Kunststoff, dem Nylon, hergestellte
Gebrauchsgegenstand, der ja den Wert seiner Erfindung beweisen sollte, nur eine Zahnbürste mit Nylon-Borsten
war. Die Forschungskosten, die bis zum Vorliegen dieses ersten sichtbaren Erfolges von der Firma DuPont de Nemours
aufgewendet waren, betrugen bereits weit über 1 Mill. Dollar. Es war deshalb für Carothers eine bis zur
Verzweiflung reichende Enttäuschung, als beim ersten Gebrauch, also bei der Vorführung, diese Zahnbürste
sofort unbrauchbar wurde und die Borsten zersplitterten. Es war noch ein mühevoller Weg, bis es Jahre später
gelang, einen textilen Faden aus den Polyamiden herzustellen, der sogar so hochwertig war, daß daraus stark
beanspruchte Gewebe, wie z.B. Fallschirme, hergestellt werden konnten.
Vieles ist zu beachten
Wenn wir heute in der Technik Polyamid-Schnitzel durch Aufschmelzen in textil - brauchbare Fäden umwandeln
können, so ist uns die Voraussetzung dazu nicht nur durch die konstruktive Ausbildung der komplizierten Apparaturen
gegeben. Vielmehr müssen wir dabei die Eigenarten der Perlon-Substanz berücksichtigen, wenn wir sie nicht
beim Spinnprozeß und seinen hohen Temperaturen wieder verändern oder zerstören wollen.
Kein zu hoher Feuchtigkeitsgehalt ...
Die Perlon-Substanz ist befähigt, bei Lagerung an der Luft eine geringe Menge Feuchtigkeit in sich aufzunehmen.
Bevor wir die Schnitzel schmelzen, müssen wir sie so weit trocknen, daß sie nicht mehr als 0,1 % Wasser
enthalten. Werden sie nämlich mit einem höheren Feuchtigkeitsgehalt aufgeschmolzen, so verdampft dieses
Wasser und es entsteht eine blasige Schmelze. Fäden aus einer solchen Schmelze wären mit Wasserdampfbläschen
durchsetzt, die bei der Weiterverarbeitung der Fäden Schwierigkeiten machen oder sogar schon beim Spinnprozeß
ein Abreißen des Fadens bewirken würden. Auch muß das Schmelzen der Polyamid-Masse unter striktem
Ausschluß von Luftsauerstoff erfolgen. Obgleich festes Perlon bei normaler Temperatur gegen Sauerstoff nahezu
unempfindlich ist, wird geschmolzenes Perlon bei den erforderlichen hohen Temperaturen
... und kein Luftsauerstoff !
von Luftsauerstoff sehr stark angegriffen, das heißt, die langen Kettenmoleküle werden teilweise in
kürzere Stücke aufgespalten und die gesamte Masse verfärbt sich gelb oder sogar braun. Wir erinnern
uns an den Aufbau des Kettenmoleküles aus Aminocapronsäure, die wir uns als Kabelschnüre mit je
einem Stecker, der Aminogruppe, und einer Steckdose, der Carboxylgruppe, vorstellten. Der Luftsauerstoff greift
die Amidgruppe an, verändert sie und zerstört damit den "Stecker". Die Folge ist ein Auseinanderfallen
der Verbindung. Wir haben dann in dem fertigen Faden nicht mehr Moleküle von der gewünschten Durchschnittslänge
(rd. 100 Caprolactam-Einheiten), sondern nur halb so große oder noch kleinere. Mit einem Wort: Es tritt ein
"Viskositätsabbau" ein. Außer dem Verfärben ergeben sich auch größere Schwierigkeiten
beim Spinnen. Sobald die Kettenmoleküle zu kurz werden, tritt die Spinnschmelze aus den Düsenöffnungen
nicht mehr in Form eines zähflüssigen zusammenhängenden Fadens aus, sondern dünnflüssig
und mitunter in Tropfen. Selbst geringe Mengen von Sauerstoff verändern die Polyamid-Masse so weitgehend,
daß die Fäden geringere Festigkeitswerte aufweisen würden. Bei den nachfolgenden Verarbeitungsprozessen,
insbesondere beim Strecken, könnten sie leicht reißen. Zur Vermeidung des Zutritts von Luftsauerstoff
muß daher das Schmelzen der Polyamid-Schnitzel in Gegenwart eines Schutzgases, und zwar von trockenem Stickstoff,
durchgeführt werden. Wir wollen nun eine Perlon-Spinnmaschine betrachten und den Werdegang des Fadens verfolgen:
Durchs "Schleusenrohr" ...
Eine Spinnmaschine hat im allgemeinen 24 einzelne Schmelzaggregate, die Spinnköpfe, welche gemeinsam durch
ein Heizsystem mit der zum Schmelzen benötigten Wärme versorgt werden. Aus dem Vorratsbehälter fallen
die Schnitzel durch ein sogenanntes Schleusenrohr in den eigentlichen Schmelzkopf, in dem das Schmelzen vor sich
geht. Das Schleusenrohr bildet den Übergang vom kalten Schnitzelbehälter zum heißen Schmelzkopf.
In ihm werden die Schnitzel, bevor sie geschmolzen werden, durch Spülen mit Stickstoff von anhaftenden kleinen
Luftmengen befreit, sozusagen gewaschen.
... auf den "Rost" ...
Die Schnitzel gelangen dann auf den sogenannten Rost, das ist derjenige Teil der Spinnapparatur, auf dem sie fortlaufend
aufgeschmolzen werden. Er befindet sich in einem Heizmantel, der von außen auf die erforderliche Spinntemperatur
von ca. 270° C gebracht wird. Der Rost selbst wird durch ein zu einer ebenen Spirale gebogenes Rohr gebildet,
durch den ein ebenfalls auf 270° C erwärmtes Heizmittel fließt. Bei Berührung mit der heißen
Metallfläche schmelzen die Schnitzel und tropfen durch die Zwischenräume der Spirale in ein darunter
befindliches trichterförmiges Auffanggefäß, den sogenannten Sumpf.
... und in den "Sumpf"
Hier sammeln sich die einzelnen Tropfen als zähflüssige Schmelze an, vermischen sich miteinander und
finden noch Zeit, zu entgasen. Dabei werden die den Tropfen anhaftenden kleinen Stickstoff mengen oder durch Zersetzung
der Schmelze entstandene Gasblasen ausgeschieden. Hierzu braucht die Schmelze natürlich eine gewisse Zeit,
damit die Bläschen nach oben aufsteigen können und die im unteren, spitzen Teil des trichterförmigen
Sumpfes befindliche Schmelze so weitgehend blasenfrei wird, daß wir sie zur Düse weiterleiten können.
Was geschieht während der "Verweilzeit" ?
Wir nennen die Zeit, während der die Schmelze im Spinnkopf ruht, "Verweilzeit ". Je länger
sie ist, desto besser entgast zwar die Schmelze, aber um so mehr stellt sich wieder das ursprüngliche "chemische
Gleichgewicht" in der Schmelze ein. In geschmolzenem Zustand erleidet nämlich die Perlon-Substanz mit
der Zeit wieder fortlaufend einen Zerfall in das "Monomere", in ihre Ursubstanz: das Caprolactam. Daneben
findet, wie bei der Herstellung im VK-Rohr, auch hier wieder eine Neubildung von Kettenmolekülen statt: Bei
fortlaufendem Zerfall und Wiederaufbau von Ketten infolge zu langer Erhitzungszeit wird wieder die dem Gleichgewicht
entsprechende Menge von 10 % Monomerem gebildet. Die ganze Arbeit zur Entlactamung der Schnitzel, die wir vor dem
Verspinnen vornahmen, wäre umsonst, wenn es nicht gelänge, die Schmelze bei noch befriedigender Entgasung
so schnell durch den Spinnkopf zu fördern, daß die Rückbildung nur in geringem Maße erfolgt.
Ein Wettlauf mit der Zeit
Dieser Wettlauf mit der Zeit führt natürlich zu einem Kompromiß. Man ist schon sehr zufrieden,
wenn sich beim Spinnen weniger als 3 1/2 % an Monomerem zurückbildet. Das ist auch leicht zu erreichen, wenn
man auf einem Spinnkopf immer nur einen Titer spinnt, das heißt immer nur eine bestimmte Menge je Zeiteinheit
abschmelzen und die Schmelze im "Sumpf" die gewünschte Zeit verweilen läßt. In der Praxis
muß aber ein Schmelzkopf auf verschiedene Titer umgestellt werden und deshalb mal mehr und mal weniger Schmelze
in der Minute durchsetzen. Da der Sumpf jedoch immer gleich groß ist, wird bei geringer Abschmelzleistung
zwangsläufig eine höhere Verweilzeit eintreten als bei großer Abschmelzleistung. So wird beispielsweise
bei einem Sumpfinhalt von 1 400 g und einer an die Pumpe abgegebenen Menge von 50 g/min, die Verweilzeit 28 Min.
betragen, bei 20g geförderter Schmelze dagegen aber bereits 1 Stunde 10 Min. Um auf gleiche Verhältnisse
zu kommen, müßte man in letzterem Falle einen Spinnkopf (Rost) mit weniger als halb so großem
Sumpfinhalt, also mit 560 g wählen. Das würde bedeuten, daß man für jeden Titer einen eigenen
Schmelzkopf installieren müßte. Das ist aber unwirtschaftlich und im Betrieb schwerfällig. Auf
einem Rost muß man zwei oder drei verschiedene Titer spinnen können. Dies gelingt auch, wenn sich der
Techniker genügend mit den Moleküleigenschaften, insbesondere mit dem Zerfall von Hochpolymeren in der
Hitze, auskennt. Die Menge an zurückgebildetem Lactam hängt nämlich, wie jedes chemische Gleichgewicht,
nicht nur von der Verweilzeit ab, sondern auch von der Höhe der Temperatur, bei der man die Schmelze verarbeitet.
Bei gleicher Zeit, aber tieferer Temperatur, das heißt unter 270° C, bildet sich weniger Lactam zurück.
Man hat es also bei geschickter Wahl zwischen Verweilzeit und Spinntemperatur in der Hand, immer bei dem gewünschten
Optimum zu arbeiten: nicht mehr als 3 1/2 % Lactam im Faden. Natürlich wird indem einen Falle die Entgasung
besser sein als in einem anderen, bei dem man zwangsläufig nur eine kürzere Verweilzeit zur Verfügung
hat. Die noch verbliebenen kleinen Gasmengen werden dann durch die Druckpumpe entfernt, die jetzt beschrieben werden
soll. Wie beim Spinnen der "Viskose-Fäden" werden zur Förderung der Schmelze auch hier Zahnradpumpen
verwendet. Beim Schmelzspinnen von Perlon, Nylon und Diolen verwendet man jedoch zwei hintereinander geschaltete
Zahnradpumpen, nämlich eine sogenannte Druckpumpe und eine Titerpumpe, die wir schon von der Verarbeitung
der Viskose her kennen: die Meßpumpe. Warum zwei Spinnpumpen ?
Der Titerpumpe ...
Die Schmelzen sind erheblich zäher als Viskose. Um sie durch die Filter und feinen Düsenlöcher,
die nur 1/4 mm im Durchmesser stark sind, pressen zu können, sind sehr hohe Drucke erforderlich. Hätten
wir hier nur eine Titerpumpe allein, so müßte sie diesen hohen Druck erzeugen und dabei gleichzeitig
ihre Hauptaufgabe erfüllen, nämlich immer genau dosierte Mengen fördern, damit der Faden keine Titerschwankungen
bekommt. Dies wäre für diese Pumpe allein, die noch dazu den hohen Temperaturen ausgesetzt ist, auf die
Dauer eine zu starke Belastung.
... wird eine Druckpumpe vorgeschaltet
Um ihr die Arbeit zu erleichtern, schalten wir ihr also eine zweite Pumpe, die Druckpumpe, vor, die ihr die Schmelze
schon mit dem erforderlich hohen Spinndruck zuführt. Die Meßpumpe braucht also nur noch zu dosieren.
Die Druckpumpe erfüllt darüber hinaus noch einen weiteren Zweck: Wir sahen, daß sich im Sumpftrichter
nicht immer alle feinen Gasbläschen aus der Schmelze entfernen lassen. Sie würden nämlich länger
als eine Stunde benötigen, um alle aufzusteigen. In dieser Zeit könnten sich durch Zersetzung der Schmelze
wieder neue bilden. Diese letzten Reste an feinen Gasbläschen werden durch den Druck, den die Druckpumpe erzeugt,
in der Schmelze gelöst und dadurch zum Verschwinden gebracht. Es wird nun eine klare Schmelze von der Meßpumpe
durch die Düse gefördert. Dies ist beim Verspinnen von Nylon und Diolen von besonderer Bedeutung.
Filter aus Edelstahl
Auch bei diesem "Schmelzspinnprozeß" ist, wie bei der Viskose, vor der Düse ein Filter angebracht,
um etwaige Schmutz- und Metallteilchen abzufiltern, damit sie nicht die empfindlichen Düsenlöcher verstopfen
oder gar in den Faden gelangen können. Solche Filter müssen wegen der hohen Spinntemperatur aus Geweben
aus Edelstahl (VA) bestehen, die mehrere tausend Maschen pro Quadratzentimeter besitzen.
Die Spinndüsen
Als Schmelzefaden tritt die Schmelze durch die Düsenlöcher nach unten in die Luft aus. Die Düsenplatten
sind mehrere Millimeter stark. Sie müssen dem erheblichen Druck der Schmelze gewachsen sein, der bis zu 70
atü betragen kann. Je nach der Zahl der Düsenlöcher besteht ein Perlon-Garn aus 3, 6,12, 24, 48
oder mehr Einzelfäden. In besonderen Fällen wird auch eine Spinndüse mit nur einer einzigen Öffnung
verwendet, man erhält dann nur eine "Kapillare", das sogenannte "Monofil". Ein monofiler
Perlon-Faden wird speziell für die Herstellung feiner Damenstrümpfe gesponnen.
Der Vorteil der hohen Abzugsgeschwindigkeiten
Nach Verlassen der Düsenbohrungen fallen die Perlon- Fäden durch einen 4-6 m langen Spinnschacht nach
unten und werden durch eine Aufspulmaschine aufgenommen. Sie zieht den noch geschmolzenen Faden mit einer Geschwindigkeit
von 400-1000 m/min, ab. Die Schmelze muß also innerhalb von 0,02-0,1 Sekunden durch Abkühlung fest werden.
In dieser kurzen Zeit geben wir dem neugeborenen Faden alle Voraussetzungen für seine textile Brauchbarkeit
mit, die der Viskosefaden im Fällbad erhält. Die Makromoleküle der Perlon-Substanz liegen in den
Schmelzefäden nach Verlassen der Düse noch wirr durcheinander. Solange der Faden noch schmelzflüssig,
also weich ist, müssen wir bereits die Makromoleküle ordnen, wie bei der Herstellung des Viskosefadens.
Wir erreichen das durch ein Ausziehen der Schmelzefäden, indem wir die Abzugsgeschwindigkeit größer
einstellen als die Austrittsgeschwindigkeit der Schmelzefäden aus den Düsenlöchern. Gegenüber
allen anderen Spinnverfahren, insbesondere dem der Viskose, bietet gerade das "Schmelzspinnverfahren"
den großen Vorteil, daß mit hohen Abzugsgeschwindigkeiten gearbeitet werden kann. Dadurch ergibt sich
für jeden einzelnen Spinnkopf eine sehr hohe Tagesleistung, die je nach Titer 30-70 kg beträgt.
Der Faden wird "vororientiert"
Infolge der hohen Abzugsgeschwindigkeiten werden die Schmelzefäden um das 20-70fache ihrer ursprünglichen
Länge ausgezogen, dadurch werden sie zwangsläufig entsprechend dünner, bevor sie erstarren. Trotz
des starken Ausziehens können sich jedoch nicht alle Makromoleküle ordnen, also parallel legen. Ein großer
Teil bleibt vorerst ungeordnet. Der Fachmann sagt: Der Faden wird nur "vororientiert". Die endgültige
Orientierung, die dem Faden seine hohe Festigkeit gibt, erfolgt erst durch den späteren Verstreckprozeß.
Beim Viskose-Verfahren kann das Verstrecken unmittelbar nach dem Spinnen erfolgen, bei Perlon, das ja mit wesentlich
höheren Geschwindigkeiten gesponnen werden muß, ist das technisch nicht durchführbar. Das Verstrecken
erfolgt also in einem zweiten getrennten Arbeitsgang, den wir im nächsten Kapitel eingehend behandeln werden.
Zurück zum Spinnprozeß: Wir sahen, daß sich der Perlon-Faden im Spinnschacht im Bruchteil einer
Sekunde vororientiert und durch Abkühlung an der Luft verfestigen muß. Im übertragenen Sinne entspricht
die Luft dem Fällbad der Viskose.
Gleichmäßige Abkühlung
Der Gleichmäßigkeit der Abkühlung der einzelnen Kapillaren im Spinnschacht kommt eine erhebliche
Bedeutung zu. Es soll dabei nicht nur vermieden werden, daß die Kapillarfäden im schmelzflüssigen
Zustand aneinanderschlagen. Auch die Titergleichmäßigkeit des Fadens und das Orientierungsvermögen
bzw. der Grad der Verstreckbarkeit des Fadens werden durch die Art der Abkühlung entscheidend beeinflußt.
Aus diesem Grunde wird das Fadenbündel im oberen Teil des Spinnschachtes, das heißt kurz unterhalb der
Düse, mit einem gleichmäßigen Luftstrom horizontal angeblasen. In diesem Anblasschacht müssen
Luftmenge und -Verteilung sehr genau eingestellt werden, denn die Abkühlgeschwindigkeit ist von Einfluß
auf den Titer, die Festigkeits- und Dehnungswerte.
Die Bestimmung des Titers
Durch Erhöhung oder Erniedrigung der Abzugsgeschwindigkeit haben wir es in der Hand, den Faden mehr oder weniger
stark auszuziehen und auch auf diesem Wege den Titer in weitem Maße zu verändern. Wie bei allen anderen
Spinnverfahren wird also auch hier der Titer durch die geförderte Menge (Schmelze) und durch den Abzug der
Spinnmaschine bestimmt.
Zwei zusätzliche Behandlungen: ...
Das Aufnahmeorgan für den Faden ist die Spinnspule, die einige Kilogramm Fadengewicht aufnehmen kann. Ehe
er diese erreicht, muß er noch zwei zusätzliche Behandlungen über sich ergehen lassen, die für
seine Entwicklung zum Textilgarn von entscheidender Bedeutung sind. Das sind die "Anfeuchtung" und die
"Präparation".
"Anfeuchtung" ...
Unser neugeborener Faden ist naturgemäß völlig trocken. Die Perlon-Substanz hat jedoch das Bestreben,
bei Lagerung an der Luft sehr rasch Feuchtigkeit (ca. 4 %) aufzunehmen, womit eine Quellung des Fadens verbunden
ist, durch die er auch in der Länge zunimmt. Ein auf der Spinnspule befindliches, absolut trockenes Gespinstpaket
würde deshalb nach kurzer Lagerzeit locker werden und seine exakte Form verlieren. Die Fäden würden
bei der Weiterverarbeitung nicht mehr reibungslos von der Spule ablaufen können. Beschädigungen an Einzelkapillaren
und häufiges Abreißen des gesamten Fadenbündels wären die Folge. Deshalb gibt man dem jungen
Faden unmittelbar nach dem Verlassen des Spinnschachtes schon die Menge Feuchtigkeit mit, die er später an
der Luft aufnehmen würde. Er "quillt" also schon vor dem Auflaufen auf die Spinnspule weitgehend
aus, so daß nun das Gespinstpaket in seiner Form beständig bleibt.
Eine wirklich gleichmäßige Dosierung der Feuchtigkeit auf allen gesponnenen Spulen ist nur dann gewährleistet,
wenn die Aufwickelung stets unter gleichen Klimaverhältnissen erfolgt. Die Luftfeuchtigkeit des Raumes wird
daher so eingestellt, daß der Faden am Ende weder Feuchtigkeit abgibt noch zusätzlich aufnehmen kann.
... und "Präparation"
Unmittelbar nach der Befeuchtung erfolgt die zweite Behandlung: die Präparierung. Dabei werden die einzelnen
Kapillaren mit einem dünnen Ölfilm überzogen, der es nun ermöglicht, alle zu einem geschlossenen
Fadenbündel zusammenzufassen (Fadenschluß). Außerdem erhält das Fadenbündel so die zur
Weiterverarbeitung auf der Streck-und Zwirnmaschine nötige Glätte.
Die auf der Spinnspule gespeicherten Perlon-Fäden müssen noch mehrere Nachbehandlungen physikalischer
und auch chemischer Natur durchmachen, bevor sie von unseren Kunden weiterverarbeitet werden können. |
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Was geschieht beim Verstrecken ?
Wichtigster Arbeitsgang der textilen Aufarbeitung
Die beim Schmelzspinnen gewonnenen rohen Fäden, deren Herstellung im vorhergehenden Kapitel beschrieben wurde,
sind in der auf der Spinnspule vorliegenden Form noch nicht gebrauchsfähig. Die Fäden besitzen noch nicht
die hohen Festigkeiten, die wir als besonderes Merkmal des Perlon-Fadens kennen.
Wie wir hörten, fehlt ihnen die weitere Orientierung der Makromoleküle, die wir ihnen erst jetzt beim
nachfolgenden Streckprozeß geben können. Erst durch den Streckprozeß werden die Eigenschaften
des Fadens voll entfaltet. Er ist der wichtigste Vorgang der textilen Aufarbeitung, bei dem der rohe, bereits feste
Faden um ein Mehrfaches seiner Länge (etwa 3- bis 5fach) ausgezogen wird. Für diesen Vorgang haben wir
keinen befriedigenden Vergleich aus dem täglichen Leben. Es ist eine Erscheinung, die wir näher erläutern
müssen.
Perlon läßt sich "kalt verstrecken"
Wenn wir einen Eisendraht oder einen Glasstab in beide Hände nehmen und versuchen, ihn in die Länge zu
ziehen, so gelingt uns das nicht. Anders dagegen bei einem rohen Perlon-Faden: ihn können wir in kaltem Zustand
mit geringer Zugkraft um das 3- bis 5fache auseinanderziehen, was uns dagegen bei einem Glasstab erst gelingt,
wenn wir ihn an einer Stelle hoch erhitzt haben. Der Perlon-Faden läßt sich also kalt verdehnen, ohne
jedoch wie ein Gummifaden wieder zurückzuschnellen. Die Unterschiede liegen in dem Molekülaufbau der
verglichenen Substanzen.
Ein Blick in die Molekülstruktur des unverstreckten Fadens
Man nimmt an, daß ein Teil der Makromoleküle der Polyamid-Substanz im ungeordneten Zustand in spiraliger
oder geknäuelter Form vorliegt. Andere Teile der Makromoleküle liegen dagegen in langgestreckter Form
vor, wobei sich mehrere parallel aneinander gelagert haben können. Versuchen wir nun, den Polyamid-Faden zu
verziehen, so brauchen wir nur wenig Kraft, um die spiraligen und die parallel liegenden Moleküle in die Länge
zu ziehen.
Die Moleküle haben untereinander noch keinen festen Zusammenhalt und lassen sich bei Zimmertemperatur noch
bewegen. Parallel liegende Moleküle gleiten dabei um eine bestimmte Strecke aneinander vorbei, spiralige ziehen
sich lang und ungeordnete, wirr liegende Moleküle legen sich in die Längsrichtung, also parallel zur
Fadenachse.
Die "Einfriertemperatur"
Anders dagegen beim Eisen. Hier sind die kurzen Moleküle bei Zimmertemperatur kristallisiert und daher unbeweglich.
Wir haben es also nur einem glücklichen Umstand zu verdanken, daß ein Großteil der Polyamid -
Moleküle bei Zimmertemperatur nicht kristallisiert, also nicht eingefroren vorliegt. Dieser Zustand wird auch
amorph genannt (amorph - griech. = ohne Gestalt). Es gibt auch für Perlon eine Temperatur, die "Einfriertemperatur",
die in der amerikanischen Fachsprache der "Umwandlungspunkt zweiter Ordnung" (Der "Umwandlungspunkt
zweiter Ordnung" bedeutet, genau gesehen, die Temperatur, bei der eine sprunghafte Veränderung der Dichte
und der Dielektrizitätskonstante eintritt.) genannt wird, unterhalb der die Moleküle unbeweglich werden.
Diesen für Makromoleküle charakteristischen Umwandlungspunkt zweiter Ordnung gibt es beim Stahl nicht.
Wie entsteht der "Flaschenhals" ?
Wenn wir nun einen unverstreckten Perlon-Faden zwischen beide Hände nehmen und verziehen, so beginnen an irgendeiner
bevorzugten Stelle einige Fadenmoleküle aneinander vorbeizugleiten. Es entsteht Reibungswärme, die in
einem ganz kleinen Bereich des Fadens, also in einem Punkt, erstmals auftritt. Unter dem Einfluß der Wärme
wird der Zusammenhalt der benachbarten Makromoleküle verringert. Die in der Nähe des erhitzten Punktes
liegenden Makromoleküle werden so leicht beweglich, daß sich ein scharfer Übergang von dem unverstreckten
Teil des Fadens über den erhitzten Punkt zum verstreckten Teil bildet. Man nennt diesen scharfen Übergang
von verstreckt zu unverstreckt den "Flaschenhals".
Dieser Flaschenhals ist für das Verstrecken von Polyamiden und Polyestern charakteristisch (das Verstrecken
des Viskose-Garnes im Fällbad findet allmählich auf einer wesentlich längeren Strecke statt). Das
den Flaschenhals verlassende, erste verstreckte Stückchen des Fadens kühlt sich gleich wieder aus, und
so erscheint der ganze Prozeß, äußerlich betrachtet, als "Kaltverstreckung".
Die Kettenmoleküle ordnen sich zu Kristalliten
Wir sprachen bereits über den Glasstab, den wir an einer Stelle durch die Gebläseflamme hoch erhitzen
und zu einem Faden ausziehen können. Wir können den Glasfaden in jede beliebige Länge und Stärke
ausziehen. Beim Verstrecken des Perlon-Fadens gelingt dieses Ausziehen nur in einem ganz bestimmten - durch die
Spinnbedingungen festgelegten - Verhältnis, nämlich um das 3- bis 5fache seiner Länge. Wir können
ihn durch leichten Zug in diesem Verhältnis verstrecken, dann aber fühlen wir plötzlich einen großen
Widerstand; das Strecken ist nur noch mit sehr großer Kraft möglich, bis der Faden schließlich
reißt.
Unsere Fadenmoleküle haben sich geordnet und parallel gelegt. Was ist dabei geschehen? Durch den Zug sind
viele benachbarte Kettenmoleküle aneinander vorbeigeglitten. Bei einer ganz bestimmten Stellung zueinander
beginnen sie fest aneinander zu haften; sie bilden Kristalle, die sich nicht mehr weiter verstrecken lassen. Diese
Kristalle sind außerordentlich klein, viele Tausende in einem Millimeter Faden. Wegen ihrer Kleinheit werden
sie Kristallite genannt.
Außer den "Steckern" und "Steckdosen" ...
Betrachten wir noch einmal den Aufbau eines Perlon-Makromoleküls: Es besteht, wie wir auf Seite 37 sahen,
aus vielen aneinander-gesteckten Kabelschnüren der Aminocapronsäure, wobei die NH-Gruppe den Stecker
und die CO-Gruppe die Steckdose darstellen sollen:
In Wirklichkeit ist der Aufbau noch komplizierter, da sich die einzelnen Bausteine der Aminocapronsäure und
damit des gesamten Makromoleküls zickzackförmig anordnen:
Nach ihrer Vereinigung besitzen jedoch Stecker und Steckdose noch so viele freie Kräfte, daß jeder einzelne
eine weitere, aber wesentlich schwächere Bindung mit einem anderen Partner aus einem Nachbar-Fadenmolekül
eingehen kann.
... enthalten die Kabelschnüre noch "Druckknöpfe"
Wir können uns das bildlich vorstellen, wenn wir alle Stecker noch mit einem Druckknopf versehen, mit dessen
Hilfe sich einige Nachbar-Fadenmoleküle verbinden können. Dies ist jedoch nur möglich, wenn sich
die einzelnen Partner genau gegenüberstehen, so daß die Druckknöpfe einrasten können:
Wir sehen, daß das Einrasten bei Perlon nur an jedem zweiten Stecker möglich ist; die anderen bleiben
frei.
Durch das "Einrasten" erhält der Faden seine Festigkeit
Im Gegensatz zu der Vororientierung beim Spinnen, die, wie wir sahen, nur teilweise parallel lagert, wird beim
Verstrecken die Mehrzahl der Moleküle so lange gegeneinander parallel verschoben, bis die Haftstellen nebeneinanderliegender
Kettenmoleküle sich genau gegenüberstehen. Durch das "Einrasten" erhält der Faden jetzt
seine Festigkeit: nun ist er "orientiert". Die Moleküle, die beim Spinnen nicht vororientiert wurden,
bleiben auch nach der Verstreckung noch amorph. Sie haben leicht geschlungene, mitunter spiralige Form, durchziehen
die kristallinen Bereiche des Fadens, verbinden sie miteinander und tragen so für den Zusammenhalt des Ganzen
Sorge. Darüber hinaus wirken die amorphen Teile als Weichmacher für die kristallinen Bereiche und ermöglichen
dadurch die hohe Biegsamkeit des Fadens. Wenn wir den verstreckten Faden später einer Zugkraft aussetzen,
dann lassen sich diese amorphen Stellen noch etwas ausziehen. Der Faden behält dadurch eine Restdehnung, das
heißt, wir können ihn noch einmal um einen gewissen Betrag seiner Länge (ca. 14-35 %) verziehen,
bevor er zerreißt.
Die Restdehnung ...
Diese Dehnung ist für die Verarbeitung eines Textilgarnes sehr wichtig. Bei plötzlicher oder ruckartiger
Belastung, wie sie z.B. im Ohr einer Nähmaschinennadel, besonders bei hoher Nähgeschwindigkeit, auftritt,
soll der Faden ja etwas nachgeben und nicht gleich zerreißen.
... ist teilweise "reversibel"
Die Größenordnung der Dehnung können wir beim Streckprozeß beliebig einstellen, indem wir
das Streckverhältnis größer oder kleiner wählen. Es ist nun eine besondere Eigenart des Polyamid-Garnes,
daß diese Dehnung teilweise "reversibel", also rückläufig ist. Wenn wir den verstreckten
Faden durch starke Belastung gedehnt haben und ihn dann entlasten, so federt er in seiner Länge weitgehend
zurück. Wegen dieser Eigenart erschließen sich dem Polyamid- Faden eine Vielzahl von neuen Einsatzgebieten,
besonders im technischen Sektor, für die andere Natur- oder Chemiefasern nicht so gut geeignet sind, wie z.
B. Tauwerk für den Schiffschlepp. Diese Elastizität ist natürlich auch bei vielen textilen Gebilden,
insbesondere bei Damenstrümpfen, von Vorteil.
Der Arbeitsgang auf der Streckzwirnmaschine
Der komplizierte Vorgang der Orientierung erfolgt im Betrieb auf der Streckzwirnmaschine innerhalb sehr kurzer
Zeit. Man führt dabei den von der Spinnspule ablaufenden Faden über ein Rollenpaar (den Lieferzylinder
mit Korkrolle) zu einem zweiten (der Streckgalette mit Umlenkröllchen), das 3- bis 5mal schneller läuft.
Zwischen beiden Rollenpaaren findet die Verstreckung statt. Um eine sehr gleichmäßige Verstreckung zu
erhalten und damit dem gesamten Faden einheitliche Dehnungs- und Titerwerte mitzugeben, müssen wir zwischen
den Rollen den Streckpunkt auf einen sehr engen Bereich festlegen. Das erreichen wir, wenn wir den Faden zwischen
den beiden Rollen um ein Bremsorgan, den sogenannten Streckstift, führen. Durch die Reibung am Streckstift
entsteht sofort eine geringe Wärmemenge, so daß sich hier der Flaschenhals ausbildet und der laufende
Faden nur an diesem einen festgelegten Punkt verstreckt wird.
In der Praxis wird der unverstreckte Faden mit ca. 50 m/min, zugeführt und in verstrecktem Zustand mit ca.
200 m/min, abgezogen. Die Verstreckung erfolgt also mit wesentlich geringerer Geschwindigkeit, als der Faden gesponnen
wurde. In der gleichen Zeit, in der wir eine Spule verstrecken, liefert uns die Spinnstelle 8-20 neue Spulen.
Gleichzeitige Sortierung
Man braucht also für eine Spinnstelle sehr viele Streckstellen. Dieser kostspielige Nachteil wird jedoch wieder
wettgemacht, wenn wir die Streckzwirnmaschine gleichzeitig als eine Sortiermaschine auffassen, die sehr genau die
fehlerhafte Ware anzeigt und darüber hinaus eine Klassifizierung der Ware in einzelne Qualitätssorten
ermöglicht. Die Speicherung des verstreckten Garnes erfolgt auf einer dünnen zylindrischen oder schwach
konischen Hülse, dem "Cops".
Beim Aufspulen noch ein leichter Drall
Der Aufspulmechanismus entspricht in seinem Aufbau und seiner Wirkungsweise einer Zwirnmaschine, wie wir sie in
jeder Wollspinnerei sehen können. Durch diese Anordnung geben wir dem Faden vor dem Aufspulen auf den Cops
noch einen leichten Drall. Dieser hält jetzt die einzelnen Kapillaren zusammen, denn der durch die Präparation
gegebene Fadenschluß ist nach dem Verstrecken nicht mehr in vollem Maße vorhanden. Die Copsware kann
nun im eigenen Betrieb einer weiteren textilen Aufarbeitung unterworfen werden; sie kann aber auch, sofern sie
infolge andersgearteter Herstellung nur einen sehr geringen Lactamgehalt aufweist, in dieser Form verkauft werden.
Weitere Arbeitsgänge
Zur textilen Aufarbeitung gehören die folgenden Verfahrensschritte:
1. das Nachzwirnen
2. die Druckwäsche mit Avivierung und Trocknung
3. die Aufmachung auf konische Kreuzspulen, das "Conen".
Über das Nachzwirnen und das Conen wird in dem Kapitel: "Die Aufgaben unserer Textilbetriebe" noch
eingehend berichtet werden.
Das Nachzwirnen
Beim Nachzwirnen gibt man dem Faden einen wesentlich höheren Drall, als es beim Streckzwirnen möglich
war.
Auf Grund der relativ hohen Abzugsgeschwindigkeiten beim Streckprozeß ist die Zahl der Drehungen aus technischen
Gründen auf 35-50 Drehungen pro Meter begrenzt. Für die Verarbeitung in der Weberei und Wirkerei werden
jedoch höhere Drehungen, oft bis zu 1200 Drehungen pro Meter, gewünscht, die wir dem Faden in einem weiteren
Arbeitsgang auf der Nachzwirnmaschine mitgeben.
Bei diesem Arbeitsprozeß wird der hochgezwirnte Faden auf einer durchlöcherten Spule, der Zwirnwalze,
aufgespult, denn, ähnlich dem Viskose-Faden, muß auch unser Perlon-Faden einer Druckwäsche unterworfen
werden. Bei Nylon- oder Diolen-Fäden ist diese Druckwäsche nicht nötig, wohl aber bei Perlon, um
das Monomere zu entfernen.
Die Lactam-Reste werden herausgelöst
Vom Spinnprozeß her wissen wir, daß der Perlon-Faden trotz aller Bemühungen noch einige Prozente
seines Monomeren, des Caprolactams, enthält. Wir waren über die Rückbildung des Lactams nicht erfreut,
aber eigentlich sollten wir dafür dankbar sein. Das Monomere war nämlich für den unverstreckten,
normalerweise etwas spröden Faden ein Weichmacher, der unser empfindliches Fädchen so elastisch machte,
daß es den Beanspruchungen während des Streck- und späteren Zwirnprozesses besser gewachsen war.
Diese Aufgabe ist nun erfüllt. Das Monomere muß jetzt jedoch entfernt werden, denn es hat die unangenehme
Eigenart, bei Lagerung in Form feiner Kristalle aus dem Faden herauszutreten, den Faden rauh zu machen und dadurch
dem Kunden beim Verarbeiten Schwierigkeiten zu bereiten.
In der Druckwäsche wird das Lactam durch heißes Wasser aus dem Faden herausgelöst. Durch diese
Behandlung erreichen wir noch einen weiteren Effekt: "das Schrumpffestmachen" oder Fixieren.
Unter Einfluß von Wärme ...
Der Perlon-Faden hat, wie bereits berichtet, nach dem Verstrecken keine Neigung mehr, sich wieder zu verkürzen.
Das gilt aber nur so lange, als man ihn nicht mit heißem Wasser in Berührung bringt. Dann würde
er wie ein einfaches Baumwollgewebe einlaufen, oder anders gesagt: "schrumpfen". Die Wassermoleküle
würden in den Faden eindringen und zwischen die Fadenmoleküle wandern. Wir lasen bereits, daß die
amorphen Bereiche, die die Kristallite miteinander verbinden, aus einzelnen langen, oft nur leicht geschlungenen
Molekülen bestehen. Sie haben die Neigung - wie eine ausgestreckte Uhrfeder oder eine Federspirale - sich
wieder zusammenzulegen, zu knäueln. Die amorphen Makromoleküle möchten nämlich auch in den
erstrebten kristallinen Zustand übergehen. Da ihnen die Orientierung fehlt, konnten sie zwar nicht mit anderen
Molekülen zu einem Kristallgitter zusammengebaut werden, aber sie können mit sich selbst ein weniger
geordnetes Kristallgitter bilden, wenn sie sich sehr eng zu einer Spirale zusammenringeln. Diese Gelegenheit wird
ihnen unter dem Einfluß von Wärme - ganz besonders jedoch wie hier, bei feuchter Wärme -gegeben,
wodurch sich der gesamte Faden wieder verkürzt, also schrumpft.
... und durch festes Aufspulen auf der Zwirnwalze ...
Wenn wir ein wasch- oder wärmefestes Garn haben wollen, so müssen wir es vorher einer Wärmebehandlung
unterwerfen, um es schrumpffest zu machen. Man wünscht jedoch nicht immer, daß sich der Faden dabei
verkürzt, weil auch die Dehnungswerte ansteigen und die Festigkeitswerte sinken würden.
Durch sehr festes Aufspulen des Fadens auf der Zwirnwalze nimmt man ihm die Möglichkeit, sich bei der Wärmebehandlung
in der Druckwäsche in nennenswertem Maße zu verkürzen. Die Fadenmoleküle bleiben also unter
Spannung, während sie erhitzt werden.
... wird der Faden "fixiert"
Etwas Ähnliches erleben wir, wenn wir eine ausgestreckte Uhrfeder zum Glühen bringen. Nach dem Erkalten
zeigt sie keine Neigung mehr, sich zusammenzuringeln. In beiden Fällen ermöglichen wir den Molekülen
durch das Erhitzen, ihre Lage ein wenig zu verändern und dadurch vorhandene Spannungen auszugleichen. Die
Beseitigung dieser Schrumpfneigung nennt man das "Fixieren".
Wie alle Vergleiche hinkt auch unserer mit der Uhrfeder. Eine Uhrfeder ist nach dem Ausglühen völlig
tot, unsere Perlon-Moleküle dagegen sind bis zu der Temperatur, mit der wir sie behandelt hatten, nur scheintot.
Würden wir sie nämlich später auf eine noch höhere Temperatur erhitzen, so werden sie wieder
quicklebendig und beginnen von neuem zu schrumpfen. Dies ist ein wichtiger Unterschied, denn Perlon ist eben doch
etwas anderes als Stahl, wenn es auch im Faden die Festigkeitswerte von Gußstahl aufweisen mag.
Grenzen der Fixierung
Die Fixierung ist also nur so lange beständig, bis die Temperatur erreicht ist, bei der sie durchgeführt
wurde. Der Verarbeiter hat also immer noch die Möglichkeit, durch eine erneute Fixierung bei höherer
Temperatur gewollte Schrumpfeffekte im Fertigfabrikat zu erzielen und damit seine Gebilde "formfest"
zu gestalten.
Wir sehen, daß es zwei Arten von Fixierungen gibt:
1. die spannungslose Fixierung mit Schrumpfung (Erhöhung des Titers,
der Dehnung und Reduzierung der Festigkeit);
2. die Fixierung auf fester Unterlage unter Spannung ohne Schrumpfung
(Titer, Dehnungs- und Festigkeitswerte bleiben in ihrer Größenordnung
erhalten).
In der Regel wird es sich darum handeln, die Perlon-Fäden so zu fixieren, daß sie sich später in
kochendem Wasser nicht mehr verändern : Sie sollen keinen oder nurmehr einen geringen "Kochschrumpf"
aufweisen.
Die Aufmachung
Wie der Reyon-Faden wird auch der Perlon-Faden nach der Druckwäsche aviviert und dann getrocknet.
Die endgültige Aufmachung erfolgt auch hierauf eine konische Kreuzspule, den "Cone", der jedoch
anders geformt ist als beim Reyon. Er wird "Pineapple"-Cone genannt.
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