Dokument 1.pdf - OPUS
Dokument 1.pdf - OPUS
Dokument 1.pdf - OPUS
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
Untersuchung spinninduzierter<br />
Streifigkeit durch Online<br />
Messungen eines Spinnprozesses<br />
Der Technischen Fakultät der<br />
Universität Erlangen-Nürnberg<br />
zur Erlangung des Grades<br />
D O K T O R – I N G E N I E U R<br />
vorgelegt von<br />
Christoph Moritz<br />
Erlangen - 2009
Als Dissertation genehmigt von<br />
der Technischen Fakultät der<br />
Universität Erlangen-Nürnberg<br />
Tag der Einreichung: 16. 04. 2007<br />
Tag der Promotion: 04. 05. 2009<br />
Dekan: Prof. Dr.-Ing. habil. Johannes Huber<br />
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gottfried W.Ehrenstein<br />
Prof. Dr.-Ing. Igor Emri<br />
Dr.-Ing habil. Edith Mäder
Kurzfassung – Abstract I<br />
Kurzfassung<br />
In der Verarbeitung von Polyamid zu synthetischen Garnen gibt es oft<br />
Probleme mit der Anfärbung, speziell bei Verwendung von Säure- bzw.<br />
Metallkomplexfarbstoffen. Häufig tritt eine unregelmäßige Anfärbung in Form<br />
von Streifigkeit des Gewebes auf. In der vorliegenden Arbeit werden die<br />
Einflüsse der Spinnbedingungen auf das Problem der Streifigkeit untersucht.<br />
Eine textile Hochgeschwindigkeitsspinnanlage wird mit Hilfe von Sensoren<br />
und einer Auswertesoftware in verschiedenen Betriebszuständen und mit<br />
verschiedenen Polyamiden gefahren und analysiert. Es werden die Haupteinflußgrößen<br />
auf die Streifigkeit herausgearbeitet und bezüglich ihrer Auswirkung<br />
abgeschätzt. Die Haupteinflußgröße „Blasluftfeuchte“ wird mit Hilfe von<br />
mathematischen Methoden analysiert und mit gemessenen Geschwindigkeitsverläufen<br />
des Fadens während der Verfestigung korreliert. Anhand von Untersuchungen<br />
der Fadenstruktur und seiner physikalischen Eigenschaften können<br />
auftretende Anfärbeunterschiede erklärt und belegt werden. Für ausgewählte<br />
Polyamide wird ein Prognosediagramm zur Abschätzung der Streifigkeitsneigung<br />
eingeführt.<br />
Abstract<br />
In the processing of polyamide to synthetic fibers frequently problems occur<br />
in uniform dyeing, especially when using acid- or metal complex dyes. Often<br />
the inhomogeneity of dyeing appears as streakiness of the fabric. In this paper<br />
the impact of the spinning conditions on the streakiness is investigated. A<br />
textile high speed spinning line equipped with sensors and a software module<br />
is operated and analyzed under different processing conditions with different<br />
types of polyamide. The main influencing factors on the streakiness are<br />
identified and evaluated with regard to their impact. The main factor<br />
„quenching air humidity“ is analyzed by means of mathematical methods and<br />
correlated to measured velocity profiles of the yarn during solidification.<br />
Investigation of fiber structure and physical properties can explain and prove<br />
the occurrence of dyeing differences. For selected polyamides a diagram to<br />
predict the probability of streakiness is introduced.
II Inhaltsverzeichnis<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
1 Einleitung........................................................................................1<br />
2 Grundlagen..................................................................................... 3<br />
2.1 Allgemeine Ursachen der Streifigkeit............................................... 3<br />
2.2 Chemische Ursachen.......................................................................9<br />
2.3 Physikalische Ursachen................................................................... 11<br />
2.4 Strukturelle Ursachen..................................................................... 19<br />
2.5 Fehler in der Vorbehandlung und/oder Färberei.............................. 20<br />
3 Untersuchte Werkstoffe................................................................ 21<br />
3.1 Klassifizierung der untersuchten Polyamide.................................... 21<br />
3.2 Werkstoffkennwerte der untersuchten Polyamide........................... 21<br />
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung................ 22<br />
4.1 Die Schnellspinnanlage EMS Inventa H4S..................................... 22<br />
4.2 Das Grundkonzept der Meßtechnik................................................. 29<br />
4.3 Die Hardware................................................................................... 29<br />
4.4 Die Software.................................................................................... 35<br />
4.4.1 Bestandteile des Programms............................................. 35<br />
4.4.2 Die Datenerfassung........................................................... 37<br />
4.4.3 Die Datendarstellung und –analyse................................... 41<br />
4.5 Die Versuchsdurchführung.............................................................. 45<br />
4.6 Versuchsplan................................................................................... 48<br />
4.7 Die Methode der Fourier Transformation......................................... 51<br />
4.8 Laser Doppler Anemometrie (LDA)..................................................52<br />
4.9 Unitens ® Fadenspannungsmessung............................................... 55<br />
4.10 Die Untersuchungsmethode der Doppelbrechung........................... 55<br />
4.11 Die Untersuchungsmethode der Röntgenbeugung..........................58<br />
5 Versuchsergebnisse......................................................................61<br />
5.1 Untersuchte Meßkanäle ohne Streifigkeitsrelevanz.........................61<br />
5.2 Streifigkeitsrelevante Resultate....................................................... 62<br />
5.2.1 Untersuchung der Blasluft................................................. 63<br />
5.2.1.1 Temperatur der Blasluft...................................................... 64<br />
5.2.1.2 Geschwindigkeit der Blasluft.............................................. 68<br />
5.2.1.3 Feuchte der Blasluft........................................................... 70<br />
5.2.1.4 Nähere Untersuchung der Blasluftfeuchte......................... 80<br />
5.2.2 Der Einfluß von Galettenschwankungen............................ 85<br />
5.3 Untersuchung an Polyamid 6.6........................................................ 87<br />
5.4 Untersuchungen an asiatischem Polyamid 6................................... 92<br />
5.4.1 Messungen einer ruhigen Phase der Blasluftfeuchte......... 93<br />
5.4.2 Messungen einer turbulenten Phase der Blasluftfeuchte... 96<br />
5.4.3 Verifizierung der Daten mittels Offline-Röntgenstreuung... 99
Inhaltsverzeichnis III<br />
5.4.4 Zusammenfassung der Vergleichsmessung...................... 105<br />
6 Bewertung der Versuchsergebnisse........................................... 106<br />
6.1 Einführung grafischer Prognosediagramme.................................... 106<br />
6.1.1 Ruhiger Verlauf der Blasluftfeuchte ohne Auswirkungen... 107<br />
6.1.2 Unruhiger werdender Verlauf der Blasluftfeuchte ohne<br />
Auswirkungen.................................................................... 108<br />
6.1.3 Unruhiger werdender Verlauf der Blasluftfeuchte mit<br />
leichten Auswirkungen....................................................... 109<br />
6.1.4 Unruhiger Verlauf der Blasluftfeuchte mit Auswirkungen... 110<br />
6.1.5 Stark unruhiger Verlauf der Blasluftfeuchte mit Auswirk-<br />
ungen..................................................................................111<br />
6.1.6 Sonderfall: Verschobenes Frequenzspektrum hin zu<br />
Störungen mit längerer Wellenlänge.................................. 112<br />
6.1.7 Modell eines Prognosediagramms..................................... 114<br />
6.2 Das Prognosediagramm für BASF PA 6.......................................... 114<br />
6.2.1 Keine Streifigkeit.................................................................115<br />
6.2.2 Keine Streifigkeit, Tendenz zu erhöhter optischer<br />
Unruhe im Gewebe............................................................ 115<br />
6.2.3 Streifigkeit ansatzweise erkennbar.................................... 116<br />
6.2.4 Deutliche Streifigkeit.......................................................... 116<br />
6.3 Das Prognosediagramm für asiatisches PA 6 (Vergl.produkt A)..... 117<br />
6.3.1 Keine Streifigkeit................................................................ 117<br />
6.3.2 Schwache Streifigkeit mit optischer Unruhe....................... 118<br />
6.3.3 Ausgeprägte Streifigkeit..................................................... 119<br />
6.4 Das Prognosediagramm für asiatisches PA 6 (Vergl.produkt B)..... 120<br />
6.4.1 Keine Streifigkeit................................................................ 120<br />
6.4.2 Erhöhte optische Unruhe, teilweise streifig (I)................... 121<br />
6.4.3 Erhöhte optische Unruhe, teilweise streifig (II).................. 121<br />
6.4.4 Ausgeprägte Streifigkeit..................................................... 122<br />
7 Zusammenfassung........................................................................ 123<br />
8 Literatur.......................................................................................... 125<br />
9 Liste der Formelzeichen und Abkürzungen............................... 134
1 1 Einleitung<br />
1. Einleitung<br />
Streifigkeit (englisch: „streakiness“ oder seltener verwendet: „barriness“ oder<br />
„stripiness“) ist eines der Hauptprobleme bei der Verarbeitung von textilen<br />
Polyamidwaren. Der Begriff „Streifigkeit“ wird in Anlehnung an einen Vortrag<br />
von Dr. Hans Wilsing während der Tagung des Vereins der Textilchemiker<br />
und Coloristen e.V. am 28.05.1970 in Baden-Baden [8] wie folgt definiert:<br />
Definition Streifigkeit:<br />
Unbeabsichtigte optische Störung eines textilen Flächengebildes, meist<br />
als hell/dunkel Symptom nach dem Anfärbevorgang<br />
Beim Auftreten der Streifigkeit hat die Textilie bereits den vollständigen<br />
Prozeß der Produktionskette durchlaufen, bevor beim letzten Schritt – der<br />
Anfärbung – der Fehler zutage tritt. Die möglichen Ursachen können jedoch<br />
bereits im Frühstadium der Prozeßkette erfolgt sein, im Extremfall bereits<br />
durch Unregelmäßigkeiten bei der Polymerherstellung.<br />
Auf die physikalischen Eigenschaften des eigentlichen Polyamid-Vorlagegarns<br />
wie z.B. die Festigkeit haben die Ursachen, die zur Streifigkeit führen<br />
können, in der Regel keine Auswirkungen. So gesehen ist die Streifigkeit<br />
lediglich in der textilen Welt für Polyamid ein ernstes Problem; in anderen<br />
wichtigen Anwendungsgebieten dieses Polymers wie zum Beispiel im Bereich<br />
der technischen Faseranwendungen (Reifencord, Fischnetze, etc.) oder im<br />
Werkstoffbereich sind optische Eindrücke zweitrangig. Das menschliche Auge<br />
bzw. der Kunde stellt an Flächengebilde, die aus synthetischen Garnen hergestellt<br />
wurden, hohe Anforderungen an die optische Gleichmäßigkeit. Bei<br />
Stoffen und textilen Konstruktionen, die aus reinen Naturfasern wie Baumwolle<br />
oder Wolle bzw. Mischungen von Naturfasern mit synthetischen Komponenten<br />
hergestellt wurden, werden Unregelmäßigkeiten als Begleiterscheinung<br />
eines Naturprodukts akzeptiert und toleriert.<br />
Betroffen vom Phänomen der Streifigkeit sind beide Polyamidtypen, die<br />
größere Bedeutung erlangt haben; PA 6 als auch PA 66. Die geschätzten<br />
Schäden der Polyamid Textilindustrie durch Reklamationen wegen Streifigkeit<br />
belaufen sich auf jährlich ca. 50 Mio USD. Aufgrund der großen Bedeutung<br />
des Problems für die Hersteller von Polyamid als auch für die Garnproduzenten,<br />
Weiterverarbeiter, Färber, Veredler und sonstige involvierte Zwischenstufen<br />
sind eine Vielzahl von Publikationen veröffentlicht worden, die die theoretischen<br />
Ursachen der Streifigkeit in ihrer ganzen Komplexität behandeln und<br />
die im folgenden Kapitel 2 zusammengefaßt wiedergegeben werden.<br />
Die hier vorgestellte Arbeit verfolgt den Ansatz, das Auftreten der Streifigkeit<br />
durch Online Analyse des Spinnprozesses qualitativ und wenn möglich<br />
quantitativ abzuschätzen.
1 Einleitung 2<br />
Daß mit diesem Ansatz nur ein Teilbereich des Streifigkeitsaspektes behandelt<br />
werden kann, ergibt sich aus der bereits erwähnten und im folgenden<br />
näher beschriebenen Komplexität des Gesamtthemas „Streifigkeit“.<br />
Es ergeben sich folgende Fragestellungen:<br />
• gibt es signifikante Abweichungen einzelner Betriebsparameter während<br />
des Spinnprozesses?<br />
• können diese Abweichungen in Bezug zur Streifigkeit gesetzt werden?<br />
• welche physikalischen Größen sind entscheidend?<br />
• welche Größenordnung von Störungen sind relevant?<br />
• beeinflussen sich verschiedenartige Störgrößen untereinander?<br />
• wie reagieren verschiedene Polymere auf unterschiedliche Störgrößen?<br />
• ist es möglich, anhand gemessener Daten der Spinnlinie eine Prognose<br />
bezüglich der Streifigkeitsneigung des hergestellten Produkts abzugeben?<br />
Durch eine umfangreiche Online-Instrumentierung einer Hochgeschwindigkeits-Spinnanlage<br />
sowie dem Einsatz einer dazu passend entwickelten Erfassungs-<br />
und Auswertesoftware sollen typische Betriebszustände erfaßt und<br />
analysiert werden. Durch statistische Funktionen werden systematisch<br />
Fehlerquellen lokalisiert und in ihren Auswirkungen abgeschätzt.
3 2 Grundlagen<br />
2. Grundlagen<br />
2.1 Allgemeine Ursachen der Streifigkeit<br />
Eine Literaturrecherche zum Thema Streifigkeit bei Polyamidfaserherstellung<br />
ergibt folgende Sachlage:<br />
• Streifigkeit von Polyamiden ist ein rein „textiles“ Thema und entsprechende<br />
Beiträge sind nur in textilen, fasertechnischen und textilchemischen<br />
Publikationen veröffentlicht.<br />
• Veröffentlichungen zum Thema „Streifigkeit“ beziehen sich überwiegend<br />
auf den färberischen und chemischen Teilaspekt des Problems.<br />
• Morphologische und physikalische Ansätze zur Analyse des Streifigkeitsproblems<br />
beziehen sich in der Regel auf offline-Messungen von<br />
Garnen.<br />
• Meßtechnische Online-Ansätze werden in der Literatur beschrieben [70],<br />
[71], [72], [85], [86], [87], [88], [90]. Aufgrund der dominierenden Stellung<br />
von Polyester auf dem Weltmarkt für Synthesefasern ist dieses Polymer<br />
überwiegend Gegenstand der Untersuchungen. Veröffentlichungen von<br />
Online-Messungen an Polyamidfasern zur Aufklärung von Streifigkeitsphänomenen<br />
wurden nicht gefunden.<br />
Die folgenden Seiten geben den derzeitigen Wissenstand zum Thema<br />
„Streifigkeit bei Polyamid Fasern“ wider.<br />
Textile Flächengebilde werden, von Vliesstoffen abgesehen, nach verschiedenen<br />
Methoden aus einer Vielzahl von endlosen Fäden oder Garnen so hergestellt,<br />
daß ein geometrisch gleichmäßiger Aufbau entsteht, in dem jedes<br />
einzelne Filament eine definierte Lage einnimmt. Die Vorzugsrichtungen<br />
dieser Fäden sind fast immer senkrecht und waagerecht; zum Beispiel bei<br />
einem Gewebe (Bild 2.1) die Richtungen von Kette und Schuß, bei einer Wirkware<br />
(Bild 2.2) die der Stäbchen und Maschenreihen.<br />
Bild 2.1: Typisches PA Gewebe (78 dtex) mit einem Flächengewicht von 110 g/m2 und<br />
einer Maschendichte von 28/cm
2 Grundlagen 4<br />
Bild 2.2: Typische PA Wirkware (78 dtex) mit einem Flächengewicht von 105 g/m2 und<br />
einer Maschendichte von 23/cm<br />
Es ist verständlich, daß bei einem so regelmäßigen Aufbau jede Abweichung<br />
in der Geometrie der Fläche sofort vom Auge als Streifigkeit in Längs- oder<br />
Querrichtung erkannt wird. Wenn eines der am Aufbau beteiligten Elemente in<br />
seiner Dicke oder Querschnittsform abweicht, die Anzahl der Fäden pro cm<br />
unterschiedlich ist, ferner die Abstände von Faden zu Faden variieren, so äußert<br />
sich der Fehler als Streifigkeit [9]. Eine weitere Ursache liegt darin, daß<br />
einzelne Elemente, aus denen die Fläche aufgebaut ist, in der Remission von<br />
den anderen abweichen.<br />
Im Gegensatz zu einer glatten Papier- oder Folienbahn setzt sich die<br />
Remission einer textilen Oberfläche aus einer Vielzahl von partiellen Lichtströmen<br />
zusammen, die von den feinen Einzelkapillaren der Fäden oder<br />
Garne in alle Richtungen des Raumes reflektiert werden. Das menschliche<br />
Auge summiert diese punktförmigen Lichtströme, so daß bezüglich Helligkeit,<br />
Farbe, Glanz usw. ein einheitlicher Gesamteindruck der ganzen Fläche entsteht.<br />
Auch die Farbstreifen setzen sich aus einzelnen Punkten zusammen,<br />
denn sowohl bei Geweben als auch bei Gewirken kommen von einem Faden<br />
immer nur kurze Stücke an die Oberfläche und werden dann wieder von einem<br />
anderen verdeckt. Das Auge kann jedoch diese Punktfolge nicht auflösen<br />
und offeriert dem Betrachter deshalb durchgehende Streifen. Aus diesem<br />
Grunde sieht man die Streifigkeit einer Ware meistens viel deutlicher, wenn<br />
man sie von einer gewissen Entfernung über ein größeres Stück hin betrachtet.<br />
Je näher man mit dem Auge herangeht, um so undeutlicher werden die<br />
Streifen und gewöhnlich sind sie schon bei einer kleinen Vergrößerung, zum<br />
Beispiel bei Betrachtung mit einer Lupe völlig verschwunden. Die beiden folgenden<br />
Bilder 2.3 und 2.4 sollen diesen Sachverhalt verdeutlichen. Dargestellt<br />
ist das gleiche Gewebe im Abstand von ca. 30 cm sowie in 10-facher<br />
Vergrößerung.
5 2 Grundlagen<br />
dunkle<br />
Streifen<br />
Bild 2.3: Ausgeprägte Streifigkeit eines PA-Gewebes (44 dtex)mit einem Flächengewicht<br />
von 330 g/m2 und einer Maschendichte von 25/cm.<br />
Bild 2.4 zeigt das gleiche Gewebe an einer besonders stark ausgeprägten<br />
Streifigkeitsstelle in 10-facher Vergrößerung. Die Streifigkeit kann vom<br />
menschlichen Auge nicht mehr aufgelöst werden.<br />
Bild 2.4: Gleiches Gewebe in 10-facher Vergrößerung<br />
helle<br />
Streifen
2 Grundlagen 6<br />
Unterschiede in der Remission können nun entweder auf einer unterschiedlichen<br />
Lichtabsorption K oder Lichtstreuung S beruhen. Nach Kubelka und<br />
Munk [10] besteht zwischen der monochromatischen Remission R sowie K<br />
und S folgende Beziehung:<br />
K<br />
S<br />
( 1 − R)<br />
2R<br />
2<br />
= Gl. (2.1)<br />
Die Lichtabsorption K wird in Textilien überwiegend von der aufgenommenen<br />
Farbmenge bestimmt; je größer K ist, um so kleiner ist die Remission R. Bei<br />
der Lichtstreuung S ist es umgekehrt: Mit zunehmender Lichtstreuung S wird<br />
die Remission R größer, die Fläche wird heller.<br />
Generell ist wiederum anzumerken, daß es viele weitere Ansätze zur „objektiven“<br />
Beurteilung von Streifigkeit gibt. Kaufmann [11], [79] unterscheidet<br />
zwischen der visuellen und der objektiven Beurteilung. Die Grundlage der<br />
visuellen Beurteilung ist das Erscheinungsbild. Das zu untersuchende<br />
Flächengebilde wird zu diesem Zweck auf eine um etwa 45° geneigte Unterlage<br />
(Reflexionsgrad etwa 3%) gelegt und bei Tageslicht (Nordhimmel) visuell<br />
beurteilt, indem die Häufigkeit und Farbunterschiede der hellen und dunklen<br />
Streifen zu einer Farbstreifigkeitsnote zusammengefaßt werden. Der<br />
Graumaßstab wird zum Bewerten der Änderung der Farbe herangezogen.<br />
Für eine objektive Beurteilung der Farbstreifigkeit schlägt der Autor ein optisches<br />
Meßgerät, welches nach dem Helligkeitsverfahren oder nach einem<br />
modifizierten Spektralverfahren arbeitet (zum Beispiel Elrepho 3880, Texflash,<br />
Vibrochrom oder Leukometer). Physikalische Grundlagen sind die CIELAB<br />
bzw. die ANLAB Formeln [12] sowie die Weber-Fechnerschen Gesetze [13],<br />
[14]. Wegen der komplexen Theorie, die den optischen Meßprinzipien zugrunde<br />
liegt, soll an dieser Stelle die Abhandlung nicht weiter vertieft werden.<br />
Aufgrund vorliegender Erfahrungen läßt sich die subjektive Streifigkeitsbeurteilung<br />
durch das menschliche Auge nicht komplett ersetzen. Langjährige<br />
Reklamationsbearbeitungen zeigen ebenfalls stark unterschiedlich ausgeprägte<br />
Toleranzgrenzen verschiedener Gutachter gegenüber der Streifigkeit.<br />
Was bei Anlegen strenger Maßstäbe bereits zu einer Reklamation führen<br />
kann wird bei weniger kritischen Anwendungen oft gar nicht wahrgenommen.<br />
Aus diesen Gründen wird auch in dieser Arbeit die Streifigkeit hauptsächlich<br />
visuell beurteilt.<br />
In der Literatur finden sich seit den frühen 50er Jahren, als Polyamid sich<br />
weltweit als synthetische Faser durchsetzte, eine Vielzahl von Beiträgen zum<br />
Thema „Streifigkeit“, die in der Regel das Problem aus einer spezifischen<br />
Sicht, zum Beispiel des Färbers, analysieren [1], [67], [81], [82], [83], [84].<br />
Arbeiten dieser Art versuchen häufig das auftretende Phänomen der<br />
Streifigkeit durch färbetechnisches Know How ohne genaue Kenntnis der<br />
eigentlichen Ursache zu überwinden, z.B. durch Entwicklung einfacher<br />
Verfahrenstechniken im Kontinueverfahren. Die Verwendung von Textilhilfs-<br />
mitteln spielt bei Lösungsansätzen dieser Art eine große Rolle [3], [4], [5], [6],<br />
[81], [82], [83].
7 2 Grundlagen<br />
Es gibt Arbeiten über den Einfluß des Farbstoffdiffusionskoeffizienten auf die<br />
Überdeckung von strukturbedingter (Dehnungsunterschiede im Garn) Streifigkeit<br />
im Gewebe [7], [80]. Solche Ansätze sind durchaus geeignet, mehr oder<br />
weniger stark ausgeprägte Streifigkeit zu überdecken, lösen jedoch das prinzipielle<br />
Problem nicht. Zudem ist beim stark ausgeprägtem Preisdruck in der<br />
Synthesefaserindustrie die Hauptforderung auch an die Veredlungsstufen<br />
eine einfache Handhabung sowie möglichst effiziente und kostengünstige<br />
Färbung.<br />
Bild 2.5 auf der folgenden Seite [15], [4] gibt einen Überblick über die<br />
mögliche Ursache einer Streifigkeit in einer Baumstruktur dargestellt. Die<br />
Ursachen der Streifigkeit werden im wesentlichen in zwei Teilaspekte<br />
aufgeschlüsselt:<br />
• Färbbarkeit<br />
Ein oder mehrere Fäden unterscheiden sich in der Farbstoffaffinität von<br />
den anderen mitverarbeiteten Fäden<br />
• Geometrie<br />
Ein oder mehrere Fäden zeigen eine abweichende Kräuselung, Dicke<br />
oder Querschnittsform als die anderen Fäden
2 Grundlagen 8<br />
Rohgarnherstellung<br />
chemische<br />
Unregelmäßigkeiten<br />
(z.B.<br />
Aminoendgr.)<br />
Polymerunregelmäßigkeiten<br />
Präparation der<br />
Garne<br />
physikalische<br />
Unregelmäßigkei<br />
ten (z.B.Uster)<br />
Verstreckungsunterschiede<br />
Kristallinität<br />
Farbungleichmäßigkeit<br />
Färbbarkeit Geometrie<br />
Texturierbedingungen <br />
Temperaturunterschiede<br />
beim<br />
Heat-Setten<br />
Fadenspannungs<br />
unterschiede<br />
Spulölauftrag<br />
Färbemethode<br />
Farbstoffauswahl<br />
Hilfsmittel<br />
Auswaschvorgang<br />
Weiterverarbeit<br />
-ung zum<br />
Flächengebilde<br />
Rohgarnherstellung<br />
Bild 2.5: Schematische Darstellung von Streifigkeitsursachen<br />
Titerdifferenzen<br />
Mattierung<br />
Querschnitt<br />
Textur<br />
Kräuselung<br />
Spulfehler<br />
Wirkfehler<br />
Maschendichte<br />
Wirkspannung<br />
Fadenlauflängen<br />
Weiterverarbeit<br />
-ung zum<br />
Flächengebilde
9 2 Grundlagen<br />
Ein differenzierterer Ansatz wird im folgenden verfolgt [16]. Dazu werden<br />
mögliche streifigkeitsverursachende Faktoren in Anlehnung an Truslow [17] in<br />
vier Ursachengruppen eingeteilt:<br />
1. chemische Ursachen<br />
2. physikalische Ursachen<br />
3. strukturelle Ursachen<br />
4. unsachgemäße Arbeiten in der Vorbehandlung und/oder in der<br />
Färberei<br />
2.2 Chemische Ursachen<br />
Unter chemischen Ursachen versteht man im wesentlichen Schwankungen im<br />
Aminoendgruppengehalt von Polyamiden. Der Aminoendgruppengehalt ist<br />
eine entscheidende Größe für das Färbeverhalten dieser Polymere, da die<br />
überwiegend verwendeten Säurefarbstoffe bzw. Metallkomplexfarbstoffe sich<br />
chemisch an die Aminoendgruppen binden und somit deren Zahl den Färbevorgang<br />
entscheidend beeinflußt [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [80], [81],<br />
[82], [83], [84].<br />
Dabei sprechen die Säurefarbstoffe – zahlenmäßig die größte Klasse der Polyamidfarbstoffe<br />
[27], [43] – auf Unterschiede im Aminoendgruppengehalt an,<br />
wobei das Aufziehen von Farbstoffen mit weniger Sulfonsäuregruppen im<br />
Molekül auch weniger vom Aminoendgruppengehalt abhängig ist als die Aufnahme<br />
der gleichen Farbstoffe mit höherer Sulfonsäuregruppenzahl [25].<br />
Große Unterschiede in der Farbtiefe zeigen die Säurefarbstoffe bei physikalischen<br />
Faserunregelmäßigkeiten. Je höher der Diffusionskoeffizient des Farbstoffes,<br />
desto größer ist seine Neigung, physikalische Unterschiede auszugleichen<br />
[7].<br />
Metallkomplexfarbstoffe, die allgemein die besten Echtheitseigenschaften<br />
aufweisen, reagieren sehr empfindlich auf chemische und physikalische Unregelmäßigkeiten,<br />
vor allem die stark sauer färbenden Typen. Aus diesem<br />
Grunde wurde in dieser Arbeit auch ein Vertreter dieser Farbstoffklasse gewählt:<br />
ACIDOL®-Schwarz. Bei der Färbung mit Dispersionsfarbstoffen, die<br />
weltweit bei Polyamid vor allem aufgrund ihrer geringeren Echtheiten gegenüber<br />
den Säure- und Metallkomplexfarbstoffen nur eine untergeordnete Rolle<br />
spielen, haben die Aminoendgruppen und deren Zugänglichkeit keinen Einfluß<br />
auf die Färbung. Die Einlagerung des Farbstoffes ins Polyamid geschieht<br />
auf anderem Wege: es handelt sich um einen Lösungsvorgang des Farbstoffes<br />
in die Trägermatrix des Polymers [39], [40], [41], [42]. Aus diesem<br />
Grunde sind Dispersionsfarbstoffe für chemisch verursachte Streifigkeitsuntersuchungen<br />
ungeeignet [25], [26], [27], [28]. Generell gilt für die drei oben<br />
erwähnten Farbstoffklassen, daß höhere Naßechtheiten mit zunehmender<br />
Streifigkeitsneigung einhergehen. Andere Farbstoffe wie zum Beispiel<br />
- Reaktivfarbstoffe<br />
- Schwefelfarbstoffe<br />
- Küpenfarbstoffe<br />
- Pigmentfarbstoffe
2 Grundlagen 10<br />
spielen für das Polyamidfärben keine nennenswerte Rolle.<br />
Für die Konstanz der Aminoendgruppen im Polyamid ist primär der Polymerhersteller<br />
verantwortlich. Unterschiedliche Polymerisationstechniken sowie<br />
Verwendung verschiedenster Kettenregler haben darauf Einfluß. Die in dieser<br />
Arbeit untersuchten textilen Standard Polyamide der Viskositätsklasse 2.4<br />
(= relative Viskosität 2.4 in 96%iger Schwefelsäure) haben für den Gehalt an<br />
Aminoendgruppen eine sehr enge Spezifikation festgelegt. Ein Schwanken<br />
der Aminoendgruppen als Ursache für Streifigkeit kann bei spezifikationsgerechten<br />
Produkten somit ausgeschlossen werden. Dies wird auch von<br />
anderen Autoren so gesehen [27], [28], [29], [30], [31].<br />
Ein weiterer Aspekt ist die Reduzierung der Aminoendgruppen im gesponnenen<br />
Faden, hervorgerufen durch ungünstige Herstell- und Weiterverarbeitungsbedingungen.<br />
In der Literatur wird als Beispiel der Vorgang der Heißluftfixierung<br />
genannt, der eine Abnahme der Aminoendgruppen im Faden bewirken<br />
kann. Im ungünstigsten Fall schwankt der Grad der Reduzierung und<br />
liefert somit beste Voraussetzungen für Streifigkeit [32], [33]. Die Reduktion<br />
hängt von den Fixierbedingungen ab. Bei einer Fixierung über 200 °C tritt die<br />
Abnahme recht schnell ein, bei Fixierbedingungen unter 200 °C erst nach<br />
längerer Hitzeeinwirkung. Erklärt wird dieser Vorgang mit einem oxidativen<br />
Abbau des Polyamids, wobei Kettenspaltung und daher eine Zunahme der<br />
Carboxylgruppen verbunden mit einer Abnahme der Aminoendgruppen<br />
eintritt. Andere Theorien [34], [35] gehen zusätzlich davon aus, daß durch die<br />
steigende Kristallinität der Faser bei der Heißluftfixierung Aminoendgruppen<br />
in die kristallinen Bereiche eingebaut und damit unzugänglich bzw. schwerer<br />
zugänglich werden, was zu einer verringerten Aufnahme von Säurefarbstoffen<br />
führen kann. Als Größenordnung werden 20-30 % der Aminoendgruppen<br />
genannt, die im kristallinen Bereich der Faser eingebaut und damit teilweise<br />
unzugänglich werden. Fasern mit gleichem Aminoendgruppengehalt können<br />
daher auch verschieden stark anfärben [36]. Dieser Effekt der unterschiedlichen<br />
Anfärbung trotz gleicher Aminoendgruppenzahlen kann ebenfalls auf<br />
dem Vorhandensein sekundärer und primärer Aminoendgruppen beruhen,<br />
was auf die Polymerisationstechnologie zurückzuführen sein kann (Art und<br />
Funktion des Kettenreglers).<br />
Nicht nur bei der Heißluftfixierung [66] als klassischem „Downstream“-Prozeß<br />
sondern auch im Spinnvorgang werden Aminoendgruppengehalte durch<br />
Hitzeeinflüsse reduziert. An erster Stelle ist dabei die Verweilzeit der heißen<br />
Schmelze im Spinnsystem zu nennen. Vom ersten Aufschmelzen der Chips<br />
im Extruder bis zum Austritt der Filamente aus den Spinndüsen vergehen<br />
typischerweise ca. 15-25 Minuten. In dieser Zeit findet bereits eine signifikante<br />
Reduktion der Aminoendgruppen statt, wie chemische Untersuchen am<br />
Gewölle (Garn, das direkt nach dem Austritt aus der Spinndüse entnommen<br />
wird) belegen. Bei ungünstiger Auslegung der Spinnanlage – unterschiedliche<br />
Verweilzeiten der einzelnen Positionen – kann somit durchaus ein Einfluß auf<br />
die Aminoendgruppengehalte der einzelnen Fäden unterstellt werden. In der<br />
Praxis legen allerdings alle namhaften Maschinenhersteller großen Wert auf<br />
kurze und homogene Anordnung der Schmelzeleitungen.
11 2 Grundlagen<br />
Ein weiterer thermobedingter Einfluß auf die Fadeneigenschaften kommt bei<br />
der Heiß-Relaxierung des Garns während des Spinnprozesses hinzu. Bei<br />
modernen Hochgeschwindigkeitsanlagen, wie z. B. der hier untersuchten<br />
EMS Inventa H4S Anlage werden die Garne in einem Verstreckvorgang zu<br />
einer für die textile Weiterverarbeitung ausreichenden Fadenfestigkeit<br />
gedehnt. Aufgrund des dadurch auftretenden hohen Schrumpfpotentials ist<br />
Relaxieren des Garnes bereits während des Spinnprozesses üblich. Diese<br />
Relaxation, die entweder durch Verweilzeit des Fadens auf heißen Galetten<br />
(ca. 160 °C) oder aber durch einen Dampfstoß auf de n durchlaufenden Faden<br />
in einer speziellen Dampfkammer (ca. 3 bar Überdruck, ca. 140 °C) erfolgt, ist<br />
ein integraler Bestandteil dieses FDY (Fully Drawn Yarn) – Prozesses. Bei<br />
beiden Relaxiermethoden können Aminoendgruppen des Garns thermisch<br />
abgebaut werden.<br />
Allerdings greift die rein chemische Betrachtungsweise, die lediglich die<br />
Menge an Aminoendgruppen im Garn als Kennzahl berücksichtigt, zu kurz.<br />
Sie muß im Zusammenhang mit den physikalischen Eigenschaften gesehen<br />
werden, die weitere Aspekte wie z.B. die Färbegeschwindigkeit und das Farbstoffaufnahmevermögen<br />
berücksichtigt. [34], [35], [37], [38], [80], [81], [82]<br />
2.3 Physikalische Ursachen<br />
Physikalische Eigenschaften des Garnes spielen auch im Zusammenspiel mit<br />
anderen Faktoren eine wichtige Rolle. Die unterschiedliche Orientierung des<br />
Garns – hauptsächlich beeinflußt durch den Abkühl- und Verfestigungsvorgang<br />
– kann bei gleicher Aminoendgruppenzahl durchaus unterschiedliche<br />
Anfärbeeffekte erzielen. Dies kann mit der Zugänglichkeit der Aminoendgruppen<br />
erklärt werden kann [36]. Färbegeschwindigkeit und Gleichgewichtswerte<br />
der Farbstoffaufnahme hängen auch von der physikalischen Struktur der<br />
Faser ab, für die die Einflüsse im Spinnschacht entscheidend sind:<br />
Die flüssige Schmelze (übliche Temperaturen 260°C-2 75°C für PA6, 290°C-<br />
305 °C für PA 66) wird mittels Zahnradpumpen unter hohem Druck (typischer<br />
Druck nach Spinnpumpe: 140 bar) durch ein in der Regel aus Metall- oder<br />
Sandpulver bestehendes Filterpaket gepreßt. Am unteren Ende des Filterpakets<br />
befinden sich die Spinndüsenplatten, aus denen der Austritt der Schmelze<br />
in den Blasschacht erfolgt. Dabei tritt das flüssige Polymer mit einer Austrittsgeschwindigkeit<br />
v0 unter Freistrahlbedingungen in den Blasschacht ein.<br />
Die Austrittsgeschwindigkeit v0 hängt von zwei Faktoren ab:<br />
• der Durchsatzmenge an Polymer<br />
• der Querschnittsfläche der einzelnen Düsenbohrung<br />
Bei Multifilamenten, die im textilen Bereich üblich sind, kann jedes Filament<br />
vom anderen bezüglich seiner Eigenschaften abweichen. So ergaben Lasermessungen<br />
(mit LDA Meßsystem wie in Kapitel 4.8 beschrieben) der Geschwindigkeit<br />
der einzelnen Filamente signifikante Geschwindigkeitsunterschiede<br />
bei gleichem Abstand von der Spinndüse. So können z.B. lokal<br />
unterschiedliche Abkühlbedingungen im Blasschacht je nach Geschwindigkeitsniveau<br />
mehr als 100 m/min Geschwindigkeitsdifferenz zwischen einzelnen<br />
Filamenten ausmachen. Eine gute Gestaltung der Düsengeometrie und
2 Grundlagen 12<br />
der geometrisch optimalen Anordnung der Düsenbohrungen sorgt für<br />
möglichst gleiche Abkühlbedingungen für jedes Filament und kann solche<br />
Effekte minimieren.<br />
Werden die Einzelfilamente mit einem bestimmten Profil erzeugt, zum Beispiel<br />
dem klassischen trilobalen Profil, der für bestimmte Textil- aber auch<br />
Teppichanwendungen charakteristisch ist, so können neben physikalischen<br />
Unterschieden auch Abweichungen in Form und Regelmäßigkeit der Querschnittsprofile<br />
hinzukommen. Diese Unterschiede im Querschnittsprofil der<br />
einzelnen Filamente verursachen Unterschiede im Reflexions- und Brechungsverhalten<br />
und sind klassische Fälle von „Lehrbuchstreifigkeit“. Das<br />
trilobale Profil wird aus zwei Gründen verwendet:<br />
• Im Teppichsektor sind neben optischen Effekten die höheren Biege-<br />
und Torsionssteifigkeiten eines solchen Profils gegenüber einem<br />
Rundprofil gefragt.<br />
• Darüber hinaus erzeugt ein trilobales Profil gewisse Reflexionseffekte,<br />
die vor allem im textilen Bereich erwünscht sein können. Diese<br />
Reflexionseigenschaften sind von der Profilform sowie dem<br />
verwendeten Polymer abhängig.<br />
Je nach Form des Querschnitts (vgl. Bild 2.6) wird das Licht unterschiedlich<br />
reflektiert, was entsprechende optische Konsequenzen hat [68].<br />
rund triangular trilobal<br />
Bild 2.6: Lichtreflexion in Abhängigkeit des Faserquerschnitts<br />
Das folgende Bild 2.7 zeigt eine vergrößerte Querschnittsaufnahme eines<br />
stark ausgeprägten trilobalen Profils:<br />
Die Form des Profils wird als Modification Ratio (MR) angegeben, wobei einfach<br />
für jedes einzelne Filament der Durchmesser des äußeren Kreises (hier:<br />
gelb) durch den des inneren Kreises (hier: rot) geteilt und das Verhältnis MR<br />
gebildet wird.
13 2 Grundlagen<br />
Bild 2.7: Garnquerschnitt und Modification Ration (MR)<br />
In dem gezeigten Beispiel liegt der MR-Wert deutlich über 2. Weichen Garne<br />
in ihren MR Werten signifikant (z.B. ΔMR > 0.03) voneinander ab, so kann<br />
sich durch unterschiedliche Lichtreflexion Streifigkeit im Gewebe bilden. Für<br />
die Form des Querschnittes sind neben der Viskositätsklasse des Polymers<br />
auch die Spinnbedingungen verantwortlich (z.B. der Grad der Abkühlung<br />
und/oder die Höhe der Schmelzetemperatur).<br />
Nach dem Austritt aus den Bohrungen ist die Polymerschmelze verschiedenen<br />
äußeren Einflüssen ausgesetzt, die sich auf die späteren Eigenschaften<br />
des fertigen Garns auswirken:<br />
• Abkühlung durch befeuchtete Blasluft<br />
• Feuchtigkeitsaufnahme<br />
• starke Spannungszunahme<br />
• ausgeprägte Verjüngung des Filamentquerschnitts, evtl. „Necking“-<br />
Effekte<br />
• starke Beschleunigung des Fadens und damit verbunden eine<br />
Orientierung der Molekülketten<br />
• spannungsinduzierte Kristallisation<br />
• Turbulenzen und aerodynamische Effekte<br />
• eventuelle gegenseitige Filamentberührungen<br />
• Kontakt mit fadenführenden Elementen (Öler)<br />
Unregelmäßigkeiten, die in diesem Prozeßschritt der Fadenverfestigung und<br />
Abkühlung auftreten, können die Ursache für spätere Streifigkeit sein, da das<br />
Polymer hier besonders sensibel auf äußere Einflüsse reagiert. Zur Verdeutlichung<br />
der extremen Eigenschaftsänderungen der gesponnenen Filamente
2 Grundlagen 14<br />
zeigen die beiden nächsten Abbildungen den Geschwindigkeitsverlauf sowie<br />
die Abnahme des Filamentradius aufgetragen über dem Abstand zur<br />
Spinndüse.<br />
Fadengeschwindigkeit [m/min]<br />
6000<br />
5000<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
0<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100 120 140<br />
Bild 2.8: Gemessener Geschwindigkeitsverlauf des Filaments in Abhängigkeit des Abstandes<br />
zur Spinndüse bei 5000 m/min Abzug und 0.4 m/s Blasluftgeschwindigkeit<br />
Filamentdurchmesser [µm]<br />
Abstand zur Spinndüse [cm]<br />
0 20 40 60 80 100 120 140<br />
Abstand zur Spinndüse [cm]<br />
Bild 2.9: Verjüngung des Filamentdurchmessers bei gleichen Bedingungen<br />
Der Fadenbildungsprozeß im Blasschacht findet auf einer textilen Spinnanlage<br />
üblicherweise auf einer Strecke von 1,5 – 2 m Länge statt, über einen<br />
Zeitraum von etwa 0,03 – 0,05 sec (beim Hochgeschwindigkeitsprozeß von<br />
5000 m/min Wickelgeschwindigkeit).
15 2 Grundlagen<br />
Das folgende Bild 2.10 zeigt den Fadenbildungsprozeß exemplarisch für eine<br />
Spinndüsenöffnung [68].<br />
kurze<br />
Moleküle (rot)<br />
orientierte kristalline<br />
Phasen<br />
Bild 2.10: Fadenbildung und kristalline Struktur<br />
langkettige Moleküle (blau)<br />
Kristallisation<br />
nichtorientierte<br />
(isotrope) amorphe<br />
Phasen<br />
orientierte amorphe<br />
Phasen<br />
Man geht dabei von einem 3-Phasen Modell des Polyamids aus. Je nach<br />
Spinnbedingungen und Polymerzusammensetzung bildet sich eine Fadenstruktur,<br />
die gekennzeichnet ist durch:<br />
• kristalline Teilblöcke<br />
• amorphe isotrope Bereiche<br />
• orientierte amorphe Phasen, die sich teilweise über mehrere kristalline<br />
Blöcke erstrecken und dabei auch partiell in das Kristallgitter<br />
eingebunden sind.<br />
Das folgende Bild 2.11 zeigt die Aufnahme eines Farbmoleküls durch die<br />
amorphe Phase einer Polyamid Faser:
2 Grundlagen 16<br />
kristallin<br />
orientiert<br />
amorph<br />
Bild 2.11: 3-Phasen Modell (Farbmolekül-Aufnahme):<br />
isotrop<br />
amorph<br />
Farbmolekül<br />
Eine einfache und praxisgerechte Bestimmung der Orientierung einer Faser<br />
geschieht mittels Doppelbrechung (s. Kap. 4.10). Die oben beschriebene<br />
Faserstruktur hat Einfluß auf die Anfärbeeigenschaften. Während die Farbstoffaufnahme<br />
überwiegend im amorphen Bereich der Faser geschieht wird<br />
der Farbstoff im orientiert amorphen Bereich stark abgebremst, was die<br />
Färbekinetik ändert. Der kristalline Teil ist für das Farbstoffmolekül undurchdringlich.<br />
Im weiteren Spinnprozeß kommt den Galettenpaaren (s. Kap 4.1) eine<br />
wichtige Rolle zu. Die Abzugsgeschwindigkeit der ersten Galette ist ein Prozeßparameter<br />
für die Fadenbildung. Auch die Oberflächenbeschaffenheit der<br />
Galette - damit verbunden Reibung, Fadenspannungsunterschiede, Geschwindigkeitsunterschiede<br />
durch Schlupf - kann den Spinnprozeß und damit<br />
die physikalischen Fadeneigenschaften beeinflussen. Bei der folgenden Verstreckung<br />
des Garns zwischen 2 oder 3 Streckgalettenpaaren wird der Faden<br />
zeitgleich relaxiert, um die bei der Verstreckung entstandenen Spannungen<br />
abzubauen und den Schrumpf in der Weiterverarbeitung zu minimieren. Dies<br />
geschieht entweder durch heiße Galetten oder durch eine Dampfkammer.<br />
Somit kommt im Falle der heißen Galetten neben der Oberflächenbeschaffenheit<br />
noch der Faktor Oberflächentemperatur als weitere Einflußgröße auf<br />
die Streifigkeitsneigung hinzu.<br />
Bei der hier untersuchten EMS Inventa Pilotspinnanlage wird der Faden durch<br />
eine Dampfkammer relaxiert. Die Dampfkammer sowie ihre Prozeßgleich-
17 2 Grundlagen<br />
mäßigkeit wird in dieser Untersuchung ebenfalls online überwacht. Nach dem<br />
heißen Verstreckvorgang wird der Faden dann, nach eventuellem Durchlaufen<br />
einer mit Druckluft betriebenen Verwirbelung, mittels eines Hochgeschwindigkeitswicklers<br />
auf Spulen gewickelt. Auch an diesen Stellen sind mechanische<br />
Einflüsse in wechselnder Intensität vorhanden, z.B. Einflüsse auf<br />
Fadenspannung im Prozeß durch Druckluftverwirbelung und ebenso eine<br />
mögliche mechanische Schädigung des Garns, die sich als Festigkeitsverlust<br />
manifestiert. Beim eigentlichen Wickelprozeß muß der Faden, um einen<br />
brauchbaren Spulenaufbau zu erzielen, changiert werden; auch hier sind<br />
starke mechanische Einflüsse auf das Garn vorhanden.<br />
Diese genannten Punkte sind in der eigentlichen Spinnerei potentielle Störgrößen<br />
und damit streifigkeitsrelevant. Weitere Aspekte der physikalischen<br />
Einflußnahme des Weiterverarbeitungsprozesses (Downstream) auf die Faser<br />
werden im folgenden der Vollständigkeit halber erwähnt, ohne daß diese<br />
Gegenstand der Untersuchung sind [16].<br />
Der mehrfach genannte mechanische Einfluß einer Verstreckung bzw. von<br />
Spannungsunterschieden im Garn tritt nicht nur im eigentlichen Spinnprozeß<br />
auf, sondern auch in den anschließenden Weiterverarbeitungsschritten. Die<br />
meisten dieser textilen Weiterverarbeitungsschritte laufen unter Spannung ab.<br />
Besonders wenn zu dieser Spannung noch der Einfluß von Hitze – wie zum<br />
Beispiel bei einem Fixiervorgang- hinzukommt, kann die Faser, obwohl im<br />
Spinnprozeß bereits ausreichend verstreckt, sehr empfindlich reagieren.<br />
Physikalisch kann man diese Spannungsdifferenzen unter Wärmeeinfluß als<br />
„Mini-Verstreckungen“ interpretieren.<br />
Der Fixiervorgang, eine Nachbehandlung nach der Verstreckung [44], wird im<br />
allgemeinen mit Heißwasser oder Sattdampf durchgeführt, um zusätzlich zur<br />
Fixierung des Fadens gleichzeitig die niedermolekularen Bestandteile zu<br />
entfernen. Daran kann sich zum Beispiel eine Texturierung anschließen. Erst<br />
dann kann das Polyamidmaterial in die Garn-, Gewebe- oder Gewirkeverarbeitung<br />
gehen. Die fertige Textilie wird zur Form- bzw. Dimensionsstabilisierung<br />
vor oder nach der Färbung erneut fixiert. Auf dem gesamten Wege<br />
von der Verstreckung bis zum fertigen Artikel gibt es viele Möglichkeiten, das<br />
Material ungewollt unterschiedlichen Spannungen auszusetzen, je heißer der<br />
Prozeßschritt desto stärker die Auswirkungen.<br />
Zu nennen sind Schritte wie Umspulen, Zwirnen, Weben und Wirken. In der<br />
Literatur [45] werden als Obergrenze für PA 66 Garne 0,2 g/den genannt, um<br />
die Anfärbbarkeit nicht zu beeinflussen. Andere Autoren [46], [47] machen<br />
Allgemeinaussagen, wonach alle feuchtwarmen Arbeitsgänge, bei denen die<br />
Fäden auf harten Spulen behandelt werden, von großem Einfluß auf Ungleichmäßigkeiten<br />
im Material sind. Clarke [48] sieht die Spannungsschwankungen<br />
bei der Kettbaumbewicklung als potentielle Streifigkeitsverursacher.<br />
Auch das Schären wird als als Ursache genannt, wenn aufgrund<br />
von defekten Fadenleitorganen oder Verklebungen einzelner Fäden<br />
Spannungsspitzen auftreten [49]. Ähnliche Fehlerursachen sind auch in der<br />
Weberei anzutreffen: Spannungschwankungen als Folge verschmutzter<br />
Litzen und Riete oder bei Überdehnungen durch zu starke Fadenauslenkung<br />
bzw. zu starken Spulspannungen [49], [50]. Diese Überdehnungen, die
2 Grundlagen 18<br />
sich meist in einem streifigen Warenbild äußern, können meist im Labor als<br />
Dehnungsunterschiede der Fäden nachgewiesen werden.<br />
Auch die, neben Wirken und Weben, dritte Methode der textilen Flächenbildung,<br />
die Strickerei bietet Fehlerpotential: Unterschiede in den Einlaufspannungen<br />
oder Spannungsschwankungen -verursacht durch unterschiedlich<br />
eingestellte Fadenbremsen- sind oftmals Ursache für Streifigkeit [51]. Derartige<br />
Differenzen wirken sich besonders stark bei der Verarbeitung von elastischen<br />
Garnen (Polyurethan-basierende Garne mit hohen Dehnungen und<br />
Elastizitäten „Spandex“, „Elasthan“, „Dorlastan ® “, „Lycra ® “) aus, da diese<br />
noch empfindlicher auf die erwähnten Spannungsunterschiede beim Verarbeiten<br />
reagieren. Der weiter anhaltende Trend zu elasthanhaltigen Textilien<br />
aufgrund verbesserter Formstabilität verschärft damit das Problem der Streifigkeit.<br />
Abschließend soll nochmals der Einfluß des Fixiervorganges auf die Streifigkeitsanfälligkeit<br />
des Polyamids eingegangen werden. Beim Fixierprozeß muß<br />
zunächst differenziert werden, mit welchem Medium der Prozeß erfolgt (Heißluft,<br />
Heißwasser, Sattdampf) und in welchem Zustand sich das Garn dabei<br />
befindet (spannungslos oder gespannt). Alle drei Behandlungsmedien erhöhen<br />
die Dichte und die Kristallinität des Polyamids, wobei die Behandlung<br />
unter Feuchtigkeitszugabe wesentlich wirksamer ist als die reine Heißluftfixierung<br />
[52], [34].<br />
Durch eine Heißluftfixierung wird die Färbegeschwindigkeit mit steigender<br />
Fixiertemperatur zunächst herabgesetzt, durchläuft ein Minimum und steigt<br />
dann wieder an [52], [53], [54]. Der Wiederanstieg der Farbstoffaufnahme<br />
bzw. der Färbegeschwindigkeit bei höheren Fixiertemperaturen wird mit<br />
einem Ansteigen des inneren Volumens erklärt [55]. Für die Lage des<br />
Minimums existieren in der Literatur unterschiedliche Angaben.<br />
Bei Heißwasserfixierung bis ca. 130 °C zeigt sich e in ähnliches Bild [52]. Im<br />
Gegensatz hierzu erhöht die Sattdampffixierung die Färbegeschwindigkeit<br />
erheblich. Zusätzlich zum rein thermischen Einfluß der Fixierung muß die<br />
bereits erwähnte verstärkte Sensibilität des Materials auf Spannungsunterschiede<br />
berücksichtigt werden. Die Fixierung unter Spannung verstärkt die<br />
Orientierung der Kristallite bei gleichbleibender Gesamtkristallinität [35].<br />
Zum Abschluß dieses Kapitels sollte auch der Texturierprozeß noch genannt<br />
werden, der ebenfalls unter einer kurzfristigen, starken Erhitzung des Garnes<br />
abläuft. Ziel des Prozesses ist eine Bauschung des Fadens, der in der Regel<br />
durch eine „Falschdrahttexturierung“ erreicht wird. Auch in diesem Falle<br />
reagiert das Garn extrem sensitiv auf Spannungsunterschiede.<br />
Einzelne Elemente der Weiterverarbeitungsschritte sind des öfteren Gegenstand<br />
umfangreicher Untersuchungen gewesen. Hauptaugenmerk solcher<br />
Untersuchungen war fast immer die Fadenspannung während des Prozesses.<br />
Viele Hersteller bieten bereits in die Maschinen integrierte Online-Spannungsmeßsensoren<br />
an. Damit kann zumindest eine vernünftige Prozeßüberwachung<br />
gesichert werden.
19 2 Grundlagen<br />
2.4 Strukturelle Ursachen<br />
Unter strukturellen Ursachen versteht man Unregelmäßigkeiten im Aufbau<br />
des textilen Flächengebildes, welches beim Auge des Beobachters den Eindruck<br />
der Unruhe oder Streifigkeit verursacht. Unterschiede in der Fadenstärke<br />
der verwendeten Materialien können im fertigen Gewebe ungewünschte<br />
Effekte erzeugen. Das nachfolgende Beispiel verdeutlicht eine<br />
solche Strukturstreifigkeit [68]:<br />
dunkle Streifen<br />
helle Streifen<br />
Bild 2.12: Strukturunregelmäßigkeit einer PA Strickware (78 dtex) mit einem Flächengewicht<br />
von 101 g/m 2<br />
Im folgenden sollen einige typische Beispiele genannt werden. Die eventuell<br />
zugrundeliegenden physikalischen Ursachen werden im Rahmen dieser Arbeit<br />
untersucht, sofern sie auf Unregelmäßigkeiten des Spinnprozesses zurückzuführen<br />
sind.<br />
• unterschiedliche Schrumpfwerte von Schußfäden im Gewebe führen zu<br />
einer unregelmäßigen Oberflächenstruktur. Stärker geschrumpfte Anteile<br />
führen im Gewebe aufgrund geringerer Streulichtanteile zu dunkleren<br />
Stellen [8].<br />
• Verzerrungen im Maschenbild einer Strickware aufgrund falsch eingestellter<br />
oder schlecht gewarteter Strickmaschinen [55], [56].<br />
• Unterschiede im Bauschcharakter eines Fadens (z.B. „tight spots“) aufgrund<br />
nicht optimaler Texturierung.<br />
• unregelmäßig eingestellte Maschenreihen aufgrund fehlerhafter Nadeleinstellung<br />
an einer Flachstrickmaschine. [57]<br />
Die strukturellen Fehlermöglichkeiten umfassen den gesamten Prozeß der<br />
textilen Flächenbildung. Der anhaltende Trend zur Verarbeitung von Elasthan-
2 Grundlagen 20<br />
garnen als formgebendes Medium erhöht die Anfälligkeit von Flächengebilden<br />
gegenüber der strukturellen Streifigkeit sicherlich nochmals. Bei Verwendung<br />
von Elasthanen, sei es als Umwindegarn (Kern Elasthan, Mantel<br />
Polyamid) oder einfach als mitlaufender Faden kommt es aufgrund unterschiedlicher<br />
Elastizitätseigenschaften immer wieder zu unerwünschten<br />
Nebeneffekten bei Downstream- und Veredlungsprozessen. Unterschiedliches<br />
Färbeverhalten zwischen Elasthanen und Polyamid können die Sache<br />
zusätzlich erschweren.<br />
Strukturelle Ursachen können bei Untersuchungen im Textillabor häufig durch<br />
einen Hitzeabdruck festgestellt werden. Dazu wird ein Flächengebilde mit<br />
einer empfindlichen Wachsfolie unter Temperatur mit einem bestimmten<br />
Druck zusammen gepreßt. Die Strukturstreifigkeit kann anschließend auf dem<br />
Wachsabdruck wiedererkannt werden. Struktur und Form der Streifigkeit<br />
sollten zwischen Abdruck und dem optischen Eindruck im Gewebe übereinstimmen.<br />
Anschließend erfolgt dann die physikalische und chemische<br />
Untersuchung der hellen und dunklen Stellen, evtl. unter Herauslösen des<br />
Elasthananteils. Mikroskopaufnahmen vervollständigen die Untersuchung.<br />
2.5 Fehler in der Vorbehandlung und/oder Färberei<br />
Auch hier werden - der Vollständigkeit halber – Aspekte der Streifigkeit erwähnt,<br />
die für die Praxis durchaus von Belang sind, aber nicht Gegenstand<br />
dieser Untersuchung. Gemeint sind alle Prozeßschritte, die im Rahmen der<br />
Vorbehandlung und der eigentlichen Färberei potentiell Streifigkeit oder Wolkigkeit<br />
[Def. Wolkigkeit: großflächige Farbunterschiede in einem Textil] auslösen<br />
können oder zumindest ein vorhandenes Streifigkeitspotential verstärken.<br />
Die Palette der Fehlermöglichkeiten reicht von ungenügender Wäsche über<br />
mangelhaftes Entschlichten bis hin zur Auswahl ungeeigneter Zusätze und<br />
Hilfsmittel in ungeeigneten Konzentrationen. Verweilzeiten, Temperaturen und<br />
mechanische Einflüsse kommen ebenfalls in Betracht. Es sei an dieser Stelle<br />
auf die Literatur hingewiesen, da diese Fehlerquellen nicht Gegenstand der<br />
Untersuchung sind [58], [59], [60], [61], [62], [4].
21 3 Untersuchte Werkstoffe<br />
3. Untersuchte Werkstoffe<br />
3.1 Klassifizierung der untersuchten Polyamide<br />
In Kapitel 3.2 sind die Werkstoffkennwerte der untersuchten Werkstoffe<br />
tabellarisch dargestellt. Es handelt sich um handelsübliche Ultramid ® Spinnpolymere<br />
der BASF SE (PA 6, PA 66) aus aktuellen Produktionschargen<br />
sowie um PA 6 Typen aus asiatischen Quellen. Für die PA 6-Typen der BASF<br />
Marke Ultramid ® wird im folgenden auch der Ausdruck N-Polymere verwendet.<br />
• das verwendete PA 6 gehört zu der Gruppe von Polyamiden, die aus<br />
X-Aminosäuren oder deren Lactamen hergestellt und durch das<br />
Kurzzeichen PA Z gekennzeichnet werden. Die Polymere dieser Typen<br />
haben die Form [NH - (CH2)x - CO]n.<br />
Beispiele sind das Polycaprolactam (PA 6), Poly-11-aminoundecanamid<br />
(PA 11) und das Polylaurinlactam (PA 12). Die Zahl Z gibt<br />
hierbei die Position der CO-Gruppe in der Kohlenstoffkette an, es gilt<br />
folglich x=Z-1, also ist beim PA 6 x=5.<br />
• das verwendete PA 66 gehört zu den aliphatischen Polyamiden (PA Z1<br />
Z2) aus unverzweigten Diaminen und Dicarbonsäuren. Deren Polymere<br />
haben die Form [NH - (CH2)x - NCHO - (CH2)y - CO]n.<br />
Beispiele hierfür sind das Polytetramethylenadipinamid (PA 4.6), das<br />
Polyhexamethylenadipinamid (PA 6.6) und das Polyhexamethylensebacinamid<br />
(PA 6.10). Es gilt x=Z1 und y=Z2-2.<br />
Die Spinnparameter waren für alle PA 6 Typen identisch, für PA 66 wurde<br />
eine 30 °C höhere Spinntemperatur gewählt.<br />
3.2 Werkstoffkennwerte der untersuchten Polyamide<br />
Werkstoff Bezeichnung BASF BS 403 N BASF AS 2503 Chainlon 2.5 Lipolon 2.5 Zisamide 2.5<br />
Werkstoff Typ PA 6 PA 66 PA 6 PA 6 PA 6<br />
Relative Viskosität [96% H2SO4] 2.43 2.51 2.48 2.43 2.43<br />
Aminoendgruppen [mmol/kg] 43 44 53 44 39<br />
Karboxylendgruppen [mmol/kg] 69 80 43 82 72<br />
Relative Schmelzviskosität (15 min) 2.48 (270°C) 2.59 (290°C) 2.58 (270°C) 2.64 (270°C) 2.54 (270°C)<br />
Schmelzviskosität (15 min) [dPas] 900 (270°C) 780 (29 0°C) 1180 (270°C) 1430 (270°C) 1130 (270°C)<br />
Relative Schmelzviskosität (25 min) 2.49 (270°C) 2.59 (290°C) 2.60 (270°C) 2.70 (270°C) 2.57 (270°C)<br />
Schmelzviskosität (25 min) [dPas] 920 (270°C) 780 (29 0°C) 1220 (270°C) 1610 (270°C) 1240 (270°)<br />
Extrakt [%] 0.34 0.3 0.63 0.41 0.89<br />
Wassergehalt [%] 0.034 0.980 0.045 0.053 0.055<br />
TiO2-Gehalt [%] 0.3 0.3 0.29 0.28 0.27<br />
Tabelle 3.1: Werkstoffkennwerte der untersuchten Polyamide
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 22<br />
4. Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
4.1 Die Schnellspinnanlage EMS Inventa H4S<br />
Bei der untersuchten Spinnanlage handelt es sich um eine textile Hochgeschwindigkeitsspinnanlage<br />
vom Typ EMS Inventa, die zur Herstellung vollverstreckter<br />
synthetischer Fasern aus Polyamid 6 und 6.6 verwendet wird. Der<br />
übliche Arbeitsbereich für Polyamid-Garne liegt zwischen 40-100 dtex bei<br />
5000 m/min Spinngeschwindigkeit. Es sind sowohl FDY (Fully Drawn Yarn)<br />
als auch POY/HOY (Partially Oriented Yarn/Highly Oriented Yarn) Prozesse<br />
möglich. Der schematische Aufbau sieht wie folgt aus.<br />
Extruder<br />
Spinnpräparation (Öler)<br />
Spinnbalken<br />
Schmelzestrom<br />
Faden<br />
Einzelne<br />
Filamente<br />
1. Galettenpaar<br />
2. Galettenpaar<br />
Dampfkammer<br />
Bild 4.1: Schematische Darstellung der Spinnanlage<br />
Wickler<br />
Die Hauptbaugruppen der Anlage werden im folgenden beschrieben.
23 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
Extruder<br />
Bild 4.2: Extruder<br />
Der Extruder besteht im wesentlichen aus einem Zylinder, in dem eine Welle<br />
mit aufgebrachtem Schraubengewinde läuft. Das Granulat wird über eine<br />
Rohrleitung dieser Schraubenwelle zugeführt. Durch die Schnecke wird das<br />
Granulat axial gefördert und durch außen angebrachte Heizbandagen sowie<br />
durch Scherung und Reibung auf flüssigen Zustand erhitzt (ca. 265–300°C).<br />
Dabei kommt der Scherung und Reibung der größere Anteil beim Aufschmelzen<br />
des Polyamids zu, da der Anteil der Heizbänder nur ca. 10-20% beträgt.<br />
Der übliche Betriebsdruck beträgt 60–120 bar.<br />
Durch das Aufschmelzen des Granulats und der dabei wirkenden Scherkräfte<br />
und Temperaturen kommt es im Polyamid zu einer Umamidierung und eines<br />
Aufbaus der Viskosität bei typischen, niedrigviskosen PA 6 Spinnpolymeren<br />
der Viskositätsklasse 2.4 (relative Viskosität des Polymers gemessen in 96<br />
%iger Schwefelsäure). Damit verbunden wird auch ein Anstieg des Extraktgehalts<br />
sowie ein Abbau der Aminoendgruppen beobachtet. In der folgenden<br />
Tabelle 4.1 sind typische Materialkennwerte für Polyamid 6 bei Verweilzeiten<br />
von 15 und 25 min dargestellt. Diese Verweilzeiten entsprechen der typischen<br />
Durchlaufzeit des Granulats vom Extrudereinzug bis zur Spinndüse:<br />
Granulat<br />
Extrudat<br />
(Verweilzeit 15 min)<br />
Extrudat<br />
(Verweilzeit 25 min)<br />
Rel.Viskosität 2.40 2.46 2.49<br />
Extrakt [%] 0.36 1.48 1.51<br />
Aminoendgruppen [mmol/kg] 41 38 38<br />
Tabelle 4.1: Werkstoffkennwerte für Granulat und extrudiertes Polyamid 6 (Ultramid<br />
BS 403 N) in Abhängigkeit der Verweilzeit
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 24<br />
Damit verbunden kommt es auch zu einer Verschiebung der Molmassenverteilung,<br />
wie im folgenden Bild 4.3 zu sehen ist:<br />
Relative Häufigkeit<br />
1,6<br />
1,4<br />
1,2<br />
1<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
0<br />
100 1.000 10.000 100.000 1.000.000<br />
Bild 4.3: Molekulargewichtsverteilung (Brechungsindex) für Granulat (rot), Extrudat nach<br />
15 min (grün) und Extrudat nach 25 min (blau)<br />
Es kommt lediglich zu einer Verschiebung der Kurve nach rechts, die Kurvenform<br />
und das Verhältnis des Zahlenmittels zum Gewichtsmittel bleibt unverändert,<br />
wie in Tabelle 4.2 dargestellt wird. Damit bleibt das Polymer bis auf<br />
einen leichten Viskositätsaufbau in seiner Struktur unverändert.<br />
Zahlenmittel<br />
Mn<br />
Molmasse [Da]<br />
Gewichtsmittel<br />
Mw<br />
Mw/Mn<br />
Extrudat (15 min) 22.000 62.000 2.8<br />
Extrudat (25 min) 22.000 62.000 2.8<br />
Granulat 20.000 56.000 2.8<br />
Tabelle 4.2: Zahlenmittel und Gewichtsmittel<br />
Für das in dieser Arbeit behandelte Problem der Streifigkeit haben die Verweilzeiten<br />
im Extruder bzw. im Gesamtsystem keine Auswirkungen. Der<br />
beobachtete Viskositätsaufbau sowie die Reduzierung der Aminoendgruppen<br />
läuft bei stabilen Extrusionsbedingungen in der Regel sehr gleichmäßig ab<br />
und beeinflußt die Anfärbung nicht. Unterschiedlich lange Verweilzeiten und<br />
unterschiedliche Scherbedingungen (z.B. durch Schwankungen des Extruderdrucks<br />
oder des Spinndüsendrucks) können dagegen sehr wohl Streifigkeit<br />
induzieren. Solche Phänomene wurde jedoch im Rahmen dieser Arbeit an der<br />
beschriebenen Spinnanlage nicht beobachtet.
25 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
Spinnbalken<br />
Bild 4.4: Spinnbalken mit 4 Düsenpaketen<br />
Der Spinnbalken (Spinnkopf) ist in einem Außenmantel mit Diphyldampf beheizt.<br />
Im Spinnkopf sind 2 Spinnpumpen angeordnet, die die Polymerschmelze<br />
den Spinndüsenpaketen zuführen. Aus den 4 Düsenpaketen tritt die<br />
Schmelze – durch Zahnradpumpen gefördert – in den Blasschacht und wird<br />
verstreckt und verfestigt.<br />
Blasschacht<br />
Der Blasschacht (Funktion: Anblasung der Filamente mit konditionierter Luft)<br />
befindet sich unterhalb der Spinndüsen und hat eine Länge von 2 m.<br />
Bild 4.5: Blasschacht mit 4 Fäden
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 26<br />
Im Blaschacht werden die Filamente befeuchtet sowie abgekühlt. Aufgrund<br />
der gleichzeitig stattfindenen Verfestigung des Fadens durch den starken Verzug<br />
(ausgelöst durch den Geschwindigkeitsunterschied zwischen der Abzugsgalette<br />
und der Geschwindigkeit des Fadens beim Düsenaustritt) findet<br />
parallel auch eine dehninduzierte Kristallisation statt.<br />
Die Befeuchtung des Fadens in diesem Stadium des Prozesses hat signifikante<br />
Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften des Garnes, wie im<br />
Kapitel 5 zu sehen sein wird. Wasser wirkt hier zusätzlich zu den starken<br />
äußeren Spannungen, die die dehninduzierte Kristallisation auslösen, als<br />
Kristallisationsbeschleuniger. Schwankungen des Feuchtegehaltes der<br />
Blasluft führen somit auch zu veränderten physikalischen Eigenschaften des<br />
Garnes mit Einfluß auf das Anfärbeverhalten und damit auf die Streifigkeit.<br />
Dies wird in Kapitel 5 und 6 ausführlich beschrieben.<br />
Schwankungen der Blasluftfeuchte haben ihre Ursachen häufig in einer<br />
unzureichenden Auslegung bzw. Prozeßsteuerung der Klimaanlage. Eine<br />
typische Klimatisierung einer Anlage ist im folgenden Bild 4.6 zu sehen.<br />
(Quelle: Neumag).<br />
Sensor<br />
Luftdruck<br />
Sensor Lufttemp.<br />
und -feuchte<br />
Kühlluft<br />
Gebläse<br />
Frequenzumwandler<br />
für Gebläse<br />
Dampfbefeuchtung<br />
Befeuchter Heizer<br />
Umwandler für<br />
Luftheizung<br />
Kühler<br />
Bild 4.6: Schemazeichnung eines Blasschachtes für Polyamidanlagen<br />
Abhängig von den äußeren Umständen (z.B. der Konstanz der angesaugten<br />
Luft in Bezug auf Temperatur und Feuchte) kann eine schlecht ausgelegte<br />
Anlage die eingestellten Parameter nicht unter allen Betriebszuständen<br />
gewährleisten.<br />
Filter<br />
Sensor Lufttemp.<br />
und -feuchte<br />
Klappe<br />
Luftzufuhr<br />
außen<br />
Kühler<br />
Luftzufuhr<br />
innen
27 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
Es kommen hier die „Reaktionszeit“ der Anlage in Verbindung mit der Qualität<br />
und der Dimensionierung der luftführenden Teile und Sensoren zum Tragen.<br />
Ein zu großes oder zu träges Dampffeuchteventil kann eine Schwankung<br />
ebenso induzieren wie eine zu träge oder zu schnelle Regelung oder ungenaue<br />
und driftende Sensoren. Die Schwankungen der hier untersuchten Anlage<br />
wurden durch das Dampffeuchteventil ausgelöst.<br />
Öler<br />
Bild 4.7: Auftrag der Spinnpräparation durch die Öler<br />
Der Öler sorgt durch gleichmäßiges Aufsprühen einer speziellen Öl-Wasseremulsion<br />
für guten Fadenschluß und optimale Laufeigenschaften des Garnes.<br />
Die aufgetragene Ölmenge schützt den Faden vor mechanischer Beanspruchung<br />
mit Garnschädigung und der enthaltene Wasseranteil in der Spinnpräparation<br />
führt dem Polymer weitere Feuchte zu, um einen möglichst ausgeglichenen<br />
Wassergehalt des Polyamidfadens zu erzielen.<br />
Galetten<br />
Bild 4.8: unbeheiztes Galettenpaar<br />
Die Galetten sind drehende Walzen, jeweils in einem Duo angeordnet. Der<br />
Faden wird ca. 5-6 mal um beide Galetten geschlungen. Um die dazu not-
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 28<br />
wendige Fadenverlegung zu erreichen, sind die beiden Galetten in axialer<br />
Richtung nicht parallel. Der Grad dieser „Verschränkung“ bestimmt den Abstand<br />
der Umschlingungen. In der Anlage sind 2 Duo’s angeordnet, wobei das<br />
2. Duo ca. 10% schneller dreht, um durch das Strecken des Fadens eine<br />
Erhöhung seiner Festigkeit zu erreichen.<br />
Dampfkammer<br />
Bild 4.9: Dampfkammer<br />
In der Relaxierungseinheit (Dampfkammer) werden mit Hilfe von Dampf Relaxationsvorgänge<br />
im Garn ausgelöst, die den auftretenden Schrumpf in<br />
späteren Prozeßschritten (z.B. Färben in kochendem Wasser) minimieren<br />
sollen. Typische Werte sind 3 bar Dampfdruck bei ca. 140°C.<br />
Wickler<br />
Bild 4.10: Wickler<br />
Im Wickler werden die hergestellten Fäden aufgewickelt. Um eine gleichbleibende<br />
Wickelgeschwindigkeit zu erreichen, wird die Umfangsgeschwindigkeit<br />
des Wickelkörpers von der Tastwalze abgetastet. Mit Hilfe entsprechender<br />
elektronischer Regelsysteme wird die Drehzahl der Spulen mit zunehmendem<br />
Wickeldurchmesser verlangsamt. Das Faserbündel wird mit Hilfe<br />
einer Changierung in alternierenden Bewegungen als Spule abgelegt.
29 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
Übliche Wickelgeschwindigkeiten sind 4500-5500 m/min. Maschinentechnisch<br />
könnten 8000 m/min erreicht werden, was aber nicht praktiziert wird, da die<br />
mechanische Garnbeanspruchung stark ansteigt und der Ausschuß exponentiell<br />
zunimmt.<br />
4.2 Das Grundkonzept der Meßtechnik<br />
Das Grundkonzept von „SLIM“ (Spinning Line Monitoring Expert System)<br />
sieht vor, alle verfügbaren Daten einer Spinnanlage während der Ausspinnung<br />
online und in Echtzeit zu erfassen, die Daten zu speichern und anhand<br />
mathematisch-statistischer Methoden auszuwerten. Die Programmierung von<br />
SLIM entstand am Center for Experimental Mechanics (CEM), Ljubljana in<br />
Zusammenarbeit mit der BASF SE.<br />
Zusätzlich wurden vorhandene „externe“, d.h. nicht ursprünglich in die Spinnanlage<br />
integrierte Sensoren in die Auswertung miteinbezogen. Im Falle der<br />
Fadenspannungsmeßsensoren geschah dies durch Verknüpfung mit dem<br />
SLIM Auswertemodul. Die Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessungen<br />
wurden offline korreliert. Untersuchungsgegenstand war eine moderne<br />
Hochgeschwindigkeitsspinnanlage für textile Garne, wie sie in Kapitel 4.1<br />
beschrieben wird.<br />
Das hier vorgestellte Konzept verbindet eine Erfassung aller verfügbaren Maschinen-<br />
und Garnparameter durch moderne Meßtechnik und eine anschließende<br />
Korrelations- und Auswertemöglichkeit der Daten in beliebiger Reihenfolge<br />
und Kombination, verbunden mit der Möglichkeit, offline generierte<br />
Laborergebnisse zu integrieren.<br />
4.3 Die Hardware<br />
Die Spinnanlage EMS Inventa (A 100) umfaßt in der untersuchten Ausbaustufe<br />
46 Meßstellen, die in der folgenden Tabelle 4.3 aufgelistet werden. Die<br />
vorhandenen Programmbeschreibungen und Anleitungen sowie das eigentliche<br />
„SLIM“ Programm selbst verwenden als Standardsprache Englisch. Aus<br />
diesem Grund werden Meßstellenverzeichnisse und Diagramme, die sich auf<br />
das „SLIM“ Programm beziehen, mit englischen Bezeichnungen wiedergegeben.<br />
Es handelt sich um 46 Meßstellen, von denen 31 permanent im Betrieb sind,<br />
15 weitere können optional aktiviert werden. Die Meßstellen sind mit<br />
Bezeichnung, Sensortyp, Genauigkeit und physikalischem Meßbereich<br />
dargestellt.<br />
Die Genauigkeitsklassen sind wie folgt definiert:<br />
• Genauigkeitsklasse Temperatur: Klasse B = +/- 0.3°C + 0.005 * T<br />
• Genauigkeitsklasse Druck: Klasse 0.6 = Eichfehlergrenze 0.5%
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 30<br />
Nr. Meßstelle Sensor Meßgröße Meßbereich Genauigkeit<br />
1 Heizzone 1 - Extruder T130.1e Temperatur 150-350 °C Klasse B<br />
2 Heizzone 2 - Extruder T130.2e Temperatur 150-350 °C Klasse B<br />
3 Heizzone 3 - Extruder T130.3e Temperatur 150-350 °C Klasse B<br />
4 Heizzone 1 - Regler T130.1c Spannung 0 – 100 % 0.2%<br />
5 Heizzone 2 - Regler T130.2c Spannung 0 – 100 % 0.2%<br />
6 Heizzone 3 - Regler T130.3c Spannung 0 – 100 % 0.2%<br />
7 Extruderausgangstemp. T130.4 Temperatur 150-350 °C Klasse B<br />
8 Diphyl - Extruder T150.3e Temperatur 150-350 °C Kla sse B<br />
9 Diphyl Regler T150.3c Spannung 0 – 100 % 0.2%<br />
10 Extruderausgangsdruck P130.1 Druck 50–120 bar Klasse 1<br />
11 Spinndüsendruck P140.1 Druck 50–200 bar Klasse 1<br />
12 Extruderdrehzahl S130.1e Umdrehung 20-120 U/min 0.2%<br />
13 Extruder Motorspannung S130.1c Spannung 0-100 % 0.2%<br />
14 Spinnpumpe S140.1 Umdrehung 10-50 U/min 0.2%<br />
15 Monomerabsaugung P160.1 Druck n.a. n.a.<br />
16 Spinnbalkenschmelze T140.1 Temperatur 150-350 °C Klasse B<br />
17 Blaslufttemperatur T160.1 Temperatur 10-30 °C 0.5 %<br />
18 Blasluftfeuchte Q160.2 Rel. Feuchte 0-100% 0.5%<br />
19 Blasluftdurchsatz Q160.3 Volumenstrom 1000-2000 m 3 /h 0.5%<br />
20 Präparationspumpe S165.1 Umdrehung 0-60 U/min 0.2%<br />
21 Prozessdampf P170.32 Druck 0-5 bar 0.5%<br />
22 Aerosolabscheider P170.34 Druck +-30 mbar 0.5%<br />
23 Öler 1 T165.1 Temperatur 0-100 °C Klasse B<br />
24 Öler 2 T165.2 Temperatur 0-100 °C Klasse B<br />
25 Verwirbelung 1 P1 Druck 0-5 bar 0.5 %<br />
26 Verwirbelung 2 P2 Druck 0-5 bar 0.5%<br />
27 Galettenpaar 1.1 S170.11 Umdrehung 1000-6000 m/min 0.2%<br />
28 Galettenpaar 2.1 S170.13 Umdrehung 1000-6000 m/min 0.2%<br />
29 Unitens 1 X170.1 Fadenspannung 0-40 cN n.a.<br />
33 Unitens 2 X170.2 Fadenspannung 0-40 cN n.a.<br />
31 Unitens 3 X170.3 Fadenspannung 0-40 cN n.a.<br />
32 Unitens 4 X170.4 Fadenspannung 0-40 cN n.a<br />
33 Unitens 5 X170.5 Fadenspannung 0-100 cN n.a<br />
34 Unitens 6 X170.6 Fadenspannung 0-100 cN n.a<br />
35 Unitens 7 X170.7 Fadenspannung 0-100 cN n.a<br />
36 Unitens 8 X170.8 Fadenspannung 0-100 cN n.a<br />
37 Tastwalze Wickler S180.7 Umdrehung 1000-6000m/min 0.2%<br />
38 Dorn A S180.4 Umdrehung 2500-1500m/min 0.2%<br />
39 Dorn B S180.5 Umdrehung 2500-1500m/min 0.2%<br />
40 Kehrgewindewelle<br />
Wickler<br />
S180.6 Umdrehung 0-2000 U/min 0.2%<br />
41 Spinnebene T180.9 Temperatur n.a. n.a.<br />
42 Spinnebene P170.44 Druck n.a. n.a.<br />
43 Spinnebene Q160.12 Rel. Feuchte n.a. n.a.<br />
44 Spulebene T180.10 Temperatur 0-50 °C 0.5%<br />
45 Spulebene P.170.45 Diff.druck Luft -0.2 - 0.2 mmWS 0.5%<br />
46 Spulebene Q160.13 Rel. Feuchte 0-100% 0.5%<br />
Tabelle 4.3: Meßstellen der Spinnanlage A 100
31 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
Bild 4.11 zeigt die Anordnung der Meßstellen schematisch in der Anlage.<br />
Heating zone 1<br />
Heating zone 2<br />
Heating zone 3<br />
Extruder motor contr.<br />
Dow therm contr.<br />
T130.1<br />
T130.2<br />
T130.3<br />
S130.1<br />
T150.3<br />
Extruder controller Extruder<br />
Temp<br />
Spinning Floor<br />
Winding Floor<br />
Spinning Floor Temperature<br />
Press Spinning Floor Pressure<br />
Humid Spinning Floor Humidity<br />
Proces steam<br />
P170.32<br />
Chuck A<br />
Chuck B<br />
S130.1<br />
Extruder screw<br />
Godet 2<br />
Steam chamber<br />
Entanglement2<br />
P2<br />
S180.7 Feeler roller<br />
Traverse motion<br />
Bild 4.11: Übersicht der Meßstellen in der Anlage.<br />
Godet 1<br />
Die Auswahl der erforderlichen Meßhardware fiel nach Erwägung aller<br />
relevanten Faktoren auf Produkte der Firma „National Instruments“. Im<br />
einzelnen besteht die Hardware aus folgenden Modulen:<br />
• Prozeßsteuerungseinheit (NI-PXI Serie)<br />
• 8156/233 System Controller, Windows NT<br />
• 6070E and NI-DAQ Software for Windows<br />
• 1000 8-Slot Chassis<br />
• 1000 Rackmount Kit<br />
Next Measurement:<br />
Melt<br />
Heating zone1 Heating zone3 T130.4<br />
Extruder<br />
T130.1 T130.2 T130.3<br />
P130.1<br />
Heating zone2<br />
Dow therm extruder<br />
Melt-Spinning Beam<br />
T140.1 T150.3<br />
Aerosol separator<br />
P170.34<br />
Spin Pump<br />
S140.1 S140.2<br />
Spin Pump1 Spin Pump2<br />
Spin pack<br />
P140.1<br />
S165.1<br />
Spin Finish Pump<br />
Oiler1<br />
T165.1<br />
Entanglement1<br />
P1<br />
Oiler2<br />
T165.2<br />
Temp<br />
Press<br />
Winding Floor Temperature<br />
Godet 2.2<br />
S170.14<br />
Winding Floor Pressure<br />
Godet 1.2<br />
S170.13 S170.12<br />
Godet 2.1<br />
Godet 1.1<br />
S170.11<br />
Humid Winding Floor Humidity<br />
Unitens1 S170.1<br />
Unitens2 S170.2<br />
S180.4<br />
S180.5<br />
S170.3 Unitens3<br />
S170.4 Unitens4<br />
S180.6<br />
P140.1 Monomer suction<br />
T160.1<br />
Q160.2<br />
Q160.3<br />
Quenching Air<br />
preparation<br />
Quenching Air<br />
Temperature<br />
Quenching Air<br />
Humidity<br />
Quenching Air<br />
Quantity
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 32<br />
• Signalaufnahmeeinheiten (NI-SCXI Serie)<br />
• 8 Kanäle für TTL Frequenzsignale (1 Modul)<br />
• 16 Kanäle für analoge und TTL Frequenzsignale (2 Module)<br />
• 40 Kanäle für analoge Signale (5 Module)<br />
Die beschriebene Hardware weist folgende technischen Daten auf:<br />
• PCI Bus<br />
• 0.33 – 1.25 MHz Sampling Rate pro Kanal<br />
• 12 bit Auflösung<br />
• bis zu 112 Signale pro PXI Einheit, erweiterbar auf über 2000<br />
Bild 4.12 zeigt die Hardwarekonzeption:<br />
Bild 4.12: Hardwarekonzeption der Spinnanlage A 100
33 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
Bild 4.13 zeigt die schematische Zuordnung der Signale:<br />
Bild 4.13: Signalzuordnung der Spinnanlage A 100
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 34<br />
Aufgrund der räumlichen Erstreckung einer Spinnanlage über 4 Stockwerke<br />
wurden auch die Signalaufnahmeeinheiten räumlich getrennt. Die überwiegende<br />
Zahl der Meßsignale fallen im ersten Stockwerk an, wo die Extruder-<br />
und Blasschachtebene liegt. Die anderen Signale werden im Erdgeschoß, der<br />
Aufspulebene, erfaßt. Das Hardwarekonzept wurde dieser Tatsache durch die<br />
Verwendung zweier Schaltschränke gerecht, welche im Erdgeschoß und im<br />
ersten Obergeschoß plaziert wurden. Dadurch wurden die Kabellänge und<br />
mögliche Störsignale zwischen Sensor/Umrichter und der Signalaufnahmekarte<br />
reduziert. Alle Signale werden dabei in den Karten auf Meßströme von<br />
4-20 mA transferiert und an die PXI Zentraleinheit übertragen. Das folgende<br />
Bild 4.14 zeigt die beiden Schaltschränke mit den eingebauten Modulen.<br />
Signalerfassungs<br />
einheit PXI 1000<br />
Signalerfassungs<br />
einheit SCXI 1000<br />
Spinnebene<br />
Spulebene<br />
Signalerfassungs<br />
einheit SCXI 1000<br />
Bild 4.14: Schaltschrankkonzept mit Meßeinheiten<br />
Schaltschrank 1<br />
Schaltschrank 2<br />
Verbindungskabel<br />
SH 32-32
35 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
Vor dem Einbau in die Spinnanlage wurden alle Hardwaremodule im Labor<br />
des Centers of Experimental Mechanics (CEM) in Ljubljana, Slowenien, getestet.<br />
Dabei wurden mit Hilfe eines HP 8904 A Multifunktions-Signalgenerators<br />
Signale generiert und mit der NI Hardware gemessen. Als Referenz wurde<br />
zusätzlich mit einem HP 35660 A Signalmeßgerät und einem Digital Oszilloskop<br />
HP 54501 A parallel gemessen. Die gemessenen Signale wurden anschließend<br />
abgeglichen.<br />
Die erzeugten Signale waren je nach Signalart unterschiedlich:<br />
• analoge Signale wurden mit unterschiedlicher Amplitude und Form erzeugt<br />
und in die SCXI 1120 Module eingespeist<br />
• die Module vom Typ SCXI 1126 und FRQ 8 wurden mit Sinus- und<br />
Rechteckfunktionen unterschiedlicher Frequenz und Amplitude<br />
beaufschlagt.<br />
Die genauen Daten der Testprozedur können der nachfolgenden Tabelle<br />
entnommen werden.<br />
Signalart Amplitude Frequenz<br />
Analog 0.5 V, 1.5 V, 2 V 100 Hz, 10 kHz, 100 kHz<br />
Sinus 0.5 V, 1.5 V, 2 V 100 Hz, 10 kHz, 100 kHz<br />
Rechteck 0.5 V, 1.5 V, 2 V 100 Hz, 10 kHz, 100 kHz<br />
Tabelle 4.4: Labortestsignale für NI Hardware<br />
Der Abgleich der gemessenen Signale zwischen NI Hardware und den Referenzmessungen<br />
mit dem obengenannten HP Equipment ergab keine signifikanten<br />
Abweichungen außerhalb der Meßgenauigkeit.<br />
4.4 Die Software<br />
4.4.1 Bestandteile des Programms<br />
Das Programm SLIM (Spinning Line Monitoring Expert System) besteht aus<br />
vier Grundbausteinen:<br />
• Grafische Benutzeroberfläche für Windows NT / Windows 95/98<br />
Die grafische Benutzeroberfläche erlaubt zwei Betriebsmodi, den<br />
normalen „User-Status“ sowie den „Administrator-Status“, der weitgreifende<br />
Änderungen in der Benutzerverwaltung und Kanaleinstellung<br />
ermöglicht. Im „User-Status“ bedient der Anwender das SLIM Programm<br />
über Maussteuerung und Dateneingabe in die vorgesehenen<br />
Felder. Die einzelnen Masken werden im folgenden Abschnitt näher<br />
erläutert.<br />
• Meßtechnisches Modul<br />
Im meßtechnischen Modul werden bei jedem neuen Meßvorgang die<br />
Hardwarebausteine des Systems anhand der eingegebenen Parameter<br />
abgeglichen und initialisiert. Die Messungen selbst erfolgen in Echtzeit.
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 36<br />
Nach Beendigung der Messung wird das komplette System „resetted“.<br />
• Datenspeicherungs- und Darstellungsmodul<br />
Das Datenspeicherungs- und Darstellungsmodul übernimmt die gemessenen<br />
Daten und schreibt sie in Dateien, wobei für jeden Kanal ein<br />
eigenes Unterverzeichnis vorgesehen ist. Die Daten können bereits<br />
während der Messung dargestellt werden, wobei aufgrund von Programmrestriktionen<br />
(NI Labview Version 5.1) nur drei verschiedene<br />
physikalische Größen gleichzeitig dargestellt werden können. Nach<br />
Beendigung der Messung können beliebig viele Daten in beliebigen<br />
Zeiträumen mit verschiedenen Auflösungen dargestellt werden.<br />
• Analyse- und Auswertemodul<br />
Im Analyse- und Auswertemodul können die gemessenen Daten in frei<br />
wählbaren Intervallen statistisch ausgewertet werden. Die Kurvenverläufe<br />
können durch verschiedene mathematische Methoden geglättet<br />
werden und mittels FFT (Fast Fourier Transformation) von einer zeitlichen<br />
Darstellung in eine frequenzabhängige Form transferiert werden.<br />
Für beide Darstellungsformen besteht die Möglichkeit, zwei gemessene<br />
Signale zu korrelieren und den Korrelationskoeffizienten zu<br />
berechnen.<br />
Die im nachfolgenden Abschnitt beschriebene Funktionalität des Programms<br />
soll keineswegs eine verkürzte Bedienungsanleitung für den Umgang mit<br />
„SLIM“ sein. Vielmehr geht es um eine Darstellung der Möglichkeiten und<br />
Zusammenhänge des gesamten Programmkomplexes, was zu einem besseren<br />
Verständnis der in Abschnitt 5 gezeigten Meßergebnisse und deren<br />
Interpretationen beitragen soll. Die im folgenden benutzten Diagramme und<br />
Beschreibungen sind den <strong>Dokument</strong>ationen des Center of Experimental<br />
Mechanics (CEM), Ljubljana, Slowenien, entnommen.
37 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
4.4.2 Die Datenerfassung<br />
Nach dem Starten des Programmes „SLIM“ erscheint eine User- und<br />
Paßwortabfrage.<br />
Bild 4.15: Paßworteingabe<br />
Bei korrekter Eingabe landet der Anwender im Feld „General Data“, wo die<br />
grundlegenden Daten des gemessenen Spinnversuchs eingegeben werden,<br />
nämlich:<br />
• Nummer des Spinnversuchs<br />
• Name des Sachbearbeiters<br />
• Spulgeschwindigkeit (wichtig für eine Zuordnung der gemessenen<br />
Werte zu einer definierten Garnlänge)<br />
• Verzeichnis des Datenfiles<br />
• Zeit und Datum, welche von der Systemuhr vergeben werden.<br />
Bild 4.16: Maske „General Data“
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 38<br />
Nach Eingabe der Basisdaten gelangt man zurück ins Auswahlmenü, wo<br />
zwischen Längen- oder Zeitkriterium gewählt werden muß. Bei Auswahl des<br />
Längenkriteriums wird anhand der eingegebenen Spulgeschwindigkeit eine<br />
Fadenlänge berechnet, um eventuell später gemessene Abweichungen einer<br />
definierten Garnlänge zuordnen zu können.<br />
Es gibt die folgenden Parameter:<br />
• „Scan Region“ (Garnlänge pro Scan-Prozeß)<br />
• „Total monitoring length“ (Gesamtlänge des gemessenen Garns)<br />
• „Length interval between two measurements“ (Länge des Garnstücks<br />
während der Meßpause zwischen zwei Meßintervallen)<br />
• „Total number of measurements“ (vom Programm berechnete Anzahl<br />
der Meßdatensätze)<br />
Das folgende Bild 4.17 zeigt das Längenkriterium-Fenster.<br />
Bild 4.17: Maske „Length Criteria“<br />
Eine zweite Möglichkeit bietet die Maske mit den zeitrelevanten Parametern.<br />
Hier wird direkt die Meßzeit bzw. die Meßunterbrechung eingetragen:<br />
• „Scanning interval“ (Zeitintervall der pro Messzyklus zur Verfügung<br />
steht. Es wird ein Wert ermittelt, der für diesen Zyklus in das Datenfile<br />
geschrieben wird. Der Mittelwert wird aus der Abtastrate (Standardeinstellung<br />
1000 Hz) und der Scan-Zeit berechnet. Im Extremfall, bei<br />
einem gewählten Zeitintervall von 1ms und keiner Meßunterbrechung<br />
werden keine Mittelwerte mehr gebildet.<br />
• „Total Measuring Time“ (gesamte Meßdauer als Summe von Meßintervallen<br />
und Meßunterbrechungen)<br />
• „Intervall between two measurements“ (Dauer der pro Scan-Zyklus gewählten<br />
Meßunterbrechung)<br />
• „Total number of measurements“ (anhand der o.g. eingegebenen<br />
Werte errechnete Datenzahl)
39 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
Das Zeitwahlfenster ist in der folgenden Abbildung dargestellt.<br />
Bild 4.18: Maske „Time Criteria“<br />
Nach Eingabe der Meßparameter wird vom Programm die Meßeingangsmaske<br />
dargestellt, in der alle eingegebenen Daten zu sehen sind. Es besteht<br />
nochmals die Möglichkeit einer Änderung. In diesem Fenster kann dann die<br />
eigentliche Messung aktiviert werden, der Menüpunkt „Measurement“ ist<br />
freigegeben.<br />
Bild 4.19: „Measurement module“
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 40<br />
Nach Beginn der Messung durch Klicken auf „Measurement“ erscheint das<br />
eigentliche Hauptfenster des Meßprogramms.<br />
Bild 4.20: Hauptfenster des Meßprogrammes<br />
In diesem Programmteil wird die Spinnanlage grafisch dargestellt, wobei alle<br />
Meßstellen als kleine Fenster mit Bezeichnung des Meßpunktes gemäß<br />
Schaltplan integriert sind (z.B. T130.1 für Extruder-Heizzone 1). Die physikalischen<br />
Größen sind farblich unterteilt:<br />
Rot: Temperaturen<br />
Blau: Drücke<br />
Gelb: Drehzahlen/Frequenzen<br />
Braun: Fadenspannungen<br />
Violett: Luftmassenstrom<br />
Grün: Luftfeuchte<br />
Die Hauptdaten des Spinnprozesses werden im grauen Datenfenster auf der<br />
linken Seite dargestellt (im Bild durch die beiden blauen und gelben Diagramme<br />
teilweise verdeckt). Die Wiederholfrequenz der Datendarstellung ist abhängig<br />
von den eingestellten Meßzyklen und Pausenzeiten. Durch Anklicken<br />
einer Meßstelle können bereits während der Messung deren bisher gemessene<br />
Daten in beliebiger Auflösung grafisch dargestellt werden. Aus programmtechnischen<br />
Gründen sind maximal drei Darstellungen verschiedener<br />
physikalischer Größen möglich. Das Hauptmeßfenster bleibt während der<br />
Messung geöffnet, nach Abschluß der Messung springt das Programm wieder<br />
ins „General Data“ Menü. Hier sind neue Messungen möglich.
41 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
4.4.3 Die Datendarstellung und –analyse<br />
Dieses Programmodul unterscheidet zwischen der reinen Datendarstellung<br />
und der Analyse der gemessenen Werte. Beide Funktionalitäten können über<br />
die Hauptprogrammaske abgerufen werden; unter dem Menüpunkt „Data“.<br />
Hier können verschiedene Meßdateien aufgerufen werden und einzelne Kanäle<br />
(z.B. Druck des Düsenpaketes) angewählt werden. Es ist möglich, verschiedene<br />
physikalische Größen in einem Diagramm darzustellen oder auch<br />
Werte verschiedener Messungen aus unterschiedlichen Spinnversuchen auszuwählen.<br />
Das folgende Bild 4.21 zeigt das Auswahlfenster:<br />
Bild 4.21: „Data Display“ Maske<br />
Nach Auswahl der darzustellenden Meßkanäle erfolgt das Klicken auf das<br />
Fenster „Display“. Das folgende Bild 4.22 zeigt zwei gemessene Temperaturen<br />
(Extruder-Heizzone 1 und Schmelzetemperatur) des gleichen Spinnversuchs<br />
über einen Meßzeitraum von 4 Stunden.<br />
Bild 4.22: „Datendarstellung“
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 42<br />
Die darzustellenden Größen können in jedem beliebigen Zeitraum und jeder<br />
beliebigen Auflösung dargestellt und auch ausgedruckt werden. Nach der<br />
Auswahl von maximal zwei Meßsignalen zur Analyse im Fenster „Measuring<br />
points“ mittels Anklicken, können die gewählten Werte statistisch ausgewertet<br />
werden. Dazu wird das Fenster „Analyze“ gewählt. Die ausgewählten Werte<br />
werden dann in den Analyseteil des Programms transferiert. Sind unterschiedlich<br />
lange Meßintervalle zweier Signale aus verschiedenen Messungen<br />
zu untersuchen, so erscheint zunächst das Fenster „Interpolation dialog box“,<br />
welches im folgenden Bild 4.23 dargestellt ist.<br />
Bild 4.23: Maske „Interpolation dialog box“<br />
Der Benutzer hat die Möglichkeit, die unterschiedlichen Intervalle an die minimal<br />
oder maximal vorhandenen Intervalle anzupassen, alternativ kann er das<br />
Intervall in den genannten Grenzen auch vorgeben. Diese Schritt ist bei unterschiedlichen<br />
Meßintervallen notwendig, um sinnvoll korrelieren zu können. Je<br />
nach Option kann es dabei zum Verlust (Ignorierung) eines Teil der gemessenen<br />
Daten für die Auswertung kommen. Bei Meßsignalen der gleichen<br />
Messung erscheint dieses Feld nicht und der Anwender gelangt direkt in das<br />
Analysemodul, welches im Bild 4.24 dargestellt wird:<br />
Bild 4.24: „Analysis Module Window“ Maske
43 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
Hier sind in den beiden Hälften der Maske die beiden ausgewählten Signalverläufe<br />
farblich differenziert zu sehen. In beiden Diagrammfenstern werden<br />
oberhalb der eigentlichen Signalverläufe die wichtigsten Daten des zugrundeliegenden<br />
Spinnversuchs angegeben. In den Fenstern selbst kann mittels<br />
Cursorsteuerung wieder jedes Darstellungsintervall in beliebiger Auflösung<br />
gewählt werden. Aufgrund der Korrelationsfunktionen des Programms muß<br />
der Zeitraum des aufgezeichneten Signals übereinstimmen, um sinnvoll<br />
korrelieren zu können. Von beiden Signalen können allerdings verschiedene<br />
Start-Stop Werte ausgewählt werden, entscheidend ist die gleiche Länge, programmtechnisch<br />
ausgedrückt: die gleiche Anzahl an Datenpunkten.<br />
In der Maske werden zu beiden Signalen folgende statistische Kennzahlen<br />
angegeben:<br />
• „No. of data“ - Anzahl der gewählten Datenpunkte<br />
• „Time start“ - Startzeit des gewählten Meßbereichs<br />
• „Time stop“ - Stopzeit des gewählten Meßbereichs<br />
• „Min“ - Minimumwert<br />
• „Max“ - Maximumwert<br />
• „Mean“ - Mittlerer Wert<br />
• „Mode“ - Funktion liefert den am häufigsten vorkommenden Wert<br />
• „Max/Mean“ – zeigt die maximale Abweichung vom Mittelwert<br />
• „RMS“ – Route Mean Square berechnet die Wurzel der gemittelten<br />
Quadrate gemäß der Formel<br />
rms<br />
1<br />
n<br />
2<br />
( x)<br />
= ∑ X i<br />
Gl. (4.1)<br />
n i=<br />
1<br />
• „Variance“ – die Varianz der Datenreihe definiert als Summe der<br />
quadrierten Abweichungen vom Mittelwert, dividiert durch die Anzahl<br />
der Meßwerte<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
(<br />
1<br />
2<br />
var( x)<br />
= xi<br />
− μ )<br />
Gl. (4.2)<br />
n<br />
• „StDev“ – Die Stardardabweichung der Werte, definiert als Wurzel der<br />
Varianz<br />
x<br />
=<br />
n 1<br />
∑ n i=<br />
1<br />
(<br />
i<br />
)<br />
x − μ<br />
2<br />
σ Gl. (4.3)<br />
• „Cross Correlation“ – Der Korrelationskoeffizient „r“ der beiden zeitlich<br />
aufgetragenen Signale, definiert als Kovarianz von Werte X und Y,<br />
geteilt durch das Produkt der Quadratwurzel der Varianz von X und der<br />
Quadratwurzel der Varianz von Y oder, kürzer ausgedrückt: Kovarianz<br />
von X und Y geteilt durch das Produkt der Standardabweichungen von<br />
X und Y.
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 44<br />
cov( X , Y )<br />
r =<br />
σ σ<br />
mit:<br />
X<br />
X<br />
Y<br />
∑ ( X − μ)(<br />
Y − μ)<br />
cov( X , Y ) =<br />
n<br />
cov( X , Y )<br />
r =<br />
σ σ<br />
Y<br />
Gl. (4.4)<br />
Gl. (4.5)<br />
Der Korrelationskoeffizient ist eine Indexzahl, die angibt, ob ein Variablenpaar<br />
in einer gegebenen Datenmenge miteinander verknüpft ist, und ob bei dieser<br />
Verknüpfung die Streuung ein großes oder kleines Ausmaß hat [63], [64].<br />
Die Werte des Koeffizienten liegen zwischen -1 und +1. Eine Korrelation in<br />
der Nähe von +1 bedeutet geringe Streuung: hohe Y-Werte treten meistens<br />
zusammen mit hohen X-Werten auf und umgekehrt. Eine Korrelation in der<br />
Nähe von Null bedeutet keinerlei statistischen Zusammenhang. Eine negative<br />
Korrelation in der Nähe von –1 tritt auf, wenn hohe Y-Werte überwiegend mit<br />
niedrigen X-Werten korrelieren.<br />
Korrelationskoeffizienten können eine schnelle Möglichkeit bieten zu zeigen,<br />
ob zwischen zwei physikalischen Größen überhaupt eine Beziehung besteht<br />
oder nicht. Insofern sind sie für die hier bearbeitete Fragestellung der Streifigkeit<br />
in Abhängigkeit gewisser Maschinenparameter durchaus geeignet. Wie<br />
bereits erwähnt spiegeln Korrelationskoeffizienten lediglich das Ausmaß der<br />
Streuung in den Daten wider. Eine detaillierte quantitative Interpretation aus<br />
dem Koeffizienten allein fällt dagegen schwer. Die Beziehung der Daten wird<br />
nicht beschrieben. Die Aussage r=0.9 beispielsweise sagt nicht, um wie viel Y<br />
bei jeder Erhöhung von X um eine Einheit anwächst. Ohne zugehöriges<br />
Schaubild kann nicht erkannt werden, ob die Steigung flach oder steil ist. Man<br />
könnte lediglich erkennen, daß die Streuung um die Gerade, unabhängig von<br />
der Steigung, recht gering ist.<br />
Der Zahlenwert von r hängt von zwei Einflußgrößen ab:<br />
• davon, wie viel X und Y tatsächlich zusammen variieren (Zähler)<br />
• davon, wie viel X und Y selbst variieren (Nenner)<br />
Gl. (4.6)<br />
Dadurch sind Interpretationen immer im Gesamtzusammenhang der Datenmengen<br />
durchzuführen, keinesfalls alleine aufgrund des Koeffizienten.
45 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
4.5 Die Versuchsdurchführung<br />
Alle Messungen wurden an einer textilen Hochgeschwindigkeitsanlage des<br />
Fabrikats EMS Inventa durchgeführt. Es wurden typische Spinnparameter<br />
eingestellt, die so oder in ähnlichen Konfigurationen auch in der industriellen<br />
Praxis des textilen Spinnens üblich sind. Das folgende Bild 4.25 zeigt typische<br />
Parameter einer Ausspinnung.<br />
Bild 4.25: Datenblatt Ausspinnung<br />
Neben den im vorherigen Kapitel beschriebenen Kanälen, die hauptsächlich<br />
Maschinenabweichungen erfassen, war es notwendig, auch direkt fadenrelevante<br />
Eigenschaften des Spinnprozesses aufzuzeichnen. Diese fadenrelevanten<br />
Eigenschaften sind in erster Linie<br />
• die Fadengeschwindigkeit<br />
• die Fadenspannung
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 46<br />
Beide Eigenschaften können sich auf die Streifigkeit auswirken. Neben den<br />
beiden obengenannten Parametern wären weitere Informationen über den<br />
Faden nützlich, wie zum Beispiel<br />
• die Fadentemperatur<br />
• die morphologische Zusammensetzung des Fadens<br />
Zur Messung der Fadentemperatur wurden in der BASF SE umfangreiche<br />
Vorversuche und Recherchen durchgeführt, unter anderem mit hochauflösenden<br />
Thermokameras verschiedener Fabrikate. Die Versuche wurden<br />
letztendlich eingestellt, da mit vernünftigem Kostenaufwand nicht die erforderliche<br />
Genauigkeit und zeitliche Auflösung zu realisieren war. Die ungünstigen<br />
Rahmenbedingungen der Messungen (sehr kleines Objekt, hohe<br />
Geschwindigkeiten, starke Relativbewegungen, extreme Temperaturgradienten,<br />
störende Hintergrundwärmestrahlung) hätten aufwendige Meßapparaturen<br />
erfordert, die den finanziellen Rahmen des Projektes überschritten<br />
hätten.<br />
Auch zum Thema „Online-Strukturmessungen eines Fadenbildungsprozesses“<br />
wurden umfangreiche Versuche innerhalb der BASF SE unternommen,<br />
die jedoch in diesem Zusammenhang nur bedingt zu verwenden sind. Die<br />
Röntgenstreusignale wurden zwar online erfasst, da jedoch eine Meßzeit von<br />
ca. 15 Minuten erforderlich war und somit lediglich eine Auswertung der<br />
zeitlich kumulierten Daten erfolgen konnte, war eine Echtzeitkorrelation zu<br />
den hier gemessenen Daten nicht möglich.<br />
Aufgrund der Bedeutung des Blasschachtes für die Fadenbildung und die<br />
späteren Garneigenschaften wurde dieser Abschnitt der Spinnanlage besonders<br />
detailliert instrumentiert. Um ein aussagekräftiges Profil der gesamten<br />
Blasluftbedingungen zu ermitteln, wurde eine Matrix von 6 Meßstellen mit<br />
jeweils drei physikalischen Meßgrößen installiert:<br />
• Blasluftgeschwindigkeit<br />
• Blasluftfeuchte<br />
• Blaslufttemperatur<br />
Feuchte und Temperatur wurden in einem Kombisensor gemessen, so daß<br />
insgesamt 12 zusätzliche Sensoren mit 18 Meßkanälen hinzukamen. Die<br />
Sensoren wurden seitlich in den Blasschacht eingeführt, um den Spinnvorgang<br />
möglichst wenig zu beeinflussen. Bild 4.26 zeigt die Anordnung der 12<br />
Sensoren im Blasschacht. Durch die Variabilität des Konzeptes ist jeder Punkt<br />
des Blasschachtes erreichbar.
47 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
Bild 4.26: Anordnung der Blasluftsensoren im Blasschacht
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 48<br />
Das folgende Bild 4.27 zeigt ein Sensorpaar im Detail, oben der Kombisensor<br />
für Feuchte und Temperatur, unten der Geschwindigkeitssensor. Im Hintergrund<br />
sind Fadenbündel aus 24 Einzelfilamenten zu sehen.<br />
Bild 4.27: Detail Blasluftsensor<br />
Die Meßmethoden der Fadenspannung sowie der Fadengeschwindigkeit sind<br />
in den Kapiteln 4.7 und 4.8 beschrieben.<br />
4.6 Versuchsplan<br />
In diesem Kapitel erfolgt eine schematische Versuchsdarstellung der Abläufe<br />
der (mehrjährigen) Untersuchungen zum Zwecke der besseren Verständlichkeit:<br />
Auswahl der Meßhardware sowie der<br />
geeigneten Spinnanlage<br />
Programmierung der „SLIM“ Software<br />
vgl. 4.1 – 4.3<br />
vgl. 4.4
49 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
Ausspinnungen mit Polyamid 6 zur<br />
Identifizierung von<br />
maschinentechnischen Auffälligkeiten<br />
Analyse der einzelnen Meßkanäle<br />
......................<br />
1 2 n<br />
Identifizierung der Blasluftfeuchte als<br />
periodisch schwankendes SIgnal<br />
Analyse der Schwankungen der<br />
Blasluftfeuchte bzgl. Auftreten,<br />
Intensität und Frequenz<br />
Korrelation der gemessenen LDA-<br />
Geschwindigkeitsverläufe des<br />
Polyamidgarnes mit der periodischen<br />
Schwankung der Blasluftfeuchte<br />
Korrelation der Schwankungen der<br />
Garngeschwindigkeit mit der<br />
physikalischen Beschaffenheit des<br />
Garns mittels Doppelbrechung und<br />
dem damit verbundenen Auftreten<br />
von Streifigkeit<br />
Schluß der Beweiskette<br />
vgl. 4.5<br />
vgl. 5.1<br />
vgl. 5.2.1.3<br />
vgl. 5.2.1.3<br />
vgl. 5.2.1.3<br />
vgl. 5.2.1.3
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 50<br />
Ausdehnung der Untersuchungen auf<br />
Polyamid 66<br />
Ausdehnung der Untersuchungen auf<br />
Wettbewerbs-Polyamid 6 asiatischer<br />
Herkunft<br />
Verifizierung der Methode der<br />
Bestimmung der physikalischen<br />
Garnstruktur durch Doppelbrechung<br />
mittels offline Röntgenstreuung an<br />
Musterstücken<br />
Erarbeitung eines Analysediagramms<br />
zur Abschätzung der<br />
Streifigkeitsneigung anhand<br />
gemessener SIgnalverläufe<br />
Erstellen des Analysediagramms<br />
Für<br />
Polyamid 6<br />
der BASF<br />
Für<br />
Vergleichs-<br />
polyamid A<br />
Für<br />
Vergleichspolyamid<br />
B<br />
vgl. 5.3<br />
vgl. 5.4<br />
vgl. 5.4.3<br />
vgl. 6.1<br />
vgl. 6.2<br />
vgl. 6.3<br />
vgl. 6.4
51 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
4.7 Die Methode der Fourier Transformation<br />
Die Fourier Analyse ermittelt mit Hilfe der Fourier Transformation die in einem<br />
zeitabhängigen Signal enthaltenen Frequenzen und deren Amplituden [69].<br />
Die hinsichtlich ihrer Frequenzinhalte auszuwertenden Signale f(t) stammen<br />
im vorliegenden Falle von den Meßaufnehmern, die im Rahmen der Versuche<br />
an der Spinnanlage montiert wurden (vgl. Kapitel 4.3 „Die Hardware“).<br />
Kann das Meßsignal f(t) in Form eines geschlossenen mathematischen Ausdrucks<br />
angegeben werden, wie z.B. in Bild 4.28, so kann mit Hilfe der Fourier<br />
Transformation die Fourier Transformierte F(jω) berechnet werden aus<br />
+∞<br />
− jωt<br />
= ∫ f ( t e dt<br />
−∞<br />
F(<br />
jω<br />
) )<br />
Bild 4.28: Die transiente Zeitfunktion mit der Dämpfungszeitkonstante T,<br />
zeitlicher Verlauf.<br />
Bild 4.29: Die transiente Zeitfunktion mit der Dämpfungszeitkonstante T,<br />
Abtastsatz<br />
(Gl. 4.7)
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 52<br />
Kann das Meßsignal nicht analytisch angegeben werden, wird es abgetastet<br />
und mit Hilfe eines A/D Wandlers digitalisiert. Mit der Abtastfrequenz fa, dem<br />
Abtastintervall Ta = 1/fa und einem Zählparameter n entsteht aus dem kontinuierlichen<br />
Signal f(t) der Abtastansatz, der die zu den diskreten Zeitpunkten<br />
nTa gewonnenen abgetasteten Werte f(nTa) enthält. Dieser Abtastansatz (Bild<br />
4.29) mit insgesamt N Meßwerten wird im Rechner eingelesen, der dann für<br />
diskrete Frequenzen ωk die zugehörigen Amplituden Fd(jωk) mit Hilfe des<br />
Algorithmus der Diskreten Fourier Transformation DFT berechnet:<br />
F<br />
d<br />
k<br />
N −1<br />
∑<br />
( jω<br />
) = f ( nT ) e<br />
n=<br />
0<br />
a<br />
j − ω<br />
k a nT<br />
(Gl. 4.8)<br />
Die diskrete Fourier Transformierte nach Gl. (4.8) unterscheidet sich dabei<br />
von der kontinuierlichen Fourier Transformierten nach Gl. (4.7) hauptsächlich<br />
in den folgenden Punkten:<br />
• bei der DFT werden die Amplituden nur für diskrete Frequenzen ωk<br />
bzw fk berechnet.<br />
• das diskrete Spektrum wiederholt sich periodisch bei den Frequenzen<br />
z*2πfa, bzw. bei z* fa.<br />
• die Amplituden der DFT sind erst nach Multiplikation mit dem<br />
Abtastintervall Ta der Größe und der Einheit nach gleich der Amplitude<br />
der kontinuierlichen Fourier Transformation.<br />
Je größer also die gesamte Meßzeit NTa ist, desto besser ist das Auflösungsvermögen,<br />
desto schärfer lassen sich benachbarte Frequenzen trennen.<br />
4.8 Laser Doppler Anemometrie (LDA)<br />
Die Laser Doppler Anemometrie (LDA) ist eine seit vielen Jahren bewährte<br />
Methode der berührungsfreien Messung, was sie gerade bei den feinen Filamenten<br />
zur Methode der Wahl macht. Die Filamente müssen mit TiO2-Partikeln<br />
versehen sein um genügend Streulichtreflexe zu erzeugen, die den<br />
charakteristischen Laser Doppler „Burst“ verursachen. Das Meßprinzip beruht<br />
auf zwei, sich in einem bestimmten Winkel kreuzenden Laserstrahlen. Im<br />
elliptischen Kreuzungspunkt, dem Meßvolumen, liegt ein Interferenzstreifenmuster<br />
vor, dessen Hell-Dunkel-Abstände „d“ nur von der Wellenlänge des<br />
Lasers und dem Kreuzungswinkel der Strahlen abhängen. Bei gegebenem<br />
Wert „d“ muß nur noch die Zeit ermittelt werden, die ein Objekt – in diesem<br />
Fall ein mit TiO2-Partikeln versehener Polyamidfaden – zum Passieren des<br />
Abstandes „d“ benötigt. Durch das Interferenzstreifenmuster erzeugt jedes<br />
Objekt beim Passieren ein Burst Signal, dessen Spitzen die benötigte Zeit „t“<br />
ergeben. Damit kann die Geschwindigkeit des Objekts ermittelt werden.<br />
Das folgende Bild 4.30 der Firma TSI verdeutlicht die Zusammenhänge:
53 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
Bild 4.30: Laser Doppler Grundlagen<br />
Schwierigkeiten ergeben sich vor allem durch starkes Schwanken des Fadens,<br />
der dadurch häufig aus dem Meßvolumen heraustritt und entsprechend<br />
schlechte Datenraten nach sich zieht. Dennoch ist selbst bei ungünstigen Bedingungen<br />
in der Regel eine zuverlässige Messung möglich. Das in dieser<br />
Untersuchung verwendete System ist ein kommerziell erhältliches LDA mit<br />
Rückwärtstreu-Anordnung. Im Laserkopf ist ein Sensor integriert, der die<br />
rückgestreuten Signale empfängt. Dies hat den Vorteil einer kompakten<br />
Meßanordnung, allerdings zu Lasten einer schlechteren Signalqualität, da die<br />
rückwärts gestreuten Signale (Bursts) lediglich ein Zehntel der Intensität der<br />
nach vorne gestreuten Signale aufweisen.<br />
Bild 4.31 zeigt das System der Firma TSI, wie es bei BASF SE verwendet<br />
wird (Modell LS 50 M Laserspeed).<br />
Bild 4.31: LDA System bei BASF Aktiengesellschaft
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 54<br />
Die technischen Details sind in Tabelle 4.5 beschrieben:<br />
Laserleistung: 30 mW<br />
Laserwellenlänge: 780 nm<br />
Größe des Meßvolumens: 1.5 x 3 mm<br />
Abstand Meßvolumen - Laserkopf: 300 mm<br />
Lasertemperaturkonstanz: +/- 0.1°C<br />
Umgebungstemperaturbereich: 5 - 45°C<br />
Abmessung Laserkopf: 175 x 125 x 62 mm<br />
meßbarer Geschwindigkeitsbereich: 0.08 - 120 m/sec<br />
Meßauflösung: 0.1%<br />
Meßreproduzierbarkeit: +/- 0.1%<br />
Meßgenauigkeit: +/- 0.1%<br />
Anzahl Datenkanäle: 16<br />
Scanintervall pro Kanal: 1 msec - 15 min<br />
Tabelle 4.5: Technische Daten des LDA Systems<br />
Bild 4.32 zeigt das Meßprinzip im Detail. Der Fadenlauf muß in den<br />
Kreuzungspunkt der Laserstrahlen (Meßvolumen) gebracht werden oder<br />
umgekehrt.<br />
Bild 4.32: Lasermessung der Fadengeschwindigkeit<br />
Die Ergebnisse der Lasermessungen werden unter Punkt 5 „Versuchsergebnisse“<br />
diskutiert.
55 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
4.9 Unitens ® Fadenspannungsmessung<br />
Das Unitens Fadenspannungsmeßsystem der Firma Barmag ist ein mechanisches<br />
System, welches die Fadenspannung des Garns im Spinnverlauf online<br />
erfaßt und in elektrische Signale konvertiert. Üblicherweise sitzen die Sensoren<br />
vor der Aufspulung, sie können aber auch an jeder sonstigen Stelle des<br />
Spinnverlaufs angebracht werden. Das SLIM System sieht 8 Kanäle für derartige<br />
Messungen vor. Das kommerziell erhältliche Barmag Auswertesystem<br />
wurde hier nicht benutzt, da die Daten isoliert generiert werden und nicht mit<br />
anderen gemessenen Werten korreliert werden können. Aus diesem Grund<br />
wurden die von den Unitens Sensoren gelieferten Meßsignale direkt ins SLIM<br />
Programm eingespeist.<br />
4.10 Die Untersuchungsmethode der Doppelbrechung<br />
Eine Möglichkeit, Chemiefasern zu beurteilen, findet man in der polarisationsmikroskopischen<br />
Untersuchung, der Doppelbrechung. Die Doppelbrechung ist<br />
abhängig von dem Durchmesser der (runden) Faser und vom Grad der Orientierung<br />
seiner Kettenmoleküle.<br />
mit<br />
T<br />
n = Gl. (4.9)<br />
d<br />
n = Doppelbrechung<br />
T = Gangunterschied [nm]<br />
d = Fadendurchmesser in [nm]<br />
Es wird dabei mit polarisiertem Licht gearbeitet, welches durch einen im<br />
Strahlengang eingebrachten Polarisationsfilter erzeugt wird.<br />
Beobachtet man die Faser unter polarisiertem Licht, so entsteht eine unterschiedliche<br />
Lichtbrechung im Kristallgitter und an der amorphen Umgebung.<br />
Dadurch entsteht die Doppelbrechung. Diese optische Anisotropie wird also<br />
direkt durch den Orientierungsgrad der Moleküle verursacht. Das polarisierte<br />
Licht wird durch das anisotrope Material in einen ordentlichen und in einen<br />
außerordentlichen Strahl aufgespalten, deren Ebenen senkrecht aufeinander<br />
stehen. Dabei bilden beide einen Winkel von 45° zum Einfallswinkel.<br />
Die Strahlenkomponente, die ungebrochen das Medium durchdringt, ist der<br />
ordentliche Strahl. Der außerordentliche Strahl erfährt dagegen eine<br />
Beugung. Da die Geschwindigkeit des Lichtes in Richtung der einzelnen Kristallachsen<br />
verschieden ist, dreht das Fasermaterial die Polarisationsebene<br />
so, daß hinter dem Analysator erneut ein Lichtstrahl zu sehen ist. Der zwischen<br />
den beiden Schwingungsrichtungen parallel und senkrecht zur Fadenachse<br />
eingetretene Gangunterschied wird nun durch den Kompensator wieder<br />
rückgängig gemacht. Der Gangunterschied kann direkt ermittelt werden.<br />
Die Doppelbrechungsmethode bietet sich vor allem aus zwei Gründen an:
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 56<br />
• Änderungen der morphologischen Struktur eines Fadens können<br />
präzise und reproduzierbar bestimmt werden. Über die Auswirkungen<br />
unterschiedlicher Doppelbrechungen eines Garns auf seine<br />
Anfärbetiefe liegen in umfangreiche Untersuchungen vor, die eine<br />
Abschätzung des Streifigkeitsrisikos erlauben.<br />
• Untersuchungen können an kleinsten Teilstücken und Garnfragmenten<br />
durchgeführt werden. Damit ist diese Methode wesentlich<br />
praktikabler als z.B. ein Reißversuch, der über die verbleibende<br />
Restdehnung des Garns ebenfalls Einblicke in die Morphologie<br />
erlaubt. Dazu werden allerdings größere Mengen an Garn benötigt.<br />
Die Einschränkung der Methode bezieht sich auf Profilgarne, bei denen die<br />
oben beschriebene Messung nicht durchführbar ist. Nachfolgend sind<br />
Garnproben verschiedener Doppelbrechungsindizes, die ansonsten völlig<br />
identisch waren (Titerstärke, Material, Titandioxid-Anteil...) im Vergleich zu<br />
sehen. Bei Darstellungen dieser Art ist es immer recht schwierig, Farbtiefenunterschiede,<br />
die auch noch vom Lichteinfall und dem Betrachtungswinkel<br />
abhängen, wiederzugeben. Dennoch verdeutlichen die folgenden Bilder 4.33<br />
und 4.34 den Einfluß des Doppelbrechungsindizes auf die Anfärbung sehr anschaulich.<br />
Je höher der Doppelbrechungsindex (und damit die Orientierung des Garns)<br />
desto niedriger ist die Farbtiefe bei sonst identischen Bedingungen.<br />
Verwendet wurde ein sensitiver Metallkomplexfarbstoff der Farbe ACIDOL-<br />
Schwarz, wie er auch für Streifigkeitsuntersuchungen in den textilen Labors<br />
der BASF SE verwendet wird. Farbänderungen dieser Größenordnungen<br />
führen bei textilen Flächengebilden zu Streifigkeitseffekten.<br />
Um ein objektives Farbtiefenkriterium einzuführen, wurde mit einem optischen<br />
Sensor der Colorflash-Meßapparatur die Farbstärke des intensivsten Abschnitts<br />
auf 100% gesetzt und alle anderen Segmente dazu in Vergleich<br />
gesetzt.
57 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
Doppelbrech.<br />
Index<br />
Colorflash-<br />
Farbstärke<br />
0.0428 0.0428 0.0413 0.0403 0.0394 0.0375<br />
70 68 79 82 94 100<br />
Bild 4.33: Abhängigkeit der Farbtiefe von der Doppelbrechung des verwendeten Garns<br />
Das folgende Bild 4.34 verdeutlicht den gleichen Sachverhalt.<br />
Doppel<br />
brechungsindex<br />
Bild 4.34: Farbtiefenunterschiede in Abhängigkeit zur Doppelbrechung<br />
Colorflash<br />
Farbstärke<br />
0.0375 100<br />
0.0394 94<br />
0.0403 82<br />
0.0413 79<br />
0.0428 68<br />
0.0428 70
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 58<br />
4.11 Die Untersuchungsmethode der Röntgenbeugung<br />
Bei der Röntgenstreuung handelt es sich um die Streuung von Röntgenstrahlen<br />
an Materie. Sie ist eine der Standardmethoden zur Strukturaufklärung<br />
von teilkristallinen Polymeren.<br />
Eine typische Versuchsanordnung, wie sie u.a.bei der BASF SE verwendet<br />
wird, ist im folgenden Bild 4.35 dargestellt.<br />
Gekreuzte<br />
Göbel Spiegel<br />
Versiegelte<br />
Röntgenröhre<br />
Röntgen<br />
generator<br />
Bild 4.35: Offline Probenmessung mittels Röntgenstreuung<br />
Strahl<br />
begrenzer<br />
HI-STAR 2D<br />
Detektor<br />
Probenkammer<br />
Die Probe wird einem kollimierten, monochromatischen Röntgenstrahl ausgesetzt<br />
und winkelabhängig die transmittierte Intensität gemessen.<br />
Als Ergebnis erhält man typische Bragg Reflexe, die auf die innere Struktur<br />
der Probe zurückschließen lassen. Jeder Reflex ergibt sich aus der konstruktiven<br />
Interferenz von Röntgenlicht, das an einer Schar von parallelen Netzebenen<br />
im Kristall gebeugt wurde (siehe Bragg-Gleichung).<br />
n * λ = 2d * sin (θ) (Gl. 4.10)<br />
mit d = Abstand zwischen parallelen Gitterebenen<br />
λ = Wellenlänge der Röntgenstrahlung<br />
θ = Winkel zwischen Röntgenstrahl und Gitterebene (Bragg Winkel)<br />
n = eine ganze Zahl
59 4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung<br />
Jede Schar paralleler Gitterebenen hat einen charakteristischen Gitterebenenabstand<br />
d und damit auch einen charakteristischen Braggwinkel θ. Eine<br />
Reflexion kann nur dann beobachtet werden, wenn eine Schar paralleler<br />
Gitterebenen so orientiert ist, daß der Röntgenstrahl genau unter dem Braggwinkel<br />
θ einfällt. Für verschiedene Winkel, unter denen Röntgenstrahlung auf<br />
den Kristall trifft, erhält man auf dem Detektor hinter der Probe fast immer<br />
auch verschiedene Bilder, weil sich immer andere Scharen paralleler Gitterebenen<br />
(mit anderen Braggwinkeln und mit anderen Orientierungen im<br />
Kristall) in Reflexionsstellung zum einfallenden Röntgenstrahl befinden.<br />
Bild 4.36 zeigt ein offline gemessenes Beugungsbild eines Polyamid-Faserbündels<br />
mit Interpretation der Reflexe<br />
Kristallitgröße L<br />
II zur Kettenrichtung<br />
Kristallitgröße ΛF<br />
⊥ zur Kettenrichtung<br />
Orientierung ΔΦ<br />
Bild 4.36: Offline Röntgenbeugungsbild eines PA Faserbündels<br />
amorpher Halo<br />
Je nach Streuwinkel und Wellenlänge spricht man von Weitwinkelstreuung<br />
WAXS (Wide Angle X-ray Scattering) und Kleinwinkelstreuung SAXS (Small<br />
Angle X-ray Scattering). Da gemäss der Bragg-Gleichung bei vorgegebener<br />
Wellenlänge größere Strukturen einen kleineren Streuwinkel zur Folge haben<br />
und umgekehrt, können mit beiden Methoden unterschiedliche Informationen<br />
über die teilkristalline Struktur einer Polyamid Faser gewonnen werden. Das
4 Experimenteller Aufbau und Versuchsdurchführung 60<br />
folgende Bild 4.37 verdeutlicht die Zusammenhänge zwischen SAXS und<br />
WAXS bei der Anwendung auf eine teilkristalline Polyamid Faser.<br />
Kleinwinkel-Röntgenstr.<br />
(SAXS) 0,15° < 2 Θ < 5°<br />
Weitwinkel-Röntgenstr.<br />
(WAXS) 2° < 2 Θ < 150°<br />
Bild 4.37: WAXS und SAXS Messung an einer Polyamid Faser<br />
0,15° - 5°<br />
2° - 150°<br />
Mittels der hier dargestellten Methode der offline Röntgenbeugung wurde in<br />
Kap. 5.4.3 die Meßmethode der Doppelbrechung zur Bestimmung der<br />
Orientierung einer Polyamidfaser bestätigt. Die Doppelbrechung ist damit als<br />
schnelle und praxisnahe Bestimmung der Orientierung einer Faser (ohne<br />
nähere Aussage zu der spezifischen Kristallstruktur) für die Beurteilung der<br />
Streifigkeitsneigung aus physikalischen Gründen gut geeignet.
61 5 Versuchsergebnisse<br />
5 Versuchsergebnisse<br />
5.1 Untersuchte Meßkanäle ohne Streifigkeitsrelevanz<br />
Die im folgenden dargestellten Ergebnisse sind stellvertretend für eine ganze<br />
Reihe von Messungen und Analysen, die im Laufe eines Jahres an der Hochgeschwindigkeitsspinnanlage<br />
durchgeführt und ausgewertet wurden. Gemäß<br />
dem Konzept wurden alle Kanäle mit unterschiedlichen Datenraten erfaßt und<br />
sowohl gegenseitig korreliert als auch Fourier-transformiert. Das untersuchte<br />
Produkt war ein niederviskoses PA 6 (N-Polymer) wie in Kapitel 3 beschrieben.<br />
Die Spinnbedingungen entsprachen üblichen Einstellungen wie in Bild<br />
4.25 dargestellt.<br />
Das dargestellte Beispiel der Dampfkammer (Bild 5.1) steht stellvertretend für<br />
alle Meßgrößen ohne Einfluß auf das untersuchte Thema “Streifigkeit“.<br />
Alle anderen nichtrelevanten Meßgrößen wurden ebenfalls dokumentiert, aus<br />
Platzgründen jedoch nicht im Rahmen dieser Arbeit.<br />
Druck [bar]<br />
Druck [bar]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 5.1 oben: Signalverlauf des Dampfkammerdrucks über 25000 s<br />
unten: Frequenzanalyse des Signalverlaufs
5 Versuchsergebnisse 62<br />
Der hier gezeigte typische Verlauf des eingestellten Dampfdrucks der Relaxationskammer<br />
(Sollwert: 3 bar) sowie die Fourier Analyse des Frequenzspektrums<br />
läßt keine fadenrelevante Folgerung zu. Die Dampfkammer hat die Aufgabe,<br />
den hoch verstreckten Faden zu relaxieren, wobei durch den Einfluß<br />
von Wärme und Feuchtigkeit ein Teil des im Faden erzeugten Schrumpfpotentials<br />
gelöst wird und der Faden somit formstabilere Weiterverarbeitungseigenschaften<br />
erhält. Unabhängig vom eingestellten Dampfdruck von 1 - 6<br />
bar (Maximalwert) war im untersuchten Signal keine Auffälligkeit bezüglich<br />
der Streifigkeit des produzierten Garnes erkennbar. Diese Messung ist stellvertretend<br />
für eine Vielzahl anderer Messungen, die nicht im Rahmen dieser<br />
Arbeit aufgeführt werden.<br />
5.2 Streifigkeitsrelevante Resultate<br />
Im Rahmen der Untersuchungen des Spinnprozesses traten Abweichungen<br />
einzelner Parameter der Spinnanlage auf, die hinsichtlich ihrer Relevanz für<br />
Streifigkeitsanfälligkeit untersucht wurden.<br />
Dabei wurde versucht – im Sinne der eigentlichen Aufgabenstellung – das<br />
Auftreten von Abweichungen vom normalen Betriebszustand systematisch zu<br />
erfassen. In einem folgenden Schritt wurden diese Abweichungen Fadenparametern<br />
zugeordnet, die ebenfalls online gemessen wurden, z.B. das<br />
Geschwindigkeitsprofil des Fadens an einer definierten Stelle des Spinnprozesses.<br />
Das Geschwindigkeitsprofil wurde mit Hilfe der bereits beschriebenen<br />
LDA Meßtechnik über definierte Zeiträume aufgezeichnet und anschließend<br />
in das Online-Datenerfassungssystem „SLIM“ integriert. Die<br />
Ergebnisse der Datenanalyse korrelierten mit den festgestellten Abweichungen<br />
des Spinnprozesses.<br />
In einem weiteren Schritt wurde der ersponnene Faden offline im Labor mit<br />
statistischen Methoden untersucht, um Unterschiede im fertigen Faden herauszuarbeiten.<br />
Als Untersuchungsmethode wurde die Doppelbrechung des<br />
Fadens gewählt, die eine bewährte, etablierte Methode zur Feststellung morphologischer<br />
Eigenschaften ist.<br />
Auch dieser Vergleich der Prozeßparameter mit den streifigkeitsrelevanten<br />
Eigenschaften des fertigen Fadens ergab eine Übereinstimmung zwischen<br />
Schwankungen des Spinnprozesses und einer Neigung des produzierten<br />
Garnes zu Streifigkeit.<br />
Damit konnte die Beweiskette<br />
• Deviationen des Spinnprozesses<br />
• Zugeordnete Schwankungen der Fadenparameter<br />
• Auftreten von streifkeitsrelevanten Auf-<br />
fälligkeiten im fertigen Produkt<br />
geschlossen werden und Aussagen zur Streifigkeitsneigung alleine anhand<br />
des Spinnprozesses ermöglichen. Diese Aussagen beziehen sich auf die in
63 5 Versuchsergebnisse<br />
Kapitel 2 beschriebenen physikalischen Ursachen der Streifigkeit, z.B. Unter-<br />
schiede in der Orientierung des Fadens.<br />
5.2.1 Untersuchung der Blasluft<br />
Im Laufe der Messungen wurde der dominierende Einfluß der Abkühlbedingungen<br />
im Blaschacht deutlich. Durch die besonderen Bedingungen beim<br />
Schmelzespinnen (Feinheit der Filamente, Flüssigzustand der Filamente,<br />
Spannungen, Geschwindigkeits- und Temperaturunterschiede) haben die<br />
Vorgänge im Blasschacht besonderen Einfluß auf den Fadenbildungsprozeß.<br />
Die Polymerschmelze tritt mit einer Temperatur von 260°C – 275 °C (bei PA<br />
6) aus der Spinndüse aus und wird von der Abzugsgalette im Millisekundenbereich<br />
auf einer Länge von ca. 1,2 m – 1,6 m auf 4000 –5000 m/min beschleunigt.<br />
Gleichzeitig wird der Faden abgekühlt und befeuchtet. Zu diesem<br />
Zweck wird konditionierte Kühlluft in den Blasschacht eingeblasen. Der sich<br />
bildende Faden ist direkt dem Luftstrom und der Feuchte ausgesetzt. Bei<br />
diesem Prozeß tritt eine spannungsinduzierte Kristallisation des Fadens auf,<br />
der mit thermodynamischen Ungleichgewichtszuständen verbunden ist. Die<br />
amorphe Polymerschmelze verfestigt sich zu einer teilkristallinen hochfesten<br />
Polymerstruktur.<br />
Bei den im Laufe dieser Arbeit durchgeführten Messungen traten Unregelmäßigkeiten<br />
bei den Blasluftparametern auf, die detaillierter untersucht wurden.<br />
In diesem Falle waren die Abweichungen auf eine unzureichende Regelung,<br />
verbunden mit einer Unterdimensionierung der Klimaanlage zurückzuführen.<br />
Aufgrund der Einmaligkeit der Meßanordnung kann zum derzeitigen Stand<br />
kein Schluß auf andere Spinnanlagen gezogen werden. Es ist jedoch wahrscheinlich,<br />
daß in der Praxis durchgeführte Messungen zu noch signifikanteren<br />
Ergebnissen führen könnten, da erfahrungsgemäß der Luftkonditionierung<br />
häufig wenig Beachtung geschenkt wird. Auslegung sowie Wartung<br />
des Systems sind oft mängelbehaftet und auch umgebungsabhängig („Seasonality-Effekt“).<br />
Generell ist der Einfluß der Blasluft auf den Fadenbildungsprozeß qualitativ<br />
bekannt und es wird auch auf eine möglichst hohe Konstanz der Parameter<br />
Luftgeschwindigkeit, Luftfeuchte und Lufttemperatur hingewiesen. Dennoch<br />
werden die genannten Parameter entweder gar nicht oder nur sehr unzulänglich<br />
erfaßt. Messungen einmal am Tag mit einer kommerziellen Meßsonde<br />
sind in der Praxis das Maximum an Aufwand, eine Aufzeichnung und Korrelation<br />
zu Qualitätskriterien des Garnes erfolgt nicht.
5 Versuchsergebnisse 64<br />
5.2.1.1 Temperatur der Blasluft<br />
Eine typische Aufzeichnung der Blasluft-Temperatur ergab folgendes in Bild<br />
5.2 dargestelltes Ergebnis (Langzeitmessung über 24 Stunden):<br />
Temperatur [°C]<br />
Meßzeit [h]<br />
Bild 5.2: Temperaturverlauf der Blasluft über 24 h Meßzeit<br />
Meßpunkt für die Temperatur der Blasluft war die Zuführung zum Blaschacht.<br />
Auffällig sind zunächst die langwelligen, periodischen Schwankungen, deren<br />
Amplitude volle 3 °C ausmacht (vgl. Bereich um 6:00 Stunden). Weiterhin<br />
auffällig ist ein Bereich relativer Ruhe, der sich zwischen 12:00 und 14:00<br />
Stunden erstreckt und länger als eine Stunde dauert.
65 5 Versuchsergebnisse<br />
Eine Fourieranalyse des gesamten Signals ergab folgende Resultate:<br />
Temperatur [°C]<br />
Temperatur [°C]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 5.3 oben: Temperaturverlauf der Blasluft über 24 h<br />
unten: Frequenzanalyse des Temperaturverlaufs<br />
Es zeigt sich ein Peak bei einer sehr niedrigen Frequenz von ca. 0,001 Hz.
5 Versuchsergebnisse 66<br />
Anschließend wurde der Bereich maximaler Schwankung untersucht (Bild 5.4:<br />
Bereich zwischen 12 000 und 20 000 Sekunden, dargestellt zwischen blauer<br />
und gelber Linie im Diagramm).<br />
Temperatur [°C]<br />
Temperatur [°C]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 5.4 oben: Temperaturverlauf der Blasluft im Bereich maximaler Schwankung<br />
unten: Frequenzanalyse des Temperaturverlaufs<br />
Die Peaklage blieb unverändert, lediglich die Amplitude des Peaks nahm zu.
67 5 Versuchsergebnisse<br />
Die Analyse des Bereichs relativer Ruhe (zwischen 45 000 s und 48 000 s)<br />
ergab folgende Resultate (Bild 5.5):<br />
Temperatur [°C]<br />
Temperatur [°C]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 5.5 oben: Temperaturverlauf der Blasluft im Bereich minimaler Schwankung<br />
unten: Frequenzanalyse des Temperaturverlaufs<br />
Es zeigt sich kein aussagekräftiges Frequenzspektrum mehr.<br />
Die oben gezeigte Meßstelle war in die Zuluftführung der Blasluft integriert. Es<br />
stellte sich nun die Frage, ob die Temperaturschwankung der Zuluft im eigentlichen<br />
Blasschacht genauso ausgeprägt vorhanden ist oder abgeschwächt<br />
wird, z. B. durch das vorhandene Filtersieb, welches einen dämpfenden Einfluß<br />
haben könnte. Die Antwort gibt das folgende Bild 5.6 der fünf im Blasschacht<br />
angebrachten Sensoren (einer der 6 Sensoren stellte sich im Laufe<br />
der Messung als defekt heraus, so daß nur die Ergebnisse von 5 Meßstellen<br />
wiedergegeben werden):
5 Versuchsergebnisse 68<br />
Temperatur [°C]<br />
Meßzeit [h]<br />
Bild 5.6: Aufzeichung der Blaslufttemperatur über 24 h mit fünf Sensoren im Blasschacht<br />
Das Ergebnis ist eindeutig. Der Verlauf der Temperatur ist identisch mit dem<br />
Temperaturprofil der Zuluft. Die Schwankungen fallen je nach Position der<br />
Sensoren unterschiedlich stark aus und auch das absolute Temperaturprofil<br />
unterscheidet sich. In der Nähe der heißen Spinndüsen ist eine meßbare<br />
Steigerung der Blaswindtemperatur festzustellen.<br />
5.2.1.2 Geschwindigkeit der Blasluft<br />
Die gleiche Langzeitmessung wie unter Punkt 5.2.1.1 ergab folgenden Sachverhalt<br />
(Bild 5.7)<br />
Geschwindigkeit [m/s]<br />
Meßzeit [h]<br />
Bild 5.7: Geschwindigkeitsverlauf der Blasluft über 24 h mit 5 Sensoren
69 5 Versuchsergebnisse<br />
Die Messung ähnelt vom Verlauf den Temperaturmessungen aus 5.2.1.1.<br />
Wiederum tritt eine Region relativer Ruhe im Bereich zwischen 12 und 14<br />
Stunden auf. Die anderen Bereiche sind stärker schwankend, wobei sich die<br />
Schwankungen in ausgeprägten Peaks nach unten manifestieren. Auffällig ist<br />
auch die starke Abweichung der Meßstellen untereinander. Um zu überprüfen,<br />
ob eventuell vom Fadenbündel verursachte aerodynamische Effekte für<br />
die starken Unterschiede verantwortlich sind, wurde eine Referenzmessung<br />
ohne Verspinnung durchgeführt, das heißt, das Blasluftprofil wurde in Ruhe<br />
gemessen. Das Ergebnis ist wiederum eindeutig (siehe Bild 5.8).<br />
Geschwindigkeit [m/s]<br />
Meßzeit [h]<br />
Bild 5.8: Referenzmessung Blasluftgeschwindigkeit ohne Verspinnung über 60 min<br />
Die Geschwindigkeitsunterschiede werden nicht durch vom Fadenbündel<br />
verursachte aerodynamische Effekte erzielt. Eigentlich sollte das Blasluftprofil<br />
eine Blockform darstellen, also identische Luftgeschwindigkeiten über das<br />
gesamte rechteckige Blasschachtprofil ermöglichen.<br />
Eine exemplarisch an einem Kanal durchgeführte Fourieranalyse der Geschwindigkeitsverläufe<br />
des Blaswindes ergab kein ausgeprägtes Frequenzspektrum<br />
mehr. (Bild 5.9 nächste Seite).
5 Versuchsergebnisse 70<br />
Geschwindigkeit [m/s]<br />
Geschwindigkeit [m/s]<br />
Bild 5.9 oben: Geschwindigkeitsverlauf der Blasluft über 87000 s Meßzeit<br />
unten: Frequenzanalyse des Geschwindigkeitsverlaufs<br />
5.2.1.3 Feuchte der Blasluft<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Als wichtigste Einflußgröße für das Auftreten von Schwankungen der Garneigenschaften<br />
während der Verspinnung wurde bei den Online-Messungen<br />
die Feuchte der Blasluft identifiziert.<br />
Analog zu den Schwankungen der Lufttemperatur sowie der Luftgeschwindigkeit<br />
im Blasschacht oszilliert auch die Feuchte im System, was Einflüsse<br />
auf die physikalischen Fadeneigenschaften hat.<br />
Das folgende Bild 5.10 zeigt die Veränderung der Feuchte über eine 24 h<br />
Langzeitmessung. Die Messung fand wiederum in der Zuleitung zum Blasschacht<br />
statt.
71 5 Versuchsergebnisse<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [h]<br />
Bild 5.10: Langzeitmessung der Blasluftfeuchte über 24 h Intervall<br />
Auffällig ist das Ausmaß der Schwankungsbreite: ein eingestellter Sollwert<br />
von 70 % relativer Feuchte führte zu Schwankungen in einer Bandbreite von<br />
61% - 78 %. Um die optische Auflösung zu verbessern ist im folgenden Bild<br />
5.11 ein 2-Stunden-Intervall dargestellt, der aus der stärker schwankenden<br />
zweiten Hälfte der Messung stammt.<br />
Meßzeit [h]<br />
Bild 5.11: Blasluftfeuchte während eines 2stündigen Meßintervalls ausgeprägter Unruhe
5 Versuchsergebnisse 72<br />
In dieser Auflösung zeigen sich Phasen relativer Ruhe, wobei der eingestellte<br />
Feuchtewert fast erreicht und gehalten wird, allerdings nur über einen Zeitraum<br />
von ca. 3-5 Minuten. Viel ausgeprägter sind die periodisch wirkenden<br />
Schwankungen, die sich über einen deutlich längeren Zeitraum von ca. 20-30<br />
Minuten erstrecken.<br />
Um zu klären, ob sich die Schwankungen der Zuluftfeuchte auch im Blasschacht<br />
wiederfinden, wurden die im Blasschacht eingebauten Sensoren<br />
ausgewertet. Das folgende Bild 5.12 zeigt das Ergebnis:<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [min]<br />
Bild 5.12: Gemessene Blasluftfeuchte im Blaschachtüber 1 h Meßzeit<br />
Alle 6 Sensoren im Blasschacht folgen den Werten in der Zuluft nahezu identisch.<br />
Damit bestätigen sich auch die gleichen Erfahrungen der Lufttemperaturmessungen<br />
im vorherigen Kapitel: Schwankungen in der Zuluft werden von<br />
dem Filtersieb des Blasschachtes nicht mehr reduziert oder homogenisiert.<br />
Der ersponnene Faden ist den oben beschriebenen Schwankungen auch<br />
unmittelbar ausgesetzt, was seine physikalischen Eigenschaften verändern<br />
kann.<br />
Eine Analyse der Schwankung der Blasluftfeuchte ergab folgendes Resultat<br />
(die Auswertung erstreckte sich über die komplette 24-Stunden Messung),<br />
welches im Bild 5.13 dargestellt wird.
73 5 Versuchsergebnisse<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 5.13 oben: Relative Blasluftfeuchte über 87000 s Meßzeit<br />
unten: Frequenzanalyse der Blasluftfeuchte<br />
Es zeigt sich ein stark ausgeprägter Peak, der bei einer Frequenz von ca.<br />
0,01 Hz liegt, was einer Periodendauer von ca. 100 Sekunden entspricht.<br />
Um das Signal genauer zu analysieren, wurde im folgenden Bild 5.14 ein<br />
schwächer schwankender Abschnitt der ersten Meßhälfte untersucht:
5 Versuchsergebnisse 74<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 5.14 oben: Relative Blasluftfeuchte eines ruhigen Segments zwischen 13000 s<br />
und 17000 s<br />
unten: Frequenzanalyse der Blasluftfeuchte dieses Segments<br />
Das Signal ist verrauschter und weniger stark ausgeprägt, dennoch bildet sich<br />
erneut ein Peak bei 0.01 Hz.<br />
Zum Vergleich im nächsten Bild 5.15 eine Analyse eines stark oszillierenden<br />
Abschnittes der zweiten Meßhälfte, gemessen im Bereich zwischen 82000 s<br />
und 85000 s:
75 5 Versuchsergebnisse<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 5.15 oben: Relative Blasluftfeuchte eines stark schwankenden Segments<br />
zwischen 82000 s und 85000 s<br />
unten: Frequenzanalyse der Blasluftfeuchte dieses Segments<br />
Die Lage des Peaks bei 0,01 Hz blieb bestehen, die Amplitude hat sich jedoch<br />
gegenüber der gesamten Messung vervierfacht, gegenüber der ruhigeren<br />
Phase im ersten Meßabschnitt verfünf- bis sechsfacht.<br />
Damit ist über die gesamte Meßzeit von 24 Stunden eine unterschiedlich stark<br />
ausgeprägte periodische Schwankung der Blasluftfeuchte mit einer Frequenz<br />
von ca. 0,01 Hz bzw. einer Periodendauer von ca. 100 Sekunden aufgetreten.<br />
Das folgende Bild 5.16 zeigt mittels Laser LDA Messung der Fadengeschwindigkeit<br />
im Blaschacht die Auswirkungen dieser Oszillation der Blasluftfeuchte.<br />
Gemessen wurde in der Höhe des ersten Blasluftsensors, also relativ nahe an<br />
der Düse, wo ein eher niedriges Geschwindigkeitsniveau (ca. 700 m/min) der<br />
Fadengeschwindigkeit herrscht.
5 Versuchsergebnisse 76<br />
Garngeschwindigkeit [m/min]<br />
Bild 5.16: LDA Messung der Fadengeschwindigkeit im Blasschacht im Abstand von 40 cm zur<br />
Spinndüse<br />
Deutlich sind ausgeprägte „Sprünge“ auf ein höheres/niedrigeres Geschwindigkeitsniveau<br />
und ein Zurückfallen/Zurücksteigen auf das mittlere Geschwindigkeitsniveau.<br />
Die Schwankungsdauer beträgt ca. 100 Sekunden, was mit<br />
der Periode der Blasluftfeuchteschwankung korreliert. Diese Beobachtung<br />
wird durch folgende Messung komplettiert: (Bild 5.17)<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [s]<br />
Meßzeit [h]<br />
Bild 5.17: Konstante Blasluftfeuchte eines beruhigten Betriebszustandes über 1 h Meßzeit<br />
Bei dem im Bild 5.17 gezeigten relativ stabilen Betriebszustand (die Blasluftfeuchte<br />
wurde durch ein vorgeschaltetes Ventil homogenisiert) ist auch die<br />
Fadengeschwindigkeit deutlich gleichmäßiger, wie in Bild 5.18 dargestellt ist.
Garngeschwindigkeit [m/min]<br />
77 5 Versuchsergebnisse<br />
Garngeschwindigkeit [m/min]<br />
Meßzeit [s]<br />
Bild 5.18: Fadengeschwindigkeit im Abstand von 40 cm zur Spinndüse bei „beruhigter“<br />
Blasluftfeuchte<br />
Es herrscht ein konstantes Geschwindigkeitsniveau vor, das bis auf das<br />
Grundrauschen der LDA Methode konstant beibehalten wird. Damit kann<br />
erneut der Zusammenhang zwischen Störgröße (Blasluftfeuchte) und direkter<br />
Auswirkung (Geschwindigkeitsniveau des Fadens) hergeleitet werden: bei<br />
ruhiger Blasluft zeigt sich auch ein ruhiges Geschwindigkeitsniveau. Bei oszillierender<br />
Blasluftfeuchte springt auch die Fadengeschwindigkeit im Intervall<br />
der Erregerstörung (hier: 0.01 Hz). Zur Vervollständigung werden in den<br />
folgenden Bildern 5.19 und 5.20 die gemessenen LDA Kurven der anderen<br />
Meßstellen während der Phase der Blasluftfeuchteschwankungen gezeigt..<br />
Meßzeit [s]<br />
Bild 5.19: Fadengeschwindigkeit im Abstand von 80 cm zur Spinndüse bei stark<br />
schwankender Blasluftfeuchte
5 Versuchsergebnisse 78<br />
Garngeschwindigkeit [m/min]<br />
Meßzeit [s]<br />
Bild 5.20: Fadengeschwindigkeit im Abstand von 120 cm zur Spinndüse bei stark<br />
schwankender Blasluftfeuchte<br />
Zwar sind die Meßstellen weiter von der Spinndüse entfernt, was ein entsprechend<br />
erhöhtes Geschwindigkeitsniveau zur Folge hat, dennoch sind die<br />
Schwankungen der Fadengeschwindigkeit vorhanden und korrelieren ebenfalls<br />
mit der Periode der Blasluftfeuchteschwankung.<br />
Geschwindigkeitsmessungen während konstanter Phasen der Blasluftfeuchte,<br />
wie in den Bildern 5.17 und 5.18 exemplarisch wiedergegeben,<br />
zeigen diese Schwankungen nicht, auch nicht bei höherem Geschwindigkeitsniveau.<br />
Um die Auswirkungen dieser Unregelmäßigkeiten auf die Garneigenschaften<br />
zu prüfen, wurden Garne dieser Ausspinnungen im Textilprüflabor<br />
vermessen, vor allem auch hinsichtlich ihrer Doppelbrechung als wichtige<br />
Größe der morphologischen Struktur. Die Einflüsse der Doppelbrechungsindizes<br />
auf die Anfärbung und damit die Streifigkeitsneigung wurden in Kapitel<br />
4.10 beschrieben. Da eine direkte Zuordnung des Garns zu einer definierten<br />
Periode des Prozesses schwierig ist, wurde auf statistische Methoden zurückgegriffen:<br />
Es wurden entsprechende Garnproben präpariert, die in definierten Abständen<br />
(1000 m Intervalle) von der Spule abgeweift wurden. Dann wurden für<br />
eine bestimmte Anzahl dieser Proben die Doppelbrechungsindizes ermittelt.<br />
Das Ergebnis ist im folgenden Bild 5.21 dargestellt.
79 5 Versuchsergebnisse<br />
Doppelbrechungsindex<br />
0,044<br />
0,042<br />
0,04<br />
0,038<br />
0,036<br />
0,034<br />
0,032<br />
0,03<br />
0,03<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20<br />
Bild 5.21: Doppelbrechungsindizes eines Garns aus stark schwankender Phase der<br />
Blasluftfeuchte<br />
Zum Vergleich dazu im folgenden Bild 5.22 die Doppelbrechungsindizes eines<br />
Garns während einer konstanten Phase der Blasluftfeuchte:<br />
Doppelbrechungsindex<br />
0,044<br />
0,042<br />
0,04<br />
0,038<br />
0,036<br />
0,034<br />
0,032<br />
Anzahl der Messungen<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20<br />
Anzahl der Messungen<br />
Bild 5.22: Doppelbrechungsindizes eines Garns aus konstanter Phase der Blasluftfeuchte<br />
Damit konnten die Auswirkungen der Schwankungen der Blasluftfeuchte auf<br />
die Garnstruktur auch quantitativ herausgearbeitet werden. Die stark differierenden<br />
Doppelbrechungsindizes aus der schwankenden Phase zeigten<br />
starkes Potential zur Streifigkeit auf. Die relativ homogenen Indizes der kon-
5 Versuchsergebnisse 80<br />
stanten Phase dagegen zeigten eher reduzierte Streifigkeitsneigung. Das gefärbte<br />
Strickstück der schwankenden Phase zeigte analog dazu sowohl deutliche<br />
Farbtiefendifferenzen als auch ausgeprägte Streifigkeit. Das Strickstück<br />
aus dem Herstellungszeitraum der konstanten Phase der Blasluftfeuchte war<br />
nach einhelliger Beurteilung streifenfrei.<br />
Die Beweiskette ist damit geschlossen:<br />
Gemessenen Schwankungen (der Blasluftfeuchte) im Spinnbereich, die exakt<br />
analysiert wurden, konnten ebenfalls gemessenen Abweichungen der Fadeneigenschaften<br />
(Unterschiede in der Garngeschwindigkeit) zugeordnet werden.<br />
Diese wiederum korrelierten mit morphologischen Eigenschaften (Orientierung)<br />
des fertigen Garnes und ließen eine gute Prognose zur Streifigkeitsneigung<br />
der fertigen Textilie zu.<br />
Die Messungen wurden unter verschiedenen Bedingungen wiederholt und<br />
erbrachten ausnahmslos die gleichen Erkenntnisse.<br />
5.2.1.4 Nähere Untersuchung der Blasluftfeuchte<br />
Aufgrund des großen Einflusses der Blasluftbedingungen auf den Spinnprozeß<br />
bzw. die Fadeneigenschaften wurden die Schwankungen, speziell der<br />
Blasluftfeuchte, näher untersucht. Es bleibt allerdings festzuhalten, daß es<br />
nicht primäres Ziel dieser Arbeit war, eine Optimierung der Anlage bzw. der<br />
Hilfsaggregate wie zum Beispiel der Klimaanlage durchzuführen.<br />
Dennoch ist gerade dies auch eine praktikable Verwendung der Online-Meßanordnung<br />
und kann in der Praxis sehr wohl auch zur Qualitätskontrolle<br />
und/oder zur Anlagenoptimierung eingesetzt werden.<br />
Um den Einfluß der eingestellten Blasluftfeuchte-Sollwerte auf die Periodizität<br />
und Intensität der Schwankung zu ermitteln, wurde ein Versuchsprogramm<br />
mit drei Feuchte-Sollwerten gefahren:<br />
- 75 % relative Feuchte<br />
- 65 % relative Feuchte<br />
- 55 % relative Feuchte<br />
Die zeitliche Darstellung des Blasluftfeuchteverlaufs ist im folgenden Bild 5.23<br />
zu sehen.
81 5 Versuchsergebnisse<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [h]<br />
Bild 5.23: Blasluftfeuchteschwankungen bei verschieden eingestellten Sollwerten über eine<br />
Meßzeit von 4 h<br />
Im oberen Bereich, um 75 % relativer Feuchte, ist der Wert ziemlich konstant,<br />
im Bereich von 65 % sind wieder die stark ausgeprägten Schwankungen zu<br />
erkennen, während der 55 % Bereich eine Mischung aus Phasen der Ruhe<br />
und Schwankung darstellt.<br />
Im Bereich von eingestellten 75% relativer Blasluftfeuchte bildet sich ein sehr<br />
schwach ausgeprägter Peak heraus, der bei etwa 0,014 Hz liegt, was einer<br />
Periodendauer von ca. 70 Sekunden entspricht (Bild 5.24 unten auf der folgenden<br />
Seite).
5 Versuchsergebnisse 82<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 5.24 oben: Analysierter Meßbereich der Blasluftfeuchte im Bereich 75%<br />
unten: Frequenzanalyse der Blasluftfeuchte dieses Segments
83 5 Versuchsergebnisse<br />
Im Bereich von eingestellten 65% relativer Blasluftfeuchte (zwischen 6000 s<br />
und 9000 s) zeigt sich wieder der bereits in früheren Messungen aufgetretene<br />
0,01 Hz Peak mit deutlicher Amplitude von mehr als 4 % relativer Feuchte<br />
(Bild 5.25 unten).<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 5.25 oben: Analysierter Meßbereich der Blasluftfeuchte im Bereich 65%<br />
unten: Frequenzanalyse der Blasluftfeuchte dieses Segments
5 Versuchsergebnisse 84<br />
Der Bereich um 55% eingestellter Blasluftfeuchte (zwischen 9000 s und<br />
13000 s) zeigt das am stärksten verrauschte Signal, wenngleich auch hier<br />
eine Peaklage im Frequenzbereich von 0,01 Hz eindeutig vorliegt (Bild 5.26<br />
unten).<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 5.26 oben: Analysierter Meßbereich der Blasluftfeuchte im Bereich 55%<br />
unten: Frequenzanalyse der Blasluftfeuchte dieses Segments<br />
Zusammenfassend ergab die nähere Untersuchung der Blasluft eine ausgeprägte<br />
Schwankung gerade in dem Wertebereich, der beim Polyamidspinnen<br />
üblicherweise verwendet wird: dem Bereich um 70 % relativer Feuchte. Es<br />
wurden zu diesen eingestellten Feuchten wieder parallel LDA - Messungen<br />
der Fadengeschwindigkeit durchgeführt, wobei wieder die bereits bekannten<br />
Phänomene auftraten: die Geschwindigkeitssprünge erfolgten mit der Fre-<br />
quenz der Störung. Allerdings waren die Einflüsse auf die Garngeschwindigkeiten<br />
im 75 % relativer Feuchte-Bereich, wo die Amplitude der Störung nur<br />
schwach ausgeprägt war, ebenfalls nur ansatzweise zu erkennen. Die Verläufe<br />
der Fadengeschwindigkeiten werden im folgenden unter Einbeziehung<br />
der Ergebnisse für PA 6.6 diskutiert. Der technische Grund für die Schwank-
85 5 Versuchsergebnisse<br />
ungen wurde in einer unpassenden Regelparameterauslegung sowie einer<br />
Unterdimensionierung der Klimaanlage ausgemacht. Hinzu kam ein zu<br />
großes Regelventil. Durch Vorschalten eines Ventils und Änderung der<br />
Regelung konnte bereits in Vorversuchen eine deutliche Verbesserung der<br />
Blasluftwerte in Hinsicht auf Konstanz erzielt werden. Dies soll aber nicht<br />
Thema dieser Arbeit sein.<br />
5.2.2 Der Einfluß von Galettenschwankungen<br />
Neben den im vorigen Kapitel intensiv untersuchten Schwankungen der Blasluft<br />
und deren Auswirkungen trat sporadisch ein weiteres Phänomen auf, bei<br />
dem ebenfalls eine Korrelation zu Fadeneigenschaften während des Spinnprozesses<br />
nachgewiesen werden konnte. Es handelt sich um Schwankungen<br />
der Drehzahl der Abzugsgalette 2. Dieses Galettenpaar verstreckt durch den<br />
Geschwindigkeitsunterschied zu Galettenpaar 1 den Faden zu seiner endgültigen<br />
Festigkeit bzw. endgültigen Durchmesser. Bei einigen wenigen Messungen<br />
trat folgende Unregelmäßigkeit auf (Bild 5.27):<br />
Galettendrehzahl [U/min]<br />
Galettendrehzahl [U/min]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 5.27 oben: Analysierter Meßbereich der Galettendrehzahl über 7200 s Meßzeit<br />
unten: Frequenzanalyse der Galettendrehzahl dieses Segments
5 Versuchsergebnisse 86<br />
Deutlich erkennbar ist eine periodische Störung mit einer Frequenz von 2,25<br />
Hz. Diese Störung schlägt auch auf die Fadeneigenschaften beim Spinnprozeß<br />
durch, wie folgende Messung der Fadenspannung über einen Zeitraum<br />
von 7200 s unmittelbar nach der Galette belegt (Bild 5.28):<br />
Fadenspannung [N] Fadenspannung [cN]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 5.28 oben: Analysierter Meßbereich der Fadenspannung über 7200 s Meßzeit<br />
unten: Frequenzanalyse der Galettendrehzahl dieses Segments<br />
Der Korrelationsfaktor zwischen Ursache (der Galettendrehzahlschwankung)<br />
und Wirkung (Schwankung der Fadenspannung) ist hier bei über 99 %. Allerdings<br />
ist die Amplitude der verursachenden Störung gering, ebenso die dadurch<br />
verursachte Amplitude der Fadenspannungsschwankung. Bei Untersuchungen<br />
von Proben dieser Ausspinnungsphase im Labor konnten im<br />
Rahmen der üblichen Meßgenauigkeit keine Abweichungen physikalischer<br />
Garndaten festgestellt werden. Ebenso konnte die Ursache dieses Phänomens,<br />
welches nur zweimal auftrat, nicht ermittelt werden.
87 5 Versuchsergebnisse<br />
5.3 Untersuchungen an Polyamid 66<br />
Um die Anfälligkeit des untersuchten PA 6 Materials gegen streifigkeitsinduzierende<br />
Spinnbedingungen besser abschätzen zu können, wurde ein textiles<br />
Polyamid 66 einer vergleichbaren Viskositätsklasse untersucht. Dabei wurden<br />
die im vorherigen Abschnitt variierten Feuchte-Sollwerte von 55%, 65%<br />
und 75% relativer Feuchte zugrunde gelegt. Wiederum wurden an den sechs<br />
Sensoren-Positionen die Geschwindigkeitsverläufe mit LDA Meßtechnik aufgezeichnet.<br />
Abschließend erfolgte im Labor die Ermittlung der Doppelbrechungsindizes<br />
nach dem bereits beschriebenen Prozedere. Da die Geschwindigkeitsverläufe<br />
sich an den untersuchten Meßstellen zwar in der Höhe des<br />
absoluten Geschwindigkeitsniveaus, nicht jedoch im grundsätzlichen Verlauf<br />
unterschieden, wird im folgenden jeweils stellvertretend nur ein Geschwindigkeitsverlauf<br />
in Korrelation zur Feuchte dargestellt.<br />
Im Bild 5.29 ist der ruhigere Verlauf der 75%-Feuchte Einstellung dargestellt,<br />
im Bild 5.30 dazu der gemessene Geschwindigkeitsverlauf bei PA 66.<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 5.29 oben: Analysierter Meßbereich der Blasluftfeuchte im Bereich 75%<br />
unten: Frequenzanalyse der Blasluftfeuchte dieses Segments
5 Versuchsergebnisse 88<br />
Garngeschwindigkeit [m/min]<br />
Bild 5.30: Geschwindigkeitsverlauf von PA 66 während dieser Phase leichter Unruhe,<br />
gemessen im Abstand von 120 cm von der Spinndüse<br />
Zwei Dinge sind auffällig:<br />
• die Schwankungen der Garngeschwindigkeit fallen trotz des hohen<br />
absoluten Geschwindigkeitsniveaus von über 4000 m/min sehr<br />
moderat aus und korrelieren damit in der Amplitude qualitativ mit<br />
den moderaten Blaswind-Feuchteschwankungen.<br />
• die Periodizität der Geschwindigkeitsschwankungen folgt der<br />
Frequenz von 0,014 Hz bzw. der ca. 70 Sekunden Periodendauer.<br />
In den Bildern 5.31 und 5.32 sind die Sachverhalte für den stark schwankenden<br />
Abschnitt der Blasluftfeuchte (65% rel. Feuchte) dargestellt:<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [s]<br />
Meßzeit [s]<br />
Bild 5.31 oben: Analysierter Meßbereich der Blasluftfeuchte im Bereich 65%
89 5 Versuchsergebnisse<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Bild 5.31 unten: Frequenzanalyse des analysierten Meßbereich der Blasluftfeuchte im<br />
Bereich 65%<br />
Garngeschwindigkeit [m/min]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Meßzeit [s]<br />
Bild 5.32: Geschwindigkeitsverlauf von PA 66 während dieser Phase starker Unruhe,<br />
gemessen im Abstand von 120 cm von der Spinndüse<br />
Die Ausschläge der Geschwindigkeitsschwankungen nehmen zu, was in der<br />
Größenordnung auch den heftigeren Schwankungen der Blasluftfeuchte<br />
entspricht. Auch die Periodendauer der Geschwindigkeitsschwankungen folgt<br />
mit ca. 90 Sekunden der Erregerstörung der Blasluftfeuchte von 0,011 Hz.
5 Versuchsergebnisse 90<br />
Die Bilder 5.33 und 5.34 zeigen die Verhältnisse für den 55% r.F. Bereich.<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 5.33 oben: Analysierter Meßbereich der Blasluftfeuchte im Bereich 55%<br />
unten: Frequenzanalyse der Blasluftfeuchte dieses Segments<br />
Garngeschwindigkeit [m/min]<br />
Meßzeit [s]<br />
Bild 5.34: Geschwindigkeitsverlauf von PA 66 während dieser Phase mittlerer Unruhe<br />
gemessen im Abstand von 120 cm von der Spinndüse
91 5 Versuchsergebnisse<br />
Die Schwankungen der Geschwindigkeitsverläufe sind in Bild 5.34 etwas<br />
schwächer ausgeprägt als in Bild 5.32, folgen aber wiederum der Periode der<br />
verursachenden Störung, der Blasluftfeuchte. Die folgenden Bilder 5.35 –<br />
5.37 zeigen die Auswertung der Doppelbrechungsindizes aller drei Abschnitte<br />
der Blasluftfeuchteschwankungen. Es wurden 20 Faserstücke aus der<br />
entsprechenden Periode der Blasluftfeuchteschwankung vermessen.<br />
Doppelbrechungsindex<br />
0,0406<br />
0,0404<br />
0,0402<br />
0,04<br />
0,0398<br />
0,0396<br />
0,0394<br />
0,0392<br />
0,039<br />
0,034<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20<br />
Anzahl der Messungen<br />
Bild 5.35: Doppelbrechungsindizes von PA 66 Garn des ersten Drittels der Blasluftfeuchte-<br />
schwankung (75% Feuchte, leichte Unruhe)<br />
Doppelbrechungsindex<br />
0,044<br />
0,043<br />
0,042<br />
0,041<br />
0,04<br />
0,039<br />
0,038<br />
0,037<br />
0,036<br />
0,035<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20<br />
Anzahl der Messungen<br />
Bild 5.36: Doppelbrechungsindizes von PA 66 Garn des zweiten Drittels der Blasluftfeuchte-<br />
schwankung (65% Feuchte, starke Unruhe)
5 Versuchsergebnisse 92<br />
Doppelbrechungsindex<br />
0,041<br />
0,0405<br />
0,04<br />
0,0395<br />
0,039<br />
0,0385<br />
0,038<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20<br />
Anzahl der Messungen<br />
Bild 5.37: Doppelbrechungsindizes von PA 66 Garn des dritten Drittels der Blasluftfeuchte-<br />
schwankung (55% Feuchte, mittlere Unruhe)<br />
Wiederum tritt eine gute Korrelation zwischen Störgröße (Blasluftfeuchteschwankung)<br />
und Auswirkung (unterschiedliche Doppelbrechungsindizes der<br />
Garne) auf. Tendenziell reagiert das untersuchte PA 66 heftiger auf die<br />
Störgröße, die Anfälligkeit für Streifigkeit nahm gegenüber PA 6 zu. Dies<br />
drückte sich auch im optischen Eindruck der gefertigten Prüflinge aus.<br />
5.4 Untersuchungen an asiatischem Polyamid 6<br />
Um die Datenbasis zu verbreitern und die Aussagefähigkeit der Messungen<br />
zu überprüfen, wurde ein Polyamid 6 asiatischer Herkunft (pigmentiert,<br />
relative Viskosität 2.5) versponnen. Dazu wurden verschiedene Blaslufteinstellungen<br />
verwendet und ruhige sowie stark schwankende Phasen gemessen.<br />
Die Ergebnisse sind auf den folgenden Seiten dargestellt. Analog zu den<br />
bisherigen Ergebnissen werden folgende Daten dargestellt:<br />
• Blasluftfeuchte mit Analyse<br />
• gemessene Garngeschwindigkeitskurven während dieser Phase<br />
• ermittelte Doppelbrechungsindizes dieser Garnstücke
93 5 Versuchsergebnisse<br />
5.4.1 Messungen einer ruhigen Phase der Blasluftfeuchte<br />
Relative Blasluftfeuchte [%] Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 5.38 oben: Analysierter Meßbereich einer ruhigen Phase der Blasluftfeuchte-<br />
schwankung<br />
unten: Frequenzanalyse der Blasluftfeuchte dieses Segments
5 Versuchsergebnisse 94<br />
Garngeschwindigkeit [m/min]<br />
3800<br />
3750<br />
3700<br />
3650<br />
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960<br />
Meßzeit [s]<br />
Bild 5.39: Geschwindigkeitsverlauf von asiatischem PA 6 während dieser ruhigen Phase<br />
gemessen im Abstand von 90 cm von der Spinndüse<br />
Zum Vergleich dazu (Bild 5.40) das unter ähnlichen Bedingungen (Blasluftfeuchte<br />
konstant und auf gleichem Niveau) aufgezeichnete Geschwindigkeitsprofil<br />
eines PA 6 Polymers der BASF. Zur besseren optischen Vergleichbarkeit<br />
wurde die Skalierung konstant gehalten, auch wenn das Geschwindigkeitsniveau<br />
des BASF Polymers etwas höher lag.<br />
Garngeschwindigkeit [m/min]<br />
3.900<br />
3.850<br />
3.800<br />
3.750<br />
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960<br />
Meßzeit [s]<br />
Bild 5.40: Geschwindigkeitsverlauf von PA 6 der BASF unter vergleichbaren Bedingungen
95 5 Versuchsergebnisse<br />
Auf den folgenden Bildern 5.41 und 5.42 sind die Doppelbrechungsindizes der<br />
während dieser ruhigen Phase hergestellten Garne abgebildet.<br />
Doppelbrechungsindex<br />
0,046<br />
0,044<br />
0,042<br />
0,04<br />
0,038<br />
0,036<br />
0,034<br />
0,032<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20<br />
Anzahl der Messungen<br />
Bild 5.40: Doppelbrechungsindizes asiatisches PA6 (ruhige Phase der Blasluft)<br />
Doppelbrechungsindex<br />
0,03<br />
0,046<br />
0,044<br />
0,042<br />
0,04<br />
0,038<br />
0,036<br />
0,034<br />
0,032<br />
0,03<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20<br />
Anzahl der Messungen<br />
Bild 5.41: Doppelbrechungsindizes für PA6 der BASF (ruhige Phase der Blasluft)
5 Versuchsergebnisse 96<br />
5.4.2 Messungen einer turbulenten Phase der Blasluftfeuchte<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 5.42 oben: Analysierter Meßbereich einer turbulenten Phase der Blasluftfeuchte-<br />
schwankung<br />
unten: Frequenzanalyse der Blasluftfeuchte dieses Segments
97 5 Versuchsergebnisse<br />
Garngeschwindigkeit [m/min]<br />
4000<br />
3950<br />
3900<br />
3850<br />
3800<br />
3750<br />
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960<br />
Meßzeit [s]<br />
Bild 5.43: Gemessener Geschwindigkeitsverlauf des asiatischen PA 6 im Abstand von 90 cm<br />
zur Spinndüse<br />
Garngeschwindigkeit [m/min]<br />
4.250<br />
4.200<br />
4.150<br />
4.100<br />
4.050<br />
4.000<br />
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960<br />
Meßzeit [s]<br />
Bild 5.44: Gemessener Geschwindigkeitsverlauf des BASF PA 6 im Abstand von 90 cm<br />
zur Spinndüse
Doppelbrechungsindex<br />
Doppelbrechungsindex<br />
5 Versuchsergebnisse 98<br />
0,044<br />
0,042<br />
0,04<br />
0,038<br />
0,036<br />
0,034<br />
0,032<br />
0,03<br />
Bild 5.45: Doppelbrechungsindizes der Garne aus der stark schwankenden Phase<br />
(asiatisches PA6)<br />
0,046<br />
0,044<br />
0,042<br />
0,04<br />
0,038<br />
0,036<br />
0,034<br />
0,032<br />
0,03<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20<br />
Anzahl der Messungen<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20<br />
Anzahl der Messungen<br />
Bild 5.46: Doppelbrechungsindizes der Garne aus der stark schwankenden Phase<br />
(BASF PA6):
99 5 Versuchsergebnisse<br />
5.4.3 Verifizierung der Daten mittels Offline-Röntgenstreung<br />
Um neben den Doppelbrechungsindizes weitere Informationen über die<br />
Struktur der unter verschiedenen Bedingungen versponnenen Garne zu<br />
erhalten wurden Offline-Röntgenmessungen an Faserstücken durchgeführt.<br />
Die Proben wurden längs (äquator) und quer (meridian) zur Streckrichtung<br />
gemessen. Die Messungen in Äquatorrichtung zeigen einen deutlichen<br />
γ−Peak. Die Diffraktogramme wurden auf den γ−Peak normiert.<br />
Insgesamt wurden Proben aus 4 verschiedenen Betriebszuständen gemessen:<br />
Proben A: BASF PA 6 ruhige Spinnphase<br />
Proben B: Asiatisches PA 6 ruhige Spinnphase<br />
Proben C: BASF PA 6 turbulente Spinnphase<br />
Proben D: Asiatisches PA 6 turbulente Spinnphase<br />
In die Tabelle 5.1 wurden die Mittelwerte der Doppelbrechungsergebnisse<br />
eingefügt. Das anschließende Diagramm zeigt die Abhängigkeit der Größe<br />
der kristallinen Domäne (ermittelt aus der Braggpeakbreite gemäß Bild 5.57)<br />
von der Doppelbrechung. Man findet eine interessante Korrelation.<br />
Auf Bild 5.48 ist ein Beispiel für SAXS-Daten - längs (äquator) und quer (meridian)<br />
zur Streckrichtung gemessen - wiedergegeben. Aus der Position des<br />
Langperiodenpeaks, der bei Messung in Faserachsenrichtung beobachtet<br />
wird, lässt sich der mittlere Abstand L zweier benachbarter Kristallite (in<br />
Faserrichtung) ermitteln, wie Bild 5.47 zeigt.<br />
Die entsprechenden Werte sind in Tabelle 5.1 zusammengestellt.<br />
macroscopic<br />
fiber ( filament )<br />
Bild 5.47: Faserstruktur<br />
hierarchy of structures<br />
bundle of<br />
fibrils<br />
Faserstruktur<br />
fibril : stack of<br />
crystalline<br />
lamellae<br />
L<br />
polymer chains<br />
in the crystal<br />
Faser Fibrillen kristalline Lamellen Polymerkette<br />
(Filament) im Kristall<br />
5 μ m 50 nm 5 nm 0.5 nm
5 Versuchsergebnisse 100<br />
Strahlungsintensität [a.u.]<br />
0 ,1<br />
0,01<br />
1 E-3<br />
L an gperiode<br />
D 4 äquator<br />
D 4 meridian<br />
1 E-4<br />
0,1 1<br />
Streuwinkel 2<br />
10<br />
Θ [°]<br />
1 00<br />
Bild 5.48: Ermittlung des mittleren Kristallabstandes „L“ aus gemessenen Intensitäts-<br />
verläufen anhand der Langperiode<br />
Strahlungsintensität [counts per second]<br />
Bild 5.49: Messungen Proben A1 – A 5, Äquatorial<br />
Strahlungsintensität [counts per second]<br />
Streuwinkel 2 Θ [°]<br />
Streuwinkel 2 Θ [°]<br />
Bild 5.50: Messungen Proben A1 – A 5, Meridian
101 5 Versuchsergebnisse<br />
Strahlungsintensität [counts per second]<br />
Bild 5.51: Messungen Proben B1 – B 5, Äquatorial<br />
Strahlungsintensität [counts per second] Strahlungsintensität [counts per second]<br />
Streuwinkel 2 Θ [°]<br />
Streuwinkel 2 Θ [°]<br />
Bild 5.52: Messungen Proben B1 – B 5, Meridian<br />
Streuwinkel 2 Θ [°]<br />
Bild 5.53: Messungen Proben C1 – C 5, Äquatorial
5 Versuchsergebnisse 102<br />
Strahlungsintensität [counts per second] Strahlungsintensität [counts per second]<br />
Streuwinkel 2 Θ [°]<br />
Bild 5.54: Messungen Proben C1 – C 5, Meridian<br />
Bild 5.55: Messungen Proben D1 – D 5, Äquatorial<br />
Strahlungsintensität [counts per second]<br />
Streuwinkel 2 Θ [°]<br />
Streuwinkel 2 Θ [°]<br />
Bild 5.56: Messungen Proben D1 – D 5, Meridian
103 5 Versuchsergebnisse<br />
Aus den gemessenen 2-Θ Verläufen der Intensitätsverteilung konnten gemäß<br />
Bild 5.57 die Halbwertsbreite ermittelt werden, die wiederum ein Maß für den<br />
mittleren Abstand L (in Tabelle 5.1 „Λ1“ genannt) zweier benachbarter Kristallite<br />
in Faserrichtung ist. Auf die Methode der Röntgenstreuung zur Bestimmung<br />
von Werkstoffeigenschaften wurde bereits in Kapitel 4.11 eingegangen.<br />
Strahlungsintensität [counts per second] Λ [nm]<br />
Streuwinkel 2 Θ [°]<br />
Bild 5.57: Bestimmung der Halbwertsbreite aus einem gemessenen Intensitätsverlauf<br />
Eine Korrelation der Kristallabstände Λ zu den Doppelbrechungsindizes für<br />
alle 4 Faserproben (A-D) wird im folgenden Bild 5.58 dargestellt.<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
C1 - 5 D1 - 5<br />
B1 - 5<br />
0,037 0,038 0,039 0,04 0,041 0,042 0,043 0,044 0,045<br />
Doppelbrechungsindex<br />
Bild 5.58: Korrelation der Kristallabstände zur Doppelbrechung<br />
Regressions - Gerade<br />
A1 - 5
5 Versuchsergebnisse 104<br />
Die Proben A1-A5 (BASF PA 6 - ruhige Spinnphase) haben die höchste<br />
Kristallinität sowie die engste Lambda Verteilung gegenüber den Proben B1-<br />
B5 (PA 6 aus Asien - ruhige Spinnphase), was man als Zeichen homogenerer<br />
Faserqualität interpretieren kann. Dieser Vorteil geht allerdings bei unruhigen<br />
Spinnphasen verloren, wie man bei der Beispielen C1-C5 (BASF PA 6 – turbulente<br />
Spinnphase) verglichen mit den Beispielen D1-D5 (PA 6 aus Asien –<br />
turbulente Spinnphase) erkennen kann. Damit bestätigt die Röntgenstreung<br />
die Erkenntnisse der Doppelbrechungsbestimmung.<br />
In Tabelle 5.1 sind alle relevanten Parameter zusammengefasst, insbesondere<br />
die aus der Halbwertsbreite abgeleitete Größe Λ1. Zusätzlich wurden noch<br />
die gemessenen Doppelbrechungsindizes als Vergleichsgröße herangezogen.<br />
2Θ H W B Λ 1 d D op p elb rech un g<br />
[°] [°] [nm ] [nm ]<br />
A1 äquatorial 21,125 4,58 1,96 0,420 0,0432<br />
A1 m eridian 21,240 4,180 2,15 0,417<br />
A2 äquatorial 21,120 3,490 2,57 0,420 0,0439<br />
A2 m eridian 21,650 2,700 3,33 0,410<br />
A3 äquatorial 21,270 4,080 2,20 0,417 0,0429<br />
A3 m eridian 21,430 3,200 2,81 0,414<br />
A4 äquatorial 21,290 3,960 2,27 0,417 0,0441<br />
A4 m eridian 21,490 3,900 2,30 0,413<br />
A5 äquatorial 21,220 3,630 2,47 0,418 0,0435<br />
A5 m eridian 21,390 3,880 2,32 0,415<br />
B1 äquatorial 21,300 1,910 4,70 0,416 0,0398<br />
B1 m eridian 21,390 2,880 3,12 0,415<br />
B2 äquatorial 21,490 3,110 2,89 0,413 0,0400<br />
B2 m eridian 21,590 4,220 2,13 0,411<br />
B3 äquatorial 21,320 2,230 4,03 0,416 0,0399<br />
B3 m eridian 21,470 2,710 3,31 0,413<br />
B4 äquatorial 21,320 2,600 3,45 0,416 0,0396<br />
B4 m eridian 21,390 2,550 3,52 0,415<br />
B5 äquatorial 21,260 2,270 3,96 0,418 0,0391<br />
B5 m eridian 21,430 3,060 2,94 0,414<br />
C 1 äquatorial 21,260 1,570 5,72 0,417 0,0374<br />
C 1 m eridian 21,470 2,200 4,08 0,413<br />
C 2 äquatorial 21,450 2,660 3,38 0,414 0,0375<br />
C 2 m eridian 21,560 2,640 3,40 0,412<br />
C 3 äquatorial 21,310 1,840 4,88 0,416 0,0371<br />
C 3 m eridian 21,620 2,720 3,30 0,410<br />
C 4 äquatorial 21,240 2,610 3,44 0,417 0,0380<br />
C 4 m eridian 21,450 3,210 2,80 0,413<br />
C 5 äquatorial 21,280 2,110 4,26 0,417 0,0380<br />
C 5 m eridian 21,340 3,430 2,62 0,416<br />
D 1 äquatorial 21,350 2,600 3,45 0,415 0,0404<br />
D 1 m eridian 21,440 2,580 3,48 0,414<br />
D 2 äquatorial 21,360 2,360 3,81 0,416 0,0402<br />
D 2 m eridian 21,640 2,960 3,04 0,410<br />
D 3 äquatorial 21,250 2,390 3,76 0,417 0,0410<br />
D 3 m eridian 23,460 2,710 3,33 0,378<br />
D 4 äquatorial 21,150 2,320 3,87 0,420 0,0408<br />
D 4 m eridian 22,330 2,750 3,27 0,398<br />
D 5 äquatorial 21,260 2,010 4,47 0,418 0,0406<br />
D 5 m eridian 21,450 3,500 2,57 0,414<br />
Tabelle 5.1: Gemessene Kenngrößen der Faserproben mittels WAXS und SAXS
105 5 Versuchsergebnisse<br />
5.4.4 Zusammenfassung der Vergleichsmessungen<br />
Eindeutige Unterschiede zwischen beiden Materialien zeigten sich vor allem<br />
in der Phase konstanter Blasluftbedingungen. Der Geschwindigkeitsverlauf<br />
des BASF PA 6 war deutlich gleichmäßiger als der Geschwindigkeitsverlauf<br />
des Referenzproduktes, solange die Blasluft eine konstante Feuchte zeigte.<br />
Entsprechend fallen auch die Doppelbrechungsindizes für das BASF PA 6<br />
deutlich gleichmäßiger aus als die des Vergleichsproduktes aus Asien. Die<br />
Anfälligkeit gegen Streifigkeit ist in diesem Betriebszustand der Spinnanlage<br />
bei BASF PA 6 also geringer. Dieser Vorteil geht bei einem zunehmenden<br />
Schwanken der Blasluftfeuchte verloren. Der Geschwindigkeitsverlauf des<br />
BASF PA 6 in dieser Phase ist unregelmäßiger als der des Vergleichsmaterials<br />
aus Asien. In den Doppelbrechungsindizes ist dieser Unterschied dann<br />
allerdings nicht mehr erkennbar. Beide Polymere zeigen eine ähnliche<br />
Neigung zur Streifigkeitsbildung.
6 Bewertung der Versuchsergebnisse 106<br />
6 Bewertung der Versuchsergebnisse<br />
6.1 Einführung grafischer Prognosediagramme<br />
Eine wichtige Themenstellung der vorliegenden Arbeit ist eine Abschätzbarkeit<br />
der Streifigkeitsneigung anhand gemessener Datenverläufe. Im Rahmen<br />
der Messungen wurden verschieden stark ausgeprägte Unregelmäßigkeiten<br />
analysiert und auf ihre Auswirkungen am fertigen Produkt hin untersucht.<br />
Durch diese Daten ist es möglich, eine Vorhersage bezüglich der Streifigkeitsneigung<br />
des versponnenen Produktes zu machen. Diese Methode hat den<br />
Vorteil, daß bereits im Spinnprozeß selbst eine Vorhersage möglich ist, lange<br />
bevor in der Praxis Schwierigkeiten auftreten.<br />
Die folgenden dargestellten Zusammenhänge beziehen sich nur auf BASF<br />
PA 6 der Viskositätsklasse 2.4. Prinzipiell sind natürlich auch Aussagen für<br />
andere Produkte (höhere Viskositätsklassen, PA 66, Fremdpolymere) möglich,<br />
wenn genügend ausgewertetes Datenmaterial vorliegt.<br />
Bei hinreichender Anzahl von Messungen der Störgröße (mit anschließender<br />
Fourier Transformation) können Bereiche mit geringer und Bereiche mit hoher<br />
Streifigkeitswahrscheinlichkeit definiert werden. Diese Bereiche kann man<br />
auch farblich grafisch darstellen, z.B. grüne, gelbe und rote Bereiche. Hat<br />
man die Bereiche definiert, so genügt es, ein gemessenes und Fourier-transformiertes<br />
Meßsignal in die Grafik zu projizieren, um eine schnelle Abschätzung<br />
der Streifigkeitsneigung durchzuführen.<br />
Im folgenden sind verschiedene zeitliche Verläufe der Blasluftfeuchteschwankungen,<br />
deren Fourier-transformierte Spektren, die dazu per LDA gemessenen<br />
Geschwindigkeitsverläufe sowie die physikalischen Werte (Doppelbrechungsindizes)<br />
der während dieser Phase hergestellten Garne wiedergegeben<br />
(Bilder 6.1 ff.) Damit kann man Bereiche der Streifigkeitswahrscheinlichkeit für<br />
das untersuchte Polymer festlegen.
107 6 Bewertung der Versuchsergebnisse<br />
6.1.1 Ruhiger Verlauf der Blasluftfeuchte ohne Auswirkungen<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
3.800<br />
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960<br />
Bild 6.1: Fourieranalyse der Blasluft einer Bild 6.2: dazu gemessene Fadenge-<br />
ruhigen Phase schwindigkeit<br />
Doppelbrechungsindex<br />
0,046<br />
0,044<br />
0,042<br />
0,040<br />
0,038<br />
0,036<br />
0,034<br />
0,032<br />
0,030<br />
Bild 6.3: Doppelbrechungsindizes der Garne produziert während der o.g. Bedingungen<br />
Garngeschwindigkeit [m/min]<br />
4.200<br />
4.150<br />
4.100<br />
4.050<br />
4.000<br />
3.950<br />
3.900<br />
3.850<br />
Meßzeit [s]<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20<br />
Anzahl der Messungen
6 Bewertung der Versuchsergebnisse 108<br />
6.1.2 Unruhiger werdender Verlauf der Blasluftfeuchte ohne Auswirkungen<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
0,046<br />
0,044<br />
0,042<br />
0,040<br />
0,038<br />
0,036<br />
0,034<br />
0,032<br />
0,030<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 6.4: Fourieranalyse der Blasluft während Bild 6.5: dazu gemessene Fadenge-<br />
des unruhiger werdenden Verlaufs schwindigkeit<br />
Doppelbrechungsindex<br />
3.800<br />
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20<br />
Bild 6.6: Doppelbrechungsindizes der Garne produziert während der o.g. Bedingungen<br />
Garngeschwindigkeit [m/min]<br />
4.200<br />
4.150<br />
4.100<br />
4.050<br />
4.000<br />
3.950<br />
3.900<br />
3.850<br />
Anzahl der Messungen<br />
Meßzeit [s]
109 6 Bewertung der Versuchsergebnisse<br />
6.1.3 Unruhiger werdender Verlauf der Blasluftfeuchte mit leichten Auswirkungen<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
0,046<br />
0,044<br />
0,042<br />
0,040<br />
0,038<br />
0,036<br />
0,034<br />
0,032<br />
0,030<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Meßzeit [s]<br />
Bild 6.7: Fourieranalyse der Blasluft während des Bild 6.8: dazu gemessene Fadenge-<br />
unruhiger werdenden Verlaufs mit leichten schwindigkeit<br />
Auswirkungen<br />
Doppelbrechungsindex<br />
3.800<br />
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20<br />
Bild 6.9: Doppelbrechungsindizes der Garne produziert während der o.g. Bedingungen<br />
Garngeschwindigkeit [m/min]<br />
4.200<br />
4.150<br />
4.100<br />
4.050<br />
4.000<br />
3.950<br />
3.900<br />
3.850<br />
Anzahl der Messungen
6 Bewertung der Versuchsergebnisse 110<br />
6.1.4 Unruhiger Verlauf der Blasluftfeuchte mit Auswirkungen<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
3.800<br />
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960<br />
Meßzeit [s]<br />
Bild 6.10: Fourieranalyse der Blasluftfeuchte Bild 6.11: dazu gemessene Fadenge-<br />
während des unruhigen Verlaufs mit schwindigkeit<br />
Auswirkungen<br />
Doppelbrechungsindex<br />
0,046<br />
0,044<br />
0,042<br />
0,040<br />
0,038<br />
0,036<br />
0,034<br />
0,032<br />
0,030<br />
Bild 6.12: Doppelbrechungsindizes der Garne produziert während der o.g. Bedingungen<br />
Garngeschwindigkeit [m/min]<br />
4.200<br />
4.150<br />
4.100<br />
4.050<br />
4.000<br />
3.950<br />
3.900<br />
3.850<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20<br />
Anzahl der Messungen
111 6 Bewertung der Versuchsergebnisse<br />
6.1.5 Stark unruhiger Verlauf der Blasluftfeuchte mit Auswirkungen<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
3.800<br />
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960<br />
Meßzeit [s]<br />
Bild 6.13: Fourieranalyse der Blasluftfeuchte Bild 6.14: dazu gemessene Fadenge-<br />
während des stark unruhigen Verlaufs schwindigkeit<br />
mit Auswirkungen<br />
Doppelbrechungsindex<br />
0,046<br />
0,044<br />
0,042<br />
0,040<br />
0,038<br />
0,036<br />
0,034<br />
0,032<br />
0,030<br />
Bild 6.15: Doppelbrechungsindizes der Garne produziert während der o.g. Bedingungen<br />
Garngeschwindigkeit [m/min]<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20<br />
4.200<br />
4.150<br />
4.100<br />
4.050<br />
4.000<br />
3.950<br />
3.900<br />
3.850<br />
Anzahl der Messungen
6 Bewertung der Versuchsergebnisse 112<br />
6.1.6 Sonderfall: Verschobenes Frequenzspektrum hin zu Störungen mit<br />
längerer Wellenlänge<br />
Im Verlauf einer Meßreihe trat eine besonders langwellige Störung auf, die<br />
um den Faktor 10 verschoben war (Peaklage bei 0,001 Hertz statt der üblichen<br />
0,01 Hertz. Die Auswirkungen auf die Streifigkeitsneigung (s. Doppelbrechungsindizes<br />
Bild 6.18) waren deutlich weniger ausgeprägt als bei<br />
Störungen ähnlicher Peak-Höhe, aber höherfrequenter Peak-Lage (s. Kapitel<br />
5.2.2.3).<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Meßzeit [s]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 6.16: oben: Sonderfall:Langwellige Störung der Blasluftfeuchte<br />
unten: Frequenzanalyse der Störung
113 6 Bewertung der Versuchsergebnisse<br />
Garngeschwindigkeit [m/min]<br />
4.200,00<br />
4.150,00<br />
4.100,00<br />
4.050,00<br />
4.000,00<br />
3.950,00<br />
3.900,00<br />
3.850,00<br />
3.800,00<br />
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960<br />
Meßzeit [s]<br />
Bild 6.17: Der Geschwindigkeitsverlauf des Fadens im Blasschacht während des Sonderfalls<br />
langwellige Störung der Blasluftfeuchte<br />
Doppelbrechungsindex<br />
0,046<br />
0,044<br />
0,042<br />
0,040<br />
0,038<br />
0,036<br />
0,034<br />
0,032<br />
0,030<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20<br />
Anzahl der Messungen<br />
Bild 6.18: Die Doppelbrechungsindizes des während der langwelligen Störung der<br />
Blasluftfeuchte produzierten Garnes
6 Bewertung der Versuchsergebnisse 114<br />
6.1.7 Modell eines Prognosediagramms<br />
In den vorangegangenen Kapiteln 6.1.1 bis 6.1.6. wurden verschiedene Erregerstörungen<br />
der Blasluftfeuchte analysiert sowie deren Auswirkungen auf<br />
die Garneigenschaften untersucht. Dabei zeigten sich die Einflüsse von<br />
Amplitude und Frequenzlage der Störung und deren Folgen. Diese Einflüsse<br />
kann man bei genügend vorliegendem Datenmaterial auch quantitativ abschätzen<br />
und auch grafisch darzustellen.<br />
Die entscheidende Einflußgröße ist das Fourier-transformierte Störgrößensignal,<br />
die Blasluftfeuchte. Je nach Lage und Amplitude des Signals gibt es<br />
Bereiche niedriger, mittlerer und hoher Streifigkeitsneigung des unter diesen<br />
Bedingungen ersponnenen Garns. Diese Bereiche kann man farblich gemäß<br />
der folgenden Einteilung darstellen (vgl. Bild 6.19):<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Grün: keine erhöhte Anfälligkeit für Streifigkeit<br />
Gelb: erhöhte Streifigkeitsneigung und unruhigere optische<br />
Eigenschaften<br />
Rot: hohe Wahrscheinlichkeit für das Auftreten<br />
faserinduzierter Streifigkeit<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 6.19: Beispiel eines Prognosediagrammes mit hinterlegter Störgröße der Fourier-<br />
transformierten Blasluftfeuchte<br />
6.2 Das Prognosediagramm für BASF PA 6<br />
Um die im vorigen Kapitel vorgestellte Methodik unter verschiedenen Betriebszuständen<br />
der Anlage zu überprüfen, wurden die Schwankungen der<br />
Blasluftfeuchte durch Manipulationen an der Klimaanlage variiert und der<br />
Einfluß auf die Streifigkeitsneigung untersucht. Parallel dazu wurden wieder<br />
LDA Messungen der Garngeschwindigkeit , Bestimmung der Doppelbrech-
115 6 Bewertung der Versuchsergebnisse<br />
ungsindizes der gefertigten Garne und SLIM-Auswertungen durchgeführt.<br />
Auch Testmuster (Strickstücke) wurden angefertigt. Im folgenden werden der<br />
Einfachheit halber jedoch lediglich die Zustandsdiagramme mit dem Fouriertransformierten<br />
Störsignal der Blasluftfeuchte dargestellt.<br />
6.2.1 Keine Streifigkeit<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Bild 6.20: Gemessenes Frequenzspektrum der Blasluftfeuchte ohne Streifigkeitsneigung für<br />
BASF PA 6<br />
6.2.2 Keine Streifigkeit, Tendenz zu erhöhter optischer Unruhe im Gewebe<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 6.21: Gemessenes Frequenzspektrum der Blasluftfeuchte mit Tendenz zu erhöhter<br />
optischer Unruhe im Gewebe für BASF PA 6
6 Bewertung der Versuchsergebnisse 116<br />
6.2.3 Streifigkeit ansatzweise erkennbar<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Bild 6.22: Gemessenes Frequenzspektrum der Blasluftfeuchte mit ansatzweise erkennbarer<br />
Tendenz zu Streifigkeit für BASF PA 6<br />
6.2.4 Deutliche Streifigkeit<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 6.23: Gemessenes Frequenzspektrum der Blasluftfeuchte mit Tendenz zu deutlicher<br />
Streifigkeit für BASF PA 6
117 6 Bewertung der Versuchsergebnisse<br />
6.3 Das Prognosediagramm für asiatisches PA 6 (Vergleichsprodukt A)<br />
Im folgenden wurde ein asiatisches PA 6 zum Vergleich vermessen. Die Vorgehensweise<br />
war dabei mit der in Kapitel 6.2 beschriebenen Durchführung<br />
identisch.<br />
6.3.1 Keine Streifigkeit<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Bild 6.24: Gemessenes Frequenzspektrum der Blasluftfeuchte mit keiner Tendenz zu<br />
Streifigkeit für Vergleichsprodukt A<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 6.25: Gemessenes Frequenzspektrum der Blasluftfeuchte mit keiner Tendenz zu<br />
Streifigkeit für Vergleichsprodukt A
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
6 Bewertung der Versuchsergebnisse 118<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
6.3.2 Schwache Streifigkeit mit optischer Unruhe<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 6.26: Gemessenes Frequenzspektrum der Blasluftfeuchte mit schwacher Tendenz zu<br />
Streifigkeit für Vergleichsprodukt A<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 6.27: Gemessenes Frequenzspektrum der Blasluftfeuchte mit schwacher Tendenz zu<br />
Streifigkeit für Vergleichsprodukt A
119 6 Bewertung der Versuchsergebnisse<br />
6.3.3 Ausgeprägte Streifigkeit<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Bild 6.28: Gemessenes Frequenzspektrum der Blasluftfeuchte mit ausgeprägter Tendenz zu<br />
Streifigkeit für Vergleichsprodukt A<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 6.29: Gemessenes Frequenzspektrum der Blasluftfeuchte mit ausgeprägter Tendenz zu<br />
Streifigkeit für Vergleichsprodukt A<br />
Das Streifigkeitsverhalten von Vergleichsprodukt A zeichnet sich durch<br />
folgende Unterschiede zum BASF PA6 aus:<br />
• verringerte Streifigkeitsneigung im niederfrequenten Teil<br />
• erhöhte Streifigkeitsneigung im höherfrequenten Teil<br />
• schmalerer Übergangsbereich der Gewebeunruhe (gelb)<br />
• generell erhöhte Streifigkeitsneigung<br />
• Übergangsbereich mit größeren Streuungen zwischen Unruhe und<br />
ausgeprägter Streifigkeit
6 Bewertung der Versuchsergebnisse 120<br />
6.4 Das Prognosediagramm für asiatisches PA 6 (Vergleichsprodukt B)<br />
Zur Komplettierung der Untersuchung wurde zusätzlich ein weiteres<br />
asiatisches PA 6 vermessen. Die Vorgehensweise war dabei ebenfalls mit der<br />
in Kapitel 6.2 beschriebenen Durchführung identisch.<br />
6.4.1 Keine Streifigkeit<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 6.30: Gemessenes Frequenzspektrum der Blasluftfeuchte mit keiner Tendenz zu<br />
Streifigkeit für Vergleichsprodukt B<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 6.31: Gemessenes Frequenzspektrum der Blasluftfeuchte mit keiner Tendenz zu<br />
Streifigkeit für Vergleichsprodukt B
121 6 Bewertung der Versuchsergebnisse<br />
6.4.2 Erhöhte optische Unruhe, teilweise streifig (I)<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 6.32: Gemessenes Frequenzspektrum der Blasluftfeuchte mit erhöhter optischer Unruhe<br />
für Vergleichsprodukt B<br />
6.4.3 Erhöhte optische Unruhe, teilweise streifig (II)<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 6.33: Gemessenes Frequenzspektrum der Blasluftfeuchte mit erhöhter optischer Unruhe<br />
für Vergleichsprodukt B
6 Bewertung der Versuchsergebnisse 122<br />
6.4.4 Stark ausgeprägte Streifigkeit<br />
Relative Blasluftfeuchte [%]<br />
Frequenz [Hz]<br />
Bild 6.34: Gemessenes Frequenzspektrum der Blasluftfeuchte mit stark ausgeprägter<br />
Streifigkeit für Vergleichsprodukt B<br />
Das Streifigkeitsverhalten von Vergleichsprodukt B zeichnet sich durch<br />
folgende Unterschiede zum BASF PA 6 aus:<br />
• erhöhte Streifigkeitsneigung in allen Frequenzbereichen<br />
• größerer Übergangsbereich der Gewebeunruhe (gelb)<br />
• Streifigkeit bei vorhandenen Störgrößen stärker ausgeprägt<br />
Generell gilt für alle vorgestellten Diagramme:<br />
Das Prognosediagramm erlaubt eine schnelle praxisnahe Abschätzung der<br />
Streifigkeitsneigung des produzierten Garnes unter den folgenden Prämissen:<br />
• das Diagramm gilt nur für ein bestimmtes Polymer<br />
• das Diagramm gilt nur für die untersuchte Störungsart (und ist damit<br />
spinnlinienabhängig)<br />
An der grundsätzlichen Vorgehensweise dieses Ansatzes (Vermessung einer<br />
Spinnlinie mittels SLIM Online-Methode – Herausarbeiten von Prozeßauffälligkeiten<br />
– Korrelation zu Garneigenschaften) ändern diese Einschränkungen<br />
jedoch nichts. Der Ansatz ist universell durchführbar.<br />
Nach den Erfahrungen der bisherigen Messungen ist im sehr niederfrequenten<br />
Spektrum jenseits der 0,01 Hertz Marke die Streifigkeitsneigung reduziert.<br />
Aus diesem Grunde zeigt der grüne Bereich eine ansteigende Tendenz zu<br />
niedrigeren Frequenzen. Die Streifigkeitsneigung bei deutlich höheren Frequenzen<br />
als den in den Messungen häufig vorkommenden 0,01 Hertz kann<br />
nur vermutet werden. Es ist aber wahrscheinlich, daß höherfrequente Störungen<br />
die Streifigkeitsanfälligkeit verstärken würden.
123 7 Zusammenfassung<br />
7 Zusammenfassung<br />
In dieser Arbeit wurde ein Hochgeschwindigkeits-Spinnprozeß zur Herstellung<br />
von Polyamidgarnen online vermessen. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf<br />
einer Untersuchung von Zusammenhängen zwischen auftretenden Abweichungen<br />
vom normalen Betriebszustand der Spinnanlage und daraus resultierender<br />
Streifigkeit bei den produzierten Garnen.<br />
Eine Pilotspinnanlage der BASF SE wurde dazu mit einem Meß- und Auswertemodul<br />
bestückt, welches in Zusammenarbeit mit dem Center for Experimental<br />
Mechanics, Ljubljana, entwickelt wurde.<br />
Es wurden typische Betriebszustände der Spinnanlage über verschiedene<br />
Zeiträume vermessen, um eventuell vorhandene Auffälligkeiten zu identifizieren.<br />
Als wichtige Einflußgröße stellte sich die Feuchte der Blasluft heraus,<br />
die teilweise periodische Schwankungen aufwies. Diese Schwankungen<br />
konnten mit Hilfe des installierten Meß- und Auswertemoduls analysiert<br />
werden. Mittels Fourier Analyse wurden Amplituden und Frequenz der<br />
Störungen anhand gemessener zeitlicher Signalverläufe ermittelt. Verursacher<br />
der Schwankungen der Blasluftfeuchte war eine unpassende Regelparameterauslegung<br />
sowie die Unterdimensionierung der Klimaanlage<br />
Anschließende Messungen der Garngeschwindigkeit mit LDA Methoden<br />
zeigten Geschwindigkeitssprünge des Garns während der Phasen der Blasluftfeuchteschwankungen.<br />
Diese Geschwindigkeitssprünge korrelierten in der<br />
Intensität sowie der Periode mit den Blasluftfeuchteschwankungen. In Phasen<br />
konstanter Blasluftfeuchte traten sie nicht auf. Dieser Zuammenhang<br />
zwischen Erregerstörung (Blasluftfeuchteschwankungen) und Auswirkung<br />
(periodische Sprünge der Garngeschwindigkeit) wurde in weiteren Messungen<br />
bestätigt.<br />
Die Geschwindigkeitsschwankungen der ersponnenen Garne wirkten sich auf<br />
deren physikalische Eigenschaften aus. Dies zeigte sich in unterschiedlicher<br />
Orientierung der Fasern und wurde durch Doppelbrechungsbestimmung an<br />
Faserstücken gemessen. Die Meßmethode der Doppelbrechung zur Bestim-<br />
mung der Orientierung von Fasern wurde durch Röntgenmessungen an den<br />
gleichen Garnstücken bestätigt. Die Aussagen über die Orientierung der vermessenen<br />
Muster decken sich bei beiden Methoden.<br />
Die Doppelbrechungsindizes von Garnen, welche in Spinnphasen stark<br />
schwankender Blasluftfeuchte gesponnen wurden, zeigten starke Schwankungen.<br />
Garne ruhiger Produktionsphasen hingegen hatten kaum Abweichungen<br />
der Orientierung und wiesen homogene Doppelbrechungsindizes auf.<br />
Dieser Zuammenhang zwischen Schwankungen der Garngeschwindigkeit<br />
und daraus resultierenden Schwankungen des Grads der Orientierung der<br />
Garne wurde ebenfalls in weiteren Messungen bestätigt.<br />
Zum Einfluß der Garnorientierung auf die Anfärbetiefe wurden Untersuchungen<br />
durchgeführt. Es zeigten sich eindeutige und reproduzierbare Zusammenhänge<br />
zwischen Farbtiefe und Grad der Orientierung, wobei höher
7 Zusammenfassung____________ _____ _____ 124<br />
orientierte Fasern tendenziell blasser anfärben. Die Heranziehung der Doppelbrechungsindizes<br />
zur Beurteilung der Farbtiefe (und damit der Streifigkeitsneigung)<br />
ersponnener Garne ist damit bei sonst gleichen Garneigenschaften<br />
ein geeignetes Kriterium.<br />
Die grundlegende Beweiskette war damit geschlossen:<br />
• Identifizierung spinnprozeßbedingter Abweichungen vom normalen<br />
Betriebszustand.<br />
• Korrelation zu daraus resultierenden Abweichungen der Garngeschwindigkeiten<br />
im Spinnprozeß.<br />
• Zuordnung von strukturellen Garneigenschaften (Grad der Orientierung)<br />
zu den Schwankungen im Spinnprozeß und daraus resultierender<br />
Streifigkeitsanfälligkeit.<br />
In weiteren Messungen wurde die Datenbasis verbreitert und als schnelles<br />
und praxisnahes Instrument zur Abschätzung spinninduzierter Streifigkeit das<br />
grafische Prognosefenster eingeführt. Dieses Prognosefenster erlaubt eine<br />
Aussage zur Streifigkeitsneigung bei Betrachtung gemessener und Fourier-<br />
transformierter Störsignale.<br />
Zur weiteren Komplettierung der Arbeit wurden neben dem Standard Polyamid<br />
6 der BASF SE auch Polyamid 66 der BASF SE sowie zwei verschiedene<br />
Polyamid 6 Typen aus asiatischen Quellen als Vergleichsmuster untersucht.<br />
Alle untersuchten Polymere zeigten dabei eine unterschiedlich ausgeprägte<br />
Anfälligkeit für das Auftreten von Streifigkeit<br />
Die hier vorgestellten Untersuchungsergebnisse sind somit von der Art der<br />
Störgröße (hier: Blasluftfeuchteschwankungen) und dem verwendeten Polymertyp<br />
(hier: überwiegend PA 6 der BASF SE) abhängig. Das verwendete<br />
Meß-und Auswertemodul „SLIM“ sowie die vorgestellte grundsätzliche<br />
Methodik sind jedoch universell auf alle Spinnanlagen anwendbar und eignen<br />
sich für generelle Untersuchungen von spinninduzierter Streifigkeit, unabhängig<br />
von Art oder Ausprägung eventuell vorhandener Störgrößen.
125 8 Literatur<br />
8 Literatur<br />
[1] Denter U., Eigert K.F., Heidemann G., Schollmeyer E.<br />
„Untersuchungen zum streifenfreien Kontinuefärben von<br />
Flächengebilden aus Polyamid 6.6-Garn“<br />
Chemiefasern/Textilindustrie, 40./92.Jahrgang, Mai 1990<br />
[2] Lesszinsky F.<br />
„Streifigkeit und Naßechtheit - Immer noch ein Problem beim Färben<br />
von Polyamid-Fasern“<br />
Bayer Farben Revue Nr.30 (1978), 25-31<br />
[3] Duschewa M., Itcherenska M., Gavrilova E.<br />
„The phenomen of barriness in the dyeing of polyamide fiber material.“<br />
Part I<br />
Melliand Textilberichte (1989), 70 (5), E 153-5, 360-4<br />
[4] Morgenstern W.<br />
„Ursachen und Erkennungsmöglichkeiten von Streifigkeiten in<br />
Gestricken und Gewirken“<br />
Textilveredlung 8 (1973) Nr.4 , 213-217<br />
[5] Steinmüller H., Scheller M.<br />
„Zur Problematik der Farbstreifigkeit von Flächengebilden aus<br />
Dederon-Seide“<br />
Deutsche Textiltechnik 17 (1967), 443-448, 506-511, 580-585<br />
[6] Schmutzler M.<br />
„Polyamid – Streifenfrei gefärbt“<br />
Textil-Praxis 19 (1964), 408-413<br />
[7] Greider K.<br />
„An experimental study of the dyeability of barry nylon fibre with acid<br />
dyes“<br />
Journal Society Dyers Col. December 1974, 435-440<br />
[8] Wilsing H.<br />
„Unterschiede im Faserzustand, die für das Streifigfärben<br />
verantwortlich sind.“<br />
Melliand Textilberichte 52 (1971) 4, 459-466<br />
[9] Schulze F.<br />
„Detection of structural irregularities in fabrics causing streakiness“<br />
Modern Textiles Mag. 39 (1958) 69-74<br />
[10] Kubelka P., Munk F.<br />
„Ein Beitrag zur Optik der Farbanstriche “<br />
Z. technische Physik 12 (1931) 11a, 593-601
8 Literatur 126<br />
[11] Kaufmann S.<br />
„Grundlagen zur Farbstreifigkeit von textilen Flächengebilden aus<br />
Polyamidseide, Teil 1“<br />
Textiltechnik 39 (1989), 479-482<br />
[12] Nickerson D.<br />
„Tables for use in computing small color differences“<br />
American Dyestuff Reporter 39 (1950) 17, 541-546<br />
[13] Mütze K.<br />
„ABC der Optik“<br />
Brockhaus<br />
Leipzig, VEB F.A. Brockhaus 1961<br />
[14] von Schelling H.<br />
Gedanken zum Weber-Fechnerschen Gesetz<br />
Abhandlung der preußischen Akademie der Wissenschaften<br />
1944, 5, 2-12<br />
[15] Malcher E.<br />
„Reclamation processing of streaky textured yarn circular knitted<br />
goods“<br />
Melliand Textilberichte 53 (1972), 50-54<br />
[16] Fiebig D., Rau J. , Welz M., Hoheisel H.<br />
„Problemanalyse und Untersuchungen zur Auffindung der Ursachen<br />
des Streifigfärbens von Polyamidfasern „<br />
Bericht des Instituts für Textil- und Faserforschung Stuttgart an der<br />
Universität Stuttgart, 3Ca3495, 1975<br />
[17] Truslow N.A.<br />
„The effect of thermal treatment on the dyeability of thermoplastic<br />
yarns“<br />
American Dyestuff Reporter 47 (1958), 853 – 862<br />
[18] Beckmann W., Hoffmann F., Otten H.G.<br />
„Polyamide Dyeing“<br />
Melliand Textilberichte 54 (1973), 641-646<br />
[19] Bell J.<br />
„Effect of Fiber and Dyebath Variables on the rate of Acid Dyeing of<br />
Nylon 6,6“<br />
Textile Research Journal 38 (1968), 984-989<br />
[20] Brody H.<br />
„Overdyeing and Diffusion of Acid Dyes in Nylon“<br />
Textile Research Journal 35 (1965), 844-850<br />
[21] Brody H.<br />
„The location of Acid and Disperse Dyes in Polyamides“<br />
Textile Research Journal 35 (1965), 895-902
127 8 Literatur<br />
[22] Hallada D.P., Holfeld W.T.<br />
„Knit Barre-Causes and Cures“ 33-38<br />
AATCC-Symposium 1972:<br />
[23] Kramer B.<br />
„Die Bedeutung des Diffusionskoeffizienten in der Färberei der<br />
Polyamide“<br />
Melliand Textilberichte 35 (1954) 518–523, 651-656<br />
[24] Zollinger H., Back G., Milicevic B., Roseira A.<br />
„Untersuchungen über den Färbemechanismus von Säurefarbstoffen<br />
auf verschiedenen Polyamidfasern“<br />
Melliand Textilberichte 42 (1961) 73–80<br />
[25] Palmer H.J.<br />
„The yarn producer´s problems in the dyeing of Nylon“<br />
J. Soc. Dyers Col. 67 (1951), 609-619<br />
[26] Palmer H.J.<br />
„Das Färben von Polyamidfasern“<br />
Z. ges. Textilind. 57 (1955), 603-615<br />
[27] Peters W., Turner J.C.<br />
„Investigations into the dyeing of continuous-filament Nylon with<br />
disperse and anionic dyes“<br />
J. Soc. Dyers Col. 74 (1958), 252-282<br />
[28] Roth W., Hannes E.<br />
„Wirkung der Herstellungs – und Verarbeitungsbedingungen auf die<br />
Farbstoffaufnahme von Polyamidseide“<br />
Faserforsch.Textiltechn. 18 (1967), 278-282<br />
[29] Blackburn S., Dawson T.L.<br />
„Constant-temperature dyeing process for Nylon filaments<br />
II. Practical Considerations“<br />
J. Soc. Dyers Col. 87 (1971), 473-480<br />
[30] Egli H.<br />
“Das Egalfärben streifiger Polyamidartikel”<br />
SVF 14 [1959], 179-185<br />
[31] Hallada D.P., Holfeld W.T.<br />
„Knit Barre-Causes and Cures“<br />
AATCC-Symposium 1972: 39-45<br />
[32] Peters W., White T.R.<br />
„The effect of heat-setting treatments on the dyeing behavior of Nylon<br />
yarns and fabrics“<br />
J. Soc. Dyers Col. 77 (1961), 601-615
8 Literatur 128<br />
[33] Wimmers D.<br />
“Der Temperatureinfluß einer Thermofixierung auf das physikalisch –<br />
chemische Verhalten von Nylon 6.”<br />
Z. ges. Textilind. 65 (1963), 115-118<br />
[34] Tsuruta M., Koshimo A.<br />
„Steam and heat setting of Nylon 6 fiber.<br />
II. Effects of heat setting of Nylon 6 fiber on dyeability and fine<br />
structure“<br />
J. appl. Polymer Sci. 9 (1965), 11-23<br />
[35] Tsuruta M., Koshimo A., Tagawa T.<br />
„Steam and heat setting of Nylon 6 fiber.<br />
III. Changes in viscosity and amino and carboxyl endgroups by heatsetting“<br />
J. appl. Polymer Sci. 9 (1965), 25-29<br />
[36] Bittles J.A., Brooks J.A., Iannarone J.J., Landerl H.P.<br />
„The dyeing of filament Nylon with acid dyes“<br />
American Dyestuff Reporter 47 (1958) , 183-186, 194<br />
[37] Modlich H.<br />
„Ursachen färberischer Unterschiede bei synthetischen Fasern“<br />
Z. ges. Textilind. 65 (1963), 111-114<br />
[38] Turner G.R., Newby W.E., Speck S.B.<br />
„Level dyeing of Nylon with a new acid-dye system“<br />
American Dyestuff Reporter 56 (1967), 998-1003<br />
[39] Aeberhardt M.<br />
„Erfahrungen beim Färben von Kräuselnylon“<br />
SVF 12 (1957), 354-355<br />
[40] Baumann J.<br />
“Das Färben von Polyamid-Webtrikotwaren mit Sauren Wollfarbstoffen<br />
auf HT-Baumfärbeapparaten”<br />
SVF 18 (1963), 769-772<br />
[41] Cascardo C.A., Sievenpiper F.L.<br />
„Dyeing Nylon in level lightfast shades“<br />
American Dystuff Reporter 53 (1964), 340-342<br />
[42] Fiegel J.<br />
„Streifenfreies Färben von Geweben und Maschenwaren aus PA-<br />
Filament mit Isolan- und Telogen Farbstoffen + Levegal MKF“<br />
Chemiefasern 24 (1973), 399-402<br />
[43] Strelecky I.<br />
„Ein neuartiges System zum Färben von Polyamid: Cibacet-, Tectilon-,<br />
Avilon-Farbstoffe“<br />
SVF 20 (1965), 53-59
129 8 Literatur<br />
[44] Klare H., Fritzsche E., Gröbe K.<br />
„Synthetische Fasern aus Polyamid“<br />
Akademie Verlag, Berlin 1973, S.328 ff<br />
[45] Hallada D.P., Holfeld W.T.<br />
„Knit Barre-Causes and Cures“ 33-38<br />
AATCC-Symposium 1972:<br />
[46] Makarov J.<br />
„Ursachen der Streifigkeit von Kapron Seidengeweben“<br />
SB Faserforsch. Textiltechn. 3 (1966), 274-276<br />
[47] Zaiser H.<br />
„Probleme beim Färben von HELANCA Polyamid Rundstrickware auf<br />
der Haspelkufe unter besonderer Berücksichtigung von Knitterfalten<br />
und Ringelbildungen“<br />
Z.ges. Textilind. 70 (1968), 410-413<br />
[48] Clarke J.L.<br />
„Knit Barre-Causes and Cures“, 92-95<br />
AATCC-Symposium 1972<br />
[49] Berndt H.J., Heidemann G.<br />
„Fehlerursachen und Erkennungsmethoden von Farbstreifigkeit in<br />
Polyester Material“<br />
Deutscher Färber-Kalender 76 (1972), 408-479<br />
[50] Hillmann V.<br />
„Ursachen von barrigen Geweben“<br />
Textil Praxis 8 (1953), 268<br />
[51] Blore J.H.<br />
„Knit Barre-Causes and Cures“, 87-89<br />
AATCC Symposium 1972,<br />
[52] Tobias W.<br />
„Der Einfluss von thermischen Fixierprozessen auf die Faserstruktur<br />
von Polycaprolactam”<br />
Dissertation Universität Stuttgart 1968<br />
[53] Williams C.R.<br />
„Quantitative measurement of fabric appearence“<br />
American Dyestuff Reporter 48 (1959), 4, 37-44<br />
[54] Warwicker J.O.<br />
„The structural causes of the dyeing variations of Nylon yarns<br />
subjected to dry heat“<br />
J. Soc. Dyers Col 86 (1970), 303-310
8 Literatur 130<br />
[55] Bigler N.<br />
„Ein Beitrag zur Erkennung von Fehlern in Falschzwirngarnen“<br />
Textilveredlung 1 (1966), 152-156<br />
[56] Bigler N.<br />
„Über die Erkennung von Fehlern in Maschenwaren“<br />
Textilveredlung 5 (1970), 666-684<br />
[57] Kaljnizkij L.B.<br />
„Über einige Ursachen der Streifenbildung auf Flachstrickmaschinen“<br />
Textilnjaja Prom. 1965, 3, 41-44 durch Textil Praxis 20 (1965), 881<br />
[58] Friedemann W.<br />
„Labortechnische Erfassung der Farbstreifigkeit in textilen Gebilden<br />
aus Chemieseiden“<br />
Faserforsch. Textiltechn. 9 (1958), 296-303<br />
[59] Lutz O.<br />
„Knit Barre-Causes and Cures, 90-91“<br />
AATCC-Symposium1972<br />
[60] Mahall K.<br />
„Schadenfälle an Textilien aus der Praxis“<br />
Textilveredlung 9, (1974), 43-53<br />
[61] Pratt H.T.<br />
Knit Barre Causes and Cures, 98-101<br />
AATCC-Symposium 1972<br />
[62] Weckler G.<br />
„Über Schwierigkeiten beim Färben von Polyamid-Fasern mit<br />
Säurefarbstoffen“<br />
Melliand Textilbericht 44 (1963), 1239-1244<br />
[63] Ehrenberg A.S.C.<br />
„Statistik oder der Umgang mit Daten“<br />
VCH Verlag, Weinheim 1986<br />
[64] Graf U., Henning H.J., Stange K., Wilrich P.T.<br />
„Formeln und Tabellen der angewandten mathematischen Statistik“<br />
Springer Verlag Berlin 1987<br />
[65] Suhir E.<br />
„Applied probability for engineers and scientists“<br />
MacGraw-Hill 1997<br />
[66] Berhalter K., Hoof W.<br />
„Problems in the manufacture of streak-free tufted carpets”<br />
Melliand International (1998), (1), S. 58-61
131 8 Literatur<br />
[67] Gore D. C.<br />
„Practical experiences in garment dyeing: problems and solutions”<br />
Book of Papers - International Conference + Exhibition, AATCC (1993)<br />
S. 96-100<br />
[68] Rauschenberger V.<br />
„Streakiness in fabrics“<br />
Vortrag auf dem Fiber Symposium Taipei, Taiwan 2001<br />
[69] Altenmüller G.<br />
“Lexikon Meß- und Automatisierungstechnik”<br />
VDI Verlag Düsseldorf 1992<br />
[70] Clauß B.<br />
”Amorphe Orientierung als Regel- und Optimierungsgröße bei der<br />
Herstellung und Verarbeitung von Synthesefasern”<br />
AiF 12 848 (2001)<br />
[71] Clauß B.<br />
”Online-Messung der nichtkristallinen Orientierung in Polyester-,<br />
Polyamid- und Polypropylen-Fasern über Fluoreszenzsonden”<br />
AiF 11 928 (2001)<br />
[72] Kikutani T., Hahm W.G., Ito H., Shioya M.<br />
“Short-period Fluctuation of the Characteristics of Poly(ethylene<br />
terephtalate) Fibre Revealed through the On-line Measurement of the<br />
In-line Drawing Process and the Mechanical Testing of Fibres”<br />
Polymer Fibres Conference 2006, University of Manchester,<br />
12.-14. July 2006<br />
[73] Emri I., Pavsek V.<br />
“On the influence of moisture on the mechanical properties of<br />
polymers”<br />
Materials Forum (1992) 16, 123-131<br />
[74] Tschoegl N.W.<br />
“The Phenological Theory of Linear Viscoelastic Behaviour”<br />
Springer Verlag, Heidelberg, 1989<br />
[75] Williams M.L., Landel R.F., Ferry J.D.<br />
Journal of American Chemical Society, 1955, 77, 3701<br />
[76] Knaus W.G., Emri I.<br />
Computer and structures<br />
1980, 13, 123<br />
[77] Knauss W.G., Emri I.<br />
Polymer Engineering and Science<br />
1987, 27, 186
8 Literatur 132<br />
[78] Aklonis J.J, MacKnight W.J.<br />
Introduction to Polymer Viscoelasticity<br />
John Wiley 1983<br />
[79] Kaufmann S., Hoffrichter S.<br />
“Unlevel dyeing and fineness-uneveness of multifilament yarn”<br />
Melliand Textilberichte 2004, 85 (10), S.758-760)<br />
[80] Razafimahefa L., Vroman I., Viallier P.<br />
“Dye diffusion and the phenomen of barriness on polyamide fabrics”<br />
Coloration Technology (2004), 120(2) S. 61-65<br />
[81] Queiros Domingues M. S, Rocha Gomes J. I. N, Martins J. A.<br />
“Dyeing of PA 6.6 fibers. Effect of solvent and temperature on thermal<br />
properties”<br />
Journal of Thermal Analysis and Calorimetry (2003), 74(3), S. 749-759<br />
[82] Sawant J.S.<br />
„Barriness and low-temperature dyeing of polyamide”<br />
Man-Made Textiles in India (1998), 41(10), S. 440-444<br />
[83] Wang X., Bide M.<br />
„Factors affecting the levelness of dyeing in reused acid dyebaths for<br />
nylon”<br />
Book of Papers - International Conference + Exhibition, AATCC (1996)<br />
S. 495-504<br />
[84] El-Shishtawy R.M., Kamel M. M., Hanna H. L., Ahmed Nahed S. E.<br />
“Ultrasonic-assisted dyeing: II. Nylon fibre structure and comparative<br />
dyeing rate with reactive dyes”<br />
Polymer International (2003), 52(3), S. 381-388<br />
[85] Gutmann R., Boger S.<br />
“Online measurement of amorphous orientation in melt spun polymer<br />
fibers”<br />
Chemical Fibers International (2005), 55(2), S.107-108, S.110-111<br />
[86] Shimizu J., Kikutani T.<br />
“Dynamics and evolution of structure in fiber extrusion”<br />
Journal of Applied Polymer Science (2002), 83(3), S. 539-558<br />
[87] Wang H., Wang B., Hu X.<br />
“Studies on the kinetics of orientation and crystallization of Nylon-66<br />
during high-speed melt spinning”<br />
Journal of Applied Polymer Science (2001), 82(13), S. 3157-3163
133 8 Literatur<br />
[88] Samon J. M., Schultz J. M., Wu J,. Hsiao B., Yeh F., Kolb R.<br />
„Study of the structure development during the melt spinning of nylon 6<br />
fiber by on-line wide-angle synchrotron X-ray scattering techniques”<br />
Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics (1999), 37(12),<br />
S. 1277-1287<br />
[89] Beyreuther R.<br />
“Viscous-elastic effects in a PA 6 melt. Reason for unevenness in meltspun<br />
yarns”<br />
International Polymer Processing (1996), 11(4), S. 341-346<br />
[90] Zieminski K. F., Spruiell J. E.<br />
„On-line studies and computer simulation of the melt spinning of nylon<br />
66 filaments”<br />
Journal of Applied Polymer Science (1988), 35(8), S. 2223-45
9 Liste der Formelzeichen und Abkürzungen 134<br />
9 Liste der Formelzeichen und Abkürzungen<br />
R Remission (Summe von Absorption und Reflexion<br />
bzw.Transmission)<br />
S Lichtstreuung<br />
K Lichtabsorption<br />
MR Modification Ratio (Verhältnis zwischen äußerem und inneren<br />
Radius eines trilobalen Faserquerschnitts)<br />
Öler Element einer Spinnlinie zur Präparation und Befeuchtung des<br />
gesponnenen Fadens<br />
v0: Austrittsgeschwindigkeit der Polymerschmelze aus der<br />
Düsenbohrung [m/s]<br />
SLIM Spinning Line Monitoring – Auswertesoftware des Spinnprozesse<br />
den Denier – Maß für das längenbezogene Fadengewicht [g/9000 m]<br />
dtex Dezi-Tex – dezimales Maß für das längenbezogene Fadengewicht<br />
[g/10000 m]<br />
RV relative Schmelzviskosität<br />
η Schmelzviskosität [dPas]<br />
FFT Fast Fourier Transformation<br />
CEM Center of Experimental Mechanics, Ljubljana<br />
rms Route Mean Sqare – Wurzel der gemittelten Quadrate<br />
var Varianz<br />
σx<br />
Standardabweichung [Einheit wie ursprünglicher Meßwert]<br />
r Korrelationskoeffizient<br />
cov Kovarianz<br />
n ganze Zahl<br />
r.H. relative Humidity – relative Luftfeuchte [%]<br />
F(jω) Fourier Transformierte<br />
T Dämpfungszeitkonstante [s]<br />
f(t) Signalfunktion (zeitabhängig)
fa<br />
Ta<br />
ωk<br />
Abtastfrequenz [Hz]<br />
Abtastintervall [ms]<br />
diskrete Frequenz [Hz]<br />
DFT Diskrete Fourier Transformation<br />
135 9 Liste der Formelzeichen und Abkürzungen<br />
TiO2<br />
Titandioxid – Mattierungsmittel für Polyamid Garne<br />
n Doppelbrechungsindex<br />
T Gangunterschied [nm]<br />
D Fadendurchmesser [nm]<br />
Titer Fadenstärke – in „dtex“ oder „den“ abgegeben<br />
λ Wellenlänge der Röntgenstrahlung [nm]<br />
d Abstand zwischen parallelen Gitterebenen [nm]<br />
θ Winkel zwischen Röntgenstrahl und Gitterebene, Braggwinkel [°]<br />
L Kristallitgröße parallel zur Kettenrichtung [nm]<br />
ΛF<br />
Kristallitgröße senkrecht zur Kettenrichtung [nm]<br />
WAXS Wide Angle X-Ray Scattering – Röntgenweitwinkelbeugung<br />
SAXS Small Angle X-Ray Scattering – Röntgenkleinwinkelbeugung<br />
γ Polyamid Kristallmodifikation<br />
FDY Fully Drawn Yarn – vollverstrecktes Garn<br />
HOY Highly Oriented Yarn – hochverstrecktes Garn<br />
POY Partially Oriented Yarn – teilverstrecktes Garn<br />
LDA Laser Doppler Anemometrie – berührungslose Meßmethode zur<br />
Bestimmung von Geschwindigkeiten