Heatsetting (auch Thermofixierung) ist ein Begriff aus der Textilveredlung und bezeichnet den thermischen Prozess, der meist in Dampfatmosphäre oder trockener Hitze abläuft, um produzierten Fasern, Garnen und Geweben dimensionale Stabilität und auch andere wünschenswerte Eigenschaften, wie z. B. größeres Volumen, Widerstand gegen Falten oder erhöhte Temperaturbeständigkeit, zu verleihen.
Ziel mini|Prinzip der Fixierung von Fasern vor und nach dem Heatsetting Sehr oft dient das Heatsetting dazu, den Garnen eine bessere Eigenschaft für Nachfolgeprozesse zu verleihen. Garne neigen oft, nachdem sie frischgesponnen, kabliert oder gezwirnt wurden, zu erhöhter „Kringelneigung“. Durch das Heatset-Verfahren kann man diese Eigenschaft beeinflussen oder beseitigen. Vor allem bei den Verarbeitungsstufen Spulen, Zwirnen, Weben, Tuften und Stricken kann eine starke Kringelneigung zu Verarbeitungsschwierigkeiten führen. Bei Garnen für die Teppichindustrie möchte man neben der Herabsetzung der Kringelneigung auch den Faserverbund stabilisieren bzw. fixieren. Dies gilt sowohl für Stapelfasern, als auch für Endlosfasern (BCF). Bei Kunstfasern kommt noch der Effekt dazu, dass das Garn an Volumen gewinnt. Man spricht hierbei von einer Zunahme des Bausches bzw. des Bulks. Darüber hinaus gibt es eine nicht unbedeutende Menge an Effektgarnen, unter anderem für die Teppichindustrie, z. B. zur Herstellung von Frieze-Teppichen, Shaggy-Teppichen, Trackles-Teppichen oder Texture-Teppichen, die man dem Heatset-Prozess unterzieht. Diese Garne werden in der Regel durch eine mechanische Texturierung zu Bögen, Knicken und Kringeln verformt. Meist geschieht das in einer sogenannten Stauchkammer (engl. stuffing box, twinrollbox). Um diese mechanischen Verformungen dauerhaft zu stabilisieren, schließt sich nach der Formgebung ein Heatsetprozess an. Alle Prozesse, mit denen man einem Textilmaterial eine der vorab genannten Eigenschaften mit Hilfe von Temperatur und/oder Feuchtigkeit verleihen möchte, nennt man Heatset-, Heatsetting- oder Set-Prozess. Weniger gebräuchlich ist der Begriff Thermofixieren. Speziell in der Teppichindustrie spricht man ausschließlich vom Heatsetting.
Verfahren Das Thermofixieren eines textilen Flächengebildes (Gewebe/Gestricke) geschieht meist in einer Spannrahmenmaschine. Zuerst werden die Kanten des Tuches auf beiden Seiten eingeklemmt oder eingenadelt und während des Maschinendurchlaufes festgehalten. Dadurch wird die geforderte Breitenschrumpfung bzw. -spannung eingestellt. Mittels einer Fördereinrichtung wird das Tuch kontinuierlich in die Maschine gefahren und dort zwischen Walzen in eine vordefinierte Längsspannung versetzt. Das Tuch, nun an allen Seiten festgehalten, wird durch mehrere Hitze- oder Feuchteabteilungen transportiert. Unter Einwirkung von Heißwasser, Wasserdampf oder Trockenhitze entpannen sich die Fasern und das Tuch schrumpft ein. Anschließend kommt es in einem Kühlabteil zu einer Fixierung des erreichten Zustandes. Da das Tuch wie in einem Rahmen eingeklemmt ist, passiert die Krumpfung nur bis zu einer voreingestellten Grenze und wird in diesem Zustand fixiert. Diese kontrollierte Schrumpfung ist notwendig, da die Fasern sonst erwünschte Materialeigenschaften, wie Dehnbarkeit oder Dichte, einbüßen könnten. Durch unterschiedliche Spannung, Temperatur und Durchlaufgeschwindigkeit, lässt sich der Prozess an verschiedene Materialien anpassen bzw. können individuelle Produktmerkmale gesteigert oder gedämpft werden.
Ursachen der Kringelneigung
mini|links|Kringelneigung eines Fadens mini|Spannungsverteilung nach Müller Die Kringelneigung, also der Grund für das Auflösen des Faserverbandes bei geschnittenen Garnen (z. B. Cutpile Teppichen), beruht auf den technologischen Bedingungen der Gespinstherstellung und den physikalischen Fasereigenschaften. Unter technologischen Bedingungen der Gespinstherstellung wird in erster Linie das Fadendrehmoment verstanden. Das Bestreben eines gedrehten Fadens ist, sich dann zusammenzudrehen, wenn er in Form einer Schleife frei zwischen zwei festen Punkten aufgehängt wird. Er gibt hierbei einen Teil seiner Drehungen ab, die sich in Windungen zeigen, deren Drehungsrichtung der ursprünglichen Richtung aus Gleichgewichtsgründen entgegengesetzt ist. Ursache hierfür sind die durch die Garndrehung hervorgerufenen Spannungen, die Müller in der bekannten Verteilung angab. Mit zunehmender Drehung wird infolge der zunehmenden Zug- und Druckbeanspruchung der Fasern im Garnkörper die der Drehung entgegenwirkende Gesamtspannung größer. Sie kann so groß werden, dass der Fadenkern den auftretenden Druckspannungen nicht mehr gewachsen ist und ausknickt. Das Garn kringelt d. h. der Garnkörper strebt durch eine Anzahl von Drehungen in entgegengesetzter Richtung – die man auch als negative Drehungen bezeichnet – einen Gleichgewichtszustand an, in dem sich die inneren Torsionsspannungen aufheben. Der Faden knickt stets an einer solchen Stelle aus, an der infolge der Ungleichmäßigkeit ein kleiner Querschnitt vorliegt. Dieser hat im Spinnprozess eine größere Anzahl von Drehungen aufgenommen und unterliegt demnach höheren inneren Spannungen, die den Fadenkern letzten Endes durchknicken. Obgleich stärkere Garne weniger gedreht sind als feinere, steigt die innere Spannung entgegengesetzt der Garnnummer. Durch das Heatsetting wird diese Spannung umso mehr abgeschwächt, je gröber die Garnnummer ist. Eine weitere Aufgabe des Heatsettings ist neben der Verringerung des Kräuselvermögens eine gleichzeitige Fixierung der durch die Drehung auf das Garn übertragenen physikalischen Eigenschaften von Festigkeit und Dehnung.Befeuchtung oder Dämpfen von Wollgarnen. In: Textil-Praxis. 1958, S. 401.
Chemische Vorgänge Es spielen sich, je nachdem mit welchem Garnmaterial man es zu tun hat, völlig unterschiedliche Vorgänge ab. Am genauestens untersucht ist das Dämpfen von Wollgarnen, weniger dagegen das Dämpfen von Kunstfasern und Baumwolle.
Wolle Nach Eintritt des Dampfes tritt schlagartig ein wirksamer Anstieg des Feuchtigkeitsgehaltes der Garne durch Garnaufheizung und durch Dampfkondensation ein. Nach Speakmann werden bei der gedehnten Wollfaser nun folgende Erscheinungen ausgelöst: Die Cystin-Seitenketten werden an der Schwefelbrücke einer Hydrolyse unterworfen, wobei das Cystin in Cystein und eine noch nicht isolierte Sulfonsäure übergeht.' mini|500px|links|Bindungskräfte zwischen zwei Peptidketten1. Wasserstoffbrücke zwischen Peptidgruppen (polare Bindung) 2. Cystinbrücke (kovalente Bindung) 3. Salzbrücke zwischen zwei Aminosäuren (ionische Bindung) 4. Hydrophobe Interaktion zwischen einem Valin- und einem Isolyein-rest (apolare Bindung) Die gestrichelte Ellipse stellt den Bereich dar, aus welchem Wasser durch die hydrophobe Interaktion verdrängt wird. An den durch Salzbildung entstandenen Brücken erfolgt eine Ionisation. Infolge der beim Dämpfen auftretenden Temperaturerhöhung in den Fasern tritt eine Schwingung der Moleküle ein, die zum Aufsprengen der Wasserstoffbrücken führt; damit werden Restvalenzen freigelegt, die in der Lage sind, sich mit dem Dipol Wasser abzusättigen. Das Wasser wirkt dann gewissermaßen als Schmiermittel zwischen den einzelnen Molekülen. Damit werden die Bindungen der Hauptketten untereinander durch die Seitenketten aufgehoben, die einzelnen Polypeptidketten können sich gegeneinander verschieben und die Spannungen finden ihren Ausgleich. Beim Weiterdämpfen des Garnes bilden sich zwischen den einzelnen Bausteinen der Hauptketten neue Seitenketten. Beim anschließenden Trocken des Garnes, d. h., bei dem innerhalb des Garnes stattfindenden Feuchtigkeitsausgleiches erfolgt wiederum Salzbildung und die Bildung von Wasserstoffbrücken. Die einzelnen Polypeptidketten sind dann nicht mehr gegeneinander verschiebbar und die Fasern haben ihre alte Festigkeit wiedergewonnen, ohne jedoch im Innern größere Spannungen aufzuweisen. Die Garn- bzw. Zwirndrehung ist fixiert. Der morphologische Aufbau der Fasern muss selbstverständlich beim Spannungsausgleich durch das Dämpfen mitberücksichtigt werden. Indem der Wollfaser sehr schnell die Temperatur zum Aufbrechen der Wasserstoffbrücken und der Wasserdampf zur Hydrolyse für die Cystinbrücken zur Verfügung steht, ist eine relativ schnelle Drallberuhigung möglich, die in etwa den Werten eines autoklavenberuhigten Garnes entspricht; wobei die Dämpfqualität des Sewimatic Dämpfverfahrens, in Bezug auf die Gleichmäßigkeit der Feuchtigkeitsaufnahme wesentlich besser ist.
Kunstfaser mini|Schema Festigkeit und Dehnung bei Textilfasern1. Amorphe Faserbereiche2. Kristalline Faserbereiche3. Bindungskräfte Bei der Kunstfaser unterscheiden wir zwei Faserbereiche, den kristallinen (geordneten) Bereich und den amorphen (ungeordneten) Bereich. In kristallinen Faserbereichen wirken zwischen den eng parallel zueinander liegenden Polymeren physikalische Anziehungskräfte. Diese quer zur Faserachse wirkenden Kräfte machen die Festigkeit einer Faser aus. Wird auf die Faser Zug ausgeübt, dann verhindern diese Kräfte, dass die Faser zerreißt. Die amorphen Faserbereiche wirken dagegen als Gelenke der Fasern. Sie sind für die Biegefestigkeit der Faser verantwortlich. Darüber hinaus ermöglichen die amorphen Faserbereiche z. B. das Eindringen von Wasser oder Farbstoff.Gisela Axt: Beurteilungsmerkmale textiler Faserstoffe. Band 1–3, W. Bertelsmann Verlag KG, Bielefeld 1986.Oskar Becker: Spannfäden in Wollgarnen. In: Melliand Textilberichte 1977, S. 97.
Was geschieht nun beim Dämpfvorgang. Bei zunehmender Erwärmung der Faser geraten ihre Moleküle in zunehmende Schwingung. Die durch Höhe und Dauer der Erwärmung beeinflussbare Schwingungszunahme hebt die elektrischen Bindungskräfte in der Faser auf; zuerst in den amorphen Bereichen, später in den kristallinen Bereichen und zuletzt in den Polymeren. Wie bei der Wolle werden nun die durch den Spinnvorgang eingebrachten Spannungen frei. Beim Trocknen bzw. abkühlen der Faser bauen sich die Bindungskräfte wieder neu auf, ohne dass sie im inneren Spannungen aufweisen.
Art derFaserbereiche bewirken kristalline → Zugfestigkeit→ Elastizität amorphe → Biegsamkeit→ Wasseraufnahme→ Färbbarkeit
Das Problem bei Kunstfasern ist, dass die Abnahme der Bindungskräfte nur zwischen der sogenannten Glasübergangstemperatur – Beginn der Umwandlung der festen (erstarrten) amorphen Faserbereiche in einen viskoelastischen; leicht verformbaren Zustand – und dem Erweichungspunkt (auch die kristallinen Faserbereiche wechseln in den viskoelastischen Zustand über) stattfindet und der liegt bei Kunstfasern in einem relativ hohen Temperaturbereich.
+Glasübergangs- und Erweichungstemperatur von Kunstfasern (Beispiele)MaterialGlasübergangstemperaturErweichungstemperatur Polyester 80…85 °C 230…240 °C Polyamid 6 80…85 °C 180…200 °C Polyamid 66 90…95 °C 220…235 °C Polypropylen (−10)−0 °C 160…165 °C
Dieser Umstand erklärt auch, warum Wollmischungen mit Kunstfasern gemischt, schwerer zu beruhigen sind als reine Wolle. Eine Beruhigung von Kunstfaser ist erst über einen Temperaturbereich von 85 bis 95 °C möglich. Reine Wolle lässt sich dagegen bei diesen Temperaturen bereits sehr gut beruhigen.
Baumwolle Baumwolle spielt bezüglich des Verbunddämpfens eine eher untergeordnete Rolle, auch ist der genaue physikalische bzw. chemische Vorgang in der Faser nicht bekannt. Daher kann Baumwolle in den Betrachtungen vernachlässigt werden.
Anwendung in der Teppichindustrie Besonders bei Garnen für die Teppichindustrie und hier wiederum für Teppiche die geschnitten werden (engl. cut pile), trägt der Abbau der inneren Spannungen zu einer wesentlichen Qualitätssteigerung bei.
Teppicheinteilung links|mini|Loop-Pile-Teppich mini|links|Cut-Pile-Teppich