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Verfahren zur Herstellung von siliziumhaltigen Fasern, insbesondere Glasfasern.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von siliziumhaltigen Fasern, insbesondere Glasfasern, bei welchem die Fasern aus einer geschmolzenen Masse mechanisch aus- gezogen werden.
Die nach den bisher bekannten, mit mechanischem Ausziehen arbeitenden Verfahren hergestellten Glasfasern sind verhältnismässig brüchig, grob und rauh. Ausserdem hatten die Fasern nur verhältnis- mässig kurze Längen und liessen sich deshalb nicht parallel in Form eines fortlaufenden Fadens zusammen- legen. Damit war es auch schwierig, Fäden von auf ihrer ganzen Länge gleichmässiger Dicke herzu- stellen. Die Schwierigkeiten in der Herstellung einwandfreier feiner Fasern waren durch verschiedene
Ursachen bedingt. Hiezu gehörte vor allem der grosse Unterschied zwischen dem Durchmesser der
Faser beim Abziehen aus der Schmelze und dem endgültigen Durchmesser der Faser. Bemühungen, die Fasern sehr fein auszuziehen, scheiterten daran, dass die Fasern an der eigentlichen Ziehstelle abrissen. Es war deshalb nur ein beschränktes Ausziehen, d. h.
Dünnermachen der Fasern möglich.
Einen weiteren Nachteil ergab das Ausziehen der Fasern auf einer verhältnismässig langen Strecke und bei verhältnismässig niedrigerer Temperatur. Bei diesem Ausziehen über lange Strecken ergaben sich in den Fasern innere Spannungen und dadurch eine Schwächung der Fasern. Die Oberfläche der Fasern wurde dabei zuerst abgekühlt, während der innere Kern noch mehr oder weniger plastisch blieb. Dabei reisst die Faser an der Oberfläche, während der innere Kern sich noch weiter auszieht.
Es entstehen dadurch an der Oberfläche Risse und Unebenheiten, an welchen sich die Spannungen konzentrieren und die Anlass zu vorzeitigem Bruch geben.
Durch das vorliegende mechanische Ziehverfahren sollen diese Nachteile und Schwierigkeiten behoben werden. Die Fasern werden durch kleine Austrittsöffnungen eines Behälters aus einer in diesem enthaltenen geschmolzenen Masse ausgezogen.
Das Verfahren gemäss der Erfindung besteht vor allem darin, dass die Schmelze so hoch erhitzt wird, dass sie wenigstens an den Austrittsstellen flüssig ist, kontinuierlich in dünnen Strömen aus den Öffnungen austritt, unmittelbar nach Verlassen der Austrittsöffnungen in die feine Faserform übergeführt und dabei so stark und schnell gekühlt wird, dass sie eine der weiteren Ziehwirkung wider- stehende Festigkeit erlangt.
Das Ausziehen der Fasern aus der Schmelze kann in üblicher Weise abwärts oder gemäss einer besonderen Ausführung auch aufwärts erfolgen. Diese letztere Verfahrensart hat den Vorteil, dass der Widerstand der Fasern gegen die Ziehwirkung an oder in der Nähe der geschmolzenen Masse erhöht wird, ohne dass dadurch die Viskosität des Glases selbst unnötig erhöht wird.
Die Schmelze erhält erfindungsgemäss eine Temperatur von 1100 bis 16000 C. Sie kann je nach der Zusammensetzung der Schmelze schwanken. Besonders gute Ergebnisse wurden mit einer
Temperatur von 12500 C erzielt.
Das Abschrecken der Fasern unmittelbar nach Verlassen des die Schmelze enthaltenden Behälters kann dadurch erfolgen, dass ein künstlicher Kühlstrom (Luft, Dampf, Gas) auf die Fasern gerichtet wird. Dabei kann der Blasstrom etwa in der Ziehrichtung der Fasern geleitet werden und mit solchem
Druck zur Anwendung kommen, dass er die Ziehwirkung der mechanischen Ziehmittel unterstützt.
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Der durch ein Gebläse in einem gewissen Abstand von den Austrittsöffnungen des Behälters erzeugte Blasstrom saugt in dem Raum zwischen dem Gebläse und den Öffnungen atmosphärische Luft gegen die Fasern, welche die aus den Austrittsöffnungen kommenden dünnen Ströme und die daraus sich bildenden Fasern bestreicht und kühlt.
5 Durch die hohe Temperatur der Schmelze an der Ziehstelle und die sofortige Abkühlung findet die Bildung der Faser zu ihrer endgültigen feinen Stärke auf einem ganz kurzen Stück statt, welches gewöhnlich kürzer als 2'5 cm von den Austrittsöffnungen ab ist. Hiedurch bilden sich Fasern, die glatt sind, nicht weiter ausgezogen werden und eine hohe Zugfestigkeit besitzen.
Die Austrittsöffnungen des Behälters für die geschmolzene Masse erhalten erfindungsgemäss einen Durchmesser von etwa 0'06 bis 0'20 cm. Dabei werden zweckmässig mehrere Fasern parallel nebeneinander durch eine entsprechende Anzahl von Austrittsöffnungen ausgezogen und zu einem gemeinsamen Faden zusammengeführt und aufgewickelt. Zur Erzielung einer möglichst grossen Leistung auf engem Raum sieht die Erfindung an dem Behälter für die Schmelze mehrere, dicht nebeneinanderliegende Reihen von Austrittsöffnungen vor, wobei die Öffnungen der einen Reihe versetzt zu denjenigen der benachbarten Reihe angeordnet werden.
Die Erfindung besteht weiter darin, dass auf die Fasern zwischen der Entstehungsstelle und der Zieh-und Wickelvorrichtung eine die Fasern umhüllende Überzugmasse, wie z. B. 01, Wachs, Zellulosederivate, Gummi, Harze, Stärke, Fette, Fettsäuren oder andere geeignete Substanzen, aufgebracht wird. Hiedurch werden Unebenheiten, kleine Kratzen und scharfe Stellen, die zur Konzentration von Spannungen Anlass geben, in weitem Masse ausgeglichen und es ergibt sich dadurch eine wesentliche Erhöhung der Zugfestigkeit der Fasern. Auch wird die Reibung zwischen benachbarten Fasern, welche für die Fasern schädlich sein kann, aufgehoben oder verringert.
Die Aufbringung der Überzugsmasse kann in verschiedener Weise erfolgen. So in an sich bekannter Weise durch Aufsprühen, jedoch ist dieses weniger zu empfehlen, weil sich beim Sprühen kleine Tröpfchen bilden, die im Durchmesser wesentlich grösser sind als der Durchmesser der Fasern und die sich nur schwer gleichmässig auf die Fasern verteilen lassen. Deshalb schlägt die Erfindung andere Arten der Aufbringung der Überzugsmasse vor. So können die Fasern über ein mit der Über-' zugsmasse getränktes Kissen od. dgl. geführt werden. Oder sie werden an Öffnungen eines Behälters vorbeigeführt, aus denen beständig flüssige Überzugsmasse austritt.
Damit die Fäden oder Fasern, die eine Überzugsmasse besitzen, auf der Wiekeltrommel nicht aneinanderkleben und von dieser wieder abgewickelt werden können, werden die Fasern erfindunggemäss, bevor sie auf die Wickeltrommel gelangen, durch einen Blasstrom oder durch Heizen getrocknet.
Die Aufwieklung der Fasern oder Fäden erfolgt mit hoher Geschwindigkeit, wodurch sieh auf der Wickeltrommel eine Schleuderwirkung ergibt, die das Bestreben hat, die Fasern von der Trommel abzuschleudern. Dieser Zentrifugalwirkung wirkt allein die Spannung entgegen, mit welcher die Fäden auf der Trommel aufgewickelt werden. Um diese Spannung zu vergrössern, wird auf die Fäden, bevor sie auf die Trommel gelangen, eine Bremswirkung ausgeübt.
Um einen hemmungsfreien Austritt der Fasern aus dem Schmelzbehälter zu ermöglichen und die Ausflussdüsen in sehr kleinen Abmessungen halten zu können, wählt man für den Behälter oder wenigstens für die Düsen ein durch die flüssige Masse netzbares, hochwertiges Metall, wie PlatinRhodium, Platin, Tantal, Molybdän od. dgl., welche Metalle Temperaturen bis zu 19000 C aushalten können.
Durch das Verfahren gemäss der Erfindung lassen sich kilometerlange, praktisch endlose Fasern mit einem Durchmesser von weniger als 1 Mikron herstellen. Dieselben besitzen eine Zugfestigkeit von 105. 000 kjr/e2 und mehr. Ebenso lassen sich Fäden aus solchen Fasern herstellen, bei denen die Fasern parallel liegen und der Faden auf seiner ganzen Länge eine vollständig gleichmässige Dicke besitzt. Diese Fäden besitzen eine entsprechend hohe Zugfestigkeit und brauchen nicht wie sonstige Textilorgane gedreht zu werden.
In der Zeichnung sind einige zur Ausübung des Verfahrens geeignete Vorrichtungen dargestellt, u. zw. zeigt : Fig. 1 eine Seitenansicht einer solchen Vorrichtung, zum Teil im Schnitt, Fig. 2 eine
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im Schnitt, einer weiteren Ausführung einer solchen Vorrichtung, Fig. 4 eine Vorderansicht einer andern etwas geänderten Vorrichtung, Fig. 5 einen Schnitt durch ein Auslassmundstüek und die Kühlmittel, die Bildung der Faser darstellend, Fig. 6 eine Unteransieht eines Auslassmundstüekes mit besonders angeordneten Austrittsöffnungen, Fig. 7 einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Auftragen einer Überzugsmasse, Fig. 8 eine Vorderansicht der letzteren, Fig. 9 eine Schnittansicht einer Vorrichtung, bei welcher die Fasern aufwärts gezogen werden und Fig. 10 einen Schnitt nach Linie 10-10 der Fig. 9.
In den Fig. 1 und 2 bezeichnet 10 einen Schmelzbehälter und 11 die in diesem enthaltene geschmolzene Glasmasse. Im Boden des Behälters 10 befindet sich ein Auslassmundstück 12 aus Metall, welches mit einer Anzahl von Auslassnippeln 13 versehen ist. Das Auslassmundstück 12 besteht zweckmässig aus einer Platin-Rhodium-Legierung von 90% Platin und 10% Rhodium. Jedoch können, wie eingangs erwähnt, auch andere hochwertige Metalle oder Metallegierungen Verwendung finden,
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die durch geschmolzenes Glas netzbar sind und über der Entglasungstemperatur liegende Temperaturen aushalten können. Das Auslassmundstück ist von einer feuerfesten Buchse 14 umgeben. Die Nippel 18 stehen zweckmässig nach unten etwas über das Mundstück 12 und die Buchse 14 vor.
Die Nippel 13 sind zweckmässig in der aus Fig. 6 ersichtlichen Weise in mehreren Reihen und versetzt zueinander angeordnet. Hiedurch ergibt sich auf engem Raum eine grosse Anzahl von dicht nebeneinanderliegenden Austrittsöffnungen, die leicht auf die gleiche Temperatur gehalten werden können. Auch wird dadurch die mit einem Mundstück mögliche Produktion beträchtlich erhöht.
Ausserdem ist es hiedurch möglich, aus einem Mundstück Fäden zu bilden, die eine grössere Anzahl von Fasern enthalten.
In einem kurzen Abstand unter den Nippeln befindet sieh ein Gebläse 15. Der Raum zwischen diesem und der Buchse 14 ist zweckmässig offen gelassen, so dass in diesem Raum durch den Strom des Gebläses atmosphärische Luft über das Gebläse und in den zwischen seinen beiden Hälften liegenden Schlitz 17 gesaugt werden kann.
Kurz unter dem Gebläse befindet sich eine Sprühvorrichtung 18 zum Auftragen einer Überzugsmasse auf die Fasern in Form von Flüssigkeit oder Dampf. An Stelle dieser Sprühvorriehtung können
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werden.
An den entgegengesetzten Enden des Mundstückes 12 wird durch die Leitungen 20 elektrischer
Strom zum regelbaren Heizen und Schmelzen des Glases zugeführt. Das Schmelzen kann auch in dem Mundstück 12 allein erfolgen und der keramische Ofen 10 in Fortfall kommen. In diesem Falle werden zweckmässig vorgeformtes Glas oder Glasscherben in das Mundstück eingeführt. Das Gebläse 15 ist an eine Leitung 21 angeschlossen, durch welche Luft oder sonstiges Gas unter Druck zugeführt wird. Die aus dem Gebläse tretenden Ströme 22 sind auf die Fasern gerichtet und kühlen diese, regeln also ihre Temperatur, während sie in der Bildung begriffen sind. Ausserdem saugt der Blasstrom atmosphärische Luft oberhalb des Gebläses gegen die Fasern und zieht sie mit den Fasern in Berührung durch den Schlitz 17 nach unten.
Diese angesaugte Luft kühlt nicht nur die Fasern selbst, sondern auch die Spitzen der Nippel 13 und das aus diesen austretende Glas. Der Druck des Gebläsestromes kann so gewählt werden, dass dieser die mechanische Ziehwirkung'unterstützt.
Unterhalb des Gebläses befindet sich eine Führungsöse 25, in welcher die aus dem Mundstück 12 kommenden Fasern zusammengeführt werden. Als Ziehmittel zum mechanischen Ausziehen der Fasern dient hier eine zylindrische Trommel 26, auf welcher der entstehende Faden aufgewickelt wird.
Die Trommel wird zwangläufig angetrieben. Um den Faden gleichmässig auf der Trommel zu verteilen, wird diese während des Aufwickelns axial hin und her bewegt. Hiezu können in der Textilindustrie bekannte Mittel zur Anwendung gelangen.
Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist oberhalb der Führungsöse 2J eine Vorrichtung 35 zum Auftragen einer Überzugsmasse auf die einzelnen Fasern vorgesehen. Dieselbe besteht aus einem Filzstreifen oder Kissen 36, über welchen die einzelnen Fasern gezogen werden. Dem Streifen 36 wird aus einem Behälter 37 ständig Überzugsmasse, wie z. B. Öl, Wachs, Emulsion oder eine sonstige Substanz zugeführt. Ist die Masse thermoplastisch, so wird der Behälter 37 durch einen Brenner 37 a geheizt, um die Masse in dem gewünschten Fliissigkeitsgrad zu halten.
In beiden beschriebenen Ausführungsformen sitzen die Wickeltrommel oder Spulen 26 auf der angetriebenen Welle 30. Bei der Ausführung nach Fig. 3 erfolgt die Verteilung des Fadens beim Aufwickeln auf der Trommel 26 dadurch, dass ein besonderes Fiihrungsauge 27 a parallel zur Achse der Wickeltrommel hin und her bewegt wird.
Um die Überzugsmasse zu trocknen und überschüssige Masse von den Fasern zu entfernen, bevor diese auf die Wickeltrommel gelangen, können gegen den Faden 27 Blasströme 38 gerichtet werden. Dem gleichen Zweck kann ein Brenner 38 ? dienen. Wenn nämlich die Überzugsmasse nicht genügend trocken ist, bevor sie auf die Wickeltrommel 26 gelangt, so verklebt sie sich auf dieser mit der Überzugsmasse des dort bereits befindlichen Fadens, so dass es schwierig, wenn nicht gar unmöglich wird, den Faden von der Trommel wieder abzuwickeln. Das Aufwickeln erfolgt mit hoher Geschwindig- keit und es wirkt dabei eine Zentrifugalkraft auf die Fasern, welche bestrebt ist, die Fasern von der Trommel nach aussen zu schleudern. Die dieser Kraft entgegenwirkende zentripedale Kraft liefert dabei die Spannung des Fadens beim Ziehen.
Um eine möglichst hohe Aufwickelgeschwindigkeit anwenden zu können, ist es nötig, die Spannung des Fadens zu erhöhen. Dieses wird dadurch erreicht, dass an geeigneter Stelle vor der Wiekeltrommel eine Bremse 40 a für die Fasern vorgesehen wird.
Natürlich ist die Bremsmöglichkeit durch die Zugfestigkeit des Fadens begrenzt. Da die Zugfestigkeit jedoch sehr gross ist, kann eine nennenswerte Bremsung ohne die Gefahr, den Faden zu zerreissen, ausgeübt werden. Ausser der Vorrichtung 40a wirken natürlich auch der Filzstreifen 36 und die Führung- öse 25 bremsend auf die Fasern.
Aus Fig. 5 ist ersichtlich, dass die Faser 40 fertig geformt und erstarrt ist, wenn sie in die Ebene des Gebläses 15 kommt. Es kann dieses eine sehr kurze Strecke, etwa 2-5 cm oder noch weniger sein.
Es findet also kein langsames, allmähliches, sondern ein schnelles Ausziehen der Faser auf kurzer Strecke statt. Hiedurch ist es möglich, Fasern von sehr grosser Feinheit zu erzeugen. Je nach der
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Zusammensetzung des Glases, der Ziehgeschwindigkeit, der Grösse der Austrittsöffnungen und der Temperaturregelung lassen sich endlose Fasern mit einem Durchmesser von weniger als 1 Mikron erzeugen. Jedoch kann man selbstverständlich auch Fasern mit grösserem Durchmesser herstellen.
Die Ausführungsform nach Fig. 4 unterscheidet sich von den andern dadurch, dass die Fasern nicht zu einem Faden zusammengeführt sondern in paralleler Lage direkt auf die Spule 26 a aufgewickelt werden. Es ergeben sich hiebei Fasern von besonders schönem Glanz.
Die in den Fig. 7-8 dargestellte Vorrichtung zum Auftragen einer Überzugsmasse auf die Fasern besteht aus einem Behälter 55, der am Boden eine kleine Öffnung 56 aufweist. Der Behälter ist mit einer Heizung 57 versehen, die aus einem Heissluftkasten 58 und einem elektrischen Heizelement 59 besteht. Beiderseits der Öffnung 56 befinden sich Vorsprünge 61, die eine Führung 60 für die Fasern 63 bilden. Die zusammengeführten Fasern 63 werden durch die Führung 60 hindurchgeleitet und bilden den Faden 64, der in üblicher Weise aufgewickelt wird. In der Führung 60 gehen die Fasern über die Öffnung 56 und werden hier mit der flüssigen oder viskosen Überzugsmasse aus dem Behälter 53 versehen. Die überschüssige Masse fliesst über die Vorsprünge 61 der Führung 60 und tropft in einen Auffangbehälter 62.
Die Vorrichtung nach Fig. 9 und 10 unterscheidet sich von den bisher beschriebenen Vorrichtungen im wesentlichen dadurch, dass die Fasern aus der Schmelze aufwärts gezogen werden. Das Auslassmundstück 12 mit den Nippeln 13 ist hiebei nach Art einer unten offenen Hundehütte ausgebildet und taucht in die Glaseharge 11 ein. Die Heizung des Sehmelzbehälters erfolgt vorzugsweise durch Metallelektroden 41, denen durch die Leiter 42 Strom zugeführt wird. Die geläuterte Schmelze gelangt durch ein Sieb 43 in das Innere des Auslassmundstückes 12 und von dort zu den Nippeln 13.
Oben ist mit dem Auslassmundstück eine Platte 44 vereinigt, die an einem feuerfesten Körper 45 sitzt.
Letzterer ist in einem Rahmen 46 gehalten, der durch in Stützen 47 geführte Schrauben 48 in der Höhe verstellbar ist. Der Platte 44 und damit den Nippeln 13 wird zum Heizen elektrischer Strom durch die Leiter 20 zugeführt. Innerhalb des feuerfesten Körpers 45 befindet sich ein Gebläse 15 mit Zuführung 21 für das Blasmaterial. Dieses Gebläse 15 entspricht den Gebläsen, die auch bei den Vorrichtungen nach Fig. 1-4 vorgesehen sind. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass die aus demselben tretenden Blasströme anstatt abwärts in der Ziehrichtung der Fasern 27 aufwärts gerichtet werden. Auch bei dieser Anordnung wird an der Austrittsstelle der Fasern aus den Nippeln durch den Blasstrom atmosphärische Luft zum Kühlen angesaugt, wie insbesondere durch die Pfeile in Fig. 10 veranschaulicht ist.
Die aus den Nippeln gezogenen Fasern 27 gehen über ein mit Auftragsmasse getränktes Kissen 36 und durch Führungsösen 25 und 49 zu der Aufwickelspule 26. Um die Zieharbeit einzuleiten, wird der Mundstüekkörper 12 durch Verstellung der Schrauben 48 ein wenig gesenkt, so dass die Schmelze durch die Öffnungen der Nippel 13 austritt, wo sie mit einem geeigneten Haken erfasst, nach oben durch die Ösen 25 und 49 geleitet und über die Trommel 26 gelegt wird. Hierauf können die Fasern ununterbrochen und in endloser Länge gezogen werden.
Um nach der Einleitung der Zieharbeit die Wirkung des Eigengewichtes als Widerstand gegen die Ziehkraft möglichst auszunutzen, ist es zweckmässig, durch entsprechende Einstellung der Schrauben 48 die Austrittsöffnungen 13 etwas über dem Spiegel der Schmelzmasse einzustellen. Wird nämlich das Mundstück 12 mit den Austrittsöffnungen 13 unnötig tief eingestellt, so tritt das ge- schmolzene Glas mit zu hoher Geschwindigkeit aus den Öffnungen aus, wodurch die günstige Wirkung des Eigengewichtes der Fasern zu einem gewissen Teil aufgehoben würde.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von siliziumhaltigen Fasern, insbesondere Glasfasern, bei welchem die Fasern durch kleine Austrittsöffnungen eines Behälters aus einer in diesem enthaltenen geschmolzenen Masse mechanisch ausgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze so hoch erhitzt wird, dass sie wenigstens an den Austrittsstellen einen hochflüssigen Zustand hat und die kontinuierlich aus den Öffnungen tretenden dünnen Ströme der Schmelze unmittelbar nach Verlassen der Austritts- öffnungen in die feine Faserform übergeführt und dabei so stark und schnell künstlich gekühlt werden, dass sie eine der weiteren Ziehwirkung widerstehende Festigkeit erlangen.