Verfahren zur Herstellung von mindestens einer hohlen Faser aus durch Wärme erweichbarem Material, z. B. Glas Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von mindestens einer hohlen Faser aus durch Wärme erweichbarem Material, z. B. Glas, die besonders geeignet sind, um mit anderen derartigen Fasern zu einem Strang gesammelt zu werden, der auf ein als Formrohr bezeichnetes Rohr gewickelt wird, um die Fasern schnell zu ziehen.
Der herkömmliche Glasfaden ist im Querschnitt voll und wird von einer Quelle geschmolzenen Glases, das in einer beheizten Wanne enthalten ist, aus durch eine als Düse bezeichnete Öffnung gezogen. Nach neu zeitlichen Verfahren werden zugleich bis zu 800 Fäden aus eng beieinanderliegenden Öffnungen einer Wanne gezogen. Diese Fäden werden zu einem Strang oder einer Litze zusammengerafft und auf einem Formrohr aufgespult. Um die Fäden im Strang zusammenzuhal ten, wird auf die Gruppe von Fäden üblicherweise ein Bindemittel aufgetragen.
Es sei daran erinnert, dass jeder Faden in einem Strang im wesentlichen den gleichen Durchmesser auf weist, der zwischen 0,00075 mm und 0,02 mm betragen kann. Die primären Fäden oder Fasern für geblasene Produkte, d. h. bei denen dde primäre Faser der Ein wirkung einer heissen Gasströmung ausgesetzt und als Matte gesammelt wird, weisen im allgemeinen grössere Durchmesser auf.
Es wurde nach einer Möglichkeit gesucht, wie das Gewicht des Erzeugnisses, in dem die Faser verwendet wird, unter Beibehaltung der Festigkeit des Quer schnittes vermindert werden kann. Diese Forderung kann durch Verwenden von Hohlfasern erfüllt werden. Für gewisse Verwendungszwecke, wobei ein fortlaufen der Faden oder Strang auf einen Dorn aufgewickelt wird, ist ein grosses Verhältnis Glas : Harz erzielbar und erwünscht. Aus Fadenwickeln zusammengesetzte Körper weisen bei geringem Gewicht eine hohe Festig keit auf. Das Verwendungsgebiet für solche Körper umfasst die Herstellung von Raketenmotorgehäusen, Körpern von Wasser- und Raumfahrzeugen, grossen Speichertanks von Radardomen und von Gehäusen ähnlicher Grösse und Art.
Hierbei kann durch Ersetzen der Vollfasern durch Hohlfasern im wesentlichen die selbe Steife bei Verminderung des Gewichtes erzielt werden. In bezug auf elektrische Eigenschaften sind Hohlfaserstränge besonders vorteilhaft wegen der klei neren Dielektrizitätskonstanten im Vergleich zu der der Vollfasern.
Die bekannten Verfahren zum Herstellen von Hohl fasern sind insofern beschränkt, als nur eine einzelne Faser hergestellt werden kann. Einzelne Hohlfasern werden im allgemeinen durch Flammenziehen eines vor geformten Glasrohres auf das Faserkaliber erzeugt, wie in der USA-Patentschrift Nr. 2 269 459 beschrieben. Diese Beschränkungen bei der Anzahl der herzustellen den Fasern und bei dem Herstellungsverfahren haben die Kosten solcher Fasern stark beeinflusst und deren Verwendung bis in die Gegenwart stark verzögert.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch ge kennzeichnet, dass das genannte Material schnell aus mindestens einer Öffnung gezogen wird, die aus. einer Quelle mit geschmolzenem Material versorgt wird, so dass das genannte Material zu einer Faser dünnergezo- gen wird, ein Gas innen und axial in einem Punkt stromabwärts der Öffnung in die Faser eingeblasen und die Faser fest werden gelassen wird, ehe sie ge sammelt wird, wobei das Gas mittels eines hohlen Roh res, dessen Spitze etwa 0,75 bis 1,65 mm über die öff- nung vorsteht, innen in die Faser geblasen wird.
Eine bevorzugte Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens, welche eine mit einer Quelle geschmolze nen durch Wärme erweichbaren Materials, z. B. Glases, in Verbindung stehende Wanne mit mindestens einer Öffnung und Mittel aufweist, um das Material aus der genannten Öffnung heraus und dünner zu ziehen, ist gekennzeichnet durch ein innerhalb der genannten öff- nung im wesentlichen konzentrisch zu dieser angeordne tes hohles Rohr, wodurch ein ringförmiger Duchlass geschaffen wird, und durch eine mit dem genannten Rohr in Verbindung stehende Quelle eines unter Druck gesetzten Gases, wobei das Ende des Rohres nicht weni ger als 0,75 mm und nicht mehr als<B>1,
65</B> mm über die Öffnung vorsteht.
Die Erfindung wird nunmehr an Hand von Aus führungsbeispielen ausführlich beschrieben. In den bei liegenden Zeichnungen ist die Fig. 1 eine Seitenansicht einer Einrichtung zum Zie hen einer Anzahl von Hohlfasern, wobei im besonderen eine Wanne nach der Erfindung gezeigt wird, Fig.2 eine vergrössert gezeichnete Stirnansicht der Wanne nach der Fig. 1, Fig. 3 eine Unteransicht der in der Fig. 1 darge stellten Wanne mit einer Vielzahl von Düsen,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines in der Wanne nach der Fig. 1 verwendeten perforierten Ble- ches, Fig.5 ein vergrössert gezeichneter Schnitt durch benachbarte Düsen der Wanne nach der Fig. 1 und die Fig.6 eine der Fig.3 ähnliche Unteransicht, die eine andere Anordnung bei der Wanne und den Düsen zeigt.
Die Fig. 1 zeigt eine Anordnung, mit der eine Viel zahl von Hohlfasern gleichzeitig gezogen werden kann und die eine Glasperlenschmelzwanne 10 mit einer An zahl von Düsen 12 an der Unterseite aufweist, durch die das Glas ausströmt und zu den Fasern 14 ausgezogen wird. Die Düsen 12 bestehen aus rohrförmigen Gliedern, die in die am Boden der Wanne vorgesehenen Öffnungen engeschweisst sind und sich von der Wanne aus nach unten erstrecken.
Die Fasern 14 werden zu einem Strang 16 zusammengerafft, der auf einem Formrohr 18 aufgewickelt wird, das auf den drehbaren Dorn 20 einer Aufwickelvorrichtung 22 aufgesteckt wird. Die Aufwickelvorrichtung 22 erzeugt die zum Ausziehen des aus den Düsen austretenden Glases zu den Fasern 14 erforderliche Zugkraft. Zum Verteilen des Glas faserstranges 16 über die Länge des Formrohres hinweg ist eine Querführung 24 vorgesehen. Diese Führungs vorrichtung 24 kann der in der USA-Patentschrift Nr. 2<B>391870</B> beschriebenen Vorrichtung gleichen.
Die Querführung 24 kann ferner in bezug auf den Dorn 20 und seitlich zu diesem bewegt werden, oder der Dorn 20 kann in bezug auf die Querführung 24 und seitlich zu dieser bewegbar sein, so dass verhältnismässig lange Formrohre 18 benutzt und verhältnismässig lange Glas faserstränge aufgewickelt werden können.
Die Wanne 10 weist zwei nach oben ragende Speise rohre 26 auf, durch die Glas mit der gewünschten Zu sammensetzung in Form von Perlen in die Wanne ein getragen wird. Wenn es für erforderlich oder erwünscht gehalten wird, kann eine selbsttätige Einrichtung ver wendet werden, die die Glasperlen in vorherbestimmten Zeiträumen oder in Abhängigkeit vom Stand des Glases in der Wanne zuführt.
In der Wanne ist ein Heizkorb 28 angeordnet, der aus perforiertem Blech 28a hergestellt ist, das ungefähr 15 bis 16 Löcher pro cm2 mit einem Durchmesser von je 1,75 mm aufweist, und an dessen Seiten die Drähte 29 angeschweisst sind, die die Heizelemente 28b tragen. Der Korb 28 ist an die Enden der Wanne ange schweisst.
An die Enden der Wanne sind ferner die nach aussen vorstehenden Ansatzglieder 30, 30 angeschweisst, die durch herkömmliche Mittel mit einer elektrischen Stromquelle verbunden sind, die den Korb mit elek- trischem Strom versorgt, wodurch die Wanne erhitzt und die dieser zugeführten Glasperlen geschmolzen wer den. Der Korb unterteilt die Wanne in eine Schmelz zone und eine Veredelungszone und lässt aufgrund der Perforierung das Strömen des Glases aus der einen Zone in die andere zu, während grosse, miteinander verbun dene Glasperlenteile zurückgehalten werden.
Unterhalb des Heizkorbes 28 ist eine perforierte Platte 32 angeordnet, deren Öffnungen 34 auf die Düsen 12 ausgerichtet sind (vgl. Fig. 4 und 5). Die herabhän genden Seitenteile der Platte 32 liegen an den Seiten der Wanne sehr nahe an den Düsen an.
In jede Plattenöffnung 34 ist ein Rohr 36 mit einem spitz zulaufenden Ende 38 eingesetzt, wobei ein Teil des Rohres in eine Düse 12 konzentrisch zu dieser hineinragt. Die Platte 32 dient dazu, die Rohre auf die betreffenden Düsen ordnungsgemäss ausgerichtet zu hal ten. Das andere Ende eines jeden Rohres 36 erstreckt sich zu einer oberhalb des Spiegels der Glasschmelze in der Wanne liegenden Stelle und steht bei 40 mit einer Quelle eines unter Druck stehenden Gases in Verbin dung. In die Verbindungsleitung zu jedem Rohr 36 ist ein Ventil 42 sowie eine Druckregulierungseinrichtung 44 eingeschaltet.
Das geschmolzene Glas strömt durch den von den Düsen 12 und den Rohren 36 gebildeten ringförmigen Raum aus. Durch die Bohrung 46 des Rohres 36 wird beständig ein Gas unter gleichmässigem Druck hindurch geleitet, das mit Sicherheit die Erzeugung einer Hohl faser bewirkt. Die Konzentrizität des Rohres 36 und der Düse 12 zusammen mit der Zuführung des Gases unter einem regulierten Druck sowie die Ausübung einer gleichmässigen Ziehkraft sichert die Herstellung von Glashohlfasern mit gleichem Durchmesser und mit Wan dungen von gleichbleibender Stärke.
Wie aus der Fig. 5 zu ersehen ist, sind die Düsen 12 der oben beschriebenen Wanne in zwie Reihen ange ordnet, die einen geringen Abstand voneinander auf weisen, wobei die Düsen in der einen Reihe in bezug auf die Düsen in der anderen Reihe in der Längsrich tung versetzt angeordnet sind, so dass die Glasfasern bis zur Zusammenraffung zu einem Strang mit Sicherheit von einander getrennt bleiben und sich abkühlen kön nen.
Die Fig. 6 zeigt eine andere Ausführung der Wanne 100, die aus einer Perlenschmeszwanne besteht und in der gleichen Ziehanordnung nach der Fig. 1 benutzt wird. Die Wanne<B>100</B> weist am Boden eine Anzahl von rohrförmigen Düsen 102 auf, durch die das Glas aus tritt und zu Fasern ausgezogen wird, die zu einem Strang zusammengerafft und auf dem Formrohr einer Wickel vorrichtung aufgewickelt werden.
Die Wanne 100 wiest denselben Aufbau auf wie die Wanne 10 mit Ausnahme der Anordnung der Dü sen, so dass die Beschreibung sich auf diese andere An ordnung beschränken kann.
Die Düsen 102 der Wanne 100 sind in einer etwas anderen Weise angeordnet als die zuvor beschriebenen Düsen 12. Diese Ausführung weist zwei Reihen von Düsen mit drei Längsabschnitten auf, wobei auch in die sem Falle die Düsen der einen Reihe gegen die Düsen in der anderen Reihe in der Längsrichtung versetzt sind. Diese Anordnung zeigt die Fig. 6 sowie Konstruktions einzelheiten der Wanne 100, die scheinbar mit Ein schnitten versehene Teile aufweist, die jedoch tatsäch- lich Zonen darstellen, wobei verschiedene Untereinhei ten zu einer Gesamteinheit miteinander vereinigt sind.
Durch dieses Verfahren erhält die Anordnung eine grössere Steifheit, die weiterhin sichert, dass die Rohre in den Düsen 102 konzentrisch auf diese ausgerichtet werden.
Die relative Lage der Rohre 36 in bezug auf die Enden der Düsen 12 hat sich als wichtig erwiesen für die fortlaufende Herstellung von Hohlfasern. Verläuft das Rohr zu weit vom Ende der Düse oder nicht in einer ausreichenden Entfernung von dem genannten Ende, so werden keine fortlaufend hohlen Fasern erzeugt. Er streckt sich das Rohr 36 zu weit entfernt von dem Ende der Düse, so halst das Glas sich zu rasch ein, wobei eine Glasfaser mit sehr dünnen unstabilen Wandungen erzeugt wird. Weist das Rohr 36 eine unzureichende Entfernung auf, so wird eine intermittierend hohle dick wandige Faser hergestellt.
Durch Verändern des Ausmasses des Dünnerziehens, des Luftdruckes und der Weite des Düsenendes können Hohlglasfasern mit gleichmässigem äusserem Durchmes ser im Bereich von 0,0075 bis 0,075 mm hergestellt wer den, bei denen 10 bis 65 % des Volumens hohl ist. Fa sern, bei denen mehr als 65 % des Volumens hohl ist, sind wegen der dünnen Wände unstabil, während die jenigen, bei denen weniger als 10 % des Volumens hohl ist, sich Vollfasern annähern.
Unter Verwendung einer Wanne nach den Fig. 1-5 wurden Hohlfasern mit einem Aussendurchmesser von 0,0125 mm und einem Innendurchmesser von 0,008 mm bei einer Wandstärke von 0,00225 mm hergestellt. Diese Wanne erzeugte 50 Fasern, die mit Hilfe einer her kömmlichen Wickelvorrichtung zu einem Strang mit einander vereinigt wurden. Vor der Zusammenfassung zu einem Strang wurde auf die Fasern eine Silan- schlichte aufgetragen. Jede Düse 12 der Wanne 10 hatte eine Länge von 4,75 mm und einen Innendurchmesser von 3,26 mm. Das Rohr 36 war in der Düse konzen trisch angeordnet und wies einen Aussendurchmesser von 1,57 mm und einen Innendurchmesser von 0,05 mm auf.
Das Ende 38 eines jeden Rohres wies eine Kegelig- keit von 12 auf und erstreckte sich 1,5 mm unterhalb des Endes der Düse 12, wobei die besten Glashohlfasern erzeugt wurde. Es wurde ferner herausgefunden, dass verwertbare Hohlfasern erzeugt wurden, wenn das Rohr noch eine zusätzliche Entfernung von 10 % vom Ende der Düse und nur ungefähr 50 % der genannten Ent fernung aufwies.
Bei Verwendung von Düsen mit der selben Ausbildung und durch Verändern der Innen- und Aussendurchmesser der Düse hat sich herausgestellt, dass die Lage des Rohres vorzugsweise die gleiche war. Das Rohr 36 erstreckt sich daher vorzugsweise bis 1,5 mm unterhalb des unteren Endes der Düse 12; je doch können auch zufriedenstellende Hohlfasern erzeugt werden, wenn das Rohr 36 bis zu 0,75 bis 1,65 mm unterhalb des Endes der Düse 12 erstreckt. Nahm das Rohr 36 in bezug auf die Düse 12 eine ausserhalb dieses Bereichs liegende Stellung ein, so wurden keine ver wertbaren Hohlfasern erzeugt.
Während der Herstellung der Glasfasern wurde der Druck des durch die Rohre 36 eingeführten Gases kon stant gehalten. Im Rohr 36 kann ein Druckunterschied bis zu 38 cm Wassersäule zwischen der Atmosphäre im Rohr 36 und damit in den erzeugten Hohlfasern und der Umgebungsluft bestehen.