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Verfahren zum Imprägnieren von Fasermaterialien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Imprägnieren von Fasermaterialien, wie Fasersträngen, die gegebenenfalls als Profile ausgebildet sind, insbesondere zur Imprägnierung von Glasfasersträngen mit Polyester- und Epoxylösungen, wobei die Faserstränge der Länge nach durch eine mit Kunstharz gefüllte Kammer geführt werden.
Zweck der Erfindung ist es, ein wirtschaftliches, verlässliches und einfaches Imprägnierungsverfahren zu schaffen, mit dem eine vollständige Imprägnierung ohne Fehler, wie Lufteinschlüsse oder ungleichmässige Imprägnierung, erhalten werden kann ; solche Fehler sollen auch dann vermieden werden, wenn die Imprägnierungsgeschwindigkeit sehr gross ist.
Die übliche Praxis bei der Imprägnierung von Glasfasern besteht darin, dass man das Harz unter mechanischem Druck in und zwischen die Fasern einarbeitet, z. B. derart, dass man die Fasern durch Walzen durchlaufen oder zwischen runden Zapfen hin- und herlaufen lässt, die in Harz eintauchen. Andere bekannte Methoden verwenden Gussformen, wobei das Harz in das in der Form befindliche faserige Material eingesaugt oder eingepresst wird, worauf die Härtung in der Form durchgeführt wird.
Es ist auch bekannt, die Glasfasern in ein Kunstharzbad zu tauchen oder durch ein solches durchzuführen, wobei die Fasern von Harz bedeckt werden. Das überschüssige Harz wird dann entfernt, indem man die Fasern durch Walzen oder durch eine kalibrierte Matrize laufen lässt. Letztere Methode wird angewendet, wenn man Glasfaser-Kunststoffprofile herstellt, sowie in einigen Fällen, in denen man auf Glasfasersträhnen eine Deckschicht aus Plastikmaterial aufbringen will. Wenn diese Matrize so ausgebildet ist, dass sich die Grösse der Öffnungen in der Bewegungsrichtung der Fasern verjüngt, wird auf das die Strähne umgebende Harzmaterial ein Druck nach innen ausgeübt, und während das überschüssige Harz entfernt wird, wird das Harz teilweise zwischen den Fasern in die Strähne hineingepresst.
Die Vollständigkeit der Imprägnierung hängt in solchen Fällen stark von der Laufgeschwindigkeit der Strähne ab ; gleichzeitig ist der in der konvergierenden Öffnung erzielbare Druck begrenzt, da der Druck von der Zugspannung in der Strähne abhängt und diese Spannung geringer sein muss als die Zugfestigkeit der Strähne.
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile und kennzeichnet sich dadurch, dass die Harzlösung in der Kammer unter hohem Druck gehalten wird.
Bei Verwendung eines hohen Druckes in der Kammer, wie es erfindungsgemäss vorgeschlagen wird, kann die Imprägnierungsgeschwindigkeit der Glasfasern sehr hoch sein ; durch Einstellung eines genügend hohen Druckes ist es möglich, unabhängig von der Durchzugsgeschwindigkeit der Glasfasernsträhne durch die Kammer eine vollständige Imprägnierung zu erhalten.
Der Innendruck in der Kammer hat das Bestreben, die Fasern aus den Öffnungen hinauszupressen ; er hat aber keinen Einfluss auf den Widerstand der Bewegung der Glasfasern durch den Imprägnierungsapparat selbst, wenn die Ein- und Auslassöffnungen von gleicher Grösse sind und die gleichen hydraulischen Eigenschaften besitzen.
Auf diese Weise wird eine gute Imprägnierung ohne übermässige Zugbeanspruchung, die für andere bekannte Methoden charakteristisch ist, erreicht. Wenn man die Austrittsöffnung grösser im Querschnitt macht als die Einlassöffnung, ist es möglich, die Fasern nur durch hydraulische Kraft durch den Apparat zu bewegen.
Die Erfindung wird in der Zeichnung näher erläutert, die das Prinzip der Erfindung an Hand eines vereinfachten Querschnittes durch die Imprägnierungseinrichtung zeigt, wobei eine Glasfasersträhne hindurchläuft.
Die Vorrichtung besteht aus einer Druckkammer 5, die die Kunstharzlösung enthält, welche durch ein Druckrohr 7 eingebracht und unter hohem Druck gehalten wird. Die Quelle und die Mittel zur Regulierung des Druckes sind nicht gezeigt ; diese können eine Zahnradpumpe, eine Kolbenpumpe, ein Druckakkumulator od. ähnl. bekannte Mittel sein. Eine Glasfasersträhne 8 läuft in trockenem Zustand in die Druckkammer 5 durch die Einlassöffnung 20 ein und verlässt die Kammer als imprägnierte Strähne 9 durch die Auslassöffnung 21.
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Die eintretende Strähne 8 enthält zum Teil Luft, volumetrisch ausgedrückt etwa 50 Vol.-% und 50 Vol% Glas. Diese in der Strähne enthaltene Luft kann durch die Öffnung C aus der Kammer entweichen, da das Harz in der Kammer unter hohem Druck in die Fasern eindringt und die Luft verdrängt. Die Geschwindigkeit des Eindringens des Harzes in die Strähne hängt natürlich vom bestehenden Druckdifferential und vom hydraulischen Widerstand innerhalb der Strähne ab. Der Druck in der Kammer führt dazu, die Strähne 8 zusammenzudrücken, wie der Schnitt 12 zeigt. Dies führt zur Bildung eines kleinen Spaltes 10 zwischen der Wand der Einlassöffnung 20 und der Oberfläche der Strähne 8. Das Harz in der Kammer hat das Bestreben, durch den Spalt 10 aus der Öffnung 20 hinauszufliessen.
Dies wird aber durch den hydraulischen Widerstand der Strähnoberfläche verhindert, wenn die Strähne mit beträchtlicher Geschwindigkeit in die Kammer 5 eintritt.
Zur Verhinderung des Durchtretens des Harzes durch die Einlassöffnung 20 muss der hydraulische Druckverlust in der Harzströmung entlang der Oberfläche der Strähne dieselbe Grösse besitzen wie der Druck in der Kammer 5. Dies kann man immer erreichen, indem man die Öffnung genügend lang macht.
Die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit 23 der Strähne und der Geschwindigkeit 22 des Eindringens des Harzes in die Strähne bestimmt, ob die Strähne, während sie in der Kammer ist, vollkommen mit Harz gefüllt sein wird oder nicht.
Es ist vorteilhaft, wenn die Strähne bei Erreichung des Mittelpunktes der Kammer vollkommen mit Harz gefüllt ist. Es muss also das Verhältnis Durchdringungsgeschwindigkeit des Harzes zu Geschwindigkeit der Strähne gleich sein dem Verhältnis Innenlänge der Kammer zu Durchmesser der Strähne.
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Betrachtet man die Geschwindigkeitsvektoren 22 und 23, so ist festzustellen, dass die Strähne entlang einer Grenzlinie 19 mit Harz gefüllt ist. Auf Grund des kreisförmigen Querschnittes der Strähne wird diese Grenzlinie die Gestalt eines Paraboloides 16 annehmen, wodurch die Strähne schon in der Mitte zwischen der Spitze der Grenzlinie 19 und der Einlassöffnung 20 vollkommen mit Harz gefüllt sein wird.
Umfangreiche Versuche haben gezeigt, dass es durch Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens möglich ist, imprägnierte Glasfaserprodukte zu erzeugen, die absolut frei von Mikroporosität sind, wobei das Produkt vollkommen durchsichtig ist, sogar bei einem Glasgehalt von über 70 Gew.-% und bei einer Schichtdicke von über 8 mm.